INTRODUCCIÓN

El suelo es un recurso natural no renovable y su regeneración es muy lenta, estando sometido constantemente a procesos de destrucción y degradación, siendo vulnerable a perturbaciones, tanto naturales como antrópicas; entre ellas, la erosión, la degradación y la contaminación (11. Burbano-Orjuela H. El suelo y su relación con los servicios ecosistémicos y la seguridad alimentaria. Revista de Ciencias Agrícolas. 2016;33(2):117-24. doi:10.22267/rcia.163302.58 ).

La comunidad científica mundial presta atención a los problemas relacionados con la influencia antropogénica en el cambio de las propiedades de los suelos, ocurrida por el uso agrícola no eficiente y bajo condiciones poco sustentables (22. Reyes-Rodríguez R, Guridi-Izquierdo F, Valdés-Carmenate R. El manejo del suelo modifica a sus ácidos húmicos y la disponibilidad de metales pesados. Cultivos Tropicales. 2018;39(2):15-20.).

El interés ambiental por la presencia de los metales pesados en suelos agrícolas está relacionado con su carácter acumulativo, su poca biodegradabilidad, su capacidad de acumulación inadvertida en el suelo hasta concentraciones tóxicas y su interacción con diferentes propiedades del suelo que determinan su movilidad y biodisponibilidad (33. Li X, Wang X, Chen Y, Yang X, Cui Z. Optimization of combined phytoremediation for heavy metal contaminated mine tailings by a field-scale orthogonal experiment. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019;168:1-8. doi:10.1016/j.ecoenv.2018.10.012 ).

Diferentes autores han demostrado que las plantas son efectivas en la limpieza de suelos contaminados y tienen la capacidad de acumular metales pesados de manera natural en pequeñas y altas cantidades (44. Yazdanbakhsh A, Alavi SN, Valadabadi SA, Karimi F, Karimi Z. Heavy metals uptake of salty soils by ornamental sunflower, using cow manure and biosolids: A case study in Alborz city, Iran. Air, Soil and Water Research. 2020;13:1-13.), ya que actúan por requerimientos funcionales o mecanismos de defensa, lo que se conoce como fitorremediación.

Recientemente, se ha establecido la existencia de sustancias naturales, denominadas bioestimulantes, que al aplicarse a las semillas y las plantas pueden actuar como aceleradores del metabolismo celular e influir positivamente en el crecimiento, desarrollo y protección contra enfermedades de las plantas, lo cual conduce al incremento significativo del rendimiento y al saneamiento de los frutos (55. Rostami S, Azhdarpoor A. The application of plant growth regulators to improve phytoremediation of contaminated soils: A review. Chemosphere. 2019;220:818-27. doi:10.1016/j.chemosphere.2018.12.203 ).

Dentro de los bioestimulantes más conocidos se encuentra el quitosano, derivado de la quitina, polímero natural muy abundante que se extrae del exoesqueleto de los crustáceos. En el Departamento de Fisiología y Bioquímica Vegetal, del Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), Cuba, se obtiene la formulación conocida como Quitomax^® (RFC No. 010/17) (66. Ramírez MÁ, González P, Fagundo JR, Suarez M, Melian C, Rodríguez T, et al. Chitin preparation by demineralizing deproteinized lobster shells with CO2 and a cationite. Journal of Renewable Materials. 2017;5(1):30.), cuyo principio activo es el quitosano. El mismo se ha empleado con éxito en la estimulación del rendimiento y sus componentes en el frijol y la papa (77. Morales-Guevara D, Torres-Hernández L, Jerez-Mompié E, Falcón-Rodríguez A, Amico-Rodríguez JD. Efecto del Quitomax en el crecimiento y rendimiento del cultivo de la papa (Solanum tuberosum L.). Cultivos Tropicales. 2015;36(3):133-43. ,88. Morales Guevara D, Dell-Amico Rodríguez J, Jerez-Mompié E, Díaz-Hernández Y, Martín-Martín R. Efecto del QuitoMax® en el crecimiento y rendimiento del frijol (Phaseolus vulgaris L.). Cultivos Tropicales. 2016;37(1):142-7. ), siendo un compuesto de origen natural, biodegradable y que no causa daños al medio ambiente.

Teniendo en cuenta las potencialidades del Quitomax^® en el crecimiento y el desarrollo de las plantas, se realizó el siguiente trabajo, con el objetivo de evaluar el efecto de la aplicación de Quitomax^®, en la respuesta de plántulas de girasol (Helianthus annuus L.) cultivadas en un medio con altos niveles de iones metálicos.

MATERIALES Y MÉTODOS

El suelo, clasificado como Ferralítico Rojo (99. Jiménez A, Cabrera A, Benítez Y, Vargas D, Fundora A, Díaz M, et al. Degradación de los suelos Ferralíticos Rojos Lixiviados y sus indicadores de la Llanura Roja de La Habana. Ediciones INCA: Mayabeque, Cuba. 2014. 156 p.), se recolectó en áreas del Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA) y se contaminó con plomo y cadmio a la concentración de 300 mg kg^-1 y 15 mg kg^-1 , respectivamente.

