Elementos químicos en masa seca de Pistia stratiotes L., Ciego de Ávila, Cuba

Chemical elements in the dry mass of Pistia stratiotes L., Ciego de Avila, Cuba

Leslie Hernández Fernández1

https://orcid.org/0000-0002-1939-9790

José Carlos Lorenzo Feijoo1

https://orcid.org/0000-0003-3610-1789

Yanier Acosta Fernández1

https://orcid.org/0000-0001-7017-0556

Julia Martínez Rodríguez1

https://orcid.org/0000-0002-2272-9789

Roberto González de Zayas2

https://orcid.org/0000-0001-8035-8624

1Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez, Centro de Bioplantas, Ciego de Ávila, Cuba

2Universidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez, Facultad de Ciencias Técnicas, Ciego de Ávila, Cuba

coraleslhf@gmail.com    lorenzojosecarlos68@gmail.com  yacfdez@gmail.com    jmartinezr40@gmail.com

roberto.gz710803@gmail.com

Cite este artículo como:

Hernández Fernández, L., Lorenzo Feijoo, J.C., Acosta Fernández, Y., Martínez Rodríguez, J. y González de Zayas, R. (2005). Elementos químicos en masa seca de Pistia stratiotes L., Ciego de Ávila, Cuba. Universidad & ciencia, 14(2), e8810.

URL: https://revistas.unica.cu/index.php/uciencia/article/view/8810

DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.16887744

Resumen

Introducción: Pistia stratiotes L. es una planta acuática invasora. En Cuba, se emplea como planta ornamental. Sin embargo, en otras regiones, es usada para compostaje, pues mejora el crecimiento de los cultivos y permite obtener beneficios ambientales. Objetivo: determinar la concentración de elementos químicos en la masa seca de la planta acuática invasora P. stratiotes para avalar su posible uso como abono orgánico o sustrato mezclado, en cultivos de pequeñas extensiones. Método: para el análisis de la mayoría de los elementos químicos, tanto en el agua de la laguna Vista Alegre, como en la masa seca de P. stratiotes, se empleó espectrometría de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente. Se determinó el factor de bioconcentración y de translocación. Resultados: los elementos de mayor concentración, en el agua de la laguna, fueron el Na, Ca, K. Los elementos de mayor valor de bioconcentración, en la masa seca de P. stratiotes, fueron en S, P y K. En las hojas de P. stratiotes los elementos de mayor concentración fueron Ca>K>N y en las raíces; N>Ca>Na. La concentración de metales pesados, está por debajo de los límites máximos permisibles establecidos para abonos orgánicos y sustratos de cultivos. Los elementos con mayor factor de translocación fueron el B, Ca, K, Pb, Sr y Zn. Conclusión: P. stratiotes demostró potencial fitorremediador. La masa seca de P. stratiotes, procedente de la laguna Vista Alegre, contiene macronutrientes y micronutrientes, por lo que pudiera utilizarse como abono orgánico o sustrato mezclado para cultivos de pequeñas extensiones.

Palabras clave: abono orgánico; macronutrientes; metales pesados; micronutrientes; sustrato mezclado

Abstract

Introduction: Pistia stratiotes L. is an invasive aquatic plant. In Cuba, it is used like ornamental plant. However, it is used in other regions for composting, as it improves crop growth and provides environmental benefits. Objective: to determine the concentration of chemical elements in the dry mass of the invasive aquatic plant P. stratiotes to support its possible use as organic fertilizer or mixed substrate in small-scale crops. Method: for the analysis of most of the chemical elements, both in the water of the Vista Alegre lagoon and in the dry mass of P. stratiotes, inductively coupled plasma optical emission spectrometry was used. The bioconcentration and translocation factors were determined. Results: the elements with the highest concentration in the lagoon water were Na, Ca, K. The highest bioconcentration values in the dry mass of P. stratiotes were S, P and K. In the leaves of P. stratiotes, the elements with the highest concentration was: Ca>K>N and in the roots; N>Ca>Na. The concentration of heavy metals is below the maximum permissible limits established for organic fertilizers and crop substrates. The elements with the highest translocation factor were B, Ca, K, Pb, Sr and Zn. Conclusion: P. stratiotes has demonstrated phytoremediation potential. The dry mass of P. stratiotes, from the Vista Alegre lagoon, contains macronutrients and micronutrients, so it can be used as organic fertilizer or mixed substrate for small-scale crops.

