Fitorremediación de suelos contaminados con Cd y Zn mediante el uso de Lupinus uncinatus Schldl

Abstract

La remediación de sitios contaminados con metales tóxicos es un gran reto. Grandes extensiones de tierra en muchos países se encuentran contaminadas con cadmio y zinc, debido a diversas fuentes de contaminación. La fitoremediación es una técnica que se aplica in situ con las ventajas de un bajo costo y de ser sustentable para el ambiente. Las especies del genero Lupinus han despertado recientemente gran interés para su uso en la fitoremediación de suelos contaminados con estos metales. El objetivo de esta investigación fue explorar la acumulación y tolerancia de Lupinus uncinatus Schldl., especie nativa de México, aplicando al suelo concentraciones crecientes de Zn (0, 200, 400, y 600 mg Zn kg-1 suelo) y Cd (0, 9, 18, 27 mg Cd kg-1 suelo) en forma de ZnCl2 y CdCl2.21/2H2O, respectivamente. Se condujo un experimento utilizando una solución hidropónica aplicando para Zn (0, 30, 40, y 50 μM) y para Cd (0, 3, 4, y 5 μM). Finalmente, se incubo el suelo (en macetas) con los mismos tratamientos del Zn y Cd para estudiar las fracciones extraídas con DTPA de ambos metales a diferentes intervalos (1, 5, 15, 25, 60, 90 dias). Los resultados del experimento en macetas mostraron que el Zn disminuyó el peso seco de la raíz mientras que aumentó la materia seca total de la planta. Las concentraciones del Zn en los tejidos vegetales de hoja, tallo y raiz, fueron de 4063, 14771, y 10569 mg Zn kg-1 materia seca para el tratamiento en que se aplicaron 600 mg Zn kg-1 suelo. La proporción del Zn en la parte aérea y raíz fue de 1.17, 1.63 y 1.78 para los tratamientos 200, 400 y 600 mg Zn kg-1 respectivamente. Más de 64% del Zn absorbido fue traslocado a la parte aérea al aplicar 600 mg Zn kg-1. Para el caso del Cd, se observo una perdida significativa de materia seca, así como inhibición de la altura de la planta y el número de hojas en respuesta al estrés del Cd. La planta acumuló 713, 343 y 197 mg Cd kg-1 materia seca en las

raíces, tallos y hojas respectivamente para el tratamiento 27 mg Cd kg-1 suelo. La proporción del Cd en la parte aérea y raíz fue < 1 lo cual indica una pobre traslocación del metal hacia la parte aérea. La incubación de suelo mostró que el contenido máximo extraíble con DTPA de ambos metales fue el día 01, después de la incubación. La variación en este contenido no fue significativa a partir del día 15 hasta el final del período de la incubación, lo que sugiere una sorción fuerte del metal. En el estudio con la solución hidropónica, las concentraciones del Zn y Cd acumuladas en raíces, tallos y hojas fueron de 1289, 1918, y 1132 mg Zn kg-1 materia seca y de 2467, 227, y 164 mg Cd kg-1materia seca para las dosis 50 μM Zn y 5 μM Cd respectivamente. Las proporciones del Zn en la parte aérea y raíz obtenidas para los tratamientos 50, 40, 30 μM Zn fueron 2.36 : 1, 2.28 : 1 y 2.32 : 1 respectivamente. En el caso del Cd, las proporciones fueron < 1 para los tres tratamientos. La materia seca no tuvo efecto significativo para ambos metales. También se observaron variaciones significativas en composición mineral de la planta, sin embargo las concentraciones de elementos esenciales se encontraban dentro del límite de suficiencia. Los resultados de esta investigación sugieren que L. uncinatus tiene el potencial de crecer en suelos contaminados con metales, bajo las condiciones edáficas estudiadas, mostrando que esta especie es una buena alternativa para la fitotoremediacion en el caso del Zn y para la revegetación de suelos contaminados con Cd._______Remediation of sites contaminated with toxic metals is challenging. Large areas of land in many countries have been contaminated by cadmium and zinc due to a wide range of pollution sources. Phytoremediation offers the benefits of being in situ, low cost and environmentally sustainable. Lupinus species is starting to generate interest for phytoremediation of soils showing intermediate metal pollution. The aim of this research was to explore the accumulating behavior and tolerance of Mexican native Lupinus uncinatus Schldl. towards increasing concentrations of Zn (0, 200, 400, 600 mg Zn kg-1 soil) and Cd (0, 9, 18, 27 mg Cd kg-1soil) as ZnCl2 and CdCl2.21/2H2O respectively in soil (pot study) and hydroponic solution (0, 30, 40, and 50 μM Zn and 0, 3, 4, and 5 μM Cd). The pot soil was incubated with the same Zn and Cd treatments to study the DTPA extractable fractions of the two metals at different intervals (1, 5, 15, 25, 60, 90 days). The results of pot trial with Zn revealed that Zn reduced root dry weight while increased overall plant dry matter (DM).The tissue Zn concentrations of leaves, stems and roots at 600 mg Zn kg-1 treatment were 4063, 14771, and 10569 mg Zn kg-1 DM. The shoot:root Zn ratios were 1.17, 1.63 and 1.78 for 200, 400 and 600 mg Zn kg-1 treatments respectively. More than 64% of the total Zn uptake was translocated to the shoots at 600 mg Zn kg-1. The findings of pot trial with Cd demonstrated that L. uncinatus suffered significant dry matter loss as well inhibition of plant height and number of leaves in response to imposed Cd stress. The plant was able to accumulate 713, 343 and 197 mg Cd kg-1 DM in the roots, stems and leaves for 27 mg Cd kg-1 treatment respectively. The shoot:root Cd ratio was < 1 indicating a poor root to shoot translocation. The results from soil incubation experiment showed that maximum DTPA extractable contents of both the metals were found at day 01 after incubation. The variation in these contents was non significant from 15th day till the end of the incubation period suggesting a strong metal sorption.

In the hydroponic solution study, at the highest doses of Zn and Cd (50 μM and 5 μM respectively), the amounts of metal accumulated in roots, stems and leaves were 1289, 1918, and 1132 mg Zn kg-1 DM and 2467, 227, and 164 mg Cd kg-1 DM respectively. The shoot:root Zn ratios obtained for 50, 40, 30 μM treatments were 2.36:1, 2.28:1 and 2.32:1 respectively while the same ratio in case of Cd remained < 1 for the three Cd treatments. No significant effect on plant dry biomass was observed in both the cases. Significant changes in plant mineral composition were found, however, concentrations were generally above the deficiency levels. The results from this research suggest that L. uncinatus has the potential to grow in contaminated soils under studied edaphic conditions and may be used as an alternative species for phytoremediation and revegetation of Zn and Cd contaminated soils respectively.