GRADO DE TOXICIDAD DEL ION CADMIO EN EL DESARROLLO Y CRECIMIENTO DE LA SEMILLA ALBAHACA

CAPITULO I
JUSTIFICACIÓN
Justifiación e Importancia
Méndez T, Rodríguez L, Palacios S. Impacto del Riego con Aguas
Contaminadas Conteniendo Metales Pesados. Terra. México; 18(4): 277288. 2000. Nos dice que, en el suelo, el plomo y el cadmio pueden
quedar retenidos por procesos de adsorción, complicación y
precipitación1. Teniendo en cuenta que la función más importante del
suelo es su productividad -base de supervivencia de los seres humanos
vale rescatar aquí la producción de hortalizas. Ésta tiene especial
importancia en el sector agrícola, debido, principalmente, a su valor
económico, alimenticio y curativo. Según estudios científicos, estos
vegetales son fuente importante de vitaminas, minerales, energía y fibra,
por lo que su consumo es muy saludable para la población en general.
El plomo y el cadmio se incorporan a las cadenas tróficas,
especialmente, a través de estos cultivos que absorben agua de riego
contaminada; en consecuencia, bioacumulan estos metales en diferentes
concentraciones, lo cual dependerá de la especie vegetal, y de las
características y concentraciones de aquellos en el suelo. El consumo de
hortalizas regadas por aguas contaminadas con plomo y cadmio, produce
efectos agudos y crónicos en la salud,
Brassica oleracea subsp. capitata (L.) Metzg. y Raphanus sativus L., en
consecuencia, son hortalizas producidas y destinadas para el consumo
humano de forma cruda o cocida; sin embargo, se desconoce las
concentraciones reales de plomo y cadmio que se podrían estar
ingiriendo al consumir este tipo de alimento. Nuestro trabajo de
investigación tuvo como objetivo determinar la concentración de cadmio
por bioacumulación en Ocimum basilicum regadas con aguas a
diferentes concentraciones de cadmio.
CAPITULO II
ELEMENTO CADMIO
CARACTERISTICAS
• El cadmio presenta número
atómico 48 situado en el grupo 12 de
la tabla periódica de los elementos.
• Su símbolo es Cd. El cadmio es una
sustancia natural en la corteza terrestre.
• Es un metal pesado,
blando, blanco azulado, poco abundante y
tiene una altísima toxicidad.
• Normalmente se encuentra
en menas de zinc o minerales combinados
con otras sustancias tales como oxígeno
(óxido de cadmio), cloro (cloruro de
cadmio), o azufre (sulfato de cadmio,
sulfuro de cadmio). el cadmio se separa del
zinc precipitándolo con sulfatos o mediante
destilación.
El cadmio presenta un color plateado gris
metálico.
Fuente: Online Cosmos.
PROPIEDADES FISICAS
Nombre
Cadmio
Número atómico
48
Valencia
2
Estado de oxidación
+2
Electronegatividad
1,7
Radio covalente (Å)
1,48
Radio iónico (Å)
0,97
Radio atómico (Å)
1,54
Configuración electrónica
Masa atómica (g/mol)
[Kr]4d105s2
112,40
Densidad (g/ml)
8,65
Punto de ebullición (ºC)
765
Punto de fusión (ºC)
320,9
Propiedades fiscas que
posee el cadmio
Fuente: Lenntech
PROPIEDADES QUIMICAS
• A temperatura ordinaria y en seco
es estable, pero se oxida
lentamente en presencia de
humedad ambiente.
• Si se calienta a temperatura
elevada, arde desprendiendo
vapores amarillo- rojizos de óxidos
de cadmio.
• Es atacado por todos los ácidos,
incluidos los orgánicos (los que se
encuentran en los alimentos),
siendo tóxicas las sales que se
forman.
• El cadmio, fundido, forma
aleaciones con numerosos
metales, siendo utilizadas
frecuentemente en la industria.
El cadmio fundido
Fuente: Elementos.
http://elementos.org.es/cadmio.
PROPIEDADES BIOLOGICAS
• Hay poco que decir ya que el cadmio no sufre ninguna
conversión metabólica directa tales como oxidación, reducción o
alquilación.
