“Extracción de contaminantes pesados”

1. Universidad Agraria de La Habana Facultad de Agronomía “Extracción de contaminantes pesados” MSc. Dairén Flores González Noviembre, 2004

2. Componentes del suelo ¿Suelo? Es un cuerpo natural, dinámico y vivo que juega muchos de los roles principales en los ecosistemas terrestres (Doran y Parkin, 1994). Materia orgánica (residuos vegetales en descomposición, biomasa microbiana, raíces y SH que es la fracción más estable) Material mineral inorgánico (arena, sedimento y partículas de arcilla) (Camargo et al., 1999) Agua Gases Organismos vivos (lombrices de tierra, insectos, bacterias, hongos y nemátodos)

3. La calidad del suelo tiene un efecto profundo sobre la salud y productividad de un ecosistema dado y del medio ambiente relacionado con éste, es por ello que es importante tener muy en cuenta la contaminación de los mismos. Consiste en la introducción de un elemento extraño al sistema suelo y van a existir dos tipos: Contaminación de origen natural Contaminación de origen antrópico o inducido - Alteración mineral que da origen al suelo - Lavado de los suelos - Actividades volcánicas y sus emanaciones - La atmósfera - Salinidad en las zonas costeras - Contaminación gaseosa - La industria - Actividades mineras - La agricultura - Producción de grandes residuos en las áreas urbanas

4. Para que exista contaminación es necesario que existan agentes contaminantes, entendiendo por tales a aquellas sustancias o acciones que producen contaminación en el suelo. Existen diversos tipos de agentes contaminantes cuya procedencia es muy variada, tal es el caso de los Metales pesados Ag, Cd, Co, Cr, Hg, Cu, Mn, Mo, Ni, Pb, Zn, Sr, Cs, As, Tl, entre otros Llegan al suelo procedentes de los desechos industriales, residuos domésticos y diversas actividades humanas y su continuidad en el tiempo pueden terminar ocasionando graves perturbaciones (Martínez Cortizas et al., 1997).

5. ¿Metales pesados? Son elementos que poseen propiedades metálicas como ductilidad, conductibilidad, estabilidad como cationes y tienen Z 20 Tienen incompletas las subcapas “d” y con gran facilidad dan origen a iones que tienen incompletas estas subcapas. Esto le confiere diversas propiedades sobresalientes, como su coloración particular, la capacidad de formar compuestos paramagnéticos, poseer una actividad catalítica y en especial, una gran tendencia a formar iones complejos.

6. Diferentes procesos para recuperar ambientes degradados con metales pesados en suelos Remoción del suelo y resguardo en un sitio Lavado del suelo Métodos electrocinéticos Bioremediación Fitoremediación

7. Una vez que es retirado el suelo, el área es sometida a una restauración mediante el uso de suelo no contaminado y plantación de especies forestales (Vangronsveld y Cunningham, 1998). Según la EPA en 1997 (Agencia de protección medioambiental) este procedimiento tendría un alto costo, pues implica la excavación, traslado y espacio a ocupar en el sitio donde sea confinado el suelo contaminado, y además afectaría o modificaría sustancialmente el ambiente. R

8. El lavado del suelo es una técnica que consiste en el uso de un líquido (generalmente agua, combinada a veces con aditivos químicos) usado junto a un procedimiento mecánico para depurar el suelo. Con este proceso se retiran contaminantes peligrosos, concentrándolos y reduciendo su volumen. Los contaminantes peligrosos tienden a unirse en forma química o física a limos y arcillas, materiales que, a su vez, se unen a arenas y a partículas de grava. R

9. En los métodos electrocinéticos se hace uso de la corriente eléctrica directa de baja intensidad entre electrodos que se colocan en el suelo para movilizar a los contaminantes. Técnica de alto costo (Vangronsveld y Cunningham, 1998; García y Dorronsoro, 1999) R

