Un estudio encuentra que las verduras de hoja verde contaminadas con metales pesados ​​se vuelven moradas

Algunos podrían decir que te ves un poco verde cuando estás enfermo. Los vegetales de hojas verdes en realidad se vuelven morados, aunque no es obvio para el ojo humano, se puede ver a través de imágenes hiperespectrales avanzadas (diferentes a las variedades moradas de algunos vegetales). Los investigadores de Purdue descubrieron este cambio de color en la col rizada y la albahaca estresada por el cadmio, un metal pesado tóxico para la salud humana y animal.

El nuevo método de detección avanza en el trabajo para crear una enmienda del suelo que se una al metal y lo mantenga alejado de las plantas, mejorando la seguridad alimentaria en productos agrícolas, alimentos para bebés y comidas preparadas.

«Es muy difícil ver el estrés de los metales pesados ​​en las plantas», dijo Lori Hoagland, profesora de Horticultura y Arquitectura del Paisaje en la Universidad de Purdue, quien dirigió la investigación. «Necesitamos nuevas herramientas para ello. Si podemos verlo rápidamente y medirlo con precisión a medida que crecen las plantas, podremos desarrollar enmiendas para el suelo que secuestren los metales nocivos, así como identificar la contaminación antes de que llegue a nuestros platos. El objetivo es poder tener drones que vuelen sobre los campos y detecten el estrés de las plantas por cadmio, plomo y arsénico».

La detección hiperespectral es mucho más rápida que las técnicas tradicionales de análisis químico. Tampoco requiere la destrucción de la planta que se está analizando, lo que permite estudios de las plantas y enmiendas del suelo a través de diferentes etapas de desarrollo de la planta.

«La contaminación de las plantas con cadmio se conoce como un ‘asesino silencioso’ porque no podemos verlo y normalmente no lo analizamos», dijo Hoagland, quien dirige el Laboratorio de Ecología Microbiana del Suelo de Purdue. «Las plantas sufren cuando se exponen a altos niveles de cadmio, pero no se arrugan, se marchitan ni mueren. Parecen estar bien, a menos que los niveles de cadmio estén por las nubes. Las plantas contaminadas logran la madurez y la cosecha».

El cadmio se usa en baterías y, a menudo, se une al fosfato extraído para fertilizantes. En todo el mundo, este y otros metales pesados ​​de la basura y la contaminación se filtran en el suelo y viajan a las granjas cercanas donde los cultivos los absorben. El consumo de altos niveles de cadmio puede provocar enfermedades renales, problemas óseos, cáncer y otros problemas de salud.

«Está naturalmente presente en muchas verduras en pequeñas concentraciones, pero los niveles elevados pueden ser dañinos», dijo. «En particular, necesitamos mantener estos niveles bajos en los alimentos para bebés, pero es un problema creciente en toda nuestra cadena alimentaria».

Hoagland trabajó con un equipo en las instalaciones de fenotipado de semillas de antiguos alumnos de Ag de Purdue para clasificar miles de longitudes de onda diferentes para ver qué combinaciones mostraban cambios que indicaban estrés de la planta por el metal. Luego verificaron el método a través de técnicas de análisis químico.

La instalación de fenotipado está equipada con un conjunto de sistemas de fenotipado de plantas de alto rendimiento basados ​​en imágenes que no se encuentran en muchas universidades. Un fenotipo es una característica observable de un organismo que resulta de su código genético y sus interacciones con el medio ambiente. Los investigadores apenas están comenzando a aprovechar sus capacidades, dijo Hoagland.

«Entré en el estudio como una especie de prueba y no estaba segura de si funcionaría o no para mi investigación», dijo. «Me sorprendió lo poderosa que puede ser una herramienta y la cantidad de datos que genera en un corto período de tiempo. Estas técnicas de imagen nos ayudarán a aprender y responder muchas preguntas científicas».

