Macrófitas acuáticas: Bioacumulación y remoción de metales pesados

in #stem-espanol6 years ago (edited)
¡Saludos a todos los usuarios de comunidad de Steemit!, en especial a mis amigos e integrantes de las comunidades de #steemstem y #stem-espanol, en esta oportunidad quiero compartir con ustedes, lo relacionado a la capacidad de Bioacumulación y Remoción de metales pesados que presentan las Macrófitas acuáticas invasoras. En relación a esto, es importante destacar que durante las últimas dos décadas, se ha observado un incremento significativo de proliferación excesiva de estas plantas acuáticas en humedales artificiales y naturales, como consecuencia del vertido de aguas servidas contaminadas de origen doméstico, industrial, agrícola y pecuario, ocasionando graves problemas de índole socio económico y ambiental.

Autor de la imagen: @lupafilotaxia


De acuerdo con los razonamientos realizados por Bres et al., ( 2012) y Bais et al., (2015), esta incontrolada proliferación se debe a la capacidad de bioacumulación de elementos minerales de algunas macrófitas acuáticas, muchas de estas especies utilizan estos nutrientes y producen grandes cantidades de biomasa, que pueden usarse para algunos fines dentro de las actividades agrícolas y pecuarias, tales como elaboración de fertilizantes orgánicos tipo compost, bioles, enmiendas edáficas para la recuperación de suelo y producción de alimentos para animales.

Contaminación de los cuerpos de agua

La incorporación de nutrientes a los medios acuáticos por las descargas de aguas residuales, sumado al exceso de elementos minerales producidos en las actividades agrícolas y pecuarias, han dado lugar al deterioro continuo de la calidad del agua tanto superficial como subterránea. Estos contaminantes a menudo entran en las aguas por escorrentía superficial asociada a las actividades agrícolas de carácter convencional, donde se aplican cantidades considerables de agroquímicos generalmente fertilizantes sintéticos, por otro lado, la producción pecuaria generalmente la bovina y bufalina, también juegan un papel importante en la descarga de elementos minerales contenidos en la materia orgánica generadas en estas unidades de producción, adicionando a los humedales cercanos cantidades considerables de contaminantes.

Se debe agregar que, la contaminación de la mayoría de los cuerpos de agua es causada, por las altas concentraciones de metales pesados, hecho alarmante por los problemas ocasionados a los ecosistemas y la salud humana a nivel mundial, estos inconvenientes persisten a causa de los tratamientos ineficientes realizados a las aguas industriales como agropecuarias, contribuyendo con esto, a una constante diseminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos, hecho esencialmente preocupante, pues a diferencia de los contaminantes orgánicos, los metales pesados se acumulan en el ambiente.

Descarga de Metales pesados en humedales naturales y artificiales

Dentro de los metales pesados encontrados en los humedales, se pueden nombrar el aluminio (Al) considerado como el metal más abundante, este elemento cusa efectos adversos sobre la salud cuando se da exposiciones a niveles elevados (100 mg/m3), el cadmio (Cd) es otro metal que ingresa a los cuerpos de agua a través de diversas fuentes naturales y antropogénicas entre estas, fertilización con productos fosfatados como nitrogenados, también se encuentra en el estiércol defecado por animales que han consumido alimentos fosfatados. Otro aspecto referido al cadmio, es su efecto crónico sobre la salud bien establecidos en los riñones, huesos, pulmones, además causa efectos neurotóxicos, teratogénicos o alteradores del sistema endocrino. Otro metal presente en los humedales es el níquel (Ni) cuya concentración en los medios acuáticos ha incrementado considerablemente, esto debido, principalmente a la explotación minera, quema de residuos inorgánicos e orgánicos, descargas de residuos industriales y municipales.

Autor de la imagen: @lupafilotaxia; Descarga de lubricantes sobre márgenes del Río Escalante, municipio Colón, edo. Zulia-Venezuela


Según estudios realizados las macrófitas acuáticas, Eichhornia crassipes y algunas especies de la familia Lemnaceae, tales como Lemna gibba y Lemna minor, han sido evaluadas en condiciones controladas con el objeto de conocer su capacidad para la remoción de determinados metales pesados. Bres et al., ( 2012) evaluaron la capacidad de remediación de L. minor y E. crassipes cuando son expuestas a diferentes concentraciones de níquel, dentro de los resultados arrojados L. minor es más eficiente en remover Ni, en comparación a E. crassipes cuando es expuesta a bajas concentraciones, por tanto, estas especies pueden ser utilizadas para la fitorremediación de aguas contaminadas con este metal.

