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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambie. 27 (1) 41-46, 2011
EMPLEO DE POLÍMEROS NATURALES COMO ALTERNATIVA PARA LA REMEDIACIÓN DE
SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS
Omar E. CARTAYA
1
, Inés REYNALDO
1
, Carlos PENICHE
2
y María. L. GARRIDO
3
1
Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas, Carretera Tapaste San José km 3½, San José de las Lajas, P. Habana,
Cuba. Teléfono: 86 1374; ocartaya@inca.edu.cu
2
Centro de Biomateriales, Universidad de La Habana, Zapata y G, El Vedado, Ciudad de la Habana, Cuba
3
Instituto de Materiales y Reactivos, Universidad de La Habana, Zapata y G, El Vedado, Ciudad de la Habana,
Cuba
(Recibido diciembre 2009, aceptado octubre 2010)
Palabras clave: biorremediación,
metales pesados, cobre, productos naturales, tomate, EAA
RESUMEN
En este trabajo se realizaron ensayos para estudiar la absorción y la distribución de
metales pesados (Cu) en plántulas de tomates tratadas con polímeros naturales (oligo-
galacturónidos, Ogal) cultivadas en un medio con niveles tóxicos de cobre. También se
analizaron los metales asimilables en el suelo con el Fn de determinar el efecto residual
y la movilidad de estos elementos. Los resultados evidenciaron que el empleo de la
mezcla de oligogalacturónidos contrarresta el efecto de la toxicidad por metales pesados
y produjo cambios en el patrón de acumulación de metales en las plantas tratadas con
polímeros naturales, aun cuando la baja movilidad y la biodisponibilidad de los metales
pesados se deben principalmente a las características del suelo.
Key words: bioremediation, heavy metals, cooper, natural products, tomatoes, EAA
ABSTRACT
In this work, several trials were performed to study the absorption and distribution of
heavy metals (Cu) in tomato seedlings treated with natural polymers (oligogalacturo-
nides, Ogal) growing in a medium with toxic levels of heavy metals. Soil available
metals were also analyzed, with the purpose of determining their residual effect and
mobility. Results proved that the use of oligogalacturonide mixture counteracts the
toxicity effect of heavy metals and changed the pattern of metal accumulation in those
plants treated with natural polymers, even though the low mobility and bioavailability
of heavy metals are mainly due to soil characteristics.
INTRODUCCIÓN
Como resultado de la sociedad ampliamente
industrializada de hoy se han contaminado grandes
áreas de tierra y agua con metales tóxicos, causando
serios problemas ambientales y de salud. Los dese-
chos industriales y mineros son la principal fuentes
de contaminación ambiental por los metales pesados.
O.E. Cartaya
et al.
42
Durante estos años, se ha desarrollado una gama
amplia de tecnologías de limpieza para eliminar los
metales tóxicos del agua y del suelo.
Actualmente, las tecnologías de remediación am-
pliamente usadas son basadas en los procesos físico-
químicos, incluso la Fltración, precipitación química,
intercambio iónico, adsorción, electro-deposición,
sistemas de membrana para el tratamiento de agua,
o la excavación del sitio contaminado.
Estas tecnologías tienen una serie de problemas,
como pueden ser su alto costo, naturaleza disociado-
ra, e insuFciencia para eliminar los altos niveles de
metales en la mayoría de los casos. Recientemente,
se ha considerado que las tecnologías biológicas
como la bio y la Ftorremediación son posibles y
promisorias soluciones a muchos
problemas de
contaminación, debido a sus ventajas como el costo,
que no son disociadoras y sí de fácil mantenimiento.
Aunque existen problemas con estos métodos, cuan-
do los microorganismos no tienen la habilidad para
degradar metales sino transformarlos, y la Ftorre-
mediación solo es eFcaz para mantener los niveles
de metales pesados en el tiempo (Barcelo 2003).
