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IAMB 200420 07 ii FITO RREMEDIACIÓN DE METALES PESADOS PRESENTES EN EL SUELO DE LA LADERA DEL RÍO BO GO TÁ C A RO LINA HO YO S DA ZA UNIV ERSIDA D DE LO S A NDES FA C ULTA D DE INGENIERIA DEPA RTA MENTO DE INGENIERIA C IV IL Y A MBIENTA L BO GO TA D.C . 2005 IAMB 200420 07 iii FITO RREMEDIACIÓN DE METALES PESADOS PRESENTES EN EL SUELO DE LA LADERA DEL RÍO BO GO TÁ C A RO LINA HO YO S DA ZA P royec to de Grado para optar al título de Ingeniera A mbiental Direc tor JO HA NA HUSSERL Ingeniera A mbiental UNIV ERSIDA D DE LO S A NDES FA C ULTA D DE INGENIERIA DEPA RTA MENTO DE INGENIERIA C IV IL Y A MBIENTA L BO GO TA D.C . 2005 IAMB 200420 07 iv A GRA DEC IMIENTO S A Johana Husserl, Ingeniera A mbiental, y A sesora del P royecto, por su constante orientación y amable colaborac ión durante el desarrollo del mismo. A la sala virtual de la biblioteca general de la Univers idad de los Andes, especialmente a Liliana Rubiano por su des interesada, oportuna y efic iente colaborac ión en la búsqueda bibliográfica, sobre la cual se sus tenta es te proyec to. A l Laboratorio A mbiental del C entro de Inves tigac ión en Ingeniería A mbiental (CIIA) de la Univers idad de los A ndes por su colaborac ión en el anális is cuantitativo de las mues tras. A mis padres y hermana por su compañía y apoyo incondic ional, a mi madre especialmente por su colaborac ión en la toma de muestras . A todos aquellos que en diferentes momentos me ayudaron y me dieron ánimo para finalizar es te proyec to. IAMB 200420 07 v C O NTENIDO RESUMEN............................................................................................................................... XI INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................XI I 1. OBJETIVOS........................................................................................................................13 1.1 OBJETIVO GENERAL.........................................................................................................13 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.................................................................................................13 2. JUSTIFICACIÓN.................................................................................................................14 3. MARCO TEORICO...............................................................................................................15 3.1 REMEDIACIÓN DE METALES.............................................................................................15 3.1 .1 Metales en el ambiente del suelo...................................................................................15 3.1 .2 Opciones de remediación existentes ..............................................................................16 3.2 FITORREMEDIACIÓN DE METALES....................................................................................18 3.2 .1 Fitoextracción de metales..............................................................................................18 3.2 .2 Fitoestabilización de metales .........................................................................................20 3.2 .3 Otros tipos de fitorremediación......................................................................................22 3.2 .4 Ventajas de la Fitorremediación.....................................................................................24 3.2 .5 Desventajas de la fitorremediación................................................................................25 3.2 .6 Éxito de la fitorremediación...........................................................................................27 3.3 INTERACCIÓN METAL-PLANTA EN LA RIZÓSFERA ..............................................................28 3.3 .1 Biodisponibilidad del metal para la toma hacia el interior de las raíces ...........................28 3.3 .2 E fecto de los mic roorganismos del suelo en la toma de metales.....................................29 3.3 .3 E fecto de los exudados de la raíz en la toma de metales................................................29 3.4 ADAPTACIÓN DE LAS PLANTAS A EL SUELO CONTAMINADO CON METALES.......................29 3.4 .1 Necesidades fisiológicas de elementos inorgánicos.........................................................29 3.4 .2 Mecanismos de las plantas para tolerar y acumular metales ..........................................30 3.4 .3 Factores que afectan la biodisponibilidad.......................................................................34 3.4 .4 Características de las plantas que acumulan metales en la fitorremediac ión...................35 3.5 OPTIMIZACIÓN DE LA FITOEXTRACCIÓN DE METALES CON PRÁCTICAS AGRONÓMICAS...36 3.5 .1 Selección de la planta ...................................................................................................36 3.5 .2 Mejoramiento de la biodisponibilidad del metal con correc tores químicos .......................37 3.5 .3 Sembrado.....................................................................................................................37 3.5 .4 Mantenimiento...............................................................................................................38 3.5 .5 Manipulac ión y disposición del residuo contaminado ......................................................38 3.6 ESPECIES DE PLANTAS NATIVAS DE LA SABANA DE BOGOTÁ...........................................39 3.6 .1 Espec ies de plantas usadas a nivel internacional............................................................39 3.6 .2 Espec ies de plantas nativas de la Sabana de Bogotá......................................................41 3.7 FITORREMEDIACIÓN DEL CROMO Y EL PLOMO .................................................................44 3.7 .1 Cromo y plomo en el medio ambiente ...........................................................................44 3.7 .2 Riesgos a la salud asociados con la toxicidad del cromo y el plomo ................................45 3.7 .3 Fitorremediación del c romo...........................................................................................46 3.7 .4 Fitorremediación del plomo ...........................................................................................46 4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL..........................................................................................48 4.1 OBTENCIÓN DE LAS ESPECIES DE PLANTAS.....................................................................48 4.2 OBTENCIÓN DEL SUELO CONTAMINADO ..........................................................................48 4.3 MONTAJE EXPERIMENTAL.................................................................................................49 4.4 METODOLOGÍA DE LOS ANÁLISIS DE LABORATORIO........................................................51 4.4 .1 Equipos , reac tivos y material de laboratorio ..................................................................52 IAMB 200420 07 vi 4.4 .2 Procedimiento de análisis en el laboratorio ....................................................................53 5. RESULTADOS Y OBSERVACIONES......................................................................................56 5.1 SIEMBRA Y EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS........................................................................57 5.2 RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS DE LABORATORIO..........................................................60 5.2 .1 Resultados para el suelo comercial................................................................................60 5.2 .2 Resultados iniciales para el suelo contaminado..............................................................61 5.2 .3 Resultados para el suelo contaminado............................................................................61 5.2 .4 Resultados para determinar el sitio de acumulación del metal.........................................62 5.2 .5 Resultados del blanco.....................................................................................................62 5.2 .6 Resumen de resultados para el proceso de fitorremediación............................................62 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS................................................................................................64 6.1 SIEMBRA Y EVOLUCIÓN DE LAS PLANTAS .........................................................................64 6.2 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LABORATORIO ..........................................................67 7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.............................................................................71 BIBLIOGRAFIA........................................................................................................................73 ANEXOS..................................................................................................................................78 IAMB 200420 07 vii LISTA DE TABLAS Tabla 1 . Rangos de concentración de algunos metales tóxicos en el suelo ...............................16 Tabla 2 . C osto de remediación de suelos ................................................................................17 Tabla 3 . C orrectores para el suelo en la fitoestabilización ........................................................22 Tabla 4 . P rincipales factores limitantes en el éxito y aplicabilidad de la fitoextracción ..............27 Tabla 5 . P lantas capaces de acumular cuatro o más metales ...................................................41 Tabla 6 . Especies presentes en la cuenca del río Bogotá .........................................................43 Tabla 7 . P eso de suelo contaminado sembrado........................................................................57 Tabla 8 . C recimiento de las plantas .........................................................................................57 Tabla 9 . Caracterización del suelo comercial............................................................................60 Tabla 10. Concentrac ión de c romo y plomo inic ialmente en el suelo contaminado ....................61 Tabla 11. C oncentrac ión de c romo para el suelo de Mondoñedo con Salix humboldtiana y Cyperus papyrus .............................................................................................................61 Tabla 12. Concentrac ión de c romo en hojas y raíces ................................................................62 Tabla 13. Resultados para el suelo comercial y las especies que crecieron en él .......................62 Tabla 14. Resumen de la concentrac ión de c romo en el suelo de Mondoñedo para las dos especies estudiadas ........................................................................................................63 Tabla 15. Bibliografía asociada a las especies de Salix.............................................................79 Tabla 16. Bibliografía asociada a juncos y cortaderas...............................................................80 IAMB 200420 07 viii LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1 . Crecimiento de Salix humboldtiana tanto en el suelo contaminado como comerc ial...58 Gráfica 2 . Crecimiento de Cyperus papyrus tanto en el suelo contaminado como comercial......58 Gráfica 3 . Tendencia de c recimiento para los Sauces ...............................................................65 Gráfica 4 . Tendencia de c recimiento para los Papiros ...............................................................65 Gráfica 5 . Velocidades de crecimiento representativas para las especies estudiadas .................66 Gráfica 6 . Comportamiento del cromo para la especie Salix humboldtiana................................69 Gráfica 7 . Comportamiento del cromo para la especie Cyperus papyrus ...................................69 Gráfica 8 . Regresión lineal entre los datos en base ceniza y los datos en base seca............... 102 IAMB 200420 07 ix LISTA DE FIGURAS Figura 1 . Representación del proceso de transporte de metales (toma y acumulación).............34 Figura 2 . Thalaspi caerulescens ...............................................................................................39 Figura 3 . Brassica juncea ........................................................................................................40 Figura 4 . Perfil idealizado de la serie de formac iones de pantano [29,30].................................42 Figura 5 . Muestras de hojas y raíces ........................................................................................50 Figura 6 . Diagrama de flujo del montaje experimental del proceso de fitorremediac ión ............51 Figura 7 . Mufla........................................................................................................................52 Figura 8 . Espectrofotómetro de absorción atómica de llama.....................................................53 Figura 9 . Muestra de suelo y hojas calc inada...........................................................................54 Figura 10. Muestra del suelo de Mondoñedo ............................................................................56 IAMB 200420 07 x LISTA DE ANEXOS Anexo A . Bibliografía asociada a la especies escogidas para el proceso de fitorremediación .....79 Anexo B. P lano de Bogotá. Ubicac ión de los puntos de muestreo..............................................81 Anexo C . Crec imiento de las plantas........................................................................................82 Anexo D. Resultados de los análisis de laboratorio...................................................................89 IAMB 200420 07 xi RESUMEN E l objetivo princ ipal de es te proyec to es comparar dos espec ies de plantas en cuanto a su rendimiento para la fitoremediac ión de c romo y plomo. Diec iseisava Se es tudió la capac idad de fitorremediar de la espec ie Salix humboldtiana Willdenow (Sauce) y Cyperus papyrus (P apiro), bajo condic iones impues tas por el medio ambiental de sol, viento y lluvia. A l suelo se le adic ionó únicamente en época seca, agua de la llave. A este se le analizó periódicamente la concentrac ión de c romo total por un espac io de 4 meses . Se s iguieron varios pasos en el desarrollo de es te proyecto; primero se identificaron las especies de plantas potenc ialmente viables para realizar fitorremediac ión, espec ialmente de metales pesados como plomo y c romo. Luego se realizó mues treo de suelo contaminado en dos sitios diferentes para determinar cual se encontraba más contaminado y por consiguiente requería de un proceso de remediac ión. Se adquirieron las espec ies Salix humboldtiana (Sauce) y Cyperus papyrus (P apiro) y se sembraron tres plantas de cada espec ie en el suelo contaminado y una planta adic ional en un suelo comerc ial. Se determinaron las concentrac iones inic iales de plomo total y c romo total en el suelo contaminado, luego se determinó la concentrac ión de c romoa la cuarta, octava y dieciseisava semana en el suelo contaminado. A las plantas sembradas en es te se les analizó la concentrac ión de c romo total en hojas a la oc tava semana y la concentración del mismo en las raíces a la diec is ieteava semana. En el suelo comercial se analizó la concentración de plomo total y c romo total inic ialmente, y la concentrac ión de c romo a la diec iseisava semana. A dic ionalmente se analizó la concentrac ión de c romo en las raíces de las plantas que crecieron en el suelo comerc ial. De los anális is realizados se conc luye que en el proceso de fitorremediac ión tanto con Salix humboldtiana (Sauce) como con Cyperus papyrus (P apiro) exis te una reducc ión rápida de la concentrac ión de c romo en el suelo para los dos primeros meses y luego una tendencia a la es tabilizac ión de la concentrac ión de c romo en el suelo de Monodoñedo. IAMB 200420 07 xii INTRODUCCIÓN Teniendo en cuenta el riesgo que representan para la salud humana y el medio ambiente los suelos contaminados con metales pesados , todos los días en diferentes partes del mundo se inves tiga la forma de reparar tales s itios contaminados a menor cos to. Es así como surge la tecnología que usa plantas (fitorremediac ión) para lograr tales objetivos, pues ha demostrado muchos benefic ios sobre el ambiente a cos tos que son una fracc ión de los necesarios para implementar las tecnologías convenc ionales . A las ventajas económicas de la tecnología con plantas se suma que en el caso de acumularse los metales pesados en los tejidos de la planta, se obtiene una planta rica en metales, de la cual se puede extraer por diferentes técnicas tales metales pesados de forma más fácil que del suelo direc tamente. E l éxito de la fitorremediac ión es ta influenc iado por varios fac tores como la disponibilidad del metal en el suelo para ser tomado por las raíces . Tal disponibilidad depende de las carac terís ticas del suelo (como el pH), pero muchos inves tigadores alteran esas condiciones inic iales del suelo para lograr una mayor extracc ión del metal desde el suelo hacia la planta. Sin embargo en es te proyec to no se emplearán tales técnicas . P ara lograr la fitorremediac ión de un s itio contaminado se deben seguir varios pasos, entre ellos la consecuc ión del suelo contaminado, las espec ies potenc iales para realizar fitorremediación, montaje experimental y anális is de laboratorio periódicos tanto para el suelo contaminado, como para el tejido vegetal de la planta. Siendo Bogotá D.C . una c iudad indus trializada los s itos contaminados con metales pesados abundan y la neces idad de que la s ituac ión cambie, es lo que inc ita a pensar en opc iones económicamente viables para que esos s itios en la c iudad y sus alrededores desaparezcan o al menos disminuyan. IAMB 200420 07 13 1. OBJETIVOS 1 .1 O BJET IV O GENERA L A nalizar el comportamiento de dos espec ies de plantas , preferiblemente nativas de la Sabana de Bogotá y s imilares a las empleadas en otros lugares , en la remoc ión de metales pesados, princ ipalmente C romo y P lomo, presentes en un suelo de la ladera del río Bogotá. 