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Actualidades Biológicas

Print version ISSN 0304-3584

Actu Biol vol.29 no.86 Medellín Jan./June 2007

 

ARTÍCULOS IV CONGRESO COLOMBIANO DE BOTÁNICA

 

ESTIMACIÓN DE CO2 ATMOSFÉRICO DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ (COLOMBIA), UTILIZANDO HOJAS DE GINKGO BILOBA L. (GINKGOACEAE)

 

ESTIMATE OF ATMOSPHERIC CO2 OF THE BOGOTÁ CITY (COLOMBIA), UTILIZING LEAVES OF GINKGO BILOBA L. (GINKGOACEAE)

 

 

Javier H. Jerez–Jaimes1; María C. Bernal–Pérez2

 

1 Escuela de Ingeniería Química, Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga (Santander), Colombia. jaherjer@uis.edu.co.
2 Escuela de Biología, Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga (Santander), Colombia. kta_berna@hotmail.com.

 

 


Resumen

Ginkgo biloba L. (Ginkgoaceae) es considerado el último sobreviviente de un grupo con una gran variedad de plantas especialmente en el mesozoico, constituyéndose como el más antiguo 'fósil viviente' vegetal. Los individuos de esta especie son especialmente sensibles a los cambios en las concentraciones de CO2, mostrando una relación inversa entre éstas y la densidad estomática. De acuerdo con esto, el patrón estomático en G. biloba no esta definido por la edad de las plantas. Ginkgo biloba, no es una especie nativa pero presenta una marcada plasticidad estomática. En este estudio treinta hojas fueron colectadas de tres especímenes de dos años de vida cultivados en el Jardín Botánico José Celestino Mutis de la ciudad de Bogotá. Del material colectado fueron seleccionadas aleatoreamente seis hojas que posteriormente se trataron con hipoclorito de sodio durante la fase de aclaramiento. De cada una de estas hojas se tomaron tres submuestras al azar. Las cutículas adaxiales fueron removidas y coloreadas con tionina para posterior observación a través del microscopio óptico en un campo de 400X. Se calculó la densidad estomática ( = 69,39 estomas/mm2; S = 16,93) e índice estomático (= 12,32; S = 3,68). Con base en datos históricos de concentraciones de CO2 e índice estomático se elaboró una regresión lineal simple (r = –0,99, p = 0,000) y se determinó la ecuación inversa [CO2 = (IE – 33,427)/(–0,0704)], con la que se estimo un rango de concentración de CO2 atmosférico entre 381 y 384 partes por millón (ppm) para la ciudad de Bogotá.

Palabras clave: calentamiento global, densidad estomática, gases de invernadero, índice estomático, paleoclima


Abstract

Ginkgo biloba L. (Ginkgoaceae) is considered the last survivor of a group of plants which exhibited great diversity in the Mesozoic era, and is now considered a 'living fosil'. The individuals of this species are especially sensitive to the changes in the CO2 concentrations, showing an inverse relation with stomatal density. According to this, the stomatal pattern in G. biloba is not defined by the age of plants. Ginkgo biloba is not a native species but it presents a strong stomatal plasticity. In this study, thirty leaves were collected from three two–year specimens cultivated in the 'Jardín Botánico José Celestino Mutis' in Bogotá. From the collected material, six leaves were selected randomly and were treated later with sodium hypochlorite. From each one of these leaves, three subsamples were taken at random. During this process, the adaxial cuticles were removed and colored with tionona for later observation through an optical microscope (400X). The stomatal density ( = 69.39 estomata/mm2; S = 16.93) and the stomatal index ( = 12.32; S = 3.68) were calculated. Based on historical data of CO2 concentrations and stomatal index a simple linear regression was elaborated (r = –0.99; p = 0.000) and the inverse equation was determined [CO2 = (SI – 33,427) / (–0.0704)]. Taking into account this procedure, it was estimated for Bogotá an atmospheric CO2 concentration between 381 and 384 parts per million (ppm.).