Keywords: heavy metals; macronutrients; micronutrients; mixed substrate; organic fertilizer

Introducción

Pistia stratiotes L. es una planta acuática invasora para Cuba (Oviedo y González, 2015) y en el mundo (Ružičková et al., 2019). Es nativa de América Tropical, pero tiene una amplia distribución mundial (Henry Silva et al., 2008). Pertenece a la familia Araceae y tiene una flotabilidad libre perenne. Presenta variaciones morfológicas altamente influenciadas por las condiciones ambientales donde se desarrolla y por la densidad de sus poblaciones (Yesmeen et al., 2018).

Dentro de los efectos negativos que ocasiona P. stratiotes está la pérdida de la biodiversidad, alteración y modificación del hábitat, transformación de la calidad del agua, disminución de la superficie de aguas libres, bloqueo de canales e impide el paso de la luz al interior del estanque (Trisilawati et al., 2020). A pesar de ello, también brinda beneficios como la oxigenación del agua, cuando no hay un crecimiento excesivo que cubra todo el espejo de agua, fija el dióxido de carbono (CO2), recicla y absorbe nutrientes, regula los efectos de la temperatura, la luz y el transporte de sedimentos, y contribuye a mantener aguas transparentes, reduciendo la contaminación (Trisilawati et al., 2020).

Para Cuba, se tienen pocas referencias sobre P. stratiotes. González (2009) expuso que es utilizada como ornamento en acuarios y fuentes. Hoy día, en Ciego de Ávila, P. stratiotes está identificada en lagunas artificiales de agua dulce (Hernández Fernández et al., 2023). No se emplea con ningún fin, y si bien no afecta directamente al hombre, su proliferación excesiva en la laguna Vista Alegre sí debe afectar a la flora y fauna que habita en ella. También, incide negativamente sobre las aves acuáticas migratorias, las cuales hacían uso de la laguna cuando aún no estaba cubierta por P. stratiotes (observación personal).

Varios estudios demuestran que P. stratiotes se emplea como material base para el compostaje, pues mejora el crecimiento de los cultivos y permite obtener beneficios ambientales (Rattanawong et al., 2022; Lestari et al., 2022; Dissanayaka et al., 2023; Prabawardani et al., 2024). No obstante, el empleo de su masa seca para producir abonos orgánicos, depende de su ciclo de crecimiento, de regulaciones locales, de la disponibilidad de tecnología para la obtención de la masa seca y de su composición química. Teniendo en cuenta lo anteriormente planteado, en este trabajo se propone como objetivo, determinar la concentración de elementos químicos en la masa seca de la planta acuática invasora P. stratiotes para avalar su posible uso como abono orgánico o sustrato mezclado, en cultivos de pequeñas extensiones.

Materiales y Métodos

Área de estudio. El estudio se realizó en el municipio de Ciego de Ávila, provincia de igual nombre. Localizada en la región central de Cuba, entre las provincias de Sancti Spíritus y Camagüey, como se observa en la figura 1.

Figura 1

Área de estudio. Laguna artificial de agua dulce Vista Alegre en Ciego de Ávila, Cuba, (21°51’9’’N-78°46’39’’W)

Características morfológicas de P. stratiotes. En la época poco lluviosa, específicamente en enero de 2022, se extrajeron 45 ejemplares de la planta acuática invasora P. stratiotes de la laguna artificial de agua dulce Vista Alegre, representada en la figura 1. Según Cabrera Sánchez (comunicación personal), se desconoce el origen de la laguna Vista Alegre. Se le llamó así por estar ubicada en el reparto Vista Alegre de la ciudad de Ciego de Ávila. A cada ejemplar de P. stratiotes, se le determinó el número de hijos. A la planta principal se le midió la raíz más larga (cm) (con una regla). Se le contó el número de hojas. Se tomaron tres hojas, de mediana edad, y a cada una se le midió el largo (cm), desde la base del peciolo hasta el ápice. También, se le midió el ancho (cm), por el haz, de borde a borde, por el centro de la hoja (con una regla).

Determinación de la concentración de elementos químicos en la laguna de agua dulce Vista Alegre y factor de bioconcentración (FBC) en P. stratiotes.

En el agua de la laguna Vista Alegre se determinó la concentración de 25 elementos químicos (mg mL-1) (Al, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, S, Se, Sr, Tl, Zn). Para ello se tomaron cinco muestras de agua (1 L), a 1 m de profundidad. Se tomaron 2 mL de cada muestra y se le agregó 1,5 mL de ácido nítrico. Pasados 10 min, se le agregó 11,5 mL de agua ultrapura (en total 15 mL). Las soluciones se filtraron (tamaño de orificio 0,45 µm) y se almacenaron en viales a 4°C antes del análisis final. Las muestras se analizaron mediante Espectrometría de Emisión Óptica de Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-OES) (iCAP 6000 ICP Spectrometer, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA).

