Mezcla de oligogalacturónidos para la fitoextracción de metales pesados en suelos contaminados

INTRODUCCIÓN

La contaminación por metales pesados constituye hoy una de las principales fuentes de detrimento del entorno (Pérez y Betancur, 2016PÉREZ, M. M. and BETANCUR, A. 2016. The impact of mining on the natural environment and current situation of Colombia. Sociedad y Ambiente, 10: 95-112. ). Esta se debe fundamentalmente a acciones antropogénicas, debido la extendida industrialización que ha propiciado el vertimiento en suelos agrícolas y aguas, de elevadas cantidades de sustancias residuales que suelen sobrepasar el límite tolerable por los seres vivos, convirtiéndose en tóxicos que forman parte de la cadena trófica natural (Aminiyan et al., 2018AMINIYAN, M. M., BAALOUSHA, M., MOUSAVI, R., et al. 2018. 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, 25 (14): 13382-13395.).

Durante los últimos años, se han desarrollado tecnologías para eliminar los metales tóxicos, entre la que destaca la biorremediación, tecnología innovadora para el tratamiento de residuos tóxicos (Balderas y Sánchez, 2015BALDERAS, L. and SÁNCHEZ, Y. 2015. Biorremediation of soil polluted by 75000 ppm of waste motor oil applying biostimulation and phytoremediation with Sorghum vulgare and Bacillus cereus or Burkholderia cepacia. Journal Selva Andina Research Society, 6 (1): 23-32.). Entre los métodos de la biorremediación se encuentra la fitorremediación, que se basa en el empleo de plantas para depurar ambientes contaminados, dentro de la cual existen dos técnicas, la fitoextracción y la fitoestabilización, que son las más aplicadas (Alonso-Bravo et al., 2018ALONSO-BRAVO, J. N., MONTAÑO-ARIAS, N. M., SANTOYO-PIZANO, G., et al. 2018. Biorecuperación y fitorremediación de suelo impactado por aceite residual automotriz. Journal of the Selva Andina Research Society, 9 (1): 45-51. ).

En los últimos años se han utilizado, como complemento de la fitorremediación, reguladores del crecimiento vegetal, tales como auxinas y citoquininas, por la capacidad de estas sustancias de incrementar la velocidad de crecimiento y la producción de biomasa en plantas hiperacumuladoras (Navarro et al., 2007NAVARRO, J. P., AQUILAR, I. A. y LÓPEZ-MOYA, J. R. 2007. Aspectos bioquímicos y genéticos de la tolerancia y acumulación de metales pesados en plantas. Ecosistemas, 16 (2): 1-17.). También se han empleado agentes quelantes como el EDTA y ácidos húmicos y fúlvicos (Rubili, 2016RUBILI, H. 2016. Uso de Ácidos Fúlvicos y Girasol Ornamental en la Remediación de un Calcisol Contaminado con Plomo. Tesis para optar al título de Ingeniero Agrícola y Ambiental. Universidad Autónoma Agraria “Antonio Narro”, Buenavista, Saltillo, Coahuila, México, 76 p.), pues es conocido que uno de los mecanismos de tolerancia más importante utilizado por las plantas para reducir la toxicidad por metales pesados, lo constituye la formación de complejos con ligandos orgánicos excretados al suelo a través de la raíz.

Según lo anteriormente planteado, el Laboratorio de Productos Bioactivos del Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas de Cuba (INCA), obtuvo una mezcla de oligogalacturónidos, que presenta una alta proporción de grupos funcionales ionizables con un grado de polimerización (GP), entre 6 y 16, compuesta fundamentalmente por cadenas lineales de ácido galacturónico (Mederos et al., 2020MEDEROS, Y., HORMAZA, J., REYNALDO, I., et al. 2020. Caracterización de mezclas de oligogalacturónidos Bioactivos. Revista CENIC Ciencias Químicas, 42 (2-3): 1-5.), que pudieran permitir la formación de complejos con los metales pesados. Por lo que el objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto de una mezcla de oligogalacturónidos en la biodisponibilidad de cationes metalicos pesados en un suelo contaminado cultivado con una planta hiperacumuladora.

