MAGÍSTER EN EDUCACIÓN DE LAS CIENCIAS (Mención: Física, química, biología y matemática)

Instituto de Química de Recursos Naturales, Instituto de Biología Vegetal y Biotecnología, Instituto de Matemática y Física, Instituto de Investigación y Desarrollo Educacional (IIDE)

USO DE LOS LÍQUENES COMO BIOINDICADORES DE CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA POR PARTE DE

ESTUDIANTES EN TRABAJOS DE CAMPO

Profesora guía: Dra. Iris Pereira Riquelme Miembro instituto de Biología y Biotecnología, Utalca

Alumno tesista: Cristián Aguilar Correa.

Crimac@hotmail.com

Talca, septiembre de 2008

CAPITULO PRIMEROCAPITULO PRIMEROCAPITULO PRIMEROCAPITULO PRIMERO

EL MUNDO DE LOS LÍQUENES

¿QUÉ ES UN LIQUEN?

Las algas1 son de los primeros vegetales que poblaron la Tierra. Estos organismos fotosintéticos llegaron a dominar el medio acuático, pero si aspiraban a expandirse, tenían que conquistar el sustrato sólido. Al borde de las aguas, en grupos de algas lanzadas por las mareas, se daban las condiciones apropiadas para que otros seres aprovechasen los nutrientes. Allí, debieron surgir los hongos2, organismos capaces de

aprovechar la materia orgánica que no podían sintetizar como las algas por carecer de clorofila. Como consecuencia de la coexistencia de esos dos tipos de organismos, aparecieron los líquenes6

A cierta distancia, los líquenes son confundidos con musgos3 o con otros vegetales simples que crecen en las rocas, en troncos en descomposición y en los árboles. De hecho, los líquenes no son musgos ni otra clase de plantas, ni son organismos individuales.

Según el Dictionary of the fungí4, “un liquen es un hongo (micobionte) que ha establecido

una unión exitosa (relación simbiótica) con un alga o cianobacteria (fotobionte)”. Como no tienen raíces, hojas o flores, toman el agua y sus nutrientes fundamentalmente a partir de la atmósfera. Se encuentran en casi todas partes, cubriendo las superficies de las rocas, la corteza de troncos y ramas, los claros del suelo, el vidrio, el cemento, las tejas, los monumentos, etc. Prácticamente cubriendo el 8% de la superficie terrestre. Los líquenes siempre aparecen como epifitos o sobre las cortezas, (corticícolas), o bien sobre rocas, (saxícolas), a condición de que haya una cierta iluminación. Todo ello es posible gracias a su característica naturaleza de simbiontes y a que dependen casi exclusivamente de la atmósfera o del agua que fluye por el sustrato. Su metabolismo y, por tanto, su crecimiento es muy lento. Esta unión le da a cada parte la habilidad de desarrollarse como resultado de su cooperación natural. Los dos organismos establecen una estrecha asociación en la que ambas especies se benefician (simbiosis). 1 BOT. Grupo de seres vivos incluidos dentro del reino de los protistas, unicelulares o pluricelulares, que viven preferentemente en el agua, tanto

dulce como marina, y que, en general, están provistos de clorofila u otros pigmentos fotosintéticos. 2 BOT. Ser vivo talofito sin clorofila, de reproducción preferentemente asexual, por esporas, que suele ser parásito o vive sobre materias orgánicas en

descomposición 3 BOT. Cada una de las plantas briofitas, con hojas bien desarrolladas y provistas de pelos rizoides o absorbentes que tienen un tallo parenquimatoso

en el cual se inicia una diferenciación en dos regiones, central y periférica. Crece abundantemente en lugares sombríos sobre las piedras, cortezas de árboles, el suelo y aun dentro del agua corriente o estancada. 4 Ainsworth Bisby, 1971

