La acción del ozono troposférico y otros contaminantes ambientales sobre los vegetales: Una propuesta de trabajo de investigación JARDÍ BOTÀNIC UNIVERSITAT DE VALÈNCIA
ANTECEDENTES: El ozono troposférico se conoce como un gas agresivo sobre los seres vivos desde antes de los s 50. Si bien no es sino a partir de la década de los 70 a raíz de la observación de la muerte de los bosques (Schutt and Cowling, 1985), cuando comienza a relacionársele como uno de los elementos causantes de este deterioro progresivo de los bosques europeos A nivel Europeo una de las áreas más críticas para la formación de fotooxidantes es la Cuenca Mediterránea.
El resultado final de estos procesos es que toda la Cuenca Mediterránea puede considerarse, a estos efectos, como un gran reactor foto-químico. A lo que hay que sumar que en los últimos 25 s, la Cuenca Mediterránea ha experimentado un aumento importante de las actividades industriales y del tráfico rodado.
De hecho, las concentraciones de Ozono se han incrementado hasta alcanzar niveles fitotóxicos para un considerable número de especies vegetales. Las cantidades de O 3 recomendadas por la OMS, 40 ppb, (Furher, 1994) para la protección de cultivos y bosques se superan en la mayoría de los países europeos (EMEP, 1995). Durante la década de los 90 se llevaron a cabo diversos trabajos para cuantificar especies con mayor o menor sensibilidad a este contaminante, basándose, fundamentalmente, en estudios de alteraciones visibles sobre las hojas. Acer campestre Ailanthus altissima
En muchos casos, los ds externos no son nada fáciles de determinar, pudiéndose confundir con ds de otro origen (Vollenveider et al., 2003). Para disipar estas dudas, estos últimos s se han realizado en diferentes países estudios fisiológicos e histológicos para validar estos ds. Paralelamente se han estudiado también especies vegetales que, por el aspecto exterior de sus hojas, paracían estar sanas. La conclusión generalizada ha sido: El ozono troposférico daña mucho más de lo que en principio se creía. Prácticamente afecta a todas las especies en mayor o menor grado. Sambucus sp. Pinus halepensis
El Jardín Botánico de Valencia, en colaboración con el CEAM ha desarrollado estudios de este tipo dentro de un programa LIFE de la Comunidad Económica Europea, en el que intervienen Italia, Bélgica, Suecia, Dinamarca, Alemania, Francia, Chequia, Suiza y Hungría. Entre otras conclusiones, se puede considerar, hoy por hoy, al ozono troposférico, como el contaminante atmosférico más agresivo por su abundancia y por su acción.
El equipo de Valencia ha realizado sus trabajos en un centro experimental propiedad de la fundación CEAM ubicado en la granja La Peira de Benifaió, en la comarca de la Ribera Baixa. Los experimentos se han llevado a cabo en cámaras NCLAN de techo abierto en las que podemos regular la cantidad de ozono presente en el aire. Se han estudiado diferentes especies de interés forestal y agrícola: Pistacia lentiscus, P. terebintus, Viburnum tinus, V. lantana, Sorbus aria, S. aucoparia, Sambucus nigra, Citrus sp., Solanum tuberosum, Vitis vinifera, Pinus halepensis, Abies pinsapo, Ailantus altisima, Acer sp., Quercus sp., Lamotea dianae, Centrantus ruber Cámara 1, aire filtrado carente de ozono. Cámara 2, aire no filtrado con ozono añadido (30 ppb) Cámara 3, aire no filtrado con ozono añadido (80 ppb) De cada especie se han estudiado tres ejemplares, sometidos a atmósferas con diferentes concentraciones de O 3
Se tomaron muestras de cada una de las especies con periodicidad semanal, haciéndose un seguimiento durante 5 meses (de abril a agosto) desde el 2001 al 2011 En el laboratorio de Anatomía e histología del Botánico se han estudiado las secciones de las hojas al microscopio óptico y electrónico. Haciéndose estudios de histología clásica con microscopía de campo claro y de fluorescencia e histoquímica con colorantes diversos para ver la afectación celular.
