“FITORREMEDIACIÓN, UNA ELECCIÓN PARA LA DESCONTAMINACIÓN DE LOS SUELOS”
CONTENIDO 1
Introducción ................................................. 3
2
Historia ........................................................ 3
3
Fitotecnología .............................................. 4
4
Fitorremediación .......................................... 4 4.1
Tipos de fitorremediación ............................ 4
4.2
Participación interdisciplina ......................... 5
4.3
Captura de contaminantes........................... 5
4.4
Capacidad de las plantas.............................. 5
4.5
Proceso en la remediación ........................... 6
Director CITEagroindustrial - Ica Manuel Morón Guillen
4.6
Visión sistémica........................................... 6
4.7
Nutrición y tolerancia en las plantas ............ 6
Jefe Unidad Técnica CITEagroindustrial – Ica Juan Carlos Zamora Fuentes
4.8
Mecanismo de tolerancia de las plantas ....... 7
Autoridades
5
Plantas recomendables ................................. 7
6
¿Qué ocurre con las plantas? ........................ 8
7
Ventajas ....................................................... 8
Especialista técnico
8
Desventajas .................................................. 9
Quím. Esther Sánchez Fuentes
9
Conclusiones ................................................. 9
10 Revisor técnico PhD. Hanna Cáceres Yparraguirre
Copyright © 2020 Boletín técnico 003-2020: “Fitorremediación, una elección para la descontaminación de suelos”. Área: Laboratorio Agroindustrial. CITEagroindustrial Ica, Panamericana Sur Km. 293.2. - Salas Guadalupe, Ica, Perú.
Mayo, 2020
Referencias bibliográficas .........................10
1 Introducción El medio ambiente está en constante y permanente deterioro por las actividades del hombre y que tiene consecuencias negativas en los recursos naturales en nuestro planeta. En la actualidad no existe medio ambiental que no esté afectado en mayor o menor grado y no se avizora una solución que garantice revertir estas amenazas a los seres humanos que nos afecta en la salud directa o indirectamente y medios de sostenibilidad. Las afecciones de salud son, problemas en la piel (dermatitis) o en el aparato respiratorio (alergias, asmas), procesos degenerativos, entre otros. Los medios de sostenibilidad el agua, suelo, los cultivos, los frutos.
suelos y como afecta en los frutos que exportamos y consumimos a nivel nacional. La aplicación de la Fitorremediación en los suelos se presenta como una novedosa tecnología para la estabilización y remediación de la contaminación de metales pesados y compuestos orgánicos.
2 Historia En el siglo XVIII Joseph Priestley, Karl Scheele y Antoine Lavoisier demostraron que, en presencia de la luz, las plantas son capaces de descontaminar la atmósfera. Más tarde en 1885, Baumann, un botánico alemán, encontró altas concentraciones de zinc en las hojas de algunas plantas que crecían en lugares conteniendo cantidades elevadas de este metal. Sin embargo, no fue sino hasta los años 70 que se reconoció la habilidad de las plantas para limpiar aguas y suelos contaminados. (M. Gómez, 2015). Muchas ideas propuestas por Chaney en 1983 en relación con el uso de metalofitas para fitoextracción (metales). Aunque hay mucho trabajo previo en ingeniería con vegetales para tratamiento de aguas, se comenzó a desarrollar a principios de los 90’s. El termino se imprime en 1991 (United States Environmental Protection Agency US - EPA). Y así, en los años 92 surgió el concepto de fitorremediación.
Figura 1. Problemas de la piel - dermatitis. Pixabay (2020).
A nivel nacional e internacional se han establecidos indicadores de calidad denominados estándares de calidad para el agua, suelo y aire, así como requisitos de exportación en los países del orbe para los productos agrícolas que adquieran.
Cunningham y Berti (1993) lo usan por vez primera en literatura de difusión abierta. (Mulas Fernández, 2017).
Frente a la situación expuesta, los investigadores están en continua búsqueda de soluciones para remediar los suelos, desarrollándose diversas técnicas que logre sanar y recuperar las características iniciales quedando libre de contaminantes los terrenos. Nuestra nación no está exenta de esta realidad, somos un país exportador que debemos preocuparnos de los contaminantes en nuestros
Figura 2. Suelo agrícola. Pixabay (2020).
