Download Capacidad remediadora de la raíz de girasol, Helianthus annuus

REBIOL 2012; 32(2):13 -19 (julio-diciembre 2012)
Revista Científica de la Facultad de Ciencias Biológicas
Universidad Nacional de Trujillo. Trujillo. Perú
Capacidad remediadora de la raíz de girasol,
Helianthus annuus, cuando es sometida a diferentes
concentraciones de plomo
Remedial capacity of Sunflower, root when submitted to different
concentrations of lead
Julio Chico-Ruiz1, Lisi Cerna-Rebaza De Chico2, Marlene Rodríguez- Espejo1,
Marlene Guerrero-Padilla3
Laboratorio de Fisiología y Cultivo de Tejidos Vegetales1, Laboratorio de Ecología3. Universidad Nacional de
Trujillo. Universidad César Vallejo2. [email protected]
RESUMEN
La fitorremediación es la captación de metales contaminantes por las raíces de las plantas y su acumulación
en tallos y hojas, Las plantas seleccionadas se pueden utilizar para extraer los metales de suelo, de agua y de
sedimentos. El “girasol” es reportado por su capacidad de acumular metales y responder con una alta biomasa
radicular. Con los antecedentes expuestos se demostró la capacidad remediadora de las raíces de Helianthus
annus “girasol”. Se seleccionaron las plántulas de “girasol” con características semejantes, se transplantaron a
macetas de tecnopor de 1.5 kg de capacidad y cada una contenía 50% de arena gruesa y 50% de arena fina. En
cada maceta se colocaron 3 plántulas y en total fueron 20 plantas por tratamiento. Las plántulas de 20 días de
crecimiento fueron sometidas a los siguientes tratamientos: 100 µM Pb/Lt, 200 µM Pb/L, 300 µM Pb/L, 400
µM Pb/L, 500 µM Pb/L .Al término del experimento, las plantas fueron separadas en parte aérea y radicular y
se procesaron para determinar la concentración de plomo en estos tejidos. Además se tomaron medidas de
longitud de raíz (en centímetros), tallo (en centímetros), peso fresco (en gramos) y peso seco (en gramos) de la
raíz y el tallo, respectivamente. Cada alteración morfológica fue anotada (clorosis, quemaduras, deformación de
hojas, etc). Se concluye que la longitud de la raíz no se ve afectada por la concentración de plomo y la mayor
concentración se da en las raíces secundarias y son capaces de tolerar concentraciones de 500 mg/l de plomo.
Palabras clave: fitoremediación, plomo, Helianthus annus, girasol
ABSTRACT
Phytoremediation is contaminating metals uptake by plant roots and their accumulation in stems and leaves,
selected plants can be used to extract metals from soil, water and sediments. The "sunflower" is reported by their
ability to accumulate metals and respond with high root biomass. With the above background remedial
demonstrated the ability of the roots of Helianthus annus "sunflower". Seedlings were selected "sunflower" with
similar characteristics, were transplanted to pots tecnopor of 1.5 kg capacity, each pot containing the substrate
consists of 50% sand and 50% coarse sand. In each pot and seedlings were placed three in totals were 20 plants
per treatment. Seedlings of 20 days of growth were subjected to the following treatments: 100 uM Pb/L, 200 uM
Pb /L, 300 uM Pb/L, 400 uM Pb/L, 500 uM Pb/L. Upon completion of the experiment, plants were separated
into shoot and root and processed to determine the concentration of lead in these tissues. Measures will be taken
root length (cm), stem (cm), fresh weight (in grams) and dry weight (in grams) of the root and stem, respectively.
Each morphological alteration was noted. (chlorosis, burns, leaf deformation, etc). It is concluded that the length
of the root is not affected by the concentration of lead and the highest concentration given in secondary roots and
are able to tolerate concentrations of 500mg/l of lead.
