rizofiltración en el tratamiento de aguas contaminadas con uranio

RIZOFILTRACIÓN EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS
CONTAMINADAS CON URANIO
Silvia C. López(1); Mariana A. Melaj(2); Guido Tomellini(3) y Olga Martin(4)
Comisión Nacional de Energía Atómica – Avda. del Libertador 8250 – 1429 Buenos Aires –
República Argentina. Tel. 54 11 6779 8201 – Fax 54 11 6779 8540.
[email protected]
Silvia C. López es Licenciada en Ciencias Biológicas de la UBA y Especialista Universitario
Internacional en Biología Vegetal de la Universidad Politécnica de Valencia. Investigadora del Grupo
Agronómico de la Comisión Nacional de Energía Atómica en el área de nutrición vegetal y
conservación de suelos. Responsable de proyectos de investigación sobre dinámica y pérdida de
nutrientes en sistemas agrícolas y sobre bioacumulación de metales pesados.
Mariana Melaj es Licenciada en Tecnología de los Alimentos de UCA y Magister Scientiae en
Producción Vegetal UMdP-INTA. Ex becaria de Comisión Nacional de Energía Atómica. Actualmente
docente de la Universidad Católica Argentina – Facultad de Ingeniería - Ingeniería Ambiental.
Guido Tomellini se desempeña en el Laboratorio de Geoquímica de la Regional Cuyo de la
Comisión Nacional de Energía Atómica.
Olga Martin forma parte del personal técnico de la Comisión Nacional de Energía Atómica,
especializada en técnicas analíticas con uso de trazadores radiactivos y estables en investigaciones
agronómicas y ambientales.
Palabras clave : rizofiltración, uranio, remolacha, fitorremediación, bioacumulación
RESUMEN
Se estudió, a nivel laboratorio, la factibilidad de utilizar la rizofiltración para el tratamiento de
aguas contaminadas con U natural. Luego de 15 días de exposición al medio contaminado, las raíces
de Beta vulgaris habían retenido entre el 47 y el 70 % del U incorporado inicialmente y la
concentración de U en el agua de cultivo había caído más de 100 veces. No se registró translocación
a parte aérea. La retención del metal pesado puede deberse a precipitación en la rizósfera y/o
adsorción externa en la pared celular. Se discuten variables a considerar para desarrollar un sistema
de rizofiltración.
INTRODUCCIÓN
La fitorremediación se basa en la capacidad de las plantas en concentrar y/o degradar
contaminantes. Se puede considerar como la ingeniería de las plantas verdes, utilizada para remover,
contener o volver inocuos contaminantes ambientales como metales pesados, elementos traza,
compuestos orgánicos y compuestos radiactivos en suelo o agua. En este concepto se incluye todos
los procesos biológicos, químicos y físicos influenciados por las plantas, que ayudan a la absorción,
secuestro, degradación y metabolismo de los contaminantes, sea por plantas o por organismos de
vida libre que constituyen la rizósfera de las plantas.
1
La rizofiltración es una técnica de fitorremediación para decontaminar aguas, en donde el
elemento contaminante se absorbe, forma complejos e interacciona con las raíces, de modo que se
acumula en las raíces ya sea externa o internamente. La cosecha y procesamiento de las raíces es
permite eliminar el contaminante del agua. En el caso de radionucleídos se han desarrollado distintas
técnicas de fitorremediación : a) fitoextracción, en donde se busca concentrar los contaminantes en la
parte aérea de las plantas utilizando en muchos casos abonos y otras sustancias químicas al suelo
para favorecer la biodisponibilidad del contaminante; b) fitovolatilización, en donde las plantas extraen
3
radionucleídos del suelo para volatilizarlo por las hojas (ej. H); c) fitoestabilización, para estabilizar y
retener los radionucleídos en el suelo, evitando su dispersión en el ambiente; y d) rizofiltración para el
tratamiento de efluentes contaminados (Dushenkov, 2003).
