Expression patterns of antioxidant network in pioneer plants from mine tailings polluted with high levels of heavy metals

Abstract

[SPA] La intensa actividad minera llevada a cabo en el distrito minero de Cartagena-La Unión durante más de dos mil quinientos años ha generado un gran volumen de residuos, muchos de los cuales se acumulan en balsas de estériles. Aunque la mayoría de estas balsas carecen de vegetación, en determinadas zonas proliferan ciertas especies pioneras que están sometidas a una exposición crónica a altas concentraciones de diversos metales pesados y metaloides. Por su carácter pionero y su tolerancia a metales, estas especies presentan un gran potencial en programas de fitomanejo encaminados a evitar la dispersión de contaminantes mediante el establecimiento de una cubierta vegetal estable y autosostenible a largo plazo. La colonización por especies vegetales de las balsas mineras de la Sierra de Cartagena no sólo está condicionada por la presencia de concentraciones fitotóxicas de metales, bajos niveles de nutrientes esenciales y alta salinidad, sino también por las condiciones de sequía y los altos niveles de radiación solar que son característicos de climas semiáridos. El estudio de las plantas pioneras que colonizan estas estructuras ofrece, por lo tanto, la oportunidad de encontrar mecanismos adaptativos a condiciones de estrés múltiple que permitan dar un salto cualitativo en la aplicación de las técnicas de fitomanejo. La presente Tesis Doctoral se centró, por un lado, en el estudio de sistemas antioxidantes, así como de diversos marcadores de estrés oxidativo y de otros parámetros relacionados con el estrés en tres especies de plantas pioneras crecidas de forma espontánea en balsas de estériles; dos de ellas herbáceas (Zygophyllum fabago y Dittrichia viscosa) y una arbórea (Pinus halepensis). Teniendo en cuenta el marco climático semiárido de este distrito minero, los análisis se realizaron tanto en primavera como en verano en dos años consecutivos (2012 y 2013). Por otro lado, considerando que esta zona minera contiene altos niveles de Pb, se estudió en condiciones controladas de laboratorio el efecto de la exposición, tanto aguda como crónica, a este metal en plantas de Z. fabago, con el fin de determinar los mecanismos de tolerancia que esta especie pone en marcha para contrarrestar la toxicidad del Pb.

[ENG] The intense mining activity carried out in the mining district of Cartagena-La Unión for more than two thousand five hundred years has generated a large volume of mine tailings. Although most of these mine tailings remain unvegetated, in certain areas some pioneer species proliferate even though they are chronically exposed to high concentrations of various heavy metals and metalloids. Owing to their pioneer characteristic and their heavy metal tolerance, these species have a great potential in phytoremediation programs aimed at avoiding the dispersion of contaminants through the establishment of a stable and self-sustainable plant cover. The colonization by plant species into mine tailings in semi-arid climates is not only conditioned by the presence of phytotoxic concentrations of metals, low levels of essential nutrients and high salinity, but also by drought conditions and the high sunlight irradiance that are characteristic of these climatic areas. The study of the pioneer plants able to colonize these degraded zones offers the opportunity to find adaptive mechanisms under multi-stress scenarios that allow a qualitative leap in the application of phytomanagement techniques. The present PhD Thesis was focused, on the one hand, on the study of antioxidative response mechanisms, as well as on various oxidative stress markers in different pioneer plants species both herbaceous (Zygophyllum fabago and Dittrichia viscosa) and woody (Pinus halepensis) ones. Taking into account the semiarid climate framework of this mining district, the analyses were conducted both in spring and summer in two consecutive years (2012 and 2013). On the other hand, considering that this mining area contains high levels of Pb, the effect of both acute and chronic exposure to this metal in Z. fabago plants was studied under controlled laboratory conditions in order to determine the tolerance mechanisms that this species used to counteract Pb toxicity.