Resumen: Se estudio la Nicotiana tabacum Variedad “Criollo 98” cultivada en un suelo contaminado artificialmente con Cadmio y Plomo para evaluar sus posibilidades como planta acumuladora de metales pesados, especialmente de Cadmio...

Publicación enviada por José Manuel Pérez Meléndez, Iris Castillo Martínez, Dagoberto Paz Falcón

RESUMEN
Se estudió la Nicotiana tabacum Variedad “Criollo 98” cultivada en un suelo contaminado artificialmente con Cadmio y Plomo para evaluar sus posibilidades como planta acumuladora de metales pesados, especialmente de Cadmio. Se empleó un diseño experimental de bloque 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). Los resultados obtenidos no mostraron diferencias significativas en la altura de las plantas ni en el diámetro del cuello de la raíz. Se encontraron diferencias significativas en el área foliar para los diferentes tratamientos, así como entre la masa seca de las diferentes partes de la planta. También se encontraron diferencias significativas entre los índices morfológicos (PA/PR y TAN) estudiados, no obstante las plantas crecieron sin mostrar síntomas visuales de intoxicación.

Palabras clave: Nicotiana tabacum, metales pesados, fitorremediación, cadmio, plomo.

INTRODUCCIÓN
Diferentes trabajos revelan la capacidad de la planta de tabaco para acumular cantidades significativas de algunos de los metales pesados más importantes, considerando sus elevados niveles de toxicidad. Las plantas del tabaco tienen una capacidad específica, inusualmente alta, de absorber el Cd del suelo y acumularlo en las raíces y en las hojas. Esta capacidad es significativamente diferente entre las variedades de tabaco. Por ejemplo, la N. rustica y la N. rutifolia acumulan bajas cantidades en las hojas, mientras que su capacidad de acumular en la raíz es alta, sin embargo se encontró que la especie Nicotiana tabacum es altamente acumuladora tanto en las hojas como en la raíz (Angelova et al., 2004).

El Cadmio plantea una amenaza importante para la salud ambiental y humana debido a su constante crecimiento por la actividad del hombre. Existe por lo tanto, una necesidad de establecer procedimientos rentables de la remediación para estos metales pesados (García et al., 2003).

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. Las plantas hiperacumuladoras están extendidas por todo el reino vegetal. La hiperacumulación de metales es una adaptación ecofisiológica a suelos con altos contenidos de metales (Deng et al., 2004). Este mecanismo no es bien conocido todavía, pero experimentos realizados apoyan la hipótesis de que el trabajo de hiperacumulación es un mecanismo de defensa contra plantas patógenas, además de prevenir a los depredadores (Gisbert et al., 2003). Sin embargo, el potencial para la aplicación de plantas hiperacumuladoras en la biorremediación es limitado por un grupo de factores. De acuerdo con Podar et al. (2004) una especie hiperacumuladora de Cadmio será aquella cuyas plantas puedan acumular en sus hojas mas de 100 mg/kg de este elemento.

Otro elemento a tener en cuenta es que la mayoría de las plantas hiperacumuladoras crecen lentamente y su biomasa es pequeña. Robinson et al. (2000) sugiere que una planta para que pueda ser utilizada en técnicas de biorremediación debe ser de rápido crecimiento, bien enraizada, de fácil propagación y que acumule cantidades crecientes del metal tóxico. Según Romkens et al. (2002) también debe tener una alta producción de biomasa. Todos los factores analizados anteriormente tienen un óptimo comportamiento en la planta de tabaco (Nicotiana tabacum).

Las plantas adecuadas para llevar a cabo técnicas de fitorremediación deben cumplir algunas características como tolerancia al metal que haya que eliminar, que la acumulación se produzca fundamentalmente en la aparte aérea de la planta, que presenten rápido crecimiento y alta producción de biomasa en la parte aérea (Robinson et al. 2000; Romkens et al. 2002).

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. Esta variedad es ampliamente utilizada en la Provincia, tanto en cultivo de sol como en tapado por su excelente calidad de la hoja y aceptables rendimientos en la producción.

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 suelo según la clasificación genética de los suelos de Cuba (Hernández et al., 1975), pertenece al agrupamiento aluvial, tipo aluvial, material basal, materiales transportados arcillosos generalmente, especie medianamente profunda, textura Loam arenoso. Teniendo en cuenta la nueva versión de la clasificación genética pertenece al agrupamiento fluvisol. (Hernández, 1994).

El área experimental ocupó 114 m2, en la cual se plantó la variedad criollo 98 con un marco de plantación de 0,76 x 0,25 m, esta área estaba dividida en 12 parcelas de 2,50 m de largo por 3,8 m de ancho (9,50 m2), cada parcela contaba con 5 surcos y 10 plantas, para un total de 50 plantas por parcela. 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).

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”.

