Introducción

Los metales pesados (MP) constituyen un peligro para la humanidad, pues una vez que el elemento llega al suelo, siguen dos vías que conducen a la cadena trófica: mediante la absorción por las plantas o el lavado hacia las aguas freáticas, pudiendo llegar a los organismos vivos y producir daños agudos, incluso la muerte (11. Achiba WB, Gabteni N, Lakhdar A, Du Laing G, Verloo M, Jedidi N, et al. Effects of 5-year application of municipal solid waste compost on the distribution and mobility of heavy metals in a Tunisian calcareous soil. Agriculture, Ecosystems & Environment. 2009;130(3):156-163.,22. Barrueta-Gálvez A, Echemendía-Pérez M. Evaluación del uso de plaguicidas en la campaña de producción de semillas de papa (Solanum tuberosum L.) y el nivel de Pb y Cd en semilla y suelo. Revista de Protección Vegetal. 2015;30:148-148.).

Las fuentes contaminantes de metales pesados pueden ser varias, desde el uso de un antiguo terreno industrial para la agricultura, hasta el uso indiscriminado de agroquímicos en un ecosistema agrícola (33. Bainard LD, Klironomos JN, Gordon AM. The mycorrhizal status and colonization of 26 tree species growing in urban and rural environments. Mycorrhiza. 2011;21(2):91-96.); sin embargo, las plantas han desarrollado mecanismos de defensa ante esta situación contaminante, logrando incluso una hiperacumulación de estos metales en algunos casos (44. Aguirre W, Fischer G, Miranda D. Tolerancia a metales pesados a través del uso de micorrizas arbusculares en plantas cultivadas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. 2011;5(1):141-154.).

En algunas especies de plantas, la tolerancia a metales pesados, a través del uso de micorrizas arbusculares, constituye un ejemplo de bioacumulación y biosorción (55. Giuffré L, Ratto S, Marbán L, Schonwald J, Romaniuk R. Riesgo por metales pesados en horticultura urbana. Ciencia del suelo. 2005;23(1):101-106.,66. García I, Dorronsoro C. Tema 15. Contaminación por metales. Introducción. [Internet]. [cited 20/07/2021]. Available from: http://edafologia.ugr.es/conta/tema15/introd.htm ) pudiendo ser utilizados en programas de fitorremediación, pues se ha visto como estos hongos son capaces de acumular MP en sus esporas e hifas y disminuir el contenido de estos en plantas acumuladoras (77. Kozłowski M, Naumnik W, Nikliński J, Milewski R, Łapuć G, Laudański J. Lymphatic vessel invasion detected by the endothelial lymphatic marker D2-40 (podoplanin) is predictive of regional lymph node status and an independent prognostic factor in patients with resected esophageal cancer. Folia Histochemica et Cytobiologica. 2011;49(1):90-97.).

Es por ello que en este trabajo se abordan algunos aspectos sobre la fitoestabilización de los metales pesados por los hongos micorrízicos arbusculares.

Los metales pesados en el agroecosistema

Los metales pesados están presentes naturalmente en los suelos, en algunos mayor y en otros en menor cuantía, según el material que le dio origen, pero se ha presentado una acumulación antropogénica por las actividades industriales, agrícolas y la disposición de residuos de todo tipo (33. Bainard LD, Klironomos JN, Gordon AM. The mycorrhizal status and colonization of 26 tree species growing in urban and rural environments. Mycorrhiza. 2011;21(2):91-96.,66. García I, Dorronsoro C. Tema 15. Contaminación por metales. Introducción. [Internet]. [cited 20/07/2021]. Available from: http://edafologia.ugr.es/conta/tema15/introd.htm ,88. Huancaré Pusari RK. Identificación histopatológica de lesiones inducidas por bioacumulación de metales pesados en branquias, hígado y músculo de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) de cultivo en etapa comercial de la laguna de Mamacocha, área de influencia minera, Cajamarca-Perú. [Tesis de grado]. [Lima-Perú]: Universidad Nacional Mayor de San Marcos; 2014. 127 p.).

Se considera metal pesado aquel elemento que tiene una densidad igual o superior a 5 g cm³ cuando está en forma elemental o cuyo número atómico es superior a 20 g cm³, excluyendo los metales alcalinos y alcalino-térreos (99. Nanos N, Martín JAR. Multiscale analysis of heavy metal contents in soils: spatial variability in the Duero river basin (Spain). Geoderma. 2012;189:554-562.). Debido a las pequeñas cantidades que comúnmente se manejan, estos se denominan “elementos traza” o “metales traza” y se incluye el aluminio que no se puede calificar como “metal pesado” por las características anteriormente mencionadas, pero sí por su toxicidad (66. García I, Dorronsoro C. Tema 15. Contaminación por metales. Introducción. [Internet]. [cited 20/07/2021]. Available from: http://edafologia.ugr.es/conta/tema15/introd.htm ,1010. Miranda Lasprilla D, Carranza C, Fischer G. Calidad del agua de riego en la sabana de Bogotá. 1ra ed. Bogotá, Colombia: Gente Nueva; 2008. 234 p.), aunque en esta definición, encajan también elementos esenciales para las plantas como Hierro (Fe), Cobre (Cu), Manganeso (Mn), Zinc (Zn) y Níquel (Ni) u otros esenciales para los animales como Cobalto (Co) y Cromo (Cr) (1111. Peris Mendoza M. Estudio de metales pesados en suelos bajo cultivos hortícolas de la provincia de Castellón. [Doctorado]. [España]: Universitat de València; 2005. 327 p.).

Los micronutrientes esenciales, se requieren en solo unos milígramos o microgramos por día y cuando pasan cierto umbral de concentración se vuelven tóxicos, tal es el caso del Selenio y el Zinc, que tienen límites muy próximos entre la dosis requerida y la tóxica (44. Aguirre W, Fischer G, Miranda D. Tolerancia a metales pesados a través del uso de micorrizas arbusculares en plantas cultivadas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. 2011;5(1):141-154.). Los metales pesados no esenciales o sin función biológica conocida, cuya presencia en determinadas cantidades en los seres vivos lleva aparejada disfunciones en los organismos, son: antimonio (Sb), arsénico (As), berilio (Be), cadmio (Cd), estroncio (Sr), mercurio (Hg), plomo (Pb) y titanio (Ti) (88. Huancaré Pusari RK. Identificación histopatológica de lesiones inducidas por bioacumulación de metales pesados en branquias, hígado y músculo de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) de cultivo en etapa comercial de la laguna de Mamacocha, área de influencia minera, Cajamarca-Perú. [Tesis de grado]. [Lima-Perú]: Universidad Nacional Mayor de San Marcos; 2014. 127 p.). Las fuentes fundamentales de contaminación del suelo con metales pesados son el riego con agua de cauces y aguas residuales contaminadas por la industria, la aplicación de residuos sólidos contaminados y el uso de antiguos terrenos industriales contaminados por los vertidos de aceite y desechos industriales, así como malas prácticas de riego y drenaje y el uso intensivo de fertilizantes y plaguicidas (99. Nanos N, Martín JAR. Multiscale analysis of heavy metal contents in soils: spatial variability in the Duero river basin (Spain). Geoderma. 2012;189:554-562.).