MATERIALES Y MÉTODOS

El suelo contaminado para realizar el presente ensayo, se recolectó en áreas de descarga de residuos de la Empresa Cerámica Blanca “Adalberto Vidal” de San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. El suelo experimental se clasificó como ferralítico rojo amarillento lixiviado típico eútrico (Hernández et al., 2015HERNÁNDEZ-JIMÉNEZ, A., PÉREZ-JIMÉNEZ, J. M., BOSCHINFANTE, D., et al. 2015. Nueva Versión de Clasificación Genética de los Suelos de Cuba. Instituto de Suelos, La Habana, Cuba, 64 p.). Como control absoluto se utilizó un suelo del mismo tipo pero sin contaminar, recolectado en el mismo sitio en un lugar alejado de la fuente contaminante. A los suelos, se le determinó la concentración de cationes intercambiables, el pH y el contenido de materia orgánica (MO), según Paneque (2002)PANEQUE, M. 2002. Manual de técnicas analíticas para el análisis de suelos, foliar, abonos orgánicos y fertilizantes químicos. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, La Habana, Cuba, 130 p., y la concentración de metales seudototales y biodisponibles.

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 y las concentraciones en todos los casos, se determinaron en un espectrofotómetro de absorción atómica, empleando como referencia los BCR 142R y 701 que son suelos certificados para el analisis de metales pesados por esta técnica.

Este experimento se desarrolló en condiciones semi-controladas en bolsas de 7 kg de capacidad y se utilizó como modelo de planta hiperacumuladora, tomate (Solanum lycopersicum) variedad Amalia. Los tratamientos realizados fueron:

Se realizaron diez repeticiones por cada tratamiento. Se sembraron tres semillas por maceta y a los 7 días de emergidas las plantas se dejó solo una en cada maceta, el diseño experimental fue completamente aleatorizado y el riego se realizó aplicando 50 mL de agua cada 2 días.

Se realizaron dos cosechas del material vegetal: a los 35 y 56 días de emergidas las plantas. En cada una de estas ocasiones se evaluó la longitud de la raíz, la altura de las plantas, la masa seca de la parte aérea y de la raíz.

Para determinar el contenido de metales pesados en la raíz y la parte aérea de la planta, se tomaron 0,5 g de muestra seca y molinada con un tamaño de 60 mesh y se adicionaron 4 mL de HNO₃ concentrado. La digestión se realizó en un horno de microondas (tiempo de 20 min y temperatura máxima de 190 ºC). Posteriormente, se trasvasaron a recipientes de vidrio y fueron diluidas con 20 mL de agua destilada, fueron filtradas y se procedió a determinar la concentración de cationes metálicos en el sobrenadante mediante absorción atómica (Silva, 2012SILVA, P. 2012. Digestión en horno de microondas para determinación de contenido de hierro y zinc totales en alimentos. Tecnología en Marcha, 25 (3): 96-100.).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Al analizar los resultados correspondientes a los principales parámetros físico- químicos del suelo contaminado y no contaminado que pueden influir en la biodisponibilidad y la distribución de los metales pesados en el suelo, se encontró que el pH del suelo contaminado (5,3) a diferencia del suelo no contaminado (7,2) fue ácido, aspecto importante por la implicación que esto tiene en la movilidad, la biodisponibilidad y absorción de los elementos minerales en los sustratos. En el rango de pH ácido los grupos carboxílicos de la mezcla de Ogal se encuentran disociados, ya que presenta una constante de disociación (pKa) de 3,84 ± 0,03, según Cartaya et al. (2017)CARTAYA, O., MORENO, A., GURIDI, F., et al. 2017. Estudio de los complejos oligogalacturónidos-Cu(II) en solución y fase sólida. Revista Iberoamericana de Polímeros, 18 (1): 38-46., y se favorecería el enlace con los metales presentes en el suelo.

