Fitorremediação de cádmio por Khaya ivorensis A. Chev. mitigação do estresse por silício nas modulações fisiológicas, bioquímicas e anatômicas.

CNPQ.

Dentre os metais pesados (MPs), o cádmio (Cd), representa uma das maiores ameaças ao meio ambiente em escala global, em virtude do seu elevado potencial ecotoxicológico e dos índices crescentes no solo, o que contribui em larga escala para a perda da produtividade e da biodiversidade dos ecossistemas. Plantas lenhosas de rápido crescimento representam ferramentas eficazes para extração Cd em solos contaminados. Nesse sentido, o mogno africano (Khaya ivorensis A. Chev), uma espécie arbórea pertence à família Meliaceae apresenta características satisfatórias à remediação dado ao crescimento acelerado, sistema radicular axial e alta produção de biomassa. No entanto, as estratégias fitorremediadoras e mecanismos de tolerância ao Cd implementados por essa espécie, associados à melhoria do estado nutricional, não estão claros. Diante do exposto, essa pesquisa visa identificar as modulações do silício (Si), um micronutriente benéfico, na fisiologia, na bioquímica, no sistema antioxidante e na anatomia de mudas de mogno africano, submetidas à níveis tóxicos de Cd e correlacionar esses processos com o aumento do potencial fitorremediador ao MP. O delineamento experimental utilizado foi em blocos casualizados, em esquema fatorial 4x4 com cinco repetições, e os fatores constituídos por níveis crescentes do MP (Cd 0, 25, 50 e 75mg L-1) e doses de silício (Si 0, 100, 150 e 300 mg L-1). Realizou-se a análise de regressão polinomial, superfície de resposta. As concentrações de Cd 50 e 75 mg L-1 foram tóxicas, e causaram alterações nos processos bioquímicos com repercussões fisiológicas e anatômicas negativas em K. ivorensis. Houve danos fotoinibitórios ao PSII, em que as variáveis da fluorescência da clorofila a, (ΦPSII), (qP) e (ETR), da fotossíntese (A), de trocas gasosas (gs), (Ci/Ca) e dos pigmentos fotossintéticos, especialmente, clorofila b, foram as mais afetadas pelo maior nível do metal e apresentaram pontos mínimos respectivos pelo ajuste da regressão de 0,05; 0,07; 0,15 µmol CO2 molar-1; 3,2 mmol CO2m -2 s -1; 0,1mol H2O m-2s -1; 0,06 µmol CO2 molar-1 e 0,18 mg g-1 e foram 78%, 82%, 75%, 83%, 96%, 93% e 95% inferiores ao controle. A desorganização no metabolismo citosólico, causou a peroxidação lipídica. O conteúdo de malonoaldeído foi aumentado em 69% e 63% em folhas e raízes, o que foi acompanhado por reduções nas atividades das enzimas antioxidantes, sobre tudo, a CAT teve sua expressão diminuída em de 69% no sistema radicular. Ocorreram alterações anatômicas nos tecidos com diminuições acentuadas nas espessuras epidérmicas. O parênquima paliçádico e o córtex radicular foram 84% e 72% menos espessos sob aquele nível tóxico de Cd. No entanto, o Si atenuou o estresse promovido pelo íon e modulou uma sobreexpressão naquelas variáveis, o que assegurou o crescimento e o desenvolvimento de K. ivorensis em condições de contaminação pelo MP. O metabolismo normal das plantas foi retomado apenas naquelas submetidas ao tratamento com Cd 50 mg L-1 e nutridas com Si 150 mg L-1. A análise canônica mostrou que a combinação de Cd 45 mg L-1 e Si 160 mg L-1, resultou nos pontos máximos daqueles parâmetros em que os valores chegaram próximos ao controle. A modulação do Si no metabolismo antioxidante ficou confirmada pelo incremento de 31% na atividade da SOD. Esses padrões de respostas estiveram relacionados à redução da translocação de Cd às partes aéras decorrente do seu aprisionamento no sistema radicular induzido pelo Si. Assim, o micronutriente elevou a tolerância e o potencial fitorremediador de K. ivorensis ao Cd mediante a fitoestabilização do MP, o que foi resultante de mecanismos de complexação do Si ao Cd, bem como, às restrições ao íon impostas pelas estrias de caspary, mediadas pelo mineral benéfico. A tolerância ao Cd decorreu da melhoria nas relações hídricas.

Among the heavy metals (MPs), cadmium (Cd) represents one of the biggest threats to the environment on a global scale, due to its high ecotoxicological potential and increasing soil indices, which contributes to the loss of carbon dioxide productivity and biodiversity of ecosystems. Fast-growing woody plants represent effective tools for Cd extraction in contaminated soil. In this sense, African mahogany (Khaya ivorensis A. Chev), a tree species belonging to the Meliaceae family, presents satisfactory characteristics for remediation given its accelerated growth, axial root system and high biomass production. However, the phytoremediation strategies and Cd tolerance mechanisms implemented by this species, associated with the improvement of nutritional status, are not clear. Given the above, this research aims to identify the modulations of silicon (Si), a beneficial micronutrient, in the physiology, biochemistry, antioxidant system and anatomy of African mahogany seedlings submitted to toxic levels of Cd and correlate these processes with increased phytoremediation potential to MP. The experimental design was a randomized block design in a 4x4 factorial scheme with five replications, and the factors constituted by increasing levels of MP (Cd 0,25, 50 and 75 mg L-1) and silicon doses (Si 0, 100, 150 and 300 mg L-1). Polynomial regression analysis, response surface was performed. Cd 50 and 75 mg L-1 concentrations were toxic and caused changes in biochemical processes with negative physiological and anatomical repercussions on K. ivorensis. There was photoinhibitory damage to PSII, where the variables of chlorophyll a, (ΦPSII), (qP) and (ETR) fluorescence, photosynthesis (A), gas exchange (gs), (Ci/Ca) and photosynthetic pigments , especially chlorophyll b, were the most affected by the highest level of the metal and presented respective minimum points by the regression adjustment of 0.05; 0.07; 0.15 µmol molar CO2 -1 ; 3.2 mmol CO2m -2 s -1; 0.1 mol H2O m-2s -1; 0.06 µmol molar CO2 and 0.18 mg g-1 and were 78%, 82%, 75%, 83%, 96%, 93% and 95% lower than the control. Disorganization in cytosolic metabolism caused lipid peroxidation. Malonoaldehyde content was increased by 69% and 63% in leaves and roots, which was accompanied by reductions in antioxidant enzyme activities. Above all, CAT had its expression decreased by 69% in the root system. Anatomical changes occurred in the tissues with marked decreases in epidermal thickness. The palisade parenchyma and root cortex were 84% and 72% less thick under that toxic Cd level. However, Si attenuated the stress promoted by the ion and modulated overexpression in those variables, which ensured the growth and development of K. ivorensis under conditions of MP contamination. Normal plant metabolism was resumed only in those submitted to treatment with Cd 50 mg L-1 and nourished with Si 150 mg L-1. Canonical analysis showed that the combination of Cd 45mg L -1 and Si 160 mg L-1 resulted in the maximum points of those parameters where the values came close to the control. Si modulation in antioxidant metabolism was confirmed by a 31% increase in SOD activity. These response patterns were related to the reduction of Cd translocation to the aerial parts due to its entrapment in the Si-induced root system. Thus, the micronutrient increased K. ivorensis tolerance and phytoremediation potential to Cd by MP phytostabilization which resulted from mechanisms of Si complexation to Cd, as well as ion restrictions imposed by the caspary striations, mediated by the beneficial mineral. Tolerance to Cd was due to improved water relations.