Rios. Tratamientos biológicos en suelos de relave+

FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Carrera Ingeniería Ambiental
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
“EVALUACIÓN PILOTO DE LA EFICIENCIA DE LOS TRATAMIENTOS
BIOLÓGICOS EN SUELOS DE RELAVE CONTAMINADOS CON
METALES PESADOS”
BLOQUE: FC-PREEMP04A1M
PROFESOR:
JORGE ANTONIO MARTÍN RODRÍGUEZ
SOSA
INTEGRANTES:
DIANA ISABEL RÍOS VALLE
STALYN JUNIOR USCAMAYTA LÁZARO
Lima – Perú
2019
Evaluación piloto de la eficiencia de los tratamientos biológicos en suelos de relave
contaminados con metales pesados
Problema de investigación
Planteamiento del problema.
La minería es una de las actividades económicas más lucrativas para el Perú, ya que, tiene
un aporte significativo en el PBI con un 13.1 % en la economía del país (BCRP, 2018). En
nuestro territorio existen concesiones mineras para la extracción de diversos minerales:
Au, Ag, Cu, Sb, Fe y Zn. Si bien esta actividad aporta a nuestra economía generando
empleos y retribuyendo a la población aledaña a los establecimientos mineros por los
impactos generados en su comunidad, también puede deteriorar la calidad de los suelos
para la agricultura, ya que, sus propiedades físicas, químicas o biológicas se ven alteradas
y los suelos se vuelven infértiles.
Los suelos contaminados con metales pesados, debido a la actividad minera, son
considerados de escaso uso agrícola, puesto que la contaminación afecta negativamente
las propiedades del suelo y, por consiguiente, la producción agrícola. Asimismo, Haddaway
et al., (2019) mencionó que la contaminación de los suelos se origina durante la etapa de
exploración y explotación, debido a que se puede ocasionar la erosión, la alteración de los
perfiles del suelo, la acidificación de los suelos y la presencia de contaminantes que no
forman parte del nivel de fondo geoquímico. Por otro lado, la minería no genera sólo
impactos en el medio ambiente sino también causa daños en el ecosistema, por ejemplo,
cuando los polutantes ingresan a la matriz terrestre, la macrofauna y microfauna, que
habitan en ella, puede sufrir efectos letales o adversos a nivel celular y tisular (Fuller, 2005).
Diversos estudios aludieron que la actividad minera origina residuos por los
procesos que extracción y exploración como relaves mineros, estos se pueden definir como
aquella fracción de suelo sólido proveniente de la actividad minera que tiene contenido de
sustancias químicas que alteran su composición natural. Wu et al., (2018) refirió que los
residuos sólidos minerales se generan en grandes cantidades como los relaves y la grava.
Asimismo, mencionó que es importante tomar medidas para las pilas de relave porque
causan un grave problema en el ambiente. Por ello, es importante hace el estudio de
remediación de suelos de relave contaminados con metales pesados, ya que, perjudican
las propiedades agrícolas del suelo.
Teniendo en cuenta estos aspectos, se ha observado en la provincia de Pataz en
la Libertad, la existencia de varias empresas mineras que explotan diversos recursos como:
Au, Ag, Cu y Zn. Pero para ello, las empresas deben cumplir los estándares de calidad
ambiental, como la construcción de depósitos de relaves para hacer la disposición de los
residuos mineros. Si bien las empresas cuentan con esas instalaciones, muchos depósitos
se encuentran al aire libre en zonas descampadas y en pleno abandono, no tomándose en
cuenta que la remediación de los suelos de relave podría contribuir con la agricultura de la
zona, puesto que así se evitaría depositar los relaves en áreas de cultivo. Dado que la
población en Pataz se dedica a sembrar tubérculos (papa, yuca, camote, oca, olluco),
cereales (trigo, maíz duro, maíz amiláceo, nuña) y verduras (tomate, zapallo, calabaza,
zanahoria, ajo, cebolla) para su propio consumo y para comercializar sus productos en
mercados del distrito (MINAGRI, 2019).