A los 26 días de plantadas las posturas se comenzaron a realizar las mediciones (18/02/03) de altura a 10 plantas de cada tratamiento, tomadas de forma aleatoria realizándose cada 7 días y hasta los 70 días (3/04/03). Esta se midió desde la superficie del suelo hasta el extremo de la yema apical. Se determinaron además el Diámetro del cuello de la raíz (DCR), Masa seca aérea (MSA), Masa seca radical (MSR), Masa seca total (MST), Área foliar. (cm2). Se determinaron los índices morfológicos Relación Parte aérea/Parte radical (PA/PR) y la Tasa de asimilación neta (TAN) (g.cm-2.día-1).

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
Se realizó un análisis preliminar de las parcelas objeto de estudio. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1 y Tabla 2



Otra muestra del área experimental fue analizada, utilizando el método analítico de Espectroscopia de Emisión con Plasma Acoplado Inductivamente, con el objetivo principal de caracterizar el suelo del experimento en función del contenido inicial de Cadmio y Plomo presente. Estos resultados se aprecian en la Tabla 2



Al comparar los resultados obtenidos para los elementos K, Ca, Mg y P con los obtenidos en la tabla anterior, y haciendo las transformaciones de unidades correspondientes, se encuentra que los resultados de la Tabla 1 son ligeramente inferiores, lo que es debido a que lo resultados del análisis de emisión se corresponde con contenidos totales del elemento en la muestra.

Análisis de las características morfológicas de la planta.
El análisis estadístico realizado no arrojó diferencias significativas entre los cuatro tratamientos con respecto a la variable altura a los 70 días. La desviación estándar alcanza un valor de 10,66, lo que contribuye a que, a pesar de existir ciertas diferencias en la altura, con respecto a los tratamientos, estas no sean significativas (Tabla 3). Estos resultados coinciden con trabajos de varios autores, donde se plantea que la planta de tabaco puede desarrollarse en un suelo contaminado por Cadmio y Plomo, y no mostrar síntomas visuales de toxicidad.

El análisis estadístico realizado al comportamiento del diámetro en el cuello de la raíz (DCR), tal y como se aprecia en la Tabla 3, no arrojó diferencias significativas entre los cuatro tratamientos, obteniéndose un comportamiento similar a la variable altura.

En la Tabla 3 se muestra la variación del área foliar con respecto a los diferentes tratamientos. Se observan diferencias significativas entre los tratamientos. La mayor reducción se presenta en los tratamientos en los que se incluye al Plomo, aunque también el área foliar disminuye significativamente en el tratamiento con Cadmio. Se aprecia una influencia muy marcada del elemento Plomo en el desarrollo del área foliar, influencia que es muy superior a la que produce la presencia del elemento Cadmio. Se conoce que el Plomo puede provocar cierta inhibición del desarrollo del área foliar debido a que puede producir toxicidad a nivel celular, y esta toxicidad contribuye a la inhibición de la actividad enzimática (Williams, 2000). Este autor se refiere al efecto tóxico del Plomo asociado a la disminución del área foliar y afectaciones en el sistema radical de la planta. Aunque se conoce de la elevada toxicidad del Cadmio, es conocido también la afinidad de la planta de tabaco por este elemento, lo que pudiera estar indicando que se requiere de niveles mas elevados de este elemento para producir afectaciones más severas en los diferentes parámetros de la planta (Tsadilas et al., 2005).



La disminución del área foliar puede estar relacionada con el efecto de los metales pesados tales como el Cadmio y el Plomo, en la actividad de las auxina-oxidasas, lo que provoca un menor crecimiento de las células y por tanto una disminución del área foliar (Janouskova et al.; 2005). En altas concentraciones, estos metales pueden llegar a ser extremadamente tóxicos, causando síntomas tales como clorosis y necrosis, decoloración de la hoja y la inhibición del crecimiento de la raíz (Fojta et al., 2006; Evangelou et al., 2006). En el nivel celular, la toxicidad puede resultar de unir a los grupos sulfidrilos en las proteínas de tal modo que inhiben actividad enzimática o la función de la proteína, o produciendo un deficiencia de otros iones esenciales (Evangelou et al., 2004). Otras posibilidades incluyen la interrupción de los procesos y del daño oxidativo del transporte de la célula. Así los sistemas disponibles para la adquisición de los iones del metal por las raíces, el transporte y la distribución alrededor de la planta, y la regulación de sus concentraciones citosólicas son claramente integrales al crecimiento vegetal y al desarrollo normal (Day, et al.; 2003).

Como se puede observar en la Tabla 3 en la producción de masa seca de las hojas se muestran diferencias significativas entre el testigo y los tratamientos con Plomo y combinado, lo que se corresponde con la disminución del área foliar de las mismas.

Resulta interesante el hecho de que no existan diferencias significativas entre la masa seca del testigo y la masa seca del tratamiento con Cadmio. Como se apreciará mas adelante, el Cadmio se acumula fundamentalmente en la hoja, específicamente en el primer corte o libra de pie. Esto parece indicar que este elemento participa o inhibe algunas reacciones fisiológicas de la planta. Esto puede estar dado por las características del Cadmio, similares al Zinc y a otros microelementos que sí tienen una probada participación en diferentes procesos fisiológicos que ocurren en la planta.