1 .2 O BJET IV O S ESPEC IFIC O S Identificar las espec ies nativas de plantas , con potenc ial para llevar a cabo la fitorremediación y escoger un s itio espec ífico de la ladera del río Bogotá para la obtención de un suelo contaminado con metales pesados . C arac terizar la concentrac ión de metales pesados (principalmente Cromo y Plomo) del suelo bajo es tudio. P ara cada espec ie de planta encontrar la efic ienc ia de remoc ión de metales pesados , princ ipalmente lo correspondiente a C romo y P lomo en un tiempo de cuatro meses . Identificar la espec ie de planta nativa con mejor desempeño en la fitorremediación del suelo bajo es tudio. IAMB 200420 07 14 2. JUSTIFICACIÓN La fitorremediac ión se vale de las habilidades naturales que tienen las plantas para tomar, acumular, almacenar o degradar sus tanc ias orgánicas e inorgánicas con el fin de restaurar o es tabilizar s itios contaminados . Se hace interesante identificar e investigar especies de plantas con tales habilidades de manera natural para con los metales pesados . Las plantas que mejor func ionan en la remediac ión de un contaminante en particular pueden o no ser nativas del área en particular. A unque las plantas nativas son más deseables, las especies no nativas pueden ser aceptadas s i la espec ie que se piensa emplear ha s ido introduc ida previamente, y es tan común que su uso no c rea un nuevo riesgo ecológico o sí la especie es incapaz de propagarse efec tivamente (dependen de la intervenc ión humana). Las técnicas de remediac ión con plantas poseen varias ventajas entre ellas que son alternativas menos cos tosa que las prác ticas de es tabilizac ión corrientes , probablemente menos invasivas ambientalmente y fác il de implementar. A demás las opc iones de remediación tradicional como procesos térmicos , químicos y fís icos tienen altos consumos de energía y en algunos casos se des truye el s itio bajo es tudio. Todos es tos problemas proporc ionan una oportunidad para la remediac ión basada en plantas . Es importante remediar el suelo pues to que las sus tanc ias tóxicas presentes en la materia particulada del suelo pueden llegar a suspenderse en el aire o agua afectando la calidad de vida de los humanos y animales entre otros . IAMB 200420 07 15 3. MARCO TEORICO 3 .1 REMEDIA C IÓ N DE META LES 3.1.1 Metales en el ambiente del suelo Las fuentes de metales en el ambiente se originan de procesos geológicos naturales y ac tividades humanas . Las fuentes naturales inc luyen excesiva exposición a la intemperie de los minerales y los iones metálicos de las rocas , tras lado de contaminantes del agua subterránea o de capas subsuperfic iales del suelo, depos ic ión atmosférica de la actividad volcánica y transporte de polvo continental. Las rutas humanas más comunes de introducc ión de metales pesados dentro del ambiente son la dispos ic ión de efluentes indus triales , aplicac ión de lodos de agua res idual, depos ic ión de aire como produc to de desperdic io indus trial, operac iones militares, minería, operac iones de relleno, dispos ic ión de res iduos líquidos y sólidos indus triales , generac ión de res iduos munic ipales (sólidos y líquidos), uso de químicos para la agricultura (fertilizantes y pes tic idas), escape de gases y producc ión de combustible y energía [1, 10]. A lgunas espec ies de metales pueden ser cons ideradas un “contaminante” si este ocurre donde es te no es neces itado, o en una forma o concentrac ión que causa un detrimento a la salud humana y animal as í como al ecos is tema en general. Los riesgos varían con cada metal y la vía de expos ic ión asoc iada, por lo tanto el grado de contaminac ión es espec ífico para cada contaminante [1 , 4]. La concentrac ión de metales en suelos típicamente fluc túa de valores menores que 1mg/Kg a valores tan altos como 100,000 mg/Kg (ver tabla 1) dependiendo del origen del material y los eventos de depos ic ión. Los límites de concentrac ión del metal en el suelo varían de acuerdo al uso del suelo, condic iones del s itio, impac to en la salud humana del contac to directo con el suelo, riesgos ecológicos , vías de expos ic ión secundarias . Los niveles excesivos de muchos metales han comenzado a plantear un riesgo s ignificativo a la salud de humanos, animales y ecos is temas . Es to inc luye metales tales como arsénico (A s), cadmio (Cd), cromo (Cr),Cobre (C u), plomo (Pb), mercurio (Hg), níquel (N i), selenio (Se), plata (A g) y zinc (Zn), dentro de los metales más comúnmente encontrados en s itios contaminados; y especies metálicas menos comunes como aluminio (A l), ces io (C s), cobalto (C o), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), es tronc io (Sr) y uranio (U ) [1 , 4]. IAMB 200420 07 16 Tabla 1 . Rangos de concentrac ión de algunos metales tóxicos en el suelo [3] Metal Rango de concentrac ión en el suelo (mg/Kg) P b C d C r Hg Zn 1 .00-6 ,900 0 .10-345 0 .05-3 ,950 <0.01-1 ,800 150.00-5 ,000 A ltos niveles de metales en el suelo pueden ser tóxicos para las plantas (fitotóxicos). Un pobre c rec imiento de plantas y una cobertura pobre del suelo causada por la toxic idad del metal, puede conduc ir al metal a movilizarse hac ia el agua y depos itarse cerca a los cuerpos de agua. Los suelos descubiertos son más susceptibles a la eros ión por el viento y esparcimiento de contaminantes por transporte aéreo de polvo [3]. En el suelo los metales pueden exis tir como partículas disc retas o es tar asoc iados con los diferentes componentes del suelo como se lis ta a continuac ión [3 , 4 , 10]: 1 . Iones de metales libres y compuestos de metales solubles en la soluc ión del suelo 2 . Iones intercambiables adsorbidos-sorbed a la superfic ie de la fase sólida inorgánica 3 . Iones no-intercambiables y prec ipitados o compuestos de metales inorgánicos insolubles, tales como óxidos , hidróxidos , fos fatos y carbonatos . 4 . Metales complejados por material orgánico insoluble o soluble 5 . Metales embebidos en la es truc tura de materiales de s ilicato Los eventos de contaminac ión se refieren a las partículas discretas, cuando ocurre elevación en la concentrac ión de los componentes 1-4 , mientras que el componente 5 se refiere a la concentrac ión base del metal en el suelo [4 , 10]. 3.1.2 Opciones de remediación existentes La remediac ión de suelos contaminados cons is te en el empleo de tecnologías para reparar, limpiar o descontaminar un s itio contaminado frecuentemente por la ac tividad humana. La selecc ión de una opc ión de remediac ión para un s itio contaminado con metales es complejo. Los fac tores y c riterios usados en el proceso de selección se listan a continuación [7, 8]: - Tamaño, localizac ión e his toria del s itio - A cces ibilidad al s itio - E fec tividad de las opc iones de remediac ión IAMB 200420 07 17 - C arac terís ticas del suelo (es truc tura, tipo, textura, pH, potenc ial redox, capacidad de intercambiar cationes , etc ) - C ompos ic ión, es tado fís ico y es tado químico de los contaminantes - Grado de contaminac ión (concentrac ión y dis tribuc ión) - Uso final previs to para el s itio - Recursos técnicos y financ ieros disponibles - Sobre aviso de publicac iones públicas , legales y ambientales Las opc iones de remediac ión tradic ionales para metales en suelos frecuentemente involucran prác ticas convenc ionales de ingeniería, aplicadas en combinac ión o en un tren de tratamiento. Es tos procesos fís icos , químicos y térmicos se lis tan a continuación y típicamente requieren la remoc ión fís ica del metal del s itio o la minimizac ión a la expos ic ión en el s itio [3 , 9]. - Excavac ión y transporte del suelo contaminado a un relleno donde se permita la dispos ic ión de res iduos peligrosos . - Lavado del suelo donde el contaminante es removido por tamaño o por separación por gravedad o lixiviac ión - T ratamiento térmico donde el contaminante es volatilizado - E lec troc inética donde los contaminantes son movilizados como partículas cargadas - C ubrimiento del suelo contaminado con suelo limpio, arc illa, as falto, y/o geotextil - V itrificac ión donde la matriz es fundida y convertida a un material como el vidrio - Rompimiento neumático, el cual utiliza aire inyec tado a pres ión dentro del suelo para mejorar la efic ienc ia de extracc ión - O xido/reducc ión química para llevar al contaminante a un estado más estable o menos móvil. Es tas opc iones de remediac ión son c riticadas cada vez más por sus altos costos (ver tabla 2), intens idad de energía, des trucc ión del s itio, problemas logísticos y un incremento en el grado de insatis facc ión pública; es to puede prohibir su uso en muchos sitios, especialmente en extensas áreas contaminadas y s itios pequeños dentro de áreas res idenc iales [3 , 9]. Es tas críticas proveen una oportunidad para las opc iones basada en remediac ión con plantas , dado que algunas poseen c iertos atributos que no es tán disponibles con las alternativas convencionales [8]. Tabla 2 . C os to de remediac ión de suelos [2] T ratamiento C os to (US$/ton) Fac tores de cos to adic ional V itrificac ión Remoc ión y dispos ic ión fuera T ratamiento químico E lec troc inética Fitoextracc ión 75-425 100-500 100-500 20-200 5-40 Monitoreo por largo tiempo T ransporte, excavac ión, monitoreo Rec ic laje de contaminantes Monitoreo Monitoreo IAMB 200420 07 18 Dado los altos cos tos de las tecnologías de remediac ión convencionales, la fitorremediación es una alternativa cos to-efec tiva emergente. V arios anális is han demostrado que los costos de la fitoextracc ión de metales es solo una fracc ión de los cos tos asoc iados con las tecnologías convenc ionales [3 , 18]. 