ESTUDIO DE LA CAPACIDAD DE Convolvulus arvensis L. PARA TOLERAR Y ACUMULAR SELENIO Gustavo CRUZ JIMÉNEZ1, Jorge L. GARDEA-TORRESDEY2,3, José R. PERALTA-VIDEA 2 Ma. Guadalupe DE LA ROSA ÁLVAREZ4, Ma. Irene CANO RODRÍGUEZ4, Jaime ROMERO GONZÁLEZ4, Elena RODRÍGUEZ RODRÍGUEZ3, Eduardo DURÁN CASTRO1 1 Universidad de Guanajuato. Facultad de Química. Departamento de Farmacia. Colonia Noria Alta s/n. Guanajuato, Guanajuato, C.P. 36050. Tel: +52 (473) 732 – 20006 ext. 8130, Fax: +52 (473) 732 – 20006 ext. 8108. e-mail: [email protected], [email protected]. 2The University of Texas at El Paso. Department of Chemistry. [email protected], [email protected]. 3The University of Texas at El Paso. Environmental Science and Engineering, Ph.D. Program. [email protected]. 4Universidad de Guanajuato. Facultad de Química. Departamento de Ingeniería Química. [email protected], [email protected], [email protected] Palabras clave: tolerancia, acumulación, convolvulus, selenio, fitorremediación RESUMEN Convolvulus arvensis L. es una planta que ha demostrado su capacidad de tolerar y acumular metales, características que han sido consideradas para proponer su posible uso en fitorremediación. En el trabajo se evalúa a C. arvensis para determinar su posible uso en la fitorremediación de selenio (Se). Las semillas de C. arvensis fueron germinadas en un medio que contiene una solución nutritiva de Hoagland modificada y agar con diferentes concentraciones de Se (0, 5, 10, 20 y 40 mg/L). La tolerancia fue evaluada de acuerdo a los efectos que tuvo el Se en el porcentaje de germinación, producción de plántulas, crecimiento de la planta y contenido de clorofila. El porcentaje de germinación y contenido de clorofila no fue afectado significativamente (p<0.05) en el rango de concentraciones de Se estudiado al compararse con el control. Sin embargo, se observó que la cantidad de plántulas fué reducida significativamente en el tratamiento de 40 mg/L de Se. En concentraciones ≥ 5 mg/L, el Se tuvo un efecto significativo (p<0.05) en la elongación de raíz, tallo y hojas. C. arvensis acumuló mayor cantidad de Se en la raíz en comparación con el tallo o hojas. La parte aérea de las plántulas acumuló cantidades por encima de los 100 mg/kg, lo anterior indica que puede ser considerada como un acumulador moderado de Se. Por los resultados anteriores, C. arvensis puede ser recomendado para su uso en fitorremediación de lugares donde la concentración de Se disponible para las plantas sea menor de 5 mg/L. INTRODUCCIÓN El selenio (Se) es un nutriente necesario para animales y humanos, pero que en concentraciones elevadas puede producir síntomas de toxicidad (Pinochet et a. 1999). El principal problema del Se es el estrecho margen que existe entre las concentraciones en que se presenta un efecto benéfico y tóxico (Johnson, 2000). 1 En algunas regiones, como el Valle de San Joaquín en los Estados Unidos, las altas concentraciones de Se encontradas en los sedimentos y agua han producido efectos tóxicos en aves y los organismos acuáticos (Ohlendorf et al. 1986; Enberg et al. 1998; Neal, 1995). Por lo tanto, diferentes estrategias y métodos han sido propuestos con el fin de remover el Se en áreas contaminadas por éste elemento (Dhillon y Dhillon, 2001). La fitorremediación (el uso de plantas para reducir los niveles de contaminación en el ambiente) se ha recomendado como una tecnología apropiada para reducir los niveles de Se encontrados dispersos en grandes áreas. Esta nueva tecnología es de menor costo y más amigable con el ambiente (Chaney et al. 1997). Por lo tanto, para propósitos de fitorremediación, es necesario investigar plantas que puedan acumular Se en niveles de cientos a miles de mg/kg (en el tejido seco) y que además puedan tolerar elevados niveles del mismo (Feist y Parker, 2001; Siegel, 2001). Algunas especies que crecen en regiones seleníferas del género Astragalus, Stanleya, y Oonopsis pueden incorporar cantidades