El hongo se encarga de proteger al alga de las radiaciones directas del sol, le brinda agua y sales minerales y, el alga, a su vez, realiza la fotosíntesis y proporciona al hongo alimento, ya que la nutrición de éste es heterótrofa. La falta de competencia y la ausencia casi total de depredadores, ha compensado su lento crecimiento, les ha permitido colonizar diversos territorios en el planeta y conseguir una amplia diversificación. Son organismos que soportan temperaturas entre los 70º C y los –20º C. Habitan en todo tipo de medioambiente, desde los áridos desiertos hasta las zonas polares. Los líquenes pueden pasar rápidamente a un estado de vida latente cuando las circunstancias ambientales son desfavorables. Así, en momentos de sequía y aridez, suspenden sus actividades y las recobran de nuevo con la lluvia o el rocío que absorben como si fueran verdaderos “papeles absorbentes”. Esto, debido a que todo el talo (aparato vegetativo del liquen) está desprovisto de cutícula.

LA REAL SOCIEDAD

En cuanto a su morfología, el talo está formado por hifas entretejidas que rodean y protegen al alga.

El talo puede ser homómero, si no se aprecia ninguna estratificación y las algas se hallan repartidas de manera uniforme entre las hifas, o heterómero, si se aprecian estratos.

En un liquen se distinguen tres partes fundamentales: La corteza superior o córtex superior; formada por hifas y con función de protección. La capa intermedia, próxima a la superficie, es donde se encuentra el conjunto de algas, y la médula, está formada por hifas, cavidades llenas de aire, y el córtex inferior con función de protección y sujeción.

Fig. Nº 1: Sección transversal de un liquen. (dibujo del autor)

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Como se dijo anteriormente; un liquen es una simbiosis. Eso significa que dos organismos que viven juntos hacen una mejor sociedad que si ambos vivieran por separado.

Los componentes básicos de esta sociedad son:

Cortex superior Capa de algas Médula Cortex inferior Ricines

1.- Un hongo: llamado “micobionte” 2.- Una o más algas y/o una cianobacteria: llamada “fotobionte”. 1.- LOS HONGOS Estos son organismos que obtienen su alimentación descomponiendo materia orgánica, como madera y hojas. Los hongos (Reino Fungi) no son autótrofos, ellos no pueden llevar a cabo el proceso de fotosíntesis. Los hongos que hacen la simbiosis son en su mayoría (sobre el 95%) Ascomicetes. Sólo el 5% restante corresponde a Basidiomicetes y Deuteromicetes. Cada especie de liquen contiene diversas especies de hongos y es de este modo en que se genera la diversidad de especies liquenicas. Fig. N° 2: Detalle de las hifas del hongo (células que forman al hongo). Dibujos del autor.

2.- LAS ALGAS Las algas que componen los líquenes son de dos tipos: cianofitas y clorofitas y la mayoría pertenecen a uno de estos tres géneros: Trebouxia, Trentepholia y Nostoc. a.- Las Cianofitas (cianobacterias) son un grupo de bacterias de color verde – azul que viven por todo el mundo, mayormente en el agua, pero también sobre la tierra. Algunas cianobacterias llevan a cabo el importante proceso de fijación de nitrógeno. b.- Las Clorofitas (algas verdes) son organismos simples que viven mayormente en el agua, pero también pueden vivir en la tierra. Las algas verdes son tan abundantes que producen el 90 % del oxígeno de la atmósfera del mundo. Las algas son menos numerosas. Una especie dada de alga formará probablemente diversos líquenes. Muchos, por no decir todos los socios algas pueden

existir en hábitat específicos, sin embargo, cuando forman parte de un liquen tienen la posibilidad de una distribución aun mayor. Fig. N° 3: Diferentes especies de algas que forman un liquen, dibujo y fotografía. (Dibujos del autor)

El liquen que se muestra en la fotografía de la izquierda (Flavoparmelia) es un liquen folioso de color blanco verdoso y forma vagamente circular. El centro del talo es rugoso o pulverulento debido a la existencia de soredios1. En la periferia el talo es liso y con márgenes lobulados. Flavoparmelia vive en especial sobre troncos, donde su color claro destaca sobre el negro de algunas cortezas, esporádicamente puede crecer sobre rocas.

Nótese claramente en la fotografía de la derecha la nitidez con que se aprecian las algas entrelazadas en las hifas del hongo.