• Metabólicamente es importante la unión del cadmio a la
metalotioneína ya que deja inerte su toxicidad.
• El cadmio se excreta de manera escasa y muy lenta, esto
explica la larga vida biológica de este elemento.
• Tras la absorción la principal vía de eliminación de cadmio es a
través de la orina, por lo que se considera que el cadmio
urinario refleja la carga corporal de cadmio.
ABUNDANCIA EN LA CORTEZA CONTINENTAL
El cadmio es un elemento relativamente raro en la corteza terrestre de
nuestro planeta, en donde el contenido promedio en ella va de 0.15
ppm a 0.2 ppm de Cd. (Fleischer, 1974). En el planeta, no hay
depósitos minerales comerciales de cadmio que estén siendo
explotados, ya que no son rentables.
Por ejemplo, si se extraen minerales con Zn (Esfalerita (ZnS) por
ejemplo), el contenido de Cd irá desde el 0.2% a 0.7% del peso total,
haciendo mucho más importante este tipo de obtención de Cd que
por la extracción de minerales que contengan específicamente Cd.
Cadmio
Fuente: Medical Center Salud Ocupacional
MOVILIZACION NATURAL DEL CADMIO
La movilización natural de las concentraciones de Cd que se
encuentran en la corteza terrestre y el manto se da principalmente por
erupciones volcánicas, temperización de la roca madre o de los suelos,
de la quema de vegetación y por la producción de aerosoles que
provienen del océano.
MOVILIZACION ANTROGENICA DEL CADMIO
La movilización del Cd ocurre indirectamente del proceso de
minerales no ferrosos, combustión de combustibles fósiles,
incineración de basura o directamente de la manufactura de
productos con Cd, su uso y disposición. El siguiente uso principal que
se le da es la producción de pigmentos para plásticos de color, tintas,
pinturas, etc.
CADMIO EN EL SUELO
• El suelo es el primero en ser objeto de inmisión del cadmio, por la caída
de partículas difundidas en el aire por actividades industriales,
actividades antropogénicas o por su acumulación después de los
incendios.
• En suelos la concentración media de cadmio es de 0,06 a 0,5 mg. por
kg. Aumentando hasta cien veces en zonas contaminadas.
• Hay estudios basados en que con la aplicación de fertilizantes
procedentes de rocas fosfatadas aumenta la concentración desde 0,3 a
38 g. por hectárea y año.
La persistencia del cadmio en suelos es de hasta trescientos años y el
90 por ciento permanece sin transformarse. Estas concentraciones de
cadmio en el suelo dependen en su mayor parte del pH de la tierra, que
controla la solubilidad y movilidad del metal.
APLICACIONES
• Sin dudas su uso más generalizado
es en la fabricación de pilas
(baterías) donde alrededor de tres
cuartas partes de cadmio se utiliza
especialmente en las baterías de
Ni-Cd también conocidas por
recargables.
• Una aleación de Cadmio con Pb
(Plomo) y Zn (Zinc) se usa como
soldadura para el hierro.
• Las sales de cadmio se usan en
fotografía y en la fabricación de
fuegos artificiales, pinturas
fluorescentes, vidrios y porcelana.
• Como una barrera para controlar la
fisión nuclear.
• El sulfato de cadmio se usa en
medicina como astringente
Baterías de cadmio
Fuente: Equipos y Laboratorios
CAPITULO III
DESCRIPCIÓN
BOTÁNICA DEL
OCIMUN BASILICUM
Taxonomía de la
albahaca
REINO
Plantae
DIVISIÓN
Magnoliophyta
CLASE
Magnoliopsida
SUBCLASE
Asteridae
ORDEN
Lamiales
FAMILIA
Lamiaceae
SUBFAMILIA
Nepetoideae
TRIBU
Ocimeae
GÉNERO
Ocimum
ESPECIE
Ocimum basilicum L.
Requerimientos
edafoclimáticos
•
•
•
•
•
Temperatura óptima: 20 a
25 °C, bajo condiciones de
alta humedad puede tolerar
temperaturas más altas.
Suelos drenados.
Buen contenido de materia
orgánica .
Textura ligera franco o
franco arenoso.
La albahaca prospera en
el suelo con niveles de pH
entre 5,5 y 6,5.
