Los metales son componentes naturales en el suelo - Universidad ...

ESTUDIO DE LA ABSORCIÓN DE METALES PESADOS POR LA PLANTA
DE NOPAL Opuntia ficus indica
Azael CASTILLO BRAVO, Marina NETZAHUAL NAVA, Fanny PÉREZ PÉREZ,
y José Antonio GUEVARA GARCÍA.
Laboratorio de Investigación en Bioinorgánica y Biorremediación (LIByB).
Departamento de Ciencias Básicas, Universidad Autónoma de Tlaxcala. Carr. a
Apizaquito S/N, Apizaco, Tlaxcala. México. Apdo. Postal 140. Fax:
(01241)4175844. jguevara@solar6.ingenieria.uatx.mx.
Palabras Clave: nopal, absorción, metales, suelos, biorremediación.
RESUMEN
En el estado de Tlaxcala, el río Zahuapan observa contaminación por metales
pesados que descargan en los suelos y ríos las industrias. Nuestro objetivo es
desarrollar metodologías para monitorear la contaminación en suelos y agua,
además de estudiar procedimientos de biorremediación. El nopal es una planta
de gran abundancia y adaptabilidad, que puede servir como monitor de iones
metálicos pesados y en la biorremediación de suelos. Se sembraron plantas de
nopal Opuntia ficus indica dentro de un tunel para vivero, se regaron durante
cuatro semanas vertiendo un litro en cada planta cada 3 días, utilizando 3
plantas por solución metálica de mercurio, cadmio, plomo, cromo, arsénico, y
hierro y 3 por cada una de 7 muestras de diferentes partes del río Zahuapan.
De cada planta se tomaron muestras del centro de la raqueta más cercana al
sustrato. Las muestras de agua se analizaron con el método 200.7 de USEPA,
y las plantas y el sustrato con el método 6010 de USEPA. El contenido de los
metales se determinó por ICP-OES. Los metales pesados en el agua de río no
rebasaron el límite máximo permitido para riego agrícola, con excepción del
arsénico (valor encontrado 1.04 mg/L, límite máximo 0.4 mg/L); encontrando
una correlación alta (0.9241) entre las concentraciones de arsénico en el agua
de riego y en la planta de nopal. Con respecto al riego controlado, el análisis de
varianza indicó que la planta acumula cromo (p = 0.002) y cadmio (p = 0.039) a
cualquier concentración de estos metales en el agua de riego; acumula plomo a
partir de una concentración de 0.25 mg/ml; y, no tiene acumulación significativa
de cinc (p = 0.065) y hierro (p = 0.34).
INTRODUCCIÓN
Los metales son componentes naturales en el suelo. La contaminación, sin
embargo, ha sido resultado de actividades industriales, como la minería y la
industria de la transformación de metales y de la producción de combustibles,
de fertilizantes, así como la aplicación de pesticidas, y la generación de
desperdicios municipales (Sastre et al. 2002).
El suelo actúa como un sistema depurador capaz de impedir o ralentizar la
movilidad de diversos contaminantes, determinando en gran medida la calidad
de los sistemas con los que se relaciona, como el agua, el aire o la biosfera.
Cada suelo tiene una capacidad de depuración que depende de sus
propiedades (textura, contenido en materia orgánica, capacidad de intercambio
1

iónico, contenido en óxidos, pH, superficie específica y contenido en
carbonatos, fundamentalmente). Cuando se alcanza ese límite el suelo deja de
ser eficaz e incluso puede funcionar como “fuente” de sustancias tóxicas tanto
para los organismos que viven en él como para los sistemas con los que se
relaciona (García-Navarro 2003).
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 (Montiel
y Guevara 2005).
Por citar algunas plantas con capacidad de fitoremediación tenemos: la especie
Brassica napus, que acumula preferentemente cadmio y cinc del suelo (Rosst
et al. 2002); la especie Lupinus albus que es bastante tolerante a la presencia
de metales tóxicos como Pb(II), Cr(III), Hg(II) y Cd(II) (Ximénez-Embún et al.