Este experimento se desarrolló en condiciones semi-controladas, en bolsas de polietileno de 2 kg de capacidad y se utilizaron, como modelo de planta hiperacumuladora, semillas de girasol (Helianthus annuus L.). Inicialmente, se realizó la evaluación del porcentaje de poder germinativo del girasol, mediante el tratamiento con agua.

El Quitomax^® se obtuvo en el INCA, según la metodología propuesta (66. Ramírez MÁ, González P, Fagundo JR, Suarez M, Melian C, Rodríguez T, et al. Chitin preparation by demineralizing deproteinized lobster shells with CO2 and a cationite. Journal of Renewable Materials. 2017;5(1):30.) y se aplicó de forma foliar a los 10 días de emergidas las plantas. Los tratamientos realizados se muestran en la Tabla 1.

En todas las experiencias se utilizaron diez recipientes plásticos por cada tratamiento, se sembraron tres semillas de girasol por bolsas, para asegurar su crecimiento y reducir la probabilidad de perder un individuo por muerte, durante la prueba experimental. Se empleó un diseño completamente aleatorizado y el riego se realizó aplicando 500 mL de agua, cada dos días.

Al suelo contaminado y sin contaminar se le determinó el contenido de cationes intercambiables, a partir de una extracción con NH₄OAc 1 mol L^-1 a pH 7 y determinación por valoración con EDTA (Ca²⁺ y Mg²⁺), fotometría de llama (K⁺), el contenido de materia orgánica se determinó según el método colorimetrico de Walkley y Black y el pH por el método potenciométrico, con una relación suelo:agua de 1:2,5 (1010. Paneque V, Calderon M, Calaña JM, Borges Y, Caruncho M. Manual de técnicas analíticas para el análisis de las aguas residuales. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas: Habana, Cuba. 2005.).

Para la determinación de los contenidos seudototales de metales pesados, se empleó 0,5 g de las muestras tamizadas; las cuales fueron digeridas con 4 mL de HCl/HNO₃ (3:1) (v:v); para el contenido de metales biodisponibles se agitaron 0,25 g de muestra con EDTA (0,02 mol L^-1) durante 24 horas (1111. Cordeiro F, Guridi F. Use of ethyldiamine acetic acid to evaluate the biovailability of heavy metals in lettuce. Rev. Avances en Investigación Agropecuaria. 2009;13(3):35-46.) y las concentraciones, en todos los casos, se determinaron en un espectrofotómetro de absorción atómica.

A los 60 días de emergidas las plantas se les evaluaron la longitud de la raíz, la altura de las plantas (a partir del borde del suelo, desde el tallo, hasta el ápice del tallo principal), la masa seca de la parte aérea y raíz (secados a 70 °C, hasta lograr un peso constante), el contenido de metales pesados en la raíz y la parte aérea de la planta, de acuerdo a lo descrito (1212. Alaboudi KA, Ahmed B, Brodie G. Phytoremediation of Pb and Cd contaminated soils by using sunflower (Helianthus annuus) plant. Annals of Agricultural Sciences. 2018;63(1):123-7. doi:10.1016/j.aoas.2018.05.007 ), bajo la técnica de espectroscopia de absorción atómica.

Los resultados se procesaron utilizando el paquete estadístico para las Ciencias Sociales (SPSS), versión 25,0. Se realizó un análisis de varianza de clasificación simple (ANOVA), para mostrar las diferencias de significación para p≤0,05 y Duncan prueba estadística post hoc para comparar las medias.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados obtenidos en la evaluación de parámetros físico-químicos que influyen en la disponibilidad y la distribución de los metales pesados en los suelos empleados se presentan en la Tabla 2.

Se evidenció que la principal modificación provocada por la contaminación artificial del suelo fue un descenso considerable en el pH, aunque todas las magnitudes evaluadas (sin considerar los contenidos de los cationes de los metales pesados en estudio), tuvieron valores ligeramente superiores a los encontrados en el suelo sin contaminar, excepto para la materia orgánica.

Los bajos contenidos de materia orgánica, como los encontrados en los suelos en estudio, pueden conllevar a una alta disponibilidad de los cationes metálicos, dada la función reguladora que ella tiene en la biodisponibilidad de los metales pesados, por enlazarse a los mismos (1313. Reyes-Rodríguez R, Guridi-Izquierdo F, Valdés-Carmenate R, Cartaya-Rubio O, Reyes-Rodríguez R, Guridi-Izquierdo F, et al. Propiedades biológicas, ácidos húmicos y metales pesados biodisponibles en suelo Ferralítico bajo diferentes usos agrícolas. Cultivos Tropicales. 2019;40(3).).

El cambio presentado en el pH puede influir, notablemente, en la fertilidad del suelo. Se conoce que a valores de pH cercanos a 7, los macronutrientes tienen una elevada movilidad en el suelo y su mayor tasa de asimilación por las plantas, mientras la absorción de los cationes metálicos se ve limitada, en especial, los metales pesados (1414. Nascimento RS de MP do, Ramos MLG, Figueiredo CC de, Silva AMM, Silva SB, Batistella G. Soil organic matter pools under management systems in Quilombola Territory in Brazilian Cerrado. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental. 2017;21(4):254-60. doi:10.1590/1807-1929/agriambi.v21n4p254-260 ).