de Se que van del orden de los miles de mg/kg en tejido seco en tallos y hojas. Estas especies pueden considerarse como acumuladores primarios, de acuerdo a la clasificación propuesta por Beath (Rosenfeld y Beath, 1964). Existen otras especies del género Atriplex y Astragalus que acumulan Se en el orden de cientos de mg/kg en tejido seco, y son considerados como acumuladores secundarios. Las especies no acumuladoras integran en sus tejidos menos de 30 mg/kg (Rosenfeld y Beath, 1964). Especies del género Brassica acumulan Se en grandes cantidades sin mostrar síntomas de fitotoxicidad. Debido a estas características, pueden considerarse como acumuladores secundarios de Se, aunque no se encuentren de manera natural en suelos seleníferos (Dhillon & Dhillon, 2001). El estudio y la búsqueda de nuevas especies acumuladoras primarias y secundarias de Se pueden servir como base para futuras aplicaciones biotecnológicas en el área de la fitorremediación. C. arvensis L. es una especie capaz de crecer en áreas donde existen metales en gran concentración (Hickey y King, 1998; Del Rio et al. 2002). Por otro lado, estudios realizados en condiciones controladas, C. arvensis fue capaz de resistir altas concentraciones de metales (Gardea-Torresdey et al. 2004). Las características anteriormente mencionadas sugieren un posible uso de esta planta en fitorremediación. Por lo tanto, se realizó un estudio de la capacidad de tolerancia y acumulación de Se en C. arvensis usando agar como medio de crecimiento de la planta. Los estudios de tolerancia se basaron en los efectos producidos por el Se en la germinación, producción de plántulas y crecimiento de raíz, tallo y hojas, y contenido de clorofila en hojas de C. arvensis a diferentes niveles de Se. La capacidad de acumulación de Se fue determinada por la cantidad de Se incorporada por los diferentes tejidos de C. arvensis cuando fué expuesta a diferentes concentraciones de Se. Los detalles del estudio se muestran a continuación. 2 MATERIALES Y MÉTODOS Germinación de C. arvensis. Las semillas de C. arvensis fueron obtenidas en la región fronteriza de Cd. Juárez, Chihuahua. Posteriormente, las semillas se esterilizaron con hipoclorito de sodio al 4% durante 30 minutos y con agitación constante (Jones y Darrah, 1993). Después, las semillas fueron lavadas tres veces con agua desionizada estéril. Aproximadamente 30-40 semillas fueron sembradas en agar solidificado en recipientes de plástico Glad® de 946 mL de capacidad, que previamente fueron esterilizados usando hipoclorito de sodio comercial al 8% durante 30 minutos. Los recipientes fueron cubiertos con películas de polietileno esterilizadas de la misma manera que los envases de plástico. La preparación del agar fue a partir de una solución nutritiva Hoagland modificada (Peralta-Videa et al. 2002). Las concentraciones finales de las sales contenidas en la solución nutritiva fueron: KNO3 (2.55x10-4 M); Mg(NO3)·6H2O, (9x10-4M); Fe(NO3)3·6H2O, (1.0x10-5M); H3BO3, (2.31x10-5M), MnCl2·4H2O, (4.0x10-6M); CuSO4·5H2O(4.4x107 M); Zn(NO3)2·6H2O, (3.70x10-7M); Ca(NO3)2·4H2O, (3.57x10-4M); KH2PO4, (9.68x10-4M); MoO3, (6.95x10-8M); CaCl2·2H2O, (2.14x10-3M). Na2SeO4 fue adicionado en el medio con el fin de obtener los diferentes tratamientos con 0, 5, 10, 20 y 40 mg/L de Se. Las soluciones finales se ajustaron a un pH=5.8, se les adicionó agar en una concentración de 5g/L y las mezclas fueron esterilizadas usando un autoclave a una temperatura de 115°C y 1.1 kg cm-2 de presión durante 15 min. Aproximadamente 200 mL de medio con agar fueron adicionados en los recipientes de plástico y se dejó solidificar. Para el sembrado se usó una campana de flujo laminar. Se hicieron tres réplicas de cada tratamiento para fines estadísticos y así poder evaluar germinación, producción de plántulas, crecimiento de tejidos y acumulación de Se en C. arvensis a diferentes niveles de Se. Las semillas sembradas en el agar se colocaron en