En la instalación de fenotipado de ambiente controlado, las plantas viajan por una cinta transportadora a una estación de imágenes a intervalos seleccionados por los investigadores. Los resultados del equipo de Hoagland mostraron que la col rizada acumuló niveles más altos de cadmio que la albahaca en las mismas condiciones del suelo, pero los síntomas de estrés por cadmio fueron más fuertes en la albahaca. También descubrieron que las plantas solo mostraban estrés por cadmio en el desarrollo temprano.

«Las imágenes hiperespectrales incluyen muchas más bandas que las bandas de color rojo, verde, azul o RGB que podemos ver», dijo Yang Yang, director de fenómica digital en Purdue. «La tecnología es muy sensible a los cambios dentro de las plantas que no son detectables a nuestros ojos».

El equipo implementó un algoritmo de aprendizaje automático para ordenar y clasificar los datos.

«A través de nuestro par dual de cámaras hiperespectrales, podemos lograr una detección óptica de espectro completo desde la parte superior y los lados de una planta», dijo Yang. «El sistema hiperespectral de Purdue se puede usar para escanear plantas desde plántulas hasta un tallo de maíz de 15 pies. Esta fue la primera vez que lo usamos para buscar el estrés de los metales pesados. Es una aplicación emocionante y fue un nuevo desafío interdisciplinario».

El equipo primero pensó que el efecto del estrés por toxicidad del cadmio en los niveles de producción de clorofila sería un indicador probable y examinaron el espectro de luz verde. El cambio de color resultante fue muy sutil. El equipo progresó a través de otros cambios relacionados con el estrés en la planta y otras partes en los espectros de reflectancia de la planta, dijo Hoagland. Descubrieron que los cambios en los metabolitos debido a la respuesta al estrés ofrecían una señal hiperespectral de estrés mucho más clara.

«Observar estos metabolitos secundarios dio una señal mucho más fuerte, y hubo un claro ‘púrpura’ de la planta cuando se vio con las correspondientes longitudes de onda de antocianina», dijo. «Entonces, si el verde disminuye y el púrpura aumenta, sabemos que la planta está estresada».

Hoagland y su equipo evaluaron los «índices de vegetación», que son combinaciones de reflectancia de diferentes longitudes de onda que se han identificado como mejores para el análisis hiperespectral de diferentes propiedades de las plantas. El equipo descubrió que el índice de reflexión de antocianina, o ARI, es el mejor para detectar el estrés por cadmio, y desarrollaron una ecuación de relación de índice de vegetación específica para ello. También desarrollaron una enmienda del suelo para reducir el nivel de cadmio absorbido por la planta. El trabajo se detalla en un artículo publicado en la revista Contaminación ambiental.

«He estado desarrollando enmiendas para el suelo para ayudar a remediar la contaminación ambiental», dijo Hoagland. «Estas enmiendas son diferentes mezclas de biocarbón, que incluyen desechos de material orgánico y astillas de madera especialmente tratadas que se queman a altas temperaturas. Estas pueden unir metales pesados ​​y reducir la absorción en combinación con procesos microbianos. El truco está en encontrar la formulación correcta de materia prima y temperaturas .»

La formulación probada disminuyó ligeramente los niveles de cadmio en las plantas, dijo. Una solución podría ser que los agricultores simplemente usen más enmienda, pero Hoagland planea continuar ajustando y mejorando la formulación.

También planea usar el método de imágenes hiperespectrales para encontrar una señal clara de plomo y arsénico.

«Soy un microbiólogo del suelo, por lo que generalmente estoy en la tierra», dijo Hoagland. «La tecnología de imágenes se había utilizado más para evaluar las respuestas a la sequía o los nutrientes en las plantas, y mi trabajo fue diferente. Esta fue una nueva aplicación para las herramientas y una gran colaboración entre ingenieros y científicos».

Además de Hoagland y Yang, los investigadores de Purdue Maria Zea, estudiante de posgrado en el laboratorio de Hoagland; Augusto Souza, investigador postdoctoral de las instalaciones de fenotipado; Linda Lee, profesora de agronomía; y Krishna Nemali, especialista en extensión agrícola en ambiente controlado; trabajaron en el proyecto y son coautores del artículo.