Cultivo de arbustos ornamentales en sustrato orgánico contaminado con cadmio. Estudio de movilidad del metal. Y. Tapia1, E. Eymar1, A. Masaguer2 y G. Andrés1. [email protected] 1 Dpto. Química Agrícola. Facultad de Ciencias C-VII. Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Madrid. 2 Dpto. Edafología E.T.S.I.A. Agrónomos. Universidad Politécnica de Madrid. Avda Complutense s/n. 28040 Madrid Palabras clave: Fitoestabilización, Rosmarinus officinalis, Teucrium fruticans, Buxus sempervirens. Resumen Para evaluar la absorción de cadmio (Cd) de plantas arbustivas se cultivaron en sustrato orgánico (80% de corteza de pino+20% de turba rubia) tres especies: Rosmarinus officinalis, Teucrium fruticans y Buxus sempervirens. Las plantas fueron transplantadas desde alveolo forestal a macetas de 1,6 L. El ensayo se llevó a cabo en invernadero de vidrio con una duración de 30 días. El Cd se agregó en dos aplicaciones como CdSO4 disuelto en el agua de riego. Los tratamientos estudiados fueron: 0 y 120 mg Cd kg-1 materia seca de sustrato. En otro ensayo paralelo, solo con sustrato, se estudiaron 0, 20, 40, 80 y 120 mg Cd kg-1 materia seca de sustrato, con el objetivo de evaluar la movilidad del metal a diferentes concentraciones y contaminación de lixiviados. Se determinó pH, conductividad eléctrica (CE), Cd en lixiviados, y se realizaron extractos saturados y extracciones con DTPA/CaCl2 en el sustrato. En plantas se determinó altura, peso seco inicial y final y Cd total en planta. En lixiviados, los resultados muestran que no se detectó la presencia de Cd en ninguno de los tratamientos (con y sin planta), debido a la fijación del metal en la superficie del sustrato, atribuible a su alto contenido de materia orgánica. En las extracciones con DTPA/CaCl2 los niveles de Cd en el sustrato fueron significativamente mayores que en el extracto saturado, sin embargo no se logra extraer todo el cadmio adicionado. En plantas, los niveles de Cd encontrados fueron en µg planta-1: 450 en Rosmarinus officinalis, 560 en Teucrium fruticans y 50 en Buxus sempervirens. Respecto al control (riego sin cadmio) se observó que las plantas no crecieron significativamente, excepto las de Rosmarinus officinalis. INTRODUCCION El cadmio (Cd) es un metal pesado considerado no esencial y altamente tóxico para plantas y animales. Tiende a ser más móvil en suelos, y por lo tanto, más disponible para plantas que muchos otros metales (Alloway, 1995). El Cd, naturalmente presente en suelos, puede aumentar dramáticamente por fuentes antropogénicas como explotaciones mineras, industrias de esmaltado y metalurgia, y aplicación de lodos de depuradora o de fertilizantes fosfatados al suelo. Concentraciones de Cd en suelo mayores a 1 mg kg-1 se consideran elevadas, y si el nivel excede a 8 mg kg-1 es considerado tóxico para las plantas (Alloway, 1995; Lehmann y Rebele, 2004). Una de las técnicas empleadas para descontaminar suelos es la fitoestabilización, que mediante el empleo conjunto de plantas y enmiendas (materia orgánica, carbonato cálcico, por ejemplo) consigue que los contaminantes precipiten en la disolución del