En estos casos de contaminación de los suelos por relave, la remediación se aplica
para disminuir o remover la contaminación por metales pesados. Aunque existen diversos
tratamientos o técnicas que tienen la misma finalidad de recuperar la calidad del suelo
contaminado, no todos los procedimientos poseen la misma eficiencia. Por ello, la presente
investigación realizará el análisis de tres técnicas diferentes (fitorremediación,
bioestimulación y bioaumentación) para la comparación de sus características, costo y
efectividad ante estos contaminantes. Por esta razón, se evaluará la eficiencia de los
tratamientos de suelos de relave para degradar metales pesados en la provincia de Pataz,
La Libertad.
Formulación del problema.
¿Qué tan eficientes son los tratamientos de fitorremediación, bioestimulación y
bioaumentación en suelos de relave para degradar metales pesados (As, Pb, Al, Cu y Zn)?
Objetivos
Objetivo Específico
Evaluar la eficiencia de los tratamientos de suelos de relave contaminados con metales
pesados (As, Pb, Zn y Cu) en la provincia de Pataz, La Libertad.
Objetivos Secundarios
Describir las características físicas, químicas y biológicas de los suelos provenientes de la
actividad minera.
Comparar qué tratamientos tienen una mayor o menor eficiencia en la degradación de
metales pesados del relave minero.
Determinar la calidad del suelo después de haberse utilizado los tratamientos para la
degradación de los metales pesados.
Hipótesis
El tratamiento de fitorremediación demuestra ser más eficiente que los tratamientos de
bioestimulación y bioaumentación, en los suelos de relave contaminados por metales
pesados.
Justificación.
Los suelos contaminados con metales son producto de la explotación de minerales o
recursos metálicos por la industria minera, debido a la contaminación que surge durante la
etapa extractiva de los minerales y depósitos de relaves. Estos suelos son considerados
de escaso uso agrícola, puesto que la contaminación afecta negativamente las
propiedades químicas o físicas del suelo y, por consiguiente, la producción agrícola como
la alteración en la concentración de nutrientes en las raíces y hojas (Choppala et al., 2014),
inhibición en la actividad microbiana (Xu et al., 2019) y enzimática (Khan et al.2007), y la
inhibición en el crecimiento microbiano (Tripathy, Bhattacharyya, Mohapatra, Som, &
Chowdhury, 2014).
La provincia de Pataz presenta metales pesados asociado a la actividad minera que
afectan la actividad agrícola y la seguridad alimentaria de la población, teniendo en cuenta
que la agricultura es la principal fuente de alimentos en esta provincia. Esta contaminación
también afecta a acuíferos como los lagos y ríos, que posteriormente afectan a otros
cuerpos de agua. En estos casos de contaminación de los suelos, se aplica la
biorremediación para disminuir o remover la contaminación que presenta, como los metales
pesados. Aunque existen diversos tratamientos o técnicas que tienen la misma finalidad
de recuperar la calidad del suelo contaminado, la comparación en la eficiencia que se
presenta en cada una de ellas no es completamente conocida. Ante este caso se plantea
evaluar el análisis de tres técnicas diferentes (fitorremediación, bioestimulación y
bioaumentación) en los suelos contaminados con relaves para la comparación de sus
características, costo y efectividad de cada técnica.
La investigación busca proporcionar una información útil para la remediación de los
suelos que fueron contaminados con relaves y la comparación de la eficiencia que presenta
cada uno de ellos en la restauración de la calidad del suelo permitiendo una mejora en el
uso de la técnica estudiada. Además, la investigación contribuye a ampliar la información
sobre la efectividad de las técnicas para la restauración de los suelos, obteniendo datos
cuantitativos-comparativos para un mejor análisis con otros estudios similares u otras
técnicas nuevas de remediación, como también de servir de referencia en tratamientos con
otro tipo de microorganismos y plantas, permitiendo mejorar los resultados de sus
tratamientos para una posterior aplicación.
Marco de referencial
Antecedentes.
