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EFECTO DE LA APLICACION DEL CROMO EN EL CRECIMIENTO Y
PRODUCCIÓN DE MAÍZ (Zea mays)
Bricia GONZÁLEZ-PINEDA1, Miguel VELÁSQUEZ-MANZANARES1, Judith
AMADOR-HERNÁNDEZ1, Eustacio RAMÍREZ-FUENTES1 y Ma. Nieves
TRUJILLO-TAPIA1*
1
Instituto de Ecología, Universidad del Mar. Cd. Universitaria, Puerto Ángel,
Oaxaca. C.P. 70902 Apdo. 47, fax. (958) 43078,
*Correspondencia: [email protected].
Palabras claves: metales pesados; contaminación Zea mays; fitotoxicidad,
RESUMEN
El uso de aguas residuales para la agricultura de industrias que generan metales
pesados entre sus residuos, ha provocado un aumento de estos metales en el
suelo y agua ocasionando daños al ambiente y con riesgo de incorporación en
diferentes cadenas tróficas. Por lo anterior, en el presente trabajo se evaluó el
efecto del Cr (III) y (VI) en el crecimiento y producción de maíz (Zea mays), un
cultivo básico en México. Los parámetros evaluados fueron: crecimiento,
contenido de clorofila, proteína soluble, actividad de la enzima Nitrato Reductasa
(NR), contenido de Cr en cada parte de la planta y el suelo. Los tratamientos
fueron con cromo Cr (III) y (VI) a 2mM. Los resultados indican que las plantas
irrigadas con Cr (III) presentaron un mayor crecimiento en relación a las que
crecieron con Cr (VI) y el control. Sin embargo, las plantas crecidas con Cr (VI)
presentaron clorosis, disminución en la concentración de clorofila en un 84%, una
disminución del 50% en la actividad de la enzima NR y la muerte antes de terminar
su ciclo fonológico. Por lo que respecta al Cr acumulado en las plantas de maíz,
éste se acumuló en las raíces en un 91% con Cr (III) y 97% con Cr (VI). En la
parte aérea la acumulación fue de 1.5% y en el tallo 1%. Lo anterior, confirma que
el maíz es un buen acumulador de metales a nivel radicular, lo que garantiza que
no se incorpore en otras cadenas tróficas.
INTRODUCCIÓN
El cromo se encuentra en la naturaleza en tres formas estables: como cromo
metálico, Cr (III) y Cr (VI), es el vigésimo primer elemento más abundante de la
corteza terrestre, con una concentración promedio de 100 mg/kg. Sin embargo, en
algunas rocas ígneas, arcillas y esquistos, puede observarse en concentraciones
superiores de 100 mg/kg (Alloway 1990).
El Cr (III) es la forma que se encuentra en mayor abundancia en el ambiente, más
estable y constituye un microelemento esencial para el hombre; ya que, mejora la
actividad de la insulina y con ello los niveles de glucosa sanguínea en menos
tiempo. Mejora el metabolismo de lípidos y carbohidratos en mamíferos. Las
señales de deficiencia en el ser humano incluyen la pérdida de peso y la reducción
1
de la capacidad del organismo para extraer la glucosa de la sangre (USPHS
1997). Se estima que una ingesta de entre 50 y 200 μg/día de Cr (III) es adecuado
para mantener un estado optimo de salud, el exceso de este mineral es
desechado por el organismo vía orina. (USPHS 1997).
