Phytoremediation of wastewater with high lead content and using Typha dominguensis and Canna generalis

Fitorremediación de aguas residuales con alto contenido de plomo utilizando Typha dominguensis y Canna generalis

Alexandra Vera ¹, Katherine Ramos ³, Eliana Camargo ³, Charity Andrade ⁵, Marisel Núñez ⁴, José Delgado ³, Carmen Cárdenas ³ Ever Morales ²

¹Departamento de Química. Facultad de Agronomía, Universidad del Zulia. Apartado Postal 526. Maracaibo 4001-A, Venezuela.

²Laboratorio de Microorganismos Fotosintéticos, Departamento de Biología, Facultad Experimental de Ciencias, Universidad del Zulia.

³Centro de Investigación del Agua. Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia.

⁴Programa de Ingeniería y Tecnología. Universidad Nacional Experimental Rafael María Baralt.

⁵Departamento de Química, Facultad Experimental de Ciencias, Universidad del Zulia. Teléfonos: (0261) 7657436, (0414)6676702; *e-mail: avera@fa.luz.edu.ve

Abstract

Key words: Phytoremediation; Lead; Typha, Canna; wastewater.

Resumen

Se evaluó el potencial fitorremediador de Typha dominguensis (Td) y Canna generalis (Cg) en la remoción de plomo de aguas residuales, utilizando humedales construidos a escala de laboratorio. El agua residual se preparó a concentraciones de 5, 10 y 15 mg.L -1 Pb. Se establecieron 9 tratamientos (3 controles sin plantas, 3 plantados con Td y 3 plantados con Cg) para las diferentes concentraciones de plomo a evaluar. El tiempo de retención hidráulico fue de 4 días; se monitoreó diariamente el pH y la alcalinidad. La remoción de Pb en los tratamientos plantados no presentó diferencia significativa con respecto a los tratamientos control, predominando en las primeras 2h de tratamiento los mecanismos fisicoquímicos de precipitación y absorción del metal al material en suspensión y la correspondiente deposición en el suelo, para acentuarse luego a las 24h debido a procesos biológicos (absorción del metal por las plantas). Cg logró absorber mayor concentración de plomo en la raíz que en las hojas, comportamiento totalmente opuesto al de Td que presentó mayor capacidad de translocación del metal, capacidad que se vio disminuida con el aumento de la concentración de Pb en el agua, quedando demostrado el rol de estas macrófitas como bioacumuladoras de Pb.

Palabras clave: Fitorremediación; Plomo; Typha; Canna; aguas residuales.

Recibido el 22 de Enero de 2016 En forma revisada el 27 de Junio de 2016  

Introducción

El agua es uno de los elementos más abundantes de la naturaleza e indispensable para la vida. Actualmente su disponibilidad es paulatinamente menor debido a la contaminación por diversos medios [1], de allí el vital interés en el tratamiento de las aguas residuales, las cuales son de composición variada e incluyen, entre otros, a contaminantes como; compuestos orgánicos (proteínas, grasas) y elementos inorgánicos (nitrógeno, fósforo, cloruros, metales); entre los metales, dependiendo del origen del agua residual podemos conseguir plomo, que es uno de los metales tóxicos más abundante y ampliamente distribuido en el medio ambiente, presentándose además en el suelo y aire. Éste contaminante inorgánico, se encuentra como elemento natural en la atmósfera, y también es liberado al ambiente por actividades humanas (baterías, pigmentos, aleaciones, soldaduras, cubiertas de cable y armamentos), causando daños en el sistema nervioso, urinario, renal y gastrointestinal del ser humano [2].

El objetivo de los tratamientos de aguas residuales es separar y/o transformar los diferentes tipos de contaminantes presentes en el agua, garantizando que posteriormente su calidad no afecte los ecosistemas acuáticos, receptores de estas aguas servidas y cumpliendo con lo exigido en la legislación, [3] estimulando al desarrollo de una serie de métodos para dicho tratamiento, que haciendo énfasis en la eliminación de metales pesados podemos conseguir: precipitación, intercambio iónico y osmosis inversa, los cuales suelen ser costosos y en algunos casos resultan ser de eficiencia limitada. [4, 5].