Key words: Global warming, greenhouse gases, paleoclimate, stomatal index, stomatal density.


 

 

INTRODUCCIÓN

Durante el siglo XX las concentraciones de los principales gases de efecto invernadero (GEI) como dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), oxido nitroso (N2O) y ozono (O3) han aumentado de forma continua debido principalmente al consumo de combustibles fósiles, la agricultura, y cambios en el uso de las tierras (Watson, 2001).

El incremento continuo en la concentración de CO2, es la principal causa del aumento en la temperatura media de la superficie del planeta tierra (Royer, 2003). Concentraciones de 280 ppm (partes por millón) desde el año 1750 han aumentado a 370 ppm en el año 2000, y se prevé que para el 2010 estas cifras aumenten a 540 y 970 ppm (Marland y Boden, 2005). Desde el año1958 hasta el 2006 las concentraciones de CO2 atmosférico muestran un aumento continuo (Trans, 2007), estimándose un promedio actual a nivel mundial de 381 ppm (figura 1).

Figura 1. Incremento de CO2 atmosférico en los últimos 48 años a nivel mundial

Diferentes autores han realizado estimaciones de las concentraciones del CO2 atmosférico estudiando la respuesta estomática de especies vegetales fósiles a los cambios en las concentraciones de CO2 (Beerling y Royer, 2002; Chen et al., 2001; Keeling y Whorf, 2004; McElwain y Chaloner, 1995; Royer, 2003). De acuerdo con los resultados obtenidos en estos estudios, los niveles de CO2 a los que se expongan las plantas durante su desarrollo inducen cambios en la densidad estomática (proporción de estomas por área) e índice estomático (proporción de estomas por células epidérmicas) (Chen et al., 2001; Kouwenberg et al., 2003). Estos cambios juegan un rol crucial en las plantas, afectando la conductancia estomática y la eficiencia del uso del agua (Chen et al., 2001). Aquellas plantas que son expuestas a altas concentraciones de CO2 (por encima de 340 ppm) muestran reducciones en la densidad e índice estomático, comparadas con aquellas que crecen a bajas concentraciones (Beerling, 1999; Overdieck y Strassemeyer, 2005). En general la densidad e índice estomático varían ampliamente entre especies (Salisbury, 1927).

Ginkgo biloba L. (Ginkgoaceae) es el único representante de la familia Ginkgoaceae y es la especie más utilizada para este tipo de análisis. Este 'fósil viviente' tuvo su máximo desarrollo y expansión durante el Jurasico (McElwain y Chaloner, 1995; Royer et al., 2003). Los individuos de esta especie son especialmente sensibles a los cambios en las concentraciones de CO2 atmosférico. Chen y colaboradores en el 2001 realizaron estudios evaluando el potencial del carácter estomático de las hojas de Ginkgo como herramienta para el estudio de los cambios en la concentración de CO2 atmosférico, demostrando que las hojas de G. biloba muestran una relación inversa entre la densidad estomática y la concentración de CO2. Resultados similares habían sido reportados por Beerling y colaboradores en 1998.

En Colombia no se han realizado estudios en cuanto a estimaciones de las concentraciones de CO2 atmosférico utilizando el carácter estomático de especies vegetales. De acuerdo con esto y en respuesta a la ausencia de datos de la concentración de CO2 atmosférico para la ciudad de Bogotá, este trabajo tiene como objetivo principal estimar la concentración de CO2 atmosférico de la ciudad de Bogotá, utilizando como indicadores la densidad estomática (DE) y el índice estomático (IE) de hojas de G. biloba.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Material vegetal. En junio de 2006 se colectaron hojas frescas de árboles de Ginkgo biloba L. de aproximadamente dos años de vida (figura 2A), ubicados en el Jardín Botánico José Celestino Mutis (4º 40' 24' N, 74º 06' 14,5' O) de la ciudad de Bogotá (Colombia).