La alta disponibilidad de metales pesados induce
en las plantas un estrés iónico, claramente distingui-
ble del estrés salino. Los metales pesados no afectan
el crecimiento de las plantas por una disminución
signiFcativa del potencial osmótico del sustrato, sino
por su propia toxicidad. Un exceso de metales pesa-
dos o de sus quelatos solubles puede provocar una
serie de alteraciones bioquímicas y Fsiológicas entre
las que se encuentran la inhibición del crecimiento
de la raíz (Cuevas y Walter 2004).
En los últimos años, como parte de los procesos de
Ftorremediación, se han utilizado reguladores del cre-
cimiento de plantas tales como auxinas y citoquininas
para disminuir la contaminación en las plantas por me-
tales pesados, pues estos reguladores potencialmente
incrementan la velocidad de crecimiento y la biomasa
en plantas hiperacumuladoras (Navarro
et al
. 2007).
En este contexto, el uso de materiales quelatantes
con gran potencial para la adsorción de iones metáli-
cos se ha estudiado ampliamente a nivel de laborato-
rio, pero no ha sido aplicado en el campo. Algunos de
los materiales quelatantes son los biopolímeros, que
son compuestos de peso molecular alto (Calderón
et
al
. 2007, Meng-Wei
et al
. 2004).
La mezcla de oligogalacturónidos (Ogal) (
Fig.
1
) con grado de polimerización entre 7 y 16, es un
producto bioactivo obtenido a partir de la corteza de
cítricos. Cada residuo de ácido galacturónico tiene
un grupo carboxílico terminal lo que le permite la
formación de complejos con los metales pesados por
lo que el objetivo del presente trabajo es explorar
la posible aplicación de la mezcla de Ogal como
bloqueador del efecto contaminante del Cu
2+
sobre
plantas de tomate.
MATERIALES Y MÉTODOS
La mezcla de Ogal se obtuvo en el Instituto Na-
cional de Ciencias Agrícolas de Cuba (INCA) a partir
de la hidrólisis enzimática de la corteza de cítricos
según metodología propuesta por Cabrera (1999).
Se seleccionó para el estudio el ion Cu
2+
que es uno
de los metales contaminantes de los suelos cubanos
(Muñiz 2001, Angarica 2001)
Se utilizaron semillas de tomate de la variedad
Amalia germinadas en recipientes plásticos de 0.3 L
de capacidad con suelo contaminado con 5 mg Cu
(II)/ kg de suelo (
Cuadro I
). Los tratamientos fueron:
1. Semillas embebidas durante 4 horas en agua, suelo
sin contaminar (testigo)
2. Semillas embebidas durante 4 horas en agua, suelo
contaminado
3. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 10
mg/L, suelo contaminado
4. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 20
mg/L, suelo contaminado
5. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 30
mg/L, suelo contaminado
Se utilizaron diez recipientes plásticos por cada
tratamiento, con una planta cada uno, con un diseño
HOOC
HOOC
HOOC
O
O
O
O
O
HO
HO
HO
HO
OH
OH
OH
OH
Fig. 1.
Estructura química de los oligogalacturónidos
CUADRO I.
CARACTERÍSTICAS DEL SUELO UTILIZADO
Indicadores
Tratamientos
Suelo natural
Suelo contaminado
MO (%)
2.83 ± 0.03
2.53 ± 0.09
P (ppm)
226.0
± 2.9
244.0
± 6.1
K
mol/kg
52.36 ± 0.01
30.64 ± 0.01
Ca
10.17 ± 0.39
13.10 ± 0.27
Mg
4.25 ± 0.05
3.53 ± 0.15
pH
6.5
± 0.1
5.8
± 0.1
POLÍMEROS NATURALES PARA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS
43
completamente aleatorizado y el riego se realizó
según las exigencias del cultivo. A los 25 días de
germinadas las semillas se evaluó la longitud de la
raíz, la altura de las plantas y el contenido de metales
pesados en la planta y en el suelo.