Otros autores plantean que, los valores de pH bajo en suelos contaminados favorecen la absorción de niveles extremadamente excesivos o tóxicos de metales, fenómeno que se ha comprobado en plantas desarrolladas en sustratos con pH ácido (1515. Portuondo-Farías L, Martínez-Balmori D, Guridi-Izquierdo F, Calderín-García A, Machado-Torres JP. Structural and functional evaluation of humic acids in interaction with toxic metals in a cultivar of agricultural interest. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias. 2017;26(3):39-46.).

Los valores encontrados de los cationes metálicos Pb y Cd (208,24 y 8,26 mg kg^-1, respectivamente), en el suelo que se contaminó artificialmente en este experimento, se cosideran un nivel considerable de contaminación, ya que son muy superiores a los informados anteriormente (1616. Reyes-Rodríguez R, Pierre G, Guridi-Izquierdo F, Valdés-Carmenate R. Disponibilidad de metales pesados en suelos Ferralíticos con baja actividad antrópica en San José de las Lajas, Mayabeque. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias. 2014;23(3):37-40.), al determinar el contenido disponible de metales pesados en suelos ferralíticos con baja actividad antrópica.

Al evaluar el efecto de la aspersión foliar de diferentes concentraciones de Quitomax^® sobre la altura de las plantas de girasol cultivadas en un suelo contaminado (Figura 1), se registraron diferencias entre todas ellas y el control (T1). Dentro de las plantas crecidas en suelo contaminado, se destacó el hecho de que las plantas contaminadas con diferentes metales, donde se aplico el producto a diferentes concentraciones, no mostraron diferencias entre ellas y superaron, significativamente, a las plantas que no se les aplicó el producto.

Los resultados de la evaluación de la longitud de la raíz, se presentan en la Figura 2. Se observó que las plantas crecidas en el medio contaminado, donde se aplico el Quitomax^® a diferentes concentraciones, mostraron valores inferiores a las del tratamiento control (T1), pero superiores a las plantas crecidas en medio contaminado sin la aplicación del Quitomax^®.

Es de destacar que, con el tratamiento T4 (suelo contaminado con Pb y aspersión foliar de Quitomax^® a 1,5 g L^-1), las plantas lograron una longitud de la raíz que superan la longitud de la raíz de las plantas contaminadas, a las cuales no se le aplicó Quitomax^® (T2, T5), aunque no logran igualar la longitud de las raíces de los otros tratamientos con aplicaciones de Quitomax^®.

Las plantas cultivadas en un medio con altos niveles de metales pesados reducen su crecimiento, lo que se ha atribuido a la disminución de la biosíntesis de giberelinas y de triptófano, metabolitos que influyen en la división celular.

Este comportamiento puede ser debido al efecto regulador del crecimiento que presentan el Quitomax^®, lo que sugiere que su aplicación puede atenuar la toxicidad o, al menos, estimular el crecimiento de las plantas de girasol, sometidas a un medio con altos niveles de metales pesados.

Al analizar el efecto de los diferentes cationes metálicos en la masa seca de la raíz y la parte aérea de las plantas de girasol tratadas con Quitomax^® (Figura 3), se hizo evidente la afectación que produce la contaminación del medio en este indicador.

Se comprobó que ninguna de las diferentes concentraciones de Quitomax^® aplicadas atenuó completamente el efecto de la contaminación en la masa seca de la parte aérea (Figura 3 A), aún cuando favorecieron este indicador, en comparación con las plantas en medio contaminado, en que no se aplicó el Quitomax^®. Además, se detectó que las diferentes concentraciones estudiadas no mostraron diferencias significativas entre ellas. Así mismo, se lograron los mejores resultados cuando se asperja a una concentración de 1 g L^-1 de Quitomax^®. En cuanto a la masa seca de la raíz (Figura 3 B), se registró una tendencia semejante a la masa seca de la parte aérea.

Las plantas hiperacumuladoras generalmente tienen poca biomasa, debido a que ellas utilizan más energía en los mecanismos necesarios para adaptarse a las altas concentraciones de metal en sus tejidos (1717. Barzola Y, Rocío K. Técnicas de recuperación de suelos contaminados por hidrocarburos aplicables en el cantón Salinas. La Libertad: Universidad Estatal Península de Santa Elena; 2020.). Esto se debió a la toxicidad de los metales, no solo de su concentración, sino de la movilidad y reactividad de los compuestos para la solubilidad de los metales.

En resumen, se comprobó el efecto positivo que provoca la aplicación de Quitomax^® en estos indicadores del crecimiento de plantas de girasol, cultivadas en medio con altos niveles de los cationes Cd(II) y Pb(II), siendo la concentración de 1 g L^-1, en dosis de 10 mL x planta, con la que se obtienen los resultados más importantes. Además, hay que tener en cuenta que los registros sobre el desarrollo del girasol describen un periodo de 100 y de 120 días para alcanzar su máxima altura y biomasa, respectivamente; en este experimento, el cultivo del girasol solo duró 60 días, para evaluar su tolerancia a la acumulación de plomo y cadmio en suelos contaminados.