Salinidad en el crecimiento
de la albahaca
Entre los procesos fisiológicos que
tienen lugar en las plantas, el
crecimiento es uno de los más
sensibles al estrés salino con
reducciones en la división y
diferenciación celular.
Según la revista de Ciencias
Biológicas y de la salud, BIOTECNIA:
“La albahaca (Ocimum basilicum L.)
Presenta gran variabilidad en la
tolerancia a distintos tipos de estrés.
Es considerada una planta sensible a
la salinidad en las etapas iniciales de
su crecimiento.
CAPITULO IV
TOXICOLOGÍA DEL
CADMIO
Efectos en el ser humano
Los efectos de la toxicidad por Cd
dependen del tipo de exposición, ya
sea a través de la inhalación de aire
contaminado, particularmente cerca de
fundidoras y las incineradoras o del
humo del cigarro, consumo de
alimentos y agua contaminados.
Además la deficiencia de metales
esenciales como el hierro (Fe), Cu, Zn y
calcio (Ca) en el cuerpo humano facilita
la absorción de Cd, por lo tanto sus
órganos
blanco
son
el
riñón
(especialmente la corteza renal),
hígado, pulmón, hueso y placenta.
(Martínez, Souza, & Bucio, 2012)
Toxicocinética
El contenido corporal de cadmio se
incrementa con la edad hasta los 50 años.
En los adultos, la carga corporal de Cadmio
puede llegar a 40 miligramos, dependiendo
de la situación geográfica y sobretodo del
hábito de fumar, pues en un fumador la
carga alcanza el doble.
En condiciones normales:
• El cadmio absorbido se excreta
principalmente por la orina.
• La alimentación es la fuerte mas
importante de ingesta de cadmio.
• La
absorción
por
el
tracto
gastrointestinal es de aprox. 50%.
La dieta deficiente en Ca, Fe o proteína
incrementa la velocidad de su absorción.
Vías de Absorción
En la población general puede llegar a
presentarse exposición por vía inhalatoria.
El cadmio presente en suelos y aguas
contaminadas puede acumularse en
plantas y otros organismos, ingresando en
la cadena alimentaria. Para no fumadores,
la vía de exposición principal es la
digestiva. Por su parte en los fumadores
cobra relevancia la vía respiratoria:
Inhalación: Alrededor de 5 hasta un 50%
de absorción del cadmio inhalado.
Oral: La absorción varía entre un 1 y un
10% por la vía digestiva.
Dérmica: Esta vía de exposición es
despreciable ya que las cantidades que
eventualmente pudieran absorberse son
en extremo pequeñas. (MINSAL, 22014)
Manifestaciones Clínicas
Las manifestaciones clínicas como
consecuencia de la intoxicación por
Cadmio en el ser humano son:
• Síndrome renal
• Síndrome de disfunción pulmonar
• Síndrome cardiovascular
• Anosmia
• Coloración amarilla en los dientes
e incremento de frecuencia de
caries dental
• Síntomas gastrointestinales
• Anemia moderada
• Leucocitosis y linfocitosis
• Daño hepático moderado
• Atrofia testicular primara.
EFECTOS DEL CADMIO EN
PLANTAS
Ingreso, transporte y acumulación de
Cadmio en plantas
Según Guerinot, 2000. Se asume que no existen mecanismos de entrada
específicos para el cadmio por ser un metal no esencial. Entre las proteínas
responsables de la entrada de cadmio a la célula cabe destacar:
 el transportador específico de calcio LCT1
 la proteína IRTI, perteneciente a la familia de transportadores de Zn y Fe
(ZIP)
 Otra familia de transportadores implicados es la Nramp, localizada en la
membrana de la vacuola, por lo que probablemente tenga una función en
la movilización del metal y no en el ingreso del mismo a la raíz
Una vez dentro de la célula
El cadmio puede coordinarse con ligandos
de azufre como glutatión (GSH) o
fitoquelatinas (PCs) y ácidos orgánicos
como el citrato.
Otras posibles moléculas responsables de la quelación del cadmio son
pequeñas proteínas ricas en cisteína denominadas metalotioneínas (MTs).
