INTRODUCCIÓN

La degradación de los recursos naturales causada por los diferentes contaminantes tóxicos orgánicos e inorgánicos presentes en la atmósfera, agua, suelo y subsuelo, procedentes de diversas actividades naturales y antropogénicas es un problema mundial y de actualidad. Así, un recurso natural muy afectado es el suelo, que se puede degradar por sustancias nocivas que se almacenan y posteriormente influyen en el rendimiento de los cultivos; debido, a que se almacenan y causan alteraciones en sus tejidos (¹).

La captación del metal por las plantas y su posterior acumulación en sus partes comestibles causa un fuerte impacto en la salud humana a través de la cadena alimentaria (²,³). Aparte de los metales con funciones biológicas conocidas (Cd, Cr, Pb, Co, Ag, Se, Hg), o elementos esenciales (Fe, Mn, Zn, Cu, Mg, Mo, Ni); también, éstos se acumulan en suelos utilizados en la agricultura a través de las fuentes naturales, aguas residuales, abonos de animales, y aplicación de lodos depurados, uso de fertilizantes y agroquímicos, explotación minera, industria metalúrgica, entre otros (⁴,⁵,⁶). Los elementos esenciales también pueden ser peligrosos; porque, ellos son tóxicos a altas concentraciones o ser considerado como un metal pesado con una densidad atómica que supera a los 5 a 6 g cm^-3, o si su número atómico es superior a 20 (Cu, Pb, Zn, Ni, Se, As, Cd, Hg, etc.) (⁷,⁸).

El cobre se encuentra presente en toda materia viva vegetal y animal y distribuida en las aguas y los suelos. Es absorbido como catión divalente (Cu ²⁺) en suelos aireados o como ion cuproso (Cu⁺) en suelos pobres en oxígeno o con alto contenido de agua, como los suelos inundados de los manglares. La forma divalente forma quelatos con varios componentes del suelo, lo que se debe evitar ya que pueden aparecer estados de toxicidad (⁹,¹⁰). El cobre es uno de los micronutrientes necesarios para las plantas en muy pequeñas dosis. En el suelo, el rango normal es de 0,05-0,5 ppm; mientras, que en la mayor parte de los tejidos es de 3-10 ppm (¹¹,¹²). Este metal juega un papel clave en los procesos metabólicos de las plantas, es un cofactor de varias enzimas implicadas en las reacciones de transferencias de electrones (¹³), debido a sus diferentes estados de oxidación y su capacidad para aceptar o donar electrones en varios sistemas de enzimas implicados en reacciones redox (¹⁴). También, es esencial para el metabolismo de las proteínas, transporte de electrones en la fotosíntesis y respiración, metabolismo de la pared celular, actividad antioxidante, cofactor en la biogénesis del molibdeno, fijación del nitrógeno, percepción de las hormonas y sensible al etileno (¹⁵,¹⁶), pero, su alta actividad redox, más allá de un máximo de concentración, el cobre es altamente tóxico (¹⁷).

Debido al incremento en el uso de agroquímicos como pesticidas, bactericidas y fungicidas, los que contienen cobre como componente activo, la toxicidad por cobre en la agricultura es frecuentemente reportado (¹⁶,¹⁸). El efecto adverso por toxicidad por cobre en la germinación de semillas, proceso de crecimiento y actividad fotosintética (¹⁷). También, la alteración del estado hormonal, inhibición celular, captación de minerales e interrupción del metabolismo (¹⁴,¹⁹). Un bajo contenido de clorofila, y alteraciones en la estructura del cloroplasto y membrana tilacoidal han sido encontrado en hojas de “espinaca”, “arroz” (Oryza sativa L.), Triticum durum y Phaseolus coccineus L. lo cual altera sus condiciones de crecimiento y de las proteínas¹¹ o facilita la fotoinhibición y todo el proceso del metabolismo de las plantas interactuando, por ejemplo, con el fierro no-heme y citocromo b559 (²⁰).

Se reporta que existen algunas especies pertenecientes a las asteráceas, que al mismo tiempo que son hiperacumuladoras de cobre, lo son del cobalto; asimismo, toleran altos niveles de metales pesados en comparación con otros grupos taxonómicos (⁵). Una de ellas es Bidens pilosa L. (Asteraceae) que es una especie herbácea, anual, común en cultivos, rastrojos, potreros, orillas de carreteras y caminos de climas cálidos y templados (²¹), se encuentra ampliamente distribuida en casi todos los ambientes tropicales del mundo. Según Tashimiro y Seitao (²²), la planta tiene de tres a cuatro generaciones por año, con una producción de semillas que varía entre 3.000 y 6.000 aquenios por planta, características que la hacen una planta que pueda ser estudiada en sus características fisiológicas. No se encontró reportes del efecto del cobre en B. pilosa; pero, sí con otro metal pesado, como el plomo. Según Salazar (²³) esta planta mostró mayor eficiencia en la extracción de Pb que la internacionalmente reconocida como fitoextractora Brassica juncea. Además, el Pb extraído se acumuló principalmente en la raíz y en el tallo y los valores más elevados de extracción total de Pb por planta se encontraron en los estudios en campo. Otro reporte como el de Avelino (²⁴) señala que B. triplinervia es muy eficaz en la absorción de zinc.

