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USO DE PLANTAS HIPERACUMULADORAS EN MINERÍA: CONCEPTOS Y APLICACIONES Yordy Alejandro Bustos Contreras Universidad Nacional de Colombia Facultad de Minas, Departamento de materiales y minerales Medellín, Colombia 2021 USO DE PLANTAS HIPERACUMULADORAS EN MINERÍA CONCEPTOS Y APLICACIONES Yordy Alejandro Bustos Contreras Trabajo de investigación presentado como requisito parcial para optar al título de: Magister en Ingeniería de Recursos Minerales Director (a): Ph.D. Oscar Jaime Restrepo Baena Departamento de Materiales y Minerales Facultad de Minas Universidad Nacional de Colombia Facultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales Medellín, Colombia 2021 Uso de plantas hiperacumuladoras en Minería: Conceptos y aplicaciones USE OF HYPERACUMULATOR PLANTS IN MINING: CONCEPTS AND APPLICATIONS Yordy Alejandro Bustos Contreras National university of Colombia Faculty of Mines, Department of materials and minerals Medellín Colombia 2021 USE OF HYPERACUMULATOR PLANTS IN MINING: CONCEPTS AND APPLICATIONS Yordy Alejandro Bustos Contreras Research work presented as a partial requirement to qualify for the title of: Master of Engineering - Mineral Resources Director (a): Ph.D. Oscar Jaime Restrepo Baena Department of materials and minerals Faculty of Mines National university of Colombia Faculty of Mines, Department of materials and minerals Medellín Colombia 2021 Dedicatoria Este trabajo lo dedico especialmente a mi señor padre Carlos Bustos y a mi señora madre Yolanda Contreras por sus innumerables palabras de motivación y su incondicional apoyo, esto es por y para ustedes. Declaración de obra original Yo declaro lo siguiente: He leído el Acuerdo 035 de 2003 del Consejo Académico de la Universidad Nacional. «Reglamento sobre propiedad intelectual» y la Normatividad Nacional relacionada al respeto de los derechos de autor. Esta disertación representa mi trabajo original, excepto donde he reconocido las ideas, las palabras, o materiales de otros autores. Cuando se han presentado ideas o palabras de otros autores en esta disertación, he realizado su respectivo reconocimiento aplicando correctamente los esquemas de citas y referencias bibliográficas en el estilo requerido. He obtenido el permiso del autor o editor para incluir cualquier material con derechos de autor (por ejemplo, tablas, figuras, instrumentos de encuesta o grandes porciones de texto). Por último, he sometido esta disertación a la herramienta de integridad académica, definida por la universidad. ________________________________ Yordy Alejandro Bustos Contreras Fecha 27/07/2020 Agradecimientos Agradecimientos En primer lugar le agradezco a mi familia por ser el soporte y apoyo en los momentos difíciles vividos en este inimaginable 2020, A mis padres por sus innumerables palabras de aliento. A mis hermanas Yuly, Cindy y Karen; que siempre fueron acertadas y motivadoras con sus comentarios, las amo! A mi esposa Delsy Opina por su apoyo y valiosos comentarios para la realización de este documento. Mi especial gratitud a mi director Oscar Jaime Restrepo, por ser el guía en este trabajo y por sus valiosos comentarios que hicieron que una pequeña idea se convirtiera en un proyecto de grado y un nuevo camino profesional. También le agradezco por los conocimientos compartidos durante mi vida académica y por fomentar en mí los valores de la Universidad, Trabajo y Rectitud. Finalmente a lo que representa la Universidad Nacional de Colombia, a cada uno de los docentes que intervinieron en la maestría, a los compañeros, por los diferentes puntos de vista, al debate, por formar criterio profesional y personal. Muchas Gracias. Resumen y Abstract RESUMEN El trabajo final de maestría que aquí se presenta es una revisión de literatura de los avances en la extracción de metales mediante el uso de plantas, tema que ha tomado relevancia actualmente dado el principio de sostenibilidad en el cual está enmarcado. Esta tecnología usa la capacidad de algunas plantas de acumular metales para dar origen a “bio-menas” que además de remediar ambientes contaminados inmovilizando o capturando contaminantes, podría generar un beneficio económico adicional mediante la extracción y posterior comercialización de los metales asimilados. Así como la minería involucra diversos procesos para lograr la recuperación de los diferentes metales, la fitominería involucra especies particulares de plantas con la capacidad de acumular altas concentraciones de metales y generar biomasa que puede ser incluida en varias etapas del ciclo minero, por ejemplo como herramienta para la ubicación de objetivos en exploración, extracción de elementos con valor económico y en la mitigación de impactos por contaminación en el cierre de minas o remediación de pasivos ambientales. Este trabajo pretende mostrar las ventajas de los desarrollos de esta aplicación en los procesos de mayor relevancia dentro del ciclo minero e incentivar la investigación a nivel nacional, ya que existen problemas reales de contaminación como pasivos ambientales en pequeña minería metálica, presencia de metales pesados en fuentes hídricas, productos de un crecimiento industrial y poblacional desordenado, que aportan al medio ambiente metales tales como, cadmio, mercurio, plomo y arsénico los cuales podrían ser tóxicos para los organismos vivientes y requieren ser controlados. De igual forma se aportan otros iones metálicos como Ni, Au, Ag, Mn, Cu entre otros, los cuales pueden tener un aprovechamiento económico con el uso de esta tecnología, además, esta tecnología toma relevancia ya que es posible la existencia de las plantas identificadas por los autores estudiados con especies endémicas en el país, con lo cual es posible diseñar proyectos de interés económico con la aplicación de técnicas de fito-extracción y fito-estabilización del cual se presenta un caso de estudio. Palabras clave: Fitominería, Plantas hiperacumuladoras, Fitoextracción, Fitoestabilización, Sostenibilidad Minera, Minería metálica Uso de plantas hiperacumuladoras en Minería: Conceptos y aplicaciones ABSTRACT The final master’s degree paper presented here is a literature review of the advances in the extraction of metals through the use of plants, a topic that has now taken on relevance given the principle of sustainability in which it is framed. This technology uses the capacity of some plants to accumulate metals to give rise to "bio-ores" that in addition to remediating contaminated environments by immobilizing or capturing pollutants, could generate additional economic benefit through the extraction and subsequent marketing of the assimilated metals. Just as mining involves various processes to achieve the recovery of different metals, plant health involves particular plant species with the ability to accumulate high concentrations of metals and to generate biomass that can be included in several stages of the mining cycle, for example as a tool for locating targets under exploration, extraction of elements with economic value and in mitigation of pollution impacts in the closure of mines or remediation of environmental liabilities. This paper aims to show the advantages of the developments of this application in the most relevant processes within the mining cycle and to encourage research at national level, because there are real problems of pollution such as environmental liabilities in small metal mining, presence of heavy metals in water sources products of a disorderly industrial and population growth, which provide the environmentwith metals such as cadmium, mercury, lead and arsenic to be toxic to living organisms and need to be controlled. Other metal ions, such as Ni, Au, Ag, Mn, Cu, among others, which can be used economically with the application of this technology, in addition, this technology takes on relevance since it is possible the existence of the plants identified by the authors studied with endemic species in the country, with which it is possible to design projects of economic interest with the application of phyto-extraction and phyto-stabilization techniques, of which a case study is presented. Keywords: Phytomining, Hyperaccumulators Plants, Bio- ores, Phyto-stabilization, Mining Sustainability, Metal Mining Contenido CONTENIDO Pág. RESUMEN ......................................................................................................................... I ABSTRACT ...................................................................................................................... II CONTENIDO .................................................................................................................... III Lista de figuras .............................................................................................................. VI Lista de tablas .............................................................................................................. VII INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 1 1 ANTECEDENTES ...................................................................................................... 5 1.1 Previo a 1975 ..................................................................................................... 5 1.2 Periodo entre el año 1975 y 1995 ....................................................................... 7 1.3 Periodo entre el año 1995 a la fecha .................................................................. 8 2 CONCEPTOS DE FITORREMEDIACIÓN ................................................................ 