Reconociendo esta situación, diversos investigadores han propuesto la búsqueda de sistemas de tratamientos sostenibles, a partir de procesos observados en la naturaleza, adaptados a las necesidades de la comunidad y que no afectan el ambiente. Por tal motivo, la aplicación de sistemas de tratamiento que combinan procesos físicos, químicos y biológicos para remediar los efluentes, como lo es la fitorremediación, se hacen cada vez más factibles. Esta tecnología reduce in situ la concentración de diversos compuestos a partir de procesos bioquímicos realizados por las plantas y microorganismos asociados a ellas [6] y se apoya en el uso de humedales construidos representados por estanques superficiales rellenos con algún tipo de material de soporte (tierra, arena o grava) y plantado con vegetación tolerante a condiciones de saturación de agua, con el objetivo de tratar la contaminación de suelos y agua. [7]

En el presente trabajo se planteó evaluar el potencial fitorremediador de las macrófitas Typha dominguensis y Canna generalis , para el tratamiento de aguas residuales con alto contenido de plomo.

Parte Experimental

Se utilizó un sistema tipo humedales construidos de flujo superficial, por carga (Batch), a escala de laboratorio, para el tratamiento de agua residual sintética con concentraciones aproximadas de 5, 10 y 15 mg.L -1 de Pb.

El agua residual sintética se preparó usando como base, agua residual municipal, previamente clarificada para garantizar la disponibilidad de nutrientes, y se adicionó una solución patrón de nitrato de plomo (II) (Pb(NO 3 ) 2 ) en cantidades apropiadas para lograr las concentraciones de plomo mencionadas. Las macrófitas emergentes usadas ( Typha dominguensis y Canna generalis ) fueron colectadas en los drenajes pluviales de la Asociación de Profesores de la Universidad del Zulia (APUZ) y en los alrededores (vivero) del Centro de Investigación del Agua (CIA) respectivamente.

La investigación contó con un diseño experimental completamente al azar, con arreglo factorial de dos factores (3x3), donde el factor 1 representó el tipo de planta con 3 niveles (Sin plantas (control), Typha dominguensis y Canna generalis ) y el factor 2 la concentración del metal con 3 niveles (5, 10 y 15 mg.L -1 ), estableciéndose un total de 9 tratamientos con 2 repeticiones por tratamiento. El ensayo se realizó una (1) vez Las unidades experimentales se ubicaron en un área próxima al sistema experimental de lagunas de estabilización del Centro de Investigación del Agua (CIA) en la Universidad de Zulia, Municipio Maracaibo, Estado Zulia. Cada unidad experimental de los diferentes tratamientos, estuvo conformada por un recipiente de plástico de color negro, con medidas 34 x 64 x 27 cm, acondicionado con 13 cm de capa vegetal como sustrato, donde para el caso de los tratamientos con plantas se sembraron en cada recipiente cinco (5) plantas previamente lavadas, con una altura aproximada de 40 cm y un volumen de agua residual de 12 L para todos los tratamientos. La figura 1 muestra un esquema representativo de las unidades experimentales para cada tratamiento. El tiempo de

retención del agua en las unidades experimentales, estuvo definido en función del tiempo máximo en el cual se logró reducir aproximadamente el 90% de la concentración del metal (4 días).

Resultados y discusión

Comportamiento de las variables fisicoquímicas medidas en los humedales.

La remoción de plomo de aguas residuales en sistemas de tratamiento, sobre todo utilizando plantas, es dependiente de la variación de diversos parámetros fisicoquímicos como pH, alcalinidad, conductividad y disponibilidad de nutrientes (N y P). De estos, el pH y la alcalinidad son los más importantes ya que afectan en gran medida la eficiencia de remoción de metales en los humedales. Los valores promedios de los parámetros analizados en cada uno de los tratamientos a las diferentes concentraciones de plomo ensayadas se presentan en la tabla 1.

