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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
CONTENIDO DE Cd Y Pb EN SUELO Y PLANTAS DE DIFERENTES CULTIVOS IRRIGADOS
CON AGUAS RESIDUALES EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, HIDALGO, MÉXICO
Francisco Marcelo LARA-VIVEROS
1
*, Alejandro VENTURA-MAZA
1
, Muhammad EHSAN
2
,
Alejandro RODRÍGUEZ-ORTEGA
1
, Jorge VARGAS-MONTER
1
y Nadia LANDERO-VALENZUELA
1
1
Universidad Politécnica de Francisco I. Madero, Ingeniería en Agrotecnología, Carretera Tepatepec-San Juan
Tepa, México, C.P. 42600
2
Department of Environmental Sciences, Faculty of Meteorology, Environment and Arid Land Agriculture,
King Abdulaziz University (KAU), Jeddah, Saudi Arabia
* Autor de correspondencia:
fmlara@upFm.edu.mx
(Recibido octubre 2013; aceptado septiembre 2014)
Palabras clave: metales pesados, absorción, contaminación edáFca, toxicidad
RESUMEN
Los metales pesados tienen diferentes usos industriales desde hace cientos de años
por lo cual, estos elementos pueden encontrarse en concentraciones peligrosas en el
ambiente. Dos de los metales más peligrosos son el Cd y el Pb que ocasionan diversas
patologías en el ser humano. La región del Valle del Mezquital en el estado de Hidalgo
se caracteriza por el uso de aguas residuales provenientes de la Ciudad de México
para la irrigación de los cultivos. Sin embargo, es probable que estas aguas contengan
metales pesados que podrían absorberse en las plantas a través del agua de riego. El
presente trabajo tuvo como objetivo determinar el grado de absorción y movilidad de
Cd y Pb dentro de la planta. Se muestrearon suelos, así como dos variedades de maíz,
dos de alfalfa y una de girasol. Las plantas se cortaron y dividieron en tres tercios
iguales y se determinó la concentración de los dos metales tanto en el suelo como
en cada una de las fracciones en que se dividió la planta. En las variedades de maíz
evaluadas los valores de Cd fueron estadísticamente iguales (P < 0.05) en los tres
tercios (0.06 mg/kg), este valor fue menor a lo observado en el suelo (0.09 mg/kg).
Este mismo comportamiento se observó para el Pb. En el caso de la alfalfa la con-
centración de Cd en ésta fue superior a la encontrada en el suelo (0.07 mg/kg en el
primer tercio de la planta y 0.03 mg/kg en el suelo). Por otro lado la concentración de
Pb fue similar en el suelo y en el primer tercio de la planta
(0.45 mg/kg en el suelo
y 0.23 mg/kg en el primer tercio de una de las dos variedades evaluadas), mientras
que en el girasol se encontraron los valores más bajos de ambos metales.
Key words: heavy metals, absorption, soil contamination, toxicity
ABSTRACT
Heavy metals have had many industrial uses for hundreds of years and consequently
these elements can be found in dangerous concentrations in the environment. Two of
the most toxic metals are Cd and Zn that cause various human diseases. The Mesquital
Valley region in the state of Hidalgo is characterized by the use of wastewater for
Rev. Int. Contam. Ambie. 31 (2) 127-132, 2015
F.M. Lara-Viveros
et al.
128
agricultural purposes, but it is likely that these waters contain heavy metals that may
be absorbed by plants through irrigation water. The aim of this work was to determine
the Cd and Pb amount and their mobility within the plant. Two maize, two sunfower
and one alfalfa variety including soil were sampled. The plants were cut and divided
into three equal thirds and the concentrations of the two metals were determined in
the soil and in each of the fractions in which the plant was divided. Corn Cd values
were statistically equal in each of the three thirds (0.06 mg/kg), this value being lower
than that observed in soil (0.09 mg/kg). The same behavior was observed in the case
of Pb. The alfalfa Cd concentration in the plant was higher than that found in the soil
(0.07 mg/kg in the Frst third o± the plant and 0.03 mg/kg soil), while the lowest con
-
centrations ±or both metals were ±ound in the sunfower.