2002); la especie Discaria americana, planta nativa de Argentina que acumula
gran cantidad de cinc (Curato et al. 2002); la especie Spartina marítima, de los
litorales atlánticos europeos meridionales desde el sudoeste de España hasta
Bélgica y el sur de Gran Bretaña, que acumula hierro, arsénico, plomo y cobre
(Figueroa-Clemente et al. 1999); la especie Amaranthus blitoides, que acumula
arsénico, cobre y plomo (Alcántara et al. 2001); la especie Brassica napus, que
crece en Inglaterra, India y Norteamérica, y que acumula cadmio, cinc y cobre
(Rossi et al. 2002); la especie Trifolium repens, conocido como trébol blanco,
que acumula cadmio y plomo (Salgado-Álvarez et al. 2003); y, la alfalfa
(Medicago sativa), que acumula grandes cantidades de cadmio y cinc (Rivas et
al. 2003).
Una especie vegetal de gran abundancia y adaptabilidad como es el nopal
puede ser de gran utilidad para proporcionar información acerca de la
afectación por iones metálicos pesados en los cultivos, además, al ser una
planta suculenta, es posible que acumule una cantidad importante de iones
metálicos tóxicos, existiendo un gran potencial de fitorremediación en esta
planta para regenerar el suelo contaminado por metales pesados.
El nopal es utilizado como alimento en humanos y como forraje en ganado, se
encuentra presente en la región y se puede cosechar en cualquier época del
año, además se encuentra en todo tipo de terreno y concentra una gran
cantidad de agua del subsuelo y sus hojas se conservan fácilmente. Por otro
lado, el nopal es conocido por su alto contenido en iones metálicos: Na + , Ca 2+ ,
Mg 2+ , Zn 2+ . Entre los metales de transición se ha encontrado un alto contenido
de manganeso(II) y cantidades discretas de hierro(III) y de cinc(II) (Gurrieri et
al. 2000).
MATERIALES Y MÉTODOS
Siembra del nopal Opuntia ficus indica. La raqueta o planta madre se obtuvo
del rancho “El Batán” ubicado en carretera Apizaco-Huamantla, lo que
garantiza sanidad y calidad en las raquetas, cumpliendo con las siguientes
cualidades: Presencia de buen vigor, libre de plagas y enfermedades, sin
malformaciones físicas, el tamaño mínimo de 30 cm de ancho por 20 cm de
largo, buen grosor.
Antes de ser plantada, la raqueta se dejó de 15 a 20 días a la intemperie
cuidando que no ocurra una deshidratación, con el fin de que se realice la
cicatrización. Se preparó el sustrato de arena y tierra en una relación 4:3 y se
2

procedió a plantar en bolsas de plástico negro para vivero, haciendo varios
hoyos en el fondo de la bolsa. La raqueta se sembró colocándola en posición
vertical y cubriéndola con la mezcla de tierra y arena hasta un tercio o un medio
de la penca (10 a 15 cm). La raqueta se sembró colocándola en posición
vertical y cubriéndola con la mezcla de tierra y arena hasta un tercio o un medio
de la penca (10 a 15 cm). En la plantación se colocaron las pencas con
orientación norte-sur (las caras de la penca hacia este y oeste), pues se ha
demostrado que con esta orientación se obtiene mayor desarrollo radicular y
menor daño por quemaduras del sol.
Se realizó el primer riego con agua potable para la estabilización de la planta.
Estos nopales se colocaron dentro de un micro-túnel con lo que se evitó el
riego por lluvia.