En lo que respecta al pH, el análisis estadístico demostró que el factor planta ejerció un efecto significativo (p‹0,05) en este parámetro, presentándose el siguiente comportamiento: C › Td › Cg ; por el contrario, la concentración de plomo no mostró diferencia significativa (p≥0,05) para este parámetro. Los resultados revelan que el pH inicial del agua residual sintética, disminuye en los tratamientos con Canna generalis , en los tratamientos con Typha dominguensis se presenta un efecto amortiguador, mientras que, el tratamiento control mostró un aumento significativo.

En el caso de la alcalinidad, al igual que en el pH se presentó diferencia significativa en cuanto al factor planta (p‹0,05); pero no para la concentración del metal (p≥0,05) siguiendo el comportamiento anteriormente descrito para el pH: C › Td › Cg ; presentándose disminución de la alcalinidad con respecto al valor inicial, en todos los tratamientos, siendo la mayor disminución en los tratamientos con Canna generalis , lo cual evidencia una correlación positiva entre estos dos parámetros.

La diferencia observada entre los tratamientos plantados y el control en cuanto a pH y alcalinidad es atribuible a diversos procesos físicos y químicos que se presentan en los tratamientos. Entre ellos: La conversión de amonio en nitritos durante la nitrificación; lo que conduce a la producción de protones. Estos iones de hidrógeno son entonces neutralizados por iones de bicarbonato. Las macrófitas, durante su proceso de liberación de oxígeno, promueven el proceso de nitrificación. No todos los protones producidos debido a la nitrificación pueden ser neutralizados por los iones bicarbonatos, lo que resulta en una disminución del pH y alcalinidad [10]. En el experimento, el aumento del pH y la menor disminución en la alcalinidad en los controles se debió a la proliferación de microalgas en el agua residual, ya que estas durante la fotosíntesis producen oxígeno y absorben dióxido de carbono, consumiendo los bicarbonatos presentes y provocando un desequilibrio en los componentes de la alcalinidad con el predominio de iones carbonatos e hidroxilos que aumentan el pH. [11]

Remoción de Plomo del agua residual

En cuanto a la remoción de plomo del agua residual en los diferentes tratamientos, el análisis estadístico no presentó diferencia significativa (p≥0,05) en la reducción de plomo en lo que respecta al factor planta destacando el siguiente orden en cuanto a remoción: Td › Cg › C (Figura 2). Sin embargo, se pudo observar diferencia significativa (p‹0,05) en cuanto a la concentración del metal destacando que a mayor concentración del metal mayor es la remoción del mismo.

En función de los resultados presentados cabe destacar que solo para el caso del tratamiento con Typha a 5mg*L -1 de Pb, se logra cumplir con lo establecido en las normas para el control de vertidos a cuerpos de agua que establece una concentración máxima de 0,5 mg*L -1 . Aun así se considera importante el porcentaje removido tomando en consideración las concentraciones que se manejaron del metal.

En la figura 2 se puede apreciar que la mayor remoción del metal se da, independiente de la concentración y del tipo de tratamiento, a las 2 horas de exposición al agua residual y potenciándose a las 21h, alcanzando la mayor remoción a las 93h de tratamiento. Esto indica que el metal pudo haberse adherido a sólidos en suspensión y depuesto sobre el suelo. Sin descartar posterior absorción por parte de las plantas en los tratamientos con Typha dominguensis y Canna generalis ; ya que las condiciones de pH presentadas en el medio hacen favorables la disponibilidad del metal para la planta en estos tratamientos. En cambio, con respecto al control la remoción se incrementó debido al aumento de pH que hace posible la precipitación del metal. El plomo se puede encontrar soluble y estable en soluciones ácidas o neutras y comienza a precipitar a pH superiores a 7,8. [13, 14] Lesage y col. 2007 citado por Marchand y col. 2010 [15,16], exponen que existen cuatro mecanismos que pueden afectar la eliminación de metales en humedales. El primero es la adsorción a los sedimentos de textura fina y de materia orgánica [17]. Además, la precipitación en forma de sales insolubles (principalmente sulfuros y oxihidróxidos), seguido de la absorción inducida por los cambios en los ciclos bioquímicos de plantas y bacterias [18] y finalmente la deposición de sólidos en suspensión debido a las tasas de flujo bajas. Esto debido a que las macrofitas emergentes promueven la sedimentación de estos sólidos en suspensión [10].