El contenido de materia orgánica encontrado en el suelo contaminado fue de 2,03 % lo que puede garantizar una alta biodisponibilidad de los iones metálicos para las plantas, ya que esta presenta una elevada afinidad por ciertos metales (Co, Cu, Mo, Ni, Pb y Zn), reaccionando con ellos e influyendo en su biodisponibilidad. La biodisponibilidad de los metales está generalmente asociada con la formación de complejos de los metales con las sustancias húmicas y con otros compuestos de elevado peso molecular. Los metales, una vez que forman estos complejos, pueden migrar más fácilmente a las capas profundas o mantenerse en la solución del suelo como complejos orgánicos solubles, que es otro de los componentes del sistema suelo que regula la biodisponibilidad de los metales pesados por enlazarse a los mismos (Reyes et al., 2019REYES-RODRÍGUEZ, R., GURIDI-IZQUIERDO, F., VALDÉS-CARMENATE, R., et al. 2019. Propiedades biológicas, ácidos húmicos y metales pesados biodisponibles en suelo Ferralítico bajo diferentes usos agrícolas. Revista Cultivos Tropicales, 40 (3): 2-7.).

Los contenidos seudototales encontrados en el suelo contaminado para Cu (786,3 mg kg^-1), Cd (239,3 mg kg^-1) y el Fe (3 700,6 mg kg^-1) respectivamente, son elevados, así como de las formas biodisponibles Cu (527,1 mg kg^-1), Cd (223,5 mg kg^-1) y el Fe (2 224,1 mg kg^-1) respectivamente. En el caso del suelo no contaminado, los contenidos seudototales encontrados para Cu (159,9 mg kg^-1), Cd (5.5 mg kg^-1) y el Fe (851,2 mg kg^-1), así como de las formas biodisponibles Cu (8,8 mg kg^-1), Cd (0,4 mg kg^-1) y el Fe (119,3mg kg^-1) respectivamente son muy similares según los resultados informados por Reyes et al. (2019)REYES-RODRÍGUEZ, R., GURIDI-IZQUIERDO, F., VALDÉS-CARMENATE, R., et al. 2019. Propiedades biológicas, ácidos húmicos y metales pesados biodisponibles en suelo Ferralítico bajo diferentes usos agrícolas. Revista Cultivos Tropicales, 40 (3): 2-7., al evaluar el contenido de metales seudototales y biodisponible para este tipo de suelo.

El análisis del suelo contaminado mediante digestión con agua regía en microondas y la extracción secuencial, mostró la presencia de una cantidad alta de cationes metálicos (Tabla 1), estando los metales estudiados concentrados en un alto porcentaje en las fracciones biodisponibles, las fracciones hidrosolubles y la intercambiable, indicando alta biodisponibilidad para las plantas de estos elementos. Sobresale el caso del Cd (II), ya que el 70 % de su contenido seudototal se corresponde con la fracción hidrosoluble, que es la fracción de mayor acceso para las plantas.

Desde el punto de vista ambiental la fracción biodisponible de los metales pesados, es la que determina el efecto tóxico a corto y mediano plazo, ejercido sobre las poblaciones vegetales y animales presentes en el área y su incorporación a la cadena trófica.

Los contenidos seudototales y biodisponibles de metales pesados obtenidos a los 35 días y al final del experimento (Tabla 2) evidenciaron, de forma general, que los cationes Cu, Cd y Fe disminuyeron sus concentraciones en ambas fracciones, siendo mayor la disminución en los tratamientos donde las plantas fueron sujetas a diferentes formas de aplicación de la mezcla de Ogal, respecto al tratamiento de suelo contaminado sin su aplicación.