En el suelo, la movilidad de los metales pesados en sus formas catiónicas, disminuye a medida que se incrementa el pH, debido a que se precipitan formando hidróxidos, carbonatos o por formar complejos orgánicos no asimilados por los organismos (1010. Miranda Lasprilla D, Carranza C, Fischer G. Calidad del agua de riego en la sabana de Bogotá. 1ra ed. Bogotá, Colombia: Gente Nueva; 2008. 234 p.). Las cantidades de Ni en los suelos dependen de las características físico-químicas del suelo. Este elemento es de alta movilidad y considerado esencial para el metabolismo de las plantas requiriendo cantidades mínimas (0,001 mg kg^-1) (1212. Ker K, Charest C. Nickel remediation by AM-colonized sunflower. Mycorrhiza. 2010;20(6):399-406.,1313. Acevedo E, Carrasco A, León O, Martínez E, Silva P, Castillo G. Criterios de calidad de suelos y aguas de riego [Internet]. 2005. [cited 20/07/2021]. Available from: http://biblioteca-digital.sag.gob.cl/documentos/medio_ambiente/criterios_calidad_suelos_aguas_agricolas/inicio.htm ). Se deposita en hojas y semillas, siendo común la clorosis como sintomatología asociada a altos niveles (1313. Acevedo E, Carrasco A, León O, Martínez E, Silva P, Castillo G. Criterios de calidad de suelos y aguas de riego [Internet]. 2005. [cited 20/07/2021]. Available from: http://biblioteca-digital.sag.gob.cl/documentos/medio_ambiente/criterios_calidad_suelos_aguas_agricolas/inicio.htm ).

Las sustancias potencialmente tóxicas también pueden entrar a la planta por vía foliar, dependiendo de la morfología y la tasa de respiración de la planta que permite su ingreso, a partir de la acumulación y variación en los gradientes de concentración. Los metales provenientes de fuentes aéreas de contaminación, como el Pb, llegan a la planta producto de la deriva ocasionada por el viento. Igualmente, aplicaciones de fertilizantes de tipo foliar, generan reacciones que facilitan la translocación de metales al interior del tejido (1414. Janoušková M, Pavlíková D, Vosátka M. Potential contribution of arbuscular mycorrhiza to cadmium immobilisation in soil. Chemosphere. 2006;65(11):1959-1965.,1515. Entry JA, Rygiewicz PT, Watrud LS, Donnelly PK. Influence of adverse soil conditions on the formation and function of arbuscular mycorrhizas. Advances in Environmental Research. 2002;7(1):123-138.). El Pb puede causar daños a la germinación de las plantas, reducir su actividad enzimática, asimilación de carbono, fotosíntesis, entre otros (1616. Zulfiqar U, Farooq M, Hussain S, Maqsood M, Hussain M, Ishfaq M, et al. Lead toxicity in plants: Impacts and remediation. Journal of environmental management. 2019;250:109557.).

En el caso del cadmio, dada su alta solubilidad en el suelo, se transloca a partir de las raíces a las partes aéreas de la planta, aumentando el riesgo de que sea incorporado a la cadena alimenticia, debido a su similitud con el calcio (Ca²⁺) (1717. Albert LA. Introduccion a la toxicologia ambiental. Metepec, México: ECO; 1997. 417 p.). Se ha reportado que este elemento puede causar enrollamiento y clorosis de las hojas, alterar la síntesis de RNA, reducir la actividad fotosintética, inhibir la apertura estomática y disminuir la actividad enzimática en las plantas (1818. Huang D, Gong X, Liu Y, Zeng G, Lai C, Bashir H, et al. Effects of calcium at toxic concentrations of cadmium in plants. Planta. 2017;245(5):863-873.).

En un estudio realizado en suelos cubanos de baja o nula actividad antrópica se encontraron altos contenidos naturales de MP en mg kg^-1: Cu (163-138), Ni (68-676), Cr (78-1259), Zn (83-462), Pb (36-67) y Cd (2-10.9) que, al compararlos con las normas internacionales se encuentran muy por encima (1919. Amaral Sobrinho N, Febles González JM, Lopéz Y., Guedes J., L. Magalhães M., Zoffoli HJ. Natural content of heavy metals on cattle regions soils of Mayabeque and Artemisa province in Cuba. Cuban Journal of Agricultural Science. 2013;47(2):8.).

El suelo, es una de las matrices más estrechamente ligadas a la retención de la contaminación y su magnificación en la cadena trófica. La introducción de agentes contaminantes en el mismo puede tener como consecuencias daños en la estructura, pérdida de funciones ecológicas vitales para la homeostasis del ecosistema y por consiguiente de su valor agrícola y medioambiental (1919. Amaral Sobrinho N, Febles González JM, Lopéz Y., Guedes J., L. Magalhães M., Zoffoli HJ. Natural content of heavy metals on cattle regions soils of Mayabeque and Artemisa province in Cuba. Cuban Journal of Agricultural Science. 2013;47(2):8.,2020. Hu Z, Wang C, Li K, Zhu X. Distribution characteristics and pollution assessment of soil heavy metals over a typical nonferrous metal mine area in Chifeng, Inner Mongolia, China. Environmental earth sciences. 2018;77(18):1-10.). Especial atención requieren los suelos agrícolas, ya que al servir de fuente nutricional a plantas destinadas al consumo humano y animal, deben garantizar la inocuidad de los alimentos generados en ellos (2121. Yongming H, Peixuan D, Junji C, Posmentier ES. Multivariate analysis of heavy metal contamination in urban dusts of Xi’an, Central China. Science of the total environment. 2006;355(1):176-186.). Si algunos elementos tóxicos como el Cd y el Pb llegan a los cultivos pueden ser un problema para toda la cadena trófica (2222. Musilova J, Arvay J, Vollmannova A, Toth T, Tomas J. Environmental contamination by heavy metals in region with previous mining activity. Bulletin of environmental contamination and toxicology. 2016;97(4):569-575.). En tal sentido, un estudio realizado en China determinó que existe un alto riesgo para las personas consumidoras de arroz cultivado en zonas aledañas al río Yangtze, pues se encontraron altos niveles de metales pesados en suelo, tallos y granos. Según los cocientes de riesgo, las personas estuvieron expuestas a riesgo de contraer cáncer debido, fundamentalmente, a las concentraciones Cd, Pb y As (2323. Mao C, Song Y, Chen L, Ji J, Li J, Yuan X, et al. Human health risks of heavy metals in paddy rice based on transfer characteristics of heavy metals from soil to rice. Catena. 2019;175:339-348.).

El propio proceso tecnológico que se aplica a los cultivos puede ser fuente de contaminación por metales pesados en los suelos. Esta carga contaminante generada por la tecnología puede trasladarse a los cultivos que se desarrollan en estos suelos, debido a las características adaptativas e intrínsecas de cada uno de ellos (2424. Delince W, Valdés Carmenate R, López Morgado O, Guridi Izquierdo F, Balbín Arias MI. Riesgo agroambiental por metales pesados en suelos con Cultivares de Oryza sativa L y Solanum tuberosum L. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias. 2015;24(1):44-50.). Existen especies de plantas que tienen la capacidad de remover y almacenar estos elementos del suelo en grandes concentraciones, estas plantas se clasifican en acumuladoras e hiperacumuladoras de metales pesados (2020. Hu Z, Wang C, Li K, Zhu X. Distribution characteristics and pollution assessment of soil heavy metals over a typical nonferrous metal mine area in Chifeng, Inner Mongolia, China. Environmental earth sciences. 2018;77(18):1-10.).