Conservación del material. El material colectado se conservó en papel absorbente húmedo dentro de bolsas Ziploc® durante el traslado al laboratorio de Histotecnia de la Escuela de Biología de la Universidad Industrial de Santander en la ciudad de Bucaramanga.

Tratamiento de las muestras. Del total de muestras se seleccionaron al azar seis hojas que fueron procesadas en hipoclorito de sodio al 5,6% durante dos horas (fase de aclaramiento). Suavemente y con ayuda de una cuchilla se removió el envés de cada una de las hojas. La epidermis adaxial (superior) obtenida se enjuagó en alcohol al 70% y se conservó en agua limpia. Se realizaron un total de 18 montajes (tejido vegetal coloreado con tionina y glicerina) correspondientes a tres repeticiones por cada epidermis adaxial seleccionadas al azar. Las muestras se observaron a través del microscopio óptico en un campo de 400X. Posteriormente se tomaron fotografías de cada una de las muestras con ayuda de una cámara digital Fujifilm de 3,2 megapixeles.

Cálculo del índice estomacal. El cálculo de la densidad estomática (DE) y el índice estomático (IE) se basó en el conteo del número de estomas y células epidérmicas típicas observadas a través de la pantalla del monitor. Solo se contaron las células y estomas que se observaron completas en el campo visual (figura 2B).

Figura 2. Hojas de Ginkgo biloba L. A. disposición de las hojas en una rama. B. epidermis adaxial (E = estoma, CE = célula epidérmica) (X 400)

 

La DE es expresada como el número de estomas por unidad de área foliar en mm2, para este estudio el área de conteo fue de 0,1633 mm2 en el campo visual de 400X:

DE = número de estomas/área

El íE es expresado como el número total de estomas calculados sobre el total de células epidérmicas.

IE = (número de estomas / [células epidérmicas + número de estomas]) x 100

Estimación de la concentración de CO2. Se debe tener en cuenta que el índice estomático ha mostrado experimentalmente respuestas a la presión parcial de CO2 y no a la concentración (Woodward y Bazzaz, 1988), ésto se corrobora al existir una correlación positiva entre la elevación, la densidad estomática e índice estomático (Beerling et al., 1992). La relación entre la elevación y la presión parcial en atmósferas bajas es calculada con la ecuación de Jones (1992):

P = –10,6 x E + 100

Donde:

P = porcentaje de presión parcial relativa al nivel del mar

E = elevación en kilómetros

Para determinar la concentración de CO2 atmosférico se tomó una serie de datos históricos de IE y concentración de CO2 (tabla 1) de Royer (2003), y mediante una regresión lineal se determinó la ecuación, también se utilizaron las ecuaciones de Royer et al. (2001):

y, Beerling y Royer (2002):

Ca = –180,57 x ln (0,048 x IE – 0,3418)

Donde Ca es la concentración de CO2 calculada.

 

Tabla 1. Datos históricos de CO2 y el índice estomático (IE) tomados de Royer (2003)(*N.A. = no aplica)

 

RESULTADOS

Los cálculos de la densidad e índices estomáticos se reportan en la tabla 2. El valor de la presión parcial para la ciudad de Bogotá (2.640 m) fue de P = 72,016 por lo que se debe asumir un desestimativo del 28% en la concentración de CO2 que debe ser agregado al valor obtenido en cada ecuación. El coeficiente de regresión para los valores históricos de CO2 e IE fue de r = –0,99 y p = 0,0001 (figura 3) y la ecuación obtenida fue la siguiente: IE = (–0,0704 x CO2) + 33,427. Para calcular el CO2 se obtuvo la ecuación inversa para la predicción:

 

Figura 3. Análisis de regresión para los valores históricos de CO2 e y el índice estomático (IE) elaborado con datos históricos de Roger (2003) desde el año 1856 al 2000 (ppm = partes por millón)

Tabla 2. Valores y el índice estomático (IE) y densidad estomática (DE) calculados

 

La concentración de CO2 calculada a partir de la ecuación de regresión simple, es similar a la obtenida con la ecuación de Royer (2001). En comparación con el resultado de la ecuación de Beerling y Royer (2002), se encontró un desestimativo del 16% en el cálculo de la concentración de CO2 (tabla 3).

