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octubre 2015
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Significado de la variación de las propiedades
magnéticas en tejidos vegetales durante la
fitorremediación de pasivos ambientales mineros.
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Estefanía Camus , Rodrigo González , Eugenio Veloso y Elizabeth Lam .
1
Departamento de Geología, Universidad de Chile, Plaza Ercilla 803, Santiago, Chile.
2
Departamento de Ciencias Geológicas, Universidad Católica del Norte, Avenida Angamos 0610, Antofagasta, Chile.
3
Fundación Norte Sustentable/Andes Iron Spa, Avenida Cerro El Plomo 5360, Piso 19, Santiago, Chile.
4
Departamento de Ingeniería Química, Universidad Católica del Norte, Avenida Angamos 0610, Antofagasta, Chile.
Mail: [email protected]
Resumen. El siguiente estudio, cuyas metodologías nunca
habían sido llevadas a cabo en especies vegetales, tiene
como objetivo identificar la absorción de material
proveniente de relaves en función de las propiedades
magnéticas de los tejidos de Atriplex Nummularia y
Prosopis
Tamarugo,
especies
utilizadas
para
fitorremediación en terrazas de relave de la Compañía
Minera Zaldívar. Para este propósito se utilizaron los
parámetros obtenidos de curvas de histéresis e IRM.
Comúnmente el proceso de fitorremediación es
monitoreado mediante análisis químicos, cuyos costos son
elevados, requieren meticulosas preparaciones de
muestras y sus resultados pueden tardar varias semanas.
En contraste se propone el uso de análisis magnéticos. De
los datos obtenidos es posible identificar el tipo magnético
de los materiales presentes en los diferentes tejidos
vegetales y correlacionarlos con los análisis químicos a
través del índice de Pearson. Basado en esto, es posible
demostrar que los tejidos vegetales tienen una señal
magnética
detectable,
dada
por
compuestos
diamagnéticos,
principalmente
formados
por
S,
compuestos paramagnéticos formados por N y compuestos
ferromagnéticos formados por Cd y Pb. Todos estos
compuestos magnéticos son absorbidos en diferentes
magnitudes por las especies estudiadas y diferenciados
por tejidos de acumulación preferencial.
Palabras
claves:
propiedades
magnéticas,
fitorremediación, Atriplex Nummularia, Prosopis Tamarugo.
1
Introducción
La restauración de las condiciones ambientales previas al
inicio de las actividades minero-metalúrgicas, debe
considerar el monitoreo del proceso de remediación para
así determinar la efectividad del método aplicado.
Comúnmente esto se realiza mediante análisis químicos,
que tienen costos elevados, requieren de una meticulosa
preparación de las muestras y pueden demorar varias
semanas. En este contexto, el presente trabajo muestra los
resultados de la aplicación de métodos magnéticos durante
el monitoreo de la fitorremediación de pasivos ambientales
mineros. Este método entrega resultados cualitativos,
rápidos y permiten disminuir la cantidad de análisis
químicos durante el proceso fitorremediante.
2
Metodología
2.1 Muestreo
Se recolectaron muestras de tejido de Atriplex Nummularia
y de Prosopis Tamarugo en dos momentos durante el
proceso de fitorremediación: 1) a las nueve semanas de ser
plantadas en el relave y 2) a las 18 semanas. Para el primer
muestreo se realizaron análisis químicos de raíces y tallos
con raíces en conjunto, sin muestras de hojas debido a que
no fue posible obtener la cantidad de masa vegetal mínima
requerida por los métodos de laboratorio aplicados.
Durante el segundo período se tomaron muestras de tallos,
hojas y raíces. Los análisis de las muestras que mezclaban
más de un tejido debieron ser descartados ya que dicha
mezcla imposibilitaría determinar la correlación entre las
propiedades magnéticas y los análisis químicos de un
tejido en particular.