12 2.1 Tipos de contaminación.................................................................................... 15 2.1.1 Metales pesados ............................................................................................ 15 2.1.2 Fuentes de metales pesados ......................................................................... 15 2.1.3 Metal bio-disponible ....................................................................................... 16 2.2 Tipos de fitorremediación ................................................................................. 17 2.3 Plantas hiperacumuladoras .............................................................................. 18 2.4 Factores afectan la asimilación del metal por la planta ..................................... 20 2.4.1 Especie de planta .......................................................................................... 20 2.4.2 Granulometría del suelo ................................................................................. 20 2.4.3 Materia orgánica del suelo ............................................................................. 21 2.4.4 Capacidad de intercambio de cationes del suelo ........................................... 21 2.4.5 Humedad del suelo ........................................................................................ 21 2.4.6 Potencial de reducción y pH del suelo ........................................................... 22 2.4.7 Salinidad del suelo ......................................................................................... 22 2.4.8 Biología del suelo .......................................................................................... 22 2.5 Plantas hiperacumuladoras en corrientes de agua ........................................... 22 2.5.1 Humedal de flujo superficial ........................................................................... 23 2.5.2 Humedal de flujo Subsuperficial ..................................................................... 24 2.5.3 Humedal de flujo vertical ................................................................................ 25 3 APLICACIÓN DE LAS PLANTAS HIPERACUMULADORAS EN MINERÍA ........... 26 3.1 Herramienta de exploración regional de yacimientos ....................................... 26 Uso de plantas hiperacumuladoras en Minería: Conceptos y aplicaciones 3.2 Fitorremediación o fitoextracción pasiva ........................................................... 29 3.2.1 Remediación de residuos sólidos generados por minería .............................. 31 3.2.2 Contención y tratamiento de efluentes .......................................................... 33 3.2.3 Remediación de áreas degradadas o pasivos ambientales ........................... 34 3.3 Fitominería o fitoextracción ............................................................................... 34 3.3.1 Estrategia de fitoextracción ........................................................................... 35 3.3.2 Aprovechamiento de desechos industriales ................................................... 36 3.3.3 Suelos o efluentes de baja concentración ..................................................... 37 3.4 Procesamiento de la biomasa ........................................................................... 38 3.4.1 Secado .......................................................................................................... 39 3.4.2 Incineración ................................................................................................... 39 3.4.3 Fundición ....................................................................................................... 40 3.4.4 Lixiviación y electrobtención .......................................................................... 40 3.4.5 Otros procesos .............................................................................................. 40 3.5 Evaluación de proyectos aplicando fitominería ................................................. 41 3.5.1 Etapa de prefactibilidad ................................................................................. 41 3.5.2 Etapa de factibilidad e ingeniería básica ....................................................... 42 3.5.3 Evaluación económica del proyecto .............................................................. 42 4 TIPOS DE PLANTAS HIPERACUMULADORAS .................................................... 44 4.1 Plantas acumuladoras de Aluminio ................................................................... 46 4.2 Plantas acumuladoras de Arsénico ................................................................... 46 4.3 Plantas acumuladoras de Boro ......................................................................... 46 4.4 Plantas acumuladoras de Calcio ....................................................................... 46 4.5 Plantas acumuladoras de Cadmio .................................................................... 47 4.6 Plantas acumuladoras de Cobalto .................................................................... 48 4.7 Plantas acumuladoras de Cobre ....................................................................... 48 4.8 Plantas acumuladoras de Cromo ...................................................................... 49 4.9 Plantas acumuladoras de Hierro ....................................................................... 49 4.10 Plantas acumuladoras de Magnesio ................................................................. 49 4.11 Plantas acumuladoras de Mercurio ................................................................... 49 4.12 Plantas acumuladoras de Manganeso .............................................................. 50 4.13 Plantas acumuladoras de Níquel ......................................................................50 4.14 Plantas acumuladoras de Oro ........................................................................... 53 4.15 Plantas acumuladoras de Potasio ..................................................................... 53 4.16 Plantas acumuladoras de Plomo ....................................................................... 53 4.17 Plantas acumuladoras de Selenio ..................................................................... 55 4.18 Plantas acumuladoras de Talio ......................................................................... 55 4.19 Plantas acumuladoras de Uranio ...................................................................... 55 4.20 Plantas acumuladoras de Zinc .......................................................................... 56 4.21 Potencial de especies en Colombia .................................................................. 56 5 CASO DE ESTUDIO ................................................................................................ 58 5.1 Preparación del experimento ............................................................................ 58 5.2 Montaje experimental ........................................................................................ 61 5.3 Desarrollo de la prueba ..................................................................................... 62 5.4 Resultados ........................................................................................................ 62 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 68 6.1 Conclusiones .................................................................................................... 68 6.2 Recomendaciones ............................................................................................ 70 Contenido 7 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 71 Uso de plantas hiperacumuladoras en Minería: Conceptos y aplicaciones Lista de figuras Pág. Figura 1-1. Histórico del número de publicaciones para la clave “Contamination and pollution” y “Remediation” entre el periodo de 1975 a 1995 .............................................. 8 Figura 1-2:Histórico del número de publicaciones para la clave “Remediation” y “Phytorremediation” .......................................................................................................... 9 Figura 1-3:Histórico del número de publicaciones para las claves secundarias “Hyperaccumulation” y “Phytomining” ............................................................................. 10 Figura 1-4:Tendencias de búsqueda bibliográfica en los últimos años ........................... 11 Figura 2-1. (A) Modelo esquemático de diferentes tecnologías de fitorremediación involucrando remoción y contención de contaminantes; (B) Procesos fisiológicos que toman lugar en la planta durante la remediación. ............................................................ 18 Figura 2-2. Humedal de flujo superficial ......................................................................... 24 Figura 2-3. Humedal de flujo Subsuperficial ................................................................... 24 Figura 2-4. Humedal de flujo superficial ......................................................................... 25 Figura 3-1:Máxima profundidad de raíces para diversos grupos de vegetación ............. 27 Figura 3-2:Toma directa de muestras ............................................................................ 28 Figura 3-3:Zonificación de anomalías para hierro usando análisis de vegetación .......... 28 Figura 3-4:Sección transversal de un sistema de tratamiento de efluentes .................... 33 Figura 3-5:Modelo propuesto original para un sistema de fitominería para metales” ...... 35 Figura 3-6:Implementación de cultivo piloto para fitominería de níquel. ......................... 