El cadmio y su efecto en el crecimiento de la caña de azúcar (Saccharum officinarum L.)

Universidad de Guayaquil | Guayaquil – Ecuador | CP 090514

matthew.ortizc@ug.edu.ec

Resumen

El cadmio es peligroso para los seres vivos por su alta toxicidad; estudios demuestran contaminación en suelos agrícolas a causa de este metal pesado. En la presente investigación, se evaluaron los efectos de este metal en cuatro variedades de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) cultivadas en la cuenca baja del río Guayas: Ragnar, Cenicaña, ECU01 y ECU02; particularmente los efectos sobre parámetros de crecimiento (1) altura, (2) diámetro de tallo, (3) número de esquejes y (4) número de hojas. Se seleccionaron esquejes de cada variedad para clasificarlos por cuadruplicado. Durante 300 días fueron expuestos a un sustrato contaminado con cadmio en cinco concentraciones: 0,5, 1, 2, 4 y 8 mg Cd/kg, los cuales fueron contrastados con un control (0 mg Cd/kg). Se realizó un análisis estadístico mediante el cálculo del índice de tolerancia y porcentaje de inhibición de crecimiento. Se redujo en 12,98 % el crecimiento de la variedad Cenicaña y la inhibición menor fue la Ragnar (-3,88 %); demostrando estímulo de crecimiento a 8 mg/kg de Cd. Las variedades más tolerantes fueron Ragnar y ECU-02 según índice de tolerancia. Estas últimas son las recomendadas para suelos que contengan más de 4 mg/kg de Cd. Finalmente, se exhorta la necesidad de realizar análisis de cadmio en suelos agrícolas antes de sembrar la caña de azúcar para garantizar la inocuidadalimenticia en Ecuador.
Palabras clave: bioensayo en suelo, cadmio, índice de tolerancia, porcentaje de inhibición de crecimiento

Abstract

Cadmium (Cd) is dangerous for living beings. Its high toxicity inhibits growth. Previous studies showed contamination in agricultural soils due to this heavy metal. This research, evaluated the effects of cadmium on four varieties of sugarcane grown in the lower basin of the Guayas River: Ragnar, Cenicaña, ECU01 and ECU02; particularly the effects on growth parameters. Cuttings were selected from each variety to classify them in quadruplicate. They were exposed for 300 days to a contaminated substrate with cadmium in five different concentrations: 0, 0,5, 1, 2, 4 and 8 mg/kg Cd, then contrasted with a control (0 mg/kg). Statistical analysis was performed by calculating the tolerance index and percentage of growth inhibition. The growth of the Cenicaña variety was reduced by 12,98% and the least inhibition was showed in Ragnar variation (-3,88%), showing growth stimulation at 8 mg/kg of Cd. According to tolerance index, the most tolerant varieties were Ragnar and ECU02. The latter are suggested for soils that contain more than 4 mg/kg of Cd. It is recommended to carry out cadmium analysis in agricultural soil before planting sugar cane to guarantee food safety in Ecuador.
Keywords: cadmium, percent growth inhibition, soil bioassay, tolerance index.

Referencia en ISO690:2013: Ortiz, Matthew; Pernía, Beatriz; Mosquera, Ana(2002). El cadmio y su efecto en el crecimiento de la caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) Revista Científica y Tecnológica UPSE 2022, 9 (2), pág. 117- 125. e-ISSN: 1390-7697. DOI: 10.26423/rctu.v9i2.714

1. Introducción

La agricultura es fundamental para el desarrollo del ser humano. Los recursos agrícolas pasaron de ser una necesidad básica, a un medio para la obtención de beneficios económicos. En consecuencia, no existe un equilibrio entre la explotación de los recursos naturales y la inocuidad alimenticia [1]. Los sistemas alimentarios con principios de sostenibilidad son los principales perseguidores de los objetivos de desarrollo a nivel mundial [2]. Debido a que “Un sistema alimentario sostenible es aquel que garantiza la seguridad alimentaria y la nutrición de todas las personas de tal forma que no se pongan en riesgo las bases económicas, sociales y ambientales de éstas para las futuras generaciones” [3]. El cuidado y manejo integrado de los cultivos ha conducido a la utilización de pesticidas y fertilizantes sintéticos, siendo esto una de las razones por lo cual se encuentran biodisponibles de forma sistemática los metales pesados [4].