Equipos del CEAM han estudiado la incidencia del ozono en procesos fisiológicos de fotosíntesis y asimilación Todo ello ha permitido establecer diferencias entre los tejidos sanos que estaban en aire filtrado y los provenientes de hojas sometidas a la acción del contaminante El estudio microscópico se ha centrado, fundamentalmente en: Cutícula, estomas, parénquimas, floema, lámina media, abundancia de almidón en plastos y canales secretores.
1.- HISTOLOGÍA DE LAS PLANTAS CULTIVADAS EN ATMÓSFERA FILTRADA. HOJAS JÓVENES PL SE EE ZT EH PE Sección transversal (ST) de una hoja joven. EH: epidermis del haz; EE: epidermis del envés; PE: parénquima en empalizada; ZT: zona de transición; PL: parénquima lagunar; SE: capa subepidérmica. (x200) Detalle de la zona de transición mostrando el aspecto de los plastos (flechas) y las vacuolas () presentes en las células parenquimáticas. (x1000)
1.- HISTOLOGÍA DE LAS PLANTAS CULTIVADAS EN ATMÓSFERA FILTRADA: HOJAS ADULTA S Detalle de la epidermis del haz y del parénquima en empalizada en una hoja adulta de Pistacia lentiscus. Se aprecia la ornamentación y la gruesa cutícula (flechas). Las células del parénquima () poseen un contenido vacuolar denso y plastos. (x1000) Detalle de la epidermis del haz y del parénquima en empalizada en una hoja adulta de Pistacia lentiscus. Se aprecia la ornamentación y la gruesa cutícula (flechas). Las células del parénquima () poseen un contenido vacuolar denso y plastos. (x1000)
2.- MODIFICACIONES DEL PARÉNQUIMA LAGUNAR EN PLANTAS CON O 3. ZT PL PL ZT Figura 17. Detalle de una sección transversal (ST) del parénquima lagunar de una hoja tratada con 80 ppm de ozono durante 1 mes. Se observa una degeneración de las vacuolas () y de los cloroplastos (flechas blancas) así como un deterioro evidente de la pared celular (). (x1000) Figura 18. Detalle de una sección transversal (ST) del parénquima lagunar (PL) y de la zona de transición (ZT) de una hoja tratada con 80 ppm de ozono durante 1 mes. Se observa la degeneración de las vacuolas () y de la reorganización de los cloroplastos (flechas) de la ZT. (x1000)
Patata E PP 20 μm
Patata Degeneración de los cloroplastos de hoja de patata por acumulación de almidón que no puede movilizar Hipertrofia de los peroxisomas como respuesta a la presencia de ROS
Patata Weight per plant (g) Number of potatoes 2400 1800 1200 600 24 20 16 12 8 4 0 0 2004 season 2400 2005 season CF NF NF+ CF NF NF+ * * 1800 1200 600 24 20 16 12 8 4 0 0 * CF NF NF+ CF NF NF+ * * Number of potatoes 12 10 8 6 4 2 0 * * < 30 mm 30 - < 40 mm 40 - < 60 mm 60 mm Calibre (mm) CF NF NF+ Weight per potato (g) 160 120 80 40 0 CF NF NF+ * Figura 5. Rendimiento agrícola de la patata crecida en el interior de las cámaras abiertas (CF: cámaras con aire filtrado, NF: cámaras con aire ambiental, NF + : cámaras con aire ambiental enriquecido con ozono) para los cultivos de 2004 (columna izquierda) y 2005 (columna derecha). Las barras blancas representan todas las patatas, y las barras grises representan las patatas de calibre comercial (calibre 40 mm). Se presentan las medias con su error típico; los asteriscos indican diferencias significativas con el tratamiento CF (p 0.05). 160 120 80 40 0 CF NF NF+ * * Weight per plant (g) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 < 30 mm 30 - < 40 mm 40 - < 60 mm 60 mm Calibre (mm) * CF NF NF+
Quercus ilex Pinus cembra
Abies pinsapo
Concentraciones de ozono en dos de los pinsapares de Málaga en 2010 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Alto Palancia 1993 Comparando con las gráficas clásicas de las concentraciones de O 3 de hace unos s vemos que los niveles se mantienen altos casi todo el.