38 Figura 3-7:Diagrama de flujo extracción del metal de la biomasa................................... 39 Figura 5-1:Montaje experimental con Salix spp .............................................................. 61 Figura 5-2: Montaje experimental con Salix spp ............................................................. 62 Figura 5-3:Percentiles para concentración para Aluminio .............................................. 63 Figura 5-4:Percentiles para concentración para Hierro .................................................. 63 Figura 5-5:Percentiles para concentración para Calcio .................................................. 64 Figura 5-6:Percentiles para concentración para Potasio ................................................ 64 Figura 5-7:Percentiles para concentración para Zinc ..................................................... 65 Figura 5-8:Percentiles para concentración para Manganeso .......................................... 65 Contenido Lista de tablas Pág. Tabla 2-1:Ventajas y desventajas de la fitorremediación, parte 1. .................................. 12 Tabla 2-2:Ventajas y desventajas de la fitorremediación, parte 2. .................................. 13 Tabla 2-3:Contaminantes ambientales donde es posible usar fitorremediación ............. 14 Tabla 3-1. Casos de estudio de fitorremediación de metales, parte 1 ............................ 29 Tabla 3-2. Potencial anual de cultivos de plantas hiperacumuladoras, (Chaney y Baklanov, 2017). ............................................................................................................ 43 Tabla 4-1. Especies de la familia Basicaceae con propiedad de hiperacumulación para cada metal ...................................................................................................................... 44 Tabla 4-2. Familia principales con propiedad de hiperacumulación................................ 45 Tabla 4-3. Especies con hiperacumulación comprobada para Aluminio ......................... 46 Tabla 4-4. Especies con hiperacumulación comprobada para Arsénico ......................... 46 Tabla 4-5. Especies con hiperacumulación comprobada para Boro ............................... 46 Tabla 4-6. Especies con hiperacumulación comprobada para Calcio ............................. 46 Tabla 4-7. Especies con hiperacumulación comprobada para Cadmio .......................... 47 Tabla 4-8. Especies con hiperacumulación comprobada para Cobalto .......................... 48 Tabla 4-9. Especies con hiperacumulación comprobada para Cobre ............................. 48 Tabla 4-10. Especies con hiperacumulación comprobada para Cromo .......................... 49 Tabla 4-11. Especies con hiperacumulación comprobada para Hierro ........................... 49 Tabla 4-12. Especies con hiperacumulación comprobada para Magnesio ..................... 49 Tabla 4-13. Especies con hiperacumulación comprobada para Mercurio ....................... 49 Tabla 4-14. Especies con hiperacumulación comprobada para Manganeso .................. 50 Tabla 4-15. Especies con hiperacumulación comprobada para Níquel .......................... 50 Tabla 4-16. Especies con hiperacumulación comprobada para oro ............................... 53 Tabla 4-17. Especies con hiperacumulación comprobada para Potasio ......................... 53 Tabla 4-18. Especies con hiperacumulación comprobada para Plomo .......................... 53 Tabla 4-19. Especies con hiperacumulación comprobada para Selenio ......................... 55 Tabla 4-20. Especies con hiperacumulación comprobada para Talio ............................. 55 Tabla 4-21. Especies con hiperacumulación comprobada para Uranio .......................... 55 Tabla 4-22. Especies con hiperacumulación comprobada para Zinc .............................. 56 Tabla 4-23. Número de especies con potencial de hiperacumulación con presencia en Colombia ........................................................................................................................57 Tabla 5-1:Matriz de experimentos .................................................................................. 59 Tabla 5-2:Caracterización del lixiviado ........................................................................... 59 Uso de plantas hiperacumuladoras en Minería: Conceptos y aplicaciones Tabla 5-3:Caracterización del suelo usado como sustrato .............................................. 60 Tabla 5-4: Contaminantes ambientales donde es posible usar fitorremediación ............. 61 Tabla 5-5:Resultados químicos promedios para cada una de las muestras .................... 66 Introducción 1 INTRODUCCIÓN Este trabajo surge como alternativa sostenible a la presión que ejercen los mercados y las comunidades sobre los proyectos de explotación de minerales, mezclado con la necesidad de implementar nuevas tecnologías en la industria y que ha fomentado nuevamente la observación de la naturaleza y los procesos que se desarrollan naturalmente, el caso particular, la interacción entre las plantas y los iones metálicos en los suelos y efluentes, en el escenario de altas concentraciones de estos. Se ha podido establecer que algunas plantas presentan la habilidad de crecer cómodamente en estas condiciones de concentración y con su crecimiento asimilan parte de estos en su estructura física, esta capacidad es totalmente dependiente de la zona geográfica donde se observe el fenómeno, ya sea por el clima particular de cada región o por las características fisicoquímicas del suelo, sin embargo, lo interesante de estudiar este comportamiento entre la planta y los iones metálicos radica en que se puedan usar con diversos fines dependiendo del uso final de uso del suelo o el efluente, entonces es importante conocer la presencia de plantas endémicas con esta propiedad en cada zona geográfica del país, inicialmente se pretende verificar la existencia o la presencia de aquellas familias que han demostrado tener esta capacidad en otras latitudes. El alcance de este trabajo será realizar una revisión de literatura con las experiencias desarrolladas con el uso de plantas hiperacumuladoras para la concentración de metales pesados en diversos procesos de la industria minera, realizar un inventario de especies con la propiedad de acumular metales y presentar una propuesta para la aplicación de estas como tratamiento de los pasivos ambientales originados por la pequeña minería o vertimientos industriales como se mostrará en el caso de estudio. Si bien existen referencias orales que algunas culturas usaban plantas para facilitar la metalurgia de sus joyas, no existe documentación científica el respecto (Neesse, 2013), Los primeros pasos formales en este campo se dieron al finalizar el siglo XIX, cuando 2 Uso de plantas hiperacumuladoras en Minería: Conceptos y aplicaciones Lungwitz en sus observaciones describió como ciertos metales podían ser “consumidos” por algunas plantas. Él fue el primero en sugerir que, en la naturaleza, el oro podía ser disuelto y absorbido por la planta (Lungwitz, 1900). En el primer cuarto del siglo XIX gracias al desarrollo científico en el estudio de la materia y el perfeccionamiento de los métodos de medición y detección de pequeñas concentraciones de metales, se dio inicio al campo de la geoquímica, Inicialmente con el interés de conocer con más precisión la composición de rocas y minerales que con el pasar del tiempo llevó a estudiar las plantas, animales y la atmosfera (Goldschmidt, 1929). Junto con él, sentaron las bases en este campo de investigación, F. W. Clarck (1847 -1934) destacado con su libro “Los datos de geoquímica”, V. I. Vernadski (1863 -1945) por sus aportes en el campo de la geoquímica del carbón y elementos radioactivos (Fortescue, 1980). Para Goldschmidt el principal legado fueron los tomos del libro “Geochemistry”, los cuales recopilan las principales contribuciones en esta área a lo largo de su vida y se convirtió en el libro estándar de geoquímica por muchos años(Glasby, 2006). Más adelante en los años 70’s del siglo XX (Wither y Brooks, 1.977), en su estudio sobre la acumulación de níquel en las plantas, introdujeron el término hiper acumulación, para describir el proceso natural por el cual ciertas especies de plantas podrían acumular el metal hasta una concentración de 1.000 mg/kg en peso seco. Inicialmente lo introdujo para acumulación de níquel, pero actualmente se han identificado plantas hiper acumuladoras para Cd, Cu, Co, Mn, Se Tl y Zn. Esto de alguna manera dio origen a una rama de la metalurgia extractiva que se ha ido ampliando dado el potencial de concentración de las plantas y el precio de algunas materias primas y la cual es el foco de búsqueda de este trabajo. De igual forma, con este trabajo se pretende realizar una revisión de las últimas décadas de investigación en esta área donde se han desarrollado aplicaciones de gran éxito como la ubicación de anomalías geoquímicas para identificar objetivos de exploración, repoblación forestal en sitios contaminados por metales pesados y el tratamiento de desechos mineros (Christopher Anderson et al., 2005). Finalmente se pretende analizar el uso de plantas hiperacumuladoras en la actualidad con aplicaciones, de beneficio económico dado el precio de algunos metales como oro, INTRODUCCIÓN 3 germanio y elementos de las tierras raras (REE) propuesto por Wiche (Wiche y Heilmeier, 2016) o en desechos de níquel propuesto por (Tognacchini et al., 2020) en desechos con oro, plata y cobre propuesto por (González Valdez et al., 2018); de rehabilitación de suelos contaminados propuesto por