Fig. N° 4: Detalles de un liquen. Claramente se pueden apreciar como las algas (esferas verdes) están entre mezcladas con las hifas del hongo (Líneas transparentes)

1 Agrupaciones de paquetes de hifas y células de algas, dispuestos para la reproducción vegetativa

Detalle en dibujo

¿QUIÉN BENEFICIA A QUIEN? El hongo se beneficia consiguiendo los azúcares que el alga sintetiza por medio del proceso fotosintético. Por otro lado el alga consigue la protección al incrustarse en las hifas del hongo, permitiéndole a esta tener un ambiente más estable y constante a objeto de desarrollarse mejor. Los hongos recogen los azúcares por medio de las hifas que entran en contacto con la pared de las células del alga. Los hongos producen una sustancia que aumenta la permeabilidad de las membranas celulares del alga, perdiendo un 80% de los azúcares que ella produce.

MORFOLOGÍA FORMAS DE CRECIMIENTO Los líquenes están normalmente agrupados en tres formas mayores de crecimiento: crustácea, foliosa y fruticulosa.

FORMA

CARACTERISTICAS

GENERALES

COMPLEJIDAD BIOLOGICA

SENSIBILIDAD A CAMBIOS EN LA QUIMICA DEL

AIRE

Crustácea Crecen muy ligados a la

superficie del sustrato. Es difícil removerlos sin destruir su talo.

La forma más simple

Tolerantes

Foliosa

Tienen forma como de hoja, con base y bordes bien

definidos.

Compleja

Moderadamente tolerantes

Fruticulosa

Tienen forma como la de un árbol frutal. Lucen como

arbustos, pelos largos, o bien como ramas largas

tridimensionales. Pueden ser arrancados fácilmente, poseen una forma circular al cortarlos

transversalmente.

La más compleja

Intolerantes

Fig. N° 4: Cuadro resumen que muestra las diferentes formas liquénicas, características, complejidad y sensibilidad a cambios en la química del aire.

Fig. N° 5: Fotografías y dibujos con sus detalles de las principales formas liquénicas.

Liquen Crustáceo – Foto: CAC, 2008

Liquen Fruticuloso – Foto: CAC, 2008

Liquen Folioso – Foto: CAC, 2008

PARTES PRINCIPALES DE UN LIQUEN

En la parte inferior del liquen pueden aparecer órganos de sujeción al sustrato conocidos como ricines, “pelillos” muy frecuentes en los foliáceos y crustáceos o discos de fijación en algunos líquenes fruticulosos.

También hay líquenes que presentan estructuras para facilitar el intercambio gaseoso como las pseudocifelas y las cifelas (interrupciones del córtex y capa algal para poner en contacto la médula con el ambiente externo)

TALO

Fig. N° 6: Fotografías y dibujos que muestran las partes de un liquen.

REPRODUCCIÓN Y DISPERSIÓN Se conocen diferentes formas por las cuales los líquenes se pueden reproducir: 1.- REPRODUCCION SEXUAL 1. A. ASCOLIQUENES La reproducción sexual está a cargo del hongo que desarrolla ascocarpos en forma de apotecio o peritecio, con pequeños sacos llamados ascos donde se producen las esporas. Los apotecios, en forma de copa o disco abierto, se presentan sobre el talo, mientras que los peritecios, con forma globosa y un poro apical, se hunden en él.

Fig. N° 7: Fotografía con apotecios- peritecios en ascoliquenes y detalles en dibujos de los mismos.