De igual forma, se detectó a los 35 días que con la combinación de las formas de empleo de la mezcla Ogal, no se provocó diferencias en comparación con las aplicaciones independientes, a excepción del contenido seudototal de metales para el caso del Cd. Sin embargo, a los 48 días se registraron los contenidos seudototales más bajos de Cu en los tratamientos combinados (T6 y T7). La disminución del contenido de iones metálicos en el suelo se atribuye a que los metales pueden formar complejos estables con la mezcla de Ogal, pasando a formar parte, con el tiempo, de una forma química disponible, y si no es retenido por otra fracción del suelo, puede permanecer en la solución del suelo y ser absorbido por las raíces de las plantas. Otro factor de vital importancia es el pH ácido del suelo, que facilita el intercambio de los protones de los grupos carboxílicos de la mezcla de Ogal, que están completamente disociados, con los iones metálicos, lo que facilita también la formación de los complejos; de ahí la disminución del contenido de estos elementos en la fracción biodisponible del suelo (Yagual, 2020YAGUAL-BARZOLA, K. R. 2020. Técnicas de recuperación de suelos contaminados por hidrocarburos aplicables en el cantón Salinas. La Libertad. UPSE, Matriz. Tesis para optar al título de Ingeniería en Petróleo. Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Universidad Estatal Península Santa Elena, La libertad, Ecuador, 97 p.).

Al analizar la altura de las plantas de tomate al cabo de los 35 primeros días, se observaron diferencias significativas entre las plantas que crecieron en condiciones normales y las establecidas en el suelo contaminado, exceptuando los tratamientos combinados T6 y T7 en los cuales no se presentó afectación en este indicador de crecimiento (Figura 1). De la misma manera, se comprobó que con todas las formas de aplicación de la mezcla de Ogal se superó la altura de las plantas del tratamiento que no la incluía (T2), lo que sugiere que el producto atenúa los efectos fitotóxicos que producen las altas concentraciones de metales encontradas en el suelo.

A los 48 días, todos los tratamientos que incluyeron la mezcla de Ogal, provocaron que las plantas alcanzaran alturas superiores, con al menos un 20 % de incremento, con respecto a las del suelo contaminado control (T2), pero inferiores en altura del suelo no contaminado (T1). De manera general, el mayor efecto atenuador de la fitotoxicidad lo indujeron los tratamientos T6 y T7.

Los resultados de la altura de las plantas de tomate cuando se aplicó la mezcla de Ogal pueden estar influidos además por el efecto estimulador del crecimiento que presenta esta mezcla. Este bioproducto influye en la activación de la división celular y en la elongación de las paredes celulares, según lo planteado por Izquierdo et al. (2014)IZQUIERDO, H., GONZÁLEZ, M. C. y NÚÑEZ, M. C. 2014. Estabilidad genética de las plantas de banano (Musa spp.) micropropagadas con reguladores del crecimiento no tradicionales. Biotecnología Aplicada, 31 (1): 18-22. y Reyes et al. (2021)REYES-PÉREZ, J. J., RAMOS-REMACHE, R. A., LLERENA-RAMOS, L. T., et al. 2021. Potencialidades de oligolacturónidos y quitosacáridos en el enraizamiento de las plantas. Terra Latinoamericana, 39: 1-9. . Se considera que los oligogalacturónidos desencadenan procesos fisiológicos de regeneración y división de la pared celular, al estimular la síntesis de sustancias que actúan en esos procesos (Cabrera, 2000CABRERA, J. C. 2000. Obtención de una mezcla de (1-4) a-D oligogalacturónidos bioactivos a partir de un grupo de subproductos de la industria citrícola. Tesis para optar al título de Doctor en Ciencias Agrícolas. Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, San José de las Lajas, Cuba, 100 p.). Todo ello origina modificaciones en la arquitectura de las raíces, como demostraron Lara-Acosta et al. (2018)LARA-ACOSTA, D., COSTALES-MENENDEZ, D. y FALCÓN-RODRIGUEZ, A. 2018. Los oligogalacturónidos en el crecimiento y desarrollo de las plantas. Cultivos Tropicales, 39 (2): 127-134..

