Efecto del ácido cítrico sobre el potencial de fitoextracción de plantas de Cucurbita pepo, Lagenaria siceraria y Raphanus sativus expuestas a múltiples

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13070 (2023) Citar este artículo

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La fitoextracción es una técnica novedosa que implica el uso de plantas para eliminar metales pesados ​​de suelos contaminados. Se diseñó un experimento en macetas al aire libre para evaluar el potencial de fitoextracción de tres especies de plantas Cucurbita pepo, Lagenaria siceraria y Raphanus sativus en suelos contaminados con múltiples metales (Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb y Zn) bajo la aplicación de ácido cítrico. Los resultados mostraron que Raphanus sativus, de todas las plantas estudiadas, tenía el mayor peso seco de raíces y brotes y la capacidad de acumular todos los metales pesados ​​en concentraciones más altas excepto Cu. La aplicación de ácido cítrico al suelo contaminado aumentó significativamente el crecimiento de las plantas, la biomasa y la absorción de metales pesados. Los altos valores de bioconcentración indican que Raphanus sativus es una planta prometedora para absorber y acumular Cd y Ni del suelo. Los valores máximos de bioconcentración también se observaron mediante la aplicación de ácido cítrico. Los valores de translocación de metales de la raíz al vástago variaron según la especie de planta y la aplicación de ácido cítrico. En cuanto a la biomasa, el contenido de metales y los valores del porcentaje de eliminación de metales, se hizo evidente que la planta Raphanus sativus era el cultivo más eficaz para eliminar metales pesados ​​de suelos contaminados con múltiples metales. En general, estos hallazgos enfatizan que la aplicación de ácido cítrico podría ser un enfoque útil para ayudar a la fitoextracción de Cd y Ni por parte de las plantas de Raphanus sativus. Cuando estas plantas crecen como cultivos de hortalizas, se debe prestar más atención a la evaluación del contenido de metales pesados ​​en ellas, especialmente cuando se agrega ácido cítrico a su suelo a través de sistemas de fertirrigación para evitar la contaminación de la cadena alimentaria.

Los metales pesados ​​han contaminado los suelos agrícolas en muchas partes del mundo. Esto se debe a las prácticas agrícolas modernas. Diversas actividades agrícolas como el uso de fertilizantes orgánicos e inorgánicos, la aplicación de cantidades excesivas de pesticidas y el riego con agua de baja calidad han sido consideradas como las principales fuentes de contaminación por metales pesados ​​en los suelos agrícolas1,2. La acumulación de metales pesados ​​en suelos agrícolas puede provocar la degradación de la calidad del suelo y del agua subterránea3. Estos pueden amenazar la productividad de los cultivos y la salud humana a lo largo de la cadena alimentaria4,5. Por tanto, es fundamental remediar los metales pesados ​​en los suelos agrícolas. Se han desarrollado varios enfoques para resolver este problema ambiental6.

El uso de plantas especializadas y altamente adaptadas para absorber, transportar y acumular metales pesados ​​en la biomasa de órganos cosechables de suelos contaminados se conoce como fitoextracción7,8. La fitoextracción ha ganado popularidad recientemente debido a su rentabilidad y su naturaleza beneficiosa para el medio ambiente6. Sin embargo, la eficiencia de la absorción y translocación de metales pesados ​​a las partes cosechables puede diferir según la especie de planta, el tipo de suelo y las condiciones ambientales9,10,11.

Aunque existen 400 especies de hiperacumuladores de metales (especies con capacidad de acumular cantidades significativas de metales del suelo circundante en sus tejidos aéreos) y han sido ampliamente estudiadas para la fitoextracción de metales, su uso para la fitoextracción de suelos contaminados con metales presenta desafíos porque debido a su pequeño tamaño, baja producción de biomasa y falta de cultivos bien establecidos, manejo de plagas u otras prácticas de manejo12,13. Para superar estas restricciones, hay mucho interés en encontrar y desarrollar hiperacumuladores de alto crecimiento y alta biomasa, tolerancia al pH alto y a la sal, y resistencia a enfermedades y plagas, así como investigar e implementar mejores prácticas agronómicas para mejorar la eficacia de la fitorremediación12. 14.