1. B. BASIDIOLIQUEN Fig. N° 8: Fotografía y dibujo de un basidioliquen. Detalles de basidiocarpos. Fotografía basidioliquen

Detalles de basidios

Dibujo basidioliquen

Detalles generales

2.- REPRODUCCIÓN ASEXUAL La más común es por simple fragmentación del talo. Cuando el liquen se deseca, se vuelve frágil, el viento lo rompe y dispersa los fragmentos, cada pedazo puede originar un nuevo talo en otro lugar. Los líquenes también se reproducen formando pequeños paquetes que contienen el hongo y el fotobionte. Algunas veces el “relleno” del liquen puede exponerse en la superficie como esferas polvorientas muy pequeñas. En otros casos, la superficie superior puede tener pequeños crecimientos parecidos a verrugas. Cuando estas bolitas polvorientas, llamadas soredios, o los crecimientos como verrugas, llamados isidios, son transportados a nuevos lugares, por los pájaros, insectos, viento y lluvia, pudiendo desarrollarse nuevos líquenes. Fig. N° 8: Fotografía de liquen con soredios y detalles en dibujos.

Fig. N° 9: Fotografía de liquen con isidios y detalles en dibujos.

ROL DE LOS LÍQUENES EN EL ECOSISTEMA

a.- Diversidad. Los líquenes contribuyen a la biodiversidad en la naturaleza. b.- Cadena alimenticia. Los líquenes proveen comida, y refugio para la vida silvestre. Ejemplo; Venados, alces, renos, cabras monteses, carneros, ardillas, ratones, murciélagos e

invertebrados, tales como: saltamontes, mariposas, polillas, ácaros, arañas, caracoles, babosas, y muchos escarabajos, viven en ellos, o les sirven de alimento. En condiciones de nieve profunda, los líquenes son la principal fuente proteica para los venados y otros mamíferos, en el crudo invierno ártico. c.- Especies pioneras. Los líquenes son los habitantes pioneros de rocas y de superficies de suelo recientemente expuestos, tales como bosques quemados, flujos volcánicos y nuevas superficies cuando se retira un glaciar. d.- Control de la erosión. En los desiertos, los líquenes estabilizan el suelo y reducen la erosión. e.- Fijadores de nitrógeno. Algunos líquenes transforman el nitrógeno del aire, el cual a su vez es usado por las plantas. d.- Productores de compuestos útiles. Los líquenes también producen un arsenal de más de 500 componentes bioquímicos únicos. Algunos de estos son usados por los seres humanos en medicina y en la industria cosmética, y más recientemente en la agricultura, en el control de plagas (insecticidas y herbicidas).

CAPITULO SCAPITULO SCAPITULO SCAPITULO SEGUNDO EGUNDO EGUNDO EGUNDO

LOS LIQUENES

COMO

BIOINDICADORES

INTRODUCCIÓN

Aunque los líquenes son fuertes, muchos no pueden soportar los cambios de las condiciones químicas del aire. Son como pequeñas esponjas que absorben todo lo que encuentran. Obtienen del aire la mayor parte del agua y las sustancias nutritivas. En consecuencia, son particularmente sensibles a los cambios en la calidad del aire. La muerte de líquenes sensibles y un incremento de especies más fuertes o mejor

adaptadas en un área pueden ser una advertencia temprana o un indicador de que las condiciones en el aire están cambiando. Los líquenes son principalmente epífitos, o sea, se desarrollan sobre diferentes vegetales, ya sea, el tronco de un árbol, en sus ramas u hojas, también pueden crecer sobre las rocas o incluso paredes o el suelo, por lo que dependen totalmente de los nutrientes que transporta el aire para desarrollarse. Son muy resistentes a factores adversos del ambiente, permaneciendo vivos aunque se sequen, no necesitan de ninguna fuente de alimento orgánico. Requieren sólo de luz solar, aire y algunos minerales que obtienen del sustrato, del aire o del agua. Están adaptados para poder absorber rápidamente sustancias del agua de lluvia, por lo tanto, son susceptibles a los componentes tóxicos transportados por esta, los cuales se acumulan con gran facilidad en sus células vivas.

BIOINDICADORES El término bioindicador es usado para organismos que responden a los efectos de la contaminación cambiando sus funciones vitales o acumulando contaminantes. lserentant y De Sloover (1976) se refieren a este término como: “La proposición primera de la ecología, según la cual el ser vivo, organismo o comunidad, es un reflejo fiel del medio en el que crece y se desarrolla. La observación de un ser vivo puede de esta forma ser un indicador de la calidad o de las características del medio".