El factor de bioconcentración (FBC), es la relación entre la acumulación del elemento químico en el agua y en la biomasa de la planta (Ali et al., 2013; Yadav et al., 2018). El FBC de las plantas estudiadas se calculó usando como base su masa seca (MS) mediante la ecuación 1, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2

Ecuación para determinar el factor de bioconcentración (FBC) en P. stratiotes

Nota. Leyenda: FBC: factor de bioconcentración. Cplanta: concentración del elemento químico en la planta (mg g-1). Cagua: concentración del elemento químico en el agua de la laguna (mg mL-1).

Determinación de la concentración de elementos químicos en hojas y raíces de P. stratiotes y factor de translocación (FT).

Se determinó la concentración (mg g-1) de 26 elementos químicos (Al, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Li, Mg, Mn, N, Na, Ni, P, Pb, S, Se, Sr, Tl, Zn) en muestras de MS (5 g), tanto de hojas, como de raíces de las plantas de P. stratiotes.  Las muestras de material vegetal se midieron químicamente tres veces (total = nueve muestras). Se secaron (60 °C hasta peso constante) y luego se molieron hasta obtener un polvo fino (molinillo MM 400, Retsch GmbH, Haan). A excepción del N, se incineraron 100 mg del polvo molido durante 8 h en un horno de mufla a 480 °C (M104, Thermo Fisher Scientific Corporation, Waltham, Massachusetts).

Después de enfriar a temperatura ambiente, se añadieron a las muestras 1,5 mL de ácido nítrico acuoso al 66 % (v:v); pasado 10 min, se añadieron 13,5 mL de agua ultrapura. Luego, las soluciones se filtraron (tamaño de orificio 0,45 µm) y se almacenaron en viales a 4°C antes del análisis final. Las muestras se analizaron mediante ICP-OES (iCAP 6000 ICP Spectrometer, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA). El nitrógeno (N) total se determinó, para las muestras de material vegetal, mediante la modificación con ácido salicílico-tiosulfato del método Kjeldahl e incluyó NO3-N y NO2-N (Dhaliwal et al., 2014). Las muestras se digirieron en 6,5 mL de una mezcla de ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido salicílico (C₇H₆O₃) durante 2 h para convertir el NO3-N en compuestos nitrosos. Luego se usó tiosulfato de sodio (Na2S2O3) para convertir nitroso en compuestos amino, después de lo cual la muestra se digirió a 400 °C en presencia de una mezcla de catalizadores [sulfato de potasio (K2SO4) que contenía 1 % de selenio (Se)] durante 4 h. A continuación, la muestra digerida se destiló con solución de hidróxido de sodio (NaOH) al 40 %, recogiéndose el destilado en un recipiente que contenía 5 mL de solución indicadora de ácido bórico (H3BO3) (4 %). Las muestras se titularon frente a H2SO4.

Se hace un análisis del Pb, Cu, Zn y Cd (mg g-1), por estar identificados entre los metales pesados más peligrosos (Prieto Méndez et al., 2009; Muthusaravanan et al., 2018). Del Zn, Cu y Mn (mg g-1), por ser micronutrientes, que en pequeñas cantidades, se emplea en funciones específicas por las plantas (Latimer, 2015). Se analizó la concentración de N, P, K, Ca, Mg y S (mg g-1) como macronutrientes (Latimer, 2015). Estos elementos se analizan de forma general, considerando que al utilizar la MS de P. stratiotes, como fertilizante o sustrato mezclado, es difícil separar las hojas de las raíces.

El factor de translocación (FT) es el cociente entre la concentración del metal en las hojas y la raíz de la planta (Bello et al., 2018). El FT de las plantas estudiadas se calculó usando como base su MS, mediante la ecuación 2, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3

Ecuación para determinar el factor de translocación (FT) en P. stratiotes

Nota. Leyenda: FT: factor de translocación. Chojas: concentración del elemento químico en hojas (mg g-1). Craíz: concentración del elemento químico en raíz (mg g-1).

Procesamiento estadístico. Para el procesamiento estadístico se utilizó el Statistical Package for Social Sciences (Version 21 para Windows, SPSS Inc.). Se comprobó el ajuste a la distribución normal de los datos de cada tratamiento (Kolmogorov-Smirnov) y la homogeneidad de las varianzas (Levene). Las variables se evaluaron mediante pruebas paramétricas de análisis de varianza (ANOVA) de un factor. Cuando las diferencias resultaron significativas (p ≤ 0,05), para la prueba de ANOVA, las medias de los tratamientos se analizaron mediante el procedimiento de diferencia significativa de Tukey.