Las plantas se dividieron en tres categorías según su capacidad para absorber metales pesados15: acumulación baja (p. ej., Leguminosae), acumulación media (p. ej., Cucurbitaceae) y acumulación alta (p. ej., Brassicaceae). La familia Brassicaceae tiene la mayor cantidad de especies hiperacumuladoras, representando aproximadamente una cuarta parte de todos los hiperacumuladores conocidos16,17. Se ha investigado ampliamente la capacidad fitorremediadora de diversas plantas Brassicaceae como el rábano (Raphanus sativus L.). Debido a que el rábano es una planta hiperacumuladora que puede concentrar metales pesados ​​en sus diversas partes, es útil para la remediación de áreas contaminadas18,19,20. La extracción de metal del suelo por el rábano ocurre hasta una cierta concentración, después de lo cual la tasa de fitoextracción del metal o coeficiente de bioacumulación disminuye a medida que aumenta la concentración del metal19. Debido a que el rábano se puede sembrar hasta cinco veces al año y producir hasta 20 t ha-1, se puede utilizar para remediar la capa superior del suelo contaminada con plomo (0–10 cm)18. Aunque los estudios de fitoextracción con rábano han logrado resultados prometedores en suelos monometálicos, los efectos sinérgicos de esta planta con ligandos quelantes en entornos multimetálicos han recibido muchos menos estudios.

Ciertas plantas, especialmente las que pertenecen a la familia de las Cucurbitáceas, como la calabaza de verano (Cucurbita pepo L.) y la calabaza de botella (Lagenaria siceraria), pueden absorber y acumular cantidades importantes de metales pesados ​​del suelo contaminado. La calabaza de verano ha sido examinada como un fitorremediador potencial para la eliminación de Co, Cr, Cd, Zn, Cu, Ni, Pb y Mn de suelos contaminados21, y podría acumular Co, Cr, Zn, Cu, Ni y Pb en las hojas y raíces22,23. Además, Eissa24 e Ibrahim et al.25 estudiaron la absorción y translocación de metales pesados ​​en calabazas de verano y afirmaron que los metales pesados ​​se acumulaban significativamente en raíces y brotes. Las plantas de calabaza pueden absorber metales pesados ​​a través de sus raíces y transferirlos al brote de la planta26. Sin embargo, no hay evidencia suficiente del comportamiento de estas plantas en suelos contaminados con múltiples metales.

Desafortunadamente, algunas limitaciones limitan la aplicabilidad de la fitoextracción, como los niveles de concentración de metales pesados ​​en el suelo no pueden ser demasiado altos debido a su toxicidad, las variaciones en el pH del suelo afectan la biodisponibilidad de los iones metálicos, la remediación ocurre predominantemente en la rizosfera a profundidades poco profundas, conocimiento del comportamiento de las plantas y capacidad de fitoextracción, y dificultad en el manejo de los cultivos9,11.

En general, la escasa biodisponibilidad de los HM y la movilidad de los metales pesados ​​dentro de la rizosfera limitan la eficiencia de la fitoextracción natural, que está influenciada por el pH del suelo y el contenido de arcilla, la tolerancia de las plantas al estrés de los HM, los niveles de nutrientes del suelo y la selectividad de los HM8,27. La disolución de metales pesados ​​en el suelo está influenciada principalmente por el pH 28,29. Debido a la solubilidad limitada, un pH alto (alcalinidad) puede reducir la biodisponibilidad del metal30.

Como resultado, se ha utilizado la fitoextracción asistida químicamente (también conocida como fitoextracción mejorada con quelatos) para aumentar la solubilidad y biodisponibilidad de la HM6,8,31. El ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) es uno de los agentes quelantes más eficaces y se ha utilizado como estándar de oro en las investigaciones de fitoextracción durante décadas debido a su importante afinidad por el metal8,32. Sin embargo, son poco biodegradables e inestables a altas temperaturas33. Como resultado, ha habido preocupación sobre la lixiviación de HM y la ecotoxicidad asociada34. Estos problemas están impulsando la búsqueda de alternativas biodegradables y naturales que sean tan efectivas o mejores que el EDTA para quelar metales pesados.

En los últimos años, los quelatos como el ácido cítrico (CA) se han utilizado ampliamente en estudios de fitoextracción para mejorar el crecimiento de las plantas, la biodisponibilidad de los metales, la absorción y la translocación de metales por toda la planta. Contribuye a reducir la contaminación ambiental y la toxicidad para las plantas, lo que eventualmente aumenta la efectividad de la fitorremediación8,14,31.

El ácido cítrico tiene mucha capacidad para quelar metales pesados ​​en el medio y ser absorbido por las raíces de las plantas a un ritmo más rápido debido a sus moléculas de pequeño tamaño y es más fácilmente biodegradable que el EDTA35. Incluso en entornos multimetálicos, demuestra una alta biodegradabilidad y estabilidad de la complejación sin aumentar el riesgo de lixiviación36.