10. Bioremediación Utilización de organismos vivos o sus enzimas para remover, neutralizar o descomponer compuestos orgánicos o inorgánicos, que pueden ser dañinos para los ecosistemas acuáticos o terrestres. Puede emplearse in situ o transportar el suelo hacia un sitio donde se hace el tratamiento. Pueden también emplearse medios biotecnológicos. Se basa en la capacidad del microorganismo para bioacumular el metal, oxidarlo o reducirlo, o transformarlo a formas orgánicas (Alexander, 1999). R

11. Ventajas Fitoremediación Representa el uso de plantas para que a través de su sistema radicular extraigan las sustancias tóxicas y luego este material vegetativo se concentre en sitios de deposición segura, se incineren, o se utilicen en otros procesos de transformación química para la recuperación de metales pesados (Chaney, et al., 2000). - Técnica económica - Conservación del suelo superficial - Previene la migración y lixiviación de compuestos tóxicos por el movimiento de agua en el suelo - Tecnología en proceso de desarrollo

12. Los mecanismos de la Fitoremediación son: • Rizoextracción • Rizofiltración • Fitoestabilización • Rizodegradación • Fitodegradación • Fitovolatilización Mayor posibilidad de ser empleados para contaminantes inorgánicos como los metales pesados Mayores posibilidades para los contaminantes orgánicos como los hidrocarburos poliaromáticos (HPA)

13. Volatilización Acumulación Acumulación Extracción Rizodegradación Acumulación

14. En el suelo los metales están asociados a varias fracciones: 1. En la solución del suelo como iones libres y complejos metálicos solubles. 2. Adsorbido sobre constituyentes inorgánicos del suelo a sitios de intercambio iónico. 3. Unidos a la materia orgánica del suelo. 4. Precipitados como óxidos, hidróxidos y carbonatos. 5. Embebidos en la estructura de los minerales como los silicatos. Fitoextracciónlos contaminantes tienen que estar biodisponibles (listos para ser absorbidos por las raíces de las plantas) La biodisponibilidad depende de la solubilidad del metal en la solución del suelo. Sólo los metales asociados en las fracciones 1 y 2 están realmente disponibles para que las plantas los puedan tomar.

15. El concepto de BIODISPONIBILIDAD está relacionado con las condiciones físicoquímicas del ambiente, que determinan la concentración de metal libre y lábil presente en la muestra y depende de: - capacidad del elemento para formar complejos con la MO, - la posibilidad de que sea adsorbido en la superficie de arcillas, - que forme compuestos de baja solubilidad como sulfuros, carbonatos, fosfatos - que pueda coprecipitar en otros minerales del suelo. (McBride, 1994).

16. En el suelo se producen una serie de equilibrios que conducen a una muy baja biodisponibilidad del elemento tóxico. • Se pueden inferir alternativas para mejorar la fitoextracción: • - si el pH del suelo se disminuye convirtiéndolo en más ácido, la • biodisponibilidad se puede incrementar, o sea se favorece una • mayor solubilidad de formas precipitadas. • - si se agrega alguna sustancia con capacidad de formar • compuestos complejos y solubles también se favorece una • mayor absorción por parte de las raíces de las plantas.

17. ¿Cómo las plantas toleran altas concentraciones de metal en el suelo?

18. Presentan mecanismos fisiológicos que les evita enfrentar valores altos de concentración de elementos que son tóxicos para otras especies. Hiperacumuladoras Acumuladoras - Exclusión: Transporte del metal al interior de la planta disminuye, es limitado. - La planta permite acumulación del metal, pero en una forma que no ocasione efectos tóxicos para la misma.

19. Mecanismos de absorción de metales en las raíces y transportación a los retoños

20. Los iones metálicos debido a su carga no pueden moverse libremente por las membranas celulares que tienen estructuras lipofílicas. el transporte iónico dentro de las células debe ser mediado por proteínas de la membrana con función de transportadoras, conocidas generalmente como transportadores. Los transportadores de transmembranas son receptivos a iones específicos, lo que le da su especificidad. Estos transportadores se caracterizan por ciertos parámetros cinéticos como la capacidad de transporte (1) y afinidad por el ion (2). La 1 mide la proporción máxima de transporte del ion por las membranas celulares y la 2 mide la afinidad del transportador por un ion específico.