En la mayoría de los suelos, el Cr (III) es poco móvil y debido a capacidad de
adsorción que el suelo tiene, este es retenido por más tiempo. En suelos frescos y
húmedos y con condiciones levemente ácidas, la oxidación del cromo, puede
ocurrir en presencia de óxidos de hierro y manganeso, Sin embargo, la reducción
del cromo puede ocurrir en presencia de sulfuros y hierro (II) (condiciones
anaeróbicas) y se acelera en presencia de materia orgánica en el suelo, por lo que
un suelo con suficiente materia orgánica permite retener por más tiempo el cromo
en el suelo,
El Cr (VI) es la forma comercial más importante debido a sus propiedades
químicas. Se emplea en la metalurgia, materiales refractarios, galvanización,
curtidos, pinturas, conservación de madera, industria química
El Cr (VI) es tóxico para la mayoría de los organismos. Sus compuestos son
corrosivos y la exposición a ellos provoca, independientemente de la dosis,
rápidas reacciones alérgicas en la piel. La exposición a corto plazo a altos niveles
puede producir úlceras en la piel expuesta, perforaciones de las superficies
respiratorias e irritación del conducto gastrointestinal. También se han observado
lesiones renales y hepáticas (USPHS 1997). La EPA ha colocado al Cr (VI) en la
posición cuatro de la lista de sustancias clasificadas según su potencial
carcinógeno, y lo clasifica como perteneciente al grupo A, asimismo la
International Agency for Research on Cancer (IARC) (1998) ha clasificado a los
compuestos de Cr (VI) como carcinógenos. La exposición a largo plazo en el
ámbito laboral a niveles atmosféricos de cromo más elevados que los niveles del
medio ambiente natural ha sido vinculada con el cáncer de pulmón. El grupo de
mayor riesgo incluye a las personas que trabajan en la industria de producción de
cromato y en la manufactura y utilización de pigmentos de cromo. La presencia de
grandes cantidades de cromo (VI) en los suelos, casi siempre es consecuencia de
las actividades antropogénicas. (Harte et al 1995). Sin embargo, la materia
orgánica contenida en el suelo reduce con facilidad al Cromo (VI) en cromo (III),
reduciendo los problemas de intoxicación, pero no de contaminación. Sin
embargo, en concentraciones altas el cromo (VI) es tóxico para las plantas,
provocando clorosis generalizada, semejante a la deficiencia de hierro (Hewitt
1953). Además, disminuye la síntesis de clorofila y en consecuencia afecta la
fijación del CO2 y el metabolismo de carbohidratos (0.01-1 mg Cr (VI) l-1).
Con base en lo anterior, y para conocer el grado de cromo que se acumula en las
plantas, en el presente trabajo se evaluó la variedad sintética de maíz denominado
VS-535 propia de la región de estudio, adaptada a las condiciones climáticas de la
zona. Se propone evaluar esta variedad para obtener buenos rendimientos en
presencia de contaminantes presentes en el suelo, a concentraciones que no
excedan 2 mM; ya que, a partir de esta concentración, las plantas tuvieron
problemas para su crecimiento y producción de grano. La finalidad de esta
evaluación es la de proponer el cultivo de maíz en suelos contaminados
2
ligeramente con metales, previo a un análisis químico para determinar tipo y
cantidad de los metales presentes y con esto obtener una producción de maíz y un
saneamiento del suelo por medio de las plantas de maíz en la Región de la Costa
Chica, específicamente en Puerto ángel, Oaxaca.
MATERIALES Y MÉTODOS
El suelo de elección secó y se pasó por un tamiz de 2mm para homogenizar el
tamaño de partícula. Los parámetros fisicoquímicos determinados fueron: pH,
Textura (Richards 1993), Humedad, Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC),
Conductividad eléctrica (CE), Capacidad de retención de agua (CRA), Nitrógeno
Total y Carbono orgánico. Posteriormente, se colectaron 900kg de suelo en los
primeros 20cm de profundidad. Se repartió en 60 cubetas de PVC con 15kg cada
una, 3 semillas de maíz (VS-535) fueron sembradas en cada cubeta a 2cm de
profundidad. Se dieron riegos frecuentes, a los 20 días de edad, se cambiaron los
riegos por solución nutritiva Long-Ashton, CrCl3·6H2O como sal de Cr (III) y
K2Cr2O7 como sal de Cr (VI) en una concentración de 2mM. Las muestras fueron
tomadas cada 20 días hasta aproximadamente 80 días, en cada muestreo se
tomaron 3 plantas por réplica, se lavaron perfectamente con agua corriente, se
contó el número de hojas, longitud del tallo y se pesaron por separado para
obtener el peso fresco de raíz, tallo y hojas. Posteriormente, se secaron para
cuantificar el peso seco. Los parámetros consideraron fueron: contenido de
clorofila, ésta se leyó en un espectrofotómetro UV visible Beckman Du530 a 665 y
645 nm, y se calculó el contenido de clorofila “a” y “b” de acuerdo a Arnon (1949).
