Guido Juan Sarmiento Sarmiento; Bertha Roxana Mestas Valdivia; Andrew Brian Velasquez Zuñiga; Juan Pablo Portilla Llerena; Jose Luis Javier Vega Ramirez; Ronald Demetrio Navarro Oviedo

Objetivo

Evaluar la capacidad de fitoextracion de Cr+3, Pb+2, Cu+2 y Hg+2, tolerancia, nivel de expresión de genes asociados a metalotioneínas y fitoquelatinas en Encelia canescens, Grindelia tarapacana, Chenopodium murale, Eleocharis montevidensis y su relación con la aclimatación al estrés salino.

Resumen:

Distintos eventos, producto de la actividad antropogénica, están promoviendo la transferencia, bioacumulación y biomagnificación de metales pesados (MP), deteriorando los ecosistemas, provocando toxicidad en los organismos vivos y comprometiendo la salud de la población arequipeña. Una alternativa para la reducción de la toxicidad por MP, es el uso de la Fitoextracción, que involucra plantas tolerantes que acumulen contaminantes orgánicos e inorgánicos en sus partes aéreas. Se ha relatado especies endémicas de la Region creciendo en lugares contaminados por relaves mineros y efluentes de industria de curtiembres, acumulando metales en su parte aérea, sin embargo, en esas especies, no existe estudios del efecto del estrés salino sobre la capacidad de Fitoextracción y los mecanismos que otorgan tolerancia (fisiológicos, bioquímicos y moleculares) a la toxicidad por MP, teniendo en consideración que : 1) las plantas glicofitas (sensibles a la sal, pero algunas con capacidad de aclimatación) son numerosas en relación a la plantas halófitas y 2) muchas zonas con suelos contaminados con MP también poseen altas concentraciones de sales, indicando que estas áreas y otras se salinicen aún más en un futuro cercano debido al cambio climático. Así, esta investigación tiene como objetivo evaluar la capacidad de Fitoextracion de Cr+3, Pb+2, Cu+2 y Hg+2, tolerancia, nivel de expresión de genes asociados a metalotioneínas y fitoquelatinas en Encelia canescens, Grindelia tarapacana, Chenopodium murale, Eleocharis montevidensis y su relación con la aclimatación al estrés salino. Para este fin, se colectarán, semillas y rizomas de plantas de E. canescens, G. tarapacana, E. montevidensis y C. murale que crecen en el relave minero de Kiowa, riberas del río Chili (Puente de San Martín y Puente de Fierro) y efluentes industriales del parque industrial de Río Seco, Arequipa. Las semillas y rizomas serán sembrados y trasplantados en almácigos conteniendo arenas lavada. Una vez germinados las semillas y enraizados los rizomas estos serán regados con agua corriente y fertilizados con la solución nutritiva de Hoagland diluida (1/8) y pH=6.7-6.9. Al cabo de 90 días se procederá al 1er Experimento que consistirá en someter 2 grupos de las distintas plantas en estudio a condiciones de aclimatación y no aclimatación a la salinidad, bajo distintas concentraciones de NaCl: 100,200,300,400 y 500 ppm diluidas en solución hoagland [(1/8) de conductividad 1.32 mS.cm-1 y pH=6.7-6.9], em vasos de 300 ml bajo condiciones controladas (fitotron), evaluando su capacidad de acumulación de Na, porcentaje de supervivencia, parámetros de crecimiento y calculando la salinidad letal (SL50) mediante el test de Probit, a partir de experimentos de estabilidad de membrana.

Palabras clave

Fitoextracción, metales pesados, estres salino, metabolismo antioxidante, expresión génica, metalotioneinas, fitoquelatinas

