Fitorremediación - Phytoremediation

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Las tecnologías de fitorremediación utilizan plantas vivas para limpiar el suelo, el aire y el agua contaminados con contaminantes peligrosos. Se define como "el uso de plantas verdes y los microorganismos asociados, junto con enmiendas del suelo adecuadas y técnicas agronómicas para contener, eliminar o hacer inofensivos los contaminantes ambientales tóxicos". El término es una amalgama del griego phyto (planta) y el latín remedium (restablecimiento del equilibrio). Aunque atractiva por su costo, no se ha demostrado que la fitorremediación resuelva ningún desafío ambiental significativo en la medida en que se haya recuperado el espacio contaminado.

La fitorremediación se propone como un enfoque rentable basado en plantas de remediación ambiental que aprovecha la capacidad de las plantas para concentrar elementos y compuestos del medio ambiente y desintoxicar varios compuestos. El efecto de concentración resulta de la capacidad de ciertas plantas llamadas hiperacumuladores para bioacumular sustancias químicas. El efecto de remediación es bastante diferente. Los metales pesados ​​tóxicos no se pueden degradar, pero los contaminantes orgánicos pueden ser y son generalmente los principales objetivos de la fitorremediación. Varias pruebas de campo confirmaron la viabilidad de utilizar plantas para la limpieza ambiental .

Fondo

La fitorremediación se puede aplicar a suelos contaminados o ambientes de agua estática. Esta tecnología ha sido cada vez más investigada y empleada en sitios con suelos contaminados con metales pesados ​​como cadmio , plomo , aluminio , arsénico y antimonio . Estos metales pueden causar estrés oxidativo en las plantas, destruir la integridad de la membrana celular , interferir con la absorción de nutrientes , inhibir la fotosíntesis y disminuir la clorofila de las plantas .

La fitorremediación se ha utilizado con éxito en la restauración de trabajos mineros de metal abandonados y en sitios donde se han vertido bifenilos policlorados durante la fabricación y la mitigación de las descargas de minas de carbón en curso, lo que reduce el impacto de los contaminantes en el suelo, el agua o el aire. Contaminantes como metales, pesticidas, solventes, explosivos y petróleo crudo y sus derivados, han sido mitigados en proyectos de fitorremediación en todo el mundo. Muchas plantas, como la mostaza , el berro alpino , el cáñamo y la cenicienta han demostrado tener éxito en la hiperacumulación de contaminantes en los sitios de desechos tóxicos .

No todas las plantas pueden acumular metales pesados ​​o contaminantes orgánicos debido a las diferencias en la fisiología de la planta. Incluso los cultivares de la misma especie tienen distintas capacidades para acumular contaminantes.

Ventajas y limitaciones

  • Ventajas :
    • el costo de la fitorremediación es menor que el de los procesos tradicionales tanto in situ como ex situ
    • la posibilidad de recuperación y reutilización de metales valiosos (por empresas especializadas en "fitominería")
    • preserva la capa superior del suelo , manteniendo la fertilidad del suelo
    • Aumenta la salud del suelo , el rendimiento y los fitoquímicos de las plantas.
    • El uso de plantas también reduce la erosión y la lixiviación de metales en el suelo.
  • Limitaciones :
    • La fitorremediación se limita a la superficie y profundidad que ocupan las raíces.
    • con los sistemas de remediación basados ​​en plantas, no es posible prevenir completamente la lixiviación de contaminantes al agua subterránea (sin la eliminación completa del suelo contaminado, que en sí mismo no resuelve el problema de la contaminación)
    • la supervivencia de las plantas se ve afectada por la toxicidad de la tierra contaminada y el estado general del suelo
    • La bioacumulación de contaminantes, especialmente metales, en las plantas puede afectar a productos de consumo como alimentos y cosméticos, y requiere la eliminación segura del material vegetal afectado.
    • al absorber metales pesados, a veces el metal se une a la materia orgánica del suelo , lo que hace que no esté disponible para que la planta la extraiga

Procesos

Proceso de fitorremediación

Una variedad de procesos mediados por plantas o algas se prueban para tratar problemas ambientales:

Fitoextracción

Ver también: proceso de fitoextracción
Algunos metales pesados ​​como el cobre y el zinc se eliminan del suelo subiendo a las raíces de las plantas.