Dentro del grupo de los metales pesados se encuentra el cadmio (Cd) metal catalogado como una sustancia tóxica con gran dinamismo, pero sin una función biológica y perjudicial para los seres vivos [5]. Es emitido al medio por actividades industriales, minería, metalurgia, fabricación y aplicación de fertilizantes de fosfato y de la incineración de residuos urbanos lo que influye de manera significativa en los flujos de energía de la cadena trófica [6].

Las actividades antropogénicas han incrementado la presencia del cadmio en el ambiente; se mantiene persistente por su baja degradabilidad y su bioacumulación en la naturaleza, siendo fácilmente trasladado por las corrientes de los ríos y la dirección de los vientos. Condo (2018) señala que el cadmio ingresa en el ser humano por medio de la ingesta de vegetales contaminados con este metal, pero no son los únicos alimentos que contienen este metal [7]; por esta razón, se han establecido límites máximos permisibles que se encuentra en la legislación de cada país. Existen en el mundo un promedio de 0,53 mg/kg, sin embargo, debido a las actividades antropogénicas estos valores han excedido los 10 mg/kg en suelo de cultivos provocando contaminación [8]. El límite máximo permisible para la concentración de cadmio en suelos no debería superar los 0,5 mg/kg en el Ecuador [9].

Diferentes reportes científicos evidencian la contaminación de los suelos agrícolas en Ecuador, provocados por el cadmio [10,11]. Félix, Mite, Carrillo y Pino (2002) comprobaron que existían concentraciones de cadmio en cultivos de plátano, banano, café y palma africana siendo este último el más afectado ya que se reportó Cd en concentraciones de 0,02-0,68 expresado en unidades de mg/kg [12]. En otras investigaciones, Chavez et al. (2015) evidenciaron presencia de cadmio en los suelos de cultivo de la provincia del Guayas, concentraciones que alcanzaban niveles de 0,66-2,59 mg/kg Cd [11]. Por otra parte, Barraza et al. (2017) halló presencia de cadmio en suelos cultivados con cacao, los valores de Cd variaron entre 0,36 a 2,59 mg/kg en hojas, 1,15 a 2,36 mg/kg en testa y 1,15 mg/kg a 1,93 mg/kg en almendra de cacao [13]. En otras especies como arroz y maíz se ha demostrado que algunas variedades son más tolerantes y acumulan mayores concentraciones de cadmio. Gallardo et al. (2019) evaluaron los efectos del cadmio mediante bioensayo in vitro sobre cuatro variedades de caña de azúcar; Ragnar, CC 85-92, ECU-01 y CC-22, sobre la germinación y biomasa en la cuenca baja del río Guayas, donde se observó que la variedad CC 85-92 fue la más tolerante a todos los tratamientos de cadmio y la única en presentar una respuesta hormética, la cual se manifestó como un estímulo en su crecimiento a 0,5 y 1 mg/L. [14]. Sin embargo, no se han realizado estos estudios en suelos de cultivo.

