Resumen la contaminación es la alteración negativa del estado natural medio ambiente, en agua, suelo y aire, que provoca daños irreversibles en el ecosistema, medio físico y en la mayoría de los seres vivos.






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títuloResumen la contaminación es la alteración negativa del estado natural medio ambiente, en agua, suelo y aire, que provoca daños irreversibles en el ecosistema, medio físico y en la mayoría de los seres vivos.
fecha de publicación04.12.2015
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“Evaluación del efecto biorremediador de Allium cepa de agua contaminada con Cadmio”
López Hernández María Siboney

Facultad de Estudios Superiores Iztacala. UNAM

2009

RESUMEN
La contaminación es la alteración negativa del estado natural medio ambiente, en agua, suelo y aire, que provoca daños irreversibles en el ecosistema, medio físico y en la mayoría de los seres vivos. La contaminación del agua es uno de los problemas más grandes en nuestro planeta ya que el 60% está contaminado y de los principales contaminantes de ella son los metales pesados ya que son muy tóxicos para la mayoría de las formas de vida. Para la descontaminación del agua existen diferentes métodos, entre ellos está la biorremediación y se define como la capacidad natural de organismos que acumulan o degradan los elementos tóxicos presentes en ambientes, para subsanar el medio ambiente, cuyos objetivos son degradar, acumular, asimilar, metabolizar y desintoxicar suelo, agua, sustratos, entre otros. Para ellos se utilizan diversos organismos, como bacterias, virus, plantas, entre otros. El uso de plantas para la biorremediación se le llama fitorremediación. Donde el proceso de acumulación es: cuando un metal pesado entra en una célula vegetal es inmovilizado a causa de las fitoquelatinas, y luego los metales junto con la fitoquelatinas pasan a la vacuola. De este modo la célula tiene dos sistemas de protección: la unión del metal con la fitoquelatina; y su depositación en la vacuola. en este caso se utilizo Allium cepa. Como objetivos de esta investigación fue evaluar el efecto hiperacumulador y biorremediador de Allium cepa en agua contaminada con cadmio y la comparación del efecto hiperacumulación de otras plantas con Allium cepa. Como resultados de esta experimentación se observo que la concentración de Cadmio acumulado en 3mg de raíz de Allium cepa tuvo un efecto acumulador de este metal. Con esto se puede decir que la planta es capaz de absorber iones metálicos específicamente agua contaminada con Cadmio, dándose una comparación entre las concentraciones Cadmio que han absorbido otras plantas hiperacumuladoras se puede afirmar que Allium cepa esta dentro del rango de acumulación de Cadmio que otras plantas con estas cualidades que permiten su uso en técnicas de biorremediación del agua contaminada por cadmio. Se utilizó un análisis de varianza (ANOVA) para la comparación de datos experimentales.
ABSTRACT

Pollution is a negative alteration of the natural state environment, water, soil and air, which causes irreversible damage to the ecosystem and physical environment in most living things. Water pollution is one of the biggest problems on our planet becuse 60% is polluted and the main contaminants are heavy metals it because they are highly toxic to most life forms. To decontaminate the water there are different methods, including bioremediation and this is defined as the natural ability of organisms to accumulate or degrade toxic elements present in environments, which seeks to degrade, accumulate, assimilate, metabolize and decontaminate soil, water, substrates, among others. For them through various agencies, such as bacteria, virus, plants, among others. The use of plants for bioremediation is called phytoremediation. Where the process of accumulation is: when a heavy metal enters a plant cell is immobilized because of fitoquelatinas, then along with the metals pass into the vacuole fitoquelatinas. Thus the cell has two protection systems: the union of metal with the fitoquelatina, and his deposition in the vacuole. In this case was used Allium cepa. As objective of this research was to evaluate and bioremediate hyperacumulators Allium cepa in water contaminated with cadmium and comparison of the effect of other plants hiperacumulación Allium cepa. As a result of this experiment was observed that the concentration of cadmium accumulated in 3mg Allium cepa root had a cumulative effect of this metal. Thus we can say that the plant is able to absorb metal ions, specifically water contaminated with cadmium, giving a comparison between cadmium concentrations that have absorbed other plants are hyperaccumulators Allium cepa can say that within the range of accumulation of cadmium than other plants with these qualities that allow their use in techniques for bioremediation of water contaminated with cadmium. We used analysis of variance (ANOVA) for comparison of experimental data.
INTRODUCCIÓN

La contaminación es cualquier sustancia o forma de energía que puede provocar una alteración negativa del estado natural del medio ambiente que provoca algún daño o desequilibrio irreversible o no, que provoca daños generalmente irreversibles en el ecosistema, medio físico y en los seres vivos, afectando al agua, suelo y aire, y esto a su vez afecta directamente e indirectamente a los seres vivos, el cual es provocado por agentes patógenos, desechos que requieren O2, sustancia químicas orgánicas e inorgánicas, nutrientes vegetales, contaminantes xenobióticos, metales pesados, entre- otros.