3 .2 FITO RREMEDIA C IÓ N DE META LES La contaminac ión con metales tóxicos en aguas y suelos es un problema ambiental, y la mayoría de las remediac iones convenc ionales no suminis tran una soluc ión aceptable. El uso de plantas espec ialmente selecc ionadas para limpiar el ambiente es una tecnología emergente llamada fitorremediac ión, es ta es una tecnología innovadora y cos to-efectiva para remediar y restaurar s itios contaminados , en c iertas s ituac iones , es superior económica, técnica y ambientalmente respec to a las a las técnicas de remediac ión tradic ionales (física, química y térmica). Muchas de las técnicas de fitorremediac ión involuc ran la aplicac ión de la información que ha sido conocida por años en la agricultura, s ilvicultura y horticultura. T res subgrupos de esta tecnología son aplicables a la remediac ión de metales tóxicos: (1) Fitoextracción, uso de plantas acumuladoras de metales para remover metales tóxicos del suelo; (2) Rizofiltrac ión, uso de las raíces de las plantas para remover metales tóxicos de aguas contaminadas; y (3) Fitoestabilización, uso de plantas para eliminar la disponibilidad de metales tóxicos del suelo hasta el ambiente. También exis te mecanismos biológicos de toma del metal, trans locac ión y resistencia como estrategias para mejorar la fitorremediac ión [3 , 7 , 10]. 3.2.1 Fitoextracción de metales La fitoextracc ión utiliza las raíces de las plantas para absorber, translocar y concentrar metales tóxicos del suelo en los tejidos de las plantas , por lo tanto el cultivo de la planta resulta en la remoc ión del contaminante del s itio. Es ta técnica produce una masa de planta (con contaminantes , típicamente metales ) que debe ser transportada para disposición o reciclada para recuperar los metales , que pueden tener una importanc ia económica, mediante algún tratamiento. Es ta es una tecnología de concentrac ión que deja una masa muy pequeña para ser dispues ta al compararse con la excavac ión y dispos ic ión en relleno [4 , 5 , 7]. En la fitoextracc ión las plantas acumuladoras de metales son usadas para transportar y concentrar metales del suelo en el interior de las partes cosechables (raíces, hojas y tallos) [10]. Exis ten tres fac tores princ ipales que influenc iany determinan la capacidad de la fitoextracción para remediar efec tivamente un s itio contaminado con metales : selecc ión de un s itio IAMB 200420 07 19 conveniente para la fitoextracc ión, solubilidad del metal y disponibilidad para la toma, y la capac idad de la planta para acumular metales en los tejidos de la misma [4]. La selecc ión de un s itio conveniente, implica conocer la reglamentac ión referente a la concentrac ión del metal contaminante en el mismo, de acuerdo al uso del sitio seleccionado (res idenc ial o no); pues to que la fitoextracc ión usa plantas para extraer una masa discreta de metal del suelo para reduc ir la concentrac ión; la diferenc ia entre la concentración inicial del metal y la concentrac ión que se espera luego del proceso de limpieza (de acuerdo a la reglamentac ión para el s itio espec ifico) es el primer fac tor que determina la factibilidad de la fitoextracc ión [4]. Es to quiere dec ir que pueden exis tir s itios donde se exija una concentración del metal muy baja luego del proceso y haga impos ible la extracción del metal con plantas, dada la capac idad de acumulac ión del mismo en los tejidos de la planta. La solubilidad del metal depende de las carac terís ticas del suelo y esta influenciado por el pH del suelo y el grado de complejac ión con ligandos solubles . De las diferentes formas como se encuentran los metales en el suelo (ver secc ión 3 .1 .1), los metales considerados disponibles para las plantas son aquellos que exis ten como componentes solubles en la solución del suelo o son fác ilmente desorbidos o solubilizados por los exudados de las raíces u otros componentes de la soluc ión del suelo. Normalmente es to es una pequeña porción del contenido total de metal en el suelo [4]. Dado que una fitoextracc ión es efec tiva en relac ión con la cantidad de metal soluble, muchas veces se alteran las condic iones del suelo para inc rementar la solubilidad y disponibilidad del metal. En el suelo la disponibilidad del metal para la planta en las raíces aumenta s i el pH disminuye por debajo de 5 .5 , s in embargo el grado de ajus te del pH es ta limitado por la toleranc ia de la planta a las condic iones ác idas y los cos tos asociados. También se adicionan sus tanc ias químicas (quelatos) para solubilizar los metales en el ambiente del suelo. Por lo anterior se hace necesario que en los es tudios de tratabilidad en los que se estudia la posibilidad de realizar fitoextracc ión se evalúe la solubilidad del metal [4]. La otra limitante en el proceso de fitoextracc ión es la capacidad que tiene la planta de acumular metales . P ara es to se debe tener un entendimiento de los mecanismos de toma del metal por la raíz, trans locac ión del metal desde las raíces has ta los tallos y hojas, y acumulación por parte de la planta que implica toleranc ia al metal tóxico [4]. En general los metales tóxicos puede ser elementos esenc iales (Zn, N i, Mn y C u) o no esenc iales (P b, C d, U , y C s) para la planta; todos es tos entran a la planta vía absorción por la raíz de los cationes de la soluc ión del suelo, dado que exis te un gradiente de potenc ial IAMB 200420 07 20 elec troquímico a través de la membrana plasmática de las células de las raíces, conduciendo los metales hac ia el interior de las células de la raíz [4]. C ons iderando que el parámetro más importante para la fitoextracc ión es la concentración del metal en los tallos y hojas , para una fitoextracc ión exitosa el metal absorbido por las raíces debe ser trans locado a los tallos y hojas de la forma más rápida pos ible. Sin embargo el proceso de trans locac ión involuc ra varios procesos fis iológicos que incluyen los mecanismos de transporte del metal en las células y vasos del xilema has ta llegar a los tallos y hojas [4]. Se ha demostrado que la mayoría de los metales pesados se acumulan rápidamente en las raíces s i los metales es tán biodisponibles 1 en el medio de crecimiento de la planta, sin embargo sólo una pequeña porc ión del metal absorbido es trans locado a tallos y hojas [4]. La fitoextracc ión emplea plantas (espec ies salvajes y cultivadas) que secues tran grandes cantidades de elementos tóxicos en la porc ión aérea de la planta. Las hiperacumuladoras2 son capaces de tomar metales espec íficos en dis tintos porcentaje del peso de su material seco. Una espec ie hiperacumuladora concentrará más de 10 ppm de Hg, 100 ppm de Cd, 1,000 ppm de C o, C r, C u y P b, 10 ,000 ppm de N i y Zn. Las partes de las plantas cultivadas pueden ser dispues tas como pequeñas cantidades de cenizas de manera relativamente económica. Si los elementos tóxicos tienen valor comerc ial, pueden ser recuperados a través de procedimientos de extracc ión. [3 , 4 , 18]. La fitoextracc ión es usada princ ipalmente en el tratamiento de suelos, sedimentos y lodos. Esta puede ser usada en menor grado para el tratamiento de agua contaminada [7]. 3.2.2 Fitoestabilización de metales La fitoes tabilizac ión también llamada fitores taurac ión, emplea las plantas para cubrir la superfic ie del suelo y as í prevenir la eros ión, reduc ir la precolac ión del agua y servir como un obs táculo para prevenir el contac to direc to con el suelo. La fitoes tabilizac ión no remueve el contaminante del suelo, pero puede ayudar a minimizar varios riesgos y eliminar vías de expos ic ión para los organismos por parte de los contaminantes del suelo, reduciendo así la peligros idad a la salud humana y el ambiente. Es ta tecnología se pude adaptar a un amplio rango de s itios , inc luyendo grandes s itios abandonados y ubicados en áreas urbanas [9, 10]. 1Biodisponible: Disponibilidad del contaminante para con la planta, de tal forma que se encuentra listo para ser absorbido por las raíces [3,4]. 2 Especie de planta capaz de acumular metales a niveles cien veces mayores que las plantas comunes [3]. IAMB 200420 07 21 O tra meta de la fitoes tabilizac ión es reduc ir la disponibilidad para la planta de los contaminantes metálicos , cuando exis te toxic idad para la planta o exis te el riesgo de contaminación de la cadena alimentic ia. C ualquiera que sea la vía de expos ic ión u organismo objetivo, la cantidad de riesgo planteada por la contaminac ión es tá relac ionada a la velocidad y duración de la exposición del organismo de interés , y a la forma del contaminante en el suelo [7 , 9]. La forma de los contaminantes en el suelo puede ser alterado con correc tores químicos que promueven la formac ión de espec ies metálicas inac tivas biológicamente. Las alteraciones químicas del contaminante en el suelo deben ser lo más prolongadas posible si no permanentes. A dic ionalmente los correc tores químicos deben ser económicos , fác il de manejar y aplicar, seguro para los trabajadores que los manipulan, compatible con las plantas, no tóxico para las plantas selecc ionadas para la revegetac ión, debe es tar disponible o debe ser fácil de producir y no causar impac tos ambientales negativos adic ionales en el sitio. Algunos correctores químicos pueden tener benefic ios secundarios tales como suminis trar nutrientes a las plantas o inc rementar la capac idad de humedad del suelo (fertilizadores de fosfato, materiales orgánicos). Entre los materiales más comunes se encuentran biosólidos de plantas de tratamiento de aguas res iduales y subproduc tos de procesos indus triales [9]. La fitoes tabilizac ión tiene una amplia base de conoc imiento y experiencia en los principios de la química del suelo y las prác ticas de la conservac ión y la agricultura. Los correctores químicos usados en la fitoes tabilizac ión pueden sers imilares a los usados en