Problema central

Es importante considerar el problema de la salinidad en la estrategia de fitorremediación por parte de plantas tolerantes en esta tecnologia, teniendo en consideración, que en muchas zonas los suelos contaminados con altas concentraciones de MP también tienen altas concentraciones de sales (Fatnani et al., 2023). Estas situaciones pueden surgir en regiones áridas semiáridas donde la minería y la industria de curtiembre contribuye a la liberación tanto de HM como de sales solubles (Lutts & Lefèvre, 2015; Zaman et al., 2018) casos que se presentan en distintas regiones del Perú, incluyendo a Arequipa, indicando que estas áreas y otras se salinicen aún más en un futuro cercano debido al cambio climático (Jeppesen et al., 2020). Las plantas halófitas son consideradas como candidatas útiles en la remediación de suelos presentando altas concentraciones de MP debido a su capacidad de resistir tanto la toxicidad ionica como el estrés osmótico derivadas de la salinidad (Patel & Parida, 2021) . Las plantas glicofitas son mas numerosas en el reino vegetal en relación a las halofitas y son sensibles a la salinidad, no obstante, existen numerosos estudios que muestran que pre- tratando plantas glicofitas con concentraciones moderadas (sub-letales) de NaCl, pueden aumentar substancialmente la capacidad de estas plantas para tolerar altas salinidades (Amzallag et al., 1990; Djanaguiraman et al., 2006; Pandolfi et al., 2012, 2016; Umezawa et al., 2004), a través de un proceso denominado “aclimatación” (tolerancia adquirida) desarrollándose ajustes fisiológicos, bioquímicos y moleculares (Pandolfi et al., 2017). Por tanto, la contaminación por MP presente en Arequipa conlleva urgentemente a identificar y determinar nuevas especies de plantas tolerantes (halófitas y glicofitas) endémicas con capacidad de fitorremediación y que presenten tolerancia a más de un MP (co-tolerancia), bajo condiciones de estrés salino. Es por ello, que en esta investigación se evaluará a las plantas endemicas glicofitas: Encelia canescens, Grindelia tarapacana, Eleocharis montevidensis y a la halófita , Chenopodium murale siendo que las dos primeras crecen suelos contaminados por MP producto de la actividad minera de la región de Arequipa (Vásquez 1998) y C. murale y E. montevidensis crecen en contacto directo con efluentes de curtiembres de Arequipa e industriales que desembocan en el rio Chili, respectivamente (de Vizcardo, 2006; Pinto Paredes, 2018; Rosas Quina, 2019), resaltando que, bajo estas condiciones, estas plantas pueden haberse establecido como variedades resistentes que podrían ser utilizadas para la remediación de MP, estudiando los mecanismos de resistencia expresados en tolerancia y evitamiento, de estas, frente a la toxicidad por Cr, Pb, Cu y Hg , bajo condiciones de aclimatación y shock (no aclimatación) al estrés salino, a partir de la caracterización de parámetros fisiológicos, bioquímicos (actividad enzimática antioxidante y no enzimática antioxidante: contenido de clorofilas y carotenoides, antocinaninas, flavonoides, fenoles, tioles libres, poliaminas, prolina, glicina-betaina, azucares solubles totales y reductores, aminoácidos libres, radicales libres, malondialdehido entre otros y moleculares ( aislamiento, secuenciamiento identificación y expresion relativa de genes asociados a metaloproteinas: fitoquelatinas y metalotioneninas). La caracterización de estos distintos parámetros aquí establecidos pueden servir como un punto de partida en el conocimiento del mecanismo de tolerancia y detoxificación por parte de estas plantas frente a la toxicidad por MP, bajo condiciones de estrés salino, para la selección de genotipos según su grado de sensibilidad o tolerancia, y adicionalmente para definir su estrategia de fitorremediación (acumuladora o estabilizadora). Como consecuencia, esta investigación puede constituir un estudio de referencia que podría formar la base de estudios futuros sobre transformación genética.

Hipótesis planteada

Se conoce que las plantas hiperacumuladoras son poco comunes y frecuentemente se las encuentra en áreas remotas. No obstante, la búsqueda de plantas (glicofitas o halófitas) para ser empleadas en fitorremediación, aunque no sean hiperacumuladoras, debe ser conducida en encontrar aquellas que tengan la habilidad de ser tolerantes, acumular Metales Pesados en la parte aérea y poseer una biomasa desarrollada. Por otro lado ha sido relatado que las plantas que crecen en zonas que presentan elevadas concentraciones de metales pesados han desarrollado mecanismos de tolerancia y evitamiento adoptando mecanismos de acumulación y exclusión, que son dependientes de la especie vegetal, del metal pesado en particular y de las condiciones medioambientales. Por lo que se postula que plántulas de Chenopodium murale, Encelia canescens, Grindelia tarapacana y Eleocharis montevidensis al ser tratadas con distintas concentraciones de NaCl en condiciones de aclimatación y no aclimatación (SHOCK) presentaran distinta capacidad de Fitoextraccion a distintas concentraciones de Cr+3, Pb+2, Cu+2 y Hg+2, respondiendo de forma variable de acuerdo a su grado de tolerancia y/o evitamiento, en su crecimiento (índice de tolerancia, relación vástago/raíz e acumulo de biomasa) metabolismo (expresado en la estimulación de enzimas antioxidantes e acumulación de componentes no enzimáticos antioxidantes, contenido y proporción de pigmentos fotosintéticos, proteína soluble, azucares solubles, malondialdehido (peroxidacion lipídica) y componentes de la pared celular asociado al nivel de expresión de genes relacionados a Fitoquelatinas y metalotioneinas en vastagos de tales plantas.