El contenido de proteína soluble se cuantificó utilizando el método de Lowry et al
(1951), se utilizó suero albúmina (BSA) como estándar. La actividad in vitro de la
enzima Nitrato Reductasa (NR) se ensayó de acuerdo a Hageman y Reed (1980)
y se midió en un espectrofotómetro UV visible Beckman Du530 a 540 nm y se
calculó como mmol NO-2 g-1 peso fresco h-1. La cantidad de cromo contenido en
cada parte de la planta y el suelo se cuantificaron en un equipo de absorción
atómica, (Carlosena et al. 1997).El análisis estadístico de todos los parámetros
evaluados se realizó mediante el programa Stadistica 6.0.
RESULTADOS
Como se observa en la tabla I, el suelo utilizado para la siembra de maíz tiene una
textura arenosa con una baja capacidad de retención de agua (53%); su pH es
ligeramente alcalino.
Tabla I. Características físico-químicas del suelo de la UMAR, Puerto ángel,
Oaxaca.
Parámetro
pH
Textura
7.4
Franco-Arenoso
3
Humedad %
3
CIC meq/L
CE dS m-1
CRA %
168
0.57
53
Nitrógeno total (g Kg-1)
0.22
Carbono orgánico (g kg-1)
12.3
Las plantas que crecieron en presencia de Cr (III) muestran un mejor crecimiento
con respecto al control hasta el día 80. Sin embargo, la acumulación en peso seco
fue muy similar en los dos tratamientos (Fig. 1b). Por lo que respecta a las plantas
con Cr (VI), estas muestran los efectos tóxicos a partir de los 40 días, en la figura
1a y 1b se observa que presentaron un menor crecimiento y acumulación de
materia seca.
a)
90
Peso Seco
b)
Peso Fresco
30
80
25
70
20
60
g/planta
15
40
30
10
5
20
10
0
0
-5
-10
-20
20
40
60
80
-10
20
40
Tiempo (Días)
60
80
Tiempo (Días)
Figura 1. Crecimiento de maíz durante 80 días a) Peso fresco (P= 0.001), b) Peso
seco (P= 0.100) (○) N; (□) Cr (III); (◊) Cr (VI). Barras son las diferencias mínimas
significativas (P<0.05%).
En la figura 2 se observa una disminución de 50% en promedio de la síntesis de
clorofila “a” y “b” en las plantas irrigadas con Cr (VI) a partir del día 40 y hasta el
día 60. Sin embargo, mientras que los tratamientos con Cr (III) y nitrógeno
mantienen su producción hasta el llenado de grano, las plantas con Cr (VI) mueren
sin alcanzar a concluir su ciclo fenológico (desarrollo, floración, producción de fruto
y llenado de grano).
Clorofila "a"
Clorofila "b"
340
600
320
260
240
220
-1
280
lorofila b (μg g peso fresco)
500
300
μg g-1 peso fresco
g/planta
50
400
300
200
4
Figura 2. Producción de Clorofila a) Clorofila a (P= 0.000), b) Clorofila b
(P=0.0000) (○) N; (□) Cr (III); (◊) Cr (VI). Barras son las diferencias mínimas
significativas (P<0.05%).
La producción de proteína soluble en las plantas que crecieron únicamente con
nitrógeno, fue mejor que los tratamientos, sin embargo, se observa que las plantas
en presencia de Cr (VI), presentan una mayor producción de proteína al día 80,
estos valores se presentan principalmente en raíz (datos no mostrados). En la
figura 3 se observa que a partir del día 60 y hasta el final de ciclo, prevalece una
disminución en la actividad de la enzima NR en las plantas que crecieron en
presencia de Cr (VI) probablemente al daño ocasionado por la toxicidad de este
metal a nivel de transporte de nutrientes (N-NO3-), trayendo como consecuencia la
deficiencia nutrimental y la muerte de la planta.
Nitrato reductasa (NR)
Proteína Soluble
4500
5.5
4000
5.0
mmol NO 2 g de peso fresco
4.0
3.5
3500
3000
2500
2000
-1
3.0
2.5
-
μg g-1 de peso fresco
4.5
2.0
1.5
1500
1000
500
0
1.0
-500
0.5
0.0
20
40
60
Tiempo (Días)
80
-1000
20
40
60
80
Tiempo (Días)
Figura 3. Crecimiento de maíz durante 80 días a) Proteína total (P= 0.046), b)
Actividad de Nitrato reductasa (NR) (P= 0.0003) (○) N; (□) Cr (III); (◊) Cr (VI).
Barras son las diferencias mínimas significativas (P<0.05%).
