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Acumulación de metales pesados

Resumen: La Fitorremediación se define como el uso de plantas verdes en la remoción de contaminantes del ambiente (Raskin et al., 1997). En contraste con otras tecnologías, es poco costosa, estéticamente agradable y requiere de pocos recursos (Glass, 1999)...
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Autor: José Manuel Pérez Meléndez, Iris Castillo Martínez, Dagoberto Paz Falcón
INTRODUCCIÓN
La Fitorremediación se define como el uso de plantas verdes en la remoción de contaminantes del ambiente (Raskin et al., 1997). En contraste con otras tecnologías, es poco costosa, estéticamente agradable y requiere de pocos recursos (Glass, 1999). Ofrece la gran ventaja de causar pocas afectaciones al medio, no alterando la matriz del suelo, de manera que después de un proceso de fitorremediación, el suelo puede ser empleado directamente para la siembra de algún cultivo agrícola. Los metales pesados tóxicos y los contaminantes orgánicos son objeto de la fitorremediación.

Todas las plantas tienen un potencial para extraer metales del suelo, pero algunas plantas muestran una habilidad para extraer, acumular y tolerar altos niveles de metales pesados, los cuales pueden resultar tóxicos para otros organismos. Tales plantas son denominadas hiperacumuladoras. La hiperacumulación de metales es una adaptación ecofisiológica a suelos con altos contenidos de metales (Deng et al., 2004). Es un mecanismo de defensa contra plantas patógenas, además de prevenir a los depredadores (Sagner et al., 1998; Gisbert et al., 2003). Sin embargo, el potencial para la aplicación de plantas hiperacumuladoras en la biorremediación es limitado por un grupo de factores. En general estas plantas acumulan solamente un elemento específico y no son aplicables para múltiples elementos.

Las plantas de tabaco tienen una capacidad específica, inusualmente alta, de absorber el Cd del suelo y acumularlo en las raíces y en las hojas. Se encontró que la especie Nicotiana tabacum es altamente acumuladora, tanto en las hojas como en la raíz (Angelova et al., 2004). En la planta del tabaco, la concentración del elemento varía a lo largo del tallo. El mayor contenido se encuentra en las hojas viejas, con respecto a las hojas superiores, más jóvenes, lo que sugiere una deposición gradual con el tiempo (Semu and Singh, 1996; Angelova et al., 2004; Evangelou et al., 2004; Evangelou et al., 2006).

Teniendo en cuenta todos los elementos expuestos anteriormente, se diseñó y realizó un experimento, cuyo objetivo fundamental era estudiar el comportamiento de la planta de tabaco Nicotiana tabacum L, Variedad “Criollo 98”, en un suelo contaminado con Cadmio y Plomo para evaluar sus posibilidades de empleo en técnicas de fitorremediación.

MATERIALES Y MÉTODOS
El experimento se realizó en áreas del Instituto Politécnico de Agronomía “Tranquilino Sandalio de Noda”, ubicado en el Km 8 ½ de la carretera Pinar del Río-La Coloma, en la provincia de Pinar del Río, a una altura de 26,25 m sobre el nivel del mar a los 281, 600 Km al norte y 224,100 Km al este del sistema de coordenadas planas “Cuba Norte de ICGS”.

El área experimental ocupó 114 m2, en la cual se plantó la variedad criollo 98 con un marco de plantación de 0.76x0.25 m, esta área estaba dividida en 12 parcelas de 2.50 m de largo por 3.8 m de ancho (9,50 m2). En cada parcela se plantaron total de 50 plantas. De cada parcela se muestrearon 10 plantas. La plantación se realizó el día 23 de enero de 2003. El riego y la fertilización se realizaron de acuerdo con el instructivo técnico.

El diseño experimental utilizado fue el de bloques al azar con 4 tratamientos y 3 réplicas. Tratamientos: T1, Testigo; T2, dos aplicaciones de Cd al suelo (0,50 kg/ha); T3, dos aplicaciones de Pb al suelo (0,50 kg/ha); T4 dos aplicaciones de Cd+Pb al suelo (0,50 kg/ha de cada elemento). La metodología utilizada para la caracterización de los suelos fue la planteada por Sastre et al. (2002) y Nicholson et al. (2003). Los análisis químicos y físico-químicos del suelo, fueron realizados en el Laboratorio de suelos del MINAGRI y en el Laboratorio de suelos de la Universidad de Pinar del Río.

Para cada uno de los tratamientos se utilizaron dosis de 0.50 Kg./ha del elemento activo, dividido en 2 aplicaciones, en cada uno de los momentos de fertilización seguido del riego. La primera aplicación se realizo a los 8 días después de la siembra y la segunda aplicación 21 días después de la primera aplicación. Los portadores utilizados fueron el PbAc2.3H2O y CdSO4. Se le adicionó EDTA, formando así portadores en forma de quelato”.