una cámara de crecimiento con un fotoperíodo de 12 hrs luz/ 12 hrs oscuridad durante 21 días. Efecto del Se en el crecimiento de la planta. Las semillas sin germinar y las plántulas fueron contadas para determinar su porcentaje de germinación y el porcentaje de plántulas obtenidas en cada tratamiento. Las plántulas fueron lavadas usando HCl 0.01M y agua desionizada. El contenido de clorofila fue cuantificado usando un medidor de clorofila (SPAD-502 Chlorophyll Meter, Minolta Co. Ltd, Osaka, Japan). La raíz principal, tallo y hojas de cada plántula fueron medidos para determinar su crecimiento. La tolerancia fue valorada de acuerdo a los parámetros de % de germinación, producción de plántulas, longitud de raíz, tallo y hojas, y del contenido de clorofila en las hojas. Determinación de Se acumulado en C. arvensis. Las plántulas fueron divididas en raíces, tallos y hojas. Posteriormente fueron secadas a 60°C por 48 hrs en una estufa. Después del secado, las muestras fueron pesadas, y digeridas agregando 5 mL de HNO3 concentrado (de alta pureza) y usando un horno de microondas (PE Multiwave, Anton Paar® GmbH). La digestión se llevo a cabo en vasos presurizados y cerrados para evitar pérdidas de Se. El contenido de Se en los tejidos fue cuantificado por Espectrometría de Emisión Atómica con Plasma Acoplado Inductivamente (EEA-PAI; ICP-OES, Optima 4300 DV, Perkin Elmer 3 Instruments, Norwalk, Connecticut). La señal analítica para Se fue medida a 196.026 nm de acuerdo al método EPA (US-EPA, 1983). Los coeficientes de correlación obtenidos de las curvas de calibración de los estándares de Se fueron de 0.999 o mayores. Los datos de germinación, crecimiento, contenido de clorofila y acumulación de Se, fueron analizados estadísticamente, utilizando análisis de varianza y la prueba de Tukey para detectar diferencias significativas entre tratamientos con p<0.05. RESULTADOS Efectos de Se en la germinación y crecimiento de C. arvensis. Los resultados de la prueba de germinación, producción de plántulas y contenido de clorofila realizada en C. arvensis usando agar como soporte y diferentes concentraciones de Se es mostrado en la Tabla I. El criterio de germinación para este estudio fue el de considerar como “germinada” todas aquellas semillas que presentaran una radícula con una longitud mayor a 2 mm. En el caso de las plántulas, fueron consideradas todas aquellas semillas que además de germinar se desarrollaron y presentaron raíz, tallo y hoja. En la tabla se observa que las semillas tienen un bajo porcentaje de germinación, como es evidente en los resultados del control, en el cual el porcentaje de germinación es 41.9%. Sin embargo, en una concentración de 10 mg/L hubo un ligero incremento (44.5%) aunque no significativo. En concentraciones de 20 y 40 mg/L se observó un decremento a 32.5% y 33.4%, respectivamente. En todos los tratamientos con Se al compararse con el control, no se observaron diferencias significativas (p<0.05) de acuerdo a la prueba de Tukey. Por otro lado, se observó que la producción de plántulas disminuyó significativamente (p<0.05) a una concentración de 40 mg/L con respecto al control. Es probable que la toxicidad del Se redujo la división celular después de la germinación, originando una menor cantidad de plántulas. Tabla I. Porcentaje de germinación, porcentaje de plántulas obtenidas y contenido de clorofila en C. arvensis cultivado en agar a diferentes concentraciones de Se. Las letras minúsculas diferentes, que se encuentran como subíndices, indican que existen diferencias significativas entre cada tratamiento (p<0.05) de acuerdo a la prueba de Tukey. Los resultados expresan el promedio ± error estándar (n=3). Concentración de Germinación Plántulas Clorofila (%) (%) (SPAD)* Se (mg /L) 34.5 ± 1.1(39)** 41.9 ± 4.1 35.5 ± 5.7 a 0 41.3 ± 3.5 20.5 ± 5.0 ab 35.1 ± 1.8 (29) 5 44.5 ± 11.9 22.8 ± 2.9 ab 30.6 ± 1.8 (27) 10 32.5 ± 0.4 29.8 ± 1.2 ab 32.3 ± 1.3 (38) 20 33.4 ± 3.5 15.9 ± 1.4 b 35.9 ± 1.4 (37) 40 *SPAD = Valores en unidades SPAD (Soil Plant Analytical Division) ** Los valores en paréntesis indican el número de hojas utilizadas para realizar el análisis estadístico del contenido de clorofila. 