Las concentraciones de metales pesados empleadas no resultan ser letales para las plantas de girasol, ya que no se manifestaron efectos fitotóxicos visibles, lo que propició que las plantas desarrollaran mecanismos de adaptación ante las altas concentraciones metálicas que le permiten subsistir en estas condiciones (1818. Gutiérrez-Espinoza LR, Melgoza-Castillo A, Alarcón-Herrera MT, Ortega-Gutiérrez JA, Prado-Tarango DE, Cedillo-Alcantar ME. Germinación del girasol silvestre (Helianthus annuus L.) en presencia de diferentes concentraciones de metales. Revista Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal. 2011;2(1):49-56.). Estos mecanismos incluyen: inmovilización de los iones tóxicos en la pared celular, impedimento de la absorción a través de las capas del protoplasma; inducción al estrés proteico como protección a la toxicidad metálica; compartimentación y formación de compuestos con ácidos orgánicos e inorgánicos (1919. Ye Y, Dong W, Luo Y, Fan T, Xiong X, Sun L, et al. Cultivar diversity and organ differences of cadmium accumulation in potato (Solanum tuberosum L.) allow the potential for Cd-safe staple food production on contaminated soils. Science of The Total Environment. 2020;711:134534. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.134534 ,2020. Madera-Parra CA, Peña-Salamanca EJ, Solarte-Soto JA. Efecto de la concentración de metales pesados en la respuesta fisiológica y capacidad de acumulación de metales de tres especies vegetales tropicales empleadas en la fitorremediación de lixiviados provenientes de rellenos sanitarios. Ingeniería y competitividad. 2014;16(2):179-88.).

En la Tabla 3, se muestran los niveles de los cationes metálicos Cd(II)y Pb(II) en las raíces, hoja y tallo de las plantas de girasol. Se evidenció, en todos los tratamientos, que la raíz es el órgano donde se produce la mayor acumulación para los dos cationes metálicos.

En general, se verificó que con la aplicación de Quitomax^®, prácticamente en todas las concentraciones utilizadas, se registró un incremento en la concentración de los cationes en todas las partes de las plantas, por lo que se manifestó el efecto estimulador de la aplicación del producto.

La acumulación de metales tóxicos en los diferentes órganos de las plantas de girasol se presentó en el siguiente orden: raíz>hojas>tallo. Esto ha sido también observado en otros trabajos (2121. Rivelli AR, Maria SD, Puschenreiter M, Gherbin P. Accumulation of Cadmium, Zinc, and Copper by Helianthus Annuus L.: Impact on Plant Growth and Uptake of Nutritional Elements. International Journal of Phytoremediation. 2012;14(4):320-34. doi:10.1080/15226514.2011.620649 ), comportamiento que se atribuye a que algunas especies basan su resistencia a los metales en la estrategia de una eficiente exclusión del metal, restringiendo su transporte hacia la parte aérea (2222. Zhao X, Joo JC, Lee J-K, Kim JY. Mathematical estimation of heavy metal accumulations in Helianthus annuus L. with a sigmoid heavy metal uptake model. Chemosphere. 2019;220:965-73. doi:10.1016/j.chemosphere.2018.12.210 ).

Los metales, para acumularse en los diferentes orgános de las plantas, deben movilizarse y ser absorbidos del suelo, secuestrado en la raíz, para luego en el xilema ser transportados a las partes aéreas de la planta. Cada paso requiere una interacción compleja de compuestos quelatantes y transportadores específicos para cada catión metálico, lo que afecta su tasa de acumulación en las plantas (2323. Alonso-Bravo JN, Montaño-Arias NM, Santoyo-Pizano G, Márquez-Benavides L, Saucedo-Martinez BC, Sánchez-Yáñez JM. Biorecuperación y fitorremediación de suelo impactado por aceite residual automotriz. Journal of the Selva Andina Research Society. 2018;9(1):45-51.,2424. Mirzaei-Aminiyan M, Baalousha M, Mousavi R, Mirzaei-Aminiyan F, Hosseini H, Heydariyan A. The ecological risk, source identification, and pollution assessment of heavy metals in road dust: a case study in Rafsanjan, SE Iran. Environmental Science and Pollution Research. 2018;25(14):13382-95. doi:10.1007/s11356-017-8539-y ), de ahí, el diferente contenido de los cationes metálicos encontrados en los diferentes órganos de las plantas de girasol.

En el caso del plomo, este metal fijó mayores contenidos en las raíces, especialmente, en aquellas correspondientes a los tratamientos donde se aplicó Quitomax^®. En el caso de hojas y tallos, se observó que las hojas concentraron más plomo que los tallos.

Respecto al cadmio, mostró un comportamiento similar, aunque éste tiene una mayor movilidad a través de la planta.