la agricultura (cal, fertilizadores de fós foro, materiales orgánicos), la veloc idad de aplicac ión para inactivar los contaminantes metálicos generalmente es mayor a la veloc idad usada en la agricultura para ajus tar la fertilidad del suelo [9]. Los mecanismos por los cuales los diferentes correc tores químicos alteran la forma del contaminante metálico en el suelo puede variar de acuerdo al correc tor empleado y al contaminante. Los mecanismos sugeridos inc luyen prec ipitac ión, humidificación, absorción y trans formac iones redox (ver tabla3). Los correc tores de fos fato pueden mejorar la formación de formas insolubles del contaminante metálico, espec ialmente plomo; sin embargo el exceso de fos fatos en el suelo cercano a aguas superfic iales puede causar la entrada de nutrientes a la misma causando eutroficac ión. O tros es tudios han investigado la capacidad de absorber metales por parte de zeolitas s intéticas , aunque los resultados han sido positivos se considera el uso de es tas cos toso para la fitoes tabilizac ión [9]. IAMB 200420 07 22 Tabla 3 . C orrec tores para el suelo en la fitoes tabilizac ión [9] T IPO DE C O RREC TO R PO SIBLE CONTAMNANTE O BJET IV O MO DO SUGERIDO DE INA C T IV A C IÓ N Materiales de fos fato H3PO 4, apatita, ortofos fato de calc io, Na2HPO 4, KH2PO4, otros fertilizadores de fos fato. P b Formac ión de minerales de fosfato del metal insoluble, tales como piromorfitas de plomo H idruros de hierro Subproduc tos que contienen hidruros de hierro, ais lados de hidruros de hierro A S, C d, C u, N i, P b, Zn A bsorc ión de contaminantes sobre la superfic ie del oxido, coprec ipitac ión o formac ión de compues tos contaminante-Fe Materiales O rgánicos A bonos , compost, lodos y otros biosólidos A s , C d, C u, P b A bsorc ión de contaminantes sobre el s itio intercambiable o incorporac ión dentro de la materia orgánica M inerales de arc illa inorgánica Zeolita s intéticas , aluminos ilicatos naturales o subproduc tos de la inc inerac ión A s , C d, C u, Mn, N i, P b, Zn A bsorc ión de contaminantes sobre la superfic ie mineral o incorporac ión dentro de la es truc tura mineral E l rol de las plantas en la fitoes tabilizac ión es la es tabilización del suelo con un sistema de raíces densas para prevenir la eros ión y proteger la superfic ie del suelo del contac to humano y el impac to de la lluvia. Las raíces de la planta también ayudan a minimizar la precolación del agua a través del suelo, reduc iendo la lixiviac ión del contaminante. Las raíces de la planta también suminis tran superfic ie para la absorc ión o adsorc ión sobre las raíces y/o prec ipitac ión del contaminante metálico dentro de la zona de las raíces;. E l rol de las plantas en la fitoes tabilizac ión no se extiende a la alterac ión química del contaminante, sin embargo en la fitoes tabilizac ión el pH del suelo puede cambiar debido a los exudados de la raíz o por la producc ión de C O 2; y por tanto la fitoes tabilizac ión puede cambiar la solubilidad y movilidad del metal (alterac ión fís ica del contaminante) [7 , 9 , 10]. A lgunos autores inc luyen en la fitoes tabilizac ión la acumulac ión por parte de las raíces , inmovilizando el contaminante hacia el res to de los tejidos de la planta [7 , 9]. La fitoes tabilizac ión es usada en el tratamiento de suelos , sedimentos y lodos [7]. 3.2.3 Otros tipos de f itorremediación La tecnología de remediac ión con plantas tiene un amplio rango de pos ibilidades para ser aplicado dependiendo de la matriz (suelo o agua) y el tipo de contaminante (orgánico o inorgánico). A continuac ión se realiza una breve desc ripc ión de las tecnologías con plantas que no son aplicables para es te proyec to, ya sea porque se usan en la remediación de aguas o para suelos contaminados con sus tanc ias orgánicas . IAMB 200420 07 23 La rizof iltración es el uso de plantas con raíces que tienen la capacidad de absorber, y algunas veces , prec ipitar contaminantes de aguas contaminadas . Las plantas más efectivas, tales como pas tos , son aquellas con raíces que se regeneran rápidamente y tienen gran área de superficie. La rizofiltrac ión func iona mejor donde los contaminantes están presentes en baja concentración y en grandes volúmenes de efluentes . A lgunas plantas son capaces de concentrar metales tóxicos , sobre una base en peso seco, a valores entre 131 y 563 veces la concentración en la fuente contaminante [8 , 10]. A gua subterránea, superfic ial y res idual puede ser tratada usando rizofiltración. La rizofiltración es generalmente aplicable a condic iones de baja concentrac ión y alto contenido de agua. Esta tecnología no func iona bien con suelo, sedimentos o lodos porque el contaminante necesita estar en soluc ión para ser sorbido al s is tema de la planta [7]. La volatilización o transpiración por medio de las plantas hac ia la atmós fera es otro mecanismo pos ible para remover un contaminante. Fitovolatilización es la toma y transpiración de un contaminante por una planta, con la liberac ión del contaminante o una forma modificada del contaminante a la atmós fera desde la planta. Es ta tecnología ha sido aplicada principalmente a agua subterránea, pero también puede ser aplicada a suelo, sedimento y lodo. Se ha empleado para tratar contaminantes orgánicos (TC E, TC A , TC C ) e inorgánicos (Se, Hg, junto con As, pueden formar espec ies metiladas volatiles ). Fac tores c limáticos tales como temperatura, prec ipitac ión, humedad, insolac ión y veloc idad del viento pueden afec tar la tasa de transpirac ión, y por tanto la efic ienc ia de la tecnología [7]. En la Rizodegradación se logra el rompimiento de un contaminante orgánico en el suelo por medio de la ac tividad mic robiana que se mejora por la presenc ia de la zona de raíces . Los exudados de las raíces son compues tos produc idos por las plantas y liberadas por las raíces de las plantas , es tos inc luyen azúcares , aminoác idos , ác idos orgánicos, ácidos grasos, factores de c rec imiento, nuc leotidos , enzimas y otros compues tos . La población microbiana y la actividad en la rizós fera se puede inc rementar debido a la presenc ia de és tos exudados y puede resultar en aumento de la biodegradac ión de contaminantes orgánicos en el suelo. A dic ionalmente, la rizós fera inc rementa el área superfic ial donde la degradac ión mic robiana ac tiva puede ser es timulada [7 , 18]. La Fitodegradación también conoc ida como fitotrans formac ión es la ruptura de contaminantes tomados por la planta por medio de procesos metabólicos dentro de la planta o en el exterior de la planta por medio de compues tos (como enzimas) produc idos por ella. Adicionalmente puede ocurrir degradac ión fuera de la planta, debido a la liberac ión de compues tos que causan IAMB 200420 07 24 trans formac ión. A lguna degradac ión causada por mic roorganismos asociada o afectada por la raíz de la planta es cons iderada rizodegradac ión [7]. P ara que la fitodegradac ión ocurra dentro de la planta, los compuestos deben ser tomados por la planta. E l metabolismo dentro de la planta ha s ido identificado para un grupo diverso de compues tos orgánicos , inc luyendo herbic idas , atrazina-atrazine, TC E, TNT , DDT , HC B (hexac lorobenceno), PC P , DEHP (dietilhexilftalato) y PC Bs en cultivos de células de plantas. La fitodegradac ión es usada en el tratamiento de suelos , sedimentos , lodos, agua subterránea y agua superfic ial [7 , 18]. 3.2.4 Ventajas de la Fitorremediación Las plantas poseen c iertos atributos que no es tán disponibles con las alternativas convenc ionales , es tosson [7 , 8 , 14]. - P otenc ial para trans ferir humedad de la superfic ie del suelo contaminado y el agua subterránea a la atmós fera - P roducc ión de enzimas degradadoras - C apac idad para sobrevivir bajo condic iones ecológicas fluc tuantes - Manejar las capac idades del sol - P otenc ial para penetrar a profundidades s ignificantes y c rear grandes zonas de raíces - Habilidad para acumular c iertos contaminantes - Habilidad para produc ir y metabolizar muchas toxinas naturales - C apac idad para remover, degradar, metabolizar, o inmovilizar un amplio rango de contaminantes - Habilidad para retornar al s itio contaminado algún nivel de es tabilidad y salud al ecos is tema A lgunos fac tores que favorecen el uso de la fitorremediac ión y las técnicas de restauración se lis tan a continuac ión [7 , 8 , 12]. - Inefec tividad y efic ienc ias variables de los tratamientos fís icos , químicos y térmicos tradic ionales - Demostrac ión de que exis ten plantas capaces de secuestrar, acumular e hiperacumular has ta 19 espec ies de metales diferentes - La gran cantidad de res iduos metálicos generados anualmente por la indus tria - La salud humana y ambiental interesa asoc iado con el número s itios exis tentes IAMB 200420 07 25 - P otenc ial s ignificativo para reduc ir los cos tos asociados con las técnicas de remediación basada en plantas , además de reduc ir los cos tos asoc iados con el dragado del suelo Las ventajas de la fitorremediac ión inc luyen aplicac ión in s itu, pas iva, que es una tecnología verde conduc ida por el sol, fác il de aplicar, económica (ver tabla 2), aplicable a un gran rango de metales , radionuc leidos y sus tanc ias orgánicas . Es una tecnología que puede ser usada en sitios no fác ilmente remediados por otros métodos , como es el caso de grandes s itios con baja concentrac ión de contaminante que es ta ampliamente disperso a poca profundidad [1, 7, 14]. La fitorremediac ión ofrece la ventaja de eliminar res iduos secundarios al aire o al agua que pueden potenc ialmente ser conduc idos a los humanos o ser una expos ic ión ecológica. Espec íficamente, las sus tanc ias tóxicas presentes en la materia particulada del suelo pueden llegar a suspenderse en el aire o agua, las plantas proveen una gran cobertura que estabiliza el suelo contaminado y ayuda a reduc ir la diseminac ión potencial, es así como el uso de vegetación sobre los s itios contaminados ayuda a reduc ir la inhalac ión direc ta de aire y la ingestión de comida contaminada, como resultado de la depos ic ión de la materia suspendida sobre plantas alimentic ias [17 , 18]. O tra ventaja de la fitorremediac ión es que las plantas usadas pueden producir residuos de planta ricos en metales rec ic lables , en el caso de ser inc ineradas las plantas, las cenizas contendrán en la mayoría de los casos es tos res iduos rec ic lables que pueden ser extraídos [8 , 12]. En el caso de la fitoes tabilizac ión se cons idera una ventaja que no se requiere la disposición de materiales peligrosos ni de biomasa3 [7]. Se cons idera como una ventaja adic ional de la fitorremediación hacer de los sitios contaminados más atrac tivos es téticamente [7 , 8]. 