Efecto de aguas contaminadas con Litio en la germinación de Lens culinaris y Phaseolus vulgaris.

Gonzalo Amaro Meléndez Rojas

Francisco Xavier Rogers Artaza

Profesor: Patricio Kim Núñez Barnier

Instituto de Humanidades Luis Campino

El litio está iniciado un uso masivo cuyos desechos pueden llegar a contaminar las fuentes de agua para riego de siembras y agua potable. En la presente investigación se demuestra que ya desde la germinación se pueden afectar negativamente gramíneas como Lens culinaris y otras leguminosas con efectos acumulativos en alimentación humana.

RESUMEN EJECUTIVO

La explotación creciente de recursos de litio (Li) y la utilización más extensa de baterías de iones de litio dan como resultado la diseminación con la consecuente contaminación de iones de Li y, concomitantemente, plantea problemas crecientes e inevitables para la salud humana y seguridad ambiental.

Algunos investigadores como el Dr. Nibaldo Inestrosa (Premio Nacional de Ciencias PUC), sugieren que los efectos benéficos en la salud humana son tales que este metal debiera ser agregado al agua potable como el flúor. En cambio, otros científicos entregan evidencias de potenciales toxicidades del Li sobre todos los seres vivos. Como el foco principal de estudio son los seres humanos y algunas pocas especies de animales se desconoce en detalle los efectos sobre muchos vegetales, sus efectos en sus ciclos de vida y falta identificar cuáles vegetales son capaces de acumularlo teniendo en cuenta que algunos de ellos son o pueden ser parte de la dieta de algunas especies de animales y con mayor atención en la especie humana. En este aspecto, ya se han identificado algunas plantas que en la tradición China son utilizadas como tranquilizantes y son acumuladoras de litio. Por otro lado, existen plantas como los cítricos que ya las concentraciones mínimas de litio producen efectos tóxicos en ellas.

Como el tema de la contaminación de aguas por litio es un tema recién en desarrollo y con una proyección de aumento desbordante, es vital proyectar estudios que entreguen la mayor información acerca de los alcances que se presentarán en los suelos contaminados con este metal.

Aún no está claro si se afecta la siembra de especies leguminosas o cereales con Li. Por lo cual se investigó la germinación, el crecimiento y las respuestas fisiológicas de lentejas (Lens culinaris), porotos (Phaseolus vulgaris) y sólo germinación de quinoa (Chenopodium quinoa), a diferentes niveles de Li2CO3.

En condiciones in vitro, la germinación de Lens culinaris y Phaseolus vulgaris se vio significativamente afectada inclusive por bajas concentraciones de Li (0,3 g/L), en el caso de Chenopodium quinoa el efecto es menor y requerirá más estudios para su determinación.

A medida que la concentración de Li aumentó, el porcentaje de germinación, el índice sobrevivencia, el desarrollo de las plántulas en largo y la ganancia de masa disminuyeron hasta llegar casi a cero. Adicionalmente, un estudio indagatorio indica que el litio es inhibidor de las amilasas presentes en los embriones de Lens culinaris, lo cual podría sugerir que a lo menos el efecto tóxico de Li para germinación pudiera estar relacionado con el bloqueo de esta enzima. Al efectuar un riego con agua contaminada con 1.5 g Li2CO3, las plantas de Lens culinaris con 10 días de vida, permanecieron en buenas condiciones hasta por una semana luego de lo cual se observaron más secas hasta morir. Los resultados indicaron que, en un posible evento de contaminación de Li, lens culinaris y Phaseolus vulgaris no podrían ser utilizadas para la agricultura, queda también investigar si el litio que contamine siembras pueden pasar a la cadena trófica y a la alimentación humana.

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ÍNDICE

- Título de la investigación ……………………………………………………………..1

- Resumen del trabajo realizado ………………………………………………………...1

- Resumen Ejecutivo ……………………………………………………………………2

- Índice ………………………………………………………………………………….3

- Introducción …………………………………………………………………………...4

- Desarrollo ………………………………………………………………………………6

- Conclusión …………………………………………………………………………….12

- Bibliografía ……………………………………………………………………………13

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INTRODUCCIÓN

Litio (Li) es el metal alcalino más pequeño, normalmente está presente en cantidades trazas en el ambiente. (Shahzad et al., 2016 y 2017)