De esta forma, los complejos Cd-ligando pueden ser transportados al
interior de la vacuola o a otras células
En la planta, el cadmio se acumula preferentemente en la raíz
secuestrado en la vacuola de las células, y solo una pequeña
parte es transportada a la parte aérea de la planta
concentrándose en orden decreciente en tallos, hojas, frutos y
semillas (Chan y Hale, 2004).
Ejemplo
En células de levadura se ha demostrado que el cadmio ingresa en la vacuola
unido a fitoquelatinas (PCs) a través de un transportador de tipo ABC.
Otro posible mecanismo de entrada del
cadmio en la vacuola es mediante un
cotransportador de Cd2+/H + ubicado en la
membrana de la misma (Salt y Wagner,
1993).
Los transportadores de cationes CAX, implicados en el transporte de
calcio a la vacuola, también transportan otros metales como el cadmio
(Park et al., 2005). Una vez en la raíz, el cadmio puede pasar al xilema
a través del apoplasto y/o a través del simplasto formando complejos.
Se muestra un esquema del ingreso del cadmio a través de las células
de la raíz, hasta llegar al xilema.
Mecanismos de ingreso, secuestro y traslocación del Cd en raíces.
FUENTE: Clemens, 2006.
La absorción por medio de las raíces es la ruta más importante para el
ingreso de los metales pesados a la planta, y hay tres mecanismos distintos
por los cuales se puede dar el movimiento de los iones contaminantes:
Este mecanismo tiene una mayor
importancia para nutrientes de
baja actividad iónica, es decir para
aquellos nutrientes que son
menos solubles en agua
La raíz entra en un
contacto más íntimo con
los iones que están unidos
1
por cargas electrostáticas a
las arcillas o a la materia
orgánica.
Intercepción radicular, al
ir aumentando el sistema
radicular de una planta se
va
incrementando
su
volumen radicular y por ello
se intercepta un volumen
cada
vez
mayor
de
solución suelo.
2
Flujo de masas, el cual
consiste en el movimiento del
agua y de los nutrientes de la
solución suelo a la raíz.
Este proceso se debe a la
pérdida de agua por la
transpiración de la planta, lo
cual crea una fuerza de
succión por la diferencia de
presión de agua entre el
interior y exterior de la planta.
.
3
Difusión, proceso espontáneo por
el que ocurre un movimiento de
los iones por una gradiente de
potencial químico de una solución
de mayor concentración a una
menor concentración.
Este mecanismo es
importante para iones
de alta energía.
Toxicidad del Cadmio en plantas
Las plantas no tienen mecanismos para excretar cadmio, éstas lo
absorben y retienen en sus tejidos. De esta manera, el cadmio se
acumula preferentemente en la raíz, secuestrado en la vacuola de
las células, y solo una pequeña parte es transportada a la parte
aérea de la planta concentrándose en orden decreciente en tallos,
hojas, frutos y semillas. .
En las plantas, el cadmio altera los procesos metabólicos normales,
disminuye la tasa de fotosíntesis y la transpiración, y aumenta la
frecuencia respiratoria, ya que las plantas expuestas a suelos
contaminados con cadmio presentan modificaciones en la apertura
estomática
En general el Cd interfiere en la entrada, transporte y utilización
de elementos esenciales (N-NO3, Ca, Mg, P y K) y del agua,
provocando desequilibrios nutricionales e hídricos en la planta
(Singh y Tewari, 2003).
 El Cd inhibe específicamente la actividad del nitrato
reductasa en tallos (Gouia et al., 2000).
.
Es importante destacar el tipo de cultivo que se esté manejando, ya
que no todas las plantas acumulan cadmio en igual medida. Algunas
especies son más sensibles al cadmio como la espinaca, soya,
lechuga; mientras que otras como el tomate y la col, son
completamente resistentes.
El conjunto de las respuestas visibles forma lo que denominamos
síntomas de estrés. Los síntomas causados por el exceso de metales
en las plantas son: clorosis y achaparramiento.
 Aún pequeñas concentraciones de cadmio en el suelo conducen a cuadros
de lesiones muy extendidas, por ejemplo, el acortamiento del eje caulinar y
un rayado de color amarillo intenso en las hojas más viejas.