Para las partículas menos densas que el agua, la sedimentación es posible sólo después de la formación de los flóculos que se producen debido a que partículas coloidales presentes en el agua, se desestabilizan pudiendo interactuar entre ellas y unirse formando aglomerados de mayor tamaño que luego sedimentan; además, pueden adsorber otros tipos de materiales en suspensión, incluyendo los metales [19]. Todo esto conduce a la acumulación de metales en el sustrato de los humedales. Los resultados presentados son superiores a los reportados por Khan y col. 2009 [20] y Blanco y col. 2011 [21]. Los primeros obtuvieron 50% de remoción de plomo evaluando un humedal de flujo superficial plantado con macrófitas emergentes y flotantes para el tratamiento de aguas residuales industriales con concentraciones de Pb de 1,56mg*L -1 operando a un tiempo de retención hidráulico de 40h, mientras que los segundos reportaron 52,92% de remoción de Pb en humedales de flujo subsuperficial a un tiempo de retención hidráulico de 7 días, utilizando Typha dominguensis , Cyperus luzulae y Cyperus feras , para el tratamiento de aguas de producción de petróleo con concentraciones de 0,17mg*L -1 de plomo.

Concentración de plomo en el suelo y macrofitas

Los resultados sobre la concentración de plomo (mg*Kg -1 ) en el suelo y tejido vegetal de las plantas (parte aérea de las plantas y raíz) para los tratamientos C, Td y Cg a las concentraciones de 5 mg*L -1 , 10 mg*L -1 y 15 mg*L - 1 de Pb son presentadas en la tabla 2.

En lo que respecta a la absorción de plomo en el tejido vegetal de las macrofitas, se determinó el porcentaje de asimilación del metal en cada una de ellas para las diferentes concentración de plomo en el agua residual obteniéndose los siguientes valores: para Typha (5: 60,94%; 10: 47,96%; 15: 31,82%) y para Canna (5: 272,32%; 10: 357,79%; 15: 689,01%), evidenciándose en general una mayor asimilación por parte de Canna generalis , dicha asimilación aumenta con la concentración del metal en el agua residual, caso contrario a la Typha dominguensis . Además, en los resultados de la tabla 2, se puede apreciar que la Typha logra retener mayor concentración de plomo en las hojas que en la raíz y se hizo más evidente a la concentración de 5mg*L -1 plomo en el agua residual. Por el contrario, Canna logra retener mayor concentración del metal en la raíz que en la hoja y a la mayor concentración del metal en el agua residual.

  En la tabla 3 se presentan los factores de bioconcentración y translocación de plomo, para cada una de las macrófitas a las diferentes concentración del metal en el agua residual. El factor de bioconcentración (FBC) está referido a la capacidad de acumulación de metales por parte de las plantas en relación con la concentración del metal en el agua residual y recientemente está siendo reportado para muchas plantas, referenciando con un buen potencial de acumulación a aquellas especies que presenten valores superiores a 1,00. El factor de translocación (FT) está referido a la capacidad que tiene la planta de transportar el metal de la raíz a la zona área de la misma [9].

Los valores presentados de FBC y FT para Typha y Canna corroboran lo anteriormente expuesto dejando claro que Typha dominguensis bioacumula plomo en sus hojas en mayor proporción que en la raíz; ya que es capaz de translocar el metal. Sin embargo, esa capacidad de translocación y acumulación disminuye a medida que aumenta la concentración de plomo en el efluente.

En cambio, Canna generalis , logra bioacumular mayor concentración de plomo en las raíces que en las hojas dejando claro que hay poca translocación del metal y que aunque la mayor acumulación de Pb se da a la mayor concentración del metal (15mg*L -1 Pb) en el agua residual, su capacidad de translocación se ve afectada en estas condiciones. Comparando ambas plantas, Canna generalis logra en general bioacumular mayor concentración de plomo que Typha dominguensis; lo cual la cataloga como una planta hiperacumuladora y con elevado potencial para la fitorremediación de aguas residuales industriales con altas concentraciones de este metal. No obstante, Typha por el hecho de poder translocar en mayor proporción el metal a la zona cosechable de la planta hace posible la remoción definitiva del contaminante a través de la práctica de la poda, de esta forma se eliminaría completamente del sistema, para posteriormente proceder a recuperar el metal de la biomasa mediante icineración. Lo expuesto según estos resultados concuerda con lo encontrado por [20] quienes reportaron que la absorción de Pb por parte de las plantas varía de especie a especie.

Las tendencias de la absorción y la acumulación de Pb en las diferentes especies de plantas evaluadas por estos investigadores, estuvieron en el siguiente orden: Pistia stratiotes > Ceratophyllum demersum > Lemna gibba >Carex aquatitis > Typha latifolia > Juncus articulatus > Eichhornia crassipes > Scirpus cypernius > Alisma plantago- aquatica > Polygonum glabrum > Phragmites australis .

En este estudio, la concentración de metales en el tejido vegetal fue mayor en las raíces que en las partes aéreas. Las concentraciones de Pb variaron de 3,8 a 7,2 mg*kg -1 en los tejidos de la raíz; mientras que varió desde 1,5 hasta 3,2 mg*kg -1 en los tejidos aéreos. Además, encontraron que la más alta concentración de Pb (raíz y tejidos aéreos) se detectó en Pistia stratiotes con FBC en raíz y tejido aéreo de 4,8 y 2,2, respectivamente. Por lo que, suponen que esta especie vegetal es hiperacumuladora de Pb, y por lo tanto, se puede utilizar para la eliminación de Pb de aguas residuales. Cabe destacar que en este estudio se obtuvieron valores superiores a los reportados por estos investigadores; en raíz para Canna y en algunos casos en hoja para Typha.

Otros investigadores [10, 22]; expresaron que las macrófitas no son sumideros importantes para la eliminación de metales. Generalmente, sólo una pequeña cantidad de metales tomados por las raíces se transporta a los brotes [23]. La poca translocación puede ser debida al secuestro de la mayoría de los metales en las vacuolas de las células de la raíz, que puede ser una respuesta natural para aliviar los efectos potencialmente tóxicos [24]. Sin embargo, otros estudios han demostrado que los metales como el Cr, se almacenan de manera eficiente en toda la planta [25, 26].

La remoción de Pb en los tratamientos, no presentó diferencia significativa en cuanto al factor planta con eficiencias de remoción en el rango de 85,40% a 95,36%, remociones que aumentaron con la concentración de plomo en el agua residual, estando liderada por los mecanismos de absorción del metal al material en suspensión presente en el agua residual y la correspondiente deposición en el suelo y a la absorción del metal por parte de la planta.

Canna generalis logró absorber mayor concentración de Pb en la raíz que en la parte aérea, comparado con la Typha dominguensis que presentó mayor capacidad de translocación, lo cual la hace más atractiva para su implementación en sistemas a flujo continuo ya que la eliminación del metal del sistema sería total a través de la práctica de la poda. Queda demostrado el rol de estas macrofitas como bioacumuladoras de Pb en sistemas de tratamientos de aguas residuales, tipo humedales construidos.

Agradecimientos

Al Proyecto PEII 2012000184 y al Centro de Investigación Del Agua (CIA) de la Universidad del Zulia, por proporcionar el financiamiento de la investigación y permitir la utilización de sus instalaciones para la realización de la misma.

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