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o
3 Fitotecnología La fitotecnología se define en términos generales como el uso de vegetación para tratar contaminantes en el suelo, sedimentos, aguas superficiales y subterráneas. Los objetivos de limpieza de las fitotecnologías pueden ser la eliminación y destrucción de contaminantes, el control y la contención, o ambos. La fitorremediación es un fitotecnología. (RALCEA. 2013).
subconjunto
o
•
Acumulación (para la contención o eliminación de productos orgánicos y / o contaminantes metálicos). o Fitoextracción: absorción de contaminantes y acumulación para su eliminación. o Rizofiltración: adsorción de contaminantes en las raíces para su contención y / o eliminación.
•
Disipación (para la eliminación de contaminantes orgánicos y / o inorgánicos a la atmósfera). o Fitovolatilización: absorción de contaminantes y volatilización.
•
Inmovilización (para la contención de productos orgánicos y / o inorgánicos contaminantes) o Control hidráulico: control del flujo de agua subterránea por absorción de agua por parte de la planta. o Fitoestabilización: inmovilización de contaminantes en el suelo. EPA (2001).
de
4 Fitorremediación La fitorremediación es el uso directo de plantas vivas para la remediación in situ de suelos contaminados, lodos, sedimentos y aguas subterráneas mediante la eliminación, degradación o contención de contaminantes. La fitorremediación puede usarse para limpiar metales, pesticidas, solventes, explosivos, petróleo crudo, hidrocarburos aromáticos policíclicos y lixiviados de vertederos. La fitorremediación es un término general para varias formas en que las plantas se utilizan para remediar sitios mediante la eliminación de contaminantes del suelo y el agua. Las plantas pueden degradar contaminantes orgánicos o contener y estabilizar contaminantes metálicos actuando como filtros o trampas. (EPA. 1999).
Rhizodegradación: mejora de la biodegradación en la zona radicular subterránea por microorganismos. Fitodegradación: absorción de contaminantes y metabolismo sobre o debajo del suelo, dentro de la raíz, tallo u hojas.
La fitorremediación también se ha denominado remediación verde, remediación botánica, agrorremediación y remediación vegetativa. (EPA. 2001).
4.1 Tipos de fitorremediación La fitorremediación abarca varios métodos diferentes que pueden conducir a la degradación, eliminación de contaminantes (por acumulación o disipación) o inmovilización: •
Degradación (por destrucción o alteración de productos orgánicos contaminantes).
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o o
Isótopos radiactivos: 238U, 137Cs, 90Sr Nutrientes: N, P (Mulas Fernández, 2017).
Figura 5. Expresión gráfica de distribución de los metales pesados en la planta y suelo. Alenarte Revista (2015).
Figura 3. Diferentes mecanismos de fitorremediación. Lombritec (2020).
•
4.2 Participación interdisciplina En el estudio y aplicación de la fitorremediación involucra la intervención de múltiples disciplinas como Fisiología vegetal, Agronomía, Microbiología, Hidrogeología, Edafología, Química, Ingeniería, entre otros.
Orgánicos: o Pesticidas o Hidrocarburos y derivados o Disolventes o Explosivos o Hidrocarburos aromáticos (PAHs) o Policlorobifenilos (PCBs)
policíclicos
4.4 Capacidad de las plantas
Figura 4. Expresión gráfica de interdisciplinas. Pixabay (2020).
4.3 Captura de contaminantes Los contaminantes que pueden capturar las plantas son las siguientes: •
•
Inorgánicos: Metales pesados, nutrientes y otros elementos químicos: o Fe, Cu, Mn, Mo, Zn, Cr, Ni, Cd, Co, Hg, Pb, V, W Otros elementos tóxicos: o As, Se, F
La fitorremediación es aplicable tanto a plantas acuáticas como terrestres, sólo en determinadas especies. Existe plantas capaces de captar compuestos que se encuentran en el aire, agua y suelo. Las plantas tienen la capacidad de remediar los medios de los siguientes compuestos: •
Compuestos orgánicos, estos pueden ser: o degradados en la zona radicular o absorbidos y después: degradados, o secuestrados, volatilizados.