4 En cuanto al contenido de clorofila determinada en las hojas de C. arvensis usando el medidor de clorofila, la Tabla I muestra que aunque el valor del control (34.5) fué menor que los obtenidos en los tratamientos de 5 y 40 mg/L (35. 1, y 35.9, respectivamente), las diferencias no fueron estadísticamente significativas. Sin embargo, a concentraciones de 20 y 40 mg/L de Se, las plántulas presentaron clorosis moderada en sus hojas secundarias. Este efecto no fue observado en las hojas primarias. Los efectos del Se en la elongación de las plántulas se muestra gráficamente en la Figura 1. La figura muestra que existen diferencias significativas en la longitud de raíz, tallo y hoja (p<0.05) entre las plántulas expuestas al Se y las del control. La longitud media de las raíces en el control fue de 122.2 mm. Sin embargo, el valor promedio de las raíces tratadas con 5 mg/L de Se fue de 17.2 mm. Por lo tanto, la elongación de la raíz fue reducida en un 86 % en comparación con el control. Además, se observó de manera visual que las raíces expuestas a Se presentaron síntomas de toxicidad como la perdida de raíces laterales y la formación de un ángulo con respecto al tallo. Estas deformaciones en la forma de la raíz no fueron observadas en el control. También fué notorio que en las raíces expuestas a grandes concentraciones de Se, la formación de un color rojo-rosado, que esta relacionado con la formación de Se coloidal (NAS, 1976). Los tallos en el control presentaron una elongación promedio de 60 mm, mientras que las expuestas a 5 mg/L de Se tienen una elongación de 30 mm. Esta diferencia fue estadísticamente significativa (p<0.05). La longitud de los tallos de las plántulas expuestas a 40 mg/L de Se fue estadísticamente menor que los tallos expuestos a 5 y 10 mg/L de Se. Como sucedió en las raíces, algunos tallos presentaron un color rojo-rosado. La elongación de las hojas fue reducida significativamente (p<0.05) en la presencia de Se en comparación con las hojas del control (Figura 1). Sin embargo, en cada caso, no existieron diferencias significativas en la elongación de la hoja entre los diferentes tratamientos por arriba de 5 mg/L. En otras especies como Salsola kali, Medicago sativa L. y Brassica oleracea L cv. Maghi, concentraciones elevadas de metales (Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, y Co) redujeron la producción de biomasa o redujeron la elongación de raíces o tallos (de la Rosa et al. 2004; Peralta-Videa et al. 2001, 2002; Chatterjee y Chatterjee, 2000). Estos síntomas están relacionados a efectos fitotóxicos por acumulación de metales. Los síntomas causados por la acumulación de Se fueron parecidos a los causados por los metales mencionados con anterioridad (Euliss and Charmichel, 2004; Bañuelos et al. 1997). 5 140 a Longitud (mm) 120 100 Raíz 80 Tallo 60 Hoja a 40 b 20 a b b b b b b bc b b c b 0 0 5 10 20 40 Concentración de Se en agar (mg/L) Figura 1. Longitud de raíz, tallo, y hoja para C. arvensis después de 21 de exposición a Se en agar. Las letras en minúscula representan diferencias significativas en la longitud entre los tratamientos del mismo tejido (p<0.05) de acuerdo a la prueba de Tukey. Las barras de error indican el error estándar (n=3). Acumulación de Se en C. arvensis. Los resultados de la acumulación de Se en C. arvensis se muestra en la Figura 2. Existe un incremento en la acumulación de Se en los tejidos de las plántulas conforme se aumenta la concentración de Se en el medio. La cantidad de Se acumulado por las raíces fue 453 y 1393 mg/kg en tejido seco de C. arvensis en medios con 5 y 40 mg/L de Se, respectivamente, lo cual representa un aumento en acumulación de aproximadamente 67.5%. Las concentraciones