Pandey en su libro “Remediación de suelos contaminados” (Pandey y Bauddh, 2018) o por Vara en su libro “Bio-Geotecnología para rehabilitación de sitios de mina (Oyewo et al., 2018); por la optimización de la producción de biomasa por ha y de estimulación al suelo propuesta por Chaney para la extracción de metales pesados(Chaney y Mahoney, 2014), además se sigue investigando sobre la diversidad y ubicación de plantas con estas propiedades en el mundo(Murphy et al., 2019). Se espera que este trabajo sea un punto de convergencia entre dos campos como la minería y la ecología enmarcada al interior del territorio nacional; desde el punto de vista académico se buscará recopilar la mayor información que existe sobre plantas hiperacumuladoras, debido a que existe gran cantidad de información aunque se ha presentado de forma muy dispersa, además se considera importante identificar especies exitosas con esta propiedad de otras regiones del planeta que podrían tener presencia en el país, cabe resaltar que el uso de esta en tecnología en áreas de proyectos mineros en climas tropicales está en pleno desarrollo y existe un gran desconocimiento de especies con esta propiedad por lo que este trabajo hará un gran esfuerzo por recopilar esta información que ha sido publicada y no se encuentra fácilmente asequible. Además, se espera que con este trabajo se promueva el desarrollo e investigación de esta tecnología, para usarla en los actuales focos de contaminación ya sea de operaciones mineras abandonadas o de operaciones a pequeña escala donde ya exista la presencia de metales pesados. Inclusive se presentará al lector los beneficios económicos de aplicar estos conceptos versus aplicaciones estándar para el control de contaminantes. El desarrollo y uso de fito-tecnologías continúa avanzando con un movimiento constante, ahora más ecologistas, ingenieros y oficiales de diferentes gobiernos reconocen el potencial de la fitoextracción como una herramienta sostenible para abordar algunos de los desafíos ambientales en el mundo, aún existe un inmenso desconocimiento de especies con estas capacidades en climas tropicales. Para un país como Colombia que aún no ha desarrollado de forma importante losyacimientos mineros de gran escala se 4 Uso de plantas hiperacumuladoras en Minería: Conceptos y aplicaciones convierte en una oportunidad de investigación con aplicación inmediata en los proyectos por iniciar. Se destaca en este documento la recopilación de al menos 222 especies, agrupadas en 52 familias con usos prácticos en el campo de la hiperacumulación de metales que se reportan en diferentes publicaciones y que no habían sido agrupadas hasta la fecha. Se documentan con la fuente de su autor y año lo que permite acudir a la fuente original para su consulta más detallada. Capítulo 1. Antecedentes 5 1 ANTECEDENTES El campo de la ciencia de cual se desprende este documento es relativamente nuevo, pero está cimentado en una larga historia de desarrollos, por lo cual se dará una breve recopilación de los descubrimientos y desarrollos sobre los cuales está cimentada esta temática. Para una mejor comprensión, el autor presenta la evolución de este campo en tres periodos de tiempo. El primero toma lugar en aquellos adelantos antes del año 1975, periodo que aborda el descubrimiento del fenómeno hasta cuando se acuña por primera vez el término “hiperacumulación”. El segundo periodo abarca un lapso de 20 años caracterizado por la baja actividad científica en donde no se hicieron significativos estudios sobre el tema, aunque los pocos que se hicieron presentaron avances en el conocimiento de la interacción ión – planta los cuales serían muy útiles para los futuros investigadores. Finalmente, el tercer periodo comprende desde el año 1995 al presente donde se aprecia un incremento en el interés de investigación sobre las diversas aplicaciones de las propiedades de tolerar altas concentraciones de metales de estas plantas y en particular el uso para el aprovechamiento económico en la extracción de metales con fines industriales con la denominada “fitominería”. 1.1 Previo a 1975 Antes de 1975, el uso de plantas para trabajar metales tiene referencias en varias culturas en todo el mundo desde antes del siglo XX (Neesse, 2013), aunque los primeros datos se remontan hasta 1855 con el descubrimiento de la especie “Viola calaminaria” en los reportes de Forchhammer y posteriormente confirmados en el año 1865 por Sachs, donde incluye la especie “ Thlaspi alpestre” con concentraciones de zinc anormalmente altas en materia vegetal seca.(R D Reeves, 2006) Para la época los científicos incluyeron dentro de las alternativas de producción de cianuro algunas plantas que al parecer podían disolver metales (Lungwitz, 1900), a medida que se 6 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones conocía más del fenómeno que sucedía al interior de las plantas, se realizaron hallazgos de acumulación de otro tipo de metales como zinc y cobre que no podían ser descritos con las técnicas disponibles en la época. Con los avances en instrumentación que se dieron en las dos primeras décadas del siglo XIX, se desarrollaron nuevos métodos de detección de elementos químicos que potenciaron descubrimientos de fenómenos que anteriormente no habían podido ser estudiados desde Lungwitz. En este periodo el estudio de la absorción de oro y metales preciosos por plantas no tuvo grandes avances, aunque se mantuvo como un tema vigente con la prospección de recursos minerales que realizaban las grandes compañías mineras, no fue hasta 1929 con el desarrollo incipiente del espectrofotómetro, de la difracción de rayos X y microscopia electrónica de barrido conocida como (MEB) cuando hubo una explosión de investigación en las áreas de geociencias que se denominó “Geoquímica”, en la cual se buscaba estudiar las distribuciones y cantidades de elementos químicos en los minerales, rocas, suelos, plantas, aguas y atmosfera y como estos circulaban en la naturaleza, sobre la base de sus átomos y iones (Goldschmidt, 1954). Los pioneros y desarrolladores de los estudios sobre geoquímica fueron básicamente tres personas F. W Clarck (1847 – 1934) quien recolectó, clasificó y sintetizó los datos de la composición química de muchas rocas, minerales y agua, los cuales quedaron plasmados en su libro “The data of geochemistry” publicado en 1924. Un segundo pionero fue el científico ruso V.I Vernadsky (1863 – 1945), discípulo de Mendeleev en la universidad de San Petersburgo, el cual concentró su investigación en el estudio de la composición de los suelos, la biosfera y la atmósfera, Su reconocimiento lo logró con su libro “The Biosphera” en el año de 1927, donde planteó temas como la geoquímica del carbón y los ciclos geoquímicos del manganeso, bromo y yodo. El tercer pionero fue el noruego V.M. Goldschmidt (1888 – 1947), el cual concentró su estudio en la clasificación geoquímica de los elementos, de las tierras raras, del agua de los océanos, de las cenizas de carbón y en el enriquecimiento de elementos en capas de humus en bosques caducifolios (Fortescue, 1980). Aunque se estaban dando importantes avances en el conocimiento de la composición de todo lo que nos rodeaba, toda la investigación científica se enfocó en el análisis de la contaminación. Capítulo 1. Antecedentes 7 1.2 Periodo entre el año 1975 y 1995 No fue hasta inicios de 1970 que se retomaron los estudios sobre descubrimientos anteriores en particular la presencia de metales en plantas y bosques. Loa resultados más destacados fueron realizados por Jaffre y sus colegas, ellos presentaron sus observaciones sobre la acumulación masiva de níquel en la planta sebertia accuminata y acuñaron por primera vez el término hiperacumulación (Jaffre et al., 1976), posteriormente Brooks refinó el término donde se refiere a la concentración de metales de más de 1.000 mg/kg en peso seco (0,1%) en cualquier tejido de la planta, el cual está vigente actualmente . Los resultados de estos estudios de Brooks sobre el Níquel condujeron la atención sobre algunas anomalías sobre la presencia de Zinc y el plomo en las especies thalaspi rotundifolium subsp. Cepaeifolium y alyssum wulfenianum creciendo sobre rellenos de colas de minas en el norte de Italia reportando niveles hasta de 8.200 ug/g (0,82%) de plomo y hasta de 17.300 μg/g (1,73%) de Zinc (R. D. Reeves & Brooks, 1983). Otra especie con valores significativos fueron reportados por Kruckeberg cuando analizaba la presencia de cobre en plantas presentes sobre desechos en minas de cobre en el estado de California (USA), se reportó en Arenaria douglasi hasta 2.281 μg/g, en Bromous mollis hasta 2.096 μg/g y en Vulpia microstachya hasta 3.075 μg/g de cobre (Kruckeberg & Wu, 1992). Al mismo tiempo, por esta época se había logrado un consenso entre los científicos al reconocer la importancia de ciertos iones metálicos en la dieta de humanos, animales y en los sustratos que soportaban el crecimiento de las plantas y que estos elementos eran esenciales para la vida óptima de estos organismos, a su vez, se analizaba la respuesta de estos organismos a altas concentraciones de otros metales producto de la contaminación generada por el hombre y se definió el término “metal disponible”; el cual hace referencia a la especie química del metal en la que el organismo lo puede asimilar dentro de su estructura (Goughet al, 1979). Esto orientó las investigaciones para establecer en primer lugar la forma en la que interactúan los diversos contaminantes como agroquímicos, hidrocarburos, desechos industriales y residuos de minería en los suelos y las aguas subterráneas, esto