21. Es posible para una planta que exhiba una acumulación de metal significante en la raíz, expresar una capacidad limitada por fitoextracción. Por ejemplo: muchas plantas acumulan Pb en las raíces, pero el transporte de Pb a los retoños es muy bajo. Blaylock y Huang (1999) concluyeron que el paso limitante para la fitoextracción de Pb es la larga distancia de transportación desde las raíces a los retoños. * El metal unido a la pared celular no es el único mecanismo de la planta responsable para la inmovilización del mismo en las raíces y la inhibición de la transportación del ion al retoño. * Los metales también pueden ser acomplejados y secuestrados en las estructuras celulares (vacuolas), convirtiéndose en indisponibles para la transportación hacia el retoño (Lasat et al., 1998). * Algunas plantas, poseen mecanismos especializados para restringir la captación de metales en las raíces.

22. La absorción de metales en las células de las raíces y el punto de entrada en los tejidos vivientes, es el paso de mayor importancia para el proceso de fitoextracción. Para que haya fitoextracción, los metales deben transportarse también desde la raíz hacia el retoño. El movimiento de la savia que contiene al metal desde la raíz hasta el retoño, denominada translocación o transportación, se controla principalmente por dos procesos: Presión de la raíz Transpiración de la hoja

23. Absorción de Metales y la acumulación en las plantas.

24. Una fracción de metales es absorbida en la superficie de las raíces. • Los metales disponibles se mueven a través de la membrana celular a las células de las raíces. • Una fracción de los metales absorbidos dentro de las raíces, se inmoviliza en la vacuola. • El metal móvil intracelular cruza las membranas celulares en el tejido vascular de las raíces (xilema). • El metal es transportado desde la raíz hacia los tejidos aéreos (tallos y hojas).

25. Mecanismos de las plantas para la desintoxicación de metales

26. Las plantas no acumuladoras comunes han desarrollado varios mecanismos para controlar la homeostasis de iones intracelulares. Estos mecanismos incluyen la regulación de entrada del ion y la expulsión de iones intracelulares. Las especies hiperacumuladoras de metales, capaces de absorber metales en el orden de los miles de ppm, poseen mecanismos adicionales de desintoxicación. EJEMPLOS: Investigaciones recientes han demostrado que en la especie T. goesingense (una hiperacumuladora de Ni) la tolerancia alta de Ni era debida a la formación del complejo entre el Ni y la histidina, que dio lugar a que se inactivara el metal (Krämer et al., 1997; Krämer et al., 1996).

27. El secuestro de los metales en las vacuolas ha sido sugerido de ser el responsable para la tolerancia de Zn en los retoños de las plantas hiperacumuladoras de Zn como la T. caerulescens (Lasat et al., 1996; Lasat et al., 1998). Se han propuesto varios mecanismos para darle respuesta a la inactivación del Zn en las vacuolas, incluyendo la precipitación como Zn-fitato (Van Steveninck et al., 1990) y también por la unión de éste a ácidos orgánicos de bajos pesos moleculares (Mathys, 1977; Tolrà et al., 1996; Salt et al., 1999). El acomplejamiento con compuestos orgánicos de bajo peso molecular (<10 kD) también fue mostrado que juega un papel en la tolerancia de Ni (Lee et al., 1977). El Cd se ha demostrado que se acumula en plantas donde es desintoxicado por acomplejamiento con fitoquelatos (Wagner 1984; Steffens, 1990; Cobbett y Goldsbrough, 1999), una familia de péptidos ricos en grupos tioles (SH) (Rauser, 1990).

