Fitorremediación... ¿Fito qué?

Siempre me ha sorprendido como existen personas que recuerdan tanto sobre la educación recibida en su niñez y adolescencia. Personalmente, tengo memoria de "teflón" y pocas cosas recuerdo. Pero de lo poco que recuerdo es a mi maestra de ecología hablando de bacterias utilizadas para convertir aguas negras en agua potable. Desde entonces el tema me pareció sorprendente, y con el paso del tiempo lo retome.

Les voy a platicar una parte de lo que trabaje durante la maestría, que es cuando retome el tema. Precisamente se trata de la fitorremediación. ¿Qué es eso? Se trata de una tecnología que consiste en utilizar plantas para limpiar suelos, sedimentos y aguas contaminados (Zhu et al., 2010). Fito proviene del griego phyton que quiere decir planta y remediación se trata de dar un remedio a los áreas contaminados.

Mecanismo mediante los cuales las plantas actúan en la limpieza de suelos durante la fitorremediación (Fuente: Tesis).

Se han clasificado los diferentes tipo de mecanismos que utilizan las plantas para remediar un área contaminada:

• Existen plantas capaces de absorber los contaminantes y acumularlos en hojas, tallos, raíces (fitoextracción). 
• Algunas permiten estabilizar el contaminantes evitando que se movilice (fitoestabilización). 
• Otras plantas son capaces de absorber el contaminante y liberarlo mediante la transpiración (fitovolatilización). 
• En algunos casos las plantas pueden metabolizar el contaminante y transformarlo a una forma menos tóxica (fitodegradación). 
• Finalmente, algunas plantas lo que hacen es liberar exudados que promueven el desarrollo de otros microorganismos que ayudan a transformar los contaminantes (fitoestimulación) (Saier y Trevors, 2010). 

No quiere decir que las plantas utilicen un solo mecanismo, en la mayoría de los casos la planta utiliza más de uno para poder crecer en medios contaminados.

El suelo está formado por minerales, materia orgánica, y miles de organismos minúsculos que llamaremos microorganismos; claro, además de agua y aire. Los microorganismos son muy importantes en el suelo ya que muchos de éstos fijan nitrógeno, fósforo y carbono al suelo, además de mantener el balance orgánico. Muchos microorganismos interactúan con las plantas proporcionándoles beneficios al suelo y a la planta. Es por ésto que los microorganismos también juegan un papel importante en la fitorremediación.

El suelo se puede contaminar con diferentes compuestos. En mi tesis de maestría en el Colegio de Postgraduados trabajé con compuestos orgánicos, específicamente, con los hidrocarburos policíclicos aromáticos, que son moléculas formadas por anillos aromáticos o también conocidos como bencenos. La estructura química del benceno se identifica por ser un hexágono con un círculo dentro; está formado por 6 carbonos unidos cíclicamente, comparten un doble enlace que está cambiando de lugar constantemente por lo que se forma una nube de electrones; esta peculiaridad hace que se volatilicen con facilidad y generen aromas. Los hidrocarburos policíclicos aromáticos pueden estar formando por dos o más bencenos; son productos de la combustión incompleta de la materia orgánica, petróleo y tabaco. Pueden ser incorporados al ambiente por emisiones de volcanes, incendios, descargas industriales, derrames de petróleo y sus derivados. Son casos comunes en nuestro querido México.

Fenantreno (Fuente: ATSDR, 1995)

Existen diferentes hidrocarburos policíclicos aromáticos, pero el que utilicé en los experimentos de la maestría fue el fenantreno, debido a que es de los más frecuentes en el ambiente. Presenta baja toxicidad (lo que es beneficioso para el que lo manipula), y porque tiene una estructura química sencilla, está formado por 3 bencenos como se ve en la imagen.


La germinación se ha utilizado para saber si la planta va a poder desarrollarse en ambientes contaminados. Una parte de la investigación durante la maestría fue observar si Leucaena leucocephala, una de los varios árboles llamados guaje, era capaz de germinar ante diferentes concentraciones de fenantreno (60, 80 y 100 ppm).

Leucaena leucocephala en su hábito natural, vaina e inflorescencia (Imagen de H. Vibrans, malezas de México) 

¿Qué tiene de especial esta planta? Se trata de un árbol tropical originario de México, Centroamérica y Antillas. Es una leguminosa como el frijol o las habas por lo que las semillas se encuentran en una vaina. Sus semillas son ortodoxas, tiene una capa de cera que dificulta la entrada de agua, es decir, que pueden pasar periodos largos sin germinar y seguir siendo viables. Las flores están dispuestas en una estructura globosa, están varias flores juntas y lo que pareciera una sola flor se le conoce como infloresencia; lo que vemos como flor es un pompon de estambres y estigmas blancos de varias flores.