Como se observa en la figura 4, las raíces de las plantas de maíz son las que
más acumularon el metal. En los primeros 20 días acumularon 66 % del total de
cromo, el tallo 16% y las hojas el 18 %. A los 40 días las raíces acumulan el 68%,
el tallo el 6% y las hojas el 26 %. Al día 60 existe una acumulación del 81% en las
raíces, 4 % en el tallo y 15 % en hojas. El día 80 es el que presenta una mayor
acumulación de cromo en las raíces (90 %). Las plantas de maíz irrigadas con Cr
5
(VI) acumularon en las raíces el 71% del total de cromo y el tallo el 29%; en los
primeros 20 días. A los 40 días las raíces acumularon 60 %, el tallo 22 % y las
hojas el 18 %. A los 60 días acumularon 74 % las raíces, 22 % el tallo y 4 % las
hojas y a los 80 días las raíces acumularon el 98 % del total del cromo.
Tratamiento
14
10
12
g de Cr kg-1 de peso seco
g de Cr kg
-1
de peso seco
Cromo en la planta
12
8
6
4
2
0
10
8
6
4
2
0
-2
-2
20
40
60
80
20
Tiempo (Días)
40
60
80
Tiempo (Días)
(Fig. 4) Cuantificación de Cr en planta durante 80 días a) Parte de la planta (P=0.001) (□) hoja, (◊) tallo y (○) raíz), b) Tratamiento (P= 0.0145) (○) N; (□) Cr(III); (◊) Cr(VI). Barras son las
diferencias mínimas significativas (P<0.05%).
DISCUSIÓN
Las plantas de maíz expuestas al Cr (VI) afectaron su desarrollo, probablemente
por la concentración de 2mM. Esta elevada concentración pudo causar un
desbalance en la captación de nutrientes, principalmente el nitrógeno. Este
desbalance se observó en su estado nutricional con las diferentes tonalidades de
verde que presentó el follaje, siendo las plantas tratadas con Cr (VI) las que
mostraron una mayor deficiencia de nitrógeno. En el interior de las plantas, el
nitrógeno es el más móvil de los minerales se redistribuyó desde la parte basal
hasta la parte aérea de la planta, mostrando clorosis en las hojas viejas (Vásquez
et al.1995). Es probable que la membrana celular haya sufrido daños irreversibles,
posiblemente al alto poder de oxidación del Cr (VI) y la concentración (Vásquez et
al. 1987). El daño a la membrana trajo consigo un daño a nivel enzimático, siendo
las que participan en la asimilación de N-NO3-, las primeras en tener daños a nivel
funcional. Existe una correlación de positiva entre el decremento de la clorofila y
la actividad de nitrato reductasa (NR) (Vajpayee et al. 2000).
(Raghuram y Sopory 1995), sugieren que la actividad de la NR es dependiente de
la fotosíntesis o producción de fotoasimilados, para lo cual requiere generar
reductantes fotosintéticos (NADH) y energía. Nymphaea alba L.mostró una
reducción en la actividad de la NR en presencia de Cr (VI) debido probablemente
a la inhibición de la biosíntesis de clorofila reduciendo la tasa fotosintética
(Vajpayee et al. 2000). Sin embargo, el nitrato juega un papel regulatorio en las
plantas de maíz; ya que, la presencia de éste redirecciona el flujo del carbono de
la síntesis de almidón hacia la producción de aminoácidos y ácidos orgánicos
6
como el malato. Las bajas cantidades de nitrato mantienen la dirección del flujo de
carbono de manera directa, es decir, hacia la síntesis de carbohidratos (almidón y
celulosa) (Buchanan et al. 2000).
La disminución en la actividad de la NR, inicia a partir del día 40, donde se
presume un daño celular en las raíces teniendo como consecuencia una
disminución en el transporte hacia dentro del nitrato (NO3-) disponible en el suelo.
La reducción en los niveles de NO3- intracelular trae como consecuencia una
acumulación de carbohidratos (sacarosa y almidón) (Paul et al. 1997; Logan et al.
1999).