Debido a su uso en artículos domésticos comunes o sus aplicaciones industriales (Hainer et al. 2012), puede ser distorsionada su presencia en el medioambiente. Ya se han presentado aumentos del contenido de Li en el suelo causado por actividades industriales, uso y eliminación de productos que contienen Li (Schrauzer, 2002). El peligro tóxico se debe principalmente a la eliminación de las baterías usadas de iones de litio (Aral & Vecchio-Sadus, 2008; Robinson et al., 2018) o en el presente la posibilidad de daños ambientales por contaminación de los suministros de agua de riego (Consejo Parlamentario del Territorio de la Capital de Australia, 2005) o como el biólogo Rodolfo Tecchi, hablando de la explotación de litio indica de la explotación intensa de salares que: “Existe una elevada posibilidad de que se esté favoreciendo la difusión de sales superficiales hacia acuíferos profundos de baja salinidad.”( https://noalamina.org) Por lo cual, es imperativo examinar su inocuidad con los diferentes tipos de seres vivos, en especial con los relacionados con los seres humanos. El litio pertenece al grupo IA y tiene muchos usos, como baterías, acondicionadores de aire, medicamentos, etc. El litio se encuentra naturalmente en el suelo y el agua, y aunque se presenta en bajas concentraciones, puede entrar en la cadena alimentaria. No es uno de los minerales esenciales, aunque varios estudios indican que los niveles bajos de Li tienen efectos beneficiosos sobre los organismos vivos, mientras que los niveles altos los exponen a toxicidad y efectos perjudiciales.

En las plantas, el Li es un metal no esencial para el desarrollo, aunque se informan algunos efectos estimulantes del crecimiento con Li a baja concentración. Por ejemplo, la biomasa se incrementó en un 15% en el maíz tratado con 5 mg/Lt de Li (Hawrylak-Nowak, et al., 2012). Sin embargo, con mayor frecuencia el Li induce una reducción considerable en el crecimiento de las plantas ya que las sales de Li pueden ser altamente tóxicas (Franzaring et al., 2016). Las plantas cítricas son sensibles al Li (Aral & Vecchio-Sadus, 2008). Sin embargo, las plantas de las familias Asteraceae y Solanaceae tienen una alta tolerancia a Li (Schrauzer, 2002; Kabata-Pendias & Mukherjee, 2007). Por lo tanto, el Li influye en el crecimiento de la planta en ambos modos; estimulación o reducción, dependiendo de la concentración de Li y de las especies de plantas.

Por otro lado, estudios del litio han indicado que también se presentan efectos beneficiosos y perjudiciales para los seres humanos, los cuales dependen de la dosis del Li. Esta funcionalidad del Li sobre los seres vivos puede adquirir un mayor grado protagonismo con la creciente utilización y explotación en nuestro país. En Chile, uno de los más grandes productores de Li2CO3, con un posible aumento de extracción corre el riesgo de exponer las aguas de regadío a un mayor suministro de Li que puede afectar las siembras, las personas y el medioambiente. Y para muchas leguminosas se desconoce cómo les puede afectar. Las lentejas (Lens culinaris) entre otras legumbres tienen gran importancia en la nutrición humana y no se hallaron de efectos del Li sobre ella.

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Esta investigación espera estudiar si un aumento del Li en las aguas de riego en siembras de Lens culinares podrían ser biológicamente significativas para el organismo vivo dependiendo de su concentración / exposición.

Por lo cual surge la pregunta de ¿Cuáles son las implicaciones o efectos del Li sobre la germinación de Lens culinaris?

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DESARROLLO

La metodología de siembra de lentejas y porotos es una técnica muy conocida, que utiliza humedad como gatillante, sobre diferentes sustratos. En la presente investigación, se descartó el uso de tierra, papel u otros sustratos debido al gran número de sustancias químicas que pudieran estar presentes con la posible interacción con el ión en estudio.

En la estandarización del método, se evaluaron diferentes cantidades de algodón, agua, y origen de las semillas. Se eligió realizar un montaje de 3 gramos de algodón hidrófilo, en placas de Petri que fueron posteriormente esterilizadas, sobre las cuales se agregaron soluciones hasta completar 40 ml.

La solución de regadío llevó diferentes concentraciones de sales de Li2CO3 y en algunos casos se evaluó el Na2CO3 como control, dada la similitud atómica, que descartara un efecto salino.

La lectura de resultados se realizó después de 10 días de incubación a temperatura ambiente (alrededor de 15 – 25°C).

Las semillas de lentejas fueron obtenidas de la compañía Martini, 7mm, grado 1. Los porotos usados fueron de la variedad “Hallado” de marca Líder. Las semillas de quinoa son marca “Carozzi”. Las semillas fueron lavadas con agua-cloro 1%, 5 minutos, etanol 70% 5 minutos y 5 lavados sucesivos con agua destilada después de cada desinfectante.

Las soluciones de agua destilada, Li2CO3 y Na2CO3, también fueron esterilizadas por autoclave.

Las imágenes que se presentan se tomaron con la cámara de celular Motorola Moto X style.

Las primeras experiencias demostraron la necesidad de utilizar técnicas de esterilidad con todos los medios y equipamiento a utilizar. Frecuentes contaminaciones fúngicas frustraron los primeros ensayos.