condujo al desarrollo de alternativas para el control y detoxificación de estos ambientes, entre ellas el uso de plantas, con ello surgió el término “fitorremediación” con lo que inició un nuevo periodo de investigación (V. Sheoran et al., 2009), (Wagner y Gorelik, 1987) y (Ahlfeld et al., 1988) 8 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y AplicacionesCon el uso de la cienciometría se puede establecer la evolución de las publicaciones en los campos de contaminación y remediación, para lo cual se realizó la búsqueda mediante la plataforma Scopus en el lapso de tiempo referenciado, se usó la combinación de palabras “Contamination and Pollution” como clave principal resultando 29.679 documentos y con búsqueda secundaria con la palabra “Remediation” arroja 2.055 documentos, la variación anual se puede observar en la Figura 1-1. Figura 1-1. Histórico del número de publicaciones para la clave “Contamination and pollution” y “Remediation” entre el periodo de 1975 a 1995 Fuente: Elaboración propia 1.3 Periodo entre el año 1995 a la fecha En los años anteriores a 1995 los científicos ya habían identificado en la naturaleza algunas plantas que toleraban altas concentraciones de metales pesados denominadas “plantas hiperacumuladoras”, el paso siguiente fue usarlas con propósitos de descontaminación tanto en suelos como en aguas, lo que se bautizó más adelante como “fitorremediación” de metales pesados. En los últimos 25 años ha surgido un interés sobre las técnicas de remediación. Continuando con el uso de la herramienta de Scopus, se realizó la consulta desde 1995 hasta el presente, se usaron las palabras clave primarias “Remediation and Pollution” encontrándose más de 131.400 resultados y junto con la palabra “Phytoremediation” como 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 # d e ar ti cu lo s p o r añ o Años Contamination Remediation Capítulo 1. Antecedentes 9 clave secundaria con 19.858 resultados respectivamente. La variación anual se puede observar en las Figura 1-2. Figura 1-2:Histórico del número de publicaciones para la clave “Remediation” y “Phytorremediation” Fuente: Elaboración propia Mas allá de un interés ecológico y fisiológico, las plantas en el proceso de remediación tienen una considerable atención debido a la posibilidad de explotar económicamente su capacidad de acumulación en aplicaciones prácticas. Lo cual dio origen al campo de la fitominería, en (Rascio & Navari-Izzo, 2011). Por lo tanto, dentro de la tendencia de “Phytoremediation” es posible consultar sobre estas temáticas. Las palabras secundarias de búsqueda fueron “Hyperaccumulation” y “Phytomining”, los resultados fueron de 2.211 y 261 documento respectivamente. Estos resultados muestran claramente las tendencias históricas de la investigación en los últimos años y son la materia prima para este trabajo. La variación anual se puede observar en la Figura 1-3. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 # d e ar tí cu lo s p o r añ o Años Remediation Phytoremediation 10 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones Figura 1-3:Histórico del número de publicaciones para las claves secundarias “Hyperaccumulation” y “Phytomining” Fuente: Elaboración propia De la gráfica anterior se evidencia un desarrollo tecnológico para la aplicación de estas plantas en todos los campos de la industria donde existe presencia de metales disponibles o iones metálicos como lo son suelos con baja o media presencia de mineralización, suelos o efluentes para extraer o estabilizar un contaminante determinado y así evitar su dispersión en el medio ambiente (Pandey y Bauddh, 2018);. para extraer elementos radioactivos como uranio (Vasilescu et al., 2006), Cesio, arsénico y mercurio (Demkova et al., 2017) en colas de procesos industriales, entre muchos otros. Además con crecimiento en la demanda de algunas materias primas estratégicas, jalonadas por el desarrollo de tecnologías de la comunicación y energías renovables el precio de algunos metales como oro, germanio, cobre, níquel (González Valdez et al., 2018), elementos de las tierras raras (REE), han hecho que las labores de fito-minería fueran rentables (Wiche y Heilmeier, 2016). En la actualidad se busca optimizar aquellas variables que aumentan la producción de biomasa por hectárea y aquellas que estimulación al suelo para favorecer la extracción de metales (Chaney & Mahoney, 2014); además se sigue investigando en la identificación sobre diversidad y ubicación de plantas con estas propiedades en el mundo (Murphy et al., 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 1995 2000 2005 2010 2015 2020 # d e ar tí cu lo s p o r añ o Años Hyperaccumulation Phytomining Capítulo 1. Antecedentes 11 2019), finalmente se presenta un resumen sobre la evolución de los tópicos que han influido en la investigación de este campo de estudio, fueron listados y agrupados por Li los cuales se presentan en la Figura 1-4. Figura 1-4:Tendencias de búsqueda bibliográfica en los últimos años Fuente: (Li et al., 2020) Capítulo 2. Conceptos de Fitorremediación 12 2 CONCEPTOS DE FITORREMEDIACIÓN La fitorremediación se puede definir como una rama de la remediación la cual usa la vegetación para inmovilizar, acumular, transformar, extraer o volatilizar contaminantes orgánicos e inorgánicos presentes en el aire, suelo y aguas tanto superficiales como subterráneas (Delgadillo et al., 2011) o como una biotecnología económica y efectiva para mejorar las condiciones fisicoquímicas del medio ambiente (McGrath et al., 2000). La fitorremediación ofrece numerosas ventajas en relación con los métodos fisicoquímicos tradicionales que se usan en la actualidad, la Tabla 2-1 muestra una comparación entre las ventajas y desventajas para su aplicación a nivel industrial. Tabla 2-1:Ventajas y desventajas de la fitorremediación, parte 1. Ventajas Desventajas Se puede realizar in-situ y exsitu Puede ser un proceso relativamente lento. Se realiza sin la necesidad de transportar el sustrato contaminado, con lo que disminuye la diseminación de contaminantes a través del aire o el agua Se restringe a sitios de contaminación superficial dentro de la rizosfera de la planta Es una tecnología sustentable y requiere mínima energía Los contaminantes pueden ser liberados nuevamente al ambiente, como biomasa o gas a la atmosfera Se puede emplear en suelo, agua, aire y sedimentos La solubilidad de algunos contaminantes puede incrementarse, resultando en un mayor daño ambiental debido a la migración de contaminantes. Fuente: Modificado de Delgadillo et al., 2011 Capítulo 2. Conceptos de Fitorremediación 13 Tabla 2-2:Ventajas y desventajas de la fitorremediación, parte 2. Ventajas Desventajas Evita la excavación y el tráfico pesado de maquinaria por movimiento de masas Se requieren áreas relativamente grandes Mejora las propiedades físicas y químicas del suelo, debido a la formación de una cubierta vegetal En sistemas acuáticos se puede favorecer la diseminación de plagas, tales como vectores Permite el reciclaje de recursos (Agua, biomasa, metales) No todas las plantas son tolerantes o acumuladoras de metales Es estéticamente agradable, por considerarse una cubierta verde Requiere condiciones particulares para el crecimiento de la planta que va a ser trasplantada. Fuente. Modificado de Delgadillo et al., 2011 Actualmente, la humanidad crece a un ritmo acelerado consumiendo materiales y alimentos a una velocidad que está agotando cada vez más los recursos naturales y llevando al límite el uso de los territorios para el desarrollo de la industria y las ciudades, reduciendo a su vez las zonas de disfrute de la población y en general de un medio ambiente sano. Debido a este crecimiento desbordado se han generado puntos o fuentes de contaminación dispersos por todo el territorio que requieren control de emisión del contaminante. Por ejemplo, vertederos de basuras, plantas de tratamiento de residuossólidos, relaveras de industria y de minería, siderúrgicas, plantas de procesamiento de alimentos, sistemas de captación de aguas lluvias en las ciudades con problemas de contaminación ambiental entre muchas otras. Estos puntos son los futuros objetivos para la aplicación de esta tecnología, de forma general los grupos de contaminación según la clase de contaminante se muestran en la Tabla 2-3. 14 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones Tabla 2-3:Contaminantes ambientales donde es posible usar fitorremediación Clase de contaminante Fuente común Constituyente específico Metales pesados Geología, Minería, Fundiciones Ag, Au, Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Zn, DBO, SST Metaloides Plantas de energía, Instalaciones de tratamiento de madera, Agricultura As, Hg, Se Radionuclétidos Instalaciones de energía nuclear, Residuos especiales. 