Las tecnologías de bioremediación, tales como la fitorremediación de suelos, se han revelado como una necesidad acuciante, ya que permiten recuperar los ambientes contaminados por metales pesados e impedir su continua toxicidad sobre los organismos vivos.
De manera cotidiana estamos expuestos a a los efectos de gran variedad de metales pesados. Estos provienen del suministro de agua, la cadena alimentaria o del aire ambiental, el cual puede presentar elevadas concentraciones por su cercanía a diferentes fuentes de emisión.
Como ejemplo destacable de su toxicidad sobre las poblaciones humanas, cabe recordar la tragedia de Love Canal en la ciudad de Niagara (USA), cercana a Nueva York. Esta ciudad fue construída a sabiendas a mediados de los 50 literalmente sobre un vertedero de residuos industriales, lo cuales procedían de la actividad de una fábrica de químicos años antes de la edificación de los nuevos barrios residenciales. Las lluvias y los movimientos de aguas causaron un gran impacto en el suelo y en los acuíferos de uso humano, produciendo el resurgimiento de los residuos industriales que contaminaron e hicieron inhabitable los terrenos de la ciudad a finales de los 70, y que los habitantes consumieron a lo largo de décadas de forma inconsciente por infiltraciones a través del suministro de agua.
Trabajos de remediación en Love Canal mostrando equipos de movimiento de tierra y casas abandonadas en el fondo (Fuente: Digital Collections – University at Buffalo Libraries).
Por otra parte, un estudio de Yabe et al (2010) reveló que cerca del 30% de la población infantil en China tiene niveles de plomo (Pb) en sangre por encima de los límites de seguridad (>100 g/L), causándoles gran variedad de daños a órganos y sistemas corporales.
Otro ejemplo destacable de contaminación por presencia de metales pesados en el ambiente se produjo entre 1951 y 1978, en el poblado de Heshan, también en China. Cerca de las explotaciones agrícolas del poblado hubo durante este periodo una fábrica de procesado de Arsénico (As), la cual causó una profunda polución con altos niveles de As de los terrenos cercanos, que afectó a 400 trabajadores de las explotaciones agrícolas causándoles diferentes tipos de cáncer inducidos por este metal, entre ellos de piel, hígado, pulmones, colorectal o de útero.
Dentro de los metales pesados se encuentran los metales de transición, ciertos lantánidos, metaloides y actínidos. Entre ellos, del total de 92 elementos que existen en la naturaleza, 30 de ellos son especialmente tóxicos para los humanos: Be, B, Li, Al, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, As, Se, Sr, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, W, Pt, Au, Hg, Pb, y Bi. El mercurio (Hg) y el Arsénico (As) se siguen usando en la minería de oro y como conservantes en la industria maderera, y el tetraetil sigue siendo el mayor aditivo del petróleo. Los elementos con mayor toxicidad son arsénico (As), cadmio (Cd), cobalto (Co), cromo (Cu), cobre (Cr), manganeso (Mn) y níquel (Ni). El Mn, Hg, Pb, y el As interfieren en el correcto funcionamiento del sistema nervioso central. Hg, Pb, Cd, y Cu causan problemas en los órganos relacionados con la excreción, especialmente los riñones, mientras que la formación de los huesos y los dientes se ve alterada por los efectos del Ni, Cd, Cu, y Cr.
Su entrada en los ecosistemas se produce desde diferentes fuentes: a través del desgaste geológico, la exploración en busca de minerales, la erosión de los suelos, los vertidos industriales y el uso agrícola de químicos para el control de epidemias y enfermedades. Sin embargo, los suelos son los mayores sumideros de metales pesados debido a las emisiones y vertidos por parte de diferentes actividades humanas, y tienen una persistencia muy elevada a no ser que se apliquen medidas de eliminación y sustracción. Uno de sus principales efectos, que actúa transformando la ecología y los ciclos biogeoquímicos medioambientales, es a nivel de las comunidades bacterianas de los suelos, alterando y disminuyendo su capacidad de descomposición de la materia orgánica y del reciclado de los nutrientes, lo que aumenta la toxicidad y contaminación de estos terrenos.
La presencia de metales pesados en los suelos también afecta a la plantas de manera considerable, de modo que aquellas que no han desarrollado cambios metabólicos de tolerancia a su presencia mueren. Su intoxicación es debida a la inhibición de sus enzimas citoplasmáticas, el deterioro de sus pigmentos fotosintéticos y el daño a la estructura celular provocado por el estrés oxidativo, a los que da lugar éste tipo de contaminación. Las que son tolerantes se ven fuertemente afectadas en su desarrollo y crecimiento, lo que repercute especialmente en un drástico descenso de su productividad, así como en la introducción de los metales pesados en la cadena alimentaria, y por ende en nuestra dieta.
Entro los principales sistemas que hemos desarrollado para el tratamiento de estos focos de toxicidad ambiental se encuentran la fitorremediación y la bioremediación mediante el uso de comunidades bacterianas. Pasemos a profundizar en las claves de cada una de ellas y en su potencial descontaminante.
Varias de las prácticas actuales para la remediación de metales en el suelo fallan a la hora de gestionar de manera discreta el problema de contaminación, debido los daños añadidos producidos por las técnicas en que se basan: como la excavación, el dumping y la encapsulación. Medidas como la inmovilización o las técnicas de extracción pueden representar además un gran coste económico, mientras que la fitorremediación es barata y muestra una importante ventaja, especialmente con respecto a la reducción del coste por encima de otras tecnologías de remediación fisicoquímicas.
La clave de su ventaja se debe a que la fitorremediación se practica fácilmente in situ, y debido a que su desarrollo solo requiere de energía solar, requiere de poco o ningún mantenimiento una vez iniciada. Por lo tanto, la tendencia del mercado de descontaminación se está inclinando hacia la fitorremediación, y especialmente en los Estados Unidos, estimándose su mercado total en 100 a 150 millones de dólares por año.
Por otra parte, la fitorremediación es respetuosa con el medio ambiente, y potencialmente puede controlar la erosión o la lixiviación de contaminantes procedentes de las zonas contaminadas. Este proceso también reduce la exposición de los sustratos contaminados para los seres humanos, la vida silvestre y el medio ambiente. De este modo, el éxito de la fitorremediación aplicada en suelos contaminados con metales pesados es evidente en estaciones militares, industriales y campos agrícolas.
Posee ciertas limitaciones que afectan a su implementación: especialmente la temperatura, altitud, tipo de suelo y la facilidad para el movimiento del equipo agrícola. Además, el pH, la materia orgánica, la capacidad de intercambio catiónico del suelo, las especies de plantas y cultivos y la edad de las plantas puede afectar a su capacidad de absorción de metales pesados.
Más de 400 especies son hiperacumuladores de metales, entre las que encontramos tanto plantas terrestres y de humedales. Dieferentes grupos de investigación han estudiado la capacidad de acumulación de metales pesados por ciertas especies, determinando que especies de Brasssica spp., como B. juncea L., B. juncea L. Czern, B. napus L. y B. rapa L.,presentan acumulaciones elevadas de Zn y Cd.
Por otra parte, plantas con elevada biomasa, tales como los sauces, también pueden utilizarse para la fitorremediación de terrenos; Plantas con baja biomasa que poseen potencial de hiperacumulación, especialmente Thlaspi y especies de Arabidopsis, también se pueden utilizar con estos fines. El número de especies vegetales con capacidad para hiperacumular metales a niveles de concentración superiores a 1000 mg/kg de peso seco es de 4 para Arsénico (As), 14 para plomo (Pb), 1 para cadmio (Cd), >320 para niquel (Ni), 34 para cobre (Co), 20 para selenio (Se) y 34 para cobre (Cu).
Los metales pesados se acumulan en humedales, terrenos en los que previamente se han desarrollado actividades mineras y en explotaciones agrícolas. Su acumulación y toxicidad se debe especialmente a la acción humana, tanto por sus esfuerzos de urbanización de determinados territorios, su actividades extractivas a nivel industrial y la persecución del incremento de la productividad y eficiencia agraria.
A nivel de los humedales, el jacinto de agua (Eichhornia crassipes Mart. Solms) ha sido utilizado en prácticas de fitorremediación por su capacidad para absover y translocar metales pesado en los humedales de Erh-Chung, en Taiwán. El potencial del jacinto de agua para translocar los metales se produce en el siguiente orden: Zn< Ni< Cd. Además presenta capacidades de bioconcentración cuando se planta en ambientes acuáticos con bajas concentraciones de metales específicos.