Aunque se ha señalado que los altos contenidos de plomo en las raíces se deben a la formación de enlaces plomo-fosfato (2525. Yang W, Wang S, Ni W, Rensing C, Xing S. Enhanced Cd-Zn-Pb-contaminated soil phytoextraction by Sedum alfredii and the rhizosphere bacterial community structure and function by applying organic amendments. Plant and Soil. 2019;444(1):101-18. doi:10.1007/s11104-019-04256-x ), que incrementan la masa de los tejidos, o a la retención de plomo incrustado en la estructura lignina-celulosa, ya que la raíz de la planta secreta enzimas, aminoácidos y azúcares, que estimulan el crecimiento de microorganismos y propician una red radicular muy pronunciada y ramificada; sin embargo, los resultados de este estudio señalaron menores masas cuanto más cantidad de plomo acumuló el girasol, de manera similar a lo reportado por otros autores (2626. Zhang Y, Tian Y, Hu D, Fan J, Shen M, Zeng G. Is vermicompost the possible in situ sorbent? Immobilization of Pb, Cd and Cr in sediment with sludge derived vermicompost, a column study. Journal of Hazardous Materials. 2019;367:83-90. doi:10.1016/j.jhazmat.2018.12.085 ). Por otra parte, se ha planteado que la absorción de cadmio se debe a la transpiración de mucílagos que engrosan la capa externa de la raíz y a la formación de complejos metálicos (2727. Navarro-Aviñó JP, Alonso IA, López-Moya JR. Aspectos bioquímicos y genéticos de la tolerancia y acumulación de metales pesados en plantas: Ecosistemas. 2007;16(2):1-7), lo cual pareció ocurrir en este experimento, facilitado por las cantidades discretas de este contaminante presentes en el suelo.

CONCLUSIONES

INTRODUCTION

Soil is a non-renewable natural resource and its regeneration is very slow, being constantly subjected to processes of destruction and degradation, being vulnerable to both natural and anthropogenic disturbances, including erosion, degradation and contamination (11. Burbano-Orjuela H. El suelo y su relación con los servicios ecosistémicos y la seguridad alimentaria. Revista de Ciencias Agrícolas. 2016;33(2):117-24. doi:10.22267/rcia.163302.58 ).

The world scientific community pays attention to problems related to the anthropogenic influence on the change of soil properties caused by inefficient agricultural use under unsustainable conditions (22. Reyes-Rodríguez R, Guridi-Izquierdo F, Valdés-Carmenate R. El manejo del suelo modifica a sus ácidos húmicos y la disponibilidad de metales pesados. Cultivos Tropicales. 2018;39(2):15-20.).

The environmental interest in the presence of heavy metals in agricultural soils is related to their cumulative nature, their low biodegradability, their capacity for inadvertent accumulation in the soil up to toxic concentrations, and their interaction with different soil properties that determine their mobility and bioavailability (33. Li X, Wang X, Chen Y, Yang X, Cui Z. Optimization of combined phytoremediation for heavy metal contaminated mine tailings by a field-scale orthogonal experiment. Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019;168:1-8. doi:10.1016/j.ecoenv.2018.10.012 ).

Different authors mention that it has been demonstrated that plants are effective in cleaning contaminated soils and have the capacity to accumulate heavy metals naturally in small and high quantities (44. Yazdanbakhsh A, Alavi SN, Valadabadi SA, Karimi F, Karimi Z. Heavy metals uptake of salty soils by ornamental sunflower, using cow manure and biosolids: A case study in Alborz city, Iran. Air, Soil and Water Research. 2020;13:1-13.), since they act by functional requirements or defense mechanism, which is known as phytoremediation.

Recently, it has been established that there are natural substances called biostimulants, which when applied to seeds and plants can act as accelerators of cell metabolism and positively influence growth, development and protection against plant diseases, which leads to a significant increase in yield and fruit health (55. Rostami S, Azhdarpoor A. The application of plant growth regulators to improve phytoremediation of contaminated soils: A review. Chemosphere. 2019;220:818-27. doi:10.1016/j.chemosphere.2018.12.203 ).

Among the best known biostimulants is chitosan, derived from chitin, a very abundant natural polymer extracted from the exoskeleton of crustaceans. In the Department of Plant Physiology and Biochemistry of the National Institute of Agricultural Sciences (INCA), Cuba, the formulation known as Quitomax^® (RFC No. 010/17) (66. Ramírez MÁ, González P, Fagundo JR, Suarez M, Melian C, Rodríguez T, et al. Chitin preparation by demineralizing deproteinized lobster shells with CO2 and a cationite. Journal of Renewable Materials. 2017;5(1):30.), whose active ingredient is chitosan, is obtained. It has been successfully used in the stimulation of yield and its components in beans and potatoes (77. Morales-Guevara D, Torres-Hernández L, Jerez-Mompié E, Falcón-Rodríguez A, Amico-Rodríguez JD. Efecto del Quitomax en el crecimiento y rendimiento del cultivo de la papa (Solanum tuberosum L.). Cultivos Tropicales. 2015;36(3):133-43. ,88. Morales Guevara D, Dell-Amico Rodríguez J, Jerez-Mompié E, Díaz-Hernández Y, Martín-Martín R. Efecto del QuitoMax® en el crecimiento y rendimiento del frijol (Phaseolus vulgaris L.). Cultivos Tropicales. 2016;37(1):142-7. ), being a compound of natural origin, biodegradable and environmentally friendly.