Se observa que este comportamiento se repite para la masa seca del tallo y la masa seca de la raíz, lo que indica que el Cadmio parece favorecer la producción de masa seca, aunque de forma indirecta, impidiendo la presencia de hongos y bacterias que afectan a la planta (Millis et al., 2004; Katarina et al., 2005).

Con respecto a la masa seca del tallo se aprecia que existen diferencias significativas entre el Testigo y el tratamiento con Cadmio. Se observa un incremento apreciable de la masa seca del tallo en el tratamiento con Cadmio, con respecto al testigo, efecto que se repite en el caso de la masa seca de la raíz. No se aprecian diferencias significativas entre si, en los tratamientos con Plomo y combinados, pero estos difieren significativamente con el testigo y con el tratamiento con Cadmio, lo que nuevamente parece indicar la influencia del Cadmio en la producción de masa seca.
En el caso de la masa seca de la raíz, se produce un efecto similar al comportamiento de la masa seca del tallo. Existen diferencias significativas entre todos los tratamientos, resaltando el hecho de que en el tratamiento con Cadmio es donde se obtiene la producción de mayor cantidad de masa seca en la raíz, mientras que en los tratamientos con Plomo es donde se aprecia una disminución marcada, lo cual indica el efecto negativo del Plomo en esta producción de masa seca. En general se aprecia que el Cadmio favorece una mayor producción de masa seca, no así en el caso del Plomo.

Algunos autores (Varvara, et al. 2001) plantean que las plantas acumulan el Plomo en las raíces y en los tallos, inhibiendo por tanto el desarrollo y crecimiento de la parte radical, lo que coincide con lo planteado por Williams, et.al. (2000), en el sentido de que éste elemento, por su toxicidad, causa inhibición del crecimiento de la raíz. Esto se corresponde con otros resultados que mas adelante se exponen.

Evaluación de los índices morfológicos
Relación parte aérea / parte radical (PA/PR): Como se observa en la Tabla 4 existen diferencias significativas entre todos los tratamientos, lo cual esta relacionado con los resultados obtenidos en cuanto a la producción de masa seca de la parte aérea de la planta y la parte radical.



En el tratamiento con Plomo se observaron los mayores valores de la relación PA/PR, debido al poco desarrollo del sistema radical provocado por este tratamiento (Varvara, et al, 2001), lo que se corresponde con la influencia inhibitoria del Pb en la fotosíntesis, en la acción enzimática y en el crecimiento de la planta.

Tasa de Asimilación neta: Como se puede observar en la Tabla 4 el resultado del análisis estadístico realizado a los valores obtenidos para la Tasa de Asimilación Neta (TAN) indica que existen diferencias significativas entre los tratamientos Testigo, Cadmio y combinado. No se aprecian diferencias significativas entre los tratamientos Testigo y Tratamiento con Plomo. Teniendo en cuenta que la TAN es una relación entre la masa seca media y el área foliar media, es de esperar que el tratamiento con Cadmio presente el mayor valor en esta variable, lo que se corresponde con lo explicado anteriormente sobre la variación del área foliar y la masa seca.

Al tratamiento combinado le corresponde el segundo lugar en el valor de esta variable y a continuación los tratamientos Testigo y Tratamiento con Plomo no difieren significativamente en los valores de la TAN. Esto puede estar dado a que en la misma proporción en que disminuye la parte aérea, también disminuye la parte radical, aunque se aprecia una disminución (no significativa dado el alto valor de la desviación estándar) en el tratamiento con Plomo. Por otra parte este resultado también puede estar dado, porque el efecto del Cadmio sobre la acumulación de materia seca está por encima de lo que inhibe el Plomo la actividad fotosintética. Aunque no está claro en el caso del Cadmio el papel que juega este elemento en la acumulación de materia seca o sea que está por esclarecer si su influencia es sobre el estímulo de la actividad fotosintética o sobre la inhibición de la actividad respiratoria.

CONCLUSIONES
1. Las aplicaciones de Cadmio y Plomo por separado, así como la aplicación conjunta de ambos metales pesados no afectaron el crecimiento de la planta (altura) ni el diámetro en el cuello de la raíz.
2. La aplicación de Cadmio y Plomo afectó el desarrollo del área foliar en las plantas
3. La aplicación de Cadmio por separado no afectó la producción de masa seca total en la planta. La aplicación de Cadmio combinado con el Plomo si produjo una afectación en la producción de masa seca total.
4. Se encontraron diferencias significativas entre los índices morfológicos estudiados.
5. No se pudo apreciar que las plantas presentaran síntomas de toxicidad por la presencia de Cadmio y Plomo en las concentraciones estudiadas

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