En la cuenca baja del rio Guayas existen zonas que se encuentran interconectadas de forma agrícola y el cultivo de caña de azúcar es uno de los más relevantes. La producción de caña de azúcar representa para los agricultores la oportunidad de generar ingresos económicos representativos para la solvencia de sus hogares. Debido a que, la caña de azúcar (Saccharum spp.) es una planta fundamental en la economía de muchas regiones del mundo, por su versatilidad y capacidad de adaptación a diferentes condiciones ambientales [14]. En el Ecuador, la superficie cosechada de caña de azúcar fue de 139,406 hectáreas. La provincia del Guayas mantuvo el 75 % de actividades productivas, seguida de la provincia de Cañar con el 19 %, cuyos ingresos anuales provenientes de la elaboración y refinación de azúcar fueron de $124,45 MM de valor agregado bruto para el año 2020, manteniendo una participación del 0,19 % del producto interno bruto del país. Los procesos de exportación se mantuvieron en 34,72k de toneladas de azúcar para el año 2020. Los grandes ingenios destinan este recurso principalmente a la producción de azúcar y alcohol, debido a que, el alto potencial de diversificación de la planta le brinda una apertura de mercado para la producción de otros derivados, por lo tanto, es necesario contar con estándares de calidad nacionales e internacionales para evitar llegar a los límites máximos permisibles de cadmio en los alimentos que provocan el deterioro de la salud [15].

El objetivo de esta investigación fue evaluar los efectos del cadmio en los parámetros de crecimiento de cuatro variedades de caña de azúcar: Ragnar, Cenicaña, ECU01 y ECU02 que fueron cultivadas en la cuenca baja del río Guayas.

2. Materiales y Métodos

Se selecciónaron muestras de 4 variedades de caña de azúcar, (1) Ragnar, (2) Cenicaña; (3) ECU-01 y (4) ECU-02 donadas por el Centro de Investigación de la Caña de Azúcar del Ecuador (CINCAE) recolectadas en el área de influencia de la cuenca baja del rio Guayas (Figura 1). La caña de azúcar requiere un clima cálido para su desarrollo con una temperatura promedio entre 27 y 33 °C característico de la cuenca baja del río Guayas, estas condiciones favorecen las fases de germinación crecimiento y maduración de la planta [16]. Los requerimientos hídricos de la planta son de 1,200 a 1,500 mm anuales y una cantidad de luz solar constantes para potenciar el proceso de macollamiento en la planta [17]. Para este estudio se escogieron esquejes libres de patógenos entre siete y nueve meses de crecimiento. En la tabla 1 se muestran las coordenadas donde se recolectaron las muestras (esquejes).

En el área de influencia se recolectó y realizó el corte de plantas de cañas de azúcar en varias áreas locales productivas, que se dedican durante todo el año a la producción y comercialización de la materia prima del azúcar.

Después de la recolección de las variedades de caña, los esquejes previamente seleccionados se lavaron con agua y jabón neutro, con la finalidad de eliminar las impurezas visibles en la caña de azúcar. A continuación, se procedió a realizar el debido corte de los esquejes, los cuales tuvieron seis centímetros de longitud y se dejó tres centímetros de cada lado del respectivo embrión/yema. Esto se ejecutó en 24 esquejes por cada una de las variedades, totalizando 96 muestras que luego fueron plantadas por cuadruplicado a cinco distintas concentraciones de cadmio más un grupo control (0 mg/kg de Cd).

Tratamiento Térmico

Según lo planteado por Risco (2019), los esquejes de cada variedad fueron separados y sumergidos en agua destilada a 50°C dentro de un horno térmico se mantuvieron a esa temperatura por 60 minutos, luego, se enjuagaron y sumergieron durante 1 minuto en agua destilada a temperatura ambiente. Cumpliendo los requisitos mencionados en cada ejemplar se procedió a realizar el tratamiento químico [18].

Tratamiento Químico

Las muestras fueron separadas por variedad y se sumergieron por cinco minutos en una solución de tebuconazol al 2%, luego de dicho baño químico se dejó secar y reposar durante 12 horas para el siguiente procedimiento de siembra [18].

Preparación del sustrato

El sustrato se preparó de forma manual mediante una mezcla física de sustancias inorgánicas como limo, arena, arcilla y sustancias orgánicas como tamo de arroz, aserrín, guano y estiércol de ganado. El suelo fue recolectado y expuesto a descomposición por 4 meses, la composición físico-química del sustrato dio lugar a una textura franco-arenosa (Tabla 2).