Chang et al. (2018) realizaron un estudio con el objetivo de caracterizar nueve especies de
plantas nativas, previamente identificadas como posibles hiperacumuladoras, de las áreas
afectadas por los relaves de las minas en la región de Ancash. El estudio tuvo un diseño
exploratorio teniendo como muestra tres sitios de muestreo (Huancapetí, Mesapata y Santa
Rosa de Jangas) y nueve especies de plantas nativas. En la metodología, se utilizaron
métodos oficiales de USEPA (1994) en la determinación de metales en plantas y suelo,
además, de determinar la bioacumulación y el factor de translocación para identificar qué
especies podrían ser más adecuadas para fines de fitorremediación. Las concentraciones
de metales más altas en los brotes fueron en Werneria nubigena, Pennisetum clandestinum
y Medicago lupulina y para en las raíces fueron en Juncus bufonius y M. lupulina. Los
resultados obtenidos sugieren que estas plantas tienen un gran potencial para la
fitorremediación del suelo, dada su capacidad para acumular y transferir metales y su
tolerancia a ambientes altamente contaminados con metales en la región andina.
Un estudio similar se realizó en China por parte de Liu, Hamuti, Abdulla, Zhang y
Mao (2016) que tiene por objetivo, evaluar el alcance de la acumulación de metales en las
plantas que se encuentran en el área de dos relaves de las minas en Aletai, en la parte
noroeste de China. El estudio tuvo un diseño experimental, se recolectaron brotes y raíces
de las 19 especies de plantas y las muestras de suelo asociadas, las cuales fueron
analizadas por el método de espectrometría de absorción atómica de llama para las
concentraciones de Pb, Cu, Zn y Cd. En los resultados, no se identificaron especies de
plantas como hiperacumuladores metálicos, pero se identificó que la especie Spiraea
media Schmidt fue la más adecuada para la fitoestabilización de Cu y la especie Polygonum
aviculare tiene el potencial como un hiperacumulador, especialmente en fitoextracción para
Cu. Estos resultados sugieren que algunas plantas nativas que crecen en el área de relaves
de las minas pueden tener potencial de fitorremediación.
Un estudio realizado por Kogbara, Ogar, Okparanma y Ayotamuno (2016) buscó
comparar la efectividad de la bioaumentación, la bioestimulación, la combinación de ambas
técnicas, complementadas con fitorremediación, en la descontaminación de los esquejes
de perforación petrolera. Se utilizó un diseño comparativo y experimental. La muestra
estuvo conformada por la mezcla de suelo de recorte de perforación y suelo no
contaminado para proporcionar un medio para el crecimiento de las plantas. En la
metodología se utilizó tres opciones de tratamiento de biorremediación: opción A,
bioaumentación complementada con fitorremediación; opción B, combinación de
bioestimulación y bioaumentación complementada con fitorremediación; opción C,
bioestimulación complementada con fitorremediación; y la opción O, mezcla de suelo sin
tratamiento.
Se obtuvo una disminución en la concentración inicial de hidrocarburos totales de
petróleo (TPH, siglas en ingles) de 4,114 mg kg−1 por 5.5%, 68.3%, 75.6% y 48% en las
opciones O, A, B y C, respectivamente, y unas ligeras reducciones en las concentraciones
de As, Ba y Ni que van del 1% al 16% en las opciones tratadas en comparación con el 05% en el control no tratado. Se concluye que la opción A puede ser muy eficaz en el
tratamiento de recortes de perforación, sin embargo, la opción C puede resultar mejor en la
descontaminación de los esquejes de perforación de petróleo a los niveles más bajos
aceptados ambientalmente comúnmente aceptados.