Se eligió el uso de 40 ml de solución para la incubación en placas de Petri, ya que volúmenes menores presentaron relativa sequedad ya a la semana de iniciar la experimentación.

Las lentejas presentaron un aspecto necrótico en las placas en las que estuvo presente el Li, como lo muestra las imagen 1.

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Imagen 1. Se observa que el riego con Na2CO3, tiene un efecto mínimo sobre la germinación de Lens culinaris, en cambio el regadío con 0,2 ya inhibe la germinación, siendo más necrótica la imagen de 0,4 mg/Lt (o mayor concentración) de carbonato de litio.

Tabla 1. Describe el efecto del carbonato de Li o Na sobre germinación Lens CulinarisControlAgua destilada

1 g/LtNa2CO3

0,0 g/LtLi2CO3

0.8 g/LtNa2CO3

0,2 g/LtLi2CO3

0.6 g/LtNa2CO3

0,4 g/LtLi2CO3

0.4 g/LtNa2CO3

0,6 g/LtLi2CO3

0.2 g/LtNa2CO3

0,8 g/LtLi2CO3

0.0 g/LtNa2CO3

1 g/LtLi2CO3

88.9 53.3 2.2 0.0 0.0 0.0 0.0

Siembra con 30 unidades por placa de Petri por triplicado

Como se observa en Tabla 1 el Li tiene un efecto inhibidor de la germinación muy superior al que presenta el Na. Las plántulas que sólo tienen Na no presentan diferencias observables con las de riego agua destilada. Las plántulas sobrevivientes de 0.2g/L carbonato de litio presentan un desarrollo menor que se estudió en la siguiente experimentación.

Se evaluaron semillas de Lens culinaris y Phaseolus vulgaris con carbonato de litio a diferentes concentraciones, se promediaron valores de germinación (%), largo de plántula (mm) y masa (g). Los valores fueron registrados y evaluados en Excel.

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0 0.1 0.3 0.7 1 1.50.0

10.020.030.040.050.060.070.080.090.0

100.0

Efecto Li2CO3 sobre Lens culinaris

g/L

ger

min

ació

n %

Grafico 1. El carbonato de litio afecta la germinación de lentejas.

1 2 3 4 5 60

102030405060708090

100

Efecto Li2CO3 sobre Phaseolus vulgaris

g/L

ger

min

ació

n %

Grafico 2. El carbonato de litio afecta la germinación de porotos.

8

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

20

40

60

80

100

120

8.86

Masa (mg) de Lens Culinaris afectada por Li

mg Lens Culinaris

mg/L

mg

Plán

tula

Grafico 3. El carbonato de litio afecta la masa de plántulas de Lens culinaris.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

50100150200250300350400450

37.5

Masa (mg) de Phaseolus vulgaris afectada por Li

mg porotos

g/L

mg

plán

tula

Grafico 4. El carbonato de litio afecta la masa de Phaseolus vulgaris.

9

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

102030405060708090

9

Largo de plántula (mm) Lens Culinaris por Li

mm Lens Culinaris

g/L

mm

de

plán

tula

Grafico 5. El carbonato de litio afecta la medida de plántulas de Lens culinaris.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.60

102030405060708090

100

18.25

Largo de plántula (mm) Phaseolus vulgaris por Li

mm porotos

g/L

mm

de

plán

tula

Grafico 6. El carbonato de litio afecta la medida de Phaseolus vulgaris.

La germinación disminuye en gran intensidad por la presencia de Li tanto en Lens culinaris como en Phaseolus vulgaris. Por otro lado, pruebas con semillas de quinoa presentaron resultados de menor sensibilidad al litio (datos aún en cuantificación). Pero lo que no se esperaba fue que las plántulas que pudieron sobrevivir a la presencia de litio estaban con menor desarrollo tanto en el largo como en la ganancia de masa.

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Imagen 2. Se observa que un macerado de embriones de Lens culinaris, pudieron degradar una solución de almidón al 1% en 16 horas y la solución se tornó café por la adición de Yodo. La misma solución con la adición de Li preservó el almidón de la acción de amilasas presentes en los embriones macerados y la solución se tornó en un azul intenso.

Esto presentó un antecedente de que la o las amilasas son bloqueadas por efecto del litio, y se está estudiando con mayor detalle este proceso.

Imagen 3. Microfotografía de hojas de Lens culinaris, por el regadío con carbonato de litio1,5 g/L, después de una semana. En ella se notan hojas plegadas en inicio de secarse, lo cual fue inevitable.

Imagen 4. Imagen de las placas de Petri con las semillas.