Los metales pesados son grupo de elementos químicos que presentan una densidad relativamente alta y cierta toxicidad para el ser humano y algunos otros seres vivos. El daño causado puede ser directo (cuando se consume agua contaminada) o indirecta (cuando plantas y animales han sido contaminados y luego sirven de alimento a las personas). Los metales pesados son componentes naturales en el suelo. Estos metales pesados son desechados generalmente al agua, esto es un grave problema para todos los seres vivos ya que es de gran importancia para la supervivencia de todas las formas de vida, ya que, ocupa mas de 3 cuartas partes de la superficie terrestre, lo cual equivale a 1.300 trillones de litros en el mundo y su distribución es 97.23% en océanos, 2.15% casquete polar, 0.005% acuífero, 0.001% atmosfera y 0.0001% ríos, del cual un 60% está contaminada.

De los metales pesados que se ha comprobado es el más contaminante en agua es el cadmio ya que a bajas concentraciones puede ser muy toxico para todos los organismos vivos sin embargo es un elemento no esencial en la tierra y es tan abundante en la corteza terrestre. La contaminación por cadmio ha aumentado gracias al incremento de la actividad industrial que ha afectado en diferentes ecosistemas. Entre los factores antropogénicos de contaminación de cadmio (Cd), caben destacar los siguientes (Fig. 1):


Figura 1: Contribución relativa de las diferentes fuentes de cadmio. Tomado de la presentación L. Regoli para la LR/UNECE-LRTP Heavy Metals 16-03-05 (Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa-Contaminación Transfronteriza del Aire de Larga Distancia por metales pesados). Disponible en:

www.chem.unep.ch/pb_and_cd/SR/Files/Submission%20NGO/ICdA/L.%20Regoli-Cd%20contribution%20to%20human%20health-Berlin%202005.pdf

Como solución a este problema uno de los métodos más utilizados es la descontaminación del agua es la biorremediación, la cual se define como la capacidad natural de organismos que acumulan o degradan los elementos tóxicos presentes en ambientes para subsanar el medio ambiente cuyos objetivos particulares son degradar, asimilar, metabolizar y desintoxicar metales pesados. La biorremediación consiste en acelerar el proceso natural, para mitigar la contaminación ambiental. En otras palabras, se trata del proceso en que se emplean organismos biológicos para resolver problemas específicos medioambientales. Los organismos biológicos pueden ser, plantas, hongos, virus, bacterias. En ello juega un papel importante la investigación científica, especialmente en el descubrimiento de nuevos organismos con mejores capacidades para descontaminar, el conocimiento profundo de su metabolismo y de las interacciones que se producen entre los distintos microorganismos participantes, el agente contaminante y su entorno.

Dentro de la biorremediación existen dos tipos de técnicas: In - situ, donde se acelera el proceso en el mismo medio, modificando las condiciones ambientales (pH, nutrientes, humedad, temperatura, oxígeno, etc.), añadiendo nutrientes para multiplicar los organismos del lugar o inoculando organismos más eficaces para el vertido concreto. La adición de nutrientes es la opción más económica y la que ofrece más posibilidades de éxito hoy día; y ex -situ es cuando el contaminante se extrae y se degrada en otro sitio en condiciones controladas de laboratorio. No obstante, se trata de un proceso más caro y que no puede realizarse en la mayoría de las ocasiones. En la utilización de plantas para la biorremediación se le llama fitorremediación, este, es el conjunto de métodos para degradar, asimilar, metabolizar o desintoxicar metales pesados y compuestos orgánicos por medio de la utilización de plantas. Es el empleo de vegetación para el tratamiento in situ de suelos, sedimentos y aguas contaminadas. La fitorremediación usa la capacidad natural de plantas para extraer elementos del suelo y los distribuyen entre la raíz, el tallo, hojas, flores y frutas, dependiendo el proceso biológico en el cual el elemento está implicado. Las plantas que están implicadas para la biorremediación de agua, suelos y sedimentos, se les llama Hiperacumuladoras, cuyas características son principalmente 2: acumulan altas concentraciones de metales pesados y la habilidad de crecer y desarrollarse en tierras con unos niveles de metales. La plantas hiperacumuladoras pueden tener una capacidad masiva para acumular unos niveles elevados de materiales tóxicos, siempre que estén guardados en la vacuola, ya que de esta manera las células no sufren los efectos tóxicos de estos materiales.