La utilidad de la fitoextracción para el tratamiento de suelos contaminados con Uranio (U)
parece estar limitada, por el momento, porque no se ha encontrado una planta que permita la
translocación del U hacia la pare aérea con un factor de concentración adecuado para aplicar esta
técnica, aún cuando se adicione al suelo ácido cítrico y otros compuestos que favorecen la absorción
y translocación de U (Huang et al., 1998). La fitoestabilización en áreas extensas con niveles bajos
de contaminación evita la erosión, la dispersión de las partículas de suelo contaminado y aumenta el
consumo de agua, disminuyendo la percolación a través del suelo contaminado.
Con respecto a la rizofiltración, la principal experiencia en la decontaminación de aguas
contaminadas con Uranio (U) ha sido la realizada en Ashtabula, Ohio, Estados Unidos de
Norteamérica, a nivel piloto, con girasol (Dushenkov, et al., 1997; Dushenkov, 2003). La remolacha
(Beta vulgaris) es otra especie vegetal con capacidad de acumular U desde los suelos o en cultivos
hidropónicos (Ebbs et al., 1998; Shahardeh y Hossner, 2002).
PARTE EXPERIMENTAL
El objetivo del presente trabajo fue estudiar la capacidad potencial de plantas terrestres para
su eventual uso en tratamiento de aguas contaminadas con Uranio (U) por rizofiltración. La elección
de la planta a utilizar se realizó en función de la información bibliográfica, que era escasa, y la
facilidad en el manejo del cultivo hidropónico a emprender. La escasa información bibliográfica sobre
el tema indicaba la posible utilidad de Helianthus annus (Dushenkov et al, 1997) y de Beta vulgaris
(Ebbs et al., 1998). Elegimos la segunda especie por la simplicidad de iniciar el cultivo hidropónico
con raíz flotante.
Las semillas de Beta vulgaris fueron germinadas en bandejas con arena, hasta alcanzar el
estadio de dos hojas.
Las plántulas se transplantaron en recipientes de 4 litros de capacidad, con solución nutritiva
de Hoagland, aireada permanentemente. En cada recipiente se colocaron 20 plántulas. Cuando las
plantas alcanzaron un desarrollo de seis hojas, se agregó el U, como nitrato de uranilo.
El diseño del ensayo consistió en 6 tratamientos y 4 repeticiones, siendo los tratamientos los
que se detallan a continuación:
-1
Testigo sin plantas, con el nivel mínimo de U (1000 IgU L )
Testigo con plantas, sin U
-1
Cuatro niveles de U: 1000, 2000, 3000 y 5000 IgU L , con plantas.
La temperatura ambiente durante el ensayo fue de 23,6 ± 1,5 ºC y la humedad relativa fue de
70,3 ± 4,5 %.
Se tomaron muestras de la solución hidropónica al inicio del ensayo y a 24, 72, 144, 215, 288
y 360 horas de incorporado el U. Luego de cada muestreo se agregó agua destilada hasta completar
el volumen inicial. Se midió el volumen de agua agregado para determinar el agua consumida por las
plantas.
Las plantas fueron cosechadas a los 15 días, separadas en raíces y parte aérea, secadas a
70ºC durante 24 horas. El material vegetal seco fue molido hasta pasar malla de 2 mm. El material
molido de raíces y parte aérea fue sometido a una digestión nítrico perclórica.
2
En las muestras de la solución hidropónica y en los extractos de parte aérea, se determinó U
por fluorimetría láser en un equipo Scintrex UA-3, utilizando patrones certificados por OIEA
(Organismo Internacional de Energía Atómica). En los extractos de raíces el U fue determinado por el
método de absorción molecular o del dibenzoilmetano(DBM).
RESULTADOS
Crecimiento de las plantas
Las plantas crecieron en el medio contaminado, mostrando pocos síntomas de toxicidad en
cuanto a color y tamaño de las hojas. Después de quince días de exposición al contaminante, la
biomasa aérea y de raíces de las plantas cultivadas con U fue menor a la de las plantas cultivadas en
solución nutritiva sin agregado de U (Foto 1). La diferencia de biomasa estaría en relación con un
menor crecimiento de las plantas durante el el transcurso del ensayo y no a un efecto delétereo del
contaminante sobre tejido vegetal ya formado.