Sin duda alguna, hemos alterado la composición de la atmósfera, principalmente desde los dos últimos siglos, al verter en ella todo tipo de compuestos como: dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, etileno, fluorados, hidrocarburos, etc., procedentes de la combustión de carbones, de los derivados del petróleo, de los fosfatos y de otras muchas fuentes. Cada agente contaminante actúa sobre los seres vivos y los ecosistemas de una manera característica, produciendo una respuesta diferenciada para cada especie o comunidad y que está en función, a su vez, de la combinación, concentración y duración de los contaminantes. Los agentes contaminantes como el monóxido de carbono, el dióxido de azufre y el plomo, que son expulsados hacia la atmósfera son sustancias que ocasionan daños muchas veces irreparables, ya sea a los ecosistemas y la calidad de vida de los seres humanos. Llegan por ingestión o bien inhalación a la sangre, almacenándose en los tejidos y en órganos como los riñones, la médula ósea, los pulmones y el cerebro, donde provocan (especialmente en los niños y niñas) retardo en la calidad de los aprendizajes, nefropatías (problemas en el riñón), cólicos abdominales, anemias, problemas neurológicos y reproductivos.

El dióxido de azufre agrava las enfermedades del aparato respiratorio y el monóxido de carbono, también provoca alteraciones broncopulmonares. Entre las principales enfermedades, atribuidas a la contaminación del aire están: la bronquitis, asma, enfisema, cáncer de pulmón, además los contaminantes atmosféricos provocan que los pulmones pierdan elasticidad y disminuyan su capacidad pulmonar, provocando la pérdida o disminución de la capacidad respiratoria.

Uno de los principios del desarrollo sostenible, establece que: “el ser humano debe

cuidar los recursos que la naturaleza proporciona para el logro de una mejor calidad de vida para todos, esto implica obtener de ellos los bienes y servicios que le permitan a los actuales habitantes satisfacer sus necesidades, sin que se comprometan los requerimientos de las

generaciones que vienen después de nosotros”. De acuerdo con este principio todos los ciudadanos estamos obligados a velar porque los actuales recursos permanezcan inalterables, de manera que se garantice un espacio para cada ser vivo en este planeta. Pero, ¿cómo lograr esa armonía si se están incrementando las constantes descargas de agentes tóxicos que van a dar a la atmósfera? No solo a los seres humanos les afecta el estado de la contaminación atmosférica: otros seres vivos, como los líquenes, también sufren por ello. Sus poblaciones aumentan o disminuyen su densidad de acuerdo con la presencia de factores adversos en la atmósfera, llegando incluso a pagar un precio muy alto por la desmedida actividad humana, precio que incluye la muerte. Cuando la contaminación atmosférica es baja, los líquenes se desarrollan normalmente y es común observarlos viviendo sobre los troncos de los árboles o de las rocas. Cuando esa contaminación es alta, sus poblaciones disminuyen o desaparecen del todo. Muchos líquenes demuestran una sensibilidad notable a la calidad del aire. Algunas especies crecen dondequiera, otras solo se desarrollan en ambientes con atmósferas puras. Para muchos ecologistas los líquenes son un monitor exacto de la calidad del aire en cualquier lugar. Los líquenes, y en particular algunas especies, están mundialmente reconocidos como los organismos más sensibles frente a los efectos nocivos de la contaminación atmosférica. Hans Magnus Enzensberg en su famosa poesía, los definió como: “El más lento telegrama de la tierra”. Posiblemente sea esta la frase que mejor sintetiza las características que les conceden sus óptimas bondades como bioindicadores de la contaminación, siendo sus principales razones para ello las siguientes: 1.-Tienen un talo perenne, que carece de cutícula, y por tanto su superficie está constantemente abierta al paso de líquidos y gases durante toda su vida. 2.-Existe una relación fisiológica íntima entre los talos, el ambiente y los líquenes, siendo nutricional y directamente independientes tanto del sustrato como de sus elementos.