Determinación del contenido de cobre en plantas
Se tomaron 2g de muestra seca y pulverizada de
parte aérea y raíz con un tamaño de 60 Mesh en un
matraz de 50 mL y se adicionó HNO
3
6M, sin agitar
y sin homogenizar, posteriormente se sonidifca por 1
hora, se fltra y se procede a determinar el contenido
de metales en la solución por absorción atómica a la
llama (Perkin Elmer 3110) a 228.8 nm con un limite
de detección de 5 mg/kg.
Fraccionamiento de metales en suelo
El Fraccionamiento de metales en el suelo se
realizó por el método de extracción según Martínez
(2005) (
Tabla II
). Se consideró evaluar las Fracciones
hidrosoluble, intercambiable, orgánica y residual.
Esta selección se hizo dada la conveniencia de vigilar
los cambios producidos en el contenido de metales
pesados en el suelo a corto plazo.
Determinación del contenido de metales en las
distintas fracciones del suelo
El contenido de metal en cada Fracción (CM) en
mg por kg de suelo seco se calculó como sigue:
C
V
Ps
s
CM
=
*
Donde:
C = concentración en el extracto (mg/mL)
V = volumen del sobrenadante (mL)
Ps
s
= Peso de suelo seco (kg)
La concentración de metales se midió en cada uno
de los extractos por espectroFotometría de absorción
atómica. Los resultados se analizaron por análisis de
varianza de clasifcación simple, en caso de diFeren-
cias signifcativas, las medias se compararon según
la prueba de rangos múltiples de Duncan (p
<
0,05).
RESULTADOS
En la
±gura 2
se muestra el eFecto del Cu
2+
sobre
la longitud de la raíz de plantas de tomate tratadas
con Ogal. De Forma general se observan diFerencias
signifcativas en la longitud radical de las plantas que
crecieron en un medio sin contaminación (testigo) y
las que crecieron en contacto con el ion Cu
2+
.
Sin embargo, entre ellas se puede apreciar que
hubo una tendencia a la disminución de la longitud
radical en las plantas que crecieron en contacto con
el cobre sin aplicación previa de oligogalacturónidos,
presentando diFerencias signifcativas con relación
a aquellas que si recibieron tratamiento con el pro-
ducto, no existiendo diFerencias signifcativas entre
estos tratamientos.
Este comportamiento sugiere que la dosis de
5mg/L
de iones Cu
2+
resulta ftotóxica para las plantas
de tomate del cultivar Amalia y que la aplicación de
oligogalacturónidos en dosis de 10 mg/L
y mayores
CUADRO II.
MÉTODO UTILIZADO PARA EL ±RACCIONAMIENTO SELECTIVO DE METALES EN EL SUELO
±racción
Extrayente
Condición
Hidrosoluble (±1)
H
2
O
Agitación continua, a T ambiente por 2 horas, centriFugación y fltrado.
Intercambiable (±2)
MgCl
2
0.1M
Agitación continua, a T ambiente, por 1 h, centriFugación y fltrado.
Enlazada a la
materia orgánica (±3)
NaOCl 6%
pH 8.5
30 min. en baño de María a 100 ºC, centriFugar, fltrar y repetir, unir extractos
evaporar a sequedad y redisolver con HNO
3
0.1 M.
Residual y total (±4)
HNO
3
4M
En baño de María a 90 ºC, por 16 horas, centriFugación y fltrado.
10
Longitud raíz (cm)
9
8
7
6
5
5
4
4
3
3
trat.
2
2
0
1
1
ESx= 0.78***
a
c
b
b
b
Fig. 2.
EFecto del Cu
2+
en la longitud radical de plantas de tomate
tratadas con Ogal
1. Semillas embebidas durante 4 horas en agua, suelo
sin contaminar ļ“¾testigo)
2. Semillas embebidas durante 4 horas en agua, suelo
contaminado
3. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 10
mg/L, suelo contaminado
4. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 20
mg/L, suelo contaminado
5. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 30
mg/L, suelo contaminado
O.E. Cartaya
et al.