De acuerdo al ciclo fenológico del maíz, el nitrógeno es redistribuido y movilizado
hacia otras partes de la planta. Los primeros 60 días de la planta son los más
críticos, ya que, es cuando inicia la diferenciación sexual y el completo desarrollo
de la planta. Es en este momento donde se da una mayor actividad para la
reducción de NO3-. Posterior a esta etapa, la redistribución del nitrógeno se
disminuye en las partes vegetativas después de que alcanza la madurez fisiológica
(Vásquez et al. 1995). Por lo tanto, la disminución en la actividad de la NR de las
raíces es similar que en las hojas, es decir, que la presencia del Cr (III) no interfirió
en la actividad de esta enzima. El efecto toxico de los metales, comúnmente se
produce en el aparato fotosintético, incluyendo la disminución en la actividad
fotoquímica, daña la estructura y composición de la membrana de los tilacoides y
altera los niveles de estos pigmentos (Ciscato et al. 1997). La presencia de Cr (VI)
en las plantas de maíz redujo la síntesis de clorofila “a”, misma que se ve reflejada
en la disminución de materia seca.
Sinha et al. (2004), reportaron que a bajas concentraciones de cromo existe una
estimulación en la síntesis de proteína, en este trabajo, los tratamientos con Cr
(III) y (VI) presentan una disminución con respecto al tratamiento con nitrógeno,
posiblemente por el estrés producido por su presencia. Sin embargo, después de
los 60 días se observó un incremento de proteína, principalmente en el tratamiento
con Cr (VI) (Fig. 3a); probablemente a la inducción de las metaloproteínas, como
un mecanismo de defensa; estas proteínas conocidas comúnmente como
fitoquelatinas. Las fitoquelatinas son el principal mecanismo de defensa, quelando
el metal formando un complejo metal-proteína que será transportado y
almacenado en las vacuolas celulares (Cobett 2000; Rea et al. 2004).
El tratamiento con cromo (III), es el que presenta una menor concentración de éste
en las plantas; probablemente a que se precipitó por el pH presente en el suelo
(7.4) (McGrath 1982) antes de ser absorbido por las plantas. Un factor que es
importante señalar, es la abundancia de arena y con esto es factible la presencia
de sulfuros en estos suelos (no se cuantificó), debido a que probablemente el
cromo esté formando sulfuros de cromo en competencia con complejos de Cr (III)
para la degradación de productos orgánicos y exudados radiculares (Mishra et al.
1997). El pH del suelo (7.4) permitió que una mínima parte del Cr (VI) se redujera
a Cr (III), haciendo con esto que fuera menos disponible para la planta. Este
estado de oxidación, le permite al cromo unirse a una multiplicidad de cationes
que se encuentran unidos en la pared celular, impidiendo, que atraviese la
membrana celular, reduciendo su transporte dentro de la planta y con ello su
toxicidad (Skeffington et al. 1976).
7
Skeffington et al. (1976) observaron en avena que el 3 % del total de Cr (VI) se
absorbió por la planta en forma de cromato (CrO4-) en un tiempo de 4h y
únicamente se traslocó el 0.2 % hacía la parte aérea vía xilema; mientras que para
el Cr (III) solo se absorbió el 0.5% del total de este cromo y solo se translocó el
0.06%. Lo anterior indica que aunque los dos iones tienen dificultad para atravesar
el tejido vascular, es el Cr (VI) el que se mueve con más rapidez dentro de la
planta que el Cr (III). El Cr (VI) en la solución del suelo utiliza el sistema de
transportadores celulares del azufre, este es un elemento esencial para la
producción de aminoácidos sulfurados en las plantas. El azufre es transportado
dentro de la célula en forma de sulfato (SO4-) y que al igual que el CrO4-, son muy
oxidativos; dándose una competencia entre ellos para entrar a la célula, pero una
vez dentro, el CrO4- se reduce parcialmente a valencia +5 (Beyersmann 1989)
causando un daño directo a nivel de DNA, provocando daños genotóxicos y
muerte celular en la planta.
Como se observó en los dos tratamientos empleados, las raíces de las plantas de
maíz, acumulan la mayor cantidad de Cr (VI) y Cr (III), que en las otras partes de
la planta. Con lo que se puede confirmar que el maíz es una planta
hiperacumuladora de metales; ya que, la mayor parte se acumuló en las raíces
impidiendo que el metal se transloque a las partes aéreas de las plantas de maíz.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue financiado por el proyecto interno 2IE0502, de la Universidad del
Mar Campus Puerto Ángel. Los autores agradecen al Ing. Amb. Manuel Valdez
Juárez, por su apoyo técnico en la caracterización del suelo y a Jesús Flores, por
la asistencia técnica prestada.
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