Es un árbol que crece rápido, llega a vivir hasta 50 años. Es de los árboles de leguminosas más cultivados a nivel mundial; se utiliza para muchas cosas como cerca viva, leña, alimento para ganado (hojas y frutos), materia orgánica, algunas personas se llegan a comer las hojas como quelites, las vainas también son comestibles y son ricas en vitamina A y proteínas. Es utilizada para producir aceites esenciales, pulpa para papel, se puede hacer joyería con las semillas (Sethi y Kulkarni, 1995; Zárate, 1987).

Nódulos de Leucaena leucocephala, para que la fabrica sea activa el nódulo debe ser color rojo en su interior gracias a una sustancia llamada Leghemoglobina. 

Leucaena leucocephala se desarrolla perfectamente en suelos calizos, ácidos y salinos por lo que es una excelente opción para tratar suelos con deficiencias. Otra de las ventajas que confiere utilizarla para la fitoremediación es que al ser una leguminosa tienen raíces poco ramificadas y profundas, además, forma simbiosis con la bacteria Rhizobium tropici, es decir, hacen equipo la planta y la bacteria formando una fábrica de nitrógeno, conocida como nódulo. Para que el nódulo pueda trabajar necesita controlar el oxígeno, ya que las bacterias lo necesitan para vivir pero la enzima que produce el nitrógeno se inactiva con él, por lo que tiene una proteína llamada leghemoglobina que controla los niveles de oxígeno para que la fabrica pueda funcionar bien. Esta proteína tiene hierro, lo que le da un color rojo/rosado. Si quieres saber si un nódulo está funcionando debe tener ese color en su interior.

Otra parte de la investigación consistió en estudiar si la inoculación (aplicación) de R. tropici toleraba las concentraciones de fenantreno, y si era favorable para la germinación. Los resultados fueron bastante interesantes, trataré de enfocarme en los relevantes.

En las primeras horas de germinación (32 h) R. tropici promovió la germinación en semillas sin contaminar. Esto se debe a que la bacteria produce una molécula (lipo-quito-oligosacáridos) que funciona como anuncio "bacteria disponible para hacer simbiosis, ¿algún interesado?". Obviamente, si son plantas afines con la bacteria harán equipo, pero si no son afines pasa algo interesante ya que la presencia de estas moléculas cerca de cualquier tipo de semilla promueve la germinación (Miransari and Smith, 2009). Este efecto se ve disminuido por la aplicación de fenantreno, por lo que es posible que a R. tropici no le agrade tanto el fenantreno.

Porcentaje de germinación de semillas de Leucaena leucocephala inoculadas o no con Rhizobium tropici y por la aplicación de tres concentraciones de fenantreno. El asterisco (*) indica que existen diferencias estadísticas significativas en el porcentaje de germinación entre tratamientos con y sin inoculación. Abreviaciones: 0= sin fenantreno, F60, F80 y F100= aplicación de fenantreno a 60, 80 y 100 ppm. 

Pasadas 136 horas todas las semillas alcanzaron porcentajes de germinación arriba del 70%, por lo que se considera que  L. leucocephala es una planta que resiste el fenantreno hasta en 100 ppm.  Posiblemente a concentraciones mayores la planta presente efectos negativos, pero ya será razón de otros estudios.

Una imagen dice más que mil palabras: les muestro una imagen de los efectos del fenantreno y R. tropici en las semillas ya germinadas. El fenantreno a concentraciones mayores a 60 ppm tuvo efectos tóxicos, causó manchas cafés en los cotiledones, que son las primeras hojas que tendrá la plántula. Estos son puntos de células muertas que debido a la acumulación de fenantreno causan un estrés acelerado en la zona, ocasionando la muerte celular (Alkio et al., 2005). Esta muerte celular es una manera de aislar un problema sin que pueda avanzar a toda la planta.

Por otra parte, se puede observar que R. tropici promovió la aparición de pelos radiculares que se observan dentro de los círculos blancos a pesar de las concentraciones de fenantreno. Su presencia accelera la división celular de la raíz y la proliferación de los pelos radicales (Miransari and Smith, 2009). La presencia de pelos radiculares le ayuda a la planta a absorber más agua y nutrientes, los podemos identificar como pelos de la raíz principal.