El plomo (Pb) es también un metal presente en los cuerpos de agua, se sabe que ha ingresado como consecuencia de la actividad petrolera, la gasolina y sus concentraciones de Pb, es la fuente principal de contaminación debido al uso irracional de los procesos industriales, combustión de residuos sólidos y agropecuarios. En estudios realizados por Miranda y Quiroz, (2013) se evaluó el efecto del fotoperiodo en la remoción de Pb por Lemna gibba y en su tasa de crecimiento, los resultados revelaron que el fotoperiodo favoreció la absorción de Pb en esta especie acuática.

Autor de la imagen: @lupafilotaxia; Descarga de desechos industriales provenientes de la empresa INSOLAC sobre márgenes del Río Escalante, municipio Colón, edo. Zulia-Venezuela


Además, de estos metales pesados, el mercurio (Hg) también es liberado en ríos, lagos y otras fuentes de agua, mediante procesos antropogénicos, en el caso particular de Venezuela, la cuenca del Río Caroní sufre, desde hace más de una década, una desmesurada explotación de oro y plata, con un porcentaje alarmante de minería informal, la cual no contempla rigurosamente las normas de control ambiental requeridas por dicha actividad, Arenas et al., (2011) en su estudio titulado evaluación de la planta Lemna minor como biorremediadora de aguas contaminadas con mercurio, determinaron la capacidad bioacumuladora de mercurio de la planta acuática L. minor, como alternativa en la remediación de aguas contaminadas con este elemento, encontrando una considerable eficiencia de esta especie para remover Hg del agua cerna al 30 % de Hg, otro dato importante en esta investigación es que las concentraciones de nitrógeno y fósforo presentes en las estructuras vegetativas de esta macrófita acuática no son afectadas por los niveles de mercurio.

Otro de los metales pesados presentes en los humedales es el cobre (Cu), se le encuentra en muchas formas diferentes, tales como ion libre en estado disuelto, o como complejos solubles con compuestos orgánicos o inorgánicos, este metal tienen gran afinidad con la materia orgánica, dentro de las principales fuentes de ingreso antropogénico del cobre a los diferentes cuerpos de aguas, provienen de la actividad agropecuaria, mediante la aplicación de productos agroquímicos para controlar problemas fitosanitarios en los cultivos, además de la aplicación de distintos tipos de residuos orgánicos y las descargas de estiércoles pecuarios.

Tabla 1. Acumulación de los metales pesados en macrófitas acuáticas del grupo de las Enraizadas emergentes

Especie
Situación observada
Referencia
Limnocharis flava L. Flava han demostró capacidad para absorber contaminantes Fe y Mn en los tejidos organográficos Kamarudzaman et al., (2011)a
Limnocharis flava Los resultados muestran la capacidad de remoción de metales pesados de L. flava de los lixiviados de vertederos, con valores que van desde 91,5 hasta 99,2% y 94,7 a 99,8% para el Fe y Mn, respectivamente (Kamarudzaman et al., 2011)b

Tabla 2. Acumulación de los metales pesados en macrófitas acuáticas del grupo de las Enraizadas sumergidas

Especie
Situación observada
Referencia
Hydrilla verticillata H. verticillata puede remover Cd en una capacidad máxima de adsorción de 15,0 mg Cd / g de peso seco. Bunluesin et al., (2007)
Hydrilla verticillata Encontraron iones de plomo adsorbidos en H. verticillata alrededor del 82 y 86 en 0,10 mol / l de EDTA, HCl y HNO3, respectivamente. Huang et al., (2009)
Hydrilla verticillata H. verticillata exhibió una alta tolerancia y la capacidad de remoción de metales pesados, como el Cobre, Zinc, Níquel, Cadmio y Cromo. Lee et al., (1984)

Biorremediación y fitorremediación como alternativa

En contraste con lo anterior, las creciente concentraciones de estos metales pesados, están relacionada con las escasas actividades de eliminación de estos elementos tóxicos, bien sea por oxidación, reducción, precipitación química, filtración, tratamiento electroquímico, evaporación entre otros; por un lado, estás practicas convencionales se han dejado de realizar por sus elevados costos operacionales, además al no ser biodegradables estos metales, se ha optado por desarrollar nuevas tecnologías más amigables con el ambiente como la biorremediación, técnica utilizada para depurar el suelo, como también cuerpos de aguas contaminados, usando para ello el potencial metabólico de los microorganismos, como las bacterias, hongos y levaduras, con el objeto de transformar contaminantes orgánicos en compuestos más simples poco o nada contaminantes, uno de los casos más comunes es la transformación de hidrocarburo en agua y bióxido de carbono.