•
Compuestos inorgánicos, no pueden ser degradados, estos pueden ser: o estabilizados en suelo
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o
secuestrados en tejidos cosechables. (Mulas Fernández, 2017).
4.5 Proceso en la remediación La fitorremediación compromete diversos procesos que se ejecutan durante su proceso, estos son: •
•
•
Procesos Físicos: considera a la Sedimentación, filtración, adsorción, volatilización, entre otros. Las técnicas físicas también incluyen la fijación y/o el encapsulamiento. En general, su objetivo es almacenar e inmovilizar los contaminantes. El principal problema es evitar que los productos de transformación o lixiviados constituyan una nueva fuente de contaminación. Procesos Químicos: considera Hidrólisis, precipitación, complejación, reacciones redox, fotoquímicas, deshalogenación. Siendo las principales técnicas químicas la oxidación y la deshalogenación. La oxidación consiste en la adición de agentes oxidantes al medio contaminado para convertirlos en compuestos inocuos comúnmente encontrados en la naturaleza. (USEPA 1999). La deshalogenación consiste en la conversión de contaminantes que contienen halógenos (cloro y flúor) en sustancias menos tóxicas mediante reacciones químicas controladas que retiran o reemplazan los halógenos. (USEPA 1996, 1997). Biológicos: considera el metabolismo de microorganismos, de plantas. Para la aplicación de las técnicas biológicas se consideran las condiciones específicas del medio a descontaminar, evaluar las interacciones del suelo con el contaminante, de los microorganismos aplicados con los contaminantes y de los microorganismos aplicados con las poblaciones nativas del suelo (Telysheva et al. 2002). (López-Martínez et al. 2005).
4.6 Visión sistémica Las plantas y microorganismos conforman un ecosistema, aunque de forma artificial la intervención del hombre cuenta. La dinámica del ecosistema y sus procesos funcionales de las plantas también son parte de la técnica, esto incluye la capacidad de reorganizarse y adaptarse a las condiciones sobreimpuestas a los vegetales. En conclusión, es necesario contar con el funcionamiento a este nivel y no sólo con los procesos fisiológicos.
4.7 Nutrición y tolerancia en las plantas El suelo es el medio o fuente nutritiva por excelencia de las plantas, por ello se infiere que la determinación de alguna característica del mismo o del nivel de los bioelementos en él existentes, puede definir el posible déficit o exceso de los elementos en la planta sobre él cultivada. La absorción de los elementos nutritivos se efectúa mayoritariamente por medio de las raíces jóvenes al nivel de los pelos radiculares que durante el periodo de actividad de la planta se desarrollan de una manera continua y están constantemente renovándose. Debido a que su vida es de tan sólo varios días a medida que la raíz se alarga, se incrementa su número, con lo que se ampla el contacto de la planta con nuevas partes del suelo; en condiciones normales los pelos radiculares pueden llegar a alcanzar una cifra de 200-300 por mm2, lo cual representa una gran superficie de captación. (Navarro / Navarro 2003), (Bernal, 2014). Una particularidad en cualquiera de los tipos de fitorremediación es la tolerancia de las plantas a los contaminantes; este proceso está dado por la capacidad para resistir la acumulación de elevados niveles de compuestos en sus tejidos, basados en estrategias que adoptan para resistir sus efectos tóxicos. (López, 2007), (Bernal, 2014).
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4.8 Mecanismo de tolerancia de las plantas Tolerancia a los metales pesados: está definido por los procesos celulares y la resistencia a los metales, una vez penetrado las células, están relacionadas con mecanismos como el establecimiento de enlaces entre los metales y la pared celular, el nivel de tolerancia de la membrana celular y las enzimas vegetales, la reducción del transporte por la membrana celular, el flujo activo de metales desde las células hacia el exterior, la acumulación del exceso de metales en las vacuolas, la quelación del metal por ligandos orgánicos y/o inorgánicos (fitoquelatos) o por la precipitación del metal al formar compuestos de baja solubilidad (López, 2007; Kamnev, 2009).
pueden trasladarse hacia brotes y hojas para posteriormente volatilizarse, o pueden sufrir procesos de metabolización hacia nuevas formas; estos compuestos pueden mineralizarse o acumularse, bien como nutrientes o como nuevos contaminantes. (López, 2007), Bernal, F. (2014).