Foto 1 - Desarrollo vegetal de Beta vulgaris en un medio con concentraciones crecientes de U,
-1
comparado con el desarrollo sin U (U0). (U1:1000, U2: 2000, U3: 3000, U5: 5000 Ig L )
Recuperación del U en la solución hidropónica y en las plantas
En las primeras 24 horas después de la incorporación del U a la solución de cultivo, la
concentración del contaminante cayó drásticamente, disminuyendo en más del 99 % en todas las
concentraciones. A las 24 horas, la recuperación de U en la solución fue 100 veces menor al valor
-1
inicial en el caso de la concentración mayor (5 IgU ml ) y 1800 veces menor cuando la concentración
-1
inicial era de 2 y 3 IgU ml .
La concentración de U en la solución de cultivo alcanzó valores menores a los niveles guía de
-1
la ley 24.585, para protección de vida acuática en agua dulce superficial, 20 IgU L y para bebida
-1
humana, 100 IgU L (Figura 1).
La fase inicial rápida de reducción de U en la solución se debería a la absorción superficial
sobre las raíces de las plantas. La absorción superficial es una combinación de procesos físicos y
químicos como quelación, intercambio de iones y precipitación. Los cationes uranilo interactuarían
con los grupos carboxilo del ácido poligalacturónico y otros sitios de enlace con cargas negativas de
la pared celular (Dushenkov et al., 1997). La desaparición de U de la solución de cultivo no puede
atribuirse exclusivamente a las plantas. Los recipientes adsorbieron en superficie parte del U
agregado en la solución (ver Tabla 1), pero las raíces de las plantas de remolacha mostraron ser
competitivas en cuanto a retención de U.
3
U en solucion 5gU L-1
10000
1000
1000
100
2000
10
3000
1
5000
0,1
0
72
144
216
288
360
Tiempo (horas)
Figura 1 – Evolución de la concentración de Uranio en la solución
de cultivo. Niveles guía 24.585, para protección de vida acuática
-1 ...
en agua dulce superficial, 20 IgU L ( ) y para bebida humana,
-1 --100 IgU L ( ).
La recuperación de U en raíces varió entre el 47 y el 70 % del U agregado (Tabla 1). La
fitorremediación no implica necesariamente la entrada de los metales pesados a la célula vegetal, ya
que en muchos casos se limita a provocar la precipitación en la rizósfera y/o la adsorción en la pared
celular.
Tabla 1 – Porcentaje de Uranio recuperado en las plantas y agua consumida durante el
ensayo
Uranio agregado
a la solución
hidropónica
5gU L-1
0
Con
plantas
Sin
plantas
Uranio recuperado
Agua
consumida en solución en raíces
ml
3117
------ % -----------
1000
2367
0,062
59,4
2000
2140
0,032
47,0
3000
2498
0,048
49,7
5000
2389
0,024
70,0
1000
327
1,500
--
4
La translocación hacia la parte aérea estuvo fuertemente restringida. En la parte aérea
–1
la acumulación de U fue menor a 0,67 IgU g . Los mecanismos de exclusión de los metales
pesados pueden actuar a nivel de la pared celular, impidiendo la entrada a las células o por
otros mecanismos como el traslado de los metales pesados al interior de las vacuolas de las
raíces. De cualquier modo, el hecho de que las raíces sean los órganos de concentración es
importante para el desarrollo de sistemas de rizofiltración porque el metal pesado queda
retenido en una porción de biomasa pequeña de la planta que facilita el tratamiento posterior
del material cosechado.
El consumo de agua de las plantas en el medio con U fue menor al de las plantas sin
U, relacionado con el menor crecimiento, pero significó un gasto promedio del 62,45 % del
volumen inicial. El consumo de agua es atribuible a dos causas principales: la evaporación y la
evapotranspiración de las plantas. Sin plantas, el agua evaporada sólo alcanzó el 7,5% del
volumen inicial. Por lo tanto, en los recipientes con plantas la evapotranspiración fue una causa
muy importante de consumo de agua (Tabla 1).