2.2 Análisis químicos
Previo a la toma de datos fue necesario limpiar las
muestras. El sedimento depositado en la superficie de
hojas y tallos y el adherido a las raíces fue eliminado
mediante el uso de ultrasonido. Los análisis químicos de
los tejidos fueron efectuados en el Instituto Antofagasta
de Recursos Naturales Renovables de la Universidad de
Antofagasta. En los dos períodos de muestreo, según los
elementos a analizar, los métodos utilizados fueron
calcinación, determinación por espectrofotometría de
absorción atómica, determinación por turbidimetría,
digestión y determinación clorimétrica y determinación
clorimétrica fosfo-vanado-molíbdico. Se midieron los
elementos N, S, P, Ca, Mg, K, Zn, Mn, Cu, Fe, Na, Cd y
Pb.
2.3 Análisis magnéticos
Las muestras utilizadas para los análisis magnéticos no
superaron los 4mm3 ni los 0,02 gr. Las propiedades
magnéticas fueron medidas con el magnetómetro de
gradientes alternos AGM 2900 Princeton Magnetics. De
esta forma se obtuvieron curvas de IRM e histéresis,
de las cuales se obtuvieron los datos que fueron la base
de este estudio. Los datos de IRM se utilizaron para
260
AT 4 Impacto de las GeocIencIas en la socIedad
obtener la coercividad de remanencia (Hcr) y para
cuantificar las componentes de la coercividad. En tanto
que los de histéresis, para obtener la magnetización
remanente (Mr), la magnetización de saturación (Ms),
la coercividad (Hc), y las susceptibilidades de alto campo
(ᵡhf) y de bajo campo (ᵡlf). En los casos en que las curvas de
histéresis no cerraron, debido a desviaciones del equipo, se
corrigió mediante el software PmagPy desarrollado por
Lisa Tauxe. La susceptibilidad de ferromagnéticos (ᵡferro)
fue calculada mediante la sustracción de la ᵡhf a la de ᵡlf
(Tarling y Hrouda, 1993).
Finalmente los análisis químicos fueron correlacionados
con los parámetros magnéticos mediante el índice de
Pearson. Esto para cada muestra con análisis químico
disponible.
3
Análisis de resultados
3.1 Cuantificación
coercividad
de
las
componentes
de
Para cuantificar las componentes de la curva de IRM se
utilizó el método estadístico propuesto por Kruiver et al.
(2001), basado en el ajuste de la curva IRM versus el
logaritmo del campo aplicado, que discrimina sobre la
base a las diferentes coercividades de los componentes
presentes en las muestras. En este trabajo, el mejor
ajuste se logró al utilizar dos componentes. La mayoría de
las primeras componentes de la coercividad fueron
distintas, aunque cercanas a 0,5 ó 1, salvo casos puntuales
en donde esta componente supero los 10 e incluso los 100
kA/m. En cambio en la segunda componente se observaron
valores repetitivos. En este caso, los valores 159,20 y
200,42 kA/m fueron los más reiterados y en todos los
casos esta componente fue superior a 100 kA/m.
Aunque estos valores podrían estar representando la
señal de un compuesto en particular, los SIRM no fueron
los mismos para iguales coercividades.
3.2 Susceptibilidad magnética de bajo campo (ᵡlf)
Este parámetro presentó diferencias por especie y por
tejido analizado. Las hojas de Prosopis Tamarugo
mostraron mayor intensidad de ᵡlf y una mayor dispersión
de datos que las de Atriplex Nummularia, con valores en su
mayoría positivos, a excepción de un extremo anómalo
negativo, atípico tanto para la especie como para el tejido.
Los tallos mostraron ᵡlf tanto positivas como negativas,
además de una disminución de la intensidad en las
muestras de Prosopis Tamarugo del segundo período de
muestreo. En raíces se observaron diferencias entre los
valores alcanzados por las dos especies, con los resultados
de Prosopis Tamarugo dentro de un rango más acotado. En
las raíces de Atriplex Nummularia, se observó una
disminución de la intensidad de la ᵡlf en muestras del
segundo grupo de muestreo. Aunque todas las ᵡlf medidas
en raíces resultaron positivas, se pudo diferenciar entre las
muestras según el orden de magnitud de la señal. Esto
261
haría referencia a la cantidad y al tipo de materiales de
ferromagnético en los tejidos de raíces.