3.2.5 Desventajas de la f itorremediación A unque la fitorremediac ión ofrece muchas ventajas sobre las técnicas de remediac ión convenc ional, una de las limitac iones de la tecnología se da por que las plantas hiperacumuladoras acumulan sólo un elemento espec ifico, limitándose la aplicabilidad a sitios con varios o una mezc la de contaminantes [8]. E l uso de plantas salvaje para la fitorremediac ión puede aumentar el problema particular de riesgo de impos ic ión aunque a veces se dice que puede ayudar a res taurar la diversidad de 3 Biomasa: se refiere a la cantidad de tejido vegetal, ya sea raíces, tallos o hojas. IAMB 200420 07 26 espec ies salvaje [7 , 8]. Teniendo en cuenta que algunas formas de la fitorremediac ión involuc ran la acumulac ión de metales , exis te la pos ibilidad de que los contaminantes entren en la cadena alimentic ia por tanto se debe controlar el acceso al s itio donde se encuentran las plantas [7 , 14]. La mayoría de las espec ies hiperacumuladoras conoc idas fueron descubiertas sobre suelos ricos en metales , ac tualmente la mayoría de plantas hiperacumuladoras son endémicas de cada suelo, por tanto muchas plantas hiperacumuladoras son relativamente extrañas , con pequeñas poblac iones que muchas veces se encuentran en áreas remotas o tienen una distribución muy res tringida y deben c recer bajo otras condic iones c limáticas [7 , 8]. A demás muchos de las hiperacumuladoras tienen una veloc idad de c rec imiento lento, producen pequeñas cantidades de biomasa y tienen un s is tema de raíces poco profundo [4 , 7 , 10]. Es te y otros problemas se puede soluc ionar con ingeniería genética al introduc ir genes de crecimiento rápido, o genes que regulen el c rec imiento de la raíz o que inc rementen la producción de enzimas seleccionadas de la planta [7 , 8]. Muchas veces la fitorremediac ión es más lenta que las técnicas tradicionales físicas, químicas o térmicas , requiriendo dis tintos tiempos de c rec imiento para limpiar el sitio, razón por la cual no es una tecnología apropiada cuando el contaminante objetivo presenta un peligro inminente a la salud humana o a el ambiente [7 , 8 , 14]. Exis ten dificultades asoc iadas a la carac terizac ión de los suelos y los efectos de las condiciones heterogéneas del s itio tales como la textura del suelo, el nivel del contaminante, el pH, la salinidad, adic ionalmente los niveles de toxic idad deben es tar entre los límites de tolerancia de la planta, pues to que altas concentrac iones del contaminante pueden inhibir el crecimiento de la planta, limitando la aplicac ión de la tecnología [7 , 8 , 14]. La remediac ión con plantas requiere que el contaminante es te contac to con la zona de la raíz, por lo tanto las plantas deberían ser capaces de extender las raíces hacia el contaminante o el medio contaminado debería moverse dentro del rango de la planta. Por tanto se considera una limitante de la tecnología el contac to entre el contaminante y la raíz. La profundidad efectiva de la raíz varia con la espec ie y depende del suelo y las condic iones c limáticas [7]. Los contaminantes altamente solubles pueden lixiviar fuera de la zona de la raíz haciendo la toma para la planta menos efec tiva. La interacc ión biológica de las espec ies puede tener un efecto es timulante o limitante en la limpieza, ya que la planta usada pueden ser susceptible a herbívoros y plagas [7 , 8]. En el caso de la fitoextracc ión es tudios revelan que el coefic iente de fitoextracción medido en campo es menor que el determinado en el laboratorio [7]. IAMB 200420 07 27 En el caso de la fitoes tabilizac ión se cons idera una desventaja que el contaminante permanece en el lugar. La zona de la raíz, los exudados de la raíz, contaminantes y correctores químicos deben ser monitoreados para prevenir un inc remento en la solubilidad del metal y que este lixivie [7 , 14]. La fitorremediac ión puede requerir cos tos cons iderables de entrada para el pretratamiento del contaminante o del s itio en el cual es ta és te depos itado. Se cons ideran entre estos, agentes quelantes artific iales , irrigac ión, correc tores químicos e insecticidas, todos estos requeridos para remediar efec tivamente el s itio; por tanto se hace necesario validar la tecnología bajo las condic iones reales de campo y compararla en relac ión a los cos tos con las otras tecnologías disponibles , de tal forma quese pueda determinar la viabilidad real de la misma [7 , 8]. A pesar de todas las ventajas que poseen las plantas , la fitorremediación no ha llegado a ser una tecnología comerc ial. E l progreso lo limita el poco conoc imiento de los mecanismos de remediac ión de las plantas , el poco entendimiento del mecanismo en las prácticas agronómicas (irrigac ión, fertilizac ión, tiempo de cosecha y sembrado, aplicac ión de correctores químicos), además de la naturaleza biológica del proceso, que implica interacc iones complejas entre el suelo, contaminante, mic roorganismos y plantas , influenc iado por las condiciones climáticas, propiedades del suelo y la hidrogeología del s itio entre otros [3]. A continuación se presenta una tabla con la mayoría de los fac tores que limitan el éxito y la aplicabilidad de la fitoextracción. Tabla 4 . P rinc ipales fac tores limitantes en el éxito y aplicabilidad de la fitoextracc ión [3] Limitac iones biológicas basada en la planta Limitac iones de la tecnología O tras limitac iones Baja toleranc ia de la planta Escasez de trans locación4 del contaminante desde la ráiz has ta las hojas y tallos Tamaño pequeño de las plantas remediadoras Defic ienc ia en los datos de desempeño y cos tos asoc iados Falta de familiaridad con la tecnología Dispos ic ión de las plantas contaminadas C ontaminac ión debajo de la zona de la raíz P roceso prolongado C ontaminante con forma biológicamente no aprovechable 3.2.6 Éxito de la f itorremediación E l éxito de la fitorremediac ión depende de la selecc ión de la especie de planta, tal que produzca gran biomasa, acumule y desplace metales del extenso s is tema de raíces a la biomasa sobre el suelo y tolere concentrac iones tóxicas de los metales . O tro requis ito para el éxito de la 4 Translocacion: Movimiento de solutos a través de la planta. Movimiento desde la raíz hasta tallos y hojas de la savia [3]. IAMB 200420 07 28 fitorremediac ión es la disponibilidad de metales en una forma no res idual5 para lograr la absorc ión por las raíces y pos terior desplazamiento a las hojas y tallos [12]. Muchos fac tores influenc iarán el éxito de la fitorremediac ión en un s itio dado, inc luyendo concentrac ión del contaminante, disponibilidad de nutrientes temperatura máxima y mínima diaria, prec itac ión o pos ibilidad de irrigac ión, pendiente del sitio, consideraciones estéticas, nivel de iluminac ión diario, humedad relativa, patrón del viento y/o la presenc ia de contaminantes supresores del c rec imiento. E l nivel y veloc idad deseada de descontaminación también deben cons iderarse [7]. La fitoextracc ión es ta limitada a la zona inmediata de influenc ia de las raíces , por tanto la profundidad de las raíz determina la profundidad de fitoextracc ión efec tiva [7]. 3 .3 INTERA C C IÓ N META L-P LA NTA EN LA RIZÓ SFERA 3.3.1 Biodisponibilidad del metal para la toma hacia el interior de las raíces E l princ ipal fac tor que limita la toma de metales hac ia el interior de las raíces es el transporte lento desde las partículas del suelo hac ia la superfic ie de la raíz, sumado a esto que para las plantas solo se encuentra disponible los iones de metales libres y complejos del metal soluble en la soluc ión del suelo y una parte de los iones fijados por adsorc ión sobre los constituyentes inorgánicos del suelo [3 , 10]. En el suelo, la solubilidad del metal es res tringido debido a la adsorc ión de es te a las partículas del suelo. A lgunas de las uniones al suelo no son selectivas, es dec ir la unión a las partículas de suelo es indiferente del metal. Otras uniones son más selectivas a c iertos s itios del suelo y hac iendo necesario inc rementar la solubilidad del metal en el suelo para mejorar la fitoextracc ión [3]. Exis ten dos mecanismos para el transporte desde el suelo a la raíz de la planta: convección o flujo de masa y difus ión. Debido a la convecc ión los iones del metal soluble se mueven desde los sólidos del suelo a la superfic ie de la raíz. En el proceso de difus ión se considera el gradiente hidráulico generado por la planta en el proceso de absorc ión de agua por las raíces hasta las hojas , el gradiente hidráulico hace que algunos iones se absorban por la raíces de forma más rápida que por el proceso de convecc ión, se c rea una c rea una zona de baja concentración del ión adyacente a la raíz, generando un gradiente de concentrac ión desde la solución del suelo y las partículas del suelo hac ia la soluc ión en contac to con la superfic ie de las raíces [3]. 