La toma de la muestra foliar se realizó seleccionando todas las hojas de 10 plantas. Esas hojas fueron lavadas y secadas en la estufa a una temperatura de 75oC, posteriormente fueron maceradas y pasadas por un tamiz de 0.5 mm, envasadas, y se llevaron a los laboratorios del MINAGRI. Se les determinó macronutrientes primarios y secundarios: Nitrógeno, Fósforo, Potasio, Calcio y Magnesio. Se realizaron análisis de macro y micronutrientes en los laboratorios de La Universidad de Alicante en España y en la Empresa Central de Laboratorios "JOSÉ ISAAC DEL CORRAL" en Ciudad de la Habana, utilizando el método analítico de Espectroscopia de Emisión con Plasma Acoplado Inductivamente. Los análisis estadísticos efectuados, estadística descriptiva, cálculo de correlaciones, análisis de componentes principales y otros se realizaron con el paquete estadístico SPSS para Windows Versión 10 de diciembre 2001 (SPSS 10.0).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Análisis de la caracterización química del suelo.
Se realizaron análisis de suelo antes de la plantación. Los resultados se muestran en la Tabla 1 y Tabla 2.



En la Tabla 2 se observan los valores encontrados para un grupo de micronutrientes presentes en dichas parcelas. Se determinaron los niveles para el Cd, (0,38±0,18 mg/kg de suelo) y para el Pb (17,38±2,65 mg/kg de suelo), resultados que evidencian la presencia de estos metales pesados en el suelo en rangos normales.



Una vez concluida la recolección del tabaco, se procedió a tomar una muestra de suelo de cada tratamiento con vistas a establecer las diferencias y similitudes en función de la aplicación de cantidades controladas de Cd y Pb. Se reportan las medias de las tres réplicas. Estos resultados pueden apreciarse en la Tabla 3



En la Tabla 3 se observa una disminución del pH, con respecto a los valores iniciales que se mostraron en la Tabla 1, lo que puede estar dado por el lavado de las bases (Cairo, 1994), propiciado por los riegos realizados, las precipitaciones caídas y a las características del suelo (Loam arenoso), con valores altos de porosidad, aspectos que favorecen el proceso de lavado de las bases. El contenido de P2O5 y K20 en el suelo aumentó debido a la fertilización (fórmula completa) realizada al cultivo durante su desarrollo. El contenido de materia orgánica permanece prácticamente constante durante todo el experimento.

Estudio de la acumulación de Cadmio y Plomo en la planta de tabaco.
En la Tabla 4. se observa la acumulación de Cadmio y Plomo en la planta de tabaco. Estos elementos (Cd y Pb), fueron aplicados al suelo en forma de quelatos tanto de forma independiente como combinados en relación con el testigo.



En esta tabla se puede apreciar como la variedad de tabaco Criollo 98 es capaz de asimilar y acumular elementos pesados como el Cadmio y el Plomo con relativa facilidad. En los tratamientos en que se aplica Cadmio, ya sea combinado con el Plomo o de forma aislada, este elemento es absorbido y acumulado mayoritariamente en la raíz y en el primer corte de la hoja o libre pié (LP), aunque también se observan diferencias significativas en su absorción en el tallo con respecto al tratamiento testigo y al tratamiento con Plomo.

En el caso del Plomo el comportamiento es algo diferente por cuanto, además de acumularse en la raíz, tallo y primer corte de la hoja, pueden encontrarse cantidades significativamente diferentes en el segundo corte de la hoja (uno y medio). No se observan diferencias significativas en los contenidos de Plomo en el centro de la planta y en la corona, donde sus concentraciones son las mas pequeñas. El hecho de que estos elementos se acumulen fundamentalmente en la parte basal de la planta parece estar relacionado con su inmovilidad relativa.





En el caso de ambos elementos se observa un comportamiento similar en la planta y la misma tendencia de esta de acumular tanto en la raíz, tallo y primeros cortes de la hoja. Angelova et al., (2004) encontró que la especie Nicotiana tabacum es altamente acumuladora del Cadmio, tanto en las hojas como en la raíz de la planta, lo que confirma los resultados alcanzados.

Análisis del suelo post-cosecha.
En la Tabla 5 se muestran los resultados de los análisis realizados a cada una de las parcelas, después de la recolección completa de la cosecha.

Los resultados muestran una gran homogeneidad entre las parcelas, independiente del tratamiento utilizado en cada una de ellas. Lo mas importante a destacar es el hecho de que tanto el Cadmio como el Plomo, aplicados solos, o en el tratamiento combinado, han sido extraídos del suelo por la planta de tabaco, de manera que no existen diferencias significativas entre el suelo testigo y el suelo del resto de los tratamientos. Solo en el caso del tratamiento con Cadmio quedan en el suelo 1,75 mg/kg de este elemento, significativamente diferente con el testigo y con los restantes tratamientos, sin embargo esta concentración de Cadmio en el suelo no es considerada tóxica por la directiva europea 86/278/CEE sobre contenido en metales pesados en suelos agrícolas.