El cadmio se puede encontrar disuelto en el agua contenida en el suelo, adsorbido en superficies orgánicas e inorgánicas, formando parte de minerales, precipitado con otros compuestos del suelo o incorporado a estructuras biológicas. Sin embargo la biodisponibilidad del cadmio para la planta depende de numerosos factores físicos, químicos y biológicos que modifican su solubilidad y el estado del metal en el suelo. (Christensen y Haung 1999).

Es importante destacar cuál es el tipo de cultivo con el que se hace, ya que no todas las plantas acumulan cadmio en igual medida (Prince et al. 2002). En la Figura 2, se muestra la capacidad para acumular cadmio de distintas especies vegetales de interés agrícola.


Figura 2: Acumulación de cadmio en cultivos vegetales de interés agrícola (*Variedades específicas de patata). Tomado de Managing Cadmium in Vegetables. VEGEnotes, Julio 2003. Disponible en:

www.cadmium-management.org.au


Por ser un metal no esencial, no existen mecanismos de entrada específicos para el cadmio. Entre las proteínas responsables de la entrada de cadmio a la célula: el transportador específico de calcio LCT1 (Clemens et al. 1998), y la proteína IRT1, perteneciente a la familia de transportadores de Zn y Fe (ZIP) (Guerinot 2000). Estos están localizados 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 (Thomine et al. 2003).

Una vez dentro de la célula el cadmio puede coordinarse con ligandos de S como glutation (GSH) o fitoquelatinas (PCs) y ácidos orgánicos como el citrato (Clemens 2006; Domínguez-Solís et al. 2004). 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 (Shah y Nongkynrh 2007).

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).. En la Figura 3 se muestra un esquema del ingreso del cadmio a través de las células de la raíz, hasta llegar al xilema.

Las plantas hiperacumuladoras son, en muchos casos, endémicas de suelos ricos en metales pesados. El contenido en Cd de estas plantas es aproximadamente 100 veces superior al de plantas no hiperacumuladoras cultivadas en las mismas condiciones (Brooks 1998). Los mecanismos responsables de la hiperacumulación pueden variar dependiendo de la especie y consisten, básicamente, en una o varias estrategias de tolerancia mencionadas en el apartado anterior. Diferentes autores han propuesto aprovechar la característica inusual de estas plantas para la limpieza de terrenos contaminados (Raskin et al. 1997; Shah y Nongkynrich 2007). Por citar algunas plantas con capacidad de fitoremediación tenemos: la especie Brassica napus, Lupinus albus, Discaria americana, Spartina marítima, Brassica napus, Trifolium repens, Medicago sativa.


Figura 3: Representación esquemática de los mecanismos de ingreso, secuestro y translocación del Cd en raíces (adaptado de Clemens, 2006). Aparecen representadas dos células. La capacidad de secuestro del metal en las células de la raíz juega un papel clave en la translocación del mismo a la parte aérea. En síntesis, el proceso es el siguiente: cuando un metal pesado entra en una célula vegetal es inmovilizado a causa de las fitoquelatinas, y luego los metales junto con la fitoquelatinas pasan a la vacuola. De este modo la célula tiene dos sistemas de protección: la unión del metal con la fitoquelatina; y su depositación en la vacuola.

Una especie vegetal de gran abundancia y adaptabilidad como es la cebolla (Allium cepa) puede ser de gran utilidad para proporcionar información acerca de la afectación por iones metálicos pesados en especifico cadmio en agua, ya que ha demostrado que tiene la capacidad de acumular metales pesados como Cu, Zn, Pl, entre otros en los cultivos, además es posible que acumule una cantidad importante de iones metálicos tóxicos, existiendo un gran potencial de fitorremediación en esta planta para regenerar el agua contaminado por metales pesados. Se cree que A. cepa al poder acumular diferentes metales pesados en el suelo, también podría acumular en agua. Con esta experimentación se pretende evaluar el efecto hiperacumulador de A.cepa en agua contaminada con cadmio.
METODOLOGÍA:

  1. Preparación de tratamientos.

Para la realización del experimento se realizaron 2 tratamientos: para el primer tratamiento, Se tomaron 64.3mg de Cloruro de Cadmio el cual contiene 25mg de cadmio, se disolvió en 250 ml de agua para hacer una concentración de 0.1mg/ml. El otro tratamiento se la aplico 193mg de Cloruro de Cadmio, lo cual contiene 75mg de Cadmio lo cual se disolvió en 250ml de agua y cuya concentración es 0.3 mg/ml. Se hicieron 4 repeticiones por tratamiento. El agua contaminada se coloco en vasos de polietileno. Las cebollas (Allium cepa) con tallo, bulbo y raíz se consiguieron en centro comercial sin marca comercial. Se lavaron con agua corriente, se coloco una pieza por repetición, se dejó actuar por 24 días,

