Efecto de los mecanismos de transporte de calcio, hierro y zinc en la captación de cadmio y plomo en plantas fitorremediadoras

Abstract

Los metales pesados incluyendo Cd y Pb son compuestos tóxicos, liberados en mayor medida al ambiente por las actividades humanas como la minería, producción de energía, actividades agrícolas, entre otras; originando grandes riesgos ecológicos. Las tecnologías convencionales de tratamiento de los sitios contaminados por metales pesados han demostrado ser efectivas para pequeñas áreas o pequeños volúmenes, sin embargo, poseen la principal desventaja de un alto costo y en algunos casos, no son bien aceptadas por el público en general. La fitorremediación es tecnología simple, ambientalmente amigable y consume menos energía que otras tecnologías basadas en principios fisicoquímicos. Varios son los procesos que gobiernan la tecnología de fitorremediación, como lo son la captación, complejación, secuestro y transporte de los metales. El entendimiento de estos procesos básicos es importante para la realización de mejoras en las metodologías basadas en fitorremediación. En este proyecto se analizó la ruta de ingreso de Cd y Pb en Vetiveria zizanioides (Vetiver) y Typha latifolia (Espadaña) y su relación con los mecanismos de transporte de Cd, Fe y Zn. Para lo anterior, inicialmente se establecieron las condiciones ideales para llevar a cabo el desarrollo experimental. Respecto a las especies vegetales, con base en reportes previos para T. latifolia y en experimentos realizados en el presente trabajo para V. zizanioides, en donde se evaluaron los parámetros de índice de crecimiento, elongación de hojas y contenido de clorofila total y a/b de plantas de Vetiver expuestas en condiciones hidropónicas a Cd y Pb a las concentraciones de 2.5 - 15 mgL-1; se estableció la concentración de 10 μM de Cd ó Pb como la ideal para estudiar los procesos de transporte de éstos metales, evitando los efectos tóxicos de los mismos sobre los tejidos vegetales. Por otra parte se realizó un modelamiento químico empleando el programa MINEQL ver 4.5 para asegurar la solubilidad de las especies químicas contenidas en la solución nutritiva, incluyendo elementos esenciales (principalmente Ca, Fe y Zn) y de los elementos no esenciales (Cd y Pb). Se determinó que una solución nutritiva libre de fosfatos permite la presencia de altos porcentajes de formas químicas biodisponibles para las plantas. Mediante mediciones de índice de crecimiento, elongación de hojas y contenido de clorofila, se comprobó que la composición de la soluciones nutritivas elegidas para la realización de este trabajo no afecta el crecimiento y desarrollo de ambas especies vegetales durante el periodo de tiempo comprendido en los experimentos, un total de 20 días por experimento. Posteriormente, plantas de Espadaña y de Vetiver fueron crecidas durante 10 días en soluciones nutritivas conteniendo Ca 1 mM, Fe 8.31 μM y Zn 1.3 μM (aclimatación), luego se expusieron durante 10 días a soluciones nutritivas conteniendo concentraciones variadas de Ca (0, 0.33, 0.67, 1 mM), Fe (0, 2.77, 5.54, 8.31 μM) o Zn (0, 0.43, 0.87, 1.3 μM), adicionadas con Pb ó Cd 10 μM (periodo experimental). Durante el periodo experimental se tomaron muestras de las soluciones; al día 10 las plantas se seccionaron en raíz y parte aérea y los tejidos fueron digeridos en un medio ácido. Se determinó Cd, Pb, Ca, Fe y Zn en las soluciones y Cd y Pb en las digestiones. Lo análisis se llevaron a cabo por Espectroscopía de Absorción Atómica (EAA) mediante el método de flama u horno de grafito. Los resultados mostraron una remoción rápida de los metales al primer día de exposición, alcanzando porcentajes de remoción de Pb y Cd en las soluciones nutritivas de Vetiver de 74 y 64%, respectivamente; y en las soluciones nutritivas de Espadaña de 85 y 49%, respectivamente. La remoción de los metales durante el resto del periodo experimental fue gradual, alcanzando remociones al día 10 de exposición en los sistemas de Vetiver de 85-92% de Pb y de 68-87% de Cd; en los sistemas de Espadaña se observaron remociones al día 10 de 86-92% de Pb y de 69-96% de Cd, respectivamente. De los tres elementos esenciales (Ca, Fe y Zn), Ca fue quien tuvo una mayor influencia en la remoción de Cd y Pb; se observó que la remoción de ambos metales fue inversamente proporcional a la concentración de Ca añadida. Éstos resultados fueron congruentes con la fracción de los metales cuantificados en los tejidos, donde se encontró que la cantidad de Pb y Cd acumulada aumentó al disminuir la concentración de Ca en el medio nutritivo de Espadaña y Vetiver. En el caso de Cd, el aumento en la fracción acumulada fue estadísticamente significativo en ambas especies vegetales. Además, se observaron elevadas correlaciones entre la acumulación de Cd y Pb y la concentración de Ca en el medio. En los tratamientos de Espadaña en donde se varió la concentración de Fe, se observó un comportamiento similar al determinado al variar las concentraciones de Ca, el contenido de plomo acumulado en los tratamientos sin Fe fue significativamente mayor que en las soluciones donde se añadió Fe; en este sentido, la oxidación de Fe(II) a Fe(III) pudo favorecer la formación de la placa de hierro en la superficie de las raíces de Espadaña y de esta forma modular la adsorción de Pb. El análisis de Ca en las soluciones nutritivas de Vetiver reveló que la concentración de éste durante el experimento tuvo un comportamiento particular; al primer día de experimentación, la concentración de Ca se incrementó en las soluciones conteniendo Cd y Pb, sin embargo, durante el resto del periodo experimental la concentración de Ca se incrementó en el caso de las soluciones conteniendo Pb, mientras que en las soluciones conteniendo Cd la concentración de Ca disminuyó. Éstos resultados sugieren que existe un mecanismo de interacción de Cd/Pb y Ca en común al inicio del periodo experimental, posteriormente operan diferentes mecanismos de internalización para Pb y Cd en Vetiver. Debido a la elevada influencia de Ca en la remoción y acumulación de Cd y Pb en plantas de Vetiver y Espadaña, se procedió a investigar el papel de un canal de Ca2+ dependiente de voltaje (TPC1) en la captación de Cd y Pb en ambas especies. Para lo anterior, inicialmente se clonó y secuenció el gen que codifica para este canal de los tejidos de Espadaña (TlTPC1) y Vetiver (VzTPC1). Posteriormente se determinó el grado de expresión de este gen en respuesta a diferentes concentraciones de Ca, Cd ó Pb en la solución nutritiva. Los resultados mostraron que la expresión de VzTPC1 fue dependiente de la exposición de la planta a concentraciones crecientes de Ca (r=1.0) o Cd (r=0.9984), y fue independiente de la exposición de la planta a Pb. Mientras que la expresión de TlTPC1 fue dependiente de la exposición de la planta a concentraciones crecientes de Ca (r=0.8793), Cd (r=0.8628) y Pb (r=0.8446). Los protoplastos son un sistema ideal para la investigación de los procesos de transporte en membrana, en este trabajo se estableció el protocolo para la obtención de protoplastos de raíces de Espadaña y Vetiver como base para futuras pruebas electrofisiológicas.