INTRODUCCIÓN
Los metales pesados se han utilizado en muchas
áreas de la industria por cientos de años. Las primeras
aplicaciones fueron materiales para la construcción,
pigmentos y tubos para el transporte de agua (Järup
2003). Por tal motivo los niveles de estos elementos
presentes en la biósfera se han incrementado desde
la revolución industrial (Gisbert
et al.
2003).
Actualmente las fuentes antrópicas de metales
pesados en el ambiente incluyen a los desechos de la
industria metalúrgica, química, minera, industrias re-
lacionadas con la fabricación de baterías y producción
de fertilizantes entre otras (Faisal y Hasnain 2004).
La región del Valle del Mezquital en el estado de
Hidalgo, México aprovecha desde hace más de 100
años las aguas residuales provenientes de la Ciudad
de México para la irrigación de cultivos básicos en
la región. Sin embargo, es posible que estas aguas
contengan metales pesados que eventualmente se
depositan en el suelo y se asimilan por las especies
vegetales.
En las plantas cultivadas el proceso de acumula-
ción de metales pesados es de especial interés debido
a que podrían incorporar a la cadena alimenticia ele-
mentos potencialmente peligrosos para la salud del
ser humano (Grytsyuk
et al
. 2006), lo que requiere
atención inmediata.
Aunque todos los metales pesados representan un
riesgo, algunos de ellos se han relacionado con enfer-
medades que pueden representar un grave peligro a
la salud humana, como el caso del Cd que se asocia
a enfermedades de los huesos (Yasuda
et al
. 1995) y
daño renal, además de ser considerado como un ele-
mento cancerígeno. Por otro lado el Pb se considera
un metal con efectos importantes en la salud infantil,
en la que puede ocasionar daño cerebral (Järup 2003).
Los objetivos de la presente investigación fueron
determinar la concentración de Cd y Pb en suelos
irrigados con aguas residuales y diagnosticar la
presencia de estos mismos elementos en las especies
de plantas cultivadas en dichos suelos.
MATERIALES Y MÉTODOS
Muestreo de suelo y plantas
Los suelos analizados se ubican en la región del
Valle del Mezquital, Hidalgo (
Cuadro I
). Se hizo
un muestreo aleatorio de plantas de maíz (
Zea mays
)
Caimán® y Ocelote®, así como de alfalfa (
Medicago
sativa
) variedad “San Miguel Criolla 1 y San Miguel
Criolla 2” y de girasol (
Heliantus annuus
) variedad
“Canola”. Dicho muestreo se realizó aproximada-
mente tres días antes de la cosecha de cada una de
las especies estudiadas. Estas especies y variedades
son cultivadas de manera tradicional en la región del
Valle del Mezquital y forman parte importante de la
cadena de producción de alimentos.
Se extrajo aproximadamente un kg de suelo a una
profundidad de 30 cm. De cada uno de los cinco sitios
de estudio se tomaron tres muestras y se llevaron
a una estufa de aire forzado a 72 ºC por tres días.
Posteriormente se tamizó el suelo con una malla del
CUADRO I.
UBICACIÓN GEOGRÁFICA DE LOS SUELOS
ANALIZADOS PARA DETERMINAR LA CON-
CENTRACIÓN DE PB Y CD EN EL VALLE
DEL MEZQUITAL HIDALGO, MÉXICO
Cultivo
Híbrido/Variedad
Coordenadas
Maíz
Caimán
14Q 490697.86 E
2237224 N
Maíz
Ocelote
14Q 490761.55 E
2236439.54 N
Alfalfa
San Miguel Criolla 1
14Q 490395.69 E
2236505.87 N
Alfalfa
San Miguel Criolla 2
14Q 490328.43 E
2236633.95 N
Girasol
Canola
14Q 490469.54 E
2236606.07 N
METALES PESADOS EN CULTIVOS DEL VALLE DEL MEZQUITAL
129
número 25. Las muestras de suelo así obtenidas se
llevaron al laboratorio para su digestión.
Las plantas que crecían sobre cada uno de los
suelos de los que se obtuvieron muestras, se extra-
jeron con todo y raíz y se cortaron en tres partes
iguales. La parte inferior estuvo conformada por la
raíz y una fracción de tallo (primer tercio), la parte
media (segundo tercio) y la parte alta (tercer tercio).
