Artículo original

Evaluación de la contaminación por metales pesados y su acumulación en plantas de lechuga (Lactuca sativa L.)

0000-0003-3834-3546Ambar Rosa Guzmán-Morales^{1  *}  , 0000-0002-6129-4976Orestes Cruz-La Paz¹  , 0000-0002-4244-1950Ramiro Valdés-Carmenate¹  , 0000-0002-8570-0895Pedro A. Valdés-Hernández¹ 

¹Universidad Agraria de La Habana “Fructuoso Rodríguez Pérez”, carretera a Tapaste y Autopista Nacional, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, CP 32 700

RESUMEN

Una especie de planta considerada bioindicadora de la presencia de metales pesados en los suelos es la lechuga, consumida por la población de forma fresca, encontrándose en sus hojas las mayores concentraciones. La investigación se realizó en áreas aledañas a la Empresa Cerámica Blanca “Adalberto Vidal” del Consejo Popular de Jamaica, en San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, con el objetivo de evaluar la extracción de metales pesados por plantas de lechuga en condiciones de producción. Se realizó un muestreo aleatorizado del suelo y cultivo. Se determinó el contenido de metales pesados por Fluorescencia de Rayos X-Dispersiva en Energías y se estimó el coeficiente de transferencia en el cultivo. Los valores obtenidos fueron comparados con los límites máximos permisibles y los niveles peligrosos para suelo y plantas, propuestos en la literatura. Los resultados mostraron que el suelo está contaminado por los metales Ni, Cu y Pb. En el cultivo se encontró la acumulación de siete metales pesados estudiados (Fe, Co, Zn, Mn, Cu, Ni y Pb) en niveles elevados y la mayor acumulación es en la parte aérea, lo cual representa un peligro para la seguridad alimentaria local.

Palabras-clave: degradación; polución; toxicidad

INTRODUCCIÓN

Una especie de planta considerada bioindicadora de metales pesados es la lechuga (Lactuca sativa L.), empleada por la población de forma fresca y es en la parte comestible (hojas) donde se acumula la mayor concentración de estos elementos ¹. A pesar del esfuerzo, en cuanto a educación ambiental, que se ha realizado por parte del Grupo Científico FITOPLANT de la UNAH, aún en las áreas aledañas a la Empresa Cerámica Blanca “Adalberto Vidal” (actual empresa mixta desde el año 2018 SANVIG, S.A.) del Consejo Popular de Jamaica, se continúa cosechando este cultivo con fines alimenticios y de comercialización, ya que no muestra síntomas de toxicidad ante condiciones de estrés metálico ².

Algunas plantas y otros organismos desarrollan un complejo mecanismo fisiológico para minimizar los efectos negativos de los metales pesados, controlando la absorción, acumulación y translocación de estos elementos en el tejido vegetal. Estos mecanismos protegen las células, provocando la tolerancia de las plantas a estos elementos, por lo que técnicas de tratamiento tienen su génesis en la capacidad de diferentes organismos (plantas y microorganismos) para degradar, extraer o inmovilizar los contaminantes orgánicos o inorgánicos del suelo o el agua ³. Por ello, son importantes los estudios atribuidos a la presencia de metales pesados y algunos de sus compuestos en zonas agrícolas ubicadas sobre antiguas fundiciones, refinerías, fábricas de aluminio, industria metalúrgica y empresas cerámicas. Algunos de ellos se precipitan en el fango de los alcantarillados, por lo que el cultivo suele contener altas concentraciones de estos metales ⁴.

Se ha demostrado científicamente que, además de causar algunos de los problemas ambientales más graves, la exposición a metales pesados en determinadas circunstancias, es la causa de daños directos en el hombre, ya que a pesar de considerarse elementos traza son tóxicos alimentarios y sus efectos negativos sobre la salud se manifiestan a largo plazo.

Se ha reportado la acción de diferentes metales pesados sobre el incremento de casos de cáncer, lesiones del sistema nervioso y retraso intelectual y mental como resultado del consumo de aguas y alimentos contaminados con estos metales ^5-8.

El objetivo del trabajo es evaluar la capacidad de extracción de metales pesados por plantas de lechuga en condiciones de producción en las áreas aledañas al vertimiento de residuales de la Empresa Cerámica “Adalberto Vidal” en el municipio de San José de las Lajas.