28. Las Metalotioninas (MT) han sido identificadas en numerosos animales y más recientemente en plantas y bacterias (Kägi, 1991), son también proteínas que presentan fuertes propiedades cuando están unidas al metal pesado (Tomsett et al., 1992)

29. La biodisponibilidad del metal para la absorción en las raíces

30. Un mayor factor que limita la absorción de metales en las raíces es el transporte lento de las partículas del suelo hacia la superficie de las raíces (Nye y Tinker, 1977; Barber, 1984). Con la posible excepción del Hg volátil, para todos los otros metales, este transporte tiene lugar en la solución del suelo. En el suelo, la solubilidad de los metales está restringida debido a su adsorción a las partículas de éste, es por ello que el aumento de la solubilidad del metal en el suelo es un previo requisito importante para reforzar el proceso de fitoextracción. • Dos mecanismos son responsables del transporte del metal desde el suelo hasta las raíces de las plantas: • Transmisión o flujo de masa • La difusión • (Corey et al., 1981; Barber, 1984).

31. Las plantas han desarrollado mecanismos especializados para aumentar la concentración de iones metálicos en la solución del suelo. Un mecanismo es la acidificación de la rizosfera debido a expulsión de iones H+ de las raíces (Crowley et al., 1991). Los protones compiten y reemplazan a los iones metálicos de los sitios de enlace, estimulando su desorción de los sólidos del suelo en la solución. Además, algunas plantas pueden regular la solubilidad del metal en la rizosfera por exudar una gran variedad de compuestos orgánicos de las raíces. Los exudados de la raíz forman un complejo con los iones metálicos manteniéndolos en la solución, disponibles para la absorción en las raíces (Romheld y Marschner, 1986).

32. Efecto de los microorganismos del suelo en la absorción del metal

33. Los microorganismos de la rizosfera pueden actuar simbióticamente con las raíces para reforzar la absorción del metal. Además, algunos microorganismos pueden excretar compuestos orgánicos que aumentan la biodisponibilidad y facilitan la absorción por la raíz de metales esenciales, como el Fe (Crowley et al., 1991) y Mn (Barber y Lee, 1974), así como metales no esenciales, como el Cd (Salt et al., 1995). Los microorganismos del suelo también pueden influir directamente en la solubilidad de metal alterando sus propiedades químicas Pseudomonas maltophiliamostró también que puede minimizar la movilidad medioambiental de otros iones tóxicos como Hg2+, Pb2+, y Cd2+ Pseudomonas maltophilia se mostró que reduce el Cr6+ móvil y tóxico a la forma Cr3+ que es no tóxica e inmóvil (Blake et al., 1993; Park et al., 1999)

34. Efecto de los exudados de las raíces en la absorción del metal

35. Los exudados de las raíces juegan un papel importante en la adquisición de varios metales esenciales. Ejemplos: Algunas especies de césped pueden exudar de las raíces una clase de ácidos orgánicos denominados sideróforos (ácido mugineico y ácido avénico), los que refuerzan significativamente la biodisponibilidad del Fe en el suelo (Kanazawa et al., 1995) y posiblemente Zn (Cakmak 1996). Algunas especies de plantas toleran al Al en la rizosfera por un mecanismo que involucra exudación de ácidos cítrico y málico (Pellet et al., 1995; Larsen et al., 1998). Estos ácidos orgánicos acomplejan al Al3+ rizosférico, el cual es altamente fitotóxico, para formar un complejo significativamente menos tóxico.

36. Fertilización de los suelos y acondicionamiento

37. El éxito de la fitoremediación depende de prácticas agronómicas aplicadas en el suelo Chaney et al. (1999) investigaron el efecto de acidificación del suelo en la fitoextracción de Zn y Cd y propusieron el uso de (NH4)2SO4 como un aditivo al suelo para proporcionar nutrientes (N y S) y para acidificar el suelo para así aumentar la biodisponibilidad de los metales. Puede existir un efecto negativo colateral asociado con la acidificación del suelo. Ellos indican que siguiendo a la fitoextracción del metal, el suelo puede encalarse para elevar el pH cerca de un valor neutro. Sin embargo, los procesos de encalado prematuros pueden aumentar la capacidad del suelo para ligarse a los metales, lo que pudiera restringir la fitoextracción.