Taking into account the Quitomax^® potential on plant growth and development, the following work was carried out to evaluate the effect of the Quitomax^® application on the response of sunflower seedlings (Helianthus annuus L.) grown in a medium with high levels of metal ions.

MATERIALS AND METHODS

The soil, classified as Ferrallitic Red (99. Jiménez A, Cabrera A, Benítez Y, Vargas D, Fundora A, Díaz M, et al. Degradación de los suelos Ferralíticos Rojos Lixiviados y sus indicadores de la Llanura Roja de La Habana. Ediciones INCA: Mayabeque, Cuba. 2014. 156 p.), was collected in areas of the National Institute of Agricultural Sciences, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, and was contaminated with lead and cadmium at a concentration of 300 mg kg^-1 and 15 mg kg^-1, respectively.

This experiment was developed under semi-controlled conditions in polyethylene bags of 2 kg capacity and sunflower seeds were used as a model of hyperaccumulator plant. Initially, the evaluation of the percentage of germination power of sunflower was carried out by treatment with water.

Quitomax^® was obtained from the National Institute of Agricultural Sciences (INCA), according to the proposed methodology (66. Ramírez MÁ, González P, Fagundo JR, Suarez M, Melian C, Rodríguez T, et al. Chitin preparation by demineralizing deproteinized lobster shells with CO2 and a cationite. Journal of Renewable Materials. 2017;5(1):30.) and was foliar applied 10 days after the plants emerged. The treatments carried out are shown in Table 1.

In all the experiments, ten plastic containers were used for each treatment, three sunflower seeds were sown per bag, to ensure their growth, as well as to reduce the probability of losing an individual by death, during the experimental trial, with a completely randomized design, and irrigation was carried out applying 500 mL of water every two days.

The contaminated and uncontaminated soil was determined the content of exchangeable cations, from an extraction with NH₄OAc 1 mol L^-1 at pH 7 and determination by titration with EDTA (Ca²⁺ and Mg²⁺), flame photometry (K⁺), the organic matter content was determined according to the colorimetric method of Walkley and Black and the pH by the potentiometric method with a soil:water ratio of 1:2.5 (1010. Paneque V, Calderon M, Calaña JM, Borges Y, Caruncho M. Manual de técnicas analíticas para el análisis de las aguas residuales. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas: Habana, Cuba. 2005.).

For the determination of the pseudo-total contents of heavy metals, 0.5 g of the sieved samples were used; these were digested with 4 mL of HCl/HNO₃ (3:1) (v:v), for the content of bioavailable metals, 0.25 g of sample were agitated with EDTA (0.02 mol L^-1) during 24 hours (1111. Cordeiro F, Guridi F. Use of ethyldiamine acetic acid to evaluate the biovailability of heavy metals in lettuce. Rev. Avances en Investigación Agropecuaria. 2009;13(3):35-46.) and the concentrations in all cases were determined in an atomic absorption spectrophotometer.

Sixty days after the plants emerged, root length, plant height (from the edge of the soil, from the stem to the apex of the main stem), the dry mass of the aerial part and root (dried at 70 °C, until a constant weight was achieved), the content of heavy metals in the root and aerial part of the plant were evaluated, as described (1212. Alaboudi KA, Ahmed B, Brodie G. Phytoremediation of Pb and Cd contaminated soils by using sunflower (Helianthus annuus) plant. Annals of Agricultural Sciences. 2018;63(1):123-7. doi:10.1016/j.aoas.2018.05.007 ), under the atomic absorption spectroscopy technique.

The results were processed using the Statistical Package for Social Sciences (SPSS), version 25.0. A simple rank analysis of variance (ANOVA) was performed to show significance differences for p≤0.05 and Duncan post hoc statistical test to compare means.

RESULTS AND DISCUSSION

The results in the evaluation of physicochemical parameters that influence the availability and distribution of heavy metals in the soils used are presented in Table 2.

It was evident that the main modification caused by the artificial contamination of the soil was a considerable decrease in pH, although all the magnitudes evaluated (without considering the cation contents of the heavy metals under study), had slightly higher values than those found in the uncontaminated soil, except for organic matter.

Low organic matter contents, such as those found in the soils under study, can lead to a high availability of metallic cations, given the regulatory function it has in the bioavailability of heavy metals by binding to them (1313. Reyes-Rodríguez R, Guridi-Izquierdo F, Valdés-Carmenate R, Cartaya-Rubio O, Reyes-Rodríguez R, Guridi-Izquierdo F, et al. Propiedades biológicas, ácidos húmicos y metales pesados biodisponibles en suelo Ferralítico bajo diferentes usos agrícolas. Cultivos Tropicales. 2019;40(3).).