Entre las plantas acumuladoras de metales, se han encontrado especies que poseen la capacidad de almacenar cantidades extraordinarias, como por ejemplo, la papa (Solanum tuberosum L.), el tomate (Solanum lycopersicum L.), el arroz (Oryza sativa L.), entre otras; estas concentraciones se elevan notablemente sobre los índices considerados como tóxicos para el reino vegetal, las cuales son llamadas plantas hiperacumuladoras. El efecto de los metales pesados en las plantas trae como resultado un cambio en la actividad bioquímica, así como en su funcionamiento (2525. Ramos-Garza J, Bustamante-Brito R, Ángeles de Paz G, Medina-Canales MG, Vásquez-Murrieta MS, Wang ET, et al. Isolation and characterization of yeasts associated with plants growing in heavy-metal-and arsenic-contaminated soils. Canadian journal of microbiology. 2016;62(4):307-319.). La capacidad de acumular metales no es característica común en la mayoría de las plantas, por el contrario, es fruto de una respuesta evolutiva, ya que la ocurrencia en forma natural de niveles altos de metales en la biosfera es esporádica (2626. Prieto Méndez J, González Ramírez CA, Román Gutiérrez AD, Prieto García F. Contaminación y fitotoxicidad en plantas por metales pesados provenientes de suelos y agua. Tropical and subtropical Agroecosystems. 2009;10(1):29-44.).

La simbiosis micorrízica arbuscular

La simbiosis micorrízica en los ecosistemas, es un mecanismo de adaptación de las plantas a diferentes condiciones estresantes, ya que facilita incrementos en la absorción de nutrientes y agua, mejora los agregados del suelo, causa efecto de bioprotección frente a algunos patógenos, entre otros beneficios (2727. Willis A, Rodrigues BF, C Harris PJ. The ecology of arbuscular mycorrhizal fungi. Critical Reviews in Plant Sciences. 2013;32(1):1-20.,2828. Lanfranco L, Bonfante P, Genre A. The mutualistic interaction between plants and arbuscular mycorrhizal fungi. Microbiology Spectrum. 2016;4(6):727-747.).

Esta unión se define como una asociación simbiótica, pues ambos organismos establecen sucesivos intercambios de sustancias nutritivas, metabolitos esenciales y sustancias hormonales, así como también conducen a la creación de nuevas estructuras, representando un beneficio mutuo para ambos simbiontes (2929. Rivera R, Fernández F, Hernández A, Triana J, Fernández K. El manejo efectivo de la simbiosis micorrízica, una vía hacia la agricultura sostenible. Estudio de caso El Caribe. La Habana, Cuba: Ediciones INCA; 2003.).

El papel de las micorrizas en la absorción de nutrientes es muy complejo, pudiendo ser resultado de varios posibles mecanismos (3030. Siqueira JO, Franco AA. Biotecnologia do solo: fundamentos e perspectivas. Brasilia, Brasil: Ministerio da Educacao e Cultura, ABEAS/ESAL/FAEPE; 1988. 235 p.) como son:

Aumento en la superficie de absorción radical y exploración del suelo (efecto físico). Aumento de la capacidad absortiva de la raíz (efecto fisiológico).

Modificaciones morfológicas y fisiológicas en las raíces micorrizadas, en relación con las no micorrizadas.

Absorción de nutrientes disponibles no accesibles a raíces no micorrizadas directamente a través de hifas o indirectamente a partir del favorecimiento del desarrollo de las raíces. Utilización de formas no disponibles para las raíces no micorrizadas a través de la solubilización y mineralización en el caso de las ectomicorrizas y de modificaciones en la dinámica del equilibrio de nutrientes entre la fase sólida y líquida del suelo, en el caso de los HMA.

Almacenamiento temporal de nutrientes en la biomasa fúngica o en las raíces evitando su inmovilización química y biológica o su lixiviación.

Establecimiento de microorganismos mineralizadores, solubilizadores de nutrientes y diazotróficos en la micorrizosfera.

Amortización o amenización de los efectos adversos de metales pesados, salinidad, estrés hídrico y ataque de patógenos radicales, sobre la absorción de nutrientes.

En los últimos años se han obtenido en Cuba, un amplio grupo de resultados positivos sobre el manejo de la simbiosis micorrízica arbuscular en los agroecosistemas, a partir de la existencia de inoculantes que se aplican en bajas cantidades y del conocimiento de las bases para un manejo efectivo de estos e integrados no solo con los fertilizantes minerales, sino con los abonos verdes y orgánicos (3131. Rivera R, Fernández F, Fernández K, Ruiz L, Sánchez C, Riera M. Advances in the management of effective arbuscular mycorrhizal symbiosis in tropical ecosystesm. Mycorrhizae in crop production. 2007;151-196.-3434. João JP, Rivera-Espinosa R, Martín-Alonso G, Riera-Nelson M, Simó-González J. Sistema integral de nutrición con HMA, abonos verdes y fertilizantes minerales en Manihot esculenta Crantz. Cultivos Tropicales. 2017;38(3):117-128.).

Efecto de los HMA frente a los metales pesados

Las plantas y los hongos, han desarrollado estrategias para la obtención de nutrientes de los suelos de variada composición, usando diferentes mecanismos en la asimilación de metales, a la vez que previenen la toxicidad, coordinan transporte, quelación y secuestro de elementos metálicos a nivel celular, para mantener el equilibro iónico (3535. Colangelo EP, Guerinot ML. Put the metal to the petal: metal uptake and transport throughout plants. Current opinion in plant biology. 2006;9(3):322-330.).

Altas cantidades de metales pueden ser acumuladas en variedad de procesos fisiológicos, independientemente de la ruta metabólica asociada, usando biomasa (viva-muerta), así como productos celulares (polisacáridos), en la remoción de metales pesados (3636. Andrade SAL, Silveira APD, Mazzafera P. Arbuscular mycorrhiza alters metal uptake and the physiological response of Coffea arabica seedlings to increasing Zn and Cu concentrations in soil. Science of the Total Environment. 2010;408(22):5381-5391.). Por esta razón, el genoma de eucariontes codifica varias familias de transportadores metálicos, que dirigen el proceso de translocación al interior de plantas y hongos, diferenciándose en ubicación a nivel celular, sustrato específico sobre el que actúan patrones de expresión (3535. Colangelo EP, Guerinot ML. Put the metal to the petal: metal uptake and transport throughout plants. Current opinion in plant biology. 2006;9(3):322-330.).

Diferentes microorganismos son capaces de concentrar metales de manera activa y pasiva, en niveles que son substancialmente mayores a los del entorno que los rodea, razón por la cual, desde hace varias décadas existe un creciente interés por la interacción microorganismos-metales y sus posibles aplicaciones comerciales. La inmovilización de los MP mediante procesos activos (dependientes de energía) y pasivos (independientes de energía) se conocen con el nombre de bioacumulación y biosorción, respectivamente e incluyen mecanismos como quelación, intercambio iónico y encapsulamiento (44. Aguirre W, Fischer G, Miranda D. Tolerancia a metales pesados a través del uso de micorrizas arbusculares en plantas cultivadas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. 2011;5(1):141-154.).