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suelo, o bien sean adsorbidos o inmovilizados en los tejidos vegetales o en la matriz del suelo (Cunningham y Ow, 1996). La materia orgánica es citada como uno de los factores claves en procesos de adsorción de cadmio (Alloway, 1995; McLaughlin y Singh, 1999). Las interacciones entre materia orgánica (sustancias húmicas) y metales, dan lugar a la formación de complejos que afectan a la retención y movilidad de éstos (Porta, 2003); puede actuar como tampón, aumentando la superficie y los sitios específicos de adsorción. Sin embargo, dependiendo de la fuente de materia orgánica adicionada (turba, compost de lodos de depuradora, de residuos sólidos urbanos, de cama de aves de corral, de residuos del cultivo del champiñón, etc.) el Cd puede hacerse más biodisponible o redistribuirse a fracciones menos biodisponibles (Shumnan y col., 2002). Se hace necesario, por tanto, evaluar las enmiendas adicionadas al suelo (Lee y col., 2004; Merrington y Smernik, 2004). Son muchas las especies vegetales ensayadas para estudiar su comportamiento frente al Cd. En ciertos casos, presentan alguna desventaja como lento crecimiento, ser poco comunes o comestibles, etc. Por citar algunos ejemplos: Thlaspi caerulescens, (Alloway, 1995), Arabidopsis halleri (McGrath y col., 2006), Brassica juncea (Wagner y Yeargan, 1986), Lupinus albus (Vásquez, 2004), Calamagrostis epigejos (Lehmann y Rebele, 2004) Ipomoea carnea (Ghosh y Spingh, 2005), etc. Para el presente trabajo se han seleccionado Rosmarinus officinalis, Buxus sempervirens y Teucrium fructicans especies arbustivas autóctonas de España, de hoja perenne, ornamentales y de uso común en jardinería (López, 2002; Siguero, 1999). Existen pocos antecedentes de estudios similares con estas plantas (Ingelmo y col., 1998; Cala y col., 2005). Los objetivos del presente trabajo son: 1. Estudio de la movilidad del Cd en sustrato orgánico de corteza de pino y turba. 2. Evaluar el potencial fitoestabilizador frente al cadmio, de Rosmarinus officinalis, Buxus sempervirens y Teucrium fruticans cultivados en sustrato orgánico en contenedor. MATERIAL Y METODOS Se utilizaron plantas de Rosmarinus officinalis (romero), Buxus sempervirens (boj) y Teucrium fruticans (teucro), de 19,0; 8,5 y 20,0 cm de altura respectivamente, que fueron transplantadas desde el alveolo forestal a contenedores plásticos de 1,6 L (14x14 cm) con un recipiente para la recogida de lixiviados acoplado. El sustrato empleado fue una mezcla de 80% de corteza de pino+20% de turba rubia. Las principales características físico-químicas del sustrato se muestran en la Tabla 1. El cadmio (CdSO4) se agregó al sustrato, cada dos semanas, disuelto en el agua de riego (25 mL). Los tratamientos de Cd aplicados fueron: 0 y 120 mg·kg-1 materia seca de sustrato, con 4 repeticiones por tratamiento. Las plantas fueron mantenidas en invernadero de vidrio (media de 30ºC y 40% HR) (Valdebernardo, Madrid) con sistema de riego por goteo, sin aplicación de fertilizantes. A las cuatro semanas se recogieron, fueron lavadas y secadas en estufa a 65±5ºC. Posteriormente fueron pesadas, molidas y digeridas con HNO3-H2O2, empleando un digestor microondas (CEM, Mars Express). El Cd se determinó en equipo de absorción atómica (EAA Perkin Elmer Analist 800). Al sustrato de cada arbusto, se le realizaron extractos saturados (UNE-EN 13652, 2002) y extracciones con DTPA/CaCl2 (UNE-EN 13651, 2002). En estos extractos y en lixiviados, se determinaron: pH (ionómtero Orion 720A), Conductividad eléctrica (Conductivímetro Crison CM 2200) y contenido de Cd. De la misma forma que el ensayo anterior y simultáneamente, se mantuvieron contenedores con el mismo sustrato sin planta, con los siguientes tratamientos de Cd:

