Características morfoanatômicas e fisiológicas na avaliação do potencial bioindicador e fitorremediador de Pistia stratiotes L. na presença de cádmio, chumbo e arsênio | Morphoanatomical and physiological characteristics in the evaluation of the bioindicator and phytoremediator potential of Pistia stratiotes L. in the presence of cadmium, lead and arsenic

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Agronomia, área de concentração em Fisiologia Vegetal, para a obtenção do título de Mestre.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Fisiologia Vegetal

The intensive development of industrial and agricultural activities have contributed significantly to the increase in environmental pollution by trace elements, where aquatic ecosystems have been highly affected, restricting the use of water resources. Among the most hazardous pollutants released into aquatic ecosystems through industrial effluents are the trace elements cadmium (Cd), lead (Pb) and arsenic (As), which can be readily introduced in the food chain, representing high toxicity to animal and human health. Phytoremediation has been indicated as an effective, low cost technique to recover aquatic environments in order to reduce the impact of these pollutants. Several aquatic plants have been used both in phytoremediation as well as the biomonitoring of pollution by trace elements due to the plant tolerance and their capacity to absorb and accumulate inorganic substances present in these systems. This is made possible due to the strategies and mechanisms developed against phytotoxicity of these elements, that is variable among different species and different substances. Therefore studies on potential plant tolerance to these pollutants becomes necessary, so that in the future they can be used as biological filters in contaminated aquatic environments. From this perspective, the objective was to evaluate the behavior of the Pistia stratiotes specie under increasing concentrations of Cd, Pb and As. This was conducted through the analysis of population, visual symptoms, internal root structure, antioxidant enzyme activity system and content, accumulation, translocation and absorption of trace elements, seeking an indication of this species for biomonitoring programs and phytoremediation of effluents contaminated by the elements studied. The experiments were conducted in a greenhouse at the Federal University of Lavras, where plants were grown in 40% Hoagland & Arnon nutrient solution which were previously and individualy exposed to different concentrations of the three trace elements. Trace element accumulation analyses were made by atomic absorption, the root anatomical analysis under light microscopy. The growth and biomass, and the ascorbate peroxidase (APX), catalase (CAT) and superoxide dismutase (SOD) antioxidant enzyme activity were assessed. Visual symptoms were analyzed in situ and register by photography. According to results, the species P. stratiotes concentrated considerable levels of Cd, Pb and As in its tissues. However, toxic effects such as chlorosis were observed at the higher Cd concentrations. The considered effects of antioxidant system enzymes and structural alterations such as the thickening of epidermis, exodermis and endodermis were detected in the roots, according to the increase solution concentration of the studied elements. These alterations function as adaptive strategies which permit species tolerance to these elements. Therefore, P. stratiotes can be utilizing in the Cd contaminated aquatic environments, due to its facility in the detection of toxic effects caused by this element. Furthermore, this species presents promise potential to be used in phytoremediation programs of Pb and As contaminated aquatic environments.

O intenso desenvolvimento das atividades industriais e agrícolas tem contribuído de maneira significativa para o aumento da poluição ambiental por elementos traço, em que os ecossistemas aquáticos têm sido altamente impactados, podendo limitar a utilização de recursos hídricos. Entre os poluentes de maior periculosidade liberados em ecossistemas aquáticos por meio de efluentes industriais, encontram-se os elementos-traço cádmio (Cd), chumbo (Pb) e arsênio (As), que podem ser prontamente introduzidos na cadeia trófica, representando alta toxicidade à saúde de animais e seres humanos. A fitorremediação tem sido indicada como uma técnica eficiente de recuperação de ambientes aquáticos a baixo custo, a fim de reduzir os impactos gerados por esses poluentes. Diversas plantas aquáticas têm sido utilizadas tanto em programas de fitorremediação, como no biomonitoramento da poluição por elementos-traço, devido à sua tolerância e capacidade de absorção e acúmulo de substâncias inorgânicas presentes nesses sistemas, o que é possibilitado devido às estratégias e mecanismos desenvolvidos contra a fitotoxicidade desses elementos, sendo variável entre as diferentes espécies e para diferentes substâncias. Por isso, tornam-se necessários estudos visando o conhecimento da potencial tolerância dessas plantas a esses poluentes, a fim de que sejam futuramente utilizadas como filtros biológicos em ambientes aquáticos contaminados. Nessa perspectiva, objetivou-se avaliar o comportamento da espécie Pistia stratiotes sob concentrações crescentes de Cd, Pb e As, por meio de análises populacionais, sintomas visuais, estrutura interna radicular, atividade de enzimas do sistema antioxidante e o teor, acúmulo, translocação e absorção dos elementos-traço, visando a indicação desta espécie para programas de biomonitoramento e fitorremediação de efluentes contaminados pelos elementos estudados. Os experimentos foram conduzidos em casa de vegetação na Universidade Federal de Lavras, onde as plantas foram cultivadas em solução nutritiva de Hoagland & Arnon 40% e submetidas a diferentes concentrações dos elementos-traço, separadamente. Foram realizadas análises dos teores acumulados dos elementos-traço por meio de absorção atômica, análises anatômicas radiculares em microscopia de luz, avaliação do crescimento clonal e da biomassa e a atividade das enzimas do sistema antioxidante peroxidase do ascorbato (APX), catalase (CAT) e superóxido dismutase (SOD). Os sintomas visuais foram analisados in situ e registrados por meio de fotografias. Conforme os resultados, a espécie P. stratiotes concentrou teores consideráveis de Cd, Pb e As em seus tecidos, porém na presença de Cd foram observados efeitos de toxidez como clorose nas maiores concentrações. A ação combinada das enzimas do sistema antioxidante e alterações estruturais como espessamento de epiderme, exoderme e endoderme, foram detectadas nas raízes de P. stratiotes de acordo com o aumento da concentração dos elementos estudados em solução, funcionando como estratégias adaptativas que permitem a tolerância da espécie a estes elementos. Portanto, P. stratiotes, pode ser utilizada no biomonitoramento de ambientes aquáticos contaminados por Cd, pela facilidade de detecção dos efeitos de toxidez causados por este elemento, além de apresentar potencial promissor na utilização em programas de fitorremediação de ambientes aquáticos contaminados por Pb e As.