MATERIALES Y MÉTODOS

El estudio se realizó en un área agrícola aledaña al vertimiento de los residuales de la Empresa Cerámica Blanca “Adalberto Vidal” en el municipio San José de las Lajas, provincia Mayabeque (Figura 1), ubicada a una distancia de 200 m de la fuente de contaminación y se estableció como suelo patrón un perfil de la Finca “La Asunción”, ubicada en el mismo municipio, en un área no afectada por residuales, es un terreno no cultivado por más de 60 años, con una vegetación espontánea y no recibe tratamiento alguno.

Figura 1 a) Expulsión y tránsito de los residuales de la Empresa b) área de producción 

Para el montaje del experimento se utilizó un diseño Completamente Aleatorio. Para las matrices en estudio (suelo y cultivo) se tomaron cinco puntos de muestreo con tres réplicas. Los muestreos se realizaron siguiendo diagonales en la parcela: inicio, medio y final, obteniendo al final una muestra única como promedio de los puntos de muestreo.

Las muestras de suelo se tomaron manualmente a una profundidad de 0-20 cm, despreciando la capa superficial, con una separación aproximada de 1 m del límite de la parcela, en esta misma condición se tomaron las muestras del cultivo de lechuga (Lactuca sativa L.) var. Black Simpson, en el momento de la cosecha, realizando las determinaciones de metales pesados en raíz, tallo y hojas. Además, se calculó el coeficiente de transferencia a partir de la relación parte aérea/parte radical, que indica hacia donde se translocan los iones metálicos.

Las muestras de suelo se limpiaron (eliminación de piedras, plantas, materias extrañas) y se tamizaron a 125 μm para luego mezclarlas con celulosa en una relación 4:1, después de homogeneizadas, se confeccionaron pastillas “infinitamente gruesas”, prensadas a 15 t. La irradiación de las pastillas se realizó por 6 h de tiempo vivo y el tiempo muerto estuvo en todos los casos por debajo del 1 %.

Los análisis se realizaron en el Laboratorio Analítico del Departamento de Física Nuclear de InSTEC por Fluorescencia de Rayos X-Dispersiva en Energía ⁹. La determinación de la concentración de metales pesados se realizó con un detector de alta resolución de Si(Li) para la espectrometría de rayos X y una fuente radioisotópica de ²³⁸Pu de fotones de baja energía mediante Fluorescencia de Rayos X-Dispersiva en Energía. Se utilizó una cámara de excitación de aluminio con un colimador para la radiación características de 1 cm de diámetro y altura del portamuestra ajustable. La mínima distancia fuente-detector es de 18 mm, la excitación radioisotópica directa fue suministrada por AMERSHAND, la cual tiene un tiempo de vida media de 87 años, una energía de emisión (U-L) de 12-17 KeV, con un esquema de desintegración α. Todos los espectros fueron procesados con el código WinAxil versión 4.5.2.

Para las determinaciones en muestras vegetales del cultivo de lechuga, después de secadas a 70 ºC por separado parte aérea y raíz, se homogenizaron mediante el molinado de las mismas. Posteriormente, se peso 0,1 g de cada una de las partes en una balanza analítica (Sartorius BP121S) y que fueron sometidas a un proceso de digestión con HNO₃, HCl (3:1) por 30 min. Los niveles de los metales se determinaron por Espectrofotometría de Absorción Atómica con llama aire-acetileno en el equipo BuckScientific 210 VGP, según procedimiento establecido y validado en el Laboratorio de Análisis Ambiental ¹⁰.

En el análisis de los datos experimentales se utilizó el programa estadístico STATGRAPHICS Plus para Windows 5.1. Se realizó la prueba de ANOVA simple para lo cual se estableció un nivel de significación de 0,05 para un 95 % de intervalo de confianza. Se aplicó las dócimas de comparación por Duncan para determinar entre cuáles niveles se estableció la diferencia significativa y para aquellos valores medios que presentaron diferencias significativas, les fueron asignadas letras distintas.

En el caso del estudio de las muestras de suelo, el procesamiento estadístico de los datos consistió en el cálculo de los intervalos de confianza de las medias por tratamientos de las variables evaluadas, para un nivel de confianza del 95 %.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Concentración de metales pesados en el suelo

Los resultados del análisis de las muestras de suelo, en las áreas agrícolas aledañas al vertimiento de los residuales de la antigua Empresa Cerámica Blanca “Adalberto Vidal” en el municipio San José de las Lajas mostró que las concentraciones de los metales pesados evaluados (Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Pb y Fe) fueron superiores a la determinada en el suelo patrón (Tabla 1); con la excepción del Co, donde la diferencia es de cinco unidades y del Fe, 1,41 unidades porcentuales, ya que para este elemento se hace referencia al porciento de su cantidad en la muestra, porque fue seleccionado como metal de referencia para el estudio; poco influenciado por fuentes antropogénicas, debido a los altos niveles naturales de este elemento en la corteza terrestre ^11-13.

