Evaluación ecotoxicológica de metales sobre macrófitas acuáticas

Abstract

Los ecosistemas acuáticos son los receptores tanto de materia orgánica como de diferentes compuestos artificiales de origen industrial, agrícola y de desecho, provenientes de los ecosistemas terrestres. Las actividades antrópicas generan residuos que contienen sustancias químicas de diversa naturaleza capaces de afectar tanto a los organismos acuáticos como la salud humana, ya que resultan en una mezcla compleja de sustancias orgánicas e inorgánicas, compuestos persistentes y bioacumulables. Los metales son componentes inorgánicos persistentes que forman parte de las aguas residuales generadas por actividades industriales químicas, textiles, galvanoplásticas, cromados, metalúrgicas, papeleras y también por el tratamiento de residuos domésticos, introduciéndose al ambiente en forma de mezclas. Una vez en los sistemas, quedan disponibles en los sedimentos, en la columna de agua o en la materia en suspensión, donde rápidamente son tomados por los organismos residentes, entre ellos los productores primarios. Las macrófitas acuáticas o hidrófitas, constituyen un nivel trófico esencial ya que proveen la energía básica para las redes alimentarias, cumpliendo una importante función en la incorporación y asimilación de nutrientes y energía al ciclo del ecosistema, la oxigenación de las aguas, la estabilización de los sedimentos y proveen de hábitat para una variedad de organismos acuáticos, tanto invertebrados como vertebrados. Los cambios en la dinámica de la comunidad de las hidrófitas de un ecosistema afectarán las comunidades de micro, macroinvertebrados y peces, afectando así todo el ecosistema. Las macrófitas acuáticas resultan fundamentales en la estructura, función y mantenimiento de las características físicas y químicas de los ecosistemas acuáticos, por lo tanto, es sumamente necesario el desarrollo de herramientas para la evaluación ecotoxicológica de sustancias inorgánicas persistentes como los metales. Para una evaluación ecotoxicológica integrada se deben incluir una gama de variables de respuestas que incluyan, el análisis de procesos como el crecimiento, caracteres morfológicos, y también biomarcadores de naturaleza enzimática que actúen sobre moléculas señales que desencadenan diferentes procesos de defensa. El objetivo del presente trabajo fue realizar una contribución en el desarrollo de herramientas para la evaluación de los efectos tóxicos de elementos metálicos en sistemas biológicos acuáticos, con el fin de ampliar el conocimiento para el diagnóstico ecotoxicológico en plantas vasculares. Los metales estudiados fueron Zinc (Zn), Níquel (Ni) y Cadmio (Cd), los cuales constituyen los principales metales liberados al ambiente por vía antrópica, evidenciado por poseer los mayores valores de tasa de enriquecimiento antrópico (TEA), respecto a sus valores naturales. Las macrófitas acuáticas estudiadas corresponden a especies flotantes y sumergidas en la columna de agua, Lemna gibba (familia Lemnaceae) y Ceratophyllum demersum (familia Ceratophyllaceae), respectivamente. Se llevaron a cabo evaluaciones ecotoxicológicas con ambas especies. Para L. gibba se estudió la acción sobre sobre distintos parámetros de crecimiento como número de frondes, peso fresco y área total. También se determinaron parámetros morfométricos como son las longitudes de los ejes transversales y longitudinales. Además se evaluaron parámetros bioquímicos como pigmentos (clorofila a, clorofila b y total de carotenoides), contenido de proteína soluble total y la actividad de enzimas antioxidantes (catalasa, ascorbato peroxidasa y guaiacol peroxidasa). Los resultados obtenidos en los estudios realizados con L gibba, permitieron concluir que el metal más tóxico basándose en el peso fresco resultó ser el Cd, mientras que si se consideran el área total y el número de frondes, las plantas fueron más sensibles al Ni. Para los tres parámetros de crecimiento evaluados, las plantas resultaron menos sensibles al Zn. Se pudo evidenciar un efecto fitotóxico por parte de los tres metales evaluados individualmente, manifestado por una inhibición del crecimiento cuando se analizó en base las distintas variables de medida y observándose una estimulación del crecimiento para Ni y Zn en las menores concentraciones evaluadas. Como parámetro de evaluación del nivel de desagregación de las plantas, se calcularon las relaciones frondes/colonias para cada metal. Este índice resultó ser más afectado por el Cd. Los tratamientos con los tres metales afectaron en general negativamente el contenido de proteína y de los diferentes pigmentos evaluados, donde solo se observó un pequeño incremento no significativo en las plantas expuestas a Cd para el contenido de clorofila b y carotenoides. En cuanto a las actividades enzimáticas se observó en general un incremento de las mismas como resultado de las exposiciones a los distintos metales en bajas concentraciones. Particularmente la GPOX y APOX fueron las que mayor actividad mostraron y las que incrementaron mayormente su actividad respecto de los controles. Además de los ensayos con metales individuales se evaluaron la toxicidad de mezclas binarias y ternarias. Dentro de las primeras, se estudió la acción sobre los parámetros de crecimiento número de fronde y peso fresco, así como los bioquimicos de contenido