Análisis preliminar del sustrato

Se analizó la composición físico-química del sustrato, comprobando que esté en condiciones óptimas para el crecimiento de las plántulas. Entre ellas, el potencial de hidrógeno (pH), capacidad de intercambio catiónico (CIC), porcentaje de arena, arcilla y limo, porcentaje de materia orgánica, concentraciones de amonio, fósforo, potasio, calcio, magnesio y cadmio basal. Estos análisis fueron realizados en la Estación Experimental Tropical “Pichilingue” del Instituto Nacional de Investigaciones Agropecuarias (INIAP).

Para medir el pH se utilizó un potenciómetro; la capacidad de intercambio catiónico (CIC) con un conductímetro, el porcentaje de arena, limo y arcilla se determinó mediante el método hidrométrico de Bouyoucos, el porcentaje de materia orgánica acorde a Welkley Black 1934. Posteriormente, se determinaron las concentraciones de amonio (NH4) y fósforo (P) por el método colorimétrico y para el análisis de los elementos K, Ca, Mg y Cd se utilizó espectrofotometría de absorción atómica. En la tabla 2 se muestran las condiciones iniciales del suelo.

Contaminación del Suelo

Se utilizó el suelo óptimo, preparado de forma manual, al cual se añadió diversas soluciones de Cd para alcanzar las concentraciones 0, 0,5, 1, 2, 4 y 8 mg/kg de Cd. El suelo contaminado se colocó en fundas de 10 Kg donde se sembró una planta por envase (funda de polietileno) (este procedimiento se realizó por cuadriplicado n=4 por tratamiento). Las plántulas se transfirieron a la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil (Figura 2), donde fueron regadas diariamente y se realizó monitoreo sobre los parámetros de crecimiento: altura, diámetro del tallo, número de esquejes y número de hojas de forma mensual durante 10 meses.

Preparación de las soluciones de cadmio

Se preparó el suelo de control aplicando exclusivamente agua destilada sin el metal pesado. Posteriormente, se realizaron soluciones de cadmio para llegar a una concentración final en el suelo de 0,5, 1, 2, 4 y 8 mg/kg Cd; para este fin se empleó la siguiente fórmula:

Donde:

Ci: Concentración inicial de cadmio.
Vi: Volumen inicial de cadmio.
Cf: Concentración final de cadmio.
Vf: Volumen final de la solución.

Parámetros de crecimiento

Se procedió a medir la altura del tallo(cm) de cada plántula utilizando un flexómetro, mediante un vernier se determinó el diámetro de los tallos(cm) y se contabilizó el número de esquejes y hojas dentro del monitoreo mensual.

Índice de tolerancia

De acuerdo con Wilkins, (citado por Pernía, Añazco, Mero, Mayía y Cobos, 2021) el índice de tolerancia se calcula según la ecuación propuesta [19]:

Donde:

LRm: Longitud de las plantas en presencia del cadmio.
LRc: Longitud de las plantas en el grupo control.

Porcentaje de Inhibición de Crecimiento

Para comprobar el efecto del cadmio, se determinó el porcentaje de inhibición del crecimiento (PIC) a los 300 días, el cual se calculó mediante la fórmula utilizada por Skidmore & Dickinson (1976) descrita a continuación [20].

Donde:

C1 : Es el crecimiento del testigo.
C2 : Es el crecimiento de las plántulas contaminadas con (0,5,1,2,4 y 8 mg/kg Cd).

Pruebas Estadísticas

El diseño experimental se realizó de manera aleatoria. Se determinó la normalidad de los datos utilizando una prueba de Kolmogorov-Smirnov y homoscedasticidad mediante un test de Levene. Se compararon las medias entre tratamientos y variedades utilizando una prueba ANOVA de una vía, tomando p<0,05 como valor significativo y los resultados se verificaron por medio de una prueba de significancia de Tukey y para los datos no paramétricos se aplicó una prueba de Kruskall-Wallis. Las medias y desviaciones estándar, así como los gráficos se realizaron utilizando RStudio v. 4.0.2.