137Ce, 239Pu, 90Sr, 234/238U, Tritium Sales Agricultura, Producción de crudo y gas, Procesamiento de Metales Na, Ca, Mg, Cloruros Agroquímicos Agricultura, Ganadería, Piscicultura Atrazina, Metolachlor, (Pesticidas y fertilizantes) Propanil, 2,4-D, NO3, TKN, F, Organofosfatos Hidrocarburos Industria del petróleo y gas BTEX, MTBE, ORG, ORD, HPA, O&G, COV, COSV, HTP Componentes Clorinados Instalaciones industriales PCE, TCE, DCE, VC, TCA, TCAA, PCP, PCB Nitroaromáticos Instalaciones fabricación de explosivos Nitrobenzeno, TNT, RDX, HMX Desechos sanitarios Rellenos sanitarios, desechos hospitalarios, alcantarillados DBO, DQO, SDT, SST, COT, fenol, E. coli, Coliforme fecal, Patógenos. Fuente: Modificado de Delgadillo et al., 2011 Como se describió en la definición, para que ocurra la fitorremediación se requiere que la especie vegetal tenga contacto con el agente contaminante, el cual para este trabajo se refiere a los metales pesados y algunos no metales; muchos de ellos relevantes para la Capítulo 2. Conceptos de Fitorremediación 15 industria y otros con características toxicas para el medio ambiente en bajas concentraciones que deben ser tratados como arsénico y cadmio. A continuación, se presenta una breve descripción de algunos conceptos de interés: 2.1 Tipos de contaminación El grado de interacción entre el contaminante y la planta depende del tipo de contaminante, las investigaciones han evidenciado que la aplicación de la vegetación para la fitorremediación es hasta cierto grado selectiva del tipo de contaminante por lo cual la caracterización del medio contaminado es la herramienta inicial para la aplicación de esta tecnología. (Maluckov, 2015) Dependiendo de la fuente del agente contaminante, en este caso de los metales pesados, es posible diseñar una estrategia de fitoextracción que permita utilizar secuencialmente determinadas especies, las cuales pueden incluir inicialmente pastos, continuar con cultivos de herbáceas y culminar el proceso con árboles o con humedales que optimicen la remoción del agente contaminante del medio siendo tratado. 2.1.1 Metales pesados Si bien desde un punto de vista químico, el término de metal pesado esta estrictamente asociado a los metales de transición con masa atómica con número mayor de 20 y gravedad específica mayor a 5 g/cm3; en biología “pesado” se refiere a una serie de metales y metaloides que pueden ser tóxicos para las plantas y animales incluso a bajas concentraciones como Tl, Cr, Hg, Ag, Pb, U y Cd. y aunque algunos metales pueden ser benéficos para el crecimiento de las plantas y organismos en bajas concentraciones como Mn, Fe, Zn, Co, Cu, Mo y Ni, en altas concentraciones pueden ser tóxicos para el mismo organismo. Además, se incluyen en esta categoría metaloides como Se y As por el efecto tóxico sobre los organismos (Naila et al., 2019) 2.1.2 Fuentes de metales pesados El contenido total de metales pesados en suelos y fuentes hídricas se puede considerar la suma de las concentraciones de elementos derivados de cada una de las clases de contaminantes, tenemos inicialmente los minerales en el material geológico parental sobre 16 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones el cual se ha desarrollado el suelo y una amplia gama de fuentes antropogénicas que aportan metales según su grado de contaminación(Alloway, 2013) las más relevantes se listan a continuación • Depositación atmosférica de partículas aerosol (<30 μm de diámetro) • Lluvia conteniendo elementos en forma gaseosa y metales pesados • Degradación de fertilizantes y agroquímicos • Desperdicios de comida • Depositación de sedimentos • Cenizas • Lodos sanitarios • Residuos de construcción • Desechos industriales de minería y manufactura 2.1.3 Metal bio-disponible Este concepto permite diferenciar la fracción de metal disponible para que pueda ser usado por la plantas entre el contenido total del metal en el medio, este último corresponde a todas las formas en las que el metal está presente como elemento en la estructura cristalina de un mineral principal, adsorbido como ión en arcillas, presente como traza al interior de un mineral, como iones libres o incorporado en complejos orgánicos solubles e insolubles (Farago, 2008). El fenómeno de disponibilidad se dan principalmente por la interacción del agua, el sustrato y la raíz, influenciada por las sustancias exudadas por la raíz y microorganismos en la rizosfera, bajo estos mecanismos (Manara, 2012): • Quelación del metal por ácidos orgánicos (Ácido mugenéico, avénico y la nicotianamina): Soluciones que pueden ser secretadas por las raíces en la zona de la rizosfera para “quelar” (Secuestrar) y solubilizar metales, esta secreción está relacionados con respuesta a una deficiencia de Fe y Zn, con lo cual puede movilizar Cu, Zn y Mn. En las pruebas de laboratorio se ha estandarizado la utilización del Ácido dietileno- triamino-pentaacético (DPTA), como indicador de la cantidad de metal que puede estar disponible para la asimilación de la planta, aunque existen varias Capítulo 2. Conceptos de Fitorremediación 17 aproximaciones de extracción secuencial usando agua, ácido acético, cítrico, oxálico, tartárico y mezclas de ellos (Alloway, 2013). • Acidificación: Las raíces puedes solubilizar metales mediante la acidificación del ambiente mediante protones extruidos de las raíces bajando el pH de la rizosfera alterando los equilibrios de la fase sólida del metal dando lugar a precipitación de fases y liberación de iones que puedan ser asimilados por ellas. • Reducción directa por reductasas usadas por microbios presentes en los suelos los cuales usan los minerales como fuente de energía, transformándolos y permitiendo la liberación y movilidad de iones metálicos al interior de la planta. • Bio – disponibilidad inducida mediante la adición artificial de quelatos para incrementar la capacidad de liberación de iones y mejorar la asimilación de metales por la planta (Ghori et al., 2015). 2.2 Tipos de fitorremediación Para diferenciar los procesos que se llevaban a cabo al exterior e interior de las plantas ante la presencia de un componente tóxico se deben conocer los procesos fisiológicos naturales que usa la planta para el normal crecimiento de esta, como la asimilación de nutrientes, el metabolismo de nutrientes y la transpiración, un esquema de estos procesos se muestra en la Figura 2-1. En primer lugar, en la zona del sustrato donde interactúa el suelo y las raíces, pueden ocurrir tres procesos, inmovilizar el contaminante en la zona de la raíces (fito- estabilización), transformar el contaminante (fitodegradación) o incorporarlo al interior de la planta, si sucede lo segundo el contaminante es trasportado a diversas zonas de la planta donde puede ser acumulado (fito-acumulación) como lo son, el tallo, las hojas o frutos lo que permite que pueda sercosechado (fito-extracción); además de estos puede que el contaminante en forma gaseosa pueda ser desechado por los estomas de las hojas a la atmosfera (fito-volatilización), (Greipsson, 2011). 18 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones Figura 2-1. (A) Modelo esquemático de diferentes tecnologías de fitorremediación involucrando remoción y contención de contaminantes; (B) Procesos fisiológicos que toman lugar en la planta durante la remediación. Fuente: Modificado de (Greipsson, 2011) 2.3 Plantas hiperacumuladoras Son aquellas plantas que tienen la propiedad para almacenar grandes cantidades de un metal en alguna estructura de esta (raíz, tallo, hojas o frutos) o de inmovilizarlo en la región próxima a la raíz, llamada también “rizosfera”. Para considerarse una planta Capítulo 2. Conceptos de Fitorremediación 19 hiperacumuladora la concentración típica debe ser 100 veces mayor de la que presentaría en un sustrato natural, esta se estima con respecto al peso seco de la biomasa de la planta, (separadamente hojas, tallos y raíz) en términos de mg/kg, μg/g o %, para la mayoría de metales industriales como Ni, Zn, Pb el rango de concentración típico es mayor de 1.000 mg/kg, μg/g ó 1% y para metales preciosos como Au, Ag y PGE mayor de 3 mg/kg Desde los años 70’s, particularmente Brooks y sus asociados trabajaron en la investigación de especies de plantas hiperacumuladoras de Níquel (Jaffre et al., 1976), a la fecha se han reportado más de 320 especies con la capacidad de acumular diferentes metales y alrededor de las dos terceras partes fueron encontradas en los climas tropicales (Reeves, 2003). En una revisión global, el número de plantas con concentraciones mayores a 100 mg/kg para cada uno de los metales fue de 30 para cobalto, 34 para cobre, 20 para selenio, 14 para plomo, 1 para cadmio, 2 para titanio, 11 para manganeso y al menos 4 especies son conocidas para acumular arsénico. El detalle de la descripción de estas plantas se retomará en el capítulo 4. Los datos recolectados a la fecha sugieren que las plantas hiperacumuladoras pueden ser divididas en tres grupos, básicamente por la tendencia de acumular grupos de metales (Raskin et al, 1994), tenemos: a. Grupo Cu/Co/Au b. Grupo Zn/Cd/Pb c. Grupo Ni/Pd La escases de especies hiperacumuladoras mantiene vigente el estudio sobre los factores de acumulación y en especial por que estas plantas solo se presentan en lugares con unas condiciones muy particulares que difícilmente se replican en otros lugares. Por lo que se hace necesario conocer al máximo la presencia de estas especies en los sitios susceptibles de presentar altas concentraciones de metales para analizar los mecanismos que hacen que tenga el potencial de incorporar metales en su estructura. El nivel de acumulación de metales en la planta es afectado por la combinación de algunos de los siguientes factores: 20 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones ✓ Características fisicoquímicas del sustrato (pH, Eh, granulometría, compactación composición química, salinidad, mineralogía, carbono orgánico) ✓ Ciclo hidrológico (Pluviosidad, transpiración, Nivel freático, infiltración). ✓ Condiciones climáticas (Temperatura máxima, mínima) ✓ Geología local ✓ Deficiencia de nutrientes ✓ Densidad de plantación ✓ Tipo y tasa de crecimiento de la planta ✓ Presencia de plagas endémicas 2.4 Factores afectan la asimilación del metal por la planta Para extraer los iones metálicos presentes en el suelo, sin importar el origen de estos como se ha descrito a lo largo del documento se requiere que el metal en estudio se transforme a su especie bio-disponible y que en el suelo se brinden unas condiciones especiales que favorezcan la asimilación y crecimiento de la planta (Sheoran et al., 2016). Conocer a fondo cada uno de estos factores puede mejorar ampliamente la capacidad de intercambio y de crecimiento que incide directamente en la viabilidad de los procesos de fitoextracción. Los principales factores que afectan la asimilación de metales por las plantas son (Tangahu et al., 2011): 2.4.1 Especie de planta La selección de la especie de planta más indicada, según las características ambientales donde esta va a ser cultivada o aplicado el proceso de fitoextracción, debido a que son muy sensibles a la condiciones medioambientales de temperatura y humedad. Actualmente existen relativamente pocas especies dependiendo de la zonificación climática con la capacidad alta de asimilación de metales, este es un campo de estudio en etapa inicial. 