En el caso del maíz se desprendieron las hojas que
envuelven a las mazorcas (brácteas) y el grano y se
procesaron por separado. En el caso de las plantas de
girasol, se separaron las semillas y se procesaron de
manera independiente. Tanto para las plantas de maíz
como para las de girasol se analizaron cinco muestras
compuestas de 10 plantas cada una, mientras que para
la alfalfa se colectaron cinco muestras compuestas
de las plantas encontradas en un m
2
. Las muestras
de plantas y las de suelo fueron colocadas en una
estufa de aire forzado a 75 ºC por 72 h, una vez secas
se molieron con un mortero hasta obtener un polvo
fno que posteriormente se utilizó para su digestión.
Determinación de Cd y Pb
El método utilizado para la determinación del Cd
y Pb fue el reportado por Landero-Figueroa
et al
.
(2008).
En dicho procedimiento
se tomó un gramo de
muestra (planta o suelo), al que se le agregaron 8 mL
de ácido nítrico y posteriormente se calentó a 65 ºC
por 60 min, después de ese tiempo se incrementó la
temperatura a 120 ºC por 30 min más. Posteriormente
se agregaron 3.2 mL de peróxido de hidrógeno y
la mezcla se dejó enfriar a temperatura ambiente
(25 ± 2 ºC). Se separaron los residuos sólidos de la
muestra
con papel fltro Whatman® 42 y se aForó a
50 mL con agua destilada. Los extractos se leyeron
en un espectofotómetro de absorción atómica marca
GBC®. En el caso de Cd las muestras fueron leídas a
una longitud de onda de 228 nm y para el Pb de 217
nm. En ambos casos se utilizaron lámparas especiales
para cada elemento. De cada muestra se tomaron
tres submuestras que fueron leídas por triplicado. Se
utilizaron muestras blanco al momento de realizar las
curvas de calibración. Adicionalmente se incluyeron
muestras con concentraciones conocidas para ase-
gurar que dicho valor, estimado mediante el modelo
de regresión, fuera igual que el valor ya conocido.
Análisis estadísticos
Se realizaron análisis de varianza y pruebas de
separación de medias de Tukey con el programa
estadístico SAS V.9
para Windows® (Castillo-
Márquez 2004). Las variables analizadas fueron
las concentraciones de Pb y Cd en cada uno de los
tercios en los que fueron divididas las plantas de las
diferentes especies mencionadas en el trabajo y la
concentración de estos mismos metales en cada uno
de los sitios de muestreo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Concentración de Cd y Pb en suelos
Los suelos mostraron concentraciones de Cd
estadísticamente iguales (
= 0.07 mg/kg), sin im-
portar el cultivo que creció sobre ellos. Esta misma
tendencia se observó en el caso del Pb en donde los
valores mostrados por los suelos fueron similares
(
=0.40 mg/kg). En el caso de los suelos cultivados
con alfalfa, se registraron valores de Cd más bajos
que los presentes en algunos tercios vegetales evalua-
dos (
Cuadro II
). Los valores bajos de Cd en suelos
donde crecían plantas de alfalfa se puede relacionar
con la capacidad de la planta para acumular este
elemento sin suFrir daños fsiológicos, por ejemplo
Peralta-Videa
et al
. (2002) demostraron que las plan-
tas de alfalfa son capaces de germinar y crecer en
suelos contaminados intencionalmente con 80 mg/kg
de Cd, Cu y Ni. Debido a que esta especie es capaz
de acumular metales en sus tejidos (Peralta-Videa
et
al
. 2004) la concentración de estos elementos en el
suelo podría bajar. Este fenómeno lo han observado
otros autores como Bonfranceschi
et al
. (2009) que
estudiaron la capacidad de extracción de metales
pesados de plantas de alfalfa y sorgo en condiciones
controladas y encontraron que la alfalfa no solamente
es capaz de crecer en presencia de altas concentra-
ciones de Cd sino de traslocar este metal a la parte
aérea. Este fenómeno podría ser el responsable de
observar valores más bajos de Cd en suelos donde
creció alfalfa en relación con suelos donde crecieron
plantas de maíz o de girasol.