 Uno de los síntomas más extendidos de la toxicidad por cadmio es la
clorosis producida por una deficiencia de hierro, fosfatos, por la reducción
del transporte de Mn, por una interacción de los metales con el Fe foliar, o
inclusive por la reducción de clorofila.
 El cadmio también provoca marchitez y necrosis porque este metal a altas
concentraciones inhibe la fotosíntesis y la fijación de bióxido de carbono
(Bodilla, 1989).
El primer efecto directo del cadmio, cuando alcanza
concentraciones tóxicas en las plantas, es un cambio en el
balance iónico normal de la célula. Este desbalance se
puede dar en la superficie celular, al reemplazar el Cd al ión
Ca+2.
Ante la posibilidad de estos desórdenes fisiológicos, todas las plantas han
desarrollado una serie de respuestas para tolerar y, por tanto, sobrevivir hasta
un cierto límite de concentración tóxica de cadmio
El
Se muestra la capacidad para acumular cadmio de distintas especies
vegetales de interés agrícola.
TOLERANCIA AL CADMIO
Mecanismos de tolerancia de cadmio
Todas las plantas absorben metales del suelo donde se
encuentran pero en distinto grado, dependiendo de la especie
vegetal, y de las características y contenido en metales del suelo.
Las plantas pueden adoptar distintas estrategias frente a la
presencia de metales en su entorno (Baker, 1981; Barceló et al.,
2003).
Baker, A.J.M. 1981. Accumulators and excluders-strategies in the response of plants to heavy metals.
Plant Nutrition 643-654.
En las plantas los principales mecanismos de resistencia o tolerancia
que se conocen son:
1. Exclusión selectiva del metal del proceso de absorción.
2. Excreción del metal.
3. Excreción de compuestos por la raíz, que en la rizorsfera reducen
la disponibilidad del metal para la planta.
4. Retención del metal en la raíz y/o vías de conducción.
5. Inmovilización del metal en la pared celular.
6. Inmovilización del metal en vacuolas.
7. Formación por la planta de compuestos secuestrantes e
inactivadores de los metales tóxicos.
8. Tolerancia a los metales de los sistemas enzimáticos.
TOLERANCIA AL CADMIO
Remediación de suelos contaminados por cadmio
La capacidad de absorción por parte de la planta varía según el
tipo de contaminante, tipo de suelo y pH del mismo, por lo que
aparece la posibilidad de adaptar la elección del cultivo al nivel y
tipo de contaminación. Las plantas hiperacumuladoras son, en
muchos casos, endémicas de suelos naturalmente ricos en
metales pesados.
El contenido en Cd de las plantas hiperacumuladoras es
aproximadamente 100 veces mayor que en plantas no
hiperacumuladoras cultivadas en las mismas condiciones (Brooks,
1998). Hasta la fecha, sólo se conocen dos hiperacumuladores de Cd,
ambos miembros de la familia Brassicaceae, Arabidopsis halleri y
Thlaspi caerulescens
Tipo de Tratamientos
Intervalo de costos
Dolares/Tonelada
Fitorrestauración
10-35
Biorremediación in situ
50-150
Venteo de suelo
20-220
Térmico indirecto
120-300
Lavado de suelo
80-200
Solidificación/estabilización
240-340
Extracción por solventes
360-440
Incineración
200-1500
Ventajas de costo de la fitorrestauración, en comparación con otras técnicas.
Fuente: (Schnoor, 1997)
CAPITULO V
TRABAJO
EXPERIMENTAL
Objetivo general:
Analizar cualitativamente los cambios físicos en el proceso de
germinación y crecimiento de Ocimum basilicum bajo la presencia
del ion cadmio en distintas concentraciones.
Objetivos específicos:
Analizar los impactos que genera el ion cadmio en el desarrollo y
crecimiento de la semilla de la albahaca.
Evaluar el crecimiento por plantas de albahaca, sobre la absorción
de distintas concentraciones de cadmio.
Comparar el crecimiento de la Ocinum basilicum en presencia de
diferentes concentraciones del ion cadmio
Materiales
•
•
•
•
Cuatro macetas de aprox. 500
g.