Resultados y Discusión

Características morfológicas de P. stratiotes. Las características morfológicas determinadas en las plantas de P. stratiotes, con crecimiento en la laguna artificial de agua dulce Vista Alegre, son el resultado de las condiciones ambientales donde se desarrolla (Yesmeen et al., 2018; Ružičková et al., 2019). Estas plantas se caracterizaron por tener un número de hijos promedio de 1,15 ± 0,65. El largo promedio de la raíz mayor fue de 14, 5 ± 2,27 cm. Menor que el obtenido en Bangladesh y en la República de Eslovaquia (25,0 y 50,0 cm respectivamente) (Ružičková et al., 2019). El número de hojas promedio fue de 8,9 ± 0,83. El largo de hojas promedio fue de 13,9 ± 1,48 cm. Este resultado se correspondió con el parámetro dado por Jacobs y Pickard (1981) para este carácter (3,0-15,0 cm). Sin embargo, está por debajo al valor registrado en la República de Eslovaquia (20,0 cm) (Ružičková et al., 2019). El ancho de las hojas promedio fue de 9,6 ± 0,72 cm, mayor que el parámetro dado por Jacobs y Pickard (1981) para este caracter (2,0-8,0 cm).

Concentración de elementos químicos en la laguna de agua dulce Vista Alegre y del factor de bioconcentración (FBC) en P. stratiotes. De los 25 elementos químicos estudiados en el agua de la laguna Vista Alegre, solo ocho presentaron concentraciones cuantificables. El elemento de mayor concentración fue el Na. El orden de los elementos de mayor concentración fue Na>Ca>K>Mg>Cu=P=S>Zn. Los valores más altos de FBC en P. stratiotes fueron en S, P y K (Tabla 1).

Tabla 1

Elementos químicos cuantificables en la laguna artificial de agua dulce Vista Alegre (promedio ± SE). Factor de bioconcentración (FBC) en P. stratiotes.

Nota. Leyenda: FBC: Factor de bioconcentración. Cuando el FBC es mayor que uno, la planta concentra los elementos químicos desde el agua (Ali et al., 2013, Yadav et al., 2018).

Los elementos químicos de mayor concentración en el agua de la laguna Vista Alegre (Na, Ca, K) mostraron un FBC mayor que uno, lo que indica que P. stratiotes tiene la capacidad de bioacumular estos elementos, en su biomasa (Ali et al., 2013). Ello es una evidencia de sus propiedades fitoacumuladoras (Muthusaravanan et al., 2020). El FBC para el Cu y el Zn mostró valores mayores a uno, lo que indica que estas plantas pueden absorber algunos metales pesados desde el agua. También las bajas concentraciones (en niveles detectables) de algunos metales pesados como el Ni, Cd, Pb, en la masa seca de P. stratiotes (Tabla 2), son evidencia de la presencia de estos elementos en el agua de la laguna. Ello demostró el potencial fitorremediador de P. stratiotes (Mufarrege et al., 2010; Lu et al., 2011).

Estos resultados evidenciaron que, para estimar adecuadamente la fracción del metal biodisponible en el medio acuático, es necesario hacer su determinación en los organismos que habitan en dicho ecosistema. Los organismos, como las plantas, reflejan las condiciones ambientales imperantes en el ecosistema acuático (Honmura, 2000).

Determinación de la concentración de elementos químicos en hojas y raíces de P. stratiotes y factor de translocación (FT). De los 26 elementos químicos estudiados, tanto en hojas, como en raíces de P. stratiotes, 24 fueron cuantificables. No se cuantificaron el Berilio (Be) y el Talio (Tl). En las hojas de P. stratiotes el orden de los elementos de mayor concentración fue; Ca>K>N>Na>P>S>Al>Mg>Fe y en las raíces; N>Ca>Na>K>S>Fe>Al>P>Mg>Mn (Tabla 2). Los elementos con FT mayor que uno, fueron el B, Ca, K, Pb, Sr y Zn (Tabla 2).

