Propiedades químicas y fraccionamiento de metales pesados en la rizosfera de thlaspi caerulescens y lupinus albusimplicaciones en la fitorrecuperación

Resumen

La contaminación de suelos por metales pesados debido a la actividad minera es un problema ambiental ampliamente extendido en el mundo. Por lo que se hace imprescindible tomar las medidas necesarias tanto para recuperar estos suelos como para evitar la dispersión de los contaminantes hacia zonas adyacentes. Esta investigación tiene como objetivo profundizar en el manejo de las técnicas de fitorremediación, y para ello se ha realizado un estudio de diferentes especies de plantas con distinto comportamiento frente los metales pesados, con el fin de determinar los cambios químicos que producen en la rizosfera y que condiciona la disponibilidad de metales para las plantas en esa zona tan específica. De las especies estudiadas se seleccionaron dos especies con mecanismos opuestos: Thlaspi caerulescens J & C Presl., una especie hiperacumuladora de Zn y Cd, que es capaz de tolerar elevadas concentraciones de metal en el medio sin mostrar síntomas de toxicidad, transportándolos a la parte aérea donde se acumulan en la vacuola de las células de las hojas (>10000 g g-1 de Zn, >100 g g-1 de Cd, aunque la línea utilizada no tiene demostrada la hiperacumulación de Cd) y que se ha considerado una hiperacumuladora "modelo"; Lupinus albus L., una especie excluyente, que retiene los metales (Zn, Cd, incluso As) en las raíces, impidiendo su translocación a la parte aérea. Ésta última se ha propuesto como una especie útil en estrategias de fitoestabilización debido a que posee capacidad de fijar N2 atmosférico, lo cual mejoraría la fertilidad de los suelos contaminados, si este proceso no se inhibe por altas concentraciones de metales pesados y/o bajo pH. Se han utilizado varios suelos contaminados por metales pesados y con distintos valores de pH, uno de ellos calizo procedente de la zona de La Unión (Murcia) y otros no calizos procedentes de la zona donde se produjo el vertido de lodo pirítico en Aznalcóllar (Sevilla) en 1998. Los experimentos planteados presentan una visión global del proceso de fitorrecuperación, mediante el estudio del ciclo completo, es decir, el estudio de los suelos durante el desarrollo de las plantas seleccionadas y posteriormente tras la recogida del cultivo y durante la degradación de las raíces que permanecen en el suelo. Este punto es escasamente considerado en los estudios de recuperación de suelo mediante plantas, y permite poner de manifiesto la eficacia de la tecnología de fitorrecuperación seleccionada. Para ello se diseñaron unos dispositivos sencillos, que permiten separar la rizosfera de las diferentes especies para estudiar los cambios que producen las raíces de las plantas, que pueden dar lugar a cambios en la biodisponibilidad de los metales y además permite obtener inalterado el suelo con las raíces, tras la retirada de la parte aérea de la planta. En ambas especies, L. albus (excluyente) y T. caerulescens (hiperacumuladora) se estudió la concentración de los metales pesados en las diferentes partes de la planta (raíz y parte aérea) para estudiar su potencial uso para la fitorrecuperación, los cambios físico-químicos y el fraccionamiento de metales pesados en la rizosfera comparando con el suelo control no afectado por las raíces, permitiendo definir los factores que regulan la disponibilidad de metales. Además, mediante un experimento de incubación de los suelos con raíces y de los suelos sin raíces durante 56 días, se estudió el efecto que produce la degradación de las raíces de estas especies en la distribución y solubilidad de los metales pesados en el suelo a fin de determinar la eficacia fitorrecuperadora de las especies. También se estudiaron los efectos de los metales pesados en los indicadores de estrés en L. albus y T. caerulescens. Por último se determinó la influencia de la especie hiperacumuladora en la tolerancia y acumulación de metales de otras especies cuando comparten rizosfera y la existencia de algún tipo de interacción entre ellas que pudiera