2500 Publicaciones anuales a nivel mundial de artículos relacionados con el ozono troposférico como contaminante en revistas de índice de impacto superior a 2 2000 1500 1000 500 0
4,5 4 3,5 Tesis doctorales relacionadas con el tema producidas en el estado Espl desde 1991 hasta la fecha: 33 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 Distribución del número de tesis doctorales sobre el ozono en España en los últimos 20 s
En cambio, el tratamiento del tema en la mayoría de los textos actuales es muy reducido, dándose mucha más importancia a la acción de otros contaminantes que podríamos denominar clásicos
Propuestas: Ampliación de la información por parte de los profesores Un programa de investigación concienciación llevado a cabo por alumnos y profesores: PROYECTO OZONO ESCUELA. El uso de la variedad de tabaco Bel w3 como indicador de ozono en los centros educativos
La contaminación atmosférica es un problema medioambiental importante. Las fuentes de contaminación atmosférica más relevantes son las industrias, las centrales térmicas, la calefacción de la casa y especialmente el tráfico. Concentraciones elevadas de estos contaminantes ponen en peligro la vida humana, dañan a las plantas y animales y deterioran los edificios. Uno de los contaminantes más importantes es el ozono troposférico también llamado ozono malo. En la presente experiencia, se explicará como usar una planta sensible a este contaminante, la variedad de tabaco Bel W3, para detectar los niveles de ozono de una zona. Según la concentración y la duración del episodio, el ozono puede causar diferentes efectos: tos, irritaciones en la faringe, irritaciones en el cuello, irritaciones en los ojos, dificultades respiratorias ( garganta seca ), disminución del rendimiento, empeoramiento de la función pulmonar, síntomas de malestar general: cansancio, dolor de cabeza, abatimiento...
LAS PLANTAS NOS INFORMAN DE LA CONTAMINACIÓN: Un ejemplo claro es el tabaco variedad Bel W3: la contaminación por ozono le produce unas manchas en las hojas y cuantificando la cantidad de estas manchas podemos averiguar si en la zona donde se han expuesto las plantas los niveles de ozono son altos o bajos. Las plantas se cultivan en un invernadero, con aire exento de ozono, a partir de semillas durante 6-8 semanas y, posteriormente, se exponen al aire en el patio de los colegios/institutos 14 días
Se evalúa la superficie foliar afectada por manchas de las hojas número 4ª, 5ª y 6 ª de cada planta Los ds de estas hojas se compararán con una serie de fotos de hojas dañadas por ozono de las que se conoce con exactitud la superficie afectada
Dentro de cada clase, se propone crear varios grupos de alumnos, que evalúen de forma independiente las seis plantas con la finalidad de poder comparar los resultados. Al final, se calculará la media de todas las hojas (3 hojas por planta x 6 plantas = 18 hojas) Media de manchas en las 18 hojas Nivel de contaminación por ozono > 6% Contaminación muy baja 6-15 Contaminación baja 16-30 Contaminación media 31-60 Contaminación alta >60 Contaminación muy alta
Patrones de comparación de ds en hojas de Nicotiana tabacum. Hojas con manchas escasas, del 2 al 8 %.
Patrones de comparación de ds en hojas de Nicotiana tabacum. Hojas con manchas escasas, del 10 al 17 %.
Patrones de comparación de ds en hojas de Nicotiana tabacum. Hojas con manchas escasas, del 19 al 31 %.
Patrones de comparación de ds en hojas de Nicotiana tabacum. Hojas con manchas escasas, del 35 al 46 %.
Patrones de comparación de ds en hojas de Nicotiana tabacum. Hojas con manchas escasas, del 53 al 61 %.
MODELO DE FICHA A COMPLETAR POR LOS ALUMNOS CON SUS OBSERVACIONES