  1. Identificación y cuantificación de Cadmio en raíces:

Pasando los 24 días, se corto 3mg de raíz de cada una de las cebollas, las cuales se homogenizaron por separado con 15 ml de agua de cada repetición de los 2 tratamientos, se centrifugo a 5000rpm por 2 minutos y se recupero sobrenadante lo cual se analizo la concentración de metales por una técnica fotocolorimetrica de determinación de Cadmio de J. Ganotes, et al. A la técnica utilizada se le hicieron cambios en la utilización de Cadmio puro en su lugar se utilizo Hidróxido de Cadmio


[Cd en agua mg/250ml]

[Cd en Raiz] mg/ml

25

0.4278

 

0.5747

 

0.4652

 

0.5077

75

0.8396

 

0.77

 

0.8558

 

0.8609

RESULTADOS.


Tabla 1. Concentraciones de Cd acumulado en 3mg de raíz.


Grafico 1. Representando las concentraciones de Cadmio acumulado en 3mg de raíz.


Grafico 2. Representa en promedios la concentración de Cadmio acumulado en cada uno de los tratamientos.



Gráfico 3. Plantas hiperacumuladoras y la cantidad de cadmio acumulado comparándolo con lo acumulado en Allium cepa.


DISCUCIÓN:
En la tabla 1 y en el grafico 2, se puede observar que la concentración de Cadmio acumulado en 3 mg de raíz de Allium cepa tuvo un efecto acumulador de este metal; la cual los acumula en la raíz. Con esto se puede decir que la planta es capaz de absorber iones metálicos específicamente de agua contaminada con Cadmio a una concentración de 0.1mg/ml y 0.3mg/ml, dándose una comparación entre las concentraciones Cadmio que han absorbido con plantas Hiperacumuladoras (tabla 3). Lo cual indica que al haber absorbido una concentración de cadmio dentro del rango en que plantas Hiperacumuladoras absorben se puede afirmar que Allium cepa tiene cualidades y características que permiten su uso en técnicas de biorremediación del agua contaminada por cadmio.

Así mismo, es necesario realizar experimentos adicionales para determinar si es que existe saturación en la absorción de cadmio en la raíz, y las concentraciones máximas que pueden alcanzar estos metales así mismo como el grado de toxicidad. Esta actividad se le podría atribuir a que las células de la raíz de Allium cepa contiene fitoquelatinas, estas inmovilizan a las células vegetales, luego los metales junto con la ellas pasan a la vacuola. De este modo la célula se unirá del metal con la fitoquelatina y su depositación en la vacuola. Provocando que se desintoxiquen los metales y el agua. Se utilizó un análisis de varianza (ANOVA) para la comparación de datos experimentales.
CONCLUCIÓN.
En base a los objetivos planteados se puede concluir que la planta Allium cepa, tiene cualidades y características que permiten su uso en técnicas de biorremediación del agua contaminada por cadmio.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:


  • Chan, D.Y., Hale, B.A. 2004. Differential accumulation of Cd in durum wheat cultivars: uptake and retranslocation as sources of variation. Journal of Experimental Botany 55:2571-2579.




  • Clemens, S., Antosiewicz, D.M., Ward, J.M., Schachtman, D.P., Schroeder, J.I. 1998. The plant cDNA LCT1 mediates the uptake of calcium and cadmium in yeast. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 95:12043 12048.




  • Clemens, S. 2006. Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88:1707-1719.




  • Guerinot, M.L. 2000. The ZIP family of metal transporters. Biochimica et Biophysica Acta 1465:190-198.




  • Jan, N., Avalos, A. 2006. Biotecnología industrial. Biorremediación de Ecosistemas contaminados con Xenobióticos. Centro de Estudios de Biotecnología Industrial. Universidad del Oriente. Pp 1-51.




  • Raskin, I., Smith, R.D., Salt, D. 1997. Phytoremediation of metals: using plants to remove pollutants from the environment.Current Opinion in Biotechnology 8:221-226.




  • Shah, K., Nongkynrih, J.M. 2007. Metal hyperaccumulator and bioremediation. Biologia Plantarum 51:618-634.




  • Sugey, L., Margarita, G., Laura, P., Mariano G. 2007. Mecanismos de fitorremediación se duelos contaminados con moléculas organicas xenobióticas. Revista internacional de Contaminación Ambiental. Vol 21.002 UNAM. México. Pp 91-100




  • Thomine, S., Wang, R., Ward, J., Crawford, N., Schroeder, J. 2000. Cadmium and iron transport by members of a plant metal transporter family in Arabidopsis with homology to Nramp genes. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 97:4991-4996.


AGRADECIMIENTOS….

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