El objetivo de este estudio fue evaluar el potencial de fitoextracción de Cucurbita pepo, Lagenaria siceraria y Raphanus sativus en suelos multicontaminados con niveles moderados-pesados ​​de metales, junto con el papel útil del ácido cítrico en los procesos de fitoextracción y alivio del estrés.

El efecto de interacción entre las especies probadas y el tratamiento con ácido cítrico tuvo efectos significativos sobre las medias de peso fresco y seco de raíces y brotes, así como sobre la relación raíz-brote (Cuadro 1). Se observaron grandes diferencias en biomasa entre las especies analizadas. La aplicación de ácido cítrico aumentó significativamente el peso fresco y seco de raíces y brotes en comparación con las plantas sin adición de ácido cítrico. R. sativus seguido de C. pepo exhibieron los valores más altos en comparación con L. siceraria cultivada en suelo contaminado con o sin tratamiento con ácido cítrico. La aplicación de ácido cítrico aumentó significativamente los valores de la relación raíz-brote de las plantas de C. pepo y L. siceraria, pero no tuvo ningún efecto notable sobre los valores de la relación raíz-brote de las plantas de R. sativus.

Las concentraciones de metales pesados ​​estudiados en raíces y brotes se presentan en las Tablas 2 y 3. Se vieron significativamente afectadas por la interacción entre las especies probadas y el tratamiento con ácido cítrico. Las raíces y los brotes de R. sativus exhibieron las concentraciones más altas de Cd, Co, Cr, Ni, Pb y Zn en comparación con las otras especies analizadas con o sin tratamiento con ácido cítrico. Las concentraciones de Cu en las raíces y brotes de C. pepo fueron significativamente más altas que las raíces y brotes de R. sativus de plantas cultivadas con o sin tratamiento con ácido cítrico. La adición de ácido cítrico al suelo contaminado aumentó significativamente la concentración de Cd en la raíz y el brote de las plantas. Los resultados también indicaron que las concentraciones de metales pesados ​​en raíces y brotes se pueden ordenar en este orden: Zn, Cr, Cu, Ni, Pb, Co y Cd.

El efecto de interacción entre las especies probadas y el tratamiento con ácido cítrico tuvo efectos significativos sobre el factor de bioconcentración (FBC) para todos los metales estudiados (Tabla 4). Los valores de BCF de R. sativus fueron significativamente más altos (P <0,05) que los de otras dos especies de plantas para todos los metales estudiados, excepto Cu, bajo o sin tratamiento con ácido cítrico. Las plantas de C. pepo mostraron el mayor BCF para Cu, seguidas de L. siceraria y R. sativus con o sin tratamiento con ácido cítrico. Generalmente, la aplicación de ácido cítrico produjo los valores máximos de BCF. Los valores de BCF para los metales estudiados siguen el orden de: Cd > Ni > Cr > Zn > Cu > Co > Pb. Los valores de BCF fueron superiores a 1 para Cd en R. sativus con y sin aplicación de ácido cítrico y para Ni en R. sativus con aplicación de ácido cítrico. Los valores de BCF para Co y Pb fueron inferiores a 0,5 para las tres plantas analizadas, con el BCF más bajo para Pb (0,196) en C. pepo sin la aplicación de ácido cítrico.

La Tabla 5 muestra los valores de TF de los metales estudiados para las tres plantas probadas cultivadas en suelo contaminado con o sin tratamiento con ácido cítrico. Los valores de TF de los metales estudiados variaron según la especie de planta y el tratamiento con ácido cítrico, y generalmente fueron <1,0. Las plantas de L. siceraria tuvieron los valores de TF más altos de la mayoría de los metales estudiados en comparación con las otras plantas analizadas. Los valores de TF de Co, Cu, Pb y Zn para todas las plantas analizadas mejoraron con la aplicación de ácido cítrico, mientras que los valores de TF de Cd, Cr y Ni disminuyeron con la aplicación de ácido cítrico.