Parámetros importantes en el proceso de rizofiltración en tanques
A partir de la experiencia realizada se pueden rescatar algunos puntos a tener en
cuenta en el diseño de los ensayos futuros y en desarrollo de sistemas de rizofiltración. Es
necesario destacar la necesidad de simplificar las operaciones de siembra y la dificultad de
encontrar sistemas de sostén de las plantas terrestres que sean prácticos y utilizables a escala
industrial.
Cp
Ci
Evp
Vt
Ce
Vi
Ve
Cad
Tiempo de residencia
Condiciones ambientales (Temperatura, luz)
Figura 2 – Variables involucradas en sistemas de rizofiltración.
Concentración del contaminante: Ci, al ingreso; Cp, en las plantas; Cad, adsorbido
o precipitado en el tanque sin intervención de los vegetales y Ce, al egreso del
sistema.
Vt: Capacidad volumétrica del tanque, Vi volumen de agua inicial y
Ve, volumen al egreso del sistema.
Evp : evapotranspiración
5
En cuanto a las variables a ajustar dentro del sistema, en la Figura 2 se muestra un
resumen de los parámetros que regulan el proceso de rizofiltración según Dushenkov et al,
1997 y cuya utilidad se ha comprobado durante el ensayo a pequeña escala descripto en el
presente trabajo. La evapotranspiración (Evp) está relacionada con el crecimiento vegetal.
Mientras las plantas no muestren síntomas de toxicidad que les impida el crecimiento, la
evapotranspiración puede ser importante y conveniente desde el punto de vista del tratamiento
de agua porque reduce el volumen. Sin embargo el volumen de agua en el tanque (Vt) debe
mantenerse relativamente constante para que las raíces de las plantas se encuentren siempre
en contacto con el agua. El flujo de entrada del agua o volumen de ingreso (Vi) habría que
fijarlo en función de los parámetros comentados anteriormente pero también del tiempo de
residencia de agua en el tanque. Si bien la concentración inicial (Ci) disminuye drásticamente
en las primeras 24 horas, tanto por la adsorción a paredes del recipiente (Cad) como a la
retención en la pared celular es necesario realizar ajustes para evaluar la conveniencia de
reducir el tiempo total de contacto porque esto reduciría el consumo de agua.
CONCLUSIONES
La rizofiltración de aguas contaminadas con U con Beta vulgaris es potencialmente
posible, siendo necesario efectuar el desarrollo de sistemas de tratamiento en la escala
adecuada. Desde el punto de vista del tratamiento de aguas, la reducción en volumen, causada
por la evapotranspiración de las plantas en crecimiento sería de por sí un beneficio. Pero,
además la acumulación de U en las raíces ha llevado a una recuperación de U en esta parte de
la planta, con una biomasa pequeña para procesar.
REFERENCIAS
Dushenkov, V.; Vasudev, D.; Kapulnik, Y.; Gleba, D.; Eleisher, D.; Ting, K.; Ensley, B.; 1997.
Removal of Uranium from Water Using Terrestrial Plants. Environm Sci. Technol., 31: 34683474.
Dushenkov, S. 2003. Trends in phytoremediation of radionuclides. Plant and Soil 249:1467-175.
Ebbs, Stephen; Brady, D.; and Kochian, L. 1998. Role of uranium speciation in the uptake and
translocation of uranium by plants. J. Exp.Botany, 49: 1183 - 1190.
Huang, J.W.; Blaylock, MJ.; Kapulnik, Y.; Ensley, B. 1998. Phytoremediation of uranikum
contaminated soils: role of organic acids intriggering uranium hyperaccumulation in plants.
Environ.Sci. Technol. 32: 2004-2008.
Shahandeh, H.; Hossner, L. 2002. Role of soil properties in phytoaccumulation of Uranium.
Water, Air, and Soil Pollution 141: 165-180.
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