Además, hay una similitud en el estudio de Agnello, Bagard, van Hullebusch,
Esposito y Huguenot (2016) con la finalidad de realizar una evaluación comparativa de
cuatro estrategias de biorremediación para el tratamiento de una co-contaminados por
niveles moderados de metales pesados e hidrocarburos del petróleo. El estudio presentó
un diseño comparativo y experimental. Las muestras se recolectaron de un área urbana
cercana a una estación de combustible. El diseño experimental incluyó cuatro condiciones
experimentales: a) atenuación natural, b) fitorremediación con alfalfa, c) bioaumentación
con Pseudomonas aeruginosa y d) fitorremediación asistida por bioaumentación. El
contenido de metales pesados en las plantas de alfalfa fue limitado y siguió el orden: Zn>
Cu> Pb y el mayor grado de eliminación total de hidrocarburos del petróleo se obtuvo para
el tratamiento de fitorremediación asistida por bioaumentación (68%), seguido de
bioaumentación (59%), fitorremediación (47%) y atenuación natural (37%). En conclusión,
el uso combinado de plantas y bacterias era la opción más ventajosa para el tratamiento
del presente suelo contaminado, en comparación con la atenuación natural, la
bioaumentación o la fitorremediación como tratamientos aplicados independientemente.
Un trabajo realizado por Tamburini et al. (2017) tuvo por finalidad, determinar las
propiedades relevantes para la promoción del crecimiento de las plantas y la tolerancia a
los metales. Para el estudio se empleó un diseño experimental, las muestras fueron
recolectadas de dos sitios diferentes del valle del Río San Giorgio: el basurero de relaves
de flotación Campo Pisano y el pantano de Sa Masa. Se analizaron 21 bacterias,
pertenecientes a los géneros Novosphingobium, Variovorax, Streptomyces, Amycolatopsis
y Pseudomonas, para determinar las propiedades relevantes para la promoción del
crecimiento de las plantas Pistacia lentiscus y la tolerancia a los metales. Entre los
resultados, la bacteria Variovorax sp. RA128A pudo mejorar significativamente la
germinación, aumentar la longitud y el peso de los brotes y las raíces de los arbustos de
mastiques, incrementar la biomasa de 15-10 veces mayor y reducir Cd, Pb, y Zn de 5, 261,
938 a 4, 126, 507 mg/kg en tejidos epiteliales. Se concluyó que la fitoestabilización asistida
por bioaumentación con cepas seleccionadas autóctonas puede ser una tecnología válida
para la restauración de sitios de minas por un alto nivel de especificidad de la asociación
planta-microbio.
Marco teórico.
Suelo.
Es un cuerpo natural, dinámico y trifásico que tiene fase sólida (contenido de minerales
orgánicos e inorgánicos), líquida (microporos) y gaseosa (macroporos), también es
considerado un recurso natural vivo que sirve de medio para el crecimiento de las plantas
(Bockheim, Gennadiyev, Hammer & Tandarichd, 2005).
Factores de formación del suelo.
Su formación va a depender de cinco factores: la roca madre, el clima, el relieve, los
organismos y el tiempo. En primer lugar, la roca madre se va a fragmentar o desintegrar
mediante procesos físicos o químicos hasta formar partículas en el suelo, en segundo lugar;
en segundo lugar, el clima va a incidir sobre la cobertura vegetal y la humedad; en tercer lugar,
el relieve condiciona que cuando se tiene mayor pendiente las partículas del suelo son más
gruesas y cuando la pendiente es menor, las partículas tienen una textura más fina; en
cuarto lugar, los organismos del suelo contribuyen a la degradación de la materia orgánica
y a la mezcla de los nutrientes del suelo; y en quinto lugar, el tiempo va a formar los suelos
a través de los años, por esa razón un centímetro de suelo se forma luego de 100 años
(Bockheim, Gennadiyev, Hartemink & Brevik , 2014).
Importancia.
Los suelos son importantes porque son integradores de los ecosistemas, actúan como
filtradores de aguas y desechos, son hábitat para los microorganismos, tienen la capacidad
de autodepuración, producen y absorben gases, y son el medio de crecimiento de los
cultivos (Pereira, Bogunovic, Muñoz & Brevik , 2018).
Características físicas, químicas y biológicas.