Las plantas han desarrollado mecanismos que modifican su entorno mediante la excreción de compuestos orgánicos por la raíz, como sustrato rico para la comunidad microbiana que las rodea (3737. Sharma P, Dubey RS. Lead toxicity in plants. Brazilian journal of plant physiology. 2005;17:35-52.,3838. Küpper H. Lead toxicity in plants met ions. Life Sci. 2017;491-500.), involucrando aspectos básicos como la quelación y acidificación de la rizofera, entre otros, lo que disminuyen la movilidad de metales pesados (3939. Cabral L, Soares CRFS, Giachini AJ, Siqueira JO. Arbuscular mycorrhizal fungi in phytoremediation of contaminated areas by trace elements: mechanisms and major benefits of their applications. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2015;31(11):1655-1664.). Las estructuras más importantes de las hongos micorrízicos arbusculares, involucradas en la simbiosis y tolerancia a metales pesados, son los arbúsculos, las vesículas y las hifas (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.).

En diversas investigaciones se ha puesto de manifiesto la capacidad estabilizadora de estos hongos sobre la absorción de metales por la planta. Este efecto amortiguador se traduce en un aumento en el suministro de micronutrientes a la planta cuando esta crece en suelos deficientes en esos micronutrientes, mientras que, reducen la incorporación de metales a los tejidos vegetales cuando las plantas crecen en suelos con niveles elevados de los mismos (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.).

Otros autores demostraron que los hongos micorrízicos eran capaces de aumentar la concentración de Zn por la planta en condiciones de deficiencia de este elemento en el suelo, mientras que, cuando los niveles del metal en el suelo superaron cierto umbral, la concentración de Zn disminuyó considerablemente (4141. Chen BD, Li XL, Tao HQ, Christie P, Wong MH. The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by red clover growing in a calcareous soil spiked with various quantities of zinc. Chemosphere. 2003;50(6):839-846.,4242. Konieczny A, Kowalska I. The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by lettuce grown at two phosphorus levels in the substrate. Agricultural and Food Science. 2016;25(2):124-137-124-137.).

El efecto fitoestabilizador de las micorrizas sobre la parte aérea de la planta ha sido observado en múltiples ocasiones, habiéndose descrito protección frente al Al, U, Cs, Sr, Cd, Mn, Zn y Cu (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.). Este efecto protector es debido, fundamentalmente, a la inmovilización del metal en el micelio del hongo, especialmente en las paredes celulares (4242. Konieczny A, Kowalska I. The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by lettuce grown at two phosphorus levels in the substrate. Agricultural and Food Science. 2016;25(2):124-137-124-137.), aunque también en estructuras del micelio interno como son las vesículas o, a un nivel intracelular, los gránulos de polifosfato (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.). La acumulación del metal en el micelio interno del hongo, es lo que explicaría su acumulación en las raíces de las plantas micorrizadas consideradas en su conjunto (raíz+hongo) (4141. Chen BD, Li XL, Tao HQ, Christie P, Wong MH. The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by red clover growing in a calcareous soil spiked with various quantities of zinc. Chemosphere. 2003;50(6):839-846.). De hecho los tejidos de la biomasa aérea de plantas micorrizadas tienen menores niveles de metales pesados que los de la raíz no micorrizadas cuando la planta crece en suelos con niveles elevados de metales (4343. Rivera‐Becerril F, Calantzis C, Turnau K, Caussanel J-P, Belimov AA, Gianinazzi S, et al. Cadmium accumulation and buffering of cadmium‐induced stress by arbuscular mycorrhiza in three Pisum sativum L. genotypes. Journal of experimental botany. 2002;53(371):1177-1185.). Cuando se compara el efecto de hongos aislados de suelos contaminados en relación a hongos aislados de suelos no contaminados se observa que los primeros son más efectivos, aunque su cultivo sucesivo en suelos no contaminados puede reducir esa capacidad (4444. Malcová R, Rydlová J, Vosátka M. Metal-free cultivation of Glomus sp. BEG 140 isolated from Mn-contaminated soil reduces tolerance to Mn. Mycorrhiza. 2003;13(3):151-7.). El hecho de que no todos los hongos micorrízicos presenten la misma tolerancia a metales pesados, podría facilitar el uso de los aislados más sensibles como biomarcadores de contaminación (4545. Jacquot E, van Tuinen D, Gianinazzi S, Gianinazzi-Pearson V. Monitoring species of arbuscular mycorrhizal fungi in planta and in soil by nested PCR: application to the study of the impact of sewage sludge. Plant and Soil. 2000;226(2):179-188.).

Otros investigadores obtuvieron como resultado que la inoculación con HMA y ácido salicílico aumentó la tolerancia de las plantas de pimiento (Capsicum annum L.) a altas concentraciones de Cu en el suelo, induciendo mecanismos de tolerancia al estrés provocado por metales pesados (4646. Bernardo V, Collado F. Efecto del ácido salicílico sobre plantas de pimiento (Capsicum annuum) micorrizadas, en presencia de metales pesados en el suelo [phdthesis]. Universidad Nacional de La Plata; 2016.).

En México se ha evaluado la capacidad del género Amaranthus para acumular Pb y Cd al ser inoculado con hongos micorrízicos del género Glomus mostrando un mayor porcentaje de colonización del hongo y mayor extracción del cultivo al aumentar las concentraciones de estos metales aun cuando ninguno de estos son nutrientes esenciales para las plantas (4747. Ortiz-Cano HG, Trejo-Calzada R, Valdez-Cepeda RD, Arreola-Ávila JG, Flores- Hernández A, López-Ariza B. Fitoextracción de plomo y cadmio en suelos contaminados usando quelite (Amaranthus hybridus L.) y micorrizas. Revista Chapingo. Serie Horticultura. 2009;15(2):161-168.).

Los sideróforos aparte de su capacidad de unirse al Fe, también pueden formar complejos con otros metales como Al, Cd, Cu, Pb y Zn, lo que ocasiona un incremento en la solubilidad de estos metales en el suelo (4848. Rajkumar M, Sandhya S, Prasad MNV, Freitas H. Perspectives of plant-associated microbes in heavy metal phytoremediation. Biotechnology advances. 2012;30(6):1562- 1574.).

La glomalina, glicoproteína producida por las hifas de las micorrizas, ha mostrado su potencial al momento de establecer enlaces con moléculas de alta toxicidad como en el caso de los metales pesados, lo que constituye una barrera eficaz que los acumula en la masa micelial sin permitir que ingresen a las células vegetales (4949. Hildebrandt B, Wust P, Ahlers O, Dieing A, Sreenivasa G, Kerner T, et al. The cellular and molecular basis of hyperthermia. Critical reviews in oncology/hematology. 2002;43(1):33-56.).

Los metales pesados pueden ser inmovilizados mediante la secreción de glicoproteínas o ser adsorbidos en las paredes celulares fúngicas, reduciendo así su efecto tóxico para las plantas (5050. Kirchman DL, Hanson TE. Bioenergetics of photoheterotrophic bacteria in the oceans. Environmental microbiology reports. 2013;5(2):188-199.). Tanto la capacidad de incrementar la adquisición de micronutrientes minerales por las plantas que crecen en suelos con deficiencia, como la de disminuirla en las que se desarrollan en suelos contaminados con metales pesados, dependen de la acción de un conjunto de procesos para mantener la homeostasis en hongos formadores de micorrizas arbusculares (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.)