El % R de C. pepo, L. siceraria y R. sativus para los metales estudiados bajo tratamientos con ácido cítrico se presenta en la Fig. 1. Los tratamientos de interacción tuvieron efectos significativos sobre el % R. Se observaron grandes diferencias entre diferentes plantas. R. sativus tuvo los valores más altos en comparación con las otras dos plantas analizadas con o sin tratamiento con ácido cítrico. La aplicación de ácido cítrico aumentó significativamente el %R de las tres plantas analizadas en comparación con aquellas sin aplicación de ácido cítrico. El % R de R. sativus para Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb y Zn fue 84,80 %, 33,17 %, 58,75 %, 57,48 %, 90,64 %, 27,28 % y 65,56 %, respectivamente.

Efecto de la interacción entre el tratamiento con ácido cítrico y las especies probadas sobre el porcentaje de metal removido. Las barras de error son la desviación estándar (letras diferentes encima de las barras representan diferencias significativas en p < 0,05 entre varios tratamientos).

Los resultados de este estudio muestran que la planta R. sativus produjo la mayor biomasa seca en comparación con las otras dos plantas dentro del marco relativamente corto de este experimento. Además, la aplicación de ácido cítrico al suelo aumentó significativamente el crecimiento y la producción de biomasa en todas las especies analizadas, lo que demuestra la eficacia del AC como agente promotor del crecimiento con capacidad quelante de diversos metales pesados27,37. Muchos estudios documentaron el papel de la CA en la promoción del crecimiento de las plantas en condiciones de suelo contaminado con metales pesados38,39. Esto se debe a que la AC puede mejorar el contenido de clorofila y la eficiencia de la fotosíntesis en las hojas de las plantas27,39. Además, la aplicación de CA puede disminuir la fitotoxicidad de los metales pesados ​​al mejorar la actividad de las enzimas antioxidantes27,39,40. Esto podría deberse a la función del CA de transformar metales más tóxicos en formas menos tóxicas37.

La AC a menudo mejora la biodisponibilidad de los metales y aumenta su acumulación por parte de las plantas, lo que puede causar una reducción en la biomasa vegetal debido a la toxicidad de la absorción adicional40,41. Por tanto, la coexistencia de AC es la mejor opción para resolver este problema, que también puede hacer más eficiente el mecanismo de defensa antioxidante inherente a una planta40,42. Por otro lado, los estudios han demostrado que el ácido cítrico también juega un papel importante en el aumento de la disponibilidad y absorción de nutrientes del suelo mediante la formación de complejos con nutrientes, especialmente en suelos calcáreos43,44. Con respecto a la relación raíz-tallo, se observó que entre las tres especies probadas, R. sativus tuvo los valores más bajos. Si bien la aplicación de AC disminuyó minuciosamente la relación raíz-brote en las plantas de C. pepo y L. siceraria, no hubo una disminución perceptible en las plantas de R. sativus. La relación raíz-brote es un muy buen indicador del estrés que sufren las plantas por los metales pesados. Según Acuña et al.45, cuando las plantas están estresadas por metales pesados, la relación raíz-brote aumenta.

Los resultados de este estudio demostraron que los niveles de metales pesados ​​en los tejidos vegetales variaban según la especie. R. sativus exhibió los valores más altos de concentraciones de metales en comparación con las otras especies analizadas. El éxito de la fitoextracción depende esencialmente de una variedad de variables, algunas de las cuales son rasgos únicos de las plantas, los suelos o los metales. Sin embargo, la capacidad de las plantas para producir rápidamente grandes cantidades de biomasa y su alta eficiencia de acumulación de metales en la biomasa de los brotes determinan en gran medida la cantidad de metales que pueden extraer10,46. Generalmente, las plantas deben cosecharse cuando disminuye la tasa de acumulación de metales en las plantas. Esto ocurre al final del período de crecimiento vegetativo. Esto maximizará la cantidad de metales pesados ​​eliminados, así como minimizará la duración de cada ciclo de crecimiento y permitirá obtener más cultivos en una temporada de crecimiento. Las plantas de calabaza de verano utilizadas en este estudio llegan al final de su etapa vegetativa después de 30 días desde la siembra.