5 Plantas recomendables Hay plantas que tienen la interesante capacidad de limpiar los ambientes contaminados. Pueden acumular o transformar sustancias tóxicas que aparecen en el suelo o el agua, ya sea por accidente (ej. derrame de petróleo), por la actividad del hombre (ej. desechos industriales) o por cuestiones geológicas (ej. altos niveles de arsénico en las aguas subterráneas) Conviene, en general, que sean: • • • • • • •
Figura 6. Planta silvestre acedera (Rumex acetosa) útil, para eliminar contaminación de metales pesados en suelos. Info Jardín (2020).
Tolerancia a los contaminantes orgánicos: Existen dos mecanismos por los cuales las plantas pueden incrementar sus resistencias a los contaminantes orgánicos (Navarro & Navarro 2003). El primero consiste en la transformación de los elementos tóxicos en la rizósfera, en este proceso la planta libera más del 20% de su fotosintato dentro del suelo en forma de exudado radicular que consiste en melca de azúcares, alcoholes, fenoles, ácidos orgánicos y proteína, que son utilizados por las comunidades microbianas en la rizósfera que se caracterizan por presentar enzimas específicas capaces de metabolizar os contaminantes hacia formas menos tóxicas. El segundo mecanismo, se produce una vez que los contaminantes atraviesan el sistema radicular; allí los elementos tóxicos
• •
De crecimiento rápido Elevada producción de biomasa Tolerantes a la contaminación Resistentes Competitivas Cada técnica específica tiene requerimientos añadidos Al escoger especies para un lugar es recomendable incluir algunas que crezcan naturalmente en el entorno Estas especies resultarán competitivas en las condiciones locales Y si ya crecen en el lugar contaminado tolerarán el contaminante
Entre las especies más populares destacan el vetiver “Chrysopogon zizanioides” y el cáñamo “Cannabis sativa ssp. Sativa”, conocidos por su capacidad de absorción de metales pesados en general.
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Figura 7. Planta de cáñamo (Cannabis sativa ssp. Sativa) con capacidad de absorción de metales pesados en general. El Diario, España (2014).
Está el girasol silvestre “Helianthus annuus”, que absorbe el níquel y el cromo. La mostaza de la india “Brassica juncea” es perfecta para reducir los niveles de plomo, cesio, cadmio, níquel, zinc y selenio dispersos en los acuíferos.
Figura 9. Árbol Álamo (Populus alba). Pixabay (2020).
6 ¿Qué ocurre con las plantas? Las plantas después del proceso de fitorremediación son recolectadas, incluyendo tallos y hojas.
Figura 8. Girasol silvestre “Helianthus annuus”, con capacidad de absorción los metales de níquel y cromo. Pixabay (2020).
Algunas especies de árboles han demostrado ser útiles para la recuperación de suelos contaminados. Es el caso del álamo, un árbol capaz de absorber cantidades considerables de metales y de seguir acumulándolos a lo largo de su ciclo de vida.
El ciclo de plantación/cosecha se repite con las mismas o diferentes especies) hasta alcanzar los niveles de descontaminación esperados. La biomasa tiene 3 destinos: • • •
Reciclado de metales Incineración evitando emisiones de gases con trazas de metales Aprovechamiento: fibra, fuente de energía, compostaje
7 Ventajas •
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Es una tecnología sustentable, permite mejorar la calidad del aire, suelo y agua de modo natural, esto significa evitar el uso de productos químicos. Eficiente para tratar diversos tipos de elementos in situ. No necesita trasladar el problema a otro lugar.