Las propiedades físicas son aquellas que se encargan del movimiento del agua y transporte
de los nutrientes a su estructura. Estas se encuentran condicionadas por las variaciones
climáticas porque afectan la tasa de infiltración, la actividad microbiana y la humedad, y por
el relieve, debido a que las propiedades edáficas varían de acuerdo con el espacio
geográfico. Asimismo, estas propiedades son relevantes porque afectan la germinación de
las plantas, el crecimiento de las raíces y el proceso de erosión (Jat et al, 2018). Estas
propiedades son la textura, la estructura, el color, la consistencia, la porosidad, la densidad
y la tasa de infiltración.

Textura: Se refiere al tamaño de partículas del suelo, las cuales oscilan de 2 mm a 0.02
mm en el caso de la arena, de 0.02 mm a 0.002 mm para el limo y un tamaño inferior a 2
µm en el caso de la arcilla (Gee, 2005).

Color: Es un indicador que permite saber el origen geológico y la composición química
del suelo. En tanto los suelos que presentan coloraciones de color oscuro o negro tienen
presencia de materia orgánica, los de color rojo indican abundancia de hematita y se
encuentran presentes en arcillas, los que tienen colores claros o blancos tienen presencia
de carbonatos (Ca y Mg), los de color verde azulado provienen de zonas húmedas y
contienen compuestos ferrosos (Jackson, 2008).

Consistencia: Se basa en la resistencia a la capacidad de deformación o ruptura del suelo
seco, húmedo o mojado, por acción de las fuerzas de adhesión y cohesión de las partículas.
Las propiedades implicadas para determinación de la consistencia son la plasticidad, la
adhesividad, la compacidad, la friabilidad y la dureza (Wagner, 2013).

Porosidad: Es el espacio poroso dentro de una estructura de suelo, en el cual se
distinguen los macroporos y los microporos. Los macroporos permiten la aireación y
circulación de los gases en el suelo, y los microporos se encargan de la retención del agua
(Rabot, Wiesmeier, Schlüter & Vogel, 2018).

Densidad: Es la masa de suelo seco sobre un volumen determinado. Existen dos tipos
de densidad: la densidad real y la densidad aparente, la primera es una constante de los
sólidos del suelo y la segunda depende de la clase textural, por ejemplo, el arenoso tiene
un rango de 1.7 a 1.9 t/m3, el arcilloso de 1.1 – 1.3 t/m3 y el franco de 1.3 a 1.4 t/m3.
Asimismo, la densidad aparente brinda conocimientos sobre las condiciones favorables
para el crecimiento de plantas, la capacidad de retención e infiltración del agua (Hillel,
2005).
Las propiedades químicas son aquellas que alteran la composición y estructura interna del
suelo. Estas afectan la actividad biológica, el pH del suelo, modifican la dinámica del ciclo
del nitrógeno y la disponibilidad de los nutrientes (De Melo W, De Melo G, De Melo V,
Donha & De Lima, 2018). Estas son:

pH: Es el número de iones hidronios medido en una dilución, la cual se determina a través
de una escala (0-14) que indica el grado de acidez o basicidad. Un suelo con un pH de 5.5
a 6 es óptimo para la agricultura, pero un pH ácido disminuye la actividad microbiana, la
disponibilidad de nutrientes y produce la erosión e infertilidad de los suelos (Li, Chapman,
Nicol & Yao, 2018).

Conductividad eléctrica: Es la capacidad del suelo al aprovechar la concentración de
sales. Por ello, existe una relación directa entre el número de partículas que tienen
contenido de sales y la conductividad eléctrica, es decir, cuando se presenta una mayor
concentración de sales la conductividad es elevada (Bai, Kong & Guo, 2013).

Intercambio iónico: Es la capacidad que tienen las moléculas para unirse o separarse
unas de otras. Esta propiedad se da porque las partículas del suelo tienen cargas
negativas, como es el caso de la arcilla, en la cual se unen iones de carga positiva
(cationes). A su vez, permite determinar la capacidad de suelo para intercambiar nutrientes.