Debido a que los metales pesados no pueden ser degradados, estrategias efectivas para reducir su toxicidad, deben ser aplicados en los suelos para que sean removidos. Una estrategia es la fitorremediación que utiliza plantas como agentes bio remediadoras. Estas especies vegetales muestran un patrón tipo de acumulación de metales pesados en las raíces; mientras, que el transporte hacia la parte aérea es restringido, observándose el típico patrón de exclusión. Como los procesos fotosintéticos son especialmente sensibles a la toxicidad de los metales y las raíces parecen capaces de almacenar mayores concentraciones de metales en forma inocua, esta dualidad en los patrones de acumulación es interpretada como un mecanismo importante en la tolerancia de metales pesados en muchas especies (²⁵,²⁶), y que debe ser estudiado primero su capacidad de asimilar los metales pesados, en este caso el cobre. Por lo expuesto, el trabajo tuvo como objetivo evaluar el efecto del exceso de cobre como inhibidor del crecimiento de B. pilosa y su relación con el índice de translocación.

MATERIALES Y MÉTODOS

Las semillas de B. pilosa fueron recolectadas de los campos de cultivo de la campiña de Moche (Trujillo), ellas fueron aproximadamente 200. La especie se determinó en el Herbarium Truxillensis (HUT) de la Universidad Nacional de Trujillo.

La experiencia se inició desinfestando las semillas con hipoclorito de sodio al 2% durante tres minutos; luego, se lavaron tres veces con agua estéril y finalmente se pusieron a germinar en placas Petri, en cuyo interior se arregló papel de filtro Whatman N° 1 humedecido con 30 ml de agua destilada estéril. Después de 10 días, las plántulas se adaptaron al sistema hidropónico; éste consistió en recipientes de plástico de 3 litros de capacidad y una plancha de tecknopor perforada, con hoyos de un centímetro de diámetro, para suspender las plántulas, ayudado con una esponja pequeña, y el sistema fue oxigenado con un aireador (figura 1). Se utilizó la solución nutritiva de Hoagland modificada (soluciones madres de 0.5 M de KNO₃, Ca (NO₃), MgSO₄, NH₄H₂PO₄ y fetrilón al 1%) a la tercera parte de su concentración normal.

Figura 1 Sistema hidropónico para el cultivo de plántulas de B. pilosa 

Se estableció un diseño de estímulo creciente con tres tratamientos y tres repeticiones. Los tratamientos fueron concentraciones ascendentes de cobre en forma de sulfato de cobre (0, 50 y 100 uM).

Las plántulas fueron adaptadas en el sistema hidropónico durante 25 días de edad, al final de los cuales se evaluó lo siguiente:

RESULTADOS

La longitud de tallo disminuyó en relación al testigo (4.36 cm); así, a 50 uM es 3.50 cm y a 100 uM es 3.33 cm, igual sucedió con la raíz, que disminuyó en relación al testigo (4.48 cm); así, a 50 uM es 3.57 cm y a 100 uM Cu es 3.24 cm. (Figura 2, Tabla 1).

Figura 2 Longitud de las plántulas de B. pilosa después de ser expuestas a las diferentes concentraciones de 0, 50 y 100 uM de cobre. 

El peso de tallo fresco disminuyó en relación al testigo (0.0389 g); así, a 50 uM es 0.0141 g y a 100 uM es 0.0017 g, y el peso de raíz fresco también disminuyó en relación al testigo (0.0118 g); así, a 50 uM es 0.0087 g y a 100 uM Cu es 0.0078 g. (Tabla 1). El peso de tallo seco disminuyó en relación al testigo (0.0034g); así, a 50 uM es 0.0023 g y a 100 uM es 0.0013 g; del mismo modo, el peso de raíz seco disminuyó en relación al testigo (0.0005g); así, a 50 uM es 0.0004 g y a 100 uM es 0.0002 g. (Tabla 1).

Para el número de hojas presentes por plántulas, se observó que permaneció constante en los dos tratamientos y control; pero, si hubo una disminución en cuanto al tamaño, además en las mismas se evidenció clorosis y necrosis para los tratamientos de 50 y 100 μM Cu (Tabla 1).

Tabla 1 Promedio y desviación estándar de las variables de longitud, peso fresco y peso seco de tallo y de raíz respectivamente y número de hojas en plántulas de B. pilosa cuando fueron expuestas a concentraciones de 0, 50, 100 μM de cobre (CuSO₄). 

El cobre acumulado (mg/g x 10² de muestra seca) en órganos vegetales de B. pilosa fue mayor en la raíz con un valor de 12.39 para T3, a diferencia del tallo que presentó un valor de 3.48 para T3. (Tabla 2).

Tabla 2 Cobre acumulado (mg/g x10²) en órganos vegetales de B. pilosa expuestas a diferentes concentraciones de cobre (Cu). 

Los valores obtenidos de las variables evaluadas para tallo, indican que existe una disminución en cuanto a longitud, peso fresco y peso seco, a medida que aumenta la concentración aplicada; sin embargo, la acumulación de cobre aumenta en razón a que las concentraciones de los tratamientos son mayores.