En la figura 2 se muestra la longitud de la raíz de las plantas de tomate en el medio contaminado tratado con varias formas de aplicación de la mezcla de Ogal y en el suelo no contaminado.

Al cabo de los primeros 35 días, no existieron diferencias entre las plantas que crecieron en el suelo no contaminado y las plantas que fueron tratadas con la mezcla de Ogal mediante T6 y T7. Cabe destacar que entre las plantas que crecieron en el medio contaminado con diferentes formas de aplicación de la mezcla de Ogal no mostraron diferencias, pero en general superaron al tratamiento en suelo contaminado sin su aplicación T2.

A los 48 días después de la siembre las plantas que se desarrollaron en el suelo no contaminado tuvieron la mayor longitud de la raíz. No obstante, al analizar aquellas que crecieron en el suelo contaminado con metales pesados, los mejores resultados se obtuvieron con los tratamientos combinados T6 y T7, aunque todas las variantes de uso de la mezcla de Ogal superaron al tratamiento T2.

En la figura 3 se presentan los resultados de las determinaciones de la masa seca de los diferentes órganos de las plantas de tomate. Al analizar la masa seca de la parte aérea a los 35 días de las plantas que crecieron en el medio contaminado (Figura 3A), se observó que las que estuvieron en contacto con la mezcla de Ogal mostraron resultados superiores a las del tratamiento donde no se aplicó Ogal (T2), pero inferiores a las del medio no contaminado. A los 48 días, todos los tratamientos en el suelo contaminado que contenían Ogal provocaron que las plantas triplicaran o más, la masa seca foliar en comparación con T2, aunque en ningún caso se iguala a la de las plantas en el suelo no contaminado.

En la figura 3B se observa que a los 35 días en todos los tratamientos en el suelo contaminado en los que se incluyó la mezcla de Ogal, se estimuló la producción de biomasa radical, aunque no se igualó a la masa seca de las raíces de las plantas desarrolladas en el suelo no contaminado. A los 48 días no se observaron diferencias en la masa seca de la raíz entre las plantas que crecieron en el suelo no contaminado y aquellas en las que se aplicó el producto en diferentes formas, a excepción del tratamiento de Ogal aplicado folialmente (T5). Es de destacar que incluso para este último tratamiento, la masa seca de las raíces superó en más de cuatro veces a la que se encontró para el caso de la no inclusión de la mezcla de Ogal (T2).

La evolución en el tiempo de la masa de la raíz, sugiere que después de la etapa inicial de adaptación, la utilización de mezcla de Ogal permite que las plantas de tomate tengan un adecuado desarrollo. Esto último puede atribuirse a que se haya facilitado la disponibilidad y la absorción de los nutrientes, como consecuencia de la estimulación del crecimiento radical por el Ogal.

Prieto et al. (2009)PRIETO, J., GONZÁLEZ, C., ROMÁN, A. y PRIETO, F. 2009. Contaminación y fitotoxicidad en plantas por metales pesados provenientes de suelos y agua. Tropical and Subtropical Agroecosystems, 10 (1): 29-44. han planteado que una concentración elevada de metales para las plantas puede producir un efecto severo en el crecimiento radical y como consecuencia, provocar daño en la raíz, la reducción de las masas fresca y seca de la planta; así como también la reducción en la absorción de agua y nutrientes. Estos efectos se apreciaron de manera atenuada al utilizar en este trabajo, estimuladores del crecimiento, como lo es la mezcla de Ogal.

Al evaluar las concentraciones de los iones metálicos estudiados tanto en la parte área como en la radical a los 35 y 48 días (Tablas 3 y 4), se verificó que a los 35 días la aplicación de la mezcla de Ogal, prácticamente en todas las formas de utilización, produjo un incremento en la concentración de los tres iones en ambas partes, sobresaliendo los tratamientos combinados (T6 y T7). Además, se corroboró además que en la raíz se produjo la mayor acumulación, que fue menos marcada para el hierro.