2.4.2 Granulometría del suelo La granulometría del suelo tiene un impacto sobre las propiedades físicas y químicas de este, afecta significativamente el grado de permeabilidad y las relacionas entre agua y aire Capítulo 2. Conceptos de Fitorremediación 21 al interior del suelo. Además es importante caracterizar la fracción granulométrica menor a 2 μm ya que determina la capacidad de sorción de iones metálicos disponibles. En términos generales cuando la fracción de arcillas y limos es alta se correlaciona directamente con una concentración de metales más alta, mientras más grueso el suelo menor concentración de metales y contenido de materia orgánica. 2.4.3 Materia orgánica del suelo Es un importante componente del suelo el cual afecta significativamente la movilidad de los iones metálicos debido a las reacciones con el agua en la formación de complejos insolubles, esta consiste en sustancias húmicas, azúcares, aminoácidos y grasas. Generalmente altos contenidos de materia orgánica in el suelo y pH cercano a valores neutros tiene efectos en la transformación de iones metálicos en formas inactivas biológicamente, por el contrario, con ausencia de materia orgánica los suelos pueden presentar altas concentraciones de metales. 2.4.4 Capacidad de intercambio de cationes del suelo Esta capacidad esta correlacionada con la fracción de limos y de materia orgánica. En general altos valores de capacidad de intercambio o CIC, tienen el potencial unir fuertemente metales y retenerlos que evitan su movilidad, los metales de mayor valencia tienen mayor afinidad siguiendo el siguiente orden: Cu+2>Cd+2>Fe+2>Ni+2>Mn+2>Zn+2, si existen presencia arcillas del grupo de mormorillonita o illita esta capacidad aumenta. Las reacciones de sorción y desorción son los procesos dominantes que controlan la disponibilidad de los metales en suelo. 2.4.5 Humedad del suelo La humedad es determinante sobre las condiciones de crecimiento de la planta y de los procesos ocurriendo en el suelo, determinante en parámetros como pH y Eh, los cuales afectan la movilidad de los metales y por ende la disponibilidad para las plantas, en general plantas establecidas en un nivel de humedad alto tienen una producción de biomasa más alta comparadas con otras en condiciones de humedad baja. 22 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones 2.4.6 Potencial de reducción y pH del suelo El pH del suelo es un factor determinante, no solo determina la movilidad y estado de los iones metálicos, sino que influencia el balance entre el proceso de sorción y desorción de los cationes H+. A bajo valor de pH, la solubilidad se incrementa y contribuye a la tasa de acumulación de las plantas como Fe, Cu, Mn, B, Zn, en pH neutro o alcalino esta solubilidad es baja, aunque elementos en forma aniónica podrían exhibir un incremento en la solubilidad como As, Cr, Mo, Se. De igual forma el potencial de reducción es un parámetro que da información del estado de oxigenación del suelo midiendo la actividad de os electrones en la solución, un suelo con buena relación de oxígeno refleja 300 mV, frecuentemente la movilidad de elementos como Cd, Cu, Cr, y Zn incrementa con baja oxigenación del suelo mostrandopicos en 200 mV. 2.4.7 Salinidad del suelo Es el resultado de acumulación de sales inorgánicas solubles, principalmente cationes de Ca+2, Mg+2, Na+ y K+ y aniones de NO-3, SO4 -2, Cl- y (COO)2 -2 que exceden los requerimientos de nutricionales de las plantas, tiene un efecto que limita el crecimiento de biomasa y por consiguiente de la movilidad y asimilación de metales. 2.4.8 Biología del suelo La biomasa biológica en el suelo tiene una significante participación en la producción de humus y formar materia orgánica. Se compone de todos los microbios que son capaces de vivir en las condiciones de alta concentración de metales en el suelo, su función está focalizada en la producción de encimas, nueva biomasa, asimilación de oxígeno y emitir CO2. Generalmente este parámetro se usa como indicador para evaluar el estado del suelo en el ecosistema, para el caso en particular la función biológica incrementa el pH induciendo la biodisponibilidad de metales además influencian procesos de metilación, principalmente para elementos como Hg, As, Se, Te, Tl e In que influencia su asimilación por las plantas. 2.5 Plantas hiperacumuladoras en corrientes de agua Las plantas hiperacumuladoras en corrientes de agua son organismos adaptados a ambientes acuáticos que crecen permanente o periódicamente sumergidas o flotando Capítulo 2. Conceptos de Fitorremediación 23 sobre una superficie de agua. Este sistema de tratamiento se denomina “Humedal artificial”, el cual consiste en forzar el contacto de un flujo controlado de agua con agentes tóxicos por un sistema radicular de vegetación introducido para tratar, contener y extraer contaminantes ambientales presentes en la corriente y sedimentos. (Scheper & Tsao, 2003). Esta área de las fito tecnologías es quizás las más antigua en términos de aplicación en el campo y desarrollo técnico, muchos sistemas han estado en operación por décadas como por ejemplo para el tratamiento industrial de desechos municipales de aguas negras vistos. Adicionalmente estos sistemas están construidos con varios mecanismos físicos y químicos que contribuyen al tratamiento del contaminante orgánicos e inorgánicos presentes en las corrientes de agua, con un alto potencial de aplicación a metales disueltos. Estos mecanismos son volatilización, sedimentación, adsorción, precipitación química y foto-oxidación. Los parámetros de diseño para tener en cuenta para el cálculo de estas estructuras son, caudal del vertimiento, Área superficial, altura de nivel de agua, balance hídrico, profundidad máxima de las raíces, pH, % de sólidos suspendidos, Concentración de elementos a tratar y calidad de agua de salida. (Scheper & Tsao, 2003). En general se desprenden tres tipos de “humedales” según la forma del flujo en la estructura, los hay de flujo superficial, subsuperficial y vertical, estos modelos constructivos se pueden combinar en diferentes etapas para potenciar las fortalezas de cada tipo. Una breve descripción de cada sistema se presenta a continuación. 2.5.1 Humedal de flujo superficial Este sistema consiste en forzar el transporte de un contaminante presente en una corriente sobre un lecho cubierto de vegetación semi sumergida a profundidades que oscilan entre 0,5 y 1,5 metros. Un esquema de la operación se observa en la Figura 2-2. La ventaja de este sistema incluye la relativa fácil construcción, diseño simple y menor costos de mantenimiento, el cual permite un alto grado de control de flujo y del hábitat sobre él, la desventaja podría incluir la generación de olores, vectores y la relativa poca 24 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones cantidad de especies que toleran las condiciones de concentración de los contaminantes presentes en los procesos mineros. Figura 2-2. Humedal de flujo superficial Fuente: Modificado de (Scheper y Tsao, 2003) 2.5.2 Humedal de flujo Subsuperficial Este sistema consiste en forzar el flujo continuo de una corriente con un contaminante por un medio poroso artificial el cual permite el desarrollo del sistema radicular parcialmente sumergido y el crecimiento de plantas sobre una superficie firme. Un esquema de la operación se observa en la Figura 2-3. Figura 2-3. Humedal de flujo subsuperficial Fuente: Modificado de (Scheper y Tsao, 2003) Capítulo 2. Conceptos de Fitorremediación 25 Estos sistemas son propensos a taponarse si existe un porcentaje alto de sólidos suspendidos, por lo que requiere una calidad del efluente mayor que el anterior, lo cual implica un costo mayor en cuanto al diseño, construcción y mantenimiento. Las ventajas incluyen el control de olores, accesibilidad, reducción de vectores y permite una mayor variedad de plantas en su operación. 