Herbicidal activity of Mediterranean essential oils and their effects on soil bioindicators

Abstract

[ES] Las preocupaciones ambientales y de salud han estimulado el interés en estrategias alternativas para el manejo de las malas hierbas. En todo el mundo se están haciendo esfuerzos para reducir la gran dependencia de los herbicidas sintéticos que se utilizan como principal método para el control de las plantas arvenses. Los herbicidas naturales basados en sustancias alelopáticas, como los aceites esenciales (AEs) extraídos de plantas, se han sugerido como una de las posibles alternativas para lograr un manejo sostenible de las arvenses. Por un lado, los AEs han mostrado capacidad para inhibir la germinación y el crecimiento de semillas de malas hierbas, por otro lado, hay una falta de estudios sobre los efectos de tales sustancias sobre los microorganismos del suelo. Por lo tanto, en esta tesis se ha investigado la actividad fitotóxica y herbicida de los AEs extraídos de plantas mediterráneas para determinar su potencial como herbicidas naturales. Se han ensayado los efectos de AEs, así como de otros extractos de plantas como hidrolatos, extractos acuosos y hojas frescas obtenidas de plantas mediterráneas, sobre los microorganismos del suelo. Las especies donadoras de AEs fueron seleccionadas en base a conocimientos previos del grupo de investigación, y de acuerdo con la bibliografía existente sobre la actividad herbicida de metabolitos secundarios de estas especies o de especies que están taxonómicamente estrechamente relacionadas: Eucalyptus camaldulensis Dehnh., Eucalyptus occidentalis Endl., Eucalyptus globulus Labill., Eucalyptus torquata Luehm., Eucalyptus lesoufii Maiden, Thymbra capitata (L.) Cav., Mentha × piperita L. y Santolina chamaecyparissus L. Como malas hierbas objetivo se seleccionaron dos monocotiledóneas, Avena fatua L. y Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv. y dos dicotiledóneas, Portulaca oleracea L. y Amaranthus retroflexus L. La composición de los AEs se analizó mediante Cromatografía de gases (CG) y Cromatografía de gases-Espectrometría de masas (CG-EM). Los ensayos in vitro se realizaron en cámaras de germinación, para evaluar los efectos fitotóxicos de los AEs sobre la germinación y el crecimiento de las plántulas. Los ensayos in vivo se realizaron en condiciones de invernadero, los AEs se aplicaron emulsionados con Fitoil mediante riego. El estudio de los efectos sobre los microorganismos del suelo se realizó en el laboratorio en macetas donde los suelos se trataron con los AEs y extractos de hojas y luego se incubaron a temperatura ambiente (20-23 ° C). Los ensayos in vitro revelaron que todos los AEs mostraron efectividad contra las malas hierbas ensayadas. Entre ellos, T. capitata fue el más eficaz. A las dosis más bajas, bloqueó completamente la germinación de todas las semillas. Los ensayos en invernadero demostraron la actividad herbicida de T. capitata, M. piperita y S. chamaecyparissus, aumentando su fitotoxicidad con la dosis. T. capitata fue el AE más eficaz contra todas las malas hierbas a la dosis máxima y P. oleracea fue la especie más resistente. Los microorganismos del suelo, después de un período transitorio de agitación, generalmente recuperaron su función y biomasa iniciales. Solo el AE de T. capitata a la dosis más alta no permitió que los microorganismos del suelo recuperaran completamente su funcionalidad inicial. La aplicación de extractos de hojas al suelo proporcionó evidencia de que las hojas de eucalipto y sus extractos (AE, hidrolatos y extractos acuosos), afectaron a la comunidad microbiana del suelo de diferente modo, dependiéndose de la especie de Eucalyptus considerada. Hasta el momento, los resultados permiten sugerir la aplicación de los Aes como bioherbicidas en entornos controlados y en condiciones de invernadero. Se debe identificar la dosis óptima de aplicación para controlar las malas hierbas y simultáneamente, no afectar negativamente a los microorganismos del suelo.