Concentración de Cd y Pb en plantas
Los suelos en los que se cultivó maíz mostraron
valores de Cd más elevados que los encontrados
en la planta. En el primer y segundo tercio de las
plantas de maíz la concentración de Cd fue igual
estadísticamente. Por otro lado la cantidad de Cd en
las brácteas y semillas fueron similares a las encon-
tradas en el resto del tejido vegetal. Los resultados
anteriores sugieren que las plantas de maíz tienen una
capacidad limitada para la absorción de Cd debido
a que la concentración de éste en el suelo fue mayor
en relación con las concentraciones encontradas en la
planta (
Cuadro II
). Estos hallazgos son consistentes
con lo reportado por Florijn y Van Beusichem (1993)
F.M. Lara-Viveros
et al.
130
quienes observaron que algunas líneas endogámicas
de maíz mostraron la capacidad de excluir al Cd de su
parte aérea al mostrar concentraciones bajas de este
metal en los exudados del xilema. Esta capacidad de
la planta se relaciona con la concentración de Cd que
logra ingresar a las raíces. Por otro lado las plantas
que carecen de la capacidad de excluir al Cd de la
parte aérea muestran elevadas concentraciones del
metal en la raíz. De acuerdo con los conocimientos
actuales, las plantas no poseen mecanismos de trans-
porte específcos para nutrientes no esenciales como
Cd
2+
. Sin embargo, el transporte a lo largo de toda
la planta ocurre a través de los mismos sistemas que
utilizan los cationes esenciales (Verkleij
et al
. 2009).
En el caso específco del Cd
2+
los datos disponibles
indican que este metal utiliza los mismos sistemas de
transporte que el Fe
2+
, Zn
2+
y Ca
2+
(Antosiewicz
et
al
. 2008). Incluso investigaciones más recientes han
encontrado las secuencias de genes que se expresan
en plantas de alfalfa sometidas a concentraciones
elevadas de Cd
2+
(Wang
et al
. 2011). En cuanto al Pb,
los valores en el suelo fueron estadísticamente iguales
a los que se observaron en el primer y tercer tercio
de la planta. Asimismo las semillas y las brácteas
mostraron valores similares a los observados en toda
la planta. Al igual que con el Cd, las concentraciones
de Pb fueron menores en la planta en relación con
las encontradas en el suelo. Sin embargo, después de
que el Pb ingresa a la planta éste se transporta a todos
los órganos vegetales. El fenómeno de absorción y
transporte de cationes es posible debido a que la
mayoría de las plantas contienen genes que codifcan
familias de proteínas capaces de transportar metales
a toda la planta (Colangelo y Guerinot 2006). En el
caso específco del Pb se han encontrado proteínas
ATP-asas que utilizan la energía derivada de la hi-
drólisis del ATP para transportar cationes a través de
las membranas y a toda la planta (Williams y Mills
2005). Un ejemplo son las proteínas HMA1-HMA4
que transportan cationes divalentes como Zn
2+
, Cd
2+
,
Pb
2+
y Co
2+
(Cobbett
et al
. 2003). Es posible que las
variedades de maíz que se cultivan anualmente en
la región del Valle del Mezquital tengan los genes
que codifcan proteínas similares, lo cual explicaría
la presencia de metales pesados en la parte superior
de las plantas que fueron evaluadas en este trabajo.
Por otro lado las plantas de alfalfa mostraron con-
centraciones superiores de Cd en el primer y tercer
tercio en comparación a las del suelo de la variedad
“San Miguel Criolla 1”, mientras que de la variedad
“San Miguel Criolla 2” el primer y segundo tercio
mostraron una mayor concentración de este metal.
Es posible que el comportamiento anterior se deba a
que la alfalfa posee una gran capacidad para acumular
algunos metales pesados. De hecho desde hace varios
años algunos autores han reportado este fenómeno
como Chaney
et al
. (1998), que mencionan que la
alfalfa absorbe una gran cantidad del ión Cl y éste
forma un complejo con el Cd lo cual posiblemente
ayuda a la asimilación de este metal. Adicionalmente
CUADRO II.