Las propiedades biológicas permiten el dinamismo dentro del suelo, aportando mayor
cantidad de nutrientes. Está interacción de los microorganismos (bacterias, hongos,
actinomicetos) con el suelo, permite la formación del ciclo del nitrógeno y del fósforo, la
degradación de la materia orgánica y un mayor crecimiento de las plantas. La biomasa del
suelo es muy diversa, tiene como géneros bacterianos más predominantes a
“Pseudomonas”, “Nitrosomonas”, “Bacillus”, “Azotobacter”, Thiobacillus” y “Rhyzobium”. En
el caso de los actinomicetos, están “Nocardia”, “Streptomyces” y “Frankia”, y en relación a
los hongos están “Penicillium”, “Aspergillus”, “Rhizopus” y “Trichoderma” (Hillel, 2005).
Relaves
Son desechos de roca triturada con fluidos procedentes de la actividad minera, que se
encuentran en fracciones de suelo con elementos o compuestos químicos derivados del
proceso de extracción o combustibles minerales (Kossoff et al., 2014).
Características de los relaves
Asimismo, Kossoff et al. (2014) menciona que los relaves van adquirir propiedades físicas
y químicas de acuerdo al proceso de extracción y el tipo de mineral. De modo que las
partículas de los relaves presentan una forma irregular y angular, lo cual impone una alta
fricción. Respecto a su tamaño va a depender del origen de la madre, por ejemplo, la
grava (< 2 mm), la arcilla (<3.9 μm) la arena (625μm a 2 mm) y el limo (3.9-625μm). Si bien
la densidad aparente varía de acuerdo a la clase textural, el rango aproximado para los
relaves es de 1.8 a 1.9 tn/m3 debido a la compactación (Kossoff et al., 2014).
Por lo general, la composición química de los relaves depende de los yacimientos
minerales, pero se puede encontrar con mayor frecuencia de: silicatos, Fe, Al, Ca, K, Mg,
Mn, Na, P, Ti y S. Además, se pueden generar altas concentraciones de metales pesados
como As, Cu, Pb y Zn, por los procesos de extracción de los minerales que no son
totalmente eficientes.
Las propiedades de los relaves no son adecuadas para el crecimiento y la
producción de las plantas, debido a la alta concentración de los metales pesados, mala
nutrición, alta acidez, limitaciones físicas, salinización y alcalinización (Sun et al., 2018).
Los metales pesados también pueden afectar a los animales a través de la cadena
alimenticia que, por consecuente, puede afectar a los humanos mediante el consumo de
alimentos contaminados (Sun et al., 2018).
Depósitos para relaves mineros
El volumen de relaves es mayor que el mineral extraído, lo cual genera un problema para
su depósito, ya que es necesario utilizar grandes presas o embalses para poder
almacenar los relaves. Ante esa situación se construyen estructuras con dimensiones de
gran tamaño, con el fin de almacenar todos estos residuos, y evitar su dilución en
ambientes acuáticos (lagos, ríos, aguas subterráneas). Puesto que una inadecuada
construcción de este tipo de depósitos, provoca la contaminación de las aguas y tiene
implicancias en la cadena alimentaria.
Impactos de los relaves mineros con metales pesados
La presencia de relaves mineros en los suelos con altas cantidades de metales pesados
tiene impactos perjudiciales en el ecosistema (Dary, Chamber-Perez, Palomares &
Pajuelo, 2010). Estos impactos pueden afectar, de manera negativa a las propiedades del
suelo y a las plantas. Por ejemplo, provoca dificultades en el crecimiento natural de las
plantas a causa de sus características fisicoquímicas como la alta salinidad, alto pH,
deficiencia de materia orgánica, baja capacidad de retención de agua, altas
concentraciones de metales pesados y fertilidad del suelo (Wang, Ji, Liu & Sun, 2017).