Keywords: phytoremediation, lead, Helianthus anus, sunflower
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INTRODUCCIÓN
Uno de los problemas más señalados por la sociedad a nivel mundial y que ocupa un lugar
prominente en los programas sociales y políticos es destacar la progresiva degradación de los recursos
naturales causada por la diversidad de contaminantes tóxicos orgánicos e inorgánicos, en la atmósfera,
agua, suelo y subsuelo, procedentes de diversas actividades naturales y antropogénicas, generando un
irremediable deterioro en el ambiente. En las últimas décadas el acelerado desarrollo industrial y
crecimiento de las poblaciones, han generado serios problemas de contaminación por metales pesados,
provocando un incremento de su concentración en el ambiente y su migración a suelos no
contaminados, que deterioran la calidad del suelo, del aire y del agua1
El suelo se puede degradar por sustancias nocivas que se almacenan e incluso influyen
negativamente en su comportamiento como es la disminución del rendimiento de los cultivos con
posibles cambios en la composición de sus tejidos con riesgo para la salud de los consumidores al
ingresar determinados elementos a la cadena trófica2
La contaminación por metales pesados han sido asociado a actividades industriales o mineras,
fundiciones, o suelos naturalmente ricos en metales debido a afloramientos minerales 3 además de
refinerías, aguas residuales, procesos nucleares y manufacturas de gran variedad de productos como
baterías, componentes eléctricos, aleaciones de metales, plaguicidas y fertilizantes.4 Los metales
pesados o elementos traza en general, tienen una densidad atómica que supera los 5 a 6 g cm -3,
también se considera metal pesado si su número atómico es superior a 20.5 Los metales pesados como
el Cu, Pb, Zn, Ni, Se, As, Cd, Hg, etc. y algunos reactivos químicos utilizados en las plantas de
procesamiento de minerales, no se degradan biológicamente ni en la naturaleza, por lo que son
consideradas tóxicos para la mayor parte de organismos vivos 6,7.
Después de haber realizado investigaciones sobre la contaminación de las aguas continentales en el
Perú, se reportó que relaves mineros, drenajes ácidos y aportes de sólidos totales afectan a la mayoría
de los recursos acuáticos y suelos y por consiguiente a los productos agrícolas. Los relaves mineros
contienen los metales preciosos oro y plata y los metales básicos cobre, plomo y zinc, siendo estos
minerales los que dominan la industria minera peruan.8
El plomo (Pb) es un metal pesado de color azúl grisáceo inodoro, insípido, su número atómico es
82 y su masa atómica es 207,2 g/mol y no tiene valor fisiológico conocido. 9 Además el plomo es uno
de los mayores contaminantes del ambiente y altamente tóxico para el hombre. Su presencia en el
ambiente se debe principalmente a actividades antropogénicas como la industria, minería, fundición y
uso de gasolinas con plomo.10 El Pb generado de esas actividades puede permanecer como residuo por
1000 a 3000 años en suelos de clima templado, es así que los altos contenidos de Pb en el suelo
pueden provocar problemas de toxicidad en plantas, animales y humanos. 11
La preocupación por la contaminación ambiental ha motivado que los científicos encuentren
alternativas que disminuyan o atenúen los niveles de concentración de los elementos más tóxicos. La
Agencia de Protección del Ambiente (EPA) establece que si un suelo supera el límite máximo
permitidos fijados en 300 a 500 mg de Pb kg-1 debe ser remediado.12 Desde el punto de vista biológico,
se han planteado posibles soluciones a la contaminación del ambiente, es el caso de la
fitorremediación, la biorremediación bacteriana y la ingeniería genética.13
La fitorremediación es la captación de metales contaminantes por las raíces de las plantas y su
acumulación en tallos y hojas, Las plantas seleccionadas se pueden utilizar para extraer los metales de
suelo, de agua y de sedimentos, incluyendo el retiro de elementos radiactivos, y la mineralización
posible de los compuestos orgánicos tóxicos.14 Hay diversas técnicas del fitotoremediación tales como
fitodegradacion, fitovolatilización, rizodegradación, fitoestabilización, rizofiltración y fitoextracción
El éxito de la fitorremediación depende de identificar las especies vegetales que toleren el estrés,
que acumulen los metales pesados y produzcan cantidades grandes de biomasa. En general las plantas
que acumulan más de 1000 mg/kg del Pb, se llaman los hiperacumuladoras; Un ejemplo de tales
plantas es Thlaspi rotundifolium, que puede acumular Pb hasta 8.200 mg/kg. Sin embargo, esta