3.3 Susceptibilidad magnética de alto campo (ᵡhf)
En este parámetro fueron los tejidos de raíces los que
presentaron ᵡhf inferiores en el primer período de muestreo,
seguidos por los de hojas, con valores similares y luego
por los de tallos, que además tuvieron un intervalo más
acotado de valores que el resto de los tejidos. En el
segundo período la ᵡhf disminuyó en tejidos de tallos un
orden de magnitud respecto a los valores del primer
período de muestreo.
Los tejidos de Atriplex Nummularia presentaron ᵡhf
menores que los de Prosopis Tamarugo. Este
comportamiento se reconoció en hojas en el primer
período y en raíces, tanto del primer período como
del segundo período. En tallos fueron los tejidos de
Atriplex Nummularia los que tuvieron mayor ᵡhf en el
primer período. También se observaron diferencias
respecto a los rangos de susceptibilidades alcanzadas,
siendo los de Prosopis Tamarugo prácticamente iguales
para los tres tejidos. A diferencia de Atriplex Nummularia,
cuya variación en la ᵡlf de los tejidos fue mayor.
3.4 Susceptibilidad de ferromagnéticos (ᵡferro)
En hojas se midió un amplio rango de valores para las
muestras de ambas especies, con valores de ᵡferro similares.
En tallos no se identificaron grandes variaciones respecto a
los dos grupos de muestreo, pero sí por especie. En raíces
la ᵡferro fue más variable en Atriplex Nummularia con
intensidades tanto mayores como menores que Prosopis
Tamarugo, lo que sugiere que son estos tejidos donde se
encontraría mayor presencia de material ferromagnético.
3.5 Magnetizaciones y Coercividades (Mr, Ms, Hcr y
Hc)
Las razones Mr/Ms y Hcr/Hc, mostraron que los tejidos
analizados
pertenecen
al
dominio
magnético
pseudodominiosimple, según el diagrama de Day (Day, et
al. 1977). Los valores de Mr/Ms, fueron diferentes según
especie y tejido. Las razones fueron más bajas en hojas,
intermedias en tallos y mayores en raíces, las que a su vez
fueron siempre menores en Atriplex Nummularia. La
razón Hcr/Hc también mostró diferencias según especie y
al tejido. Las Hcr/Hc menores correspondieron a hojas, las
intermedias a tallos y las mayores a raíces. Además fue
Prosopis Tamarugo la especie que presentó mayores
valores en cada tejido.
3.6 Correlación entre las propiedades magnéticas
y elementos químicos
Sólo se utilizaron diez muestras para hacer correlaciones,
principalmente porque los análisis químicos realizados, en
su mayoría mezclaban diferentes tejidos. Aunque se
realizaron análisis para Cd y Pb, los resultados
obtenidos en el primer período sólo indicaron que la
ST 12 CONTAMINACIÓN DE SUELOS, AGUAS, SEDIMENTOS, ATMÓSFERA Y BIOSFERA
cantidad contenida en los tejidos era inferior a 4,5
ppm, sin ser exacta, impidiendo detectar variaciones
concretas en estos elementos dentro de los tejidos. En
el segundo período se contó con tres muestras, pero el
cálculo con tan pocos datos resulta poco confiable, por lo
que no se utilizaron estos elementos en las correlaciones
con las propiedades magnéticas.
Es así como las mejores correlaciones con la ᵡlf se
obtuvieron con S y K y Cu (R2 = 0,63, y 0,6
respectivamente), mostrando que con una aumento en la
concentración de estos elementos se produjo una
disminución en la ᵡlf. La correlación con N fue de R2 = 0,4
y fue el único elemento que mostró una relación directa
con este parámetro, aumentando la magnitud de la ᵡlf con el
aumento de su concentración. El resto de los elementos
analizados presentó correlaciones inferiores a 0,3.