Autor de la imagen: @lupafilotaxia; Descarga de lubricantes provenientes de sistemas de bombeo sobre la entrada del canal de desagüe de Santa Bárbara, municipio Colón, edo. Zulia-Venezuela


Además de la biorremediación, otra técnica ampliamente utilizada a nivel mundial para la depuración de ambientes acuáticos contaminados, es la fitorremediación, esta fitotecnología aprovecha la capacidad remoción de ciertas macrófitas acuáticas para absorber, acumular, metabolizar, mineralizar y transformar contaminantes presentes no solo en el agua de ríos, lagos, lagunas, canales de drenaje, sino también descontamina el suelo, razón por la cuál la fitorremediación se ha convertido, en la técnica por excelencia para eliminar metales pesados en cuerpos de aguas contaminados, por un lado, porque es de fácil aplicación, con bajos costos operacionales, bastando solo emplear especies de macrófitas acuáticas y generar condiciones favorables para su proliferación.

Tabla 3. Acumulación de los metales pesados en macrófitas acuáticas del grupo de las Flotantes libres

Especie
Situación observada
Referencia
Eichhornia crassipes Las raíces de E. crassipes demostraron mayor acumulación de metales (Zn, Cd, Cu y Cr) que las hojas. Yapoga et al., (2013)
Eichhornia crassipes Se encontraron porcentajes de remoción de Níquel del 100%, 93% y 85% en 0, 1, 3 y 6 mg l-1, respectivamente. Bres et al., (2012)
Eichhornia crassipes Se demostró la capacidad que E. crassipes de eliminar metales pesados Pb, Cd, Zn, Cr, Ni, Fe a través de a través del sistema radicular. Bais et al., (2015)
Lemna gibba Concentraciones de Plomo más bajas (30 y 50 mgl-1), el fotoperiodo 12/12 es más favorable para su absorción (9405 μgl-1más y 18,895 μgl-1 más respectivamente) mientras que en las tres restantes (100, 200 y 300 mgl-1) lo fue la condición de luz continua (6600 μgl-1, 1949 μgl-1, 5587 μgl-1 más respectivamente). Miranda y Quiroz, (2013)
Lemna minor Se encontraron porcentajes de remoción de Níquel del 100%, 100% y 95% en 0, 1, 3 y 6 mg l-1, respectivamente. Bres et al., (2012)
Lemna minor Mostró una eficiencia para remover Mercurio del agua cerca del 30 % Arenas et al., (2011)
Lemna spp. Los intervalos de concentración de los metales en lixiviado (ug/L) fluctúan de la siguiente manera: As (1,46–7,08), V (1,31–25,41), Cr (10,17–56,72), Ni (20,00–53,00) y Pb (16,57–68,30). En biomasa (ug/g) los intervalos fueron: As (0,15–1,96), V (0,73–15,73), Cr (10,57–50,83), Ni (8,20–68,59) y Pb (1,46–37,97). Avila et al., (2007)
Lemna minor Se encontró que la biodisponibilidad del Mercurio depende de factores que facilitan la disolución del elemento en el agua Posada y Arroyave, (2006)
Pistia stratiotes Se produjo bioacumulación fundamentalmente en las raíces. En estos órganos el contenido de metales fue Pb > Cd > Cr, en hojas fue Cd > Pb > Cr y en vegetales totales (raíces +hojas) fue Pb > Cd > Cr (metales aislados) y Cd > Pb > Cr (metales combinados). Paris et al., (2005)
Pistia stratiotes P. stratiotes resultó ser la macrófita acuáticas más eficiente en la absorción de 74% de Cd, respecto a la Eichhornia crassipes Maine et al., (2001)
Azolla filiculoides A. filiculoides mostró capacidades máximas de absorción entre 0,77 y 0,54 mmol/g de Ni y Cu respectivamente Asbchin et al., (2012)
Azolla pinnata Se encontraron resultados sobre su función fitorremediadora de cromo y hierro. Parikh y Mazumder (2015)