3. Resultados

El cadmio afectó significativamente la altura de los tallos de la caña de azúcar y por ello se consideró como el mejor indicador de fitotoxicidad de los parámetros analizados. En la Figura 3 se observa la tasa de crecimiento de los tallos durante los 300 días de exposición a diferentes concentraciones de cadmio, se aprecia un estímulo de crecimiento a las concentraciones de cadmio 2 y 4 mg/kg para las variedades de Cenicaña y ECU-01 así como una inhibición de crecimiento a 8 mg/kg. Por el contrario, las variedades Ragnar y ECU-02 fueron más tolerantes al cadmio, donde hubo un estímulo de crecimiento en todas las concentraciones.

Altura: Se observó que en la variedad Cenicaña los tallos más altos se registraron a 2 mg/kg de Cd (221,00 ± 10,86 cm) y los más pequeños a 8 mg/kg de Cd (169,30 ± 27,20 cm) en comparación al control (194,50 ± 19,42 cm) con diferencias estadísticamente significativas (F= 3,22; P= 0,030). En la variedad Ragnar se apreció un estímulo de crecimiento a 1 mg/kg Cd (195,50 ± 11,36 cm) en comparación al control 161,30 ± 23,00 (F= 4,73; P=0,006). Por otro lado, en ECU-01 y ECU-02 no se apreciaron diferencias (P≥0,05).

Diámetro: En la variedad Cenicaña, Ragnar y ECU-02 no existen diferencias estadísticamente significativas en el diámetro del tallo entre los diferentes tratamientos comparados con el control (P≥0,05) como se aprecia en la Figura 4.Por el contrario, existió una disminución en el diámetro del tallo de la variedad ECU-01 en todas las concentraciones de cadmio. Siendo la de menor diámetro el tallo expuesto a 4 mg/kg de Cd (2,50 ± 0,27 cm) comparadas con el control (3,30 ± 0,18) con diferencias estadísticamente significativas (F=4,49; P=0,008).

Número de esquejes: Este trabajo no encontró diferencias estadísticas en el número de esquejes en ninguna de las plántulas (P≥0,05). Por lo que, se considera un parámetro poco significativo para evidenciar la presencia de cadmio en las variedades estudiadas.

Número de hojas (follaje) La variedad Cenicaña presentó diferencia significativa en el número de hojas de las plantas expuestas a 8 mg/kg Cd en comparación al grupo control (F=3,03; P=0,037). De la misma manera la variedad Ragnar presentó una disminución en el número de hojas a 8 mg/kg de Cd (3,03 ± 0,20) en comparación con el control de 3,60 ± 0,19 (F=3,66; P=0,01). En la variedad ECU-01 y ECU-02 no hubo diferencias en el número de hojas entre tratamientos (F=1,36; P=0,28).

Se realizó una observación experimental a través de la recolección fotográfica de cada variedad. Contrastando las hojas de control con las expuestas a concentraciones de cadmio (Cd) en 0,5, 1, 2, 4 y 8 mg/kg respectivamente. Se observó una condición fisiológica anormal (clorosis) en las plantas expuestas a concentraciones iguales o mayores a 4 mg/kg (Figura 5).

Índice de tolerancia: En base al análisis realizado en este estudio, se evidencia que las variedades más tolerantes fueron Ragnar (1,04) y ECU-02 (1,02) y las menos tolerantes ECU-01 (0,92) y Cenicaña (0,87) (Figura 6). Por otro lado, en cuanto al porcentaje de inhibición de crecimiento la variedad Cenicaña presentó el mayor porcentaje (12,98 %) y la menor inhibición (-3,88 %) se encontró en Ragnar, demostrando estímulo de crecimiento a 8 mg/kg de Cd.