Los tejidos de las raíces de las plantas tenían una concentración relativamente mayor de metales que los de las hojas. La adición de CA elevó aún más los niveles de metales pesados ​​en todas las partes de la planta. Se han informado observaciones similares sobre la mejora de la absorción de metales mediante la aplicación de ácido cítrico en suelos contaminados con metales en Brassica juncea47, Kocuria rhizophiliai38, Brassica juncea8 y Brassica rapa8. Además, se observaron mayores concentraciones de metales en las raíces que en los brotes8,38,47. La mejora de la absorción y translocación de metales pesados ​​por el ácido cítrico podría estar relacionada con la promoción de metales solubles en ácido en la rizosfera. La absorción de metales pesados ​​por las plantas está estrechamente asociada con la tasa de acceso a las raíces y la biodisponibilidad de estos iones metálicos. El ácido cítrico actúa como agente solubilizante en el suelo para aumentar la fitodisponibilidad de los metales pesados ​​al desorberlos del suelo o causar acidosis de la rizosfera40,48. Además, el efecto quelante del ácido cítrico ayuda a la transferencia de estos metales desde las raíces a las partes aéreas de las plantas49. El crecimiento mejorado de las plantas y la biomasa junto con concentraciones más altas de metales pesados ​​sin ningún síntoma de toxicidad sugirieron que R. sativus es resistente a niveles tóxicos de metales pesados. Esto sacó a la luz el valor potencial de la aplicación de AC a técnicas de fitorremediación que involucran plantas de R. sativus.

Normalmente, la eliminación de metales pesados ​​de los suelos y su acumulación en la planta requiere su bioacumulación y translocación a partes de las plantas que puedan recolectarse fácilmente. Se calcularon los valores de BCF y TF (Tablas 4 y 5) para evaluar si las plantas eran adecuadas para la fitorremediación (es decir, fitoextracción o fitoestabilización). El BCF y el TF expresan la capacidad de una planta para absorber metales del suelo a las raíces y transferir esos metales de las raíces a los brotes, respectivamente (Zhuang et al.50; Padmavathiamma y Li51. Las plantas que exhiben valores de BCF y TF superiores a uno son adecuadas para la fitoextracción. , mientras que las plantas con valores de BCF superiores a uno y valores de TF inferiores a 1 se sugieren como candidatas más adecuadas para eliminar metales del suelo mediante fitoestabilización (inmovilización), sin embargo, las plantas con valores de BCF y TF inferiores a 1 no son adecuadas para la fitoextracción. y fitoestabilización 52. Los valores de BCF más altos entre los metales pesados ​​se encontraron para el Cd, mientras que los valores de BCF más bajos se encontraron para el Pb. Un BCF bajo indica que los metales están fuertemente absorbidos por los coloides, mientras que un BCF alto indica que ambos metales tienen una retención relativamente pobre. y más móvil en el suelo y, por lo tanto, absorbido más eficazmente por las raíces de las plantas 53. Los valores más altos de FBC para Cd coincidieron en gran medida con los hallazgos del estudio anterior 42. La transferencia relativamente menor de Pb del suelo a las raíces de las plantas mostrada por los valores más bajos de BCF está respaldada por los resultados de Hasan et al.42 y Acuña et al.45. Entre las especies estudiadas, R. sativus tuvo valores de BCF > 1 para Cd en ausencia y aplicación de AC y tuvo valores de BCF > 1 para Ni en aplicación de AC. El valor más alto de BCF de Cd para R. sativus fue fuertemente consistente con los hallazgos de Hedayatzadeh et al.20 y Bortoloti y Baron17. Los valores más altos de BCF podrían atribuirse a la concentración de metal disponible en el suelo54. Los resultados indican una mayor capacidad de las plantas para absorber metales pesados ​​del suelo cuando se aplicó CA. Debido a la capacidad del CA, es posible que haya reducido el pH y secretado potentes ligandos en el suelo, aumentando la solubilidad y biodisponibilidad del Cd y facilitando la acumulación de metales pesados ​​en las raíces40. En numerosas investigaciones anteriores se descubrió que la aplicación de AC aumenta la cantidad de metales pesados ​​que las plantas de Brassicaceae pueden fitoextraer8,40,41.