de Se en los tallos fueron de 144 y 298 mg/kg en tejido seco para los tratamientos de 5 y 40 mg/L de Se, respectivamente. Estas cantidades fueron significativamente diferentes (p<0.05). Las cantidades de Se encontradas en las hojas de las plántulas expuestas a 10 y 40 mg/L de Se fueron significativamente diferentes (p<0.05). También en la Figura 2 se observa una tendencia general en la acumulación de Se en la raíz en comparación con el tallo y la hoja para cada uno de los tratamientos. Es probable que C. arvensis metabolice Se a nivel de 6 Concentración de Se (mg/kg tejido seco) 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 aA aA Raiz Tallo Hoja ab abA bcB bcB 5 bc b 10 abB abB aB aB 20 40 Concentración de Se en agar (mg/L) Figura 2. Concentración de Se en raíz, tallo y hoja de C. arvensis después de 21 días de exposición a Se usando agar como medio. Las letras minúsculas indican diferencias significativas en la acumulación de Se en el mismo tejido entre los diferentes tratamientos (p<0.05). Las letras en mayúsculas indican diferencias significativas (p<0.05) en la acumulación de Se entre raíz, tallo y hoja en el mismo tratamiento. Las barras de error representan el error estándar (n=3). raíz para evitar la toxicidad de Se en la hoja. De esta manera, las funciones como la de producción de clorofila no se ve afectada. Debido a la cantidad de Se acumulada en la parte aérea de C. arvensis (por encima de 100 mg/kg en tejido seco) es posible considerar a esta planta como una planta acumuladora secundaria de Se, de acuerdo a la clasificación de Beath (Rosenfeld and Beath, 1964). DISCUSIÓN C. arvensis acumuló Se en su parte aérea (tallo y hoja) en concentraciones mayores de 100 mg/kg en tejido seco, por lo que de acuerdo a la clasificación propuesta por Beath, puede considerarse como una especie secundaria acumuladora de Se (Rosenfeld and Beath, 1964). La especie bajo estudio fue capaz de germinar y producir plántulas aún en concentraciones de 40 mg/L de Se (como selenato SeO42-) usando agar como medio de crecimiento. En base a los estudios de germinación y contenido de clorofila, no hubo diferencias significativas (p<0.05) entre los diferentes tratamientos (5 a 40 mg/L de Se) al compararse con el control. Un efecto significativo en la reducción del porcentaje de producción de 7 las plántulas (p<0.05) fue observado cuando éstas crecieron en un medio con 40 mg/L de Se. Por los resultados anteriores, se puede considerar a C. arvensis como una especie acumuladora secundaria de Se y puede ser considerada para su uso en fitorremediación. Sin embargo, debido a la reducción estadísticamente significativa (p<0.05) en la elongación de raíz, tallo y hoja observada en concentraciones mayores a los 5 mg/L de Se, se recomienda su uso para lugares donde los niveles de Se disponible para las plantas sea menor de 5 mg/L. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen el apoyo otorgado por las siguientes dependencias: NIH (National Institute of Health, USA), UTEP-CERM (The University of Texas at El Paso-Center for Environmental Resource Management, USA), DOE (Department of Energy, HBCU/MI, USA), CONACyT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, México), CONCyTEG (Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Guanajuato, México) y al acuerdo Universidad de Guanajuato-SEP-PROMEP (Secretaría de Educación Pública, México). También se agradece la valiosa colaboración del Ing. Baltazar Corral Díaz de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez. REFERENCIAS Bañuelos G.S., Ajwa H.A., Wu L., Guo X., Akohoue., y Zambrzuski S. (1997). Selenium-induced growth reduction in Brassica land races considered for phytoremediation. Ecotoxicol. Environ. Saf. 36, 282-287. Chaney R. L., Malik M., Brown S. L., Brewer E. P., Angle J. S., y Baker A. J. M. (1997). Phytoremediation of soil metals. Curr. Opin. Biothecnol. 8, 279-284. 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