44
parecen atenuar la toxicidad o al menos estimula el
alargamiento de la raíz principal.
Resultados de la literatura demuestran que las
raíces de las plantas se acortan y engrosan debido a
que los iones metálicos actúan directamente sobre
el metabolismo, interfriendo en la transFerencia de
iones a través de las membranas celulares, lo cual
aFecta posteriormente la habilidad de la planta para la
absorción de agua y nutrientes del suelo (Toncheva-
Panova
et al
. 2006, Marrero 2005).
La mayor longitud de las raíces de las plantas a
las que se les aplicó Ogal con respecto a las crecidas
en un medio contaminado sin este producto puede ser
consecuencia de la posible Formación de quelatos, los
cuales incrementan la traslocación de metales del sus-
trato a la planta, lo cual no permite apreciar el eFecto
estimulador del crecimiento que también poseen los
Ogal y que ha sido observado en diFerentes cultivos
(Alkorta
et al
. 2004, Benítez
et al
. 2008).
Los resultados de la
fgura 3
indican que las
plantas que crecieron en un medio contaminado con
cobre sin la aplicación del producto disminuyeron su
crecimiento en altura presentando diFerencias signi-
fcativas en relación con las plantas que crecieron en
un medio con condiciones normales, lo que reitera
el eFecto ftotóxico de este ion en plantas de tomate.
Sin embargo, las plantas procedentes de las semi-
llas donde se aplicaron diFerentes niveles de Ogal,
tratamiento 4 y 5 alcanzaron alturas superiores a
aquellas donde no se aplicó el producto aún cuando
estas crecieron en presencia de exceso de Cu
2+
en el
medio. Se puede apreciar también que en la medida
en que aumenta la concentración de Ogal aplicada
a las semillas se produce una tendencia al aumento
de la altura de las plantas, muy similar a las plantas
testigo pues no presentan diFerencias signifcativas
entre ellas. Estos resultados parecen indicar que los
Ogal estimulan el crecimiento en altura (Hernández
2004, Cartaya
et al.
2008).
Conociendo que los metales pesados se acumu-
lan en diFerentes órganos de las plantas según sea la
especie, se procedió a evaluar el contenido de Cu
2+
en las raíces y las hojas de las plantas sometidas a
los diFerentes tratamientos en estudio (
Fig. 4
), donde
se puede apreciar que en las plantas procedentes de
los tratamientos donde no se aplicó Ogal, hubo una
mayor acumulación de Cu
2+
en las hojas que en las
raíces.
Este comportamiento en la distribución Fue mayor
en el tratamiento 1, el cual sólo contiene Cu
2+
como
parte de la composición del suelo y no en exceso
como los demás tratamientos.
Se observa además que la dosis de 10 mg/L de
Ogal (T3) provocó una distribución de los iones Cu
2+
en las plantas semejante a la presentada en las plan-
tas testigo, aunque proporcionalmente estas últimas
tienen más acumulación Foliar, mientras que en las
plantas que recibieron dosis más elevadas (20 y 30
mg/L del producto) cambió el patrón de distribución
de los iones Cu
2+
y como resultado de ello se aprecia
un contenido mayor en las raíces que en las hojas.
El hecho de que cuando se aplica Ogal haya una
mayor acumulación de Cu
2+
en las raíces que en las
hojas, puede ser consecuencia de que este producto
se aplicó a las semillas. Otra posibilidad es que tenga
una mejor traslocación basipetal que acropetal, por lo
que se pudieran obtener mejores resultados en la acu-
20
Altura de plantas (cm)
18
16
14
12
10
5
8
4
6
3
trat.
4
2
0
2
1
ESx= 1.17***
a
c
bc
ab
a
Fig. 3.