Además, inhiben la actividad enzimática del suelo, causando el trastorno del
crecimiento de las plantas (Sun et al., 2018), provocando la reducción de la tasa de
germinación de las semillas, el retraso del crecimiento, la disminución del rendimiento, el
amarilleo de las hojas, el retraso del tiempo de floración (Chen et al., 2015). Asimismo,
estos contaminantes afectan los procesos biológicos y los componentes celulares,
disminuyen la respiración de la rizófora de la planta, la capacidad de infiltración del agua,
la absorción de nutrientes e inhiben la mitosis de las células (Kaur, Singhm, Batish &
Kohli, 2014).
Por otro lado, la ingesta de alimentos contaminados con metales pesados causa
diversos problemas a la salud humana como: cáncer gastrointestinal, mecanismos
inmunológicos frágiles, retraso del crecimiento mental y desnutrición (El-Kady y AbdelWahhab, 2018). Los metales pesados pueden acumularse en los huesos o tejidos grasos
por la ingesta diaria, lo que lleva a una disminución de los nutrientes esenciales y al
debilitamiento de las defensas inmunológicas (Rai, Lee, Zhang, Tsang & Kim, 2019),
también ciertos metales (Al, Cd, Mn y Pb) causan un retraso del crecimiento intrauterino
(Rai, 2018).
Por otra parte, los metales pesados y metaloides (As, Cd, Cr, Hg y Pb) han
amenazado tanto la seguridad alimentaria como la salud humana, alterando la
metabolómica humana, induciendo a la morbilidad y mortalidad (Rai, Lee, Zhang, Tsang
& Kim, 2019) como la contaminación por plomo que afecta el crecimiento mental, provoca
enfermedades neurológicas y cardiovasculares en las personas, en especial a los niños
(Al-Saleh, Al-Rouqi, Elkhatib, Abduljabbar & Al-Rajudi, 2017). Asimismo, la acumulación
de ciertos metales (Cd, Hg, Ni, Zn, U) en las personas provoca trastornos reproductivos,
función renal deteriorada, osteoporosis, retraso del crecimiento y anemia, entre otras
enfermedades (McIntyre, 2003).
Tratamientos fisicoquímicos para estabilizar o remediar los relaves mineros
Remediación electrocinética (RE)
Es una técnica de remediación física que permite recuperar el suelo contaminado con
metales, por medio del flujo electroosmótico, electromigración, difusión y electroforesis
(Chu et al., 2018) que aprovecha las propiedades conductivas del suelo para separar y
extraer los contaminantes del suelo (Volke & Velasco, 2002). Además, la reparación
electrocinética protege el medio ambiente a bajo costo por la fácil instalación y operación.
El principio de la remediación electrocinética es la aplicación de una corriente continua
de baja intensidad a través del suelo entre los electrodos de cerámica, una matriz de
cátodos y una matriz de ánodos, causando que los iones y el agua se muevan hacia los
electrodos y los iones metálicos, iones de amonio y compuestos orgánicos cargados
positivamente se mueven hacia el cátodo (Van Deuren, Lloyd, Chhetry, Liou, & Peck,
2002).
Solidificación/estabilización (S/E)
Implica una mezcla del suelo contaminado y reactivos cementosos para disminuir la
solución disponible química o físicamente, la biodisponibilidad y la lixiviación de
contaminantes, al tiempo que mejora las características del suelo (Ma et al., 2018). La
solidificación encapsula o atrapa al contaminante formando un material sólido y la
estabilización restringe la solubilidad o movilidad del contaminante, debido a la adición
de materiales (Volke & Velasco, 2002). La tecnología de S/E es un método económico,
práctico y eficaz para el tratamiento de suelo con metales pesados (Duan et al., 2019).
Las técnicas de S/E se pueden combinar con otros métodos para producir un producto o
material adecuado para la eliminación en tierra o, en otros casos, que se pueden aplicar
para un uso beneficioso (Van Deuren et al., 2002).
Estabilización fisicoquímica
La estabilización se basa en la modificación de las propiedades químicas por el uso de
aditivos (cal, cemento, cenizas, cemento asfaltico, resinas, etc.), los cuales se encargan
de neutralizar los contaminantes del suelo (Patel, 2019). Por otra parte, