Download Contaminación de lagunas por metales pesados. Propuesta de

INGENIERÍA
TECNOLOGÍA Y
CIENCIAS APLICADAS
Disponible en www.upmetropolitana.edu.mx
Ingeniería, Tecnología y Ciencias Aplicadas, 01 (2016): 55-59
[Engineering, Technology and Applied Sciences]
Contaminación de lagunas por metales pesados. Propuesta de remediación
sustentable
[Pollution of lagoons by heavy metals. Proposal for sustainable remediation]
A. E. Delgadillo-López1*, H. Hernández-Contreras2, E. González-Escamilla1, V. Castillo-Jiménez1, A. Peña-Calva1, A.
Escamilla-Esquivel2, J. R. Aguilar-Hernández3
1
2
Programa Educativo de Ingeniería en Energía, Universidad Politécnica Metropolitana de Hidalgo, Boulevard de acceso a Tolcayuca 1009, Ex
Hacienda de San Javier, Tolcayuca, Hidalgo, México, C.P. 43860. *E-mail: [email protected]
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería Campus Hidalgo, Instituto Politécnico Nacional, Camerino Mendoza 308, Colonia Morelos,
Pachuca de Soto, Hidalgo, México, C. P. 42040.
3
Escuela Superior de Física y Matemáticas, Instituto Politécnico Nacional, Avenida Instituto Politécnico Nacional, Edificio 9, Unidad Profesional
Adolfo López Mateos, Zacatenco, Delegación Gustavo A. Madero, Distrito Federal, México, C.P. 07738
Recibido noviembre, 2015; aceptado febrero, 2016
Abstract
One of the characteristic features of modern society is the increasing emission of pollutants to the environment, such as those from industrial,
domestic, mining, and agricultural activities. In the lagoons, heavy metals pose a threat to living beings, so researchers have developed a
number of methods to decrease its impact.
In this review the origins and main access roads of heavy metals, in laggons, is exposed. Remediation proposal is presented, through the use
of aquatic phytoremediation. Stages of the process by which plants incorporate and accumulate heavy metals in their system are explained.
.
Keywords: heavy metals, phytoremediation, lagoons, chelates.
Resumen
Uno de los rasgos característicos de la sociedad moderna es la creciente emisión al ambiente de sustancias contaminantes, destacando
aquellas que proceden de las actividades industriales, mineras, agropecuarias, artesanales y domésticas. En las lagunas, los metales pesados
representan una amenaza para los seres vivos, por lo que se han desarrollado una serie de métodos para enmendar su impacto.
En esta revisión se exponen los orígenes y principales vías de acceso de metales pesados a los cuerpos de agua lagunares, así como una
propuesta de remediación a través del uso de fitorremediación acuática. Se presentan las fases del proceso por el cual las plantas incorporan
y acumulan metales pesados en su sistema.
Palabras clave: metales pesados, fitorremediación, lagunas, quelantes.
1. Introducción
El agua de las lagunas interacciona con la atmósfera y la
biosfera, lo que hace posible encontrar en ella diferentes
sustancias en suspensión, disueltas o en estado coloidal,
orgánicas e inorgánicas (Orozco et al., 2003). Dentro de los
factores que son determinantes en la composición del medio
hídrico se encuentran: la ocurrencia, intensidad y cantidad de
precipitación, área de drenaje, erosión y solubilización
del suelo, procesos de evaporación y transpiración, interacción
atmósfera-agua, entre otros.
Los gases provienen de la disolución de gases atmosféricos como
el CO2, N2 y O2, los producidos por la actividad de los seres vivos
(CO2 y O2) y los originados por la descomposición aeróbica o
anaerobia de la materia orgánica como CO2, N2, CH4 y H2S.
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Los iones que se encuentran disueltos provienen, en su mayoría,
de la disolución y meteorización de los materiales de la corteza
terrestre. Entre los cationes se pueden considerar al Ca2+, Na+,
Mg2+, Fe3+ y Al3+.
Entre los aniones destacan el HCO3–, CO32–, Cl–, SO42-, NO2– y
NO3–. Existen especies inorgánicas que se encuentran en
suspensión y que proceden de la erosión y el ataque químico
del agua sobre los materiales terrestres, tales como el sílice y las
arcillas (Schroeder, 2004).
La materia orgánica disuelta resulta de diversas fuentes como
los aminoácidos, hidratos de carbono, ácidos grasos, alcoholes,
terpenos, pigmentos naturales y de sustancias en suspensión o
estado coloidal (húmicas y fúlvicas). Las sustancias encontradas
en el seno del agua están sometidas a distintos procesos y
reacciones, entre los que destacan: procesos de disolución de
gases, sustancias orgánicas y sales; de solubilizaciónprecipitación y fotoquímicos; así como, reacciones de hidrólisis,
ácido-base, redox, de complejación y biológicas.
La composición química del agua natural (superficial o
subterránea) varía en su recorrido, no sólo por los procesos
fisicoquímicos y biológicos mencionados anteriormente, sino
también por una serie de fenómenos que pueden influir en los
mismos, como (Wania, 2004):
a)
b)
Cambio de fases: los minerales arcillosos (caolinita,
halloysita, montmorillonita, illita, vermiculita) y algunas
sustancias orgánicas (ácidos húmicos y fúlvicos) son
especies capaces de adsorber e intercambiar cationes. Esta
capacidad de intercambio iónico depende de la naturaleza
de los materiales adsorbentes, de la superficie disponible y
de las concentraciones de los iones en el agua.
Concentración por disolución y por evaporación: la
concentración por disolución se produce por influencias
litogénicas, ya que las sales proceden de los terrenos
drenados por el agua.
Los factores que influyen son: la temperatura, la presión
(por ejemplo las aguas con un contenido de CaCO3
próximo a la saturación precipitarán dicho compuesto si
hay una disminución de presión del CO2), superficie y
tiempo de contacto, volumen de agua, entre otros.
c)
El proceso de eutrofización: debido al incremento de
nutrientes (N y P) en el agua. De acuerdo al grado de
eutrofización creciente, un cuerpo de agua puede ser
considerado oligotrófico, mesotrófico, eutrófico o
hipereutrófico.
La concentración de pigmentos como la clorofila-a
(indicativo de la biomasa fitoplanctónica), la cantidad de
nutrientes y el grado de transparencia que presenta el
agua, son indicadores utilizados para estimar el estado
trófico de un recurso (Camargo y Alonso, 2007).
d)
Los sedimentos: el sedimento está conformado por
partículas de suelo arrastradas por el agua, que se
depositan en las zonas bajas de las cuencas. Los depósitos
de sedimentos en las lagunas funcionan como fuente o
reserva de nutrientes involucrados en el proceso de
eutrofización. El intercambio de nutrientes entre los
sedimentos y el agua depende de las características
químicas del medio hídrico y de las del sedimento mismo.
Este compartimiento ecosistémico actúa, además como
medio de acumulación de metales pesados (Ozkan et al.,
2008).
La composición química del agua lagunar depende de factores
naturales y antropogénicos. Sin embargo, las actividades
humanas, como el vertido de desechos urbanos, industriales y
agrícolas, son las responsables de la mayor alteración de las
propiedades fisicoquímicas del agua (Barcelona y Robbins, 2004).
2. Contaminación de lagunas por metales pesados
Los metales pesados son aquellos elementos químicos que
presentan una densidad igual o superior a 5 g/cm3 (Vardanyan e
Ingole, 2006; Navarro et al., 2007) cuando están en forma
elemental, o cuyo número atómico es superior a 20 (excluyendo
a los metales alcalinos y alcalinotérreos). Junto a ellos hay otros
elementos que, aunque son metales ligeros o no metales, se
suelen englobar con ellos por orígenes y comportamientos
asociados; es este el caso del As, B, Ba y Se. Los metales pesados
se clasifican en dos grupos (Chen y Oliveira, 2005; Navarro et al.,
2007):
1)
Oligoelementos o micronutrientes. Necesarios en pequeñas
cantidades para los organismos, pero tóxicos una vez pasado
cierto umbral. Incluyen: As, B, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Mn, Ni, Se y
Zn (Adriano et al., 2004).
2)
Sin función biológica conocida. Son altamente tóxicos e
incluyen: Ba, Cd, Hg, Pb, Sb y Bi.
La toxicidad de los metales pesados depende de la concentración,
la forma química y la persistencia, es decir, un elemento
indispensable para un ser vivo en concentraciones traza puede
llegar a ser tóxico en concentraciones elevadas. La persistencia se
define como el tiempo que tarda un contaminante en
transformarse en una forma no tóxica. Los metales pesados están
considerados como peligrosos debido a su elevada tendencia a
bioacumularse. La bioacumulación es el aumento de la
concentración de un producto químico en un organismo
biológico en un cierto plazo, de forma que llega a ser superior a la
del producto químico en el ambiente (Vardanyan e Ingole, 2006).
El proceso se agrava durante el paso por la cadena trófica debido
a que los niveles de incorporación sufren un fuerte incremento a
lo largo de sus sucesivos eslabones, siendo en los superiores
donde se hallan los mayores niveles de contaminantes. A este
proceso se le denomina biomagnificación; es decir, muchas
toxinas que están diluidas en un medio, pueden alcanzar
concentraciones dañinas dentro de las células (Khan et al., 2000;
Roy et al., 2005; Navarro et al., 2007).
Otro aspecto importante a considerar es la presencia simultánea
(mezcla) de los metales pesados, ya que sus efectos pueden ser
tóxicamente sinérgicos o antagónicos (la toxicidad se reduce al
mezclarse), por tanto, existe cierta dificultad para predecir los
efectos reales de estos contaminantes en el medio. Dichos efectos
pueden ser inocuos, letales o sub-letales (no matan al individuo
pero producen daños a nivel genético o fisiológico). Con
frecuencia, los daños sub-letales son los más perjudiciales para la
población ya que afectan el desarrollo y la reproducción (Navarro
et al., 2007).
3.1. Origen de los metales pesados en las lagunas
3.1.1. Origen natural
El contenido de elementos metálicos de un suelo, libre de
interferencia humana, depende de la composición de la roca
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madre originaria y de los procesos erosivos a los que está
expuesta. La acción de los factores medioambientales sobre las
rocas y los suelos son determinantes en las concentraciones
basales (niveles de fondo) de metales pesados en los sistemas
fluviales (aguas, sedimentos y biota).
someten a procesos de depuración o su tratamiento es
inadecuado.
Un alto grado de industrialización y urbanización es un fuerte
riesgo de contaminación, especialmente en sedimentos
anaerobios y ricos en sulfuros que favorecen la retención y
acumulación de metales.
3.1.2. Origen antropogénico
Se entiende por contaminación de origen antropogénico a la
procedente de la intervención humana en el ciclo
biogeoquímico de los metales pesados, cuyo uso ha ido
aumentando paralelamente al desarrollo industrial y
tecnológico. En las lagunas, los principales orígenes
antropogénicos pueden ser agrupados en: agropecuario,
doméstico, recreativo, industrial y minero.
e)
Origen agropecuario. La incorporación de metales
pesados de origen agrícola en las lagunas se debe a la
lixiviación de los terrenos de cultivo en los que se ha
producido una acumulación previa de dichos elementos
debido al uso de pesticidas, fertilizantes, tratamientos
fitosanitarios y desechos orgánicos susceptibles de ser
utilizados como abono.
Los contaminantes de origen ganadero provienen de los
desecho de los animales y del lavado de establos y granjas.
La concentración de metales es variable y depende del tipo
y edad del ganado, del tipo de establo e incluso del manejo
de los desechos.
Dadas las altas dosis de microelementos Cu y Zn añadidos
a determinadas dietas de porcino y aves de corral, los
purines de estos animales contiene de 10 a 40 veces más
de Cu y de 4 a 10 veces más de Zn que el de un estiércol
normal.
f)
Origen doméstico. Los vertidos domésticos transportan
una amplia gama de metales contenidos en las
excreciones humanas, en los restos de los alimentos, en las
aguas de lavado, etc. Podemos incluir en éste ámbito el
aporte a través de los combustibles fósiles que se utilizan
en las calefacciones, automóviles y lanchas de motor. El
impacto de las calefacciones domésticas depende del tipo
y origen del combustible utilizado, de las condiciones de
combustión, de la eficacia de las medidas de control de
emisión y del clima. Particularmente importantes son las
cantidades emitidas de As, Cd, Mo, Se y Zn.
Las emanaciones gaseosas de los automóviles afectan las
zonas limítrofes de autopistas y carreteras. Los metales así
originados incluyen: Cd, Cu, Ni, Pb y Zn, siendo el Pb el más
abundante proveniente de la combustión de la gasolina y
el Zn debido al desgaste de los neumáticos.
g)
h)
Origen recreativo. Diferentes estudios muestran que el Pb
metálico proveniente de balas y balines empleados en la
cacería se transforma en hidrocerusita (Pb3(CO3)2(OH)2) y,
en menor proporción, en carbonatos, sulfatos, fosfatos y
óxidos de plomo (PbCO3, PbSO4, Pb5(PO4)3 Cl,
Pb5(PO4)3OH, PbO, PbO2 y Pb3O4). Estos compuestos
contaminan los suelos con Pb a concentraciones que
oscilan entre 800 y 55,000 mg/kg.
Origen industrial. Las principales fuentes de metales
pesados en los sistemas acuáticos son las aguas residuales
procedentes de las industrias que utilizan los cauces
fluviales como vertederos. A menudo, estos vertidos no se
4. Vías de entrada de los metales pesados en las lagunas
Los metales tienen tres vías de entrada en una laguna:
a)
Vía atmosférica: se produce debido a la sedimentación de
partículas emitidas a la atmósfera por procesos naturales o
antropogénicos
(principalmente
combustión
de
combustibles fósiles y procesos de fundición de metales).
b)
Vía terrestre: producto de filtraciones de vertidos, de la
escorrentía superficial de terrenos contaminados (por
utilización de lodos como abono, agroquímicos, lixiviación de
residuos sólidos, precipitación atmosférica, etc.) y otras
causas naturales.
c)
Vía directa: la entrada de metales es a consecuencia de los
vertidos directos de aguas residuales y urbanas.
5. Remediación de la contaminación de metales pesados en
lagunas a través de la fitorremediación
Los metales pesados representan una amenaza para los seres
vivos, por lo que, se han desarrollado una serie de métodos para
enmendar el impacto causado (Delgadillo et al., 2009). Los
métodos convencionales suelen ser costosos y de limitada eficacia,
lo que ha estimulado el desarrollo de nuevas tecnologías, tales
como la fitorremediación, que representa una alternativa
sustentable y de bajo costo para la rehabilitación de cuerpos
lagunares (Singh y Jain, 2003; Reichenauer y Germida, 2008).
La fitorremediación se basa en los mecanismos fisiológicos básicos
que tienen lugar en las plantas y en los microorganismos
asociados a ellas, tales como: traspiración, fotosíntesis,
metabolismo y nutrición, como medio de contención o
eliminación de contaminantes. En el caso particular de las plantas
acuáticas, han sido consideradas como una plaga en sistemas
enriquecidos con nutrientes. Su rápida proliferación puede
dificultar la navegación y amenazar el balance de la biota en los
ecosistemas acuáticos.
Sin embargo, en la actualidad se considera que estas plantas
pueden ser útiles debido a su capacidad para remover y acumular
diversos tipos de contaminantes. Los sistemas de fitorremediación
acuática pueden ser de cuatro tipos:
1.
Humedales construidos: se definen como un complejo de
sustratos saturados, vegetación emergente y subemergente,
animales y agua que simula los humedales naturales,
diseñado y hecho por el hombre para su beneficio.
2.
Sistema de tratamiento con plantas acuáticas flotantes:
pueden ser estanques semiconstruidos o naturales, donde se
mantienen plantas flotantes para tratar aguas residuales.
3.
Sistema de tratamiento integral: es una combinación de los
dos sistemas anteriores.
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4.
Sistema de rizofiltración: se basa exclusivamente en hacer
crecer, en cultivos hidropónicos, raíces de
plantas
terrestres con alta tasa de crecimiento y área superficial
para absorber, concentrar y precipitar metales pesados de
aguas residuales contaminadas.