Riego de las plantas con agua del río Zahuapan. Se muestreó agua en los
sitios que se encuentran dentro del programa de muestreo para monitoreo del
Río Zahuapan de la Dirección General de Ecología (DGE) del Gobierno del
Estado de Tlaxcala. Los muestreos se realizaron en garrafones plásticos de 20
L (dos por cada punto de muestreo y el blanco), tomando una muestra de cada
uno en frascos de PET y colocados en el refrigerador. Como blanco se utilizó
una muestra de agua potable de la comunidad de San Luis Apizaquito donde
se ubica el Departamento de Ciencias Básicas, Ingeniería y Tecnología. Se
procede a regar los nopales cada 3 días (12 raquetas por cada punto de
muestreo y la muestra estándar), hasta la obtención de retoños de la primera
penca con una longitud aproximada de 10-15 cm.
Riego de las plantas con soluciones de metales pesados. Se prepararon
las siguientes soluciones de sales metálicas, utilizando reactivos grado
analítico: nitrato de plomo, [Pb(NO3)2] 0.08M, 0.04M y 0.02M; nitrato de cinc,
[Zn(NO3)2], 0.04M, 0.02M y 0.01M; nitrato de cromo, [Cr(NO3)2], 0.1M, 0.05M y
0.02M; cloruro de cadmio, CdCl2, 0.05M, 0.02M y 0.01M; y, nitrato de hierro,
[Fe(NO3)2], 0.1M, 0.05M y 0.02M (Ximénez-Embún et al. 2002). Se llevó a cabo
el riego por cuatro semanas, vertiendo un litro en cada planta cada tercer día,
utilizando tres plantas para cada concentración de una solución metálica, más
tres plantas regadas con agua limpia, para un total de 48 plantas de nopal
utilizadas.
Muestreo de las plantas. De cada planta se tomaron muestras en cuadros de
3 a 5 cm del centro de la raqueta más cercana al sustrato. Las muestras se
secaron a 65 ºC, y posteriormente se molieron en un molino de acero
inoxidable.
Preparación de las muestras de agua. Las muestras de agua se analizaron
de acuerdo al método 200.7 de USEPA (1985).
Preparación de las muestras de sustrato y plantas. Las muestras de
sustrato se trataron según el método 6010 de USEPA (1986), y de las plantas
se procesaron de acuerdo al método 3052 de USEPA (1995). 10 mg de cada
muestra se colocaron en una bomba de digestión de teflón, se añadieron 10 mL
de ácido nítrico y se digestaron en horno de microondas por 10 minutos.
Análisis de metales por ICP. Se utilizó un equipo Perkin-Elmer de Inducción
de Plasma Acoplado, modelo Optima 2000 DV, con detección por
espectrometría de emisión óptica. El equipo se calibró con estándares de 0.01,
0.001 y .0002 mg/L de soluciones patrón de Zn, Pb, Cd, Cr y Fe. Se utilizó un
flujo de gas de 12.0 L/min, tiempo de integración de 3 seg, y tres repeticiones
por solución problema. La línea base de la absorción de cada pico se corrigió
3

utilizando dos puntos, y las curvas de absorción se integraron para obtener las
correspondientes áreas bajo las curvas. Las concentraciones de las soluciones
se determinaron a partir de las curvas de calibración lineales de las áreas bajo
las curvas de los estándares. Las concentraciones de los iones metálicos en
las soluciones se obtuvieron en mg/mL de solución, y se convirtieron en
unidades de mg/100g de peso de nopal, utilizando el peso seco de muestra
inicial. Se utilizó un análisis de varianza (ANOVA) para la comparación de
datos experimentales, con una diferencia significativa mínima (LSD) de p

Con respecto al riego con soluciones de soluciones de los iones metálicos
pesados Cr, Pb, Cd, Zn, y Fe, el análisis de varianza indicó que la planta
acumula cromo (F = 17.54 y p = 0.002) y cadmio (F = 5.5 y p = 0.039) a partir
de soluciones de cualquier concentración de estos metales (Fig. 2).
conc. en nopal (mg/100g)
0.0012
0.0008
0.0004
ACUMULACION DE CROMO EN NOPAL
0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
conc. en agua de riego (mg/ml)
conc. en nopal (mg/100g)
0.0012
0.0008
0.0004
ACUMULACION DE CADMIO EN NOPAL
0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
conc. en agua de riego (mg/ml)
Figura 2. Acumulación de cromo y cadmio en la planta de nopal Opuntia ficus
indica. La línea inferior indica la concentración basal del metal, con sus barras
de error. La línea superior indica las concentraciones del metal encontradas en
la planta con cada solución de riego, con las respectivas barras de error. Las
barras de error son de ± 1 desviación estándar.