Resultados esperados

Esta investigación evaluara la Fitoextracion de Cr, Pb, Cu y Hg, tolerancia, expresión de genes asociados a metalotioneínas y fitoquelatinas en Encelia canescens, Grindelia tarapacana, Chenopodium murale, Eleocharis
montevidensis y su relación con la aclimatación al estrés salino. En un 1er Experimento se someterán las plantas a aclimatación y shock al NaCl, evaluando acumulación de Na, supervivencia, crecimiento y salinidad letal (SL50). Un 2do experimento será con plantas pretratadas con NaCL (SL50) por aclimatacion o no, y luego sometidas a Cr+3, Pb+2, Cu+2 y Hg+2, para evaluar: su crecimiento, biacumulacion de metales, metabolismo antioxidante y radicales libres, entre otros. En un 3er experimento, las especies serán sometidas a concentraciónes bajas, e intermedias de los metales y en las condiciones descritas en el 2do experimento, para proceder con el aislamiento, identificación y evaluación de la expresión génica de genes asociados a metalotioneinas y fitoquelatinas.

- 02 Artículos científicos publicados en revistas indizadas base Scopus, Web Of Science (*). (&)
- 01 Congresos o eventos similares (ponencias orales y/o posters) (*) (&)
- 01 Tesis de pregrado o posgrado (*)

SE REASIGNARON COMO INDICADORES DE PRODUCTO POR NO SER DE RESPONSABILIDAD DEL IP, segun comunicación de la Coordinación de la UGINV:
- 01 Publicación en web site el proyecto (*)
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- 01 Publicación en Marketplace UNSA los resultados obtenidos (*)

Impactos esperados

La fitorremediación se considera como una tecnología alternativa de largo plazo, que puede requerir de varias cosechas para reducir la concentración de metales pesados a niveles aceptables. El tiempo requerido depende de la concentración y tipo de metal pesado, de la duración del periodo de crecimiento y desarrollo vegetal y de la eficiencia de remoción de la especie utilizada que puede tomar entre uno y 20 años. Debido a que los costos de crecimiento de una planta son mínimos comparados con los de la remoción y sustitución del suelo (métodos físico-quimicos), el uso de la fitorremediación es muy promisorio. Se ha sugerido que la fitorremediación estaría fácilmente disponible de forma
comercial si las propiedades de remoción de metales de las plantas hiperacumuladoras pudieran ser transferidas a especies tolerantes con elevada biomasa a partir de procesos de mejoramiento genético y/o transgénesis. Por tanto, la caracterización de las distintas especies en este estudio, en cuanto a su capacidad de aclimatacion a la salinidad, eficiencia de acumulación de metales pesados en sus tejidos y los mecanismos de tolerancia y evitamiento (fisiológicos, bioquímicos y moleculares) a estos, primeramente nos permitirá distinguir especies sensibles y tolerantes. Luego, las características encontradas en las especies tolerantes pueden ser de amplia utilidad para contribuir programas de
mejoramiento genético y/o transgénesis en el desarrollo de especies con un mayor potencial fitorremediador, de mayor biomasa y tolerantes; con el objetivo de disminuir el tiempo de remoción de los metales pesados y así optimizar el proceso de fitorremediación, usando estas plantas en sistemas de gran escala como se ve en la aplicación de humedales artificiales para el tratamiento de efluentes de actividad minera con elevadas cantidades de estos elementos, evitando la contaminación de los suelos y aguas y no comprometiendo la salud de la población.