En las raíces de la planta se acumulan concentraciones de 3 a 15 veces más elevadas que las concentraciones acumuladas en los brotes. Por lo tanto, el orden de absorción en relación a las concentraciones que pueden alcanzarse en raíces de la planta es Cu> Zn > Ni > Pb > Cd. Además, la capacidad de absorción del jacinto de agua es de 0.24, 5.42, 21.62, 26.17 y 13.46 kg/ha para Cd, Pb, Zn, Cu y Ni, respectivamente. El potencial de fitorremediación del jacinto de agua, de este modo, es relevante, ya que puede extraer el Cd, Cu, Pb y Zn a partir de aguas residuales.
En cuanto a las tierras afectadas por la minería, en este caso de estaño, la capacidad de la fitorremediación fue estudiada por Muhammad Aqil Ashraf et al. (2012). El área de siembra se encontraba en un sitio que anteriormente había sido utilizado para la minería de estaño en Bestari Jaya, Malasia. Esta área abarcaba 8 hectáreas con suelos de textura arenosa.
En sus experimentos, se utilizaron nueve especies de plantas para la evaluación de sus habilidades fitoextractivas en la reducción de metales (Pb, Cu, Zn, As y Sn) de suelos contaminados; estas especies incluyen a Cyperus rotundus L., Imperata cylindrica, Lycopodium cernuum, Melastoma malabathricum, Mimosa pudica Linn, Nelumbo nucifera, Phragmites L., Pteris vittata L. y Salvinia molesta. De acuerdo a la cantidad (peso seco) acumulados por cada planta, sus hallazgos indicaron que C. ROTUNDUS L., I. cilíndricas, N. nucifera, Phragmites australis L. y P. L. vittata acumulan 658, 245, 288, 345, y 278 mg kg-1 de metales, y sus factores de bioconcentración son aproximadamente de 0,40, 0,32, 0,57, 0,71 y 0,65, respectivamente. Las proporciones de fitoextracción que producen son 86%, 42%, 56%, 49% y 31% de Sn, Zn, As, Cu y Pb, respectivamente.
De modo que, estas especies vegetales presentan potencial para el éxito de la fitorremediación en lugares mineros de estaño en regiones como la de la Malasia peninsular.
Por último, en cuanto a la aplicación de la fitorremediación en explotaciones agrícolas, se desarrolló un estudio en 2006 en campos contaminados por metales pesados en Changhua, en el centro de Taiwan. El área contaminada, de 1,3 ha, lo estaba principalmente por la presencia de Cr, Cu, Ni y Zn. Se utilizaron 12 especies de plantas las cuales acumularon grandes concentraciones de metales en sus ramas, a diferencia de su tendencia natural a acumularlos en las raíces. Las especies, presentadas en orden creciente de menor a mayor capacidad de acumulación son: garden canna y garden verbena (45–60 mg Cr kg−1), Chinese ixora y kalanchoe (30 mg Cu kg−1), rainbow pink y girasoles (30 mg Ni kg−1), y French marigold y sunflower (300–470 mg Zn kg−1).
Como conclusión, como datos desatacables de estos estudios: la fitorremediación requiere de 3-20 años para reducir las concentraciones de metales pesados presentes en el ambiente, tales como el Cr, Cu, Ni, y el Zn.
De este modo, con el debido tratamiento permite que se recuperen las condiciones naturales y se vuelvan a generar actividades con sus correspondientes beneficios económicos en esos terrenos anteriormente perdidos por la polución.
Y qué hay de las técnicas de biorremediación utilizando comunidades microbioanas, tales como la bioaumentación, bioatenuación y la bioestimulación. Veremos sus potenciales de descontaminación en próximos artículos.
Images credits: khadi Ganiev, welcomia, A3pfamily, Save Jungle, Perfect Lazybones /shutterstock.com
Referencias:
Environmental Reviews, 2018, 26(2): 156-168, https://doi.org/10.1139/er-2017-0045
https://www.iagua.es/blogs/laura-f-zarza/historias-agua-2-desastre-love-canal