En la figura 3, se muestra la gráfica correspondiente a la absorción de plomo y
hierro en nopal. Para el plomo, los valores obtenidos de F y p (1.25 y 0.289,
respectivamente), establecen que no hay diferencia significativa entre los
grupos de plantas. Sin embargo, en este caso las plantas regadas con
soluciones de 0.25 mg/ml de Pb se desprenden del grupo, y la comparación de
medias por el método de Duncan demuestra que hay absorción significativa a
partir de esta concentración, con un valor de alrededor de 100 μg de Pb por
100 g de muestra. Para la acumulación de hierro en nopal, el análisis de
varianza tiene valores de 0.996 y 0.34 para F y p, respectivamente, lo que
significa que el hierro no se absorbe en la planta de manera significativa. Sin
embargo, es de notar que el nivel basal de hierro en la planta es mayor que en
el caso de cromo, cadmio y cinc.
Con respecto a la absorción de cinc en nopal. Los valores obtenidos de F y p
fueron 4.29 y 0.065, respectivamente, de lo que se deduce que las
concentraciones de cinc en las plantas regadas con soluciones de cinc no son
estadísticamente diferentes a las concentraciones basales de este metal, es
decir, la planta de nopal no tiene acumulación significativa de cinc.
5

conc. en nopal (mg/100g)
ACUMULACION DE PLOMO EN NOPAL
0.12
0.08
0.04
0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
conc. en agua de riego (mg/ml)
conc. en nopal (mg/100g)
0.016
0.012
0.008
0.004
ACUMULACION DE HIERRO EN NOPAL
0.02
0
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
conc. en agua de riego (mg/ml)
Figura 3. Acumulación de plomo y hierro en la planta de nopal Opuntia ficus
indica. La línea inferior indica la concentración basal del metal, con sus barras
de error. La línea superior indica las concentraciones del metal encontradas en
la planta con cada solución de riego, con las respectivas barras de error. Las
barras de error son de ± 1 desviación estándar.
CONCLUSIONES
La planta de nopal Opuntia ficus indica, acumula metales a partir del agua de
riego de manera diferenciada. La planta es capaz de absorber iones metálicos
del agua de río, donde se encontró una concentración máxima de arsénico de
1.04x10 -3 mg/ml, dándose una correlación entre las concentraciones de
arsénico en el agua de riego y en la planta de nopal (coeficiente de correlación
0.9241), que establece que la planta de nopal es capaz de acumular arsénico.
Con respecto al riego controlado, el análisis de varianza indicó que la planta
acumula cromo (p = 0.002) y cadmio (p = 0.039) a cualquier concentración de
estos metales en el agua de riego; acumula plomo a partir de una
concentración de 0.25 mg/ml; y, no tiene acumulación significativa de cinc (p =
0.065) y hierro (p = 0.34). En el caso de hierro, no es claro que exista absorción
de este metal, sin embargo, las concentraciones de hierro basales nos hacen
pensar que este metal se encuentra en niveles importantes en forma natural en
esta planta.
Es necesario realizar experimentos adicionales para determinar si es que existe
saturación en la absorción de cadmio, cromo y plomo en la planta, y las
concentraciones máximas que pueden alcanzar estos metales. Así mismo, es
importante determinar la acumulación de estos mismos metales a partir de
sustratos preparados, modelando las condiciones de contaminación de suelos
encontradas en diversas partes de la región Puebla-Tlaxcala.
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