En el caso de la ᵡhf, las mejores correlaciones fueron con N,
S y K (R2 = 0,74, 0,47 y 0,41 respectivamente) . Es de
esperar que elementos diamagnéticos como N y S
contribuyan a ᵡhf negativas y que elementos
paramagnéticos como el K tiendan a hacerla más
positiva (o menos negativa) (Tarling y Hrouda, 1993). Sin
embargo, se identificó un aumento de la ᵡhf con el aumento
de N. A diferencia del S, que cumple con lo esperado y
se relaciona a ᵡ negativas. Al igual que el N, el K presenta
un comportamiento distinto al esperado, correlacionando
sus altas concentraciones a ᵡ bajas. Cu y Ca dieron
correlaciones bajas con este parámetro, inferiores a 0,2.
Para el resto de elementos químicos analizados, el
índice calculado no alcanzó 0,1.
El único elemento ferromagnético analizado (Fe),
estuvo entre las correlaciones más bajas con la ᵡferro, lo
que indica que, en las muestras estudiadas, por sí solo no
controla esta ᵡ. La correlación con el resto de los elementos
fue inversamente proporcional e inferior a 0,3. De acuerdo
a los análisis químicos se sabe que Cd y Pb están presentes
en los tejidos y, aunque no se tienen datos para poder
realizar correlaciones, podrían ser éstos los que
controlarían esta señal. Al igual que la ᵡferro, M y H son
controladas por materiales ferromagnéticos, aunque en
estos parámetros además existe un control dado por el
tamaño de las partículas magnéticas.
4
Discusión
Las dos componentes de la coercividad determinadas
serían las responsables de la señal de ferromagnéticos. De
las correlaciones de elementos químicos con parámetros
determinados por materiales ferromagnéticos, no es
posible hacer una referencia clara a los compuestos
controladores de la señal. Sin embargo, sobre la base de la
presencia de Cd y Pb en los tejidos vegetales, se sugiere
que éstos serían los elementos detectados en el análisis de
coercividades y los responsables de la señal de
ferromagnéticos. Además se propone que la variabilidad
de valores se debería a diferentes proporciones y tamaño
de partículas de los compuestos. El análisis de ᵡ indica
presencia de materiales diamagnéticos y ferromagnéticos
dados por ᵡlf y ᵡhf negativas y ᵡferro positivas
respectivamente. Los materiales paramagnéticos podrían
estar presentes, pero la magnitud de su señal estaría siendo
superada por los ferromagnéticos. En ambas especies, se
observaron ᵡ mínimas en tallos, intermedias en hojas y
máximas en raíces. Además, las diferencias en las ᵡ de
tejidos de una misma especie sugieren zonas preferenciales
de acumulación de compuestos, las que estarían ligadas a
la aceptación de entrada inicial de compuestos por las
raíces. La razón Mr/Ms en hojas fue la mayor de los tejidos,
mientras que Hcr/Hc fue mínima, lo que indica un tamaño
de partículas magnéticas pequeño. En el caso de los tallos
la razón Mr/Ms fue intermedia al igual que la razón Hcr/Hc,
indicando un tamaño de partículas intermedio. En raíces, el
tamaño de partículas presente sería grande, indicado por
Mr/Ms mínimas y Hcr/Hc máximas.
En lo que respecta a las correlaciones, no existe registro de
estudios donde se correlacionen propiedades magnéticas
con tejidos vegetales o compuestos formadores de estos.
En este estudio se detectó una correlación positiva de N
con ᵡlf y ᵡhf, por lo que se ha considerado que este elemento
sería formador de compuestos paramagnéticos, haciendo
menos negativa la señal. No se ha considerado formador de
ferromagnéticos por sus bajas correlaciones con M y H. El
S, con correlaciones negativas con ᵡ, sería un formador de
compuestos diamagnéticos haciendo negativas las señales,
que como macronutriente podría relacionarse a la
formación de compuestos con el resto de los elementos
analizados. De acuerdo a las señales magnéticas
detectadas, el S estaría presente principalmente en raíces,
que es donde se iniciaría el transporte de nutrientes. Si bien
no fue posible utilizar los análisis químicos de Cd y Pb, su
presencia podría estar controlando la señal ferromagnética.