Se ha demostrado que estos sistemas pueden remover
eficientemente metales pesados, además de fosfatos, nitratos,
fenoles, pesticidas, elementos radiactivos, fluoruros, bacterias y
virus, de aguas residuales municipales, agrícolas e industriales,
incluyendo las empresas: lechera, de pulpa y papel, textil,
azucarera, de curtiduría, de destilería, aceitera, de galvanizado
y metalurgia.
Con base en sus formas de vida, las plantas utilizadas en los
sistemas de fitorremediación acuática se clasifican en tres
grupos:
a)
Emergentes: la raíz de estas plantas está enterrada en los
sedimentos y su parte superior se extiende hacia arriba de
la superficie de agua. Sus estructuras reproductoras están
en la porción aérea de la planta. Ejemplos: carrizo
(Phragmites communis), platanillo (Sagitaria latifolia) y tule
(Scirpus lacustris).
b)
Flotantes: se subdividen en dos grupos: a) Plantas de libre
flotación (no fijas): sus tallos y hojas se desarrollan sobre la
superficie del agua. Sin embargo, sus raíces no están fijas
en ningún sustrato y cuelgan en la columna de agua. Sus
estructuras vegetativas y reproductivas se mantienen
emergentes. Ejemplos: lirio acuático (Eichhornia crassipes),
lenteja de agua (Lemna spp. y Salvinia minima). b) Plantas
de hoja flotante (fijas): tienen sus hojas flotando sobre la
superficie del agua, pero sus raíces están fijas en los
sedimentos. Ejemplo: nenúfares (Nymphaea elegans y
Nymphoides fallax).
c)
Sumergidas: se desarrollan debajo de la superficie del
agua. Sus órganos reproductores pueden presentarse
sumergidos, emerger o quedar por encima de la superficie
de agua. Ejemplos: bejuquillo (Cerathophyllum
demersum), hidrilla o maleza (Hydrilla verticillata) y pastos
(Phyllospadix torreyi).
Algunas especies tienen una gran capacidad para acumular
metales pesados, por lo que reciben el nombre de
hiperacumuladoras. Por definición, estas plantas deben
acumular al menos 100 µg/g (0.01 % peso seco) de Cd y As;
1,000 µg/g (0.1 % peso seco) de Co, Cu, Cr, Ni y Pb; y 10,000
µg/g (1.0 % peso seco) de Mn (Watanabe, 1997; Reeves et al.,
1999; McGrath et al., 2001; Kamal et al., 2004; Yang et al., 2004;
Reeves, 2006; Padmavathiamma y Li, 2007).
Los mecanismos de tolerancia varían entre las distintas especies
de plantas y están determinados por el tipo de metal, eficiencia
de absorción, traslocación y secuestro. Las fases del proceso por
el cual las plantas incorporan y acumulan metales pesados son
las siguientes (Navarro-Aviñó et al., 2007, Delgadillo et al.,
2011):
Fase I. Implica el transporte de los metales pesados al interior de
la planta y, después, al interior de la célula. La raíz constituye el
tejido de entrada principal de los metales, los cuales llegan por
difusión en el medio, mediante flujo masivo o por intercambio
catiónico. La raíz posee cargas negativas en sus células, debido
a la presencia de grupos carboxilo, que interaccionan con las
positivas de los metales pesados, creando un equilibrio
dinámico que facilita la entrada hacia el interior celular, ya sea
por vía apoplástica o simplástica (Navarro-Aviño et al., 2007;
Delgadillo et al., 2011).
Fase II. Una vez dentro de la planta, las especies metálicas son
secuestradas o acomplejadas mediante la unión a ligandos
específicos. Entre los quelantes producidos por las plantas se
encuentran los ácidos orgánicos (ácidos cítrico, oxálico y málico),
algunos aminoácidos (histidina y cisteína) y dos clases de péptidos:
fitoquelatinas y metaloteínas (tabla 1).
Tabla 1. Compuestos orgánicos capaces de quelar metales
pesados.