En Brasil se realizó un estudio sobre los cambios bioquímicos y nutricionales inducidos por el Pb en plantas de girasol (Helianthus annus L.). La toxicidad por Pb genera cambios en el balance nutricional del Ca y Mg, pudiendo ser utilizado como marcador nutricional de toxicidad por Pb en girasol. También en este cultivo se puede utilizar como marcador bioquímico las concentraciones de prolina, las cuales son proporcionales al aumento de las concentraciones de Pb en la planta. Este aminoácido reduce el efecto tóxico de los metales y puede contribuir como una fuente disponible de carbono y nitrógeno (5151. de Abreu CB, do Sacramento BL, Alves AT, Moura SC, Pinelli MS, de Azevedo Neto AD. Nutritional and biochemical changes induced by lead in sunflower (Helianthus annuus L.). Semina: Ciências Agrárias. 2016;37(3):1229-1242.).

Diversos estudios han demostrado que la fitoestabilización de metales pesados, que generan los hongos micorrízicos arbusculares en la planta puede ser una buena solución de manejo al problema de contaminación (5252. Zhan F, Li B, Jiang M, Yue X, He Y, Xia Y, et al. Arbuscular mycorrhizal fungi enhance antioxidant defense in the leaves and the retention of heavy metals in the roots of maize. Environmental Science and Pollution Research. 2018;25(24):24338-24347.); sin embargo, se caracteriza por su gran distanciamiento en términos prácticos. Para la aplicación de esta técnica, cada caso debe ser considerado como único e irrepetible, pues las características ambientales propias de cada cultivo expuesto a estas condiciones, así como los elementos involucrados (metal pesado, planta, ambiente, micorrizas) le infieren rasgos particulares y en constante dinámica, lo que influye directamente en el éxito de esta técnica (44. Aguirre W, Fischer G, Miranda D. Tolerancia a metales pesados a través del uso de micorrizas arbusculares en plantas cultivadas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. 2011;5(1):141-154.). Por lo que la fitoestabilización de metales pesados mediante HMA puede constituir una estrategia de fitorremediación de suelos contaminados.

Conclusiones

Introduction

Heavy metals (HM) constitute a danger to mankind, because once the element reaches the soil, it follows two pathways leading to the trophic chain: by absorption by plants or by washing into groundwater, and can reach living organisms and cause acute damage, even death (11. Achiba WB, Gabteni N, Lakhdar A, Du Laing G, Verloo M, Jedidi N, et al. Effects of 5-year application of municipal solid waste compost on the distribution and mobility of heavy metals in a Tunisian calcareous soil. Agriculture, Ecosystems & Environment. 2009;130(3):156-163.,22. Barrueta-Gálvez A, Echemendía-Pérez M. Evaluación del uso de plaguicidas en la campaña de producción de semillas de papa (Solanum tuberosum L.) y el nivel de Pb y Cd en semilla y suelo. Revista de Protección Vegetal. 2015;30:148-148.).

The polluting sources of heavy metals can be various, from the use of an old industrial land for agriculture to the indiscriminate use of agrochemicals in an agricultural ecosystem (33. Bainard LD, Klironomos JN, Gordon AM. The mycorrhizal status and colonization of 26 tree species growing in urban and rural environments. Mycorrhiza. 2011;21(2):91-96.); however, plants have developed defense mechanisms against this polluting situation, even achieving a hyperaccumulation of these metals in some cases (44. Aguirre W, Fischer G, Miranda D. Tolerancia a metales pesados a través del uso de micorrizas arbusculares en plantas cultivadas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. 2011;5(1):141-154.).

In some plant species, tolerance to heavy metals, through the use of arbuscular mycorrhizae, constitutes an example of bioaccumulation and biosorption (55. Giuffré L, Ratto S, Marbán L, Schonwald J, Romaniuk R. Riesgo por metales pesados en horticultura urbana. Ciencia del suelo. 2005;23(1):101-106.,66. García I, Dorronsoro C. Tema 15. Contaminación por metales. Introducción. [Internet]. [cited 20/07/2021]. Available from: http://edafologia.ugr.es/conta/tema15/introd.htm ) and they can be used in phytoremediation programs, since it has been seen how these fungi are able to accumulate heavy metals in their spores and hyphae and decrease the content of these metals in accumulator plants (77. Kozłowski M, Naumnik W, Nikliński J, Milewski R, Łapuć G, Laudański J. Lymphatic vessel invasion detected by the endothelial lymphatic marker D2-40 (podoplanin) is predictive of regional lymph node status and an independent prognostic factor in patients with resected esophageal cancer. Folia Histochemica et Cytobiologica. 2011;49(1):90-97.).

For this reason, some aspects of the phytostabilization of heavy metals by arbuscular mycorrhizal fungi are discussed in this work.

Heavy metals in the agroecosystem

Heavy metals are naturally present in soils, some to a greater and others to a lesser extent, depending on the material that gave rise to them, but there has been an anthropogenic accumulation due to industrial and agricultural activities and the disposal of waste of all kinds (3,6,8).

A heavy metal is considered to be that element that has a density equal to or greater than 5 g cm³ when in elemental form or whose atomic number is greater than 20 g cm³, excluding alkaline and alkaline-earth metals (99. Nanos N, Martín JAR. Multiscale analysis of heavy metal contents in soils: spatial variability in the Duero river basin (Spain). Geoderma. 2012;189:554-562.). Due to the small quantities commonly handled, these are referred to as "trace elements" or "trace metals" and include aluminum, which cannot be qualified as a "heavy metal" because of the characteristics mentioned above, but because of its toxicity (66. García I, Dorronsoro C. Tema 15. Contaminación por metales. Introducción. [Internet]. [cited 20/07/2021]. Available from: http://edafologia.ugr.es/conta/tema15/introd.htm ,1010. Miranda Lasprilla D, Carranza C, Fischer G. Calidad del agua de riego en la sabana de Bogotá. 1ra ed. Bogotá, Colombia: Gente Nueva; 2008. 234 p.), although this definition also includes essential elements for plants such as Iron (Fe), Copper (Cu), Manganese (Mn), Zinc (Zn) and Nickel (Ni) or others essential for animals such as Cobalt (Co) and Chromium (Cr) (1111. Peris Mendoza M. Estudio de metales pesados en suelos bajo cultivos hortícolas de la provincia de Castellón. [Doctorado]. [España]: Universitat de València; 2005. 327 p.).

Essential micronutrients are required in only a few milligrams or micrograms per day and when they pass a certain concentration threshold they become toxic, such is the case of Selenium and Zinc, which have very close limits between the required dose and the toxic one (44. Aguirre W, Fischer G, Miranda D. Tolerancia a metales pesados a través del uso de micorrizas arbusculares en plantas cultivadas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. 2011;5(1):141-154.).

The non-essential heavy metals or those with no known biological function, whose presence in certain quantities in living beings leads to dysfunctions in organisms, are: antimony (Sb), arsenic (As), beryllium (Be), cadmium (Cd), strontium (Sr), mercury (Hg), lead (Pb) and titanium (Ti) (88. Huancaré Pusari RK. Identificación histopatológica de lesiones inducidas por bioacumulación de metales pesados en branquias, hígado y músculo de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss) de cultivo en etapa comercial de la laguna de Mamacocha, área de influencia minera, Cajamarca-Perú. [Tesis de grado]. [Lima-Perú]: Universidad Nacional Mayor de San Marcos; 2014. 127 p.). The main sources of soil contamination with heavy metals are irrigation with water from streams and wastewater contaminated by industry, the application of contaminated solid waste and the use of former industrial land contaminated by oil and industrial waste discharges, as well as poor irrigation and drainage practices and the intensive use of fertilizers and pesticides (99. Nanos N, Martín JAR. Multiscale analysis of heavy metal contents in soils: spatial variability in the Duero river basin (Spain). Geoderma. 2012;189:554-562.).