A los 48 días después de la siembra, también se manifestó el efecto estimulador de la aplicación de la mezcla de Ogal y se comprobó que, las hojas resultaron el órgano de mayor acumulación en la parte aérea. En general, se detectó que los tratamientos T6 y T7 indujeron las mayores acumulaciones de los iones estudiados.

La acumulación de metales tóxicos en los diferentes órganos de las plantas de tomate se presentó en el siguiente orden: raíz> hojas> tallo. Esto se ha observado en otros trabajos, resultados 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.

De acuerdo a los resultados obtenidos el elemento que se acumuló en mayor cantidad en las raíces, con respecto al contenido total en suelo, fue el Cu. Las mayores concentraciones de metal determinadas en este trabajo, implican una relación entre el sustrato en que crece la planta y la cantidad de metal absorbida por las plantas de tomate.

La aplicación de la mezcla de Ogal al suelo favoreció la formación de complejos estables entre los componentes de la mezcla de Ogal y los cationes metálicos, como se verificó en los experimentos anteriores. Esto regula la disponibilidad de los cationes y su absorción por las plantas, lo cual coincide con lo planteado por Begun et al. (2012)BEGUN, Z., RAHMAN, I., TATE, Y., et al. 2012. Remediation of toxic metal contaminated soil by washing with biodegradable aminopolycarboxylate chelants. Chemosphere, 87: 1161-1170. que confirman el aumento de la absorción de los metales pesados por las raíces de las plantas por la formación de complejos metálicos solubles. Además, el aumento del contenido de elementos metálicos en la parte aérea al realizar las aspersiones foliares fue informado por Castaldi et al. (2010)CASTALDI, P., LAURO, G., SENETTE, C., et al. 2010. Role of the Ca-pectates on the accumulation of heavy metals in the root apoplasm. Plant Physiology and Biochemistry, 48 (12): 1008-1014. al estudiar el papel de las sustancias pécticas en la acumulación de metales.

Kabata-Pendias (2000)KABATA-PENDIAS, A. 2000. Trace elements in soils and plants. Tercera Edición. CRC Press, Boca Ratón, Estados Unidos de América, 403 p. describió que la captación de metales pesados por las raíces puede ser un proceso tanto pasivo (no metabólico) como activo (metabólico) y estos mecanismos de captación difieren dependiendo del metal. Ejemplo de ello son el Pb y el Ni que son absorbidos pasivamente mientras que el Cu, Mo y Zn son absorbidos activamente. Esta diferencia podría asociarse al comportamiento observado en las raíces de tomate. Además, Rodríguez et al. (2002)RODRÍGUEZ, P. H., GINCCHIO, R., BADILLA OHLBAUM, R., et al. 2002. Effect of soil copper content and pH on copper uptake of selected vegetables grown under controlled conditions. Environmental Toxicology and Chemestry, 21: 1736-1744., demostraron que, en la parte aérea del tomate, el Cu y el Fe presentan una baja respuesta a las concentraciones en el suelo, porque tienen una movilidad relativamente baja respecto a otros elementos en las plantas, permaneciendo en los tejidos de las raíces y hojas hasta su senescencia y sólo experimentando aumento en suelos muy contaminados; mientras que el Cd se incrementa con contenidos relativamente menores en el sustrato.

CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos de las plantas de tomate cultivadas en un medio natural contaminado, demuestran los efectos beneficiosos que le confiere las diferentes formas de aplicación de la mezcla de Ogal a plantas hiperacumuladoras como el tomate, de ahí la posibilidad de utilizar este producto con vistas a la biorremediación, a partir de la fitoextracción, pues aumentan el contenido de la biomasa de las plantas, con lo cual además, se disminuye la posibilidad de contaminación de las aguas subterráneas.