The change in pH can have a significant influence on soil fertility. It is known that at pH values close to 7, macronutrients have a high mobility in the soil and a higher rate of assimilation by plants, while the absorption of metallic cations is limited, especially heavy metals (1414. Nascimento RS de MP do, Ramos MLG, Figueiredo CC de, Silva AMM, Silva SB, Batistella G. Soil organic matter pools under management systems in Quilombola Territory in Brazilian Cerrado. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental. 2017;21(4):254-60. doi:10.1590/1807-1929/agriambi.v21n4p254-260 ).

Other authors suggest that low pH values in contaminated soils favor the absorption of extremely excessive or toxic levels of metals, a phenomenon that has been proven in plants developed in substrates with acid pH (1515. Portuondo-Farías L, Martínez-Balmori D, Guridi-Izquierdo F, Calderín-García A, Machado-Torres JP. Structural and functional evaluation of humic acids in interaction with toxic metals in a cultivar of agricultural interest. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias. 2017;26(3):39-46.).

The values found for the metal cations Pb and Cd (208.24 and 8.26 mg kg^-1 respectively), in the soil that was artificially contaminated in this experiment, represent a considerable level of contamination, since they are much higher than those reported previously (1616. Reyes-Rodríguez R, Pierre G, Guridi-Izquierdo F, Valdés-Carmenate R. Disponibilidad de metales pesados en suelos Ferralíticos con baja actividad antrópica en San José de las Lajas, Mayabeque. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias. 2014;23(3):37-40.), when determining the available content of heavy metals in ferrallitic soils with low anthropic activity.

When evaluating the effect of foliar spraying of different concentrations of Quitomax^® on the height of sunflower plants grown in contaminated soil (Figure 1), differences were recorded between all of them and the control treatment (T1). Among the plants grown in contaminated soil, the fact that the plants contaminated with different metals, where the product was applied at different concentrations, showed no differences between them and significantly outperformed the plants that did not have the product applied to them, stood out.

The evaluation results of root length are shown in Figure 2. It was observed that the plants grown in the contaminated medium, where Quitomax^® was applied at different concentrations, showed lower values than those of the control treatment (T1), but higher values than the plants grown in the contaminated medium without the application of Quitomax^®.

It is noteworthy that with the different concentrations of Quitomax^® studied, with the treatment in soil contaminated with Pb and foliar spraying of Quitomax^® at 1.5 g L^-1 (T4) plants achieved a root length that exceeded the root length of the contaminated plants, to which Quitomax^® was not applied (T2, 5), but did not match the other treatments with applications of Quitomax^®.

Plants grown in a medium with high levels of heavy metals reduce their growth, which has been attributed to a decrease in the biosynthesis of gibberellins and tryptophan, metabolites that influence cell division.

This behavior may be due to the growth regulating Quitomax^® effect, which suggests that its application may attenuate the toxicity or at least stimulate the growth of sunflower plants subjected to a medium with high levels of heavy metals.

When analyzing the effect of the different metal cations on the dry mass of the root and aerial part of sunflower plants treated with Quitomax^® (Figure 3), it became evident that the contamination of the medium affected this indicator.

It was found that none of the different concentrations of Quitomax^® applied completely attenuated the effect of contamination on the dry mass of the aerial part (Figure 3 A), even though they favored this indicator in comparison with plants in contaminated medium, where it was not applied. It was also detected that the different concentrations studied did not show significant differences between them. Likewise, the best results were achieved when sprayed at a concentration of 1 g L^-1 of Quitomax^®. A similar trend was recorded for root dry mass (Figure 3 B).

Hyperaccumulator plants generally have low biomass, because they use more energy in the mechanisms necessary to adapt to the high metal concentrations in their tissues (1717. Barzola Y, Rocío K. Técnicas de recuperación de suelos contaminados por hidrocarburos aplicables en el cantón Salinas. La Libertad: Universidad Estatal Península de Santa Elena; 2020.). This was due to the toxicity of the metals, not only from their concentration, but also from the mobility and reactivity of the compounds for metal solubility.

In summary, the positive effect caused by the application of Quitomax^® on these indicators of the growth of sunflower plants, cultivated in medium with high levels of the cations Cd(II) and Pb(II), was verified, being the concentration of 1 g L^-1, in doses of 10 mL x plant, with which the most important results are obtained. It should also be noted that the records on sunflower development describe a period of 100 and 120 days to reach its maximum height and biomass respectively, in this experiment, the sunflower crop only lasted 60 days, to evaluate its tolerance to the accumulation of lead and cadmium in contaminated soils.