Como se han considerado elementos tóxicos para las
plantas, el mecanismo que emplearían las especies
vegetales consideradas sería la acumulación en raíces
(Rodríguez et al., 2008) y pasaría de forma decreciente a
tallos y finalmente a hojas, que es lo observado en las
intensidades de las ᵡ. Debido a que la absorción de
elementos desde el suelo al sistema del organismo vegetal
es en forma de iones, es de esperar un cambio de las
propiedades magnéticas de los elementos al formar
compuestos, como lo observado con el Fe. El
comportamiento de este elemento en los tejidos vegetales,
podría ser equivalente al que tiene en la sangre, donde
forma hemoproteínas o ferritina, compuestos de
características diamagnéticas o paramagnéticas (Lázaro et
al., 2007). De ser así, podría estar asociado, como
micronutriente (Kirkby et al., 2007) a la formación de
compuestos con S y así finalmente tener un
comportamiento diamagnético.
5
Conclusiones
262
AT 4 Impacto de las GeocIencIas en la socIedad
En el presente trabajo fue posible determinar que Atriplex
Nummularia y Prosopis Tamarugo poseen una señal
magnética detectable, que indica la presencia de
compuestos
diamagnéticos,
paramagnéticos
y
ferromagnéticos. Estas
señales
mostraron estar
diferenciadas por especie, siendo Atriplex Nummularia la
que absorbería una mayor cantidad y variedad de
compuestos, acumulándolos principalmente en sus
raíces. Esto fue inferido a partir de los valores de las ᵡ.
Debido a que esta propiedad depende tanto de la
composición, la concentración y el tamaño magnético de
grano, las raíces absorberían los compuestos
diamagnéticos y ferromagnéticos con las señales más
intensas o la mayor cantidad de este tipo de
materiales, las hojas los mismos materiales con señales
intermedias o en cantidades intermedias y los tallos los
materiales con las señales magnéticas más bajas o en
cantidades inferiores. Esta diferenciación estaría dada
por la aceptación de una mayor gama de compuestos
por esta especie y/o por una mayor absorción de
elementos. Prosopis
Tamarugo mostró señales
magnéticas similares para todos los tejidos, lo que
puede deberse, al igual que en Atriplex Nummularia, a la
variedad de compuestos que la planta acepta, que en este
caso serían mucho más restringidos que en la especie
anterior. Sin embargo, las raíces mostraron ᵡ levemente
mayores tanto para materiales diamagnéticos como
para ferromagnéticos, lo que evidencia que estos tejidos
serían los que acumulan los materiales de intensidades
más altas. Sin dejar de lado las diferencias
mencionadas, también se observaron similitudes en los
rangos de las intensidades alcanzadas por las ᵡ en hojas
y tallos de ambas especies. Esto sugiere que el material
absorbido desde el suelo es acumulado principalmente
en las raíces y que la parte aérea de ambas especies
acumulan de manera similar los compuestos. Sin
embargo, las raíces de Atriplex Nummularia serían más
efectivas en la absorción de compuestos. Además de las
diferencias determinadas por especie, también se
identificaron diferencias por tejido. Según la relación entre
Mr/Ms y Hcr/Hc, existe una variación en el tamaño de
partículas presentes en cada parte de la planta,
encontrándose las más grandes en las raíces,
intermedias en tallos y las de menor tamaño en hojas. De
acuerdo a las correlaciones entre propiedades y elementos
químicos, se sugiere que los materiales o nutrientes
presentes en los tejidos formarían compuestos
principalmente con S en el caso de los diamagnéticos
y con Cd y/o Pb en los ferromagnéticos. Aunque no se
distingue claramente el rango de los compuestos
ferromagnéticos de los paramagnéticos, estos últimos
estarían determinados por la presencia de N en el
compuesto.
Agradecimientos
263
Agradecemos al Proyecto CORFO-INNOVA “Desarrollo
integrado
de
tecnologías
magnetoquímicas
y
fitotecnologías, aplicadas a la determinación de metales
pesados en pasivos ambientales mineros” y a la
Universidad Católica del Norte, institución en la cual se
realizó este estudio.
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