CONCENTRACIÓN DE Cd Y Pb (mg/kg DE PESO SECO) EN CULTIVOS IRRIGADOS CON AGUAS RESIDUALES EN EL
VALLE DEL MEZQUITAL HIDALGO, MÉXICO
Maíz variedad
“Caimán”
Maíz variedad
“Ocelote”
Alfalfa variedad “San
Miguel 1”
Alfalfa variedad “San
Miguel 2”
Girasol
Cd
Pb
Cd
Pb
Cd
Pb
Cd
Pb
Cd
Pb
Suelo
0.096 a
0.480 a
0.093 a
0.42 a
0.030 b
0.453 a
0.035 b
0.051 a
0.103 a
0.613 a
Primer tercio
0.060 bc
0.260 ab
0.053 b
0.30 ab
0.076 a
0.236 ab
0.076 a
0.393 a
0.000 c
0.026 c
Segundo tercio
0.063 b
0.230 b
0.001 b
0.26 b
0.01 b
0.000 b
0.080 a
0.400 a
0.013 c
0.000 c
Tercer tercio
0.060 bc
0.273 ab
0.010 b
0.24 b
0.07 a
0.326 a
0.006 c
0.05 b
0.070 b
0.316 b
Semillas
0.043 c
0.196 b
0.036 b
0.22 b
--
--
--
--
0.007 c
0.000 c
Hoja mazorca
0.056 c
0.230 b
0.042 b
0.25 b
--
--
--
--
--
--
Letras distintas indican diFerencias estadísticamente signifcativas (Tukey, P = 0.05).
METALES PESADOS EN CULTIVOS DEL VALLE DEL MEZQUITAL
131
investigaciones más recientes muestran que las plan-
tas de alfalfa acumulan la mayor parte del Cd en la
raíz y traslocan sólo un 26 % del total absorbido a la
parte aérea (Peralta-Videa
et al
. 2004).
En el presente trabajo las plantas de alfalfa mos-
traron 1.58 veces más Cd que el suelo. En contraste,
en las plantas de maíz la concentración del suelo
fue 2.3 veces superior que en cualquiera de los tres
tercios de las plantas. El Pb no mostró este mismo
comportamiento ya que en las plantas de alfalfa (sin
importar el tercio evaluado), la concentración de Pb en
el suelo fue muy similar a la encontrada en la planta.
A pesar de que la absorción de Cd y Pb por las plantas
estudiadas debería ocasionar en teoría una disminu-
ción en el contenido de estos metales en el suelo, este
fenómeno no ocurre porque el riego (y por lo tanto el
aporte de metales pesados al suelo) ocurre cada 15 días
en la región en donde se realizó el estudio. De las tres
especies de plantas evaluadas, el girasol mostró una
menor capacidad para asimilar metales pesados. Las
concentraciones de estos metales en los tres tercios del
girasol fueron inferiores a las encontradas en el suelo,
incluso llegaron a ser indetectables en algunas mues-
tras (Cd primer tercio y Pb segundo tercio y semillas).
Lo anterior resulta contradictorio a lo encontrado en
otras investigaciones en las
que se ha reportado que
esta especie es efectiva para la absorción de algunos
elementos como Cd, Cr y Co (Kötschau
et al
. 2014).
Es posible que la absorción de estos elementos esté
determinado no solamente por la especie vegetal sino
por factores externos como la temperatura. En ese
sentido Sun y Shi (1998) mostraron que la absorción
de Cu, Zn y Cd disminuye cuando se expone a la planta
a altas temperaturas. Esta condición climática ocurre
con frecuencia en las fechas en las que se encuentra
en desarrollo vegetativo el girasol (marzo a julio) con
temperaturas superiores a 32 ºC. Es probable que por
esta razón la asimilación de Cd y Pb observada en las
plantas fuera menor en comparación con las demás
especies vegetales estudiadas.
CONCLUSIONES
Las plantas de maíz y alfalfa mostraron una
concentración de metales pesados igual o mayor a
la encontrada en el suelo en el que se cultivaron, lo
que sugiere la posibilidad de que estos metales sean
transportados desde el suelo hasta los diferentes
órganos de las plantas. Lo contrario se obtuvo en
el girasol cuya concentración de metales pesados
fue inferior a la del suelo, lo cual es un indicador de
que esta planta no fue capaz de traslocar metales. Es
posible que la causa de este fenómeno tenga que ver
con las condiciones climáticas de la zona y no con
la especie vegetal.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la empresa Jatsi & Kue-
poni S.A de C.V. por el apoyo logístico así como
por el fnanciamiento parcial otorgado a la presente
investigación mediante el proyecto J&K 0070.
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