Mufarrege et al. (2010) y Lu et al. (2011), en estudio sobre la absorción y distribución de metales en P. stratiotes, detectaron mayor concentración de Al, Co, Cr y Fe, en las raíces de esta planta, que en sus hojas. Similares resultados al obtenido en este estudio, donde el Cr, aquí se determinó en iguales concentraciones tanto en hojas, como en raíces (0,01 ± 0,00 mg g-1) (Tabla 2). Ello es una muestra que estos elementos no tienen traslocación desde las raíces hacia las hojas en P. stratiotes, aunque el Cr no se retiene solo en la raíz, como plantearon Maine et al. (2004). La concentración del Pb no coincide con la obtenida por Lu et al. (2011). Estos autores detectaron mayor concentración de Pb en las raíces (entre 0,0060 y 0,0069 mg g-1) que en las hojas (0,00093 mg g-1) de P. stratiotes. Sin embargo, en este estudio, a pesar que las concentraciones fueron muy bajas, alcanzaron mayor valor en las hojas (0,001 ± 0,00 mg g-1) que en las raíces (0,0005 ± 0,00 mg g-1).

Tabla 2

Elementos químicos cuantificados en P. stratiotes (mg g-1 MS, promedios ± SE). Factor de Translocación (FT)

Nota. Leyenda: Letras desiguales tienen diferencias estadísticamente significativas (ANOVA de un factor, Tukey, p ≤ 0,05, n =9). Cuando el FT es mayor que uno, la planta transloca los elementos químicos desde las raíces hacia las hojas (Bello et al., 2018).

El Pb mostró traslocación desde las raíces hacia las hojas, en esta especie. Según Lu et al. (2011), el Co y el Cd, no son esenciales y sí tóxicos para las plantas, razón por la que solo son detectados en las raíces. En este estudio, se detectó Co, en bajas concentraciones en las hojas de P. stratiotes, y no se determinó Cd. Para P. stratiotes, las concentraciones de Ni, en hojas y raíces, fueron similares a las obtenidas por Mufarrege et al. (2010) (0,001 y 0,01 mg g-1 respectivamente). Este elemento tampoco tuvo traslocación desde las raíces hacia las hojas.

De acuerdo con la Regulación UE (2019), un abono orgánico y un sustrato de cultivo deben tener un límite máximo permisible para el Pb no mayor a 0,12 mg g-1, para el Cu 0,3-0,2 mg g-1, el Zn 0,8-0,5 mg g-1 y el Cd 0,0015 mg g-1. Muñiz Ugarte (2022) consideró, para Cuba, que el Pb debía tener un límite máximo permisible de 0,15 (abono orgánico) y 0,3 mg g-1 (sustrato) y Rodríguez Alfaro et al. (2022), sugirieron valores por debajo de 0,14 mg g-1 (para abonos orgánicos). Muñiz Ugarte (2022) propuso, para Cuba, que el Cd no debía superar 0,003 mg g-1 (abono orgánico) y 0,008 mg g-1 (sustrato). Los elementos químicos (Pb, Cu, Zn y Cd) presentes en la MS de la planta acuática invasora P. stratiotes, procedente de la laguna artificial de agua dulce Vista Alegre, tienen concentraciones por debajo de los límites máximos permisibles para abonos orgánicos y sustratos (Regulación UE 2019; Muñiz Ugarte, 2022; Rodríguez Alfaro et al., 2022).

La MS obtenida de hojas y raíces de P. stratiotes tienen menor concentración de N, P, K, Mg y Ca, que la expuesta por Wamba et al., (2012) para esta especie (N: 127,16 mg g-1, P: 87,62 mg g-1, K: 210,0 mg g-1, Mg: 23,95 mg g-1, Ca:101,59 mg g-1). Es importante determinar la concentración de estos elementos químicos en cada momento en que se pretenda usar la MS de P. stratiotes como abono orgánico o sustrato mezclado. Estas concentraciones pueden variar en dependencia de condiciones ambientales del ecosistema donde se desarrolla la planta o de la época del año (lluviosa y poco lluviosa).

Conclusiones

Este estudio permitió caracterizar la masa seca de la planta acuática invasora P. stratiotes, especie que demostró su potencial fitorremediador en la laguna artificial de agua dulce Vista Alegre. La masa seca de P. stratiotes, procedente de dicha laguna, puede considerarse un abono orgánico, pues contiene macronutrientes y micronutrientes. La concentración de metales pesados (Pb, Cu, Zn y Cd), está por debajo de los límites máximos permisibles establecidos por instituciones nacionales y organizaciones internacionales. Este estudio sienta las bases para corroborar la efectividad de la masa seca de P. stratiotes, como abono orgánico y sustrato mezclado, en cultivos de pequeñas extenciones.

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Conflicto de interés

Los autores no declaran conflictos de intereses.

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