Tabla 1 Concentración de metales pesados (mg kg^-1) en el suelo que recibe los residuales de la Empresa Cerámica Blanca “Adalberto Vidal” en el municipio de San José de las Lajas 

Muestras	Cr ± std	Co ± std	Ni ± std	Cu ± std	Zn ± std	Pb ± std	Fe(%)± std
	(mg kg^-1)
Patrón	118±42	15±4	84±29	364±98	117±40	90±27	4,54±1
Contaminado	154±38	20±38	317±25	421±32	415±24	173±31	5,95±1
VR^a	100	9	35	36	140	85
VI^a	380	240	210	190	720	530
LSP^b	100	50	75	100	300	100
CT^c	100	25	74	55	70	13	5

a-Valores de Referencia (VR) y de Intervención de las Normas Holandesas ¹¹

b- Límite Superior Permisible en suelos ¹²

c- Valores reportados para la Corteza Terrestre ¹²

Los valores de concentración de metales pesados del suelo contaminado son superiores a los valores de referencia y en el caso del níquel y el cobre, el valor supera al límite de intervención de dichas normas, lo cual clasifica a dicho suelo como medianamente contaminado en Cr, Co, Zn y Pb y con necesidad de remediación urgente, debido a las concentraciones de Ni y Cu. A su vez estos valores, a excepción del cobalto son superiores a los reportados para la corteza terrestre y los propuestos como Límites Superiores Admisibles ¹².

Para el resto de los elementos analizados el orden decreciente que sigue en aportes de contaminación es Zn, Ni, Pb, Cu y C, con valores de 298, 233, 83, 57 y 36 unidades de diferencias respectivamente entre el suelo contaminado y el suelo patrón, lo que equivale a un porcentaje de 99,33 % para el Zn y 310,66 % para el Ni por encima del límite superior permisible, que son los que mayor aporte realizan ¹².

Estos resultados están relacionados directamente con los desechos provenientes de la Empresa Cerámica Blanca “Adalberto Vidal”, que tiene entre sus materias todo tipo de arcillas y caolines, procedentes de distintas provincias del país: Pinar del Río (Club de Cazadores), Las Tunas (Dumañuelos), Isla de la juventud (Santa Elena), así como feldespatos procedentes de Sancti Spíritus (Pico tuerto), además, otros muchos óxidos resistentes a altas temperaturas, como el corindón (Al₂O₃), óxido de circonio (ZrO₂) o carburo de silicio (SiC) y compuestos orgánicos como el azul de metileno; arcillas que contienen metales pesados en forma de óxidos como por ejemplo: Hierro (Fe), Manganeso (Mn), Aluminio (Al), Silicio (Si), Bario (Ba), Titanio (Ti), Circonio (Zr), y Cinc (Zn), entre otros elementos como Calcio (Ca), Magnesio (Mg) y Sodio (Na) (1,7,10).

Los metales de mayor concentración en el suelo según los cálculos son Ni, Cu y Pb (Figura 2); se puede apreciar que estos elementos se encuentran en concentraciones superiores a los requeridos por estos niveles establecidos, obteniéndose diferencias estadísticamente significativas respecto a los tres valores con los que se compara.

Figura 2 Concentración de Ni, Cu y Pb comparados con los niveles medios aceptables para la producción de alimentos sanos y niveles fitotóxicos 

Las concentraciones de estos elementos (Ni, Cu y Pb) son superiores a los reportados para la media de los suelos agrícolas cubanos ^12-16. Al comparar la concentración de estos metales (Ni, Cu y Pb) con los niveles permisibles para alimentos sanos (N.P.A.S), niveles medios fitotóxicos (N.M.F) y niveles en suelos agrícolas cubanos (N.S.A, Cuba).

Todos estos resultados tienen una influencia química-biológica sobre los cultivos que se producen en estas áreas, ya que como se puede comprobar los valores con que se comparan están relacionados con la inocuidad de los alimentos, propiedad que toma interés en la seguridad alimentaria local ¹⁶. Además, ratificar la importancia de estos estudios, porque los elementos químicos que se estudian en su mayoría son micronutrientes esenciales para el crecimiento y el desarrollo de las plantas ^13,15. Es por ello que el productor aprecia un crecimiento y desarrollo de las plantas, que no muestra síntomas de deficiencia nutricional.