Aspecto de las plántulas de Leucaena leucocephala a los 10 días de desarrollo, en las que se observan los daños por la aplicación de fenantreno (80 y 100 ppm) con y sin la inoculación de Rhizobium tropici. Las flechas rojas indican los puntos necróticos y los círculos indican los pelos radicales. 

Por los resultados obtenidos, la inoculación con R. tropici expuestos a 60 ppm de fenantreno ayudó a activar el sistema de defensa de la planta. El mayor efecto se observó en la raíz. En la imagen de abajo se puede observar que el fenantreno a 60 ppm ocasionó un incremento en la raíz, mientras que con R. tropici el tamaño se mantuvo estable.

Efectos en la longitud y peso de la raíz de Leucaena leucocephala por la aplicación de fenantreno e inoculación con Rhizobium tropici.

La aplicación de fenantreno ocasiona que la pared celular, que es el soporte de las célula vegetal, se rompa permitiendo que las células se alarguen. Es un mecanismo que tiene la planta para tratar de buscar zonas donde no se encuentre el contaminante, sin embargo si la concentración tiene un efecto tóxico, este efecto ya no se observa (Alkio et al., 2005). Es por esto que a pesar del alargamiento el peso de la raíz no cambia.

Actividad antioxidante total en la raíz de Leucaena leucocephala por la aplicación de fenantreno y la inoculación con Rhizobium tropici. 

Las células tienen un sistema de defensa ante moléculas o situaciones que pueden dañarla, se conoce como sistema antioxidante. Dependiendo del daño será la respuesta de la célula. Una manera de medir si la planta se está defendiendo o previniendo, es midiendo la actividad antioxidante. Las unidades con las que las medimos son raras y las pueden ver en la gráfica de arriba. Como se puede observar en la gráfica de la actividad antioxidante la aplicación de fenantreno no activó este mecanismo, independientemente de la concentración. Sin embargo, es interesante observar que la aplicación de R. tropici con fenantreno a 60 ppm sí lo activó. Es posible que sea por esto que a esta concentración fueron menores los efectos del fenantreno en la planta.

¿Y todo esto que nos dice?
Con estos resultados se puede concluir que R. tropici ayudó a atenuar los efectos del fenantreno a 60 ppm, debido a que incrementó la actividad antioxidante ayudando a que las células de  L. leucocephala estuvieran prevenidas y pudieran tolerar los efectos del fenantreno.

Es definitivo que a R. topici no le gustan concentraciones mayores de fenantreno, por lo que se le dificultó hacer equipo (simbiosis) con la planta, y no le puede ayudar a reducir los efectos del fenantreno a concentraciones mayores a 60 ppm.

Estos resultados demuestran la importancia que tiene utilizar plantas tienen simbiosis con microorganismos y que ambos sean tolerantes al contaminante, para que juntos realicen la fitorremediación con mayor facilidad.

Definitivamente L. leucocephala se puede utilizar para remediar suelos contaminados con fenantreno, aun que es posible que uno de sus equipos no lleguen a tolerar las mismas concentraciones que la planta.

Si quieres saber más sobre este trabajo, puedes leer mi tesis: "Respuestas de Leucaena leucocephala en simbiosis con Rhizobium y/o micorriza en diferentes etapas de desarrollo durante la fitorremediación de fenantreno".

Literatura citada y para leer más
Alkio, M., Tabuchi, T.M., Wang, X. y Colón-Carmona, A. (2005) Stress responses to polycyclic aromatic hydrocarbons in Arabidopsis include growth inhibition and hypersensitive response-like symptoms. Journal of Experimental Botany 56: 2983-2994.
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ATSDR (Agency for Toxic Substances and Disease Registry) (1995) U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service. Toxicological Profile for Polycyclic Aromatic Hydrocarbons. Atlanta, Georgia, USA.
Calvo-García, S. (2004). Bacterias simbióticas fijadoras de nitrógeno. Gran Enciclopedia Universal. Madrid, España.
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Klaassen, P. (2018). Raíces y pelos radiculares. CANNA. España.
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Miransari M. y Smith D. (2009) Rhizobial lipo-chitooligosaccharides and giberellins enhance barley (Hordeum vulgare L.) seed germination. Biotechnology 8: 270-275.
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Sethi, P. y Kulkarni, P.P. (1995). Leucaena leucocephala: A nutrition profile. Food and Nutrition Bulletin. 16:94.
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