In soil, the mobility of heavy metals in their cationic forms decreases as pH increases, because they precipitate forming hydroxides, carbonates or by forming organic complexes that are not assimilated by organisms (1010. Miranda Lasprilla D, Carranza C, Fischer G. Calidad del agua de riego en la sabana de Bogotá. 1ra ed. Bogotá, Colombia: Gente Nueva; 2008. 234 p.). The quantities of Ni in soils depend on the physical-chemical characteristics of the soil. This element is highly mobile and considered essential for plant metabolism, requiring minimal amounts (0.001 mg kg^-1) (1212. Ker K, Charest C. Nickel remediation by AM-colonized sunflower. Mycorrhiza. 2010;20(6):399-406.,1313. Acevedo E, Carrasco A, León O, Martínez E, Silva P, Castillo G. Criterios de calidad de suelos y aguas de riego [Internet]. 2005. [cited 20/07/2021]. Available from: http://biblioteca-digital.sag.gob.cl/documentos/medio_ambiente/criterios_calidad_suelos_aguas_agricolas/inicio.htm ). It is deposited in leaves and seeds, and chlorosis is a common symptomatology associated with high levels (1313. Acevedo E, Carrasco A, León O, Martínez E, Silva P, Castillo G. Criterios de calidad de suelos y aguas de riego [Internet]. 2005. [cited 20/07/2021]. Available from: http://biblioteca-digital.sag.gob.cl/documentos/medio_ambiente/criterios_calidad_suelos_aguas_agricolas/inicio.htm ).

Potentially toxic substances can also enter the plant through the foliar route, depending on the morphology and respiration rate of the plant that allows its entrance, from the accumulation and variation in concentration gradients. Metals from aerial sources of contamination, such as Pb, reach the plant as a result of wind drift. Likewise, foliar fertilizer applications generate reactions that facilitate the translocation of metals to the interior of the tissue (1414. Janoušková M, Pavlíková D, Vosátka M. Potential contribution of arbuscular mycorrhiza to cadmium immobilisation in soil. Chemosphere. 2006;65(11):1959-1965.,1515. Entry JA, Rygiewicz PT, Watrud LS, Donnelly PK. Influence of adverse soil conditions on the formation and function of arbuscular mycorrhizas. Advances in Environmental Research. 2002;7(1):123-138.). Pb can cause damage to plant germination, reduce enzymatic activity, carbon assimilation, and photosynthesis, among others (1616. Zulfiqar U, Farooq M, Hussain S, Maqsood M, Hussain M, Ishfaq M, et al. Lead toxicity in plants: Impacts and remediation. Journal of environmental management. 2019;250:109557.).

In the case of cadmium, given its high solubility in the soil, it is translocated from the roots to the aerial parts of plant, increasing the risk of its incorporation into the food chain, due to its similarity with calcium (Ca²⁺) (1717. Albert LA. Introduccion a la toxicologia ambiental. Metepec, México: ECO; 1997. 417 p.). It has been reported that this element can cause leaf rolling and chlorosis, alter RNA synthesis, reduce photosynthetic activity, inhibit stomatal opening and decrease enzymatic activity in plants (1818. Huang D, Gong X, Liu Y, Zeng G, Lai C, Bashir H, et al. Effects of calcium at toxic concentrations of cadmium in plants. Planta. 2017;245(5):863-873.).

In a study carried out in Cuban soils of low or null anthropic activity, high natural contents of HM were found in mg kg^-1: Cu (163-138), Ni (68-676), Cr (78-1259), Zn (83-462), Pb (36-67) and Cd (2-10.9) which, when compared with the international norms, are much higher (1919. Amaral Sobrinho N, Febles González JM, Lopéz Y., Guedes J., L. Magalhães M., Zoffoli HJ. Natural content of heavy metals on cattle regions soils of Mayabeque and Artemisa province in Cuba. Cuban Journal of Agricultural Science. 2013;47(2):8.).

Soil is one of the matrices most closely linked to the pollution retention and its magnification in the trophic chain. The introduction of pollutants into the soil can result in damage to its structure, loss of vital ecological functions for the ecosystem homeostasis and consequently of its agricultural and environmental value (1919. Amaral Sobrinho N, Febles González JM, Lopéz Y., Guedes J., L. Magalhães M., Zoffoli HJ. Natural content of heavy metals on cattle regions soils of Mayabeque and Artemisa province in Cuba. Cuban Journal of Agricultural Science. 2013;47(2):8.,2020. Hu Z, Wang C, Li K, Zhu X. Distribution characteristics and pollution assessment of soil heavy metals over a typical nonferrous metal mine area in Chifeng, Inner Mongolia, China. Environmental earth sciences. 2018;77(18):1-10.). Agricultural soils require special attention, since they serve as a nutritional source for plants destined for human and animal consumption and must guarantee the safety of food generated in them (2121. Yongming H, Peixuan D, Junji C, Posmentier ES. Multivariate analysis of heavy metal contamination in urban dusts of Xi’an, Central China. Science of the total environment. 2006;355(1):176-186.). If toxic elements such as Cd and Pb reach crops, they can be a problem for the entire trophic chain (2222. Musilova J, Arvay J, Vollmannova A, Toth T, Tomas J. Environmental contamination by heavy metals in region with previous mining activity. Bulletin of environmental contamination and toxicology. 2016;97(4):569-575.). In this regard, a study carried out in China determined that there is a high risk for consumers of rice grown in areas near the Yangtze River, as high levels of heavy metals were found in soil, stalks and grains. According to the risk quotients, people were exposed to cancer risk mainly due to Cd, Pb and As concentrations (2323. Mao C, Song Y, Chen L, Ji J, Li J, Yuan X, et al. Human health risks of heavy metals in paddy rice based on transfer characteristics of heavy metals from soil to rice. Catena. 2019;175:339-348.).

The technological process applied to crops can itself be a source of heavy metal contamination in soils. This pollutant load generated by the technology can be transferred to the crops grown in these soils, due to the adaptive and intrinsic characteristics of each one of them (2424. Delince W, Valdés Carmenate R, López Morgado O, Guridi Izquierdo F, Balbín Arias MI. Riesgo agroambiental por metales pesados en suelos con Cultivares de Oryza sativa L y Solanum tuberosum L. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias. 2015;24(1):44-50.). There are plant species that have the capacity to remove and store these elements from the soil in high concentrations; these plants are classified as heavy metal accumulators and hyperaccumulators (2020. Hu Z, Wang C, Li K, Zhu X. Distribution characteristics and pollution assessment of soil heavy metals over a typical nonferrous metal mine area in Chifeng, Inner Mongolia, China. Environmental earth sciences. 2018;77(18):1-10.).