Concentración de metales pesados en el cultivo de Lechuga

Al analizar los valores de concentración obtenidos en las muestras de lechuga, en relación con algunos niveles permisibles, se puede comprobar que el cultivo es capaz de extraer varios elementos tóxicos (Fe, Co, Zn, Mn, Cu, Ni, Pb), superando en todos los niveles de concentración suficiente o normal en plantas (S) ^4,7,12 e igualmente supera las concentraciones excesivas o tóxicas (E) para todos los metales evaluados, excepto para Mn y Pb (Tabla 2).

Tabla 2 Concentración de metales pesados (mg kg^-1 de MS) en el cultivo de lechuga y su valor del coeficiente de transferencia 

Muestras		Fe	Co	Zn	Mn	Cu	Ni	Pb
		mg kg^-1 de MS
Hojas		974	28	800	114	176	124	174
Raíces		1 098	25	1 145	47	321	93	153
Tallos		4 720	30	637	243	320	160	133
Límites permisibles en plantas	S	--	--	30	30	5	0,1-5	--
	T	--	--	50	300	5-20	10	10
	E	--	1	100	1 000	20-100	10-100	30-300
Coeficiente de transferencia		5,19	2,32	1,26	7,6	1,55	2,94	2,01

(S) Niveles de concentración suficiente o normal en plantas, (T) Niveles tolerables en cultivos agrícolas, (E) Concentraciones excesivas o tóxicas

Existe una elevada acumulación de Fe, Zn y Cu en las raíces, tallos y hojas, con mayor presencia en el Fe y el Zn, que son elementos considerados como tóxicos para los cultivos agrícolas ¹⁷. Para el cultivo de la lechuga no resulta perjudicial, pues posee mecanismos fisiológicos que le permiten tomarlos rápidamente y acumularlos en sus partes aéreas, posibilitando que sobreviva en las condiciones de estrés metálico donde se desarrolla la planta ^18,19. Por lo tanto, representa un modelo de cultivo económico de referencia para estudiar mecanismos de acumulación de metales, así como los mecanismos de fitoextracción que utiliza la Fitorremediación, como método para remediar áreas vulnerables a la contaminación por metales pesados ¹⁸.

En el caso del coeficiente de transferencia calculado (Tabla 2) se observó cómo para todos los elementos evaluados la translocación es desde la parte radical hacia la parte aérea, lo cual corrobora el riesgo de cultivarlo en condiciones de contaminación ¹⁹, pues se incumple con la inocuidad de los alimentos ¹⁸. Estas condiciones de contaminación por metales pesados en los suelos no deben permitirse para el cultivo de especies agrícolas con fines alimentarios ^_(20,21) , ya que en el caso de la lechuga hay una gran acumulación de estos elementos muy elevados en las hojas, que es precisamente su órgano de consumo, además de forma fresca y está clasificada según la literatura, como bioacumuladora y bioindicadora, de metales pesados ²².

CONCLUSIONES

• Los suelos aledaños al vertimiento de la Empresa Cerámica Blanca, en el municipio San José de las Lajas, están medianamente contaminados por los contenidos de Cr, Co, Zn y Pb y con necesidad de remediación urgente, debido a las concentraciones de Ni y Cu, lo que demuestra que son áreas no aptas para uso agrícola.

• Los valores de los metales pesados en suelo con mayor concentración de Ni, Cu y Pb, superan los niveles permisibles para alimentos sanos, los niveles medios fitotóxicos y los niveles en suelos agrícolas cubanos.

• El cultivo de lechuga, obtenido en condiciones de contaminación por metales pesados, se muestra como acumulador de los metales Fe, Co, Zn, Mn, Cu, Ni, Pb, superando en todos los niveles de concentración suficiente o normal en plantas.

• El coeficiente de transferencia calculado para el cultivo de lechuga, indica que todos los metales estudiados se translocan desde la raíz hacia la parte aérea del vegetal, siendo superiores en orden para el caso del Mn, Fe, Ni, Co, Pb.

RECOMENDACIONES

Continuar los estudios fisiológicos-bioquímicos de las especies que se cultivan en otras áreas aledañas al vertimiento de los residuales de la Empresa Cerámica Blanca en el municipio San José de la Lajas, para comprobar su nivel de toxicidad, de forma que se alerte sobre el peligro para la seguridad alimentaria de la localidad.

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Received: June 24, 2020; Accepted: August 26, 2021

^*Autor para correspondencia: [e-mail]