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Bajo costo. No requiere personal especializado. No consume energía. Emplea energía solar para los procesos biológicos, químicos y físicos (absorción, transformación, acumulación, extracción, reserva y degradación rizosférica microbiana) emanados por las plantas para lograr la remoción. Tiene gran versatilidad para tratar una gamma de materiales peligrosos (contaminantes). Las plantas tienen la habilidad de resistir más concentraciones de contaminantes orgánicos que la mayoría de microorganismos. Es una técnica que actúa en conjunto con la revegetación y la biodegradación. Es un biorreactor autónomo que se automaneja. La fitorremediación no deja de evolucionar, constituyendo una alternativa esperanzadora que continuará brindando buenas noticias. (Bernal 2014).
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Solubilidad de contaminantes se puede generar o incrementar resultando un mayor daño al sustrato. La fitorremediación se alcanza únicamente hasta la profundidad a la cual llegan sus raíces. Las raíces de las plantas requieren oxígeno, así que no puede penetrar bajo condiciones donde la textura del suelo, volumen de agua o respiración microbianas son altas. Se conoce que existen plantas transgénicas para mejorar los resultados. En el caso de que esta manipulación genética afecte al equilibrio del ecosistema supondría un inconveniente que podría limitar su uso al hacerlo poco recomendable. (Bernal 2014).
8 Desventajas •
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Es un proceso relativamente lento y natural (cuando se trata con especies de larga vida como árboles o arbustos). Al compararlos con otras técnicas de recuperación la fitorremediación requiere tiempos relativamente más largos. Depende de las estaciones del año. La capacidad de supervivencia de la planta dependerá el nivel de toxicidad del sustrato (aire, suelo, agua). Esto es la habilidad de la planta para polucionantes es limitada. De igual forma acontece con los hongos o algas su grado de resistencia y adaptabilidad. Cuando se trata de plantas perennes, los elementos contaminantes acumulados pueden ser liberados nuevamente a través de la caída de las hojas en la estación de otoño, contaminando el sustrato nuevamente. Riesgo para los animales que pueden consumir las plantas que están acumulando contaminantes.
Figura 10. Suelo recuperado. Pixabay (2020).
9 Conclusiones •
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La fitorremediación es una técnica que aprovecha la capacidad de algunas plantas para absorber, acumular, metabolizar, volatilizar o estabilizar contaminantes presentes en el suelo, aire, agua o sedimentos como metales pesados, elementos radiactivos, compuestos orgánicos y compuestos derivados del petróleo. Es una alternativa a los métodos fisicoquímicos que se han utilizado tradicionalmente para solventar los problemas de contaminación ambiental. La fitorremediación se puede definir entonces como un “conjunto de tecnologías que reducen in situ o ex situ la concentración de diversos compuestos a partir de procesos bioquímicos
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realizados por las plantas y microorganismos asociados a ellas”. La fitorremediación se presenta como una alternativa sustentable, de bajo costo y con una alta aplicabilidad para la rehabilitación de ambientes afectados por contaminación natural y antropogénica. Existen seis métodos diferentes de fitorremediación que se agrupan en dos conjuntos, los que se utilizan como medio de contención (rizofiltración, fitoestabilización y fitoinmovilización) y los que se utilizan como medio de eliminación (fitodegradación, fitoextracción y fitovolatilización). La fitorremediación es eficiente, es una tecnología sostenible y compatible con otras técnicas, con una perspectiva prometedora de desarrollo, pudiendo ser utilizada de manera alternativa o complementaria a otras tecnologías, es una buena elección de remediación.
United States Environmental Protection Agency. (Febrero de 2001). Ground Water Issue.
10 Referencias bibliográficas Bernal, A. (2014). Fitorremediación en la recuperación de suelos; visión general. Revista de Investigación Agraria y Ambiental, 5(2). Gómez, M. (Noviembre de 2015). Historia de la fitorremediación. Obtenido de https://prezi.com/0ox5ces5_md/historia-de-la-fitorremediacion/ Lopez, A. (2007). Capítulo II. Biorremediación y fitorremediación en suelos contaminados. Publicaciones real Academia Nacional de Farmacia. Mulas, R. (2017). Fitorremediación de suelos. Obtenido de http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/IQM_ fitorremediacion_Valladolid_25615.pdf United States Environmental Protection Agency. (1999). Phytoremediation Resource Guide. United States Environmental Protection Agency. (Febrero de 2000). Introduction to Phytoremediation.
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