Among plants that accumulate metals, species have been found that have the capacity to store extraordinary quantities, such as potatoes (Solanum tuberosum L.), tomatoes (Solanum lycopersicum L.), rice (Oryza sativa L.), among others; these concentrations are notably higher than the indexes considered toxic for the plant kingdom, which are called hyperaccumulator plants. The effect of heavy metals on plants results in a change in their biochemical activity, as well as in their functioning (2525. Ramos-Garza J, Bustamante-Brito R, Ángeles de Paz G, Medina-Canales MG, Vásquez-Murrieta MS, Wang ET, et al. Isolation and characterization of yeasts associated with plants growing in heavy-metal-and arsenic-contaminated soils. Canadian journal of microbiology. 2016;62(4):307-319.). The ability to accumulate metals is not a common characteristic of most plants; on the contrary, it is the result of an evolutionary response, since the natural occurrence of high levels of metals in the biosphere is sporadic (2626. Prieto Méndez J, González Ramírez CA, Román Gutiérrez AD, Prieto García F. Contaminación y fitotoxicidad en plantas por metales pesados provenientes de suelos y agua. Tropical and subtropical Agroecosystems. 2009;10(1):29-44.).

Arbuscular mycorrhizal symbiosis

Mycorrhizal symbiosis in ecosystems is a plant adaptation mechanism to different stressful conditions, since it facilitates increases in the absorption of nutrients and water, improves soil aggregates, causes a bioprotection effect against some pathogens, among other benefits (2727. Willis A, Rodrigues BF, C Harris PJ. The ecology of arbuscular mycorrhizal fungi. Critical Reviews in Plant Sciences. 2013;32(1):1-20.,2828. Lanfranco L, Bonfante P, Genre A. The mutualistic interaction between plants and arbuscular mycorrhizal fungi. Microbiology Spectrum. 2016;4(6):727-747.).

This union is defined as a symbiotic association, since both organisms establish successive exchanges of nutritive substances, essential metabolites and hormonal substances, as well as lead to the creation of new structures, representing a mutual benefit for both symbionts (2929. Rivera R, Fernández F, Hernández A, Triana J, Fernández K. El manejo efectivo de la simbiosis micorrízica, una vía hacia la agricultura sostenible. Estudio de caso El Caribe. La Habana, Cuba: Ediciones INCA; 2003.).

The role of mycorrhizae in the absorption of nutrients is very complex, and may be the result of several possible mechanisms (3030. Siqueira JO, Franco AA. Biotecnologia do solo: fundamentos e perspectivas. Brasilia, Brasil: Ministerio da Educacao e Cultura, ABEAS/ESAL/FAEPE; 1988. 235 p.), such as:

Increase in the surface area of root absorption and soil exploration (physical effect). Increase in root absorption capacity (physiological effect).

Morphological and physiological modifications in mycorrhizal roots, in relation to non-mycorrhizal roots.

Absorption of available nutrients not accessible to non-mycorrhizal roots directly through hyphae or indirectly by favoring root development.

Utilization of forms not available to non-mycorrhizal roots through solubilization and mineralization in the case of ectomycorrhizae and modifications in the dynamics of the nutrient balance between the solid and liquid phase of the soil, in the case of AMF. Temporary storage of nutrients in the fungal biomass or roots avoiding their chemical and biological immobilization or leaching.

Establishment of mineralizing, nutrient solubilizing and diazotrophic microorganisms in the mycorrhizosphere.

Amortization or mitigation of the adverse effects of heavy metals, salinity, water stress and attack of root pathogens on nutrient uptake.

In recent years in Cuba, a wide group of positive results have been achieved on the management of arbuscular mycorrhizal symbiosis in agroecosystems, based on the existence of inoculants that are applied in low quantities and the knowledge of the bases for an effective management of these and integrated not only with mineral fertilizers, but also with green and organic fertilizers (3131. Rivera R, Fernández F, Fernández K, Ruiz L, Sánchez C, Riera M. Advances in the management of effective arbuscular mycorrhizal symbiosis in tropical ecosystesm. Mycorrhizae in crop production. 2007;151-196.-3434. João JP, Rivera-Espinosa R, Martín-Alonso G, Riera-Nelson M, Simó-González J. Sistema integral de nutrición con HMA, abonos verdes y fertilizantes minerales en Manihot esculenta Crantz. Cultivos Tropicales. 2017;38(3):117-128.).

AMF effect against heavy metals

Plants and fungi have developed strategies to obtain nutrients from soils of varied composition, using different mechanisms in the assimilation of metals, at the same time that they prevent toxicity, coordinate transport, chelation and sequestration of metallic elements at the cellular level, to maintain the ionic balance (3535. Colangelo EP, Guerinot ML. Put the metal to the petal: metal uptake and transport throughout plants. Current opinion in plant biology. 2006;9(3):322-330.).

High amounts of metals can be accumulated in a variety of physiological processes, independently of the associated metabolic pathway, using biomass (live-dead), as well as cellular products (polysaccharides), in the removal of heavy metals (3636. Andrade SAL, Silveira APD, Mazzafera P. Arbuscular mycorrhiza alters metal uptake and the physiological response of Coffea arabica seedlings to increasing Zn and Cu concentrations in soil. Science of the Total Environment. 2010;408(22):5381-5391.). For this reason, the genome of eukaryotes encodes several families of metal transporters, which direct the translocation process inside plants and fungi, differing in location at the cellular level, specific substrate on which expression patterns act (3535. Colangelo EP, Guerinot ML. Put the metal to the petal: metal uptake and transport throughout plants. Current opinion in plant biology. 2006;9(3):322-330.).

Different microorganisms are capable of actively and passively concentrating metals at levels that are substantially higher than those of the surrounding environment, which is why for several decades there has been a growing interest in microorganism-metal interaction and its possible commercial applications. The immobilization of HM by active (energy-dependent) and passive (energy-independent) processes are known as bioaccumulation and biosorption, respectively, and include mechanisms such as chelation, ion exchange, and encapsulation (44. Aguirre W, Fischer G, Miranda D. Tolerancia a metales pesados a través del uso de micorrizas arbusculares en plantas cultivadas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. 2011;5(1):141-154.).

Plants have developed mechanisms that modify their environment by excreting organic compounds through the root, as a rich substrate for the surrounding microbial community (3737. Sharma P, Dubey RS. Lead toxicity in plants. Brazilian journal of plant physiology. 2005;17:35-52.,3838. Küpper H. Lead toxicity in plants met ions. Life Sci. 2017;491-500.), involving basic aspects such as chelation and acidification of the rhizosphere, among others, which decrease the mobility of heavy metals (3939. Cabral L, Soares CRFS, Giachini AJ, Siqueira JO. Arbuscular mycorrhizal fungi in phytoremediation of contaminated areas by trace elements: mechanisms and major benefits of their applications. World Journal of Microbiology and Biotechnology. 2015;31(11):1655-1664.). The most important structures of arbuscular mycorrhizal fungi involved in symbiosis and tolerance to heavy metals are the arbuscules, vesicles and hyphae (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.).

Several investigations have shown the stabilizing capacity of these fungi on the absorption of metals by the plant. This buffering effect translates into an increase in the supply of micronutrients to the plant when it grows in soils deficient in these micronutrients, while reducing the incorporation of metals into plant tissues when plants grow in soils with high levels of these metals (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.).