4. Discución

El cadmio (Cd) afectó de manera significativa el crecimiento de las cuatro variedades de caña de azúcar que se utilizaron en este estudio. Siendo la altura del tallo el mejor parámetro para analizar la toxicidad del metal pesado estudiado, resultado que coincide con los estudios de otros autores quienes manifiestan que la presencia del Cd en las plantas provoca inhibición de crecimiento tanto en raíces como en el tallo [21]. Las variedades Ragnar y ECU-02 presentaron un estímulo de crecimiento en todas las concentraciones. Con este resultado, queda demostrado que estas variedades fueron tolerantes a la presencia de cadmio. Dicha conclusión complementa los estudios realizados por Gallardo et al. (2019) donde las mismas variedades no presentaron efectos en la germinación cuando fueron expuestas a este [22]. El estímulo de crecimiento a bajas concentraciones de cadmio se ha descrito por otros autores como un proceso de hormesis y expuesto a altas concentraciones, una inhibición [23,24,19]. Fue el caso de las variedades de Cenicaña y ECU-01 que presentaron una reducción en la altura del tallo a 8 mg/kg de Cd. Estos resultados son similares al reportado por Gallardo et al. (2019) donde se observó que la variedad CC 85-92 fue la más tolerante a todos los tratamientos de cadmio y la única en presentar una respuesta hormética, la cual se manifestó como un estímulo en su crecimiento a 0,5 y 1 mg/L [22].

Respecto a esta inhibición de crecimiento, se confirma que las plantas ante la exposición al cadmio reducen su biomasa y su productividad. Esto es causado por la disminución de enzimas implicadas en la fotosíntesis y al déficit hídrico que este metal pesado genera causando clorosis, cuando se realiza el intercambio del Cd con el Fe o el Mg [25]. Esta inhibición en la síntesis de clorofila se pudo reflejar en el estudio como clorosis en hojas expuestas a 4 y 8 mg/kg de Cd, debido a que, al incorporarse este metal en la estructura de las plantas, se pueden generar afecciones como daños genómicos de crecimiento, desarrollo, alteración de proteínas y procesos de necrosis, clorosis y de reducción de la producción de biomasa en la planta [25].

Otro parámetro que se vio afectado fue el número de hojas, donde se apreció una reducción a 8mg/kg en Cenicaña y Ragnar. Existe la posibilidad que los niveles de cadmio más altos se encuentren en las hojas, como sucedió en el estudio de Barrezueta et al. (2021), donde los niveles de cadmio fueron los más altos en hojas de cacao; sin embargo, se debe analizar en hojas de caña de azúcar [10]. De acuerdo con Lagos y Castro (2019), dentro de los principales parámetros de crecimiento a tener en cuenta, como indicadores de mayor producción de caña de azúcar serían el diámetro del tallo y el número de esquejes, aunque en este estudio no se vieron afectados por el cadmio en todas las variedades [14].

5. Conclusiones

El cadmio afectó significativamente la altura de los tallos y por ello se consideró como el mejor indicador de fitotoxicidad de los parámetros de crecimiento analizados. La variedad Ragnar y ECU-02 fueron las cañas de azúcar con mayor tolerancia ya que presentaron un estímulo de crecimiento en las más altas concentraciones de Cd, en cambio, variedades más sensibles fueron ECU-01 y Cenicaña al presentar menor tolerancia.

El diámetro del tallo y el número de esquejes no presentaron diferencias significativas por lo que no se considera un buen parámetro de crecimiento para medir los efectos del cadmio en la caña de azúcar de las variedades analizadas. La variedad ECU-01 y Cenicaña no se recomienda cultivar en suelos contaminados con cadmio.

En este estudio, al analizar los parámetros de crecimiento de las variedades de caña de azúcar, se demostró los efectos del cadmio biodisponibles en suelo. Por lo que, se recomienda realizar ensayos de laboratorio para detectar la acumulación de este metal pesado en la biomasa vegetal y sacarosa, con el objetivo de garantizar la inocuidad alimentaria de los ecuatorianos.

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