Teniendo en cuenta los valores de metales pesados encontrados y comparándolos con los indicados en la directiva 86/278/CEE para suelos agrícolas (Consejo de Europa, 2000), se observa que no superan los límites establecidos. Estos valores son: Cu 140 ppm; Cd 3 ppm; Pb 350 ppm; Zn 350 ppm; Ni 75 ppm. Los contenidos están muy por debajo de los indicados en la directiva.

Comparando las medias obtenidas con las correspondientes a suelos naturales del mundo, se obtiene que los valores de estos metales pesados estén por debajo de dichas medias (Kabata-Pendias, 1992; Alloway, 1995; Adriano, 1997; Angelova et al., 2004). Estos resultados avalan la posibilidad de utilizar la planta Nicotiana tabacum L., variedad “Criollo 98” en técnicas de Fitorremediación.

Conclusiones
1- Los metales pesados Cadmio y Plomo son rápidamente absorbidos por la planta de tabaco, la cual los acumula fundamentalmente en la raíz y en las hojas basales.
2- La presencia de Cadmio y Plomo incide positivamente en la asimilación y acumulación de ambos elementos sugiriendo un mecanismo de sinergismo entre estos elementos.
3- El análisis post-cosecha de las parcelas demostró que la variedad “Criollo 98” es capaz de extraer la mayor parte del cadmio y del Plomo aplicado durante el experimento.
4- La planta de tabaco Nicotiana tabacum L, Variedad “Criollo 98” tiene buenas cualidades y características que permiten su uso en técnicas de Fitorremediación.

Bibliografía
Alloway, B. J. (1995) Heavy metals in soils. Eds John Wiley And Sons, Inc. New York. 368pp.
Angelova, V.; K. Ivanov and R. Ivanova (2004) Effect of Chemical Forms of Lead, Cadmium, and Zinc in Polluted Soils on Their Uptake by Tobacco. Journal of Plant Nutrition. Vol. 27, No. 5, pp. 757–773, 2004
Cairo, P. y Fundora, O. (1994) Edafología. Editorial Pueblo y Educación. Playa. Ciudad de la Habana. 476 p.
Consejo de Europa (2000) Convención Europea del Paisaje, Congreso de Poderes Locales y Regionales de Europa, Florencia, 12 pp.
Deng, H.; Z. H. Ye and M. H. Wong (2004) Accumulation of lead, zinc, copper and cadmium by 12 wetland plant species thriving in metal-contaminated sites in China. Environmental Pollution. Volume 132, Issue 1, November 2004, Pages 29-40
Evangelou, Michael W.H., Hatice Daghan and Andreas Schaeffer (2004) The influence of humic acids on the phytoextraction of cadmium from soil. Chemosphere. Volume 57, Issue 3, October 2004, Pages 207-213
Evangelou, Michael W.H., Mathias Ebel, Andreas Schaeffer. (2006) Evaluation of the effect of small organic acids on phytoextraction of Cu and Pb from soil with tobacco Nicotiana tabacum. Chemosphere 63 (2006) 996–1004
Gisbert, Carmina; Roc Ros, Antonio de Haro, David j. Walker, M. Pilar Bernal, Ramón Serrano and Juan Navarro-Aviñó (2003) A plant genetically modified that accumulates Pb is especially promising for phytoremediation. Biochemical and Biophysical Research Communications. Volume 303, Issue 2, 4 April 2003, Pages 440-445
Glass, D.J., (1999) Economic potential of phytoremediation. In: Raskin, I., Ensley, B.D. (Eds.), Phytoremediation of Toxic Metals: Using Plants to Clean up the Environment. John Wiley & Sons, New York, NY, pp. 15–31.
Kabata-Pendias, A. y Pendias, H. (1992) Trace elemets in soil and plants. Eds. CRC Presss. Bocaratón, USA.365 pp.
Nicholson F.A., Smith S.R., Alloway B.J., Carlton-Smith C., Chambers B.J. (2003): An inventory of heavy metals inputs to agricultural soils in England and Wales. The Science of The Total Environment, 311, Issues 1-3, 205-219.
Raskin, I., Smith, R.D., Salt, D.E., 1997. Phytoremediation of metals: using plants to remove pollutants from the environment. Curr. Opin. Biotechnol. 8, 221–226.
Sagner, S.; Kneer, R.; Wanner, G.; Cosson, J.; Deus-Neumann, B.; Zenk, M. 1998. Hyperaccumulation, complexation and distribution of nickel in Sebertia acuminate. Phytochemistry 47, 339–347
Sastre J., Sahuquillo A., Vidal M., Rauret G. (2002): Determination of Cd, Cu, Pb and Zn in environmental samples: microwave-assisted total digestion versus aqua regia and nitric acid extraction, Analytica Chimica Acta, 462, 59-72.
Semu, E.; Singh, B.R. 1996. Accumulation of heavy metals in soils and plants after long-term use of fertilizers and fungicides in Tanzania. Fertil. Res. 1996, 44, 241–248.

Anexos: Se muestran la Figura 1 y Figura 2 en colores




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