Other authors demonstrated that mycorrhizal fungi were able to increase the concentration of Zn by the plant under conditions of deficiency of this element in the soil, while, when levels of the metal in the soil exceeded a certain threshold, the concentration of Zn decreased considerably (4141. Chen BD, Li XL, Tao HQ, Christie P, Wong MH. The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by red clover growing in a calcareous soil spiked with various quantities of zinc. Chemosphere. 2003;50(6):839-846.,4242. Konieczny A, Kowalska I. The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by lettuce grown at two phosphorus levels in the substrate. Agricultural and Food Science. 2016;25(2):124-137-124-137.).

The phytostabilizing effect of mycorrhizae on the aerial part of the plant has been observed on multiple occasions, and protection against Al, U, Cs, Sr, Cd, Mn, Zn and Cu has been described (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.). This protective effect is mainly due to the immobilization of the metal in the mycelium of the fungus, especially in cell walls (4242. Konieczny A, Kowalska I. The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by lettuce grown at two phosphorus levels in the substrate. Agricultural and Food Science. 2016;25(2):124-137-124-137.), but also in internal mycelial structures such as vesicles or, at an intracellular level, polyphosphate granules (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.). Metal accumulation in the fungus internal mycelium is what would explain its accumulation in roots of mycorrhizal plants considered as a whole (root + fungus) (4141. Chen BD, Li XL, Tao HQ, Christie P, Wong MH. The role of arbuscular mycorrhiza in zinc uptake by red clover growing in a calcareous soil spiked with various quantities of zinc. Chemosphere. 2003;50(6):839-846.). In fact, the aerial biomass tissues of mycorrhizal plants have lower levels of heavy metals than those of non- mycorrhizal roots when the plant grows in soils with elevated levels of metals (4343. Rivera‐Becerril F, Calantzis C, Turnau K, Caussanel J-P, Belimov AA, Gianinazzi S, et al. Cadmium accumulation and buffering of cadmium‐induced stress by arbuscular mycorrhiza in three Pisum sativum L. genotypes. Journal of experimental botany. 2002;53(371):1177-1185.). When comparing the effect of fungi isolated from contaminated soils in relation to fungi isolated from non-contaminated soils, it is observed that the former are more effective, although their successive cultivation in non-contaminated soils may reduce this capacity (4444. Malcová R, Rydlová J, Vosátka M. Metal-free cultivation of Glomus sp. BEG 140 isolated from Mn-contaminated soil reduces tolerance to Mn. Mycorrhiza. 2003;13(3):151-7.). The fact that not all mycorrhizal fungi have the same tolerance to heavy metals could facilitate the use of the most sensitive isolates as biomarkers of contamination (4545. Jacquot E, van Tuinen D, Gianinazzi S, Gianinazzi-Pearson V. Monitoring species of arbuscular mycorrhizal fungi in planta and in soil by nested PCR: application to the study of the impact of sewage sludge. Plant and Soil. 2000;226(2):179-188.).

Other researchers obtained as a result that inoculation with AMF and salicylic acid increased the tolerance of bell pepper plants (Capsicum annum L.) to high concentrations of Cu in the soil, inducing tolerance mechanisms to stress caused by heavy metals (4646. Bernardo V, Collado F. Efecto del ácido salicílico sobre plantas de pimiento (Capsicum annuum) micorrizadas, en presencia de metales pesados en el suelo [phdthesis]. Universidad Nacional de La Plata; 2016.).

In Mexico, the capacity of the genus Amaranthus to accumulate Pb and Cd when inoculated with mycorrhizal fungi of the genus Glomus has been evaluated, showing a higher percentage of colonization of the fungus and greater extraction of the crop when concentrations of these metals increase, even when none of these are essential nutrients for plants (4747. Ortiz-Cano HG, Trejo-Calzada R, Valdez-Cepeda RD, Arreola-Ávila JG, Flores- Hernández A, López-Ariza B. Fitoextracción de plomo y cadmio en suelos contaminados usando quelite (Amaranthus hybridus L.) y micorrizas. Revista Chapingo. Serie Horticultura. 2009;15(2):161-168.).

Siderophores, apart from their ability to bind Fe, can also form complexes with other metals such as Al, Cd, Cu, Pb and Zn, which causes an increase in the solubility of these metals in the soil (4848. Rajkumar M, Sandhya S, Prasad MNV, Freitas H. Perspectives of plant-associated microbes in heavy metal phytoremediation. Biotechnology advances. 2012;30(6):1562- 1574.).

Glomalin, a glycoprotein produced by mycorrhizal hyphae, has shown its potential to establish links with highly toxic molecules such as heavy metals, which constitutes an effective barrier that accumulates them in the mycelial mass without allowing them to enter plant cells (4949. Hildebrandt B, Wust P, Ahlers O, Dieing A, Sreenivasa G, Kerner T, et al. The cellular and molecular basis of hyperthermia. Critical reviews in oncology/hematology. 2002;43(1):33-56.).

Heavy metals can be immobilized by secretion of glycoproteins or adsorbed on fungal cell walls, thus reducing their toxic effect on plants (5050. Kirchman DL, Hanson TE. Bioenergetics of photoheterotrophic bacteria in the oceans. Environmental microbiology reports. 2013;5(2):188-199.). Both the capacity to increase the acquisition of mineral micronutrients by plants growing in deficient soils, and to decrease it in those growing in soils contaminated with heavy metals, depend on the action of a set of processes to maintain homeostasis in arbuscular mycorrhizal fungi (4040. Guerrero MG. Estudio de los mecanismos implicados en la homeostasis de metales pesados en el hongo formador de micorrizas arbusculares Glomus intraradices: tesis doctoral. Editorial Universidad de Granada; 2005.).

In Brazil, a study was conducted on the biochemical and nutritional changes induced by Pb in sunflower plants (Helianthus annus L.). Pb toxicity generates changes in the nutritional balance of Ca and Mg, which can be used as a nutritional marker of Pb toxicity in sunflower. Proline concentrations, which are proportional to the increase of Pb concentrations in the plant, can also be used as a biochemical marker in this crop. This amino acid reduces the toxic effect of metals and can contribute as an available source of carbon and nitrogen (5151. de Abreu CB, do Sacramento BL, Alves AT, Moura SC, Pinelli MS, de Azevedo Neto AD. Nutritional and biochemical changes induced by lead in sunflower (Helianthus annuus L.). Semina: Ciências Agrárias. 2016;37(3):1229-1242.).

Several studies have shown that phytostabilization of heavy metals generated by arbuscular mycorrhizal fungi in the plant can be a good management solution to the contamination problem (5252. Zhan F, Li B, Jiang M, Yue X, He Y, Xia Y, et al. Arbuscular mycorrhizal fungi enhance antioxidant defense in the leaves and the retention of heavy metals in the roots of maize. Environmental Science and Pollution Research. 2018;25(24):24338-24347.); however, it is characterized by its great distance in practical terms.

For the application of this technique, each case must be considered as unique and unrepeatable, because the environmental characteristics of each crop exposed to these conditions, as well as the elements involved (heavy metal, plant, environment, mycorrhizae) infers particular features and in constant dynamics, which directly influences this technique success (44. Aguirre W, Fischer G, Miranda D. Tolerancia a metales pesados a través del uso de micorrizas arbusculares en plantas cultivadas. Revista Colombiana de Ciencias Hortícolas. 2011;5(1):141-154.). Therefore, phytostabilization of heavy metals by means of AMF can constitute a phytoremediation strategy for contaminated soils.

Conclusions