Compuesto orgánico
Ácido cítrico
Aminoácidos
Ácido málico
Ácidos fenólicos
Ácidos húmicos y fúlvicos
Ácido láctico
Ácidos
polihidroxicarboxílicos
Ácido acético
Flavonoides
Taninos
Antraquinonas
Saponinas
Metal quelatado
Fe, Zn, Mn, Cu, Ca,
Mg, Mo, Co
Cu
Mn, Al
Mn, Cu
Cu
Ca
Cu
Ca
Fe, Zn, Al, Cu
Mn, Fe, Ag, Au, Pd,
Pt, Hg
Al, Ba, Ca, Cu, Cr, Fe,
Ga, Mg, Mn, Hg, Pb,
Sn, Ga, Zn, Co, Mo,
Ni, Ag, U
Cr, Cu, Ni, Pb, Cd, Zn
Las fitoquelatinas son ligandos de alta afinidad que tienen como
sustrato al glutatión. Están constituidas básicamente por 3
aminoácidos: ácido glutámico, cisteína y glicina, unidos por
enlaces peptídicos.
Las metalotioneinas son polipéptidos de unos 70-75 aminoácidos
con un alto contenido en cisteína, aminoácido capaz de formar
complejos con cationes mediante el grupo sulfidrilo. Tienen una
marcada afinidad por las formas iónicas de Zn, Cd, Hg y Cu.
Fase III. Involucra la compartimentalización y detoxificación,
proceso por el cual, el complejo ligando-metal queda retenido en
la vacuola.
6. Conclusiones
El aporte de metales pesados al ciclo hidrológico procede de
diversas fuentes, siendo una de ellas de origen litogénico o
geoquímico a partir de los minerales que por causas de erosión,
lluvias, etc., son arrastrados al agua. No obstante, actualmente, la
mayor concentración es de origen antropogénico o debida a la
actividad humana.
Los estudios de calidad de las cuencas hidrográficas han adquirido
gran interés en las últimas décadas, dado el incremento de
población en sus riberas, el creciente grado de industrialización y
los aportes del sector primario.
La importancia que tiene el estudio de metales pesados en agua y
sedimentos, radica en su elevada toxicidad, alta persistencia y
rápida acumulación en los organismos vivos.
Al contrario que muchos contaminantes orgánicos, los metales
pesados, generalmente, no se eliminan de los ecosistemas
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acuáticos por procesos naturales, debido a que no son
biodegradables. Tienen tendencia a formar asociaciones con
sustancias minerales (carbonatos, sulfatos, etc.) y en mayor
grado con sustancias orgánicas, mediante fenómenos de
intercambio iónico, adsorción, quelación, formación de
combinaciones químicas, entre otros, por lo que, en una laguna,
se acumulan en el medio principalmente, en sedimentos,
hidrófitas y fauna.
Los sedimentos actúan como portadores y posibles fuentes de
contaminación por metales, ya que estos pueden ser liberados
a la columna de agua por cambios en las condiciones
ambientales, tales como el pH, potencial redox, oxígeno disuelto
o la presencia de quelatos orgánicos. Otra posibilidad es que la
presencia de tensoactivos, agentes blanqueadores y
estabilizantes, participen en la movilización de dichas
sustancias. Por tanto, el desarrollo e introducción de tecnologías
como la fitorremediación acuática, representa hoy día una
alternativa viable para la remediación de la contaminación de
cuerpos de agua lagunares.
Respecto a las plantas acuáticas, hasta la fecha sólo se ha
demostrado la síntesis de fitoquelatinas en algas marinas y de
agua dulce. Aun cuando se han realizado numerosos estudios
con el lirio (Eichhornia crassipes) y la lenteja de agua (Lemna
spp), plantas comúnmente empleadas en los sistemas de
fitorremediación acuáticos, poco se conoce sobre sus
mecanismos fisiológicos involucrados en el proceso de
detoxificación de metales pesados, debido a que la mayoría de
las investigaciones se han limitado a determinar la capacidad de
bioabsorción,
acumulación y tolerancia, quedando muchas
interrogantes por resolver sobre los ligandos que participan en
dichos mecanismos.
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