5 Fracción residual: se refiere a la fracción considerada no disponible para remover por fitoextracción [4]. IAMB 200420 07 29 3.3.2 Efecto de los microorganismos del suelo en la toma de metales E l c rec imiento de las raíces afec ta las propiedades rizosféricas del suelo y estimula el crecimiento de consorc ios mic robianos , ya que las raíces de las plantas realizan la exc rec ión de una variedad de compues tos que s irven como nutrientes y fuente de energía para los mic roorganismos del suelo [7 , 20]. Los mic roorgainsmos de la rizós fera pueden interactuar s imbióticamente con las raíces para mejorar el potenc ial para la toma de metales. Además algunos mic roorganismos pueden exc retar compues tos orgánicos que inc rementan la biodisponibilidad y fac ilitan la absorc ión por las raíces de metales esenc iales como hierro y manganeso y de no esenc iales como cadmio [3 , 6 , 10]. Los mic roorganismos del suelo pueden influenc iar la solubilidad del metal, al alterar sus propiedades químicas . P or ejemplo Pseudomonas maltophilta reduce la movilidad y toxicidad de C r+6 al convertirlo en C r+3, minimiza la movilidad ambiental de otros iones tóxicos como Hg+2, P b+2 y C d+2 [3]. 3.3.3 Efecto de los exudados de la raíz en la toma de metales Los exudados de la raíz tienen un rol importante en la adquis ic ión de diferentes metales esenc iales . Muchas espec ies pueden exudar de la raíces sustancias sideroforas6, que mejoran la biodisponibilidad del hierro y el zinc unido al suelo [3]. Los exudados de la raíz han s ido implicados in la toleranc ia de la planta, se ha demostrado que algunas espec ies de plantas que toleran A l en la rizós fera, exudan ácido cítrico y málico, estos ác idos orgánicos quelan A l+3 rizos férico, el cual es altamente fitotóxico y al formar el complejo se disminuye tal toxic idad [3]. 3 .4 A DA PTA C IÓ N DE LA S P LA NTA S A EL SUELO C O NTA MINA DO C O N META LES Los botánicos han reconoc ido que algunas espec ies de plantas son endémicas a los suelos con alta contaminac ión desus tanc ias inorgánicas y de metales [21]. 3.4.1 Necesidades f isiológicas de elementos inorgánicos C omo parte de su c rec imiento y requerimientos reproduc tivos , las plantas deben adquirir macronutrientes del suelo como nitrógeno, fós foro, potas io, azufre, calc io y magnes io, y 6 Ácidos orgánicos como ácido cítrico, málico, mugineico y avenico [3]. IAMB 200420 07 30 micronutrientes como hierro, c loro, manganeso, zinc , níquel, cobre y molibdeno. Para cumplir es to, las plantas desarrollan mecanismos altamente espec íficos para la toma y movimiento de los solutos a través de la planta, además de los mecanismos de almacenamiento y utilización de es tos nutrientes inorgánicos . P or ejemplo, el movimiento de metales a través de membranas biológicas es mediado por proteínas con func iones de transporte. En general, los mecanismos de toma son selec tivos , las plantas adquierenpreferenc ialmente algunos iones sobre otros, tal selec tividad depende de la es truc tura y propiedades del transportador de la membrana. En general plantas no acumuladoras , almacenan mic ronutrientes s in exceder su necesidades metabólicas (<10ppm), mientras que las plantas hiperacumuladoras pueden almacenar excepc ionalmente altas cantidades de metales (miles de ppm) [3 , 4]. Todas las plantas tienen la capac idad de acumular metales pesados que son esenciales para su c rec imiento y desarrollo. Es tos metales inc luyen Fe, Mn, Zn, C u, Mg, Mo y posiblemente Ni. C iertas plantas también tienen la capac idad de acumular metales pesados que no tienen función biológica conoc ida, entre es tos se inc luyen C d, C r, P b, C o, A g, Se y Hg. Sin embargo una acumulac ión exces iva de es tos metales pesados puede ser tóxica para la mayoría de las plantas [10]. 3.4.2 Mecanismos de las plantas para tolerar y acumular metales Las explicac iones acerca de cómo las plantas acumulan y toleran metales no esenciales varían e inc luyen toma inadvertida (durante la absorc ión de agua) de metales hac ia el interior de las raíces , la trans ferenc ia hac ia el interior de las hojas y tallos de la planta. Una vez dentro de la planta, el contaminante puede en seguida ser inmovilizado en los tejidos, o en algunos casos, volatilizado de las hojas . A dic ionalmente, c iertas ac tividades metabólicas de las enzimas dentro de las raíces , tallos y hojas pueden detoxificar el contaminante cambiándole el estado físico o la compos ic ión química. Exis ten dis tintas razones por las que c iertas plantas acumulan y toleran esas sus tanc ias no esenc iales inc luyendo res is tenc ia a sequía, es trategia de competencia y defensa a patógenos/herbívoros . Las plantas pueden acumular metales muchas veces a niveles que son tóxicos a la mayoría de organismos vivientes [22 , 23]. Las plantas han s ido comparadas con bombas conduc idas solarmente que pueden extraer y concentrar c iertos elementos de su ambiente [10, 18]. E l s is tema de raíces de la planta representa una enorme área superfic ial que fac ilita la absorc ión y acumulac ión de agua y nutrientes esenc iales para el c rec imiento. Las plantas tienen capac idades metabólicas y adsorbentes además posee s is temas de transporte que pueden tomar selectivamente muchos iones de los suelos [8]. Es tas habilidades pueden ser usadas para remediar sitios contaminados con metales a través de una variedad de mecanismos , s in embargo diferentes investigaciones IAMB 200420 07 31 afirman que los mecanismos por los cuales los iones metálicos entran dentro de las células de las raíces permanecen s in c laridad [8]. La acumulac ión de metales pesados dentro de la planta puede dividirse en tres áreas principales. La biología de la toma, trans locac ión y res is tenc ia a los metales pesados [10]. Toma por la raíz: Inc luso en la presenc ia del metal movilizado en el suelo por correc tores químicos , una gran proporc ión del metal permanece absorbido a los constituyentes del suelo. P ara las plantas que acumulan metales “unidos al suelo” primero deben movilizar los metales a la soluc ión del suelo. Es ta movilizac ión se puede lograr por diferentes maneras (ver figura 1). P rimero, moléculas quelantes (fitos ideroforas7) pueden ser secretadas en la rizósfera para quelar y solubilizar los metales “unidos al suelo”. En segundo lugar, las raíces pueden reducir los iones metálicos “unidos al suelo” mediante reduc tasas plasmáticas . En tercer lugar, las raíces de las plantas pueden solubilizar metales pesados por ac idificación del ambiente del suelo con protones extruídos de las raíces . Un bajo pH libera los iones metálicos “unidos al suelo” hacia la solución del suelo. Los iones metálicos solubilizados puede entrar a la raíz por la vía extracelular (apoplas tica) o por la vía intracelular (s implas tica) [10]. Transporte dentro de la planta: La toma de metales hac ia el interior de las células de la raíz, es el punto de entrada al tejido viviente, es un paso de gran importanc ia en el proceso de fitoextracc ión. Sin embargo para que la fitoextracc ión ocurra los metales deben se transportados de la raíz a los tallos y hojas . E l movimiento de savia que contiene el metal desde la raíz hasta tallos y hojas , denominado trans locac ión, es controlado princ ipalmente por dos procesos: pres ión de raíz y transpirac ión de la hoja. Luego de la trans locac ión a las hojas, los metales pueden ser reabsorbidos de la savia hac ia el interior de las células de la hoja [3]. Un número de procesos fis iológicos es tán involuc rados en el transporte del metal, incluyendo la descarga del metal hac ia el interior de las células del xilema de la raíz, transporte dentro del xilema a los tallos y hojas , y reabsorc ión de la corriente del xilema por las células de la hoja. El transporte del metal a los tallos y hojas probablemente toma lugar en el xilema. Sin embargo, los metales pueden redis tribuirse en los tallos y hojas por el floema. El modelo general para la descarga del metal hac ia el interior de los vasos del xilema involucra la absorción del metal de la soluc ión del suelo hac ia el interior de la raíz, entonces los metales absorbidos son descargados de la parenquima del xilema hac ia el interior de los vasos del xilema maduros , ellos son transportados a el tallo y hojas por la corriente de transpiración donde complejos quelato-metal pos iblemente fac ilitan el movimiento del metal. A nális is de la savia del xilema de c iertos acumuladores de metales han demostrado la intervenc ión de ác idos orgánicos en el transporte 7 Ácido mugineico y ácido avenico sirven como fitosideroforas. Estas fitosideroforas son liberadas en respuesta a deficiencias de Fe y Zn y pueden movilizar Cu, Zn y