38. Efecto similar puede esperarse con la adición de fertilizantes orgánicos. El P es un macronutriente y las plantas responden favorablemente a la aplicación de fertilizantes fosfatados, aumentando la producción de biomasa. Sin embargo, la adición de fertilizantes fosfatados también puede inhibir la absorción de algunos contaminantes metálicos como el Pb, debido a la precipitación de este metal como piromorfita y cloropiromorfita (Chaney et al., 2000). Esto subraya la importancia de encontrar nuevos acercamientos para la aplicación de P. Una alternativa puede ser la aplicación foliar. Este método puede llevar a la mejora del nivel de P en la planta sin inhibir la movilidad de Pb en el suelo.

39. Mejoramiento de la disponibilidad del metal con quelatos sintéticos

40. Se ha demostrado que el uso de sustancias químicas específicas como los quelatos sistéticos, estimulan la acumulación de Pb en las plantas. Estos compuestos evitan la precipitación de Pb y mantienen al metal formando un complejo soluble (Pb-quelato) disponible para la absorción por las raíces y su transporte dentro de las plantas. (Blaylock et al., 1997). ¿Quelato? El nombre Quelato (en inglés "Chelate") se deriva de la palabra griega "Chela", que significa pinza, porque el anillo que se forma entre el quelante (ligando) y el metal es similar en apariencia a los brazos de un cangrejo con el metal en sus pinzas.

41. La quelatación es la habilidad de un compuesto químico para formar una estructura en anillo con un ion metálico resultando un compuesto con propiedades químicas diferentes a las del metal original. (El ligando impide que el metal siga sus reacciones químicas normales).

42. QUELATO, COMPLEJO, COMPUESTO DE COORDINACIÓN Es el compuesto en el cual uno o más grupos coordinados o ligando están unidos a un elemento centralmetálico, por enlaces de coordinación. Ligando: Actúa como base de Lewis, dona un par de electrones. Metal: Actúa como ácido de Lewis, acepta un par de electrones por cada orbital libre.

43. HOOC CH2 CH2 COOH : : N CH2 CH2 N HOOC CH2 CH2 COOH EDTA LIGANDO más utilizado Ligando hexadentado

44. Estructura de un quelato de metal - EDTA:

45. Blaylock et al. (1997) indicó que, además de Pb, la adición de quelatos para la fitoextracción es aplicable también a otros metales. Estos autores también indicaron que la aplicación de EDTA estimula la fitoacumulación de Cd, Cu, Ni, y Zn. Se demostró que la habilidad del quelato de facilitar la fitoextracción está relacionada directamente con su afinidad por los metales. Por ejemplo, EGTA (ácido etilenbis (oxietilentrinitrilo) tetracético) tiene una gran afinidad por el Cd2+, pero no por el Zn2+. EDTA, EGTA y DTPA (ácido dielilentriaminopentacético) es selectivo para Zn. De hecho, el complejo Zn-DTPA es tan estable las plantas no pueden absorberlo y potencialmente pueden padecer la deficiencia de Zn.

46. Densidad de siembra

47. La extensión de la extracción de metales depende de la cantidad de biomasa producida por la planta. Un factor importante que controla la producción de biomasa es la densidad de la planta (número de plantas /m2) En general, elevados valores de densidad tienden a minimizar el rendimiento por planta y aumentar al máximo el rendimiento por ha. También es probable que la densidad afecte el modelo de crecimiento y desarrollo de las plantas. Un periodo de crecimiento extendido puede ser beneficioso si la absorción de metales por las plantas y la acumulación dependen de los procesos de crecimiento. Además, es probable que la distancia entre las plantas afecte la arquitectura del sistema radicular con posibles implicaciones extensas en la absorción del metal. Sin embargo, el efecto de esta interacción es desconocido y espera más investigaciones.