alterar su respuesta frente a los metales pesados del suelo. Se observó que L. albus es una especie capaz de cambiar las propiedades físico-químicas de la rizosfera asociado a la exudación de compuestos radiculares con la intención de producir la movilización de ciertos nutrientes (principalmente P y Fe) y de evitar la movilización de otros que le pudieran resultar tóxicos (como ciertos metales pesados). Esta especie retenía los metales pesados a nivel radicular sin translocarlos a su parte aérea (salvo Mn). Sin embargo, esta especie no es adecuada para crecer en suelos con bajo pH (<5). Tras realizar la cosecha de la parte aérea de las plantas se procedió a determinar la mineralización en el suelo de sus raíces. La degradación de las raíces de L. albus en el suelo tras su cosecha mejora las propiedades del suelo al realizar un aporte de materia orgánica, y además, se observó que la liberación de metales asociados a las raíces de las plantas es muy pequeña, y la interacción de dichos metales con las fracciones sólidas del suelo impiden su solubilización: tales como óxidos de Fe y Mn, co-precipitación con sales orgánicas o carbonatos. Por todo ello se trata de una especie bastante útil para su empleo en estrategias de fitoinmovilización. Por otro lado, se realizó un estudio similar en T. caerulescens, la cual tiene un comportamiento hiperacumulador frente a los metales pesados (Zn y Cd). En esta especie se observó que no se producían grandes cambios en las propiedades físico-químicas de la rizosfera que condicionaran la distribución de los metales pesados, pero si que es capaz de concentrar en su parte aérea grandes concentraciones de Zn y Cd, por lo que extrae bastante cantidad de estos elementos en el suelo. Sin embargo, existe cierta interacción con otros metales presentes en el suelo (Cu y Mn) de contaminación multielemental que dan lugar a una disminución de la absorción de Zn y Cd por parte de esta especie, por eso no se comporta como hiperacumuladora de estos metales. Al estudiar la mineralización de las raíces durante 56 días, se observó que al degradarse las raíces en el suelo la liberación de metales pesados al suelo fue insignificante en comparación con la concentración de metales pesados encontradas en los suelos. Todos estos resultados nos indicarían que esta especie se podría emplear sin reticencias en técnicas de fitoextracción en zonas climáticas apropiadas, pero la presencia de otros contaminantes como Cu limita sus posibilidades de uso en suelos pluricontaminados. Las medidas de los indicadores de estrés en L. albus y T. caerulescens resultan de utilidad en el estudio del estrés producido en cada especie, observando que L. albus fue más sensible a la contaminación por metales pesados afectando en gran medida al peso, al contenido en clorofilas y antocianinas. Mientras que en T. caerulescens, la alta concentración de metales pesados en el suelo aumenta la concentración de glutatión (GSH), tioles y fenoles: compuestos que tienen un papel importante en la quelatación y secuestro intracelular de metales pesados. Por otro lado, el crecimiento conjunto de la especie hiperacumuladora (T. caerulescens) con otras especies tolerantes produce interacción en la absorción y acumulación de Zn, cuya absorción por parte de la especie hiperacumuladora se veía reducida principalmente por la presencia de B. juncea debido a que es una acumuladora de Zn de gran biomasa, por lo que parece competir con T. caerulescens por la absorción de dicho elemento. La presencia de la especie hiperacumuladora en el suelo no altera la acumulación de metales en otras especies de plantas, indicando que no produce una movilización activa de metales en la rizosfera para absorber y acumular grandes cantidades de Zn y Cd, más bien esa hiperacumulación es consecuencia de un sistema altamente eficiente en la absorción, transporte y asimilación. Sin embargo, cuando T. caerulescens creció con L. albus no se produjo disminución de la acumulación de Zn por la hiperacumuladora, debido probablemente a los mecanismos de que se sirve esta especie para movilizar los nutrientes del suelo.