proteico y actividad enzimatica. Se evaluaron las interacciones por pares de los mismos metales Ni, Zn y Cd. Se evidenció una gran toxicidad en las diferentes combinaciones de concentraciones para las tres mezclas binarias en base a las distintas variables de respuesta obtenidas. El contenido proteico fue afectado negativamente por los tratamientos en las tres mezclas. Se observó además, un efecto sobre la actividad de las distintas enzimas. La relación frondes/colonias resultó más afectada que para el caso de los metales individuales, siendo el efecto tóxico un poco mayor para la mezcla Cd/Zn. El análisis de la interacción de las mezclas binarias de los metales sobre L. gibba, permitió definir a la mezcla Ni/Zn como aditiva, la mezcla Cd/Zn como sinérgica, mientras que la mezcla Cd/Ni resultó antagónica. En los estudios de los efectos de la toxicidad de mezclas ternarias, se evaluaron los parámetros de crecimiento número de frondes y la longitud de las raíces. Se realizaron dos experiencias diferentes con concentraciones ambientales, cada una de las cuales con la presencia de diferentes concentraciones de carbóno orgánico disuelto (COD) en el medio de cultivo (0.5 y 10 mg COD/L). Luego del período de exposición, se realizó una determinación del contenido de los metales en tejido. Se observó una elevada toxicidad por parte de todas la combinaciones bajo la presencia de ambas concentraciones de COD. En particular el crecimiento de las raices resultó ser más severamente afectado que el número de frondes, indicando que en estos casos resultaría un parámetro más sensible. La concentración interna fue mayor en los tratamientos individuales que en las mezclas para Cd, Ni y Zn bajo ambas concentraciones de COD. En las mezclas ternarias, el Cd resultó ser el metal que más rápidamente fue incorporado en el tejido vegetal y en mayor concentración, contrariamente a lo observado en las experiencias individuales. Se utilizó el concepto de UT para evaluar si el modelo aceptado a priori de Concentración Aditiva (CA), basado en la concentración interna, resulta en un mejor predictor de la toxicidad de la mezcla Cd-Ni-Zn en la planta acuática Lemna gibba, que la comúnmente utilizada concentración disuelta. En todos los casos se obtuvieron ΣUT promedio mayores a la unidad, y en general no se observaron valores más cercanos a la unidad al considerar la concentración interna como la dosis de exposición. Por lo tanto la toxicidad de dicha mezcla de metales, no estuvo más cerca de la aditividad por considerar la concentración en tejido que cuando se consideró la concentración externa en solución. Para las evaluaciones ecotoxicológicas con Ceratophyllum demersum, se determinaron distintos parámetros de crecimiento como el peso fresco, la longitud del tallo principal y la longitud total. Además se determinaron parámetros bioquimicos como contenido de proteína total soluble y la actividad enzimaticas de la catalasa, ascorbato peroxidasa y guaiacol peroxidasa. Los estudios realizados sobre la acción de los metales Zn Ni y Cd en forma individual sobre Ceratophyllum demersum, permitieron concluir que el Cd resultó el metal más tóxico para esta especie. En este caso, las plantas expuestas a este metal presentaron clorosis y disgregación de las hojas. Por otra parte, el peso fresco fue el parámetro más sensible, de todos los parámetros evaluados para describir la acción de los metales. La actividad de las enzimas del estrés oxidativo permitió detectar efectos subletales de los metales sobre esta especie, principalmente las enzimas APOX y GPOX. De esta manera estos biomarcadores permiten la detección temprana de efectos, como lo observado en los estudios realizados con L gibba. Se encontraron diferencias de sensibilidad entre las macrófitas evaluadas, ya que el metal menos tóxico resultó el Zn para ambas, pero L. gibba presentó más tolerancia. El Cd resultó ser el metal más tóxico para ambas especies, siendo C. demersum más sensible que L. gibba. El Ni resultó más tóxico para L. gibba, presentando mayor tolerancia C. demersum. Se realizaron ensayos de bioacumulación de metales individuales con C. demersum hallando las cinéticas de incorporación para los tres metales, representadas correctamente por el modelo Michaelis- Menten, donde se observó una mayor capacidad máxima de acumulación para el Zn, mientras que el Cd fue el acumulado en menor concentración. Se implementó un sistema multiespecífico (L. gibba, Spirodela sp. y C. demersum) y multimetal (Ni, Zn y Cd en forma simultánea) a fin de explorar la potencialidad del uso de estas macrófitas en fitoremediación. Los resultados permitieron concluir que el sistema resultó altamente eficiente, ya que la ecotoxicidad del efluente artificial al final del proceso de fitoremediación se redujo en un 80%, validado mediante ensayos de ecotoxicidad con Cladóceros y microalgas. La evaluación ecotoxicológica de metales sobre macrófitas que contemplen distintas variables de respuestas como crecimiento y biomarcadores enzimáticos, resulta esencial para la preservación y conservación de los ecosistemas acuáticos, ya que los mismos en forma individual o en mezclas producen efectos adversos. El conocimiento de los mecanismos involucrados en la toxicidad y tolerancia a los metales puede ser utilizado en tecnologías de fitoremediación de aguas residuales y efluentes industriales.