The concentrations of heavy metals used were not lethal for sunflower plants, since there were no visible phytotoxic effects, which led the plants to develop adaptation mechanisms to the high metal concentrations that allow them to survive under these conditions (1818. Gutiérrez-Espinoza LR, Melgoza-Castillo A, Alarcón-Herrera MT, Ortega-Gutiérrez JA, Prado-Tarango DE, Cedillo-Alcantar ME. Germinación del girasol silvestre (Helianthus annuus L.) en presencia de diferentes concentraciones de metales. Revista Latinoamericana de Biotecnología Ambiental y Algal. 2011;2(1):49-56.). These mechanisms include: immobilization of toxic ions in the cell wall, impediment of absorption through the protoplasm layers; induction of protein stress as protection against metal toxicity; compartmentalization and formation of compounds with organic and inorganic acids (1919. Ye Y, Dong W, Luo Y, Fan T, Xiong X, Sun L, et al. Cultivar diversity and organ differences of cadmium accumulation in potato (Solanum tuberosum L.) allow the potential for Cd-safe staple food production on contaminated soils. Science of The Total Environment. 2020;711:134534. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.134534 ,2020. Madera-Parra CA, Peña-Salamanca EJ, Solarte-Soto JA. Efecto de la concentración de metales pesados en la respuesta fisiológica y capacidad de acumulación de metales de tres especies vegetales tropicales empleadas en la fitorremediación de lixiviados provenientes de rellenos sanitarios. Ingeniería y competitividad. 2014;16(2):179-88.).

Table 3 shows the levels of the metal cations Cd(II) and Pb(II) in the roots, leaf and stem of sunflower plants. It was evident in all treatments that the root is the organ where the highest accumulation for the two metal cations occurs.

In general, it was verified that with the application of Quitomax^®, practically in all the concentrations used, there was an increase in the concentration of the cations in all parts of the plants, which showed the stimulatory effect of the application of the product.

The accumulation of toxic metals in the different organs of sunflower plants occurred in the following order: root>leaves>stem. This has also been observed in other studies (2121. Rivelli AR, Maria SD, Puschenreiter M, Gherbin P. Accumulation of Cadmium, Zinc, and Copper by Helianthus Annuus L.: Impact on Plant Growth and Uptake of Nutritional Elements. International Journal of Phytoremediation. 2012;14(4):320-34. doi:10.1080/15226514.2011.620649 ), behavior that is attributed to the fact that some species base their resistance to metals on the strategy of efficient exclusion of the metal, restricting its transport to the aerial part (2222. Zhao X, Joo JC, Lee J-K, Kim JY. Mathematical estimation of heavy metal accumulations in Helianthus annuus L. with a sigmoid heavy metal uptake model. Chemosphere. 2019;220:965-73. doi:10.1016/j.chemosphere.2018.12.210 ).

Metals, in order to accumulate in the different plant organelles, must be mobilized and absorbed from the soil, sequestered in the root, and then transported in the xylem to the aerial parts of the plant. Each step requires a complex interaction of chelating compounds and specific transporters for each metal cation, which affects their rate of accumulation in plants (2323. Alonso-Bravo JN, Montaño-Arias NM, Santoyo-Pizano G, Márquez-Benavides L, Saucedo-Martinez BC, Sánchez-Yáñez JM. Biorecuperación y fitorremediación de suelo impactado por aceite residual automotriz. Journal of the Selva Andina Research Society. 2018;9(1):45-51.,2424. Mirzaei-Aminiyan M, Baalousha M, Mousavi R, Mirzaei-Aminiyan F, Hosseini H, Heydariyan A. The ecological risk, source identification, and pollution assessment of heavy metals in road dust: a case study in Rafsanjan, SE Iran. Environmental Science and Pollution Research. 2018;25(14):13382-95. doi:10.1007/s11356-017-8539-y ), hence the different content of metal cations found in the different organs of sunflower plants.

In the case of lead, this metal fixed higher contents in roots, especially in those corresponding to the treatments where Quitomax^® was applied. In the case of leaves and stems, it was observed that leaves concentrated more lead than stems.

Cadmium showed a similar behavior, although Cd is more mobile throughout the plant.

Although it has been suggested that high lead contents in roots are due to the formation of lead-phosphate bonds (2525. Yang W, Wang S, Ni W, Rensing C, Xing S. Enhanced Cd-Zn-Pb-contaminated soil phytoextraction by Sedum alfredii and the rhizosphere bacterial community structure and function by applying organic amendments. Plant and Soil. 2019;444(1):101-18. doi:10.1007/s11104-019-04256-x ), which increase tissue mass, or to the retention of lead embedded in the lignin-cellulose structure, since the plant root secretes enzymes, amino acids and sugars, which stimulate the growth of microorganisms and promote a very pronounced and branched root network; However, the results of this study showed lower weights the more lead the sunflower accumulated, similar to those reported by other authors (2626. Zhang Y, Tian Y, Hu D, Fan J, Shen M, Zeng G. Is vermicompost the possible in situ sorbent? Immobilization of Pb, Cd and Cr in sediment with sludge derived vermicompost, a column study. Journal of Hazardous Materials. 2019;367:83-90. doi:10.1016/j.jhazmat.2018.12.085 ). On the other hand, it has been suggested that cadmium absorption is due to the transpiration of mucilage that thickens the external layer of the root and the formation of metal complexes (2727. Navarro-Aviñó JP, Alonso IA, López-Moya JR. Aspectos bioquímicos y genéticos de la tolerancia y acumulación de metales pesados en plantas: Ecosistemas. 2007;16(2):1-7), which seemed to occur in this experiment, facilitated by the discrete amounts of this contaminant present in the soil.

CONCLUSIONS