Los valores obtenidos de las variables evaluadas para raíz, indican que cuando aumentan las concentraciones de los tratamientos, se observa disminución de la longitud, peso fresco y peso seco; sin embargo, la acumulación va en aumento.

Al analizar el desplazamiento del cobre en las plántulas (Tabla 3) encontramos que en el coeficiente de extracción (t) la diferencia es mínima para cada tratamiento, aproximadamente 0.07. Cuando analizamos el índice de producción relativa (RP) es menor para el tratamiento 3 pero es mayor para el índice de translocación (TI).

Tabla 3 Indicadores sobre el desplazamiento del cobre en B. pilosa. 

t: Coeficiente de extracción (factor de transferencia)

RP: Índice de producción relativa

TI: Índice de translocación

De acuerdo a los datos estadísticos, el ANAVA (Tabla 4) para acumulación de cobres en tallos y raíces se observó diferencias significativas con p< 0.05 y según el método HSD de Tukey (Statgraphics Plus 5.1), se encontró diferencias significativas en la distribución de cobre en planta, a nivel de tratamientos (Tabla 5).

Tabla 4 Análisis de varianza (ANAVA) para la acumulación de cobre en tallo y raíz de B. pilosa al ser expuestas a diferentes tratamientos de cobre (Cu). 

Tabla 5 Prueba estadística de Tukey para establecer las diferencias significativas entre los tratamientos con relación al total de cobre (Cu) acumulado por los órganos de plántulas de B. pilosa al ser expuestos a diferentes tratamientos de cobre. 

DISCUSIÓN

La inhibición del crecimiento de B. pilosa se presenta cuando se acumula el cobre en los órganos vegetales y ello causa problemas de toxicidad a nivel de raíz y tallo, como también se reporta en Elsholtzia splendens (²⁷) y se observa en las Tablas 1 y 2. Los valores de coeficiente de extracción (t) y RP aumentan hasta 50 µM y decrecen con 100 µM (Tabla 3), pero TI a mayor concentración de cobre, la raíz es capaz de seguir acumulando y trasladando este elemento hacia la parte aérea, lo cual sugiere su capacidad de fitoextracción, según Antoniadis et al., (⁵⁰) y de hiperacumulador (⁵¹).

En el caso de la raíz, la inhibición del crecimiento se debe a un mecanismo de exclusión, mediante la solubilidad y disponibilidad del metal en el suelo, por la cual la producción en planta se reduce, las hojas y raíces quedan reducidas en su longitud (²⁸, ²⁹) o la captación de otros nutrientes esenciales se ve afectada en las raíces (³⁰) con reducción de la biomasa y la producción del grano según Adress et al., (³¹). También estimula la formación de raíces laterales (³²,³³) con participación de las auxinas (¹⁴,³⁴), dañando la integridad de la zona de transición de la raíz (³⁵,³⁶) formando ROS (³⁷,³⁸) con un incremento en la actividad de las peroxidasas, lo cual puede disminuir la elongación celular a través de la síntesis de la lignina y reducción de la plasticidad de la pared celular (³⁹). Estas alteraciones fisiológicas en la raíz van alterar el crecimiento del tallo, como inhibición del metabolismo de los brotes y producción de materia seca, según confirma el comentario de Singh et al., (⁵²).

La acumulación del cobre en la raíz con translocación al tallo (Tabla 2 y 3) es confirmada por Jie y Zhiting (⁴⁰) y Thounaojam et al., (⁴¹). Un lento incremento en la concentración del cobre que sale del óptimo requerido, causa toxicidad en la mayoría de las plantas (⁴³,⁴⁴). Aún a 4 mM de cobre inhibe drásticamente la longitud de la raíz en Paspalum distichum y Cynodon dactylon (⁴²). La acumulación en las raíces es debido a que los iones metálicos pueden ser absorbidos por las pectinas de la pared celular (⁴⁵,⁴⁶) y que el apoplasto, el cual es un compartimiento dinámico, puede ayudar a ajustar el número y tipo de metal que se une a las pectinas como respuesta al estrés por el metal (⁴⁷). Entre el 10 y 20% del Cu apoplástico fue reportado por estar reducido en forma de Cu (I) según Cui et al. (⁴⁶).

Debido a que las condiciones hidropónicas no imitan perfectamente el sistema natural porque diluye los exudados de las raíces y modifica el balance de nutrientes y los mecanismos complementarios de absorción /adsorción del Cu en solución (⁴⁸,⁴⁹) es que se hace necesario complementar este estudio en condiciones de campo para afirmar sus condiciones de fitoextracción y poder proponerla como una planta remediadora.

CONCLUSIONES

El exceso de cobre inhibe el crecimiento de B. pilosa en sus variables longitud del tallo y raíz y sus respectivos pesos frescos y secos.

La mayor acumulación del metal es en la raíz y el índice de transferencia es elevado a 100 µM.

Por las variables evaluadas se considera a esta planta una hiperacumuladora, entonces se deben realizar experiencias de campo para confirmar su actividad remediadora.