Poco se sabe acerca de la importancia biológica del Li sobre el medioambiente, su repercusión de la contaminación por Li que se inicia con los hallazgos relacionados con

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explotación de salares y posible paso a aguas subterráneas, el uso y desecho de baterías que en la actualidad se producen masivamente. Aún falta una mayor comprensión molecular de su posible acumulación en los seres vivos, transferencia de este elemento en las cadenas tróficas y modo de acción en cada ser vivo, lo que podría tener implicaciones futuras con efectos a corto y largo plazo de Li sobre los organismos vivos.

Es en especial interés los posibles efectos medioambientales la mayor explotación que se haga de este mineral porque no sólo están los efectos de su inoculación en el ambiente sino la utilización del recurso agua ya indican expertos como la Dra. Garcés en Atacama, (conservacionybiodiversidad.cl, 2017) que por cada tonelada de mineral se evaporan dos millones de litros de agua.

En el presente estudio se demuestra la gran toxicidad que tiene su presencia el proceso de germinación de Lens culinaris y Phaseolus vulgaris y también sobre plantas ya germinadas.

Aunque el presente estudio no aborda con debido detalle del cómo actúa molecularmente el Li, ya hay estudios que indican su interferencia en los procesos de síntesis de nucleótidos o las interferencias descritas en enzimas del tipo amilasas o fosforilasas que degradan los polímeros de azúcares. En el presente estudio se presenta un pequeño antecedente de que están afectadas las amilasas que extraen carbohidratos de los cotiledones de Lens culinaris, sin descontar otros efectos que pudiera ejercer el Li. (Salazar, E. 2012)

El resultado obtenido entrega valoración a la preocupación de los efectos contaminantes del Li sobre las aguas de regadío o de sustentación del medio ambiente.

CONCLUSIONES

Las conclusiones reflejan el aspecto tóxico del Li que podrá adquirir en el escenario de un proceso de contaminación en el agua de regadío de Lens culinaris y Phaseolus vulgaris, no se observaron efectos positivos a bajas dosis.

Se enfoca el problema de la creciente utilización de baterías de ión de litio y el actual desechar de estas baterías que aumentará en el futuro cercano, que pueden contaminar de manera descontrolada todos los ambientes. Se suma a esto que nuestro país puede estar expuesto a mayores situaciones de contaminación debido a la sobre explotación de este costoso mineral.

Los resultados no cuestionan la eficacia del litio, descrita en bajas concentraciones sobre los seres humanos pero pone un punto de análisis en los efectos sobre los vegetales, algunos los concentran en sus hojas, muchos de los cuales son parte de la dieta humana y del cómo puede afectar de manera inexplorada el medioambiente.

El efecto pudo ser repetido y no tuvo paralelo con el uso de Na en similar concentración %p/V.

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Referencias Bibliográficas

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• Aral H, Vecchio-Sadus A (2008) Toxicity of lithium to humans and the environment—a literature review. Ecotoxicol Environ Saf 70:349–356

• Franzaring J, Schlosser S, Damsohn W, Fangmeier A. 2016.Regional differences in plant levels and investigations on the phytotoxicity of lithium. Environmental Pollution 216:858-865

• Hawrylak-Nowak B, Kalinowska M, Szymańska M (2012) A study on selected physiological parameters of plants grown under lithium supplementation. Biol Trace Elem Res 149:425–430

• Hayner, Xin Zhao, and Harold H. Kung (2012) Materials for Rechargeable Lithium-Ion Batteries Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2012. 3:445–71

• Kabata-Pendias A, Mukherjee AB (2007) Trace elements from soil to human. Springer, Berlin, pp. 87–93

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• Salazar, E. (2012). Efecto del litio sobre el metabolismo del glucógeno de células germinales masculinas. Tesis de grado Bioquímica. Valdivia. (acceced Agosto 2018)

http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2012/fcs161e/doc/fcs161e.pdf

• Schrauzer GN. 2002. Lithium: occurrence, dietary intakes, nutritional essentiality. Journal of the American College of Nutrition 21(1):14-21

• Shahzad B, Mughal MN, Tanveer M, Gupta D, Abbas G. 2017. Is lithium biologically an important or toxic element to living organisms? An overview. Environmental Science & Pollution Research 24(1):1-13

• Shahzad B, Tanveer M, Hassan W, Shah AN, Anjum SA, Cheema SA, Ali I (2016) Lithium toxicity in plants: reasons, mechanisms and remediation possibilities–a review. Plant Physiol Biochem 107:104–115

• conservacionybiodiversidad.cl: http://www.conservacionybiodiversidad.cl/2017/08/experta-advierte-impacto-de-industria-del-litio-en-ecosistemas-de-los-salares/ (Acceced agosto 2018)

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• https://noalamina.org/general/item/9585-cuales-son-los-impactos-ambientales-y-en-la-salud-de-la-explotacion-de-litio

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