Mn del suelo. IAMB 200420 07 32 del metal. T rabajos rec ientes también sugieren que fitoquelantes pueden estar involucrados en las uniones del metal a la savia del xilema. A demás , los metales pueden ser transportados en el floema por ác idos orgánicos o fitoquelantes entre otros. Para la mayoría de los metales tóxicos la veloc idad de trans locac ión del metal de las raíces a tallos y hojas es más baja comparada con la veloc idad de toma de es te metal [4 , 10]. Debido a su carga, los iones metálicos no se pueden mover libremente a través de la membrana celular, las cuales son es truc turas lipofílicas . P or tanto el transporte de iones hacia el interior de la célula debe ser mediado por proteínas de membrana con func iones de transporte, generalmente conoc idas como transportadores . Los transportadores de transmembrana poseen s itios ac tivos extracelulares a las cuales los iones se adhieren exactamente antes del transporte, y es ta es truc tura de transmembrana conec ta el medio extracelular y el intracelular. El sitio ac tivo es afín solo a iones espec íficos y es responsable de la especificidad del transportador. La es truc tura de transmembrana fac ilita la trans ferenc ia de iones unidos al espacio extracelular a través del ambiente hidrofóbico de la membrana hac ia el interior de la célula. Estos transportes son carac terizados por c iertos parámetros c inéticos , tales como la capac idad de transporte (V max) y la afinidad por el ión (Km). V max mide la veloc idad máxima de transporte del ión a través de la membrana celular. Km mide la afinidad del transportador para un ión específico y representa la concentrac ión del ión en la soluc ión externa a la cual la velocidad de transporte iguala V max/2 . Un bajo valor de Km (alta afinidad), indica que altos niveles deiones son transportados hac ia el interior de la célula aún a bajas concentraciones del ión en el exterior [3]. Se debe tener en cuenta que del total de iones asoc iados a las raíces , solo una parte es absorbida hac ia el interior de las células . Una fracc ión de iones s ignificativa es adsorbida fís icamente en los s itios extracelulares cargados negativamente (COO-) de las paredes de las células de la raíz. La fracc ión unida a la pared de la célula no puede ser translocada a los tallos y hojas y por lo tanto no puede ser removida por cosecha de la biomasa (tallos y hojas) (fitoextracc ión). Es pos ible que una planta que presenta una acumulación significativa del metal dentro de la raíz, exprese un limite de capac idad para la fitoextracc ión. P or ejemplo, muchas plantas acumulan P b en la raíz, pero la trans locac ión a tallos y hojas es muy baja [3]. Los mecanismos de toman de iones son selec tivos como ya se ha mencionado tal selectividad depende de la es truc tura y propiedades del transportador de membrana, estas características le permiten al transportador reconocer, unir y mediar el transporte transmembrana de iones espec íficos , por ejemplo un transportador que media el transporte de cationes divalentes no reconoce iones mono o trivalentes [3]. IAMB 200420 07 33 Las uniones a la pared de la célula no son el único mecanismo de la planta responsable de la inmovilizac ión el metal dentro de las raíces e inhibic ión de la translocación del ión a los tallos y raíces . Los metales también pueden ser complejados y secues trados en estructuras celulares (ej: vacuola) y dejando de es tar disponible para la trans locac ión a tallos y hojas [3]. Resistencia a los metales pesados: Las plantas desarrollan diferentes mecanismos efectivos para tolerar altas concentrac iones de metales en el suelo. A lgunas especies evitan la toma de metales tóxicos hac ia el interior de las células de las raíces, estas plantas tiene un bajo potencial para la lograr la extracc ión del metal. Un segundo grupo de plantas limitan la toma celular de metales pesados . Un tercer grupo de plantas , las acumuladoras, no evitan el ingreso de metales a la raíz, es tas espec ies desarrollan mecanismos espec íficos para la detoxificación de altos niveles metálicos acumulados en las células ; una vez el metal pesado esta acumulado dentro de la célula es tas neces itan ser detoxificadas . Es to puede ocurrir por diferentes métodos dependiendo del metal, mediante quelac ión o prec ipitac ión [3 , 10]. IAMB 200420 07 34 Figura 1 . Representac ión del proceso de transporte de metales (toma y acumulac ión) 3.4.3 Factores que afectan la biodisponibilidad La fitodisponibilidad de metales para plantas es afec tada por las carac terís ticas del suelo, fac tores ambientales y cons iderac iones de la planta [26]. Muchos de estos factores se pueden manipular a través del uso de correc tores químicos o biotecnología aplicada a las plantas [7, 8]. IAMB 200420 07 35 Las carac terís ticas del suelo que afec tan inc luyen el pH, óxidos acuosos de hierro y manganeso, contenido de materia orgánica, contenido de arc illa, contenido de fosfato, potencial de reducción y capac idad de intercambio cationico [8]. La química de la interacción del metal con la matriz del suelo es un aspec to importante en la fitorremediac ión. En general la absorción a partículas del suelo reduce la ac tividad de los metales en el s is tema. En suelos ácidos la desorción de metales del suelo es es timulada por la competenc ia con H+ [3]. En términos de fac tores ambientales se cons ideran, condiciones climáticas, prácticas de manejo, irrigac ión y prác ticas de fertilizac ión del suelo, adic ionalmente el tipo y concentración del metal [3 , 8 , 11]. Es tas dos condic iones es tablecen la solubilidad del metal en la solución del suelo. Los metales que se encuentran como iones libre, complejos solubles y adsorbidos al constituyente inorgánico del suelo, es tán de una forma fác ilmente disponible a la planta (biodisponible) [3]. P or último se cons idera la espec ie a cultivar, el tejido de la planta, la edad de la vegetación, las condic iones de c rec imiento y la veloc idad de c rec imiento, tales características pueden tener un efec to cons iderable sobre la toma de metales [8 , 11]. 3.4.4 Características de las plantas que acumulan metales en la f itorremediación Exis ten diferentes propiedades atribuidas a la candidata ideal de espec ie de planta para la fitorremediac ión de metales . Las plantas deberían tener una baja biomasa con alta capacidad metálica o una alta biomasa con un potenc ial mejorado de toma de metales. También deberían tener una capac idad sufic iente para acumular el metal de interés dentro de la biomasa cosechable a un nivel mayor que 1% (para algunos metales , mayor que 1000mg/Kg). A dic ionalmente, la planta debería tener una capac idad suficiente para tolerar las condiciones del s itio y acumular gran variedad de contaminantes metálicos . Finalmente, las especies deberían c recer rápido y tener un fenotipo apropiado para fác il cosecha, tratamiento y disposición [8, 24]. Las plantas que tienen gran biomasa por enc ima del suelo y que pueden ser cultivadas varias veces al año para remover elementos tóxicos son las mejores candidatas para la fitoextracción, más aún s i la planta es capaz de acumular elementos tóxicos en el orden de 2-5% por peso seco dentro de los tejidos de la planta [3 , 4]. Las plantas selecc ionadas en la fitoes tabilizac ión a diferenc ia de la fitoextracción deben ser malos trans locadores del contaminante metálico hac ia los tejidos de la planta que podría ser consumida por animales o humanos . Las plantas también deberían ser tolerantes a los niveles IAMB 200420 07 36 del metal en el suelo y a las condic iones del s itio (pH, salinidad, estructura del suelo, contenido de agua). Las plantas deben c recer rápidamente para es tablecer una cubierta en el suelo, tener un s is tema de raíces denso, tener una alta veloc idad de transpirac ión y debe ser capaz de propagarse. 3 .5 O PT IMIZACIÓN DE LA FITOEXTRACCIÓN DE METALES CON PRÁCTICAS AGRONÓMICAS 3.5.1 Selección de la planta La meta del proceso de selecc ión de la planta es escoger una espec ie de planta con carac terís ticas apropiadas para el c rec imiento bajo las condic iones del s itio, hay diferentes puntos de partida para escoger una planta: [7] - P lantas que han s ido efec tivas en la fitorremediac ión. - P lantas nativas , de cosecha, de forraje y otros tipos de plantas que pueden crecer bajo las condic iones regionales . Se debe cons iderar el potenc ial de la planta para extraer metales y el ecosistema presente en el s itio. En general se prefieren espec ies nativas a plantas exóticas, ya que estas últimas pueden ser invas ivas y pueden poner en peligro la armonía del ecos is tema. Las especies usadas para cosecha son preferidas en algunos casos , pero al ser comestibles presentan riesgos a los animales [3 , 7]. La veloc idad de remoc ión depende de la biomasa cosechada y la concentración del metal de la misma. En el momento de selecc ionar la planta exis ten dos alternativas: espec ies hiperacumuladoras de metales y espec ies comunes no acumuladoras con las que se pueden implementar procedimientos para induc ir la toma del metal (adic ión de quelatos sintéticos). En la fitoextracc ión una planta que extrae una baja concentrac ión de metales , pero que tiene una biomasa mucho mayor que muchas hiperacumuladoras , es más deseable que la hiperacumuladora, dado que la masa total de metal removido será mayor [3 , 7]. Las carac terís
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