3.- Son muy estenoicos, es decir, de requerimientos ecológicos mínimos y precisos, y muy sensibles a los cambios que pueden producirse en el ambiente, ya que no disponen ni de aparato excretor ni de mecanismos de defensa tan importantes como el control de su contenido de agua (son poiquilohidros), por lo que son capaces de concentrar y acumular distintos compuestos, entre ellos también los contaminantes atmosféricos. El empleo de bioindicadores para detectar la polución tiene una serie de ventajas, tales como: bajo costo, resultados rápidos y la posibilidad de proporcionar información acumulativa, integrada y discriminada gracias a su capacidad de respuesta frente a las alteraciones del medio.

EFECTOS DE LA CONTAMINACION ATMOSFERICA EN LOS LIQUENES

Estos efectos se pueden evidenciar en forma de reacciones fisiológicas directas e indirectas. Las primeras, producidas por emisiones específicas de fuentes puntuales, que difícilmente se pueden evaluar, dado el gran número de variables ambientales que intervienen. Debido a ello, en la práctica lo que en realidad se mide son las respuestas indirectas (respuestas a la inmisión) que se manifiestan desde el punto de vista del observador de manera cualitativa siendo la presencia-ausencia de las especies liquénicas el criterio empleado principalmente para la evaluación cualitativa de la contaminación y la frecuencia de las mismas para la evaluación cuantitativa. El S02 es el principal contaminante gaseoso, afectando en mayor medida al normal funcionamiento de los talos liquénicos y es también el que se encuentra en mayor concentración y está más extendido. Cada año se vierten a la atmósfera grandes toneladas del compuesto, producto de las actividades humanas, además de óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, etc. Las respuestas de los líquenes frente al S02, es tratar de disminuir la asimilación de este gas, de manera que reducen la superficie de contacto con el agua amortiguando los efectos negativos. Una de las primeras manifestaciones es: desarrollar soredios que no se humedecen tan fácilmente, elaborando mayores concentraciones de sustancias hidrófobas, encogiendo el talo al volverse los lóbulos más estrechos y convexos, o bien tratando de reducir el efecto de los iones tóxicos gracias a la capacidad tampón del talo y del sustrato. La tolerancia depende de la resistencia del protoplasma de las células, de su momento metabólico, de la vitalidad, de la capacidad de inhibición de los efectos y de la madurez del talo, siendo mucho más sensibles los talos más jóvenes. Esta es una de las razones del descenso en diversidad y biomasa de líquenes en zonas contaminadas, simplemente no se pueden reproducir o los talos más jóvenes mueren.

Los efectos más importantes son los que afectan a la fotosíntesis y a la respiración, inhibiéndose la captación de C02, que altera la composición de las membranas celulares, perdiéndose iones de potasio, pasando la clorofila (verde) a feofitina (parda). Posterior a esto, se generan decoloraciones del talo y posteriormente también se pierde la respiración y al final tanto el fotobionte como el hongo degeneran, se daña la estructura del talo y su capacidad de reproducción. La actividad y profundidad de la acción dependen también de la persistencia, duración y concentración de los contaminantes, del régimen climático, del pH del sustrato y de otros factores. No es lo mismo la persistencia de niveles bajos durante mucho tiempo en ambientes húmedos, que una alta concentración y corta duración. Los líquenes corticícolas son el material más adecuado para realizar una valoración de calidad del aire, ya que estos substratos no alteran, o lo hacen muy poco, la composición del agua que discurre por su superficie, que es la que toma el liquen. Fotografía Nº 1 Fotografía Nº 2

Estas fotografías, (originales del autor) fueron tomadas muy cerca del territorio de una planta de celulosa. (Recordemos que estas plantas en sus procesos industriales utilizan compuestos

químicos ricos en Dióxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, etc.)

Es evidente el daño causado a ambas especies. En la foto N°1, el talo se encuentra con necrosis total y este liquen prácticamente está muerto. En el segundo caso, el daño ya ha comenzado. Este se aprecia claramente. Desde el centro del talo se inicia la necrosis para cubrir finalmente todo el cuerpo liquénico. Y provocar finalmente la muerte.

FOTOS: CAC, 2007

FOTOS: CAC, 2007