Según los hallazgos, todos los metales pesados ​​tenían valores de TF inferiores a 1 para todos los tratamientos. Estos resultados muestran que sólo una pequeña cantidad del metal pesado fue transportada a los brotes y que la mayor parte se mantuvo en las raíces. Esto indicó que esta especie de planta no tenía capacidad fitorremediadora porque mostraba una capacidad reducida para translocar metales pesados ​​desde la raíz a los tejidos de los brotes. Este resultado contrasta con estudios previos18,19,20, que informaron que R. sativus es una especie hiperacumuladora de metales pesados. Esto puede deberse al potencial de las plantas acumuladoras de metales para la extracción de metales del suelo ocurriendo hasta un cierto nivel de concentración, luego de eso, cuando la concentración de metal aumentaba, la tasa de fitoextracción de metal o el coeficiente de bioacumulación disminuía19. Patel y Patra55 también encontraron que el factor de translocación disminuye con el aumento de la concentración total de metales en el suelo. En el presente estudio, se aplicaron las concentraciones máximas permitidas de metales pesados ​​para suelos agrícolas, y las plantas estuvieron expuestas a varios metales pesados, que producen efectos tanto antagónicos como sinérgicos. Además, Saleem et al.56 encontraron que el Cu se acumulaba significativamente en las raíces en una etapa anterior de crecimiento y se transmitía significativamente a los brotes en una etapa posterior de crecimiento debido a la formación de placas de hierro en las raíces. Este experimento fue diseñado solo por 30 días para concluir los resultados. Por lo tanto, hubo una acumulación significativa de metales pesados ​​en las raíces y todos los valores de TF están por debajo de 1. Se han observado observaciones similares bajo tensión de Pb45. De acuerdo con hallazgos anteriores, la aplicación de ácido cítrico ayuda en la translocación de estos metales pesados ​​desde las raíces a los brotes49 por su capacidad de complejación de metales y al aumentar el transporte de metales a través del xilema, y ​​al mejorar la capacidad de almacenamiento de metales en los brotes47. Por lo tanto, se puede inferir de los resultados presentados que la aplicación de AC jugó el papel más efectivo en la inducción de la tolerancia a los metales y la reducción del estrés del metal, lo que resultó en una mayor bioacumulación y eficiencia de translocación de las plantas bajo suelo contaminado con metales pesados. Los valores de BCF y TF muestran que R. sativus no es probable que sea una planta de alta eficiencia para la translocación de Cd y Ni de la raíz al brote, pero sí es apropiada para fitoestabilizarlos. Al respecto, Hedayatzadeh et al.20 también informaron que las raíces de R. sativus como excluidores lograron limitar el transporte de metales a las partes aéreas.

La capacidad de fitoextracción de metales de las especies estudiadas también fue evidente mediante la eliminación de porcentajes de metales. El contenido de exudados de las raíces, el tipo de planta, la biodisponibilidad de los contaminantes en el suelo y otros factores pueden influir en ello. Los valores más altos de R% se encontraron para Cd seguido de Ni en plantas de R. sativus. La aplicación de CA aumentó significativamente los valores de R% para todas las especies estudiadas. La capacidad de una especie vegetal específica para eliminar metales pesados ​​del suelo depende tanto de su capacidad para producir rápidamente grandes cantidades de biomasa como de su capacidad efectiva para absorber y acumular metales.

En general, los hallazgos mostraron que R. sativus es una planta fitorremediadora con una buena capacidad para eliminar metales del suelo, especialmente con la aplicación de ácido cítrico al suelo. La contaminación de las plantas frecuentemente es causada por la fitorremediación. Como resultado, las plantas se vuelven tóxicas y deben ser tratadas para evitar otros daños ambientales. La biomasa contaminada de la fitorremediación se puede eliminar y utilizar de diversas maneras, incluida la eliminación directa, la extracción líquida, la incineración, la compactación, el compostaje y la incineración17. Por otro lado, el ácido cítrico juega un papel importante en la mejora del crecimiento de las plantas y el aumento de la disponibilidad y absorción de nutrientes del suelo, especialmente en suelos calcáreos43,44. Pero, en el contexto más amplio de la seguridad alimentaria, no debe aplicarse en los campos de producción de calabazas de verano, calabazas de botella y rábanos cuando sus suelos tienen niveles moderados de metales pesados. Además, estas plantas estudiadas son cultivos comestibles importantes en todo el mundo, por lo que se recomiendan regulaciones para el monitoreo regular de estas plantas para garantizar la seguridad alimentaria y crear conciencia sobre los vegetales contaminados con metales, y prevenir problemas de salud provocados por el consumo de vegetales contaminados.

En conclusión, los resultados actuales destacaron que R. sativus podría extraer Cd y Ni de suelos contaminados con metales con alta eficiencia en comparación con las otras especies investigadas. Los resultados también indican que la aplicación de ácido cítrico puede ser una opción más segura para aumentar la absorción de metales pesados ​​por parte de R. sativus y reducir la toxicidad de los metales pesados ​​y mejorar la producción de biomasa. Estos resultados deberían confirmarse en condiciones reales de campo y durante períodos de tiempo más largos mediante estudios adicionales. Por otro lado, se debe prestar mucha más atención a la evaluación del contenido de metales pesados ​​en plantas de calabaza de verano, calabazas de botella y rábanos cuando se agrega ácido cítrico al suelo mediante sistemas de fertirrigación durante su temporada de crecimiento como cultivos de hortalizas. Sin embargo, se necesitan más estudios para validar los hallazgos de este estudio a gran escala en diversas condiciones ambientales y en condiciones de campo real. Además, aún se necesitan más investigaciones para comprender plenamente los factores que afectan los procesos de fitorremediación asistidos por plantas, como los tipos y concentraciones de metales pesados, las propiedades del suelo y la adición de agentes quelantes y enmiendas del suelo.