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0, 20, 40, 80 y 120 mg·kg-1 materia seca de sustrato. Se realizaron los mismos controles descritos anteriormente en el sustrato y lixiviados. Para el análisis estadístico de los datos se utilizó un modelo lineal univariante (SPSS). Las medias fueron comparadas usando el test de Duncan, con nivel de significación p ≤ 0.05. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El sustrato presentó un alto nivel de materia orgánica (75,4%), con pH 5,0 y CE 0,48 dS m-1, valores adecuados para sustratos de cultivo (Ansorena, 1994). La granulometría, es fina, siendo aproximadamente el 70% de partículas menores a 2 mm. Los resultados muestran que no se detectó la presencia de Cd en lixiviados en ninguno de los tratamientos (con y sin planta), debido al alto contenido de materia orgánica del sustrato. Ensayos similares donde se agrega cadmio en disolución, a columnas conteniendo distintos suelos, el de mayor contenido en materia orgánica fue donde el Cd quedó retenido totalmente en la capa superficial, sin movilización hacia capas inferiores (Estévez y col., 1998) o no migra, dependiendo del tipo de suelo, desde una capa a otra (Lune y Zwart, 1997). El pH se mantuvo en 6,0-6,5 y la conductividad eléctrica varió entre 0,3-0,6 dS m-1, para todos los tratamientos. En el sustrato, sin planta, los niveles de Cd en el extracto saturado y extracto con DTPA/CaCl2, se muestran en las figuras 1 y 2. El Cd extraído con DTPA/CaCl2 fue mayor que en el extracto saturado. Después de una semana de haber aplicado el tratamiento, disminuyen significativamente los niveles de cadmio (días 8 y 21 de julio), debido a los fenómenos de adsorción del metal a la materia orgánica del sustrato. Respecto al pH se mantuvo en una media de 5,2-5,5 y la conductividad eléctrica varió entre 2,7-3,9 dS m-1, para todos los tratamientos. Los niveles de Cd en sustrato con plantas al final del ensayo se muestran en las Figuras 3 y 4. En comparación con el sustrato sin planta (21 de jul) el Cd es significativamente menor en los sustratos que contienen plantas. Sin embargo la disminución no es atribuible a la absorción de cadmio por la planta, sino a la fijación del cadmio a la materia orgánica del sustrato y a que el DTPA/CaCl2, no fue suficientemente agresivo para extraerlo. En plantas, los niveles de Cd encontrados se muestran en las figura 5. Los valores más altos se encontraron en Teucrium fruticans, con una media de 560 seguido por Rosmarinus officinalis con 450 y finalmente por Buxus sempervirens con 50 µg Cd por planta. Los resultados obtenidos en general, son altos comparados con otros ensayos similares. Para suelos (pH 7,3) en los cuales se ha adicionado 100 mg Cd kg-1 se han encontrado niveles en Brassica juncea y Ipomea carnea, de 80 y 401 µg Cd/planta respectivamente tras noventa días de ensayo (Ghosh y Singh, 2004). En nuestro caso el sustrato (pH 5,0) se regó con Cd, lo que hace que la planta disponga directamente de él, en cambio adicionarlo en el suelo y mezclarlo implica que el metal interaccione y, dependiendo de las características del suelo, esté menos disponible para las plantas. La temperatura es otro factor a considerar, ya que en nuestro caso las plantas crecieron en verano, con elevada temperatura, lo que favorece la absorción. Los pesos secos finales de las plantas control y tratadas con Cd (figura 6) no mostraron diferencias significativas. Se observa que el boj es el arbusto que menos biomasa genera con una media de 1,5 g en peso seco. Las plantas en general no mostraron síntomas de toxicidad.

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CONCLUSIONES El cadmio aplicado en el agua de riego se fija rápidamente en el sustrato y queda retenido en su superficie, no detectándose en lixiviados. A la semana de aplicación, el extracto DTPA/CaCl2, no logra extraer todo el cadmio adicionado al sustrato. Rosmarinus officinalis y Teucrium fruticans absorben más Cd que Buxus sempervirens. Rosmarinus offcinalis es el arbusto que generó más biomasa frente a su respectivo control. Los altos niveles de Cd absorbidos por la planta, fueron favorecidos por la aplicación directa del Cd en el agua de riego y la temperatura a la cual se llevo a cabo el ensayo. Aunque el tiempo de ensayo fue corto, las especies estudiadas no mostraron ningún síntoma específico de toxicidad de Cd, lo que las hace potencialmente útiles para su utilización en fitorremediación. La elección de unas u otras dependerá por tanto de variables como la tasa de crecimiento y la biomasa producida. El sustrato corteza de pino+turba fue efectivo para fitoestabilizar el Cd, sin embargo debe evaluarse su comportamiento durante un período de tiempo más largo. Referencias Alloway, B.J., 1995. Heavy Metals in Soils. Blackie Academic & Profesional, UK. Ansorena, J., 1994. Sustratos. Propiedades y caracterización. Ed. Mundi-Prensa, Madrid. Cala, V., Cases, M.A and Walter, I., 2005. Biomass production and heavy metal content of Rosmarinus officinalis grown on organic waste-amended soil. Journal of Arid Environments 62: 401-412. Cunningham, S and Ow, D., 1996. Promises and prospects of phytoremediation. Plant Physiol. 110: 715-719. Ghosh, M and Spingh, S.P., 2005. A comparative study of cadmium phytoextraction by accumulator and weed species. Environmental Polllution 133:365-371. Ingelmo, F., Canet, R., Ibáñez, M.A., Pomares, F and García, J. 1998. Use of MSW compost, dried sewage sludge and other wastes as partial substitutes for peat and soil. Bioresource Technology 63: 123-129. Lee, T., Lai, H and Chen, Z. 2004. Effect of chemical amendments on the concentration of cadmium and lead in long-term contaminated soils. Chemosphere 57: 1459-1471. Lehmann, C and Rebele, F. 2004. Assessing the potential for cadmium phytoremediation with Calamagrotis epigejos: A pot experiment. Intl. J. of Phytoremediation, 6(2): 169-183. López, 2002. Guía de los árboles y arbustos de la Peninsula Ibérica y Baleares. Ed. Mundi-Prensa, Madrid. Lune, P. and Zwart, K.B. 1997. Cadmium uptake by crops from the subsoil. Plant and Soil 189: 231-237. Merrington, G and Smernik, R.J. 2004. Cadmium sorption in biosolids amended soils: results from a field trial. Science of the Total Environment 327: 239-247. McLaughlin, M.J and Singh, B.R. 1999. Cadmium in soils and plants. Kluwer Academic Publishers, Netherlands. Siguero, P. 1999. Manual de reforestación con especies autóctonas. Ed. Siguero Llorente, Madrid. Shumnan, L.M., Dudka, S., and Das, K. 2002. Cadmium form and plant availability in compost-amended soil. Commun. Soil. Sci. Plant Anal., 33(5&6): 737-748. Vázquez, S. 2004. Tesis Doctoral. Mecanismos de resistencia al cadmio y al arsénico en plantas de altramuz. Aplicación en fitorecuperación de suelos. UAM.

