Mecanismos de tolerancia del simbiosistema Azolla-Anabaena azollae ante arsénico y cobre

Abstract

Esta investigación evaluó algunos mecanismos de tolerancia del simbiosistema Azolla-Anabaena azollae ante agua contaminada con arsénico (As+5) y/o cobre (Cu2+). Para lo anterior, se plantearon seis fases experimentales: 1) identificar molecularmente a nivel de especie a diez colectas de Azolla, 2) evaluar la capacidad de acumulación de As+5 y los efectos tóxicos del metaloide en el simbiosistema Azolla-Anabaena azollae, 3) determinar la influencia del As+5 en la concentración de nueve elementos en las frondas de Azolla filiculoides, 4) evaluar el efecto del Cu2+ sobre la actividad fotosintética y permeabilidad de la membrana de Azolla filiculoides y Azolla caroliniana, 5) comparar la capacidad de acumulación de Cu2+ en dos especies de Azolla y, 6) conocer las modificaciones morfo-estructurales en dos especies de Azolla por efecto del As+5 y Cu2+. Como principales resultados se tienen los siguientes: 1) De las diez colectas de Azolla, seis pertenecen a A. filiculoides, una a A. rubra, una a A. mexicana, y dos a A. microphylla x A. filiculoides. 2) Las concentraciones crecientes de As+5 disminuyeron la tasa relativa de crecimiento, la tasa de duplicación, el factor de bioacumulación, el contenido de clorofila, la actividad total de antioxidantes, los compuestos fenólicos totales, y aumentó el contenido de carotenoides totales + xantofilas en A. filiculoides; en este helecho la máxima acumulación de As+5 fue 28 µg g-1. 3) La técnica de fluorescencia de rayos-X mostró que el As+5 en altas concentraciones tuvo un impacto negativo en la asimilación de S, K, Mn, Fe y Zn. 4) Azolla filiculoides a bajas concentraciones de Cu2+ mostró mayor crecimiento que Azolla caroliniana, aunque este metal en altas concentraciones inhibió el crecimiento, afectó el fotosistema II, y aumentó la permeabilidad de la membrana. 5) El Cu2+ tuvo un impacto negativo en la concentración de S, Cl, K, Al, P, Zn, Mn, Fe y Ca de ambas especies de Azolla. 6) El incremento en la concentración de As+5 y Cu2+ indujo cambios morfo-estructurales en las frondas de Azolla, asociados a la disminución del número de plastidios, desorganización celular, atrofia parda y necrosada, lisis de células epidérmicas y deshidratación de los primordios foliares de las frondas. El As+5 y el Cu2+ tuvieron un efecto negativo sobre la cianobacteria Anabaena azollae que mostró cadenas de células más cortas y separación de heterocistos. Estos resultados son de las primeras evidencias sobre la influencia del As+5 y Cu2+ en dos especies de Azolla de México. Una aportación metodológica de este trabajo fue el uso de la técnica de fluorescencia de rayos-X para medir con una alta sensibilidad las concentraciones elementales sin destruir las frondas. Independientemente de las diferencias en la bioacumulación de As+5 y Cu2+ en A. filiculoides y A. caroliniana, éstas pueden crecer en aguas contaminadas con estos elementos. Sin embargo, A. caroliniana tiene mayores posibilidades de sobrevivir ante altas concentraciones de Cu2+ (2 mM). _______________ MECHANISMS OF TOLERANCE OF THE Azolla-Anabaena azollae SYMBIOSYSTEM TO ARSENIC AND COPPER. ABSTRACT: This research evaluated few mechanisms of tolerance of the Azolla-Anabaena azollae symbiosystem under contaminated water with arsenic (As+5) and/or copper (Cu2+). Thus, six experimental stages were performed: 1) To identify molecularly the species of ten collects of Azolla, 2) To evaluate the accumulation of As+5 and its toxic effects on the Azolla-Anabaena azollae symbiosystem, 3) To determine the influence of As+5 on the concentration of nine elements in the fronds of A. filiculoides, 4) To evaluate the effect of Cu2+ on the photosynthetic activity and membrane permeability of A. filiculoides and A. caroliniana, 5) To compare the accumulation of Cu2+ in two species of Azolla and, 6) To know the morpho-structural modifications of two species of Azolla due to As+5 y Cu2+ exposure. As main results: 1) From the ten collects of Azolla, six belonged to A. filiculoides, one to A. rubra, one to A. mexicana, and two to A. microphylla x A. filiculoides. 2) The increased concentrations of As+5 diminished the relative growth rate, the duplication rate, the bioaccumulation factor, the chlorophyll content, the total antioxidant activity, the total phenolic compounds, but increased the total content of carotenoids and xanthophylls in A. filiculoides; in this fern the maximum accumulation of As+5 was 28 µg g-1. 3) The X-ray fluorescence technique showed that high concentrations of As+5 had a negative impact on the assimilation of S, K, Mn, Fe and Zn. 4) Azolla filiculoides under low concentrations of Cu2+ had greater growth than A. caroliniana, although this metal at high concentrations inhibited the growth, impaired the photosystem II, and increased the membrane permeability. 5) The Cu2+ negatively impacted the concentration of S, Cl, K, Al, P, Zn, Mn, Fe and Ca in both species of Azolla. 6) The increase of the As+5 and Cu2+ concentration resulted in morpho-structural changes in fronds of Azolla that are associated to diminishing the number of plastids, cellular disorganization, brown and necrotic atrophy, epidermal cell lysis, and dehydration of the leaf primordia of the fronds. The As+5 and the Cu2+ had a negative effect on the cyanobacterium Anabaena azollae which showed shorter cell chains and detached heterocysts. These results are the first evidences about the influence of As+5 and Cu2+ in two species of Azolla from Mexico. A methodological contribution of this work was the use of the technique of X-ray fluorescence to measure with high sensitivity elemental concentrations without destroying the fronds. Regardless of differences in the bioaccumulation of As+5 y Cu2+ of A. filiculoides and A. caroliniana, both ferns are able to grow under contaminated water with these two pollutants. Nevertheless, A. caroliniana has more possibilities to survive at high concentrations of Cu2+ (2 mM).