La fitoextracción (o la fitoacumulación o la fitosecuestración ) explota la capacidad de las plantas o algas para eliminar los contaminantes del suelo o el agua y convertirlos en biomasa vegetal cosechable. Las raíces absorben sustancias del suelo o del agua y las concentran por encima del suelo en la biomasa vegetal. Los organismos que pueden absorber grandes cantidades de contaminantes se denominan hiperacumuladores . La fitoextracción también puede ser realizada por plantas (por ejemplo, Populus y Salix ) que absorben niveles más bajos de contaminantes, pero debido a su alta tasa de crecimiento y producción de biomasa, pueden eliminar una cantidad considerable de contaminantes del suelo. La fitoextracción ha crecido rápidamente en popularidad en todo el mundo durante los últimos veinte años. Normalmente, la fitoextracción se utiliza para metales pesados ​​u otros inorgánicos. En el momento de la eliminación, los contaminantes se concentran típicamente en un volumen mucho menor de materia vegetal que en el suelo o sedimento inicialmente contaminados. Después de la cosecha, quedará un nivel más bajo del contaminante en el suelo, por lo que el ciclo de crecimiento / cosecha generalmente debe repetirse en varios cultivos para lograr una limpieza significativa. Después del proceso, se remedia el suelo.

Por supuesto, muchos contaminantes matan a las plantas, por lo que la fitorremediación no es una panacea. Por ejemplo, el cromo es tóxico para la mayoría de las plantas superiores a concentraciones superiores a 100 μM · kg − 1 de peso seco.

La minería de estos metales extraídos mediante fitominería es una forma concebible de recuperar el material. Las plantas hiperacumuladoras suelen ser metalofitas . La fitoextracción inducida o asistida es un proceso en el que se agrega al suelo un líquido acondicionador que contiene un quelante u otro agente para aumentar la solubilidad o movilización de los metales para que las plantas puedan absorberlos más fácilmente. Si bien estos aditivos pueden aumentar la absorción de metales por parte de las plantas, también pueden conducir a grandes cantidades de metales disponibles en el suelo más allá de lo que las plantas pueden trasladar, lo que puede provocar una posible lixiviación al subsuelo o al agua subterránea.

Ejemplos de plantas que se sabe que acumulan los siguientes contaminantes:

Ver también: 'Tabla de hiperacumuladores'

Fitoestabilización

La fitoestabilización reduce la movilidad de sustancias en el medio ambiente, por ejemplo, al limitar la lixiviación de sustancias del suelo . Se centra en la estabilización y contención a largo plazo del contaminante. La planta inmoviliza los contaminantes uniéndolos a las partículas del suelo, haciéndolos menos disponibles para la absorción de plantas o humanos. A diferencia de la fitoextracción, la fitoestabilización se centra principalmente en secuestrar contaminantes en el suelo cerca de las raíces, pero no en los tejidos vegetales. Los contaminantes se vuelven menos biodisponibles, lo que reduce la exposición. Las plantas también pueden excretar una sustancia que produce una reacción química, convirtiendo el contaminante de metales pesados ​​en una forma menos tóxica. La estabilización da como resultado una reducción de la erosión, la escorrentía y la lixiviación, además de reducir la biodisponibilidad del contaminante. Una aplicación de ejemplo de fitoestabilización es el uso de una capa vegetal para estabilizar y contener los relaves de la mina .

Fitodegradación

Las raíces segregan enzimas que degradan (descomponen) los contaminantes orgánicos del suelo.

La fitodegradación (también llamada fitotransformación) utiliza plantas o microorganismos para degradar contaminantes orgánicos en el suelo o dentro del cuerpo de la planta. Los compuestos orgánicos son degradados por enzimas que secretan las raíces de las plantas y estas moléculas son absorbidas por la planta y liberadas a través de la transpiración. Este proceso funciona mejor con contaminantes orgánicos como herbicidas, tricloroetileno y metil terc- butil éter .