El suelo para este experimento se tomó de la capa superior (0–20 cm) de tierra cultivada en Mansoura, Gobernación de Dakahlia, Egipto (31° 25′ 16,1" E, 31° 03′ 07,8" N). Los suelos recolectados se secaron al aire, se trituraron y se pasaron por un tamiz de 1 cm antes de su uso. Los parámetros físicos y químicos del suelo recolectado se determinaron mediante el procedimiento estándar descrito por Ryan et al.57, como se muestra en la Tabla 6. Las plantas analizadas en este estudio fueron calabazas de verano (Cucurbita pepo L.) cv. Rivera F1, calabaza de botella (Lagenaria siceraria) cv. variedad local y rábano (Raphanus sativus L.) cv. Balady. Las semillas de calabaza de verano se obtuvieron de la compañía Samtrade-Unifert Misr, Egipto, mientras que las semillas de calabaza y rábano se obtuvieron del Instituto de Investigación de Horticultura, ARC, Egipto. Estos vegetales fueron seleccionados para este estudio debido a sus altas tasas de germinación, tasas de crecimiento rápido, alta producción de biomasa y tolerancia abiótica, todas las cuales han demostrado que eliminan eficazmente los metales pesados ​​mediante fitoextracción. También fueron elegidos porque se producen localmente y con frecuencia en Egipto.

El experimento con macetas se llevó a cabo al aire libre en la Estación de Investigación de Horticultura de Mansoura en la gobernación de Dakahlia, Egipto, del 11 de abril al 23 de mayo durante la temporada de verano de 2021. Durante el experimento, la temperatura mensual osciló entre 17,2 y 23,1 °C, con precipitaciones mensuales de 70,97 mm, y la humedad relativa promedio fue de 64,3%.

La tierra secada al aire se colocó en macetas de plástico con una capacidad de 7 kg. Las macetas se dispusieron en un diseño factorial aleatorio con dos factores (2 × 3), incluidos dos niveles de ácido cítrico (0 y 0,98 g kg-1 de suelo) y tres especies de plantas. Se realizaron cuatro repeticiones de cada tratamiento, con cuatro macetas por parcela. Todas las macetas fueron tratadas con una cantidad adecuada de solución de metales pesados ​​para lograr un suelo contaminado artificialmente. La solución de metales pesados ​​utilizada en la adición se preparó a partir de las siguientes sales de metales pesados: CdSO4.8H2O, CoCl2.6H2O, Cr2(SO4)3, CuSO45H2O, Ni-SO46H2O, Pb(C2H3O2)2 y ZnSO47H2O. El contenido total final de elementos en el suelo fue 5 mg kg-1 Cd, 50 mg kg-1 Co, 200 mg kg-1 Cr, 100 mg kg-1 Cu, 60 mg kg-1 Ni, 100 mg kg-1 Pb , y 300 mg kg−1 Zn, los cuales estaban dentro de su concentración máxima permitida para suelos agrícolas mencionada por Kabata-Pendias58. La solución de metales pesados ​​se aplicó lentamente para evitar que se desbordara de los recipientes. Las macetas se dejaron durante unos días después de la aplicación de la solución y luego se aplicó una cantidad igual de agua para asegurar una contaminación uniforme de metales pesados ​​en el suelo de las macetas. Durante tres semanas, se dejaron equilibrar las macetas. Durante este período, se añadió agua del grifo cada 48 h para mantener el contenido de humedad del suelo en aproximadamente el 65 por ciento de la capacidad de campo. Al final de la tercera semana, se aplicó a la mitad de las macetas una solución de ácido cítrico preparada en agua destilada a una concentración de 0,98 g kg-1 de suelo.

