Iron toxic effects: physiological and morphological changes in cultivated and restinga plants | Efeitos tóxicos do ferro: alterações fisiológicas e morfológicas em plantas cultivadas e de restingas

O ferro (Fe) é um micronutriente essencial envolvido em vários processos do metabolismo vegetal como fotossíntese, respiração, fixação de nitrogênio, entre outros. Entretanto, em altas concentrações torna-se tóxico. O aumento exagerado da disponibilidade de Fe para as plantas pode ser observado naturalmente em solos ácidos constantemente alagados ou em eventos antrópicos como a mineração e beneficiamento de minério de ferro. A toxidez por ferro é o principal fator abiótico que limita a produtividade de arroz em cultivo alagado. Por outro lado, o crescente número de usinas do setor de mineração e beneficiamento de Fe pode constituir um risco ambiental para espécies vegetais em fragmentos de restinga próximos a fontes poluidoras, lançando nessas áreas considerável quantidade de Fe na forma de material sólido particulado de Fe (MSPFe) juntamente com precipitações ácidas caracterizadas por alta concentração de SO2. Desta forma, o objetivo do presente estudo foi caracterizar fisiologicamente o processo de toxidez por ferro em plantas, abrangendo causas antrópicas, como em regiões sujeitas à poluição por MSPFe e SO2, e causas naturais, como no caso dos solos ácidos inundados onde o arroz é cultivado. Em condições de cultivo hidropônico, os efeitos do Fe-EDTA em genótipos de arroz foram examinados utilizando parâmetros fisiológicos não invasivos. O aumento no teor foliar de Fe levou a alterações nos diversos parâmetros avaliados, podendo ser empregados na prévia detecção dos efeitos tóxicos do ferro, antes do aparecimento de sintomas visuais. A redução na taxa fotossintética nos genótipos de arroz pode ser atribuída a componentes estomáticos e a componentes não-estomáticos em resposta ao aparecimento de estresse oxidativo. Reduções nos teores de clorofila e distúrbios nos processos de captura e utilização da energia luminosa foram constantemente verificados nos genótipos mais sensíveis. Os efeitos prejudiciais do ferro em excesso também ocorreram com a formação de uma placa de ferro na superfície radicular, alterando processos nutricionais em plantas. Tais efeitos foram investigados em genotipos tropicais de arroz provenientes de cultivo alagado e de terras altas. A aplicação de FeSO4 na solução nutritiva levou ao aparecimento da placa de ferro, com coloração alaranjada, em todos os genótipos estudados, porém em maior intensidade nos genótipos de várzea. Observou-se redução significativa no teor de P, Mg e Mn na parte aérea em decorrência da formação da placa de ferro nas raízes. Frequentemente foram observadas rupturas das células epidérmicas da raiz. Quanto aos aspectos da toxidez por ferro e outros elementos imposta por fontes de mineração, observou-se que a deposição de MSPFe e SO2 causou reduções em diversos parâmetros fotossintéticos em duas espécies de restinga: Clusia spiritusanctensis e Aspidosperma parvifolium, sob condições de campo e em casa de vegetação. As plantas expostas aos poluentes apresentaram acúmulo significativo de ferro nos tecidos. Os maiores teores desse elemento foram observados em A. parvifolium que também apresentou incremento nos teores de enxofre sob condições de campo, sendo observados sintomas mais severos nessa espécie. Desta forma, pode-se concluir que a toxidez por Fe pode limitar o desempenho fotossintético e nutricional de genótipos de arroz sensíveis ao excesso de Fe e que as emissões de MSPFe e outros poluentes por fontes mineradoras podem causar desequilíbrio na dinâmica sucessional da restinga e comprometer o desenvolvimento das espécies vegetais.

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Iron (Fe) is an essential micronutrient for several processes in plant metabolism, such as photosynthesis, respiration, nitrogen fixation and others. However, reaching high levels it became toxic. The exaggerated increase in Fe availability to plants can be found naturally in waterlogged acidic soils or due anthropic consequences, such as iron ore processing and beneficiation factories. In lowland rice, Fe is the major abiotic factor limiting plant productivity. In other hand, the increasing number of iron ore factories near the restinga, may constitute an environmental hazard. These factories release considerable amounts of sulfur dioxide (SO2) and iron ore dust into the air over the restinga as iron solid particulate matter (SPMFe) and acid precipitation. Thus, the purpose of this study was characterize with physiological evaluations the different processes of iron toxicity in plants, covering anthropic causes, such as SPMFe and SO2 pollution, and natural causes, such as iron toxicity in waterlogged soils. Using hydroponic culture the effects of Fe-EDTA on rice genotypes were evaluated by noninvasive methodologies. The rise in shoot iron content led to changes in most of noninvasive physiological parameters used. These parameters may be used in early detection of iron toxicity prior to visual symptoms. Reduction in rice genotypes photosynthesis can be attributed to stomatal and non-stomatal limitations in response to the oxidative stress. Chlorophyll content reduction and impairment in light capture and utilization were commonly observed in sensitive genotypes. The damaging effects of iron also occured with iron plaque formation on the root surface, changing nutritional processes. Those effects were investigated in tropical rice genotypes from lowland and upland cropping systems. FeSO4 application in nutrient solution caused iron plaque formation, with reddish precipitated with higher intensity in lowland genotypes. Iron plaque caused significant reductions in the shoot content of P, Mn and Mg. Frequently was observed ruptures of the root epidermis. To iron toxicity related to mining sources, it was observed reductions in several photosynthetic parameters caused by SPMFe and SO2 deposition on two restinga plant species: Clusia spiritu-sanctensis and Aspidosperma parvifolium, under field and greenhouse conditions. The plant exposure to the pollutants leads to significant increase of Fe into tissues. The higher Fe content was found in A. parvifolium which one also presented increased sulphur content under field exposure. The most severe symptoms were observed in this species. In conclusion, the iron toxicity may limit the nutritional and photosynthetic performances of sensitive rice genotypes. The SPMFe and other pollutants emissions from iron ore factories may lead to imbalance in sucessional dynamic in restinga and affect the development of the plant species in this ecosystem.