La fitotransformación da como resultado la modificación química de sustancias ambientales como resultado directo del metabolismo de las plantas , lo que a menudo resulta en su inactivación, degradación (fitodegradación) o inmovilización (fitoestabilización). En el caso de contaminantes orgánicos , como pesticidas , explosivos , solventes , químicos industriales y otras sustancias xenobióticas , ciertas plantas, como Cannas , hacen que estas sustancias no sean tóxicas por su metabolismo . En otros casos, los microorganismos que viven en asociación con las raíces de las plantas pueden metabolizar estas sustancias en el suelo o el agua. Estos compuestos complejos y recalcitrantes no pueden descomponerse en moléculas básicas (agua, dióxido de carbono, etc.) por moléculas vegetales y, por lo tanto, el término fitotransformación representa un cambio en la estructura química sin una descomposición completa del compuesto. El término "hígado verde" se usa para describir la fitotransformación, ya que las plantas se comportan de manera análoga al hígado humano cuando se trata de estos compuestos xenobióticos (compuesto extraño / contaminante). Después de la absorción de los xenobióticos, las enzimas vegetales aumentan la polaridad de los xenobióticos al agregar grupos funcionales como los grupos hidroxilo (-OH).

Esto se conoce como metabolismo de fase I, similar a la forma en que el hígado humano aumenta la polaridad de fármacos y compuestos extraños ( metabolismo de fármacos ). Mientras que en el hígado humano las enzimas como el citocromo P450 son las responsables de las reacciones iniciales, en las plantas las enzimas como las peroxidasas, fenoloxidasas, esterasas y nitroreductasas desempeñan el mismo papel.

En la segunda etapa de la fitotransformación, conocida como metabolismo de fase II, se agregan biomoléculas vegetales como glucosa y aminoácidos al xenobiótico polarizado para aumentar aún más la polaridad (conocida como conjugación). Esto es nuevamente similar a los procesos que ocurren en el hígado humano donde la glucuronidación (adición de moléculas de glucosa por la clase de enzimas UGT, por ejemplo, UGT1A1 ) y reacciones de adición de glutatión ocurren en los centros reactivos del xenobiótico.

Las reacciones de fase I y II sirven para aumentar la polaridad y reducir la toxicidad de los compuestos, aunque se observan muchas excepciones a la regla. La mayor polaridad también permite un fácil transporte del xenobiótico a lo largo de los canales acuosos.

En la etapa final de la fitotransformación (metabolismo de fase III), se produce un secuestro del xenobiótico dentro de la planta. Los xenobióticos se polimerizan de manera similar a la lignina y desarrollan una estructura compleja que queda secuestrada en la planta. Esto asegura que el xenobiótico se almacene de forma segura y no afecte el funcionamiento de la planta. Sin embargo, estudios preliminares han demostrado que estas plantas pueden ser tóxicas para los animales pequeños (como los caracoles) y, por lo tanto, es posible que las plantas involucradas en la fitotransformación deban mantenerse en un recinto cerrado.

Por lo tanto, las plantas reducen la toxicidad (con excepciones) y secuestran los xenobióticos en la fitotransformación. La fitotransformación del trinitrotolueno se ha investigado extensamente y se ha propuesto una vía de transformación.

Fitoestimulación

La fitestimulación (o rizodegradación) es la mejora de la actividad microbiana del suelo para la degradación de contaminantes orgánicos, típicamente por organismos que se asocian con las raíces . Este proceso ocurre dentro de la rizosfera , que es la capa de suelo que rodea las raíces. Las plantas liberan carbohidratos y ácidos que estimulan la actividad de los microorganismos, lo que resulta en la biodegradación de los contaminantes orgánicos. Esto significa que los microorganismos pueden digerir y descomponer las sustancias tóxicas en formas inofensivas. Se ha demostrado que la fitestimulación es eficaz para degradar los hidrocarburos del petróleo, los PCB y los PAH. La fitestimulación también puede involucrar plantas acuáticas que sostienen poblaciones activas de degradadores microbianos, como en la estimulación de la degradación de atrazina por hornwort .

Fitovolatilización

Luego, los contaminantes se descomponen y los fragmentos se transforman y volatilizan posteriormente a la atmósfera.