Se sembraron seis semillas de tres especies de plantas en cada maceta a 2 cm de profundidad el 11 de abril de 2021 y se irrigaron con agua del grifo. Las plántulas se adelgazaron a dos plantas en cada maceta después de dos semanas de emergencia. Las plantas que se sacaron de la maceta se trituraron con cuidado y se volvieron a colocar en la misma maceta. Las macetas fueron regadas para mantener la humedad del suelo al nivel de capacidad de campo durante el período de crecimiento del experimento. Después de 20 días de siembra, todas las macetas fueron regadas con solución fertilizante NPK a razón de 90–45–30 kg por hectárea, respectivamente.

Después de 30 días de siembra, las plantas fueron recolectadas y retiradas cuidadosamente del suelo. Todas las plantas se lavaron cuidadosamente con agua del grifo seguida de agua desionizada y el exceso de agua se absorbió con una servilleta. Se separaron cuidadosamente las raíces y los brotes de cada planta y se registraron sus pesos frescos. Luego, las muestras se secaron a 70 °C durante 72 h para determinar el peso seco, se molieron hasta obtener un polvo fino y se guardaron en bolsas de papel para el análisis de metales pesados. Se digirieron muestras (1 g) de partes de plantas y suelo utilizando una mezcla 4:1 de ácido nítrico (HNO3) y ácido perclórico (HClO4) en botellas de teflón. Luego, las muestras se calentaron durante una hora a 40 °C y luego se aumentaron a 170 °C durante cuatro horas hasta que se observó una solución transparente. La solución ácida se purificó usando papel de filtro Whatman No. 1 y luego se usó agua desionizada para diluir la solución ácida hasta un volumen final de 50 ml. Las concentraciones de metales pesados ​​en partes de plantas se midieron utilizando un ICP-OES59 Thermo Scientific TM ICAPTM 7000 Plus Series. Se utilizó un material de referencia certificado (CRM 1570) de acuerdo con el Estándar del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología para verificar que la estimación fuera precisa. Para mantener la calidad de las transacciones, se colocaron muestras analizadas por triplicado y los hallazgos mostraron que los metales traza estimados se evaluaron con un nivel de recuperación del 98,2%.

Para cada metal pesado se midieron el factor de bioconcentración (BCF), el factor de translocación (TF) y la absorción total de metales pesados ​​en las partes del brote y la raíz, así como el porcentaje de eliminación de metal (R%) según Zhuang et al. .50, Padmavathiamma y Li51, para evaluar la capacidad de fitoextracción de cada especie vegetal para acumular metales pesados ​​en su biomasa.

La relación entre la concentración de metales en los tejidos de las plantas cosechadas y el suelo está representada por el BCF. La relación entre la concentración de metales en el brote y la raíz de la planta se conoce como TF. La UT se calculó multiplicando la biomasa de cada órgano de la planta (brotes y raíces) por su concentración de metales. R % es el porcentaje de la relación entre la acumulación total de metal en plantas por maceta y la cantidad inicial de metal por maceta.

Los datos fueron tabulados y analizados utilizando Microsoft Excel® 2013 y el programa estadístico Number Cruncher Statistical System. Además, los análisis estadísticos se calcularon utilizando un análisis de varianza bidireccional (ANOVA) según Snedecor y Cochran60 y se verificó la diferencia significativa de las medias de los tratamientos utilizando la prueba de diferencia mínima significativa (LSD) en p <0,05 en el software de computadora Costat. Antes del ANOVA, se utilizaron las pruebas de Kolmogorov-Smirnov y Shapiro-Wilk para determinar la homogeneidad de la varianza y la distribución normal de los datos.

Este estudio se desarrolló con semillas comerciales, por lo tanto no exóticas o en riesgo de extinción, en condiciones controladas, cumpliendo con todos los lineamientos y legislaciones institucionales, nacionales e internacionales para plantas cultivadas.

Todos los datos generados y/o analizados durante este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Departamento de Investigación de Hortalizas, Instituto de Investigación de Horticultura, Centro de Investigación Agrícola, 9 Cairo University St., Orman, Giza, Egipto

Ehab A. Ibrahim

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EAI diseñó la idea de investigación, el muestreo, los metales y los análisis estadísticos. También escribió el artículo y revisó la versión terminada.

Correspondencia a Ehab A. Ibrahim.

El autor no declara intereses en competencia.

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Ibrahim, EA Efecto del ácido cítrico sobre el potencial de fitoextracción de plantas de Cucurbita pepo, Lagenaria siceraria y Raphanus sativus expuestas a estrés multimetálico. Representante científico 13, 13070 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40233-2

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Recibido: 22 de abril de 2023

Aceptado: 07 de agosto de 2023

Publicado: 11 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40233-2

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