Usos de Macrófitas de acuerdo a su capacidad de remoción de metales pesados

Para Bais et al., (2015) y Bunluesin et al., (2007) las macrófitas acuáticas a saber Pistia stratiotes, Lemna spp., Potamogeton pectinatus, Salvinia, Myriophyllum spicatum, Vallisneria spirallis, Hydrilla, Azolla y Phragmites australis entre otros., poseen la capacidad fitorremediadora, es decir que pueden absorber metales pesados en grandes cantidades, por consiguiente tienen la habilidad biológica de mejorar la calidad del agua mediante la acumulación de elementos tóxicos en sus sistemas radiculares. Esta capacidad para hiperacumular metales pesados, hacen a estas especies acuáticas organismos potenciales para realizar investigaciones, especialmente para el tratamiento de efluentes industriales, así como aguas residuales. La biomasa de estas plantas acuáticas son recursos biológicos disponibles en grandes cantidades, por tanto, se les puede utilizar para el desarrollo de materiales bioabsorbentes de metales pesados.

Autor de la imagen: @lupafilotaxia; Descarga de residuos lácteos provenientes de la empresa FLOR DE ARAGUA sobre márgenes del Río Escalante, municipio Colón, edo. Zulia-Venezuela


Todas estas observaciones realizadas sobre la capacidad fitorremediadora que presentan algunas macrófitas acuáticas enraizadas emergentes, enraizadas sumergidas y flotantes, se relaciona también con su posible uso como plantas indicadoras de ciertos metales pesados en los humedales, de acuerdo a lo reportado por Dietz (1972), el enriquecimiento de metales pesados en plantas acuáticas depende principalmente de la especie y de su selectividad.

Amigos de #stem-espanol, la situación planteada, evidencia, que las macrófitas acuáticas de los grupos enraizadas sumergidas y flotantes libres, además de presentar una alta capacidad de remoción, acumulan metales pesados como Arsénico, Plomo, Mercurio, Cobre, Zinc, Níquel, Cadmio y Cromo, respecto a las enraizadas emergentes que presentan una menor asimilación de estos elementos tóxicos, como es el caso de la Limnocharis flava. Por otro lado, existen datos comparativos entre la capacidad de remoción de diferentes metales pesados entre Lemna minor - Eichhornia crassipes, donde se refleja que la L. minor presenta la mayor capacidad de extracción.

Referencia bibliográfica citada:


Arenas, A., Marcó, L., & Torres, G. (2011). Evaluación de la planta Lemna minor como biorremediadora de aguas contaminadas con mercurio. Avances en Ciencias e Ingeniería , 2 (3), 1-11.

Asbchin, S., Omran, A., & Jafari, N. (2012). Potential of Azolla filiculoides in the removal of Ni and Cu from wastewaters. African Journal of Biotechnology , 11 (95), 16158-16164.

Avila, H., Soto, A., Torres, J., Araujo, M., Gutiérrez, E., & Pírela, R. (2007). Metales pesados en la lenteja acuática (Lemna spp.) de la zona Costera del Lago de Maracaibo. Boletín del Centro de Investigaciones Biológicas , 41 (1), 114-122.

Bais, S., Lawrence, K., & Nigam, V. (2015). Analysis of heavy metals removal by Eichhornia crassipes (Mart.) Solms. World Journal of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences , 4 (9), 732-739.

Bunluesin, S., Kruatrachue, M., Pokethitiyook, P., Upatham, S., & Lanza, G. (2007). Batch and Continuous Packed Column Studies of Cadmium Biosorption by Hydrilla verticillata Biomass. Journal of Bioscience and Bioengineering , 103 (6), 509–513.

Bres, P., Crespo, D., Rizzo, P., & La Rossa, R. (2012). Capacidad de las macrofitas Lemna minor y Eichhornia crassipes para eliminar el níquel. 38 (2), 153-157.

Dietz, F. (1972). The enrichment of heavy metals in submerged plants. Advances in water pollution research. Proceedings of 6th International conference. Oxford Pergamon Press , 53-62.