La fitovolatilización es la eliminación de sustancias del suelo o el agua con liberación al aire, a veces como resultado de la fitotransformación a sustancias más volátiles y / o menos contaminantes. En este proceso, los contaminantes son absorbidos por la planta y, a través de la transpiración, se evaporan a la atmósfera. Esta es la forma más estudiada de fitovolatilización, donde la volatilización ocurre en el tallo y las hojas de la planta; sin embargo, la fitovolatilización indirecta ocurre cuando los contaminantes se volatilizan desde la zona de la raíz. El selenio (Se) y el mercurio (Hg) a menudo se eliminan del suelo mediante fitovolatilización. Los álamos son una de las plantas más exitosas para eliminar los COV mediante este proceso debido a su alta tasa de transpiración.

Rizofiltración

La rizofiltración es un proceso que filtra el agua a través de una masa de raíces para eliminar sustancias tóxicas o nutrientes en exceso . Los contaminantes permanecen absorbidos o adsorbidos a las raíces. Este proceso se utiliza a menudo para limpiar el agua subterránea contaminada mediante la plantación directamente en el sitio contaminado o mediante la eliminación del agua contaminada y proporcionándola a estas plantas en una ubicación fuera del sitio. En cualquier caso, sin embargo, normalmente las plantas se cultivan primero en un invernadero en condiciones precisas.

Contención hidráulica biológica

La contención hidráulica biológica ocurre cuando algunas plantas, como los álamos, extraen agua hacia arriba a través del suelo hacia las raíces y hacia afuera a través de la planta, lo que disminuye el movimiento de contaminantes solubles hacia abajo, más profundamente en el sitio y en el agua subterránea.

Fitodesalinización

La fitodesalinación utiliza halófitas (plantas adaptadas a suelos salinos) para extraer sal del suelo y mejorar su fertilidad.

Papel de la genética

Los programas de mejoramiento y la ingeniería genética son métodos poderosos para mejorar las capacidades de fitorremediación natural o para introducir nuevas capacidades en las plantas. Los genes para la fitorremediación pueden provenir de un microorganismo o pueden transferirse de una planta a otra variedad mejor adaptada a las condiciones ambientales en el sitio de limpieza. Por ejemplo, los genes que codifican una nitroreductasa de una bacteria se insertaron en el tabaco y mostraron una eliminación más rápida del TNT y una mayor resistencia a los efectos tóxicos del TNT. Los investigadores también han descubierto un mecanismo en las plantas que les permite crecer incluso cuando la concentración de contaminación en el suelo es letal para las plantas no tratadas. Algunos compuestos naturales biodegradables, como las poliaminas exógenas , permiten que las plantas toleren concentraciones de contaminantes 500 veces más altas que las plantas no tratadas y absorban más contaminantes.

Hiperacumuladores e interacciones bióticas

Se dice que una planta es un hiperacumulador si puede concentrar los contaminantes en un porcentaje mínimo que varía según el contaminante involucrado (por ejemplo: más de 1000 mg / kg de peso seco para níquel , cobre , cobalto , cromo o plomo ; o más de 10.000 mg / kg para zinc o manganeso ). Esta capacidad de acumulación se debe a la hipertolerancia o fitotolerancia : el resultado de la evolución adaptativa de las plantas a ambientes hostiles a través de muchas generaciones. Varias interacciones pueden verse afectadas por la hiperacumulación de metales, incluida la protección, las interferencias con plantas vecinas de diferentes especies, el mutualismo (incluidas las micorrizas , el polen y la dispersión de semillas), el comensalismo y la biopelícula .

Tablas de hiperacumuladores

Fitocribado

Como las plantas pueden trasladar y acumular tipos particulares de contaminantes, las plantas pueden usarse como biosensores de contaminación del subsuelo, lo que permite a los investigadores delinear rápidamente las columnas de contaminantes. Se han observado disolventes clorados, como el tricloroetileno , en los troncos de los árboles en concentraciones relacionadas con las concentraciones de agua subterránea. Para facilitar la implementación en el campo de la detección fitosanitaria, se han desarrollado métodos estándar para extraer una sección del tronco del árbol para su posterior análisis de laboratorio, a menudo mediante el uso de un barrenador de incremento . El fitosanálisis puede conducir a investigaciones de sitios más optimizadas y reducir los costos de limpieza de sitios contaminados.

Ver también

Referencias

Bibliografía

enlaces externos