2.5.3 Humedal de flujo vertical Este sistema es una variante de los sistemas anteriores que involucra el uso de una tubería sumergida usada para promover el flujo de la corriente de forma vertical para minimizar el taponamiento por sedimentos. La principal ventaja consiste en aumentar el tiempo de contacto con la rizosfera. Figura 2-4. Humedal de flujo vertical Fuente: Modificado de (Scheper y Tsao, 2003) La principal desventaja es el costo adicional del sistema de bombeo y los costos relacionados de mantenimiento durante la operación. Capítulo 3. Aplicación de las plantas hiperacumuladoras en minería 26 3 APLICACIÓN DE LAS PLANTAS HIPERACUMULADORAS EN MINERÍA A medida que se conocen los efectos de cada uno de los factores por medio de los cuales las plantas pueden hiperacumular metales, se han descrito aplicaciones prácticas en la industria minera para la acumulación de Se, Fe, Cu, Au, Ag, Pd, Elementos del grupo del platino, Elementos de las tierras raras, Co, La, Mn, Ni, Ti y Zn con fines económicos y para As, Hg, Cu, Co, Cd, Cr, La y Pb más con fines ambientales. Los principales procesos en minería que soportan la aplicación de esta tecnología son: • Identificación regional de yacimientos minerales • Extracción pasiva de metales ▪ Remediación de residuos sólidos generados por minería ▪ Remediación de efluentes generados por minería ▪ Remediación de pasivos ambientales • Extracción activa de metales mediante cultivos intensivos 3.1 Herramienta de exploración regional de yacimientos Las plantas pueden actuar como organismos muestreadores, transportadores y concentradores de iones metálicos y otros no metales que son indicadores de mineralizaciones profundas. Estos iones han migrado hacia la superficie a través de los procesos hidrotermales donde al final son capturados por las raíces y acumulados en la biomasa de la planta permitiendo ser muestreados más rápidamente que procesos convencionales de muestreo en suelos. Así como en terrenos áridos, las plantas pueden ser vistas como indicadores o muestreadores de aguas subterráneas, en bosques densos, es posible que las plantas Capítulo 3. Aplicación de las plantas hiperacumuladoras en minería 27 puedan concentrar iones solubles que han migrando de una fuente principal de mineralización, haciendo el muestro regional más rápido comparado con muestras de suelos convencionales, conociendo los grupo de vegetación presentes, es posible establecer la influencia de las raíces en profundidad, en general la profundidad de la raíz depende del clima y de la disponibilidad de agua en el medio, la profundidad promedio de la raíz se encuentra entre 3 y 4 metros de profundidad, aunque existen casos como los bosques de Sclerophylious y coníferas logrando profundidades mayores de 20 metros o de arbustos en terrenos semiáridos donde las raíces logran mayores profundidades, como se muestra en la Figura 3-1 (Dunn y Heberlein, 2020) Figura 3-1:Máxima profundidad de raíces para diversos grupos de vegetación Fuente: Modificado de (Scheper & Tsao, 2003)Dependiendo de la accesibilidad de los territorios, las muestras pueden tomarse directamente de las copas de los árboles o arbustos, buscando recolectar entre 2 y 5 kilogramos de biomasa como se aprecia en la Figura 3-2, posteriormente secadas y analizadas en base seca. 28 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones Figura 3-2:Toma directa de muestras Fuente: Modificado de (Dunn y Heberlein, 2020) Los resultados de este tipo de aproximación permiten priorizar objetivos de exploración en grandes áreas para aplicar otro tipo de técnicas más detalladas, lo cual se refleja en ahorro de tiempo y por ende de costos. Como se muestra en la Figura 3-3. Los halos de color corresponden a enriquecimiento en flúor como indicador de mineralización. Figura 3-3:Zonificación de anomalías para hierro usando análisis de vegetación Fuente: Modificado de (Dunn y Heberlein, 2020) Capítulo 3. Aplicación de las plantas hiperacumuladoras en minería 29 3.2 Fitorremediación o fitoextracción pasiva La extracción pasiva corresponde a la implementación de plantas hiperacumuladoras con el objetivo de estabilizar un metal tóxico en un medio contaminado, extraer un metal para obtener un beneficio económico a largo plazo o inducir la recuperación de ecosistemas. Comprende la aplicación en sólidos de granulometría gruesa que por el bajo contenido del metal de interés fue acumulado en botaderos y se compone principalmente de rocas sin mineralización, incluye el material que sufrió un proceso de beneficio y es dispuesto en una relavera con una granulometría fina y alto porcentaje de sulfuros y efluentes líquidos originados por la realización de los anteriores y del proceso de minado en general. La fitorremediación también hace referencia al restablecimiento del ecosistema, a promover el retorno de aspectos estructurales y funcionales que prestaba el ecosistema antes de la intervención (Giraldo, 2017). Además, los sitios donde se aplica exitosamente la fitorremediación pueden ser utilizados para el desarrollo de infraestructura agrícola y civil como parques y centros deportivos, finalmente una aproximación de este tipo puede ahorrar mucho dinero para el tratamiento de la contaminación por otros medios (Pandey y Bajpai, 2018). Tabla 3-1. Casos de estudio de fitorremediación de metales, parte 1 Ubicación Nombre de planta (Familia) Elemento Estimulante Duración (meses) Observaciones (Autor) Acerra plain, Provincia de Napoles, Italia Arundo donax (Poaceae) Cd Compost Trichoderma Harzianum A6 7 Significante reducción en los niveles de Cd, Fertilización e inoculación de AMF incremento la asimilación de Cd hacia las hojas (Fiorentino et al, 2013) Lucknow, Uthar Predesh, India Salvia sclarea L(Lamiaceae) Cr, Fe, Ni, Pb Lodo de curtiembre 24 (Chand et al, 2015) Fuente: Modificado de (Pandey y Bajpai, 2018) 30 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones Tabla 3-1. Casos de estudio de fitorremediación de metales, parte 2 Ubicación Nombre de planta (Familia) Elemento Estimulante Duración (meses) Observaciones (Autor) Hangzhou, Provincia Zheijiang, China Sedum plumbizincicola, Zea mays (Poaceae) Cd, Zn Urea, fertilizante NPK 96 Disminución en Cd (84%) y Zn (18%). (Deng et al, 2016) Bettwiesen, Suiza Nicotina tabacum (Solanaceae) Zn Fertilizante NPK 60 Disminución en zinc entre el 45% y 69% en el suelo (Herzig et al, 2014) Huanjiang Provincia maonan, China Pteris vittata (Pteridaceae), Sedum Alfredii Hance (Crassulaceae) As, Cd, Pb Fertilizantes orgánicos e inorgánicos. 24 Significante reducción de As (55%), Cd (86%) y Pb (30%), productos agrícolas creciendo sobre el suelo remediado (Wan et al, 2016) Sardinia, Italia Pistacia lentiscus (Anacardiaceae) Pb, Zn Composta y Zeolitas 24 Se observo Fitoestabilización en la raíz (Bacchetta et al, 2012) Cartagena, España Atriplex halimus (Amaranthaceae) As, Cd, Cu, Mn, Pb, Zn. Composta, Estiércol de cerdo. 24 Planta evita la erosión y dispersión del contaminante (Clemente et al, 2012) Delta, Columbia británica, Canadá Lolium perenne l (Amaranthaceae) Cu, Mn, Pb, Zn Polvo dolomítico, fosfatos 9 Dolomita 10 t ha-1 y fosfato 135 kg P2O5 ha-1 (Padmavathiamma y Li, 2012) Murcia, España Bituminaria bituminosa (Leguminosae) As, Pb, Zn, Cd, Cu, Mn Fertilizante NPK, Composta 24 Minimiza la erosión (Pardo et al, 2014) Fuente: Modificado de (Pandey y Bajpai, 2018) Capítulo 3. Aplicación de las plantas hiperacumuladoras en minería 31 Tabla 3-1. Casos de estudio de fitorremediación de metales, parte 3 Ubicación Nombre de planta (Familia) Elemento Estimulante Duración (meses) Observaciones (Autor) Distrito Mae sot, Provincia Tak, Thailandia Eucalyptus camaldulensis (Myrtaceae) Cd Fertilizantes orgánicos, estiércol de res y de cerdo. 9 Acumulación en raíces y la madera puede ser usada para manufactura. (Meeinkuirt et al, 2016) Flander, Bélgica Zea mays (Poaceae) Cd, Pb, Zn Fertilizante bajo en nitrógeno 6 Producción de energía (Meers et al, 2010) Shapogang, Provincia de Gansu, China Populus alba (Silicaceae) Cd, Cu, Pb, Zn 84 Estabilización de Cu y Pb y fitoextracción de Cd y Zn, requiere gestión para prevenir la reincorporación de metales (Hu et al, 2013) Jajmau Kampur, Uttar pradeh, India. Vetiveria zizanoides, Chrysanthemun coronarium, Cymbopogon Winterianus Cr 16 (Sinha et al, 2013) Fuente: Modificado de (Pandey y Bajpai, 2018) 3.2.1 Remediación de residuos sólidos generados por minería Esta técnica puede ser de utilidad para recuperar sólidos con tenores bajos que se descartan para ingreso a la planta de beneficio como por ejemplo el oro presente en bajas concentraciones en el material dispuesto en botaderos o inclusive colas de procesos, la estrategia se compone de un programa de revegetación y luego una estrategia de biodegradación usando tiocianato de amonio, bicarbonato y sulfato, los cuales deben ser estrictamente controlados para evitar migracion de metales que no puedan ser capturados por la planta. 32 Uso de plantas hiperacumuladoras en minería: Conceptos y Aplicaciones Tabla 3-2. Casos de estudio de fitorremediación en actividades mineras Ubicación Especie Sitio Referencia Italia Brassicae spp Suelo contaminado de metales Vamerali et al,2014 España Sarcocornia fruticosa Desechos mineros fuertemente ácidos Gonzales et al. 2013 India Lasiurus scindicus Pb Sharma y pandey, 2017 Thailandia Avicennia marina Pluchea indica Metales pesado y radionuclétidos Kaewtubtim et al, 2018 France Poplar clones Suelo contaminado con elementos trazas Ciadamidaro et al, 2017 España Pinus halapensis Colas de mina Martinez-Oró et al, 2017 Nueva zelanda Populus spp Sitios contaminados con boro Robinson et al, 2007 España Populus alba Derrame de lodos mineros Dominguez et al, 2008 España Piptatherum miliaceum Colas Piriticas Moreno-Barriga et al, 2017 France Poplar clones Suelo contaminado con Zn, Pb, Cd y Cu Phanthavongsa et al, 2017 España Sarcocornia fruticosa Humedales contaminados con metales Gonzales-Alcaraz et al, 2013 España Brassica juncea Suelo en mina de cobre Rodriguez-vila et al, 2014 España Piptatherum miliaceum Colas de mina en área semiáridas Parraga-Aguado et al, 2015 España Helichrysum decumbens, Pinus halapensis Colas enriquecidas en metaloides Parraga-Aguado et al, 2015 SE España Dorycnium pentaphyllum, Asteriscus maritimus Cola de mina Kohler et al, 2016 Fuente: Modificado de (Pandey y Bajpai, 2018) Capítulo 3. Aplicación de las
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