 

Tabla 3. Estimativos de CO2 atmosférico para Santafé de Bogotá, Colombia (* RL = regresión lineal simple; ** 28% a partir del cálculo de la presión parcial)

 

DISCUSIÓN

Basados en la sensibilidad de G. biloba a cambios en la concentración atmosférica de CO2 (Chen et al., 2001) y la utilidad que esto representa para la reconstrucción de paleoclimas, utilizamos esta planta para calcular concentraciones de CO2 actuales. G. biloba no es una planta nativa de la Sabana de Bogotá, pero su plasticidad y adaptabilidad la hacen una especie idónea para realizar este tipo de estudios. Según Beerling y Royer (2002), la edad de las plantas de Ginkgo no juega un papel importante en aquellos casos en que la concentración de CO2 es alta, por lo que la edad de las plantas utilizadas no generó errores en el estimativo.

La respuesta histórica del índice estomático de G. biloba se ajusta a un modelo regresional en el rango de CO2 comprendido entre las 288 y 369 ppm, incremento característico producto de la actividad antropogénica; a valores superiores, la respuesta es no linear debido a los principios fisiológicos de la planta (Royer, 2003). El rango de datos utilizado para construir el set de entrenamiento comprendía registros desde el año 1856 hasta el 2000, ajustándose a un modelo lineal, que hace que la concentración calculada de CO2 (384 ppm) para la ciudad de Bogotá sea un estimativo confiable (p = 0,0001). Consideramos una coincidencia el valor estimado en nuestro estudio con el valor de CO2 atmosférico global para el mes de junio de 2006 reportado por National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (figura 4), debido a que la plasticidad del patrón estomático de la planta no responde a los pequeños cambios mensuales en la concentración de CO2 atmosférico, es decir, que estos cambios no pueden estimarse en periodos de tiempo muy cortos (días o meses). Este valor es similar al resultado obtenido utilizando la ecuación de Royer (381 ppm) el cual se corrobora con los datos suministrados por NOAA para el año 2006. La ecuación de Beerling y Royer (2002) produce un valor subestimado debido a que para su construcción se tuvieron en cuenta datos de paleosoles, siendo más efectiva en el cálculo de paleo CO2.

Figura 4. Concordancia del valor estimado de CO2 atmosférico para la ciudad de Bogotá con el registro global para el mes de junio de 2006 reportado por National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA, Mauna Loa)

 

Se puede inferir a partir de los resultados obtenidos que la concentración de CO2 atmosférico de la ciudad de Bogotá está dentro del rango de las 381 a 384 ppm. No es posible confirmar estos valores debido a la ausencia de datos estimativos de este gas para la ciudad. Sin embargo, es valido resaltar que los valores calculados estiman la concentración de CO2 que la planta ha experimentado durante los años de su desarrollo y crecimiento, induciendo cambios morfofisiológicos que permiten inferir las concentraciones globales de CO2.

Las concentraciones actuales de CO2 atmosférico han alcanzado el umbral de linealidad de la respuesta del índice estomático en G. biloba, por lo que se recomienda realizar estudios con plantas nativas que puedan aportar información sobre las concentraciones de CO2 pasadas y presentes a nivel local o global.

 

AGRADECIMIENTOS

Nuestros más sinceros agradecimientos al profesor Gustavo Morales coordinador de colecciones del Jardín Botánico José Celestino Mutis por el suministro del material vegetal. Asimismo, al profesor Edgar Rincón por facilitarnos el laboratorio de Histología de la Escuela de Biología de la Universidad Industrial de Santander y asesorarnos en el tratamiento de las hojas.

 

REFERENCIAS

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Recibido: agosto 2007; aceptado: noviembre 2007.

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