[CA] Les preocupacions ambientals i de salut han estimulat l'interès per estratègies alternatives de gestió de les males herbes. A tot el món, s'estan fent esforços per reduir la gran dependència dels herbicides sintètics que s'utilitzen com a principal mètode per al control de les males herbes. Els herbicides naturals basats en substàncies al·lelopàtiques, com els olis essencials (OEs) extrets de plantes, s'han suggerit com una de les alternatives possibles per aconseguir una gestió sostenible de les males herbes. Els OEs han mostrat capacitat per inhibir la germinació i el creixement de llavors de males herbes, però per altra banda, falten estudis sobre els efectes d'aquestes substàncies sobre els microorganismes del sòl. En aquesta tesi es van investigar les activitats fitotòxiques i herbicides dels OE extrets d'herbes mediterrànies per a un ús potencial com a herbicides naturals. A més, es van provar els efectes d'aquests OE i d'altres extractes vegetals, com hidrolats, extractes aquosos i fulles fresques obtingudes d'herbes mediterrànies sobre els microorganismes del sòl. Les espècies donants d'OEs es van seleccionar bassant-se en la experiencia previa del grup d'investigació i en la bibliografía existent sobre les activitats biològiques dels metabòlits secundaris d'aquestes espècies: Eucalyptus camaldulensis Dehnh., Eucalyptus occidentalis Endl., Eucalyptus globulus Labill., Eucalyptus torquata Luehm., Eucalyptus lesoufii Maiden, Thymbra capitata (L.) Cav., Mentha × piperita L. i Santolina chamaecyparissus L. Les males herbes objectiu seleccionades van ser dos monocotiledóneas, Avena fatua L. i Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv. i dos dicotiledóneas, Portulaca oleracea L. i Amaranthus retroflexus L. La composició dels OEs es va analitzar mitjançant Cromatografia de gasos (CG) i Cromatografia de gasos-espectrometria de mases (CG-EM). Els assajos in vitro es van realitzar en cambres de germinació per avaluar els efectes dels OEs sobre la germinació i el creixement de les plàntules. Els assajos in vivo es van realitzar en condicions d'hivernacle, on es van aplicar per reg els OEs emulsionats amb Fitoil a les males herbes. L'estudi dels efectes dels OEs sobre els microorganismes del sòl es van realitzar en un experiment en tiestos en condicions de laboratori, en el qual els sòls van ser tractats amb els OEs i els extractes de fulles i després van ser incubats a temperatura ambient (20-23 ° C). Els resultats dels assaigs in vitro van revelar que tots els OE van mostrar efectivitat contra les males herbes objectiu. Entre tots ells, T. capitata va ser el més eficaç. A dosis més baixes, va bloquejar completament la germinació de tots les llavors. Els assaigs en hivernacle van demostrar l'activitat herbicida de T. capitata, M. piperita i S. chamaecyparissus, augmentant la seva fitotoxicitat amb la dosi. T. capitata va ser l'OE més eficaç contra totes les males herbes a la dosi màxima i P. oleracea va ser la mala herba més resistent. Els microorganismes del sòl, després d'un període de trastorn transitori, en general van recuperar la seva funció inicial i la seva biomassa. Només l'oli de T. capitata, a la dosi més alta no va permetre als microorganismes del sòl recuperar completament la seva funcionalitat inicial. Els resultats de l'aplicació d'extractes de fulles al sòl van demostrar que les fulles d'eucaliptus i els seus extractes (OEs, hidrolats i extractes aquosos), afecten la comunitat microbiana del sòl de diferents maneres, depenien de les espècies d'eucaliptus. Fins ara, els resultats obtinguts fan possible suggerir l'aplicació d'EOs com a bioherbicides en entorns controlats com l'horticultura i en condicions d'hivernacle, però s'ha d'identificar la dosi òptima d'aplicació per controlar les males herbes i simultàniament, no afectar negativament els microorganismes del sòl.

[EN] Environmental and health concerns caused for traditional crop protection systems have stimulated interest in alternative weed management strategies. Worldwide, efforts are being made to reduce the heavy reliance on synthetic herbicides that are used to control weeds. Natural herbicides based on allelopathic substances, such as volatile essential oils (EOs) extracted from plants, has been suggested to be one of the possible alternatives for achieving sustainable weed management. From one hand, EOs have shown ability to inhibit weeds seed germination and growth, on the other hand there is a lack of studies about the effects of such substances on soil microorganisms. Therefore, in this thesis the phytotoxic and herbicidal activities of EOs extracted from Mediterranean plants were investigated for their potential use as natural herbicides. The effects of EOs, as well as, of other plant extracts, such as hydrolates, aqueous extracts and fresh leaves obtained from Mediterranean plants, were tested on soil microorganisms. The donor species of EOs were selected based on previous experience of the research group and according to the current literature about the herbicidal activities of the secondary metabolites of these species or from species that are taxonomically closely related: Eucalyptus camaldulensis Dehnh., Eucalyptus occidentalis Endl., Eucalyptus globulus Labill., Eucalyptus torquata Luehm., Eucalyptus lesoufii Maiden, Thymbra capitata (L.) Cav., Mentha × piperita L. and Santolina chamaecyparissus L. The target weeds were two monocotyledons, Avena fatua L. and Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv, and two dicotyledons, Portulaca oleracea L. and Amaranthus retroflexus L. EOs composition was analyzed by means of Gas Chromatography (GC) and Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS). The in vitro assays were performed in germination chambers, to assess the effects of EOs on weed seed germination and seedling growth. The in vivo trials were conducted in greenhouse conditions, where EOs emulsified by Fitoil were applied on weed species by watering. The study of EOs effects on soil microorganisms was carried out in a laboratory pot experiment, where soils were treated with EOs and leaf extracts and then incubated at room temperature (20-23°C). Results obtained from the in vitro bioassays revealed that all used EOs displayed of effectiveness against assayed weeds, controlling completely their germination process or reducing it and significantly inhibiting their seedling growth. Among them, T. capitata was the most effective. At lower doses, it blocked completely the seed germination of A. retroflexus, P. olecerea, A. fatua and E. crus-galli. Greenhouse trials demonstrated herbicidal activity of T. capitata, M. piperita and S. chamaecyparissus, increasing their phytotoxicity with the dose. T. capitata was the most effective against all weeds at the maximum dose and P. oleracea was the most resistant weed. Soil microorganisms, after a transient upheaval period, induced by the addition of EOs, generally recovered their initial function and biomass. Only T. capitata EO at the highest dose did not allow soil microorganisms to completely recover their initial functionality. Results of leaf extracts application on soil provided evidence that Eucalyptus leaves and their extracts (EOs, hydrolates and aqueous extracts), affected soil microbial community in different ways, and those effects were dependent on the Eucalyptus species. So far, the results obtained make feasible to suggest EOs application as bio-herbicides in controlled environments, such as horticulture and in greenhouse conditions. However, the optimum dose of application must be determined, to control weeds and simultaneously, not negatively affect soil microorganisms.