Huang, L., Zeng, G., Huang, D., Li, L., Huang, P., & Xia, G. (2009). Adsorption of lead(II) from aqueous solution onto Hydrilla verticillata. Biodegradation , 20, 651–660.

Kamarudzaman, A., Hafiz, A., Abdul, R., Ab, & M. (2011)a. Removal of Heavy Metalsfrom Landfill Leachate Using Horizontal and Vertical Subsurface Flow Constructed Wetland Planted withLimnocharis flava. International Journal of Civil & Environmental Engineering , 11 (5), 73-79.

Kamarudzaman, A., Hafiz, A., Abdul, R., Ab, & M. (2011)b. Study the Accumulation of Nutrients and Heavy Metals in the Plant Tissues of Limnocharis flava Planted in Both Vertical and Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland. IPCBEE , 12, 50-54.

Lee, C., Low, K., & Tan, S. (1984). The Accumulation of Heavy Metals in Hydrostemma Motleyi Hook. f. Mabberlay and Hydrilla verticillata Casp. Pertanika , 7 (12), 119-123.

Maine, M., Duarte, M., & Suñe, N. (2001). Cadmium uptake by floating macrophytes. Wat. Res , 35 (11), 2629–2634.

Miranda, M., & Quiroz, A. (2013). Efecto del fotoperiodo en la remoción de plomo por Lemna gibba L.(Lemnaceae). Polibotánica (36), 1405-2768.

Parikh, P., & Mazumder, S. (2015). Capacity of Azolla pinnata var. imbricata to Absorb Heavy Metals and Fluorides from the Wastewater of Oil and Petroleum Refining Industry at Vadodara. International Peer Reviewed Referred Journal , 2 (1), 37-43.

Paris, C., Hadad, H., Maine, M., & Suñe, N. (2005). Eficiencia de dos macrófitas flotantes libres en la absorción de metales pesados. Limnetica , 24 (3-4), 237-244.

Posada, M, & Arroyave, M. (2006). Efectos del mercurio sobre algunas plantas acuáticas tropicales. Revista EIA (6), 57-67.

Yapoga, S., Ossey, Y., & Kouamé, V. (2013). Phytoremediation of zinc, cadmium, copper and chrome from industrial wastewater by Eichhornia crassipes. International Journal of Conservation Science , 4 (1), 81-86.


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Excelente post, bastante completo y muy bien redactado, saludos ;)

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Saludos amigo @lupafilotaxia, es una temática bastante interesante en el mundo de la agro ecología, esta situación es reflejo de lo perfecta que es la naturaleza, quien desarrolla mecanismos de defensa contra las actividades generadas por el hombre y su afán en destruir el planeta. Interesante aporte. ¡Éxito!.

Así es @pinedaocl. Nuestra madre natura, tiene sus propios códigos de autodefensa, es precisamente nuestro rol en lo científico tecnológico, realizar estas interpretaciones y ponerlas en práctica desde un enfoque sustentable. Saludos, gracia por leer el post.

Muy buena publicación, el único detalle que es muy densa en su contenido, si pudieras dividir en varias partes la información, seguro te irá mejor. Igual continua deleitándonos con tus contenidos interesantes, y sobre todo importantes. Saludos y un abrazo.

Gracias amigo @abdulmath, tomaré en cuenta tu sugerencia, en efecto creo conveniente hacerlo de esa manera. Saludos

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Wow muy conpleto, grandes fuentes

Saludos @viper160891, la ciencia es de todos, créditos a quienes nos guían con su experiencia.

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Gracias @medusamythology, por el apoyo brindado. Saludos

Saludos@lupafilotaxia, hermano interesante post, me llamo mucho la atención cuando comentaste lo de fitorremediación, es de admirar la biodiversidad funcional que existe en nuestros ecosistemas. nos seguiremos leyendo !

Muy buena la información estimado @lupafilotaxia, algo densa pero ya te lo han comentado, ya he revisado varios trabajos de biorremediación con algunas de estas plantas y si que es interesante la capacidad que tienen para remover para remover contaminantes. Saludos!

Gracias @emiliomoron, por leer el manuscrito, correcto ya he recibido la sugerencia de dividir el contenido. Saludos comenzaré a seguir tus publicaciones.

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