Arena de playa, lavada varias
veces
hasta
eliminar
la
turbidez. Luego enjuagar con
solución de lejía al 1% y 5%.
Enjuagar nuevamente con
agua potable (previamente
hervida y enfriada) hasta
eliminar el olor.
Semillas de Albahaca
Sprays para las soluciones
Soluciones
Quimicas
• Solución
de
Nitrato
de
Cadmio
• Agua destilada
Instrumentos
de laboratorios
•
•
•
•
•
Balanza Electrónica
Luna de reloj
Vasos precipitados
Probeta
Fiola
CAPITULO VI
RESULTADOS
Crecimiento de la Ocimum Basilicum
8
7
Altura medida (cm)
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
Agua
3
Semanas
50 ppm
150 ppm
4
300 ppm
5
6
Comparación de las plantas más representativas de las 4 muestras de albahaca.
CAPITULO VII
DISCUSIONES Y
CONCLUSIONES
DISCUSIONES
• El porcentaje mayor de germinación lo tuvo las plantas tratadas con
una concentración de 300 ppm, esto pudo deberse a que al momento
de realizar el plantado de las semillas, se puso más semillas en esta
muestra que en las demás.
• Al momento de realizar la extracción de las muestras de albahaca,
algunas raíces se quedaron en la arena, debido a que se extrajo las
plantas y algunas raíces fueron arrancadas, pudiendo interferir en la
medición del crecimiento pero no tan significativamente. Es por ello
que se decidió tomar las medidas desde la parte superior del tallo
hasta el extremo de la raíz principal (raíz pivotante).
CONCLUSIONES
• Las plantas de albahaca no tienen mecanismos para excretar cadmio,
éstas lo absorben y retienen en sus tejidos. De esta manera, el cadmio se
acumula preferentemente en la raíz, secuestrado en la vacuola de las
células, y solo una pequeña parte es transportada a la parte aérea de la
planta concentrándose en orden decreciente en tallos, hojas, frutos y
semillas.
• Se obtuvo un notable atrofiamiento de las hojas y tallos en las muestras de
Ocimum basilicum que fueron regadas con las soluciones más
concentradas de Cadmio, además de un pobre enraizamiento. Esto se
debe en mayor parte a que la presencia de este metal pesado como lo es el
Cadmio provoca la obstrucción del xilema lo que impide un adecuado
transporte de agua conllevando esto a una pérdida de turgor y por
consiguiente el colapso metabólico y la muerte de la planta.
• Referente a la absorción de cadmio por las plantas en la parte foliar, el
mayor crecimiento se obtuvo con las dosis de agua potable.
• Referente a la absorción de cadmio por las plantas en la parte foliar, el
mayor crecimiento se obtuvo con las dosis de agua potable.
• Sobre la absorción de Cadmio por la planta en la parte radicular, el mayor
resultado positivo se obtuvo con dosis de agua potable, es decir, estuvo
altamente enraizado. A partir de ello se pudo apreciar que en cuanto se
aumentaba la dosis de nitrato de cadmio, la parte radicular disminuía
notablemente.
• Los mejores resultados en el crecimiento de las plantas al cabo de las 6
semanas se pudieron apreciar con la dosis de agua potable, se puede
observar altamente enraizados, hojas grandes de color verde claro, tallos
más fuertes-rígidos y hojas sanas. El metal pesado Cadmio afecta
notablemente en estas características.
• Algunos metales pesados son esenciales para mantener el metabolismo
del cuerpo humano (Zn, Se, Cu). Sin embargo, a concentraciones más
altas pueden conducir a toxicidad. Otros, en cambio (Cd, Hg, Pb) son
extremadamente tóxicos, incluso en muy bajas cantidades (Chaney, 2004).
La creciente concentración de metales pesados en la cadena alimenticia
puede provocar daños en la salud (cancerígenos o mutagénicos) es por ello
que se debe conseguir que todos los alimentos que serán dispuestos para
el consumo alimenticio sigan un estricto proceso de control de calidad ya
que si bien es cierto que las semillas de albahaca sufren complicaciones en
su crecimiento si llegan a germinar y a desarrollarse, pudiendo estas
finalmente llegar a las manos de los consumidores que por una mala
desinformación podrían llegar a tener serias complicaciones de salud.