EFecto del Cu
2+
en altura de plantas de tomate tratadas
con Ogal
1. Semillas embebidas durante 4 horas en agua, suelo
sin contaminar ļ“¾testigo)
2. Semillas embebidas durante 4 horas en agua, suelo
contaminado
3. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 10
mg/L, suelo contaminado
4. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 20
mg/L, suelo contaminado
5. Semillas embebidas durante 4 horas con Ogal 30
mg/L, suelo contaminado
15
mg/g
10
T5
5
T4
T3
trat.
T2
Raíz
Hoja
0
T1
Fig. 4.
Contenido de iones Cu
2+
en las raíces y parte aérea de
plantas de tomate cultivada con niveles tóxicos de iones
POLÍMEROS NATURALES PARA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS
45
mulación en la parte aérea si se realizaran aspersiones
foliares, como fue encontrado por Fuentes (2000).
La acumulación de Cu en el suelo contaminado se
encontró principalmente en las dos últimas fraccio-
nes: F4 (Cu atrapado entre las estructuras cristalinas
de silicoaluminatos, óxidos de hierro cristalino, este
material no es disponible para la planta) y F3, frac-
ción que está relacionada con las especies que forman
complejos con la materia orgánica natural (ácidos
húmicos y fúlvicos) y asociada también a sulfuros.
Se obtuvo también la distribución del Cu en el
suelo después del crecimiento de las plantas (
Fig.
5
) y como se esperaba, la fracción 4 casi no cambió,
sin embargo en la fracción 3, a medida que el tiempo
transcurrió, la concentración del Cu
2+
disminuyó. Esto
puede deberse a dos posibilidades, una que la planta
esté asimilando de esta fracción el Cu y otra es la
movilidad química de este metal debida al conjunto
de materiales adsorbentes en estado coloidal presentes
en el suelo, como arcillas, oxihidróxidos de Fe, de Mn,
el mismo material orgánico en forma de derivados
húmicos, que es un agente quelatante muy efectivo que
permite la migración de metales o movilidad química
(Luque
et al
, 2008).
Gardezi
et al
(2006) observaron que al usar sales in-
orgánicas, el Cu
2+
, como el caso de CuSO
4
, realmente
se forma el acuaion [Cu(H
2
O)
6
]
2+
, que al hidrolizarse
con el tiempo forma una suspensión de Cu(OH)
2
en
la super±cie del suelo. Este hidróxido se distribuye en
la fracción 1 y puede perderse por la lluvia o por el
riego, lo que probablemente sucedió en este estudio.
Sin embargo se repite en este caso que la fracción 3
vuelve a ser la importante para la asimilación del cobre.
Si se consideran criterios como los de Puga
et al.
(2006), la relativa disponibilidad de cobre en un suelo
estará determinada por la respuesta de la planta, la
riqueza en materiales húmicos que estimula el meta-
bolismo vegetal y mejora los procesos energéticos, así
como el efecto hormonal y sobre todo el aumento en la
permeabilidad de la membrana plasmática de la células
de la raíz, lo que se re²eja en una mayor absorción de
sales de la solución de suelo, de ahí la importancia de
las fracciones 3 y 4. Las primeras fracciones 1 y 2, son
sensibles a la pérdida del metal por lluvia o riego, ya
que el metal está únicamente adsorbido.
CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos son muy promisorios
por lo que se debe continuar profundizando en la
interacción de este producto en las plantas, para po-
der establecer una metodología para el secuestro de
iones tóxicos, utilizando productos ecológicamente
inocuos.
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Fig. 5.
Distribución geoquímica de ion Cu
2+
durante el crecimiento de
plantas de tomate cultivada con niveles tóxicos de metal
120
100
80
40
20
0
60
T5
T4
T3
trat.
T2
T1
F1
F2
F3
F4
Cu (mg/kg)
O.E. Cartaya
et al.
46
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