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Tabla 1 Principales propiedades físico-químicas del sustrato (1)

pH CE (dS m-1) 25ºC (1) Ca (mg L-1) (1) Mg (mg L-1) (1) K (mg L-1) (1) NO3 (mg L-1) (1) P (mg L-1) (1) Cl (mg L-1)

5,0 0,48 85,0 26,0 205,0 69,8 77,4 35,7

(1)

Humedad (%) MOT (%) N total Kjeldahl (% MS) (3) Porosidad (% v/v) (3) Volumen de aire a -10 cm (%v/v) (4) DACL (g L-1) Partículas menores a 2 mm (%) (2)

41,7 75,4 0,47 85,7 12,0 314 70,2

(1)

Determinado en extracto acuoso 1:5, según norma EN 13652 Materia orgánica total por combustión, determinada según norma EN13039 (3) Determinada mediante lecho arena, según norma EN14041 (4) Densidad aparente compactada de laboratorio, determiada según norma EN13040 (2)

mg Cd Kg-1

4

Tratamientos Cd (mg·kg-1 )

3

0 20 40 80 120

2 1 0

01-jul

08-jul 14-jul Fecha de muestreo

21-jul

Figura 1: Niveles de Cd en extracto saturado del sustrato (mg Cd kg -1 materia seca)

mg Cd Kg-1

120

Tratamientos Cd (mg·kg-1 )

100 80

0 20 40 80 120

60 40 20 0

01-jul

08-jul 14-jul Fecha de muestreo

21-jul

Figura 2. Niveles de Cd del sustrato en extracto con DTPA/CaCl2 (mg Cd kg -1 mat. seca)

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mg Cd Kg-1

2,0

Tratamientos Cd (mg·kg-1 )

1,6 1,2

0 20 40 80 120

0,8 0,4 0,0

Romero

Boj

Teucro

Figura 3: Niveles de Cd en extracto saturado del sustrato con plantas, para cada una de las especies estudiadas, al final del ensayo (mg·kg -1 materia seca)

mg Cd Kg-1

50

Tratamientos Cd (mg·kg-1 )

40

0 20 40 80 120

30 20 10 0 Romero

Boj

Teucro

Figura 4: Niveles de Cd en extracto DTPA/CaCl2 del sustrato con plantas, para cada una de las especies estudiadas, al final del ensayo (mg·kg -1 materia seca)

700

- 1

10 Peso seco (g/planta)

Cd (µg/planta)

600 500 400 300 200 100 0 Romero

Boj

6 4 2 0

Teucro

Figura 5. Niveles de Cd en plantas (µg Cd/planta) cultivadas en sustrato con 120 mg Cd por·kg de materia seca.

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Control inicial Control final 120 mg Cd final

Romero

Boj

Teucro

Figura 6: Peso seco inicial y final (g) de plantas control y cultivadas en sustrato con 120 mg Cd por kg de materia seca.

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