especie no es satisfactoria para la fitorremediación de Pb en los suelos contaminados debido a su tasa
de crecimiento lenta y producción pequeña de la biomasa.15
Se reporta que algunas especies pertenecientes a las Asteraceas, toleran altos niveles de metales
pesados en comparación con otros grupos taxonómicos y se les ha propuesto como especies
fitoremediadoras.16,17 Helianthus annuus “girasol” pertenece a la familia de las Asteraceae , posee una
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facilidad de manejo en su cultivo, se adapta fácilmente a un amplio intervalo en la variación de
temperatura. La época de la siembra es variable y depende de las características climatológicas de cada
región. Es una planta anual, con un desarrollo vigoroso en todos sus órganos, dentro de esta especie
existen numerosos tipos o subespecies cultivadas como plantas ornamentales, oleaginosas y
forrajeras.1
El “girasol” es reportado por su capacidad de acumular metales y responder con una alta biomasa
radicular no obstante una baja tolerancia al cromo comparado con otras plantas acumuladoras.18 Se
relaciona al plomo con la actividad de la proteasa en cotiledones de girasol, concluyendo como un
agente tóxico que inhibe la actividad de éstos.19 El girasol tiene la capacidad de acumular altas
concentraciones de uranio y cadmio en sus tejidos (principalmente tallo y raíz) con una razonable
tolerancia,20 es por esta razón que el girasol se emplea en los procesos de fitorremediación acumulando
y reciclando dichos metales excesivos de los suelos y promoviendo la limpieza ambiental.21
Con los antecedentes expuestos y con la intención de estudiar Helianthus annuu L.como planta
potencial para fitoacumular plomo en sus tejidos y así dar una solución biológica a la gran
problemática ambiental de los suelos contaminados, el objetivo del presente trabajo fue demostrar la
capacidad remediadora de las raíces de Helianthus annus “girasol”
MATERIAL Y MÉTODOS
Material de estudio
Las semillas de H. annus “girasol” fueron colectadas de la localidad de Barraza, provincia de
Trujillo, Región La Libertad.
Escarificación y desinfección de semilla
La escarificación de semillas de testa muy dura, consistió en retirar de forma manual, un pequeño
fragmento de la testa para que una parte del embrión quede expuesta, para así aprovechar al máximo
su capacidad germinativa. De esta manera se induce una germinación más rápida de este tipo de
semillas, cuya dura testa puede retrasar la germinación.
Antes de su germinación, las semillas deben desinfestarse. Para su desinfestación, las semillas se
lavaron con detergente en polvo (2% de detergente en 100 ml de agua) y se enjugaron con agua
corriente. Posteriormente, éstas se colocaron en una solución de etanol al 70% (20 - 30 seg.), se
enjuagan con agua desionizada estéril y se colocan en una solución al 10% (p/v) de hipoclorito de
sodio comercial (20 - 30 min). Las semillas tratadas se enjuagan 3 o 4 veces más con agua
desionizada estéril. En la Tabla 1 se muestran las condiciones particulares para cada especie.
Tabla 1. Condiciones de escarificación y desinfestación establecidas para germinar las semillas de girasol
Tratamientos
1
2
1
2
Escarificación
SI
NO
SI
NO
Alcohol
30 seg
Cloro
30 minutos
20 seg
20 minutos
Germinación de la semilla de girasol
El sustrato empleado para la germinación fue “arena de río fina” la cual fue esterilizada
previamente, el sustrato se depositó en 200 vasitos plásticos (tamaño de vaso número 7), por cada
vasito se colocó 2 semillas, las cuales se mantenían húmedas con agua destilada y en condiciones
semicontroladas de invernadero hasta llegar a 10 días de crecimiento a esa edad el modo de riego se
reemplazará por soluciones nutritivas diluidas a la cuarta parte (Hoagland) y se aplicó por la técnica
del riego por goteo, hasta los 20 días de edad, en la que presentó el primer par de hojas verdaderas,
posteriormente se procedió al transplante.
Transplante de girasol
Se seleccionaron las plántulas con características semejantes en tamaño, color, diámetro del tallo y
número de hojas, se transplantaron a macetas de tecnopor de 1.5 kg. de capacidad, cada maceta
contenía el sustrato de crecimiento, el cual estuvo conformado por 50% de arena gruesa y 50% de
arena fina, ambas desinfectadas y esterilizadas antes del transplante. En cada maceta se colocaron 3
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plántulas, las que representó la unidad muestral. Las plántulas fueron semicontroladas en condiciones
de invernadero. En total fueron 20 plantas por tratamiento.
Tratamientos de las plántulas con soluciones de plomo
Las plántulas de 20 días de crecimiento de H. annuus L. “girasol” fueron sometidas a los
siguientes tratamientos:






0 µM Pb/Lt solución……………..
100 µM Pb/Lt solución…………..
200 µM Pb/Lt solución…………
300 µM Pb/Lt solución
400 µM Pb/Lt solución…………
500 µM Pb/Lt solución
Tratamiento 1 (T1) Control
Tratamiento 2 (T2)
Tratamiento 3 (T3)
Tratamiento 4 (T4)
Tratamiento 5 (T5)
Tratamiento 6 (T6)
Cada tratamiento consiste de soluciones nutritivas diluidas en agua destilada. Dependiendo de cada
tratamiento, se le añadirá concentraciones de plomo en forma de nitrato de plomo Pb(NO3)2 a la
solución nutritiva. Se tendrá cuidado con el pH, el cual debe permanecer entre 5.5 y 6.5, de lo
contrario será corregido con HCl 1N y KOH 20 N.
Cada tratamiento estuvo en forma se solución, los cuales fueron vertidos en cada grupo de plantas
por la técnica de riego por goteo.
Duración del experimento:
La duración del presente experimento será de 5 semanas con el fin de registrar el comportamiento
de las plantas de H. annuus L. sometidos a los diferentes tratamientos.
Las fechas programadas de evaluación serán las siguientes:
 A los 15 días después del transplante, contando con plantas de 35 días de edad.
 A los 35 días después del transplante.
Análisis Cuantitativos de acumulación de plomo
Al término del experimento, las plantas fueron cuidadosamente extraídas de las macetas,
separándose la parte aérea y radicular, se lavaron con agua corriente para eliminar los residuos de
suelo, posteriormente se procesaron para determinar la concentración de plomo en estos tejidos. Se
utilizó para ello el equipo de espectrofotometría de absorción atómica.
Análisis de crecimiento
Se tomaron medidas de longitud de raíz (en centímetros), tallo (en centímetros), peso fresco (en
gramos) y peso seco (en gramos) de la raíz y el tallo, respectivamente.
Cada alteración morfológica también fue anotada. (clorosis, quemaduras, deformación de hojas,
etc).
Análisis estadístico:
Los datos fueron procesados estadísticamente utilizando promedio, desviación estandar, ANAVA
y Tukey (P < 0.05) para determinar las diferencias significativas entre los tratamientos asignados y
tomando en cuenta las tres repeticiones establecidas, utilizando el programa estadístico Statgraphics
Plus 5.1.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los mecanismos de fitotoxicidad por plomo se relacionan con cambios en la permeabilidad de las
membranas celulares, reacciones de grupos sulfihidrilo (- SH) con cationes y con la afinidad para
reaccionar con grupos fosfato y grupos activos de ADP o ATP22. Este autor afirma que la toxicidad
que causa el plomo hacia una especie de planta, varía en función de su genotipo así como de las
condiciones experimentales a las que éstas son sometidas.
En la tabla 2 observamos que la longitud de la raíz de girasol no se ve afectada cuando se aumenta
la concentración de plomo. Así a concentraciones de 500 µM la longitud de la raíz (5.01) es el doble al
del control (2.73) y el contenido de plomo es de 3.010 mg g-1. También se hizo un análisis si el plomo
se acumulaba por igual en las raíces de girasol, encontrándose una ligera diferencia entre las raíces
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finas (diámetros menores a 2mm) que acumularon 5430 µg g -1 en peso seco en relación a las raíces
gruesas (diámetro mayor a 2mm) en la que se acumuló plomo en la cantidad de 4340 µg g-1 (Tabla 3)
Tabla 2. . Efecto del tratamiento del plomo sobre la longitud de la raíz y su acumulación en la misma en
Helianthus annus a los 35 días
Concentración
(uM)
0
100
200
300
400
500
longitud de raíz
(cm)
2.73±0.17a
2.60±0.11ab
2.75±0.17bc
3.83±0.10cd
4.64±0.08d
5.01±0.08e
Contenido de plomo
mg g-1
0.002±0.001a
1.080±0.06b
1.212±0.08b
2.256±0.13c
2.807±0.12d
3.010±0.13e
Las letras diferentes indican diferencias entre tratamientos a una p <0.
La fig. 1 y tabla 2 muestran el efecto de la concentración de plomo en la elongación de raíz y tallo
de H. annus. Aquí se observó un incremento en la longitud del tallo y la raíz, por efecto del plomo, aún
en las concentraciones más altas. Se estudió el efecto del plomo en la germinación de semillas y
crecimiento de plantas de una especie hiperacumuladora, Brassica pekinensis Rupr.11 Sus resultados
mostraron que aún con altas concentraciones de plomo (1000 μg/mL), la germinación no varió
significativamente con respecto al control, pero la elongación de las raíces y brotes se vio afectada
reduciendo la longitud a la mitad con respecto al control sin plomo, observando mayores efectos
negativos en las raíces. Se demostró que esta especie tiene capacidad para hiperacumular plomo en sus
tejidos pero que es sensible a concentraciones de plomo mayores a 1000μg/mL
Fig. 1. Efecto de la concentración de Pb en la elongación de raíces y tallos de H. annus después de 5
semanas de incubación. Los valores representan la media (± DS) de 5 repeticiones
En contraste con estos los resultados11 los obtenidos en el presente trabajo muestran que el girasol
tiene capacidad para crecer en concentraciones de plomo soluble de hasta 500 mg/L, sin efectos
significativos en la elongación de raíces y tallos aunque el tallo presentó una ligera disminución en la
longitud al aumentar la concentración de plomo, no hubo gran diferencia con respecto al control.
Tabla 3. Contenidos de plomo en las raíces de girasol. Se evaluó la raíz principal y las raíces secundarias.
Los datos están expresados en µg g-1
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Raíz
Finas (D<2mm)
Gruesas (D>2mm)
Contenido de Pb
Ug g-1 peso seco
5430±2330
4340±2380
Fig. 2. Índices de tolerancia a diferentes concentraciones de Pb para H. annus. Los valores representan la
media (± DS) de 5 repeticiones
Se define la tolerancia a la presencia de un contaminante como las adaptaciones que tienen ciertas
especies para crecer y reproducirse en lugares fuertemente contaminados23. Se sugiere que la principal
razón para que la longitud de la raíz sea usada como una medida para determinar la capacidad de una
planta para tolerar metales, es que la raíz es más sensible a elementos tóxicos en el ambiente, debido a
que es un órgano especializado en la absorción11. Por tal motivo, es el primer órgano en estar sometido
a la presencia de diferentes contaminantes y, por lo tanto, el primero en presentar efectos tóxicos.
La Fig. 2 muestra los índices de tolerancia obtenidos con respecto a diferentes concentraciones de
plomo, este índice puede compararse con el 100% que se obtiene a partir de las plantas control que no
estuvieron expuestas a la presencia de plomo, mostrando que esta especie no solo es tolerante, si no
que la presencia de concentraciones de plomo en el rango de 100 a 250 mg/L estimula la elongación
de la raíz 20%, con respecto al control.
Fig. 3. Acumulación de Pb en raíces y tallos de H. annus después de 5 semanas de incubación. Los valores
representan la media (± DS) de 5 repeticiones
En la Fig. 3 se muestra la acumulación de Pb en raíces y tallos de girasol. Se observó que la
acumulación de Pb en tejidos aumentó junto con el incremento en la concentración de Pb en el medio
de cultivo, observándose cantidades superiores en raíces que en tallos, estos resultados son similares a
los que plantean que el plomo es principalmente almacenado en el sistema radicular en comparación
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con las partes aéreas, ya que primero es absorbido por las raíces y posteriormente es translocado a las
partes aéreas24.
CONCLUSIONES
 La longitud de la raíz no se ve afectada por la concentración de plomo y la mayor concentración
se da en las raíces secundarias.
 Las raíces de girasol son capaces de tolerar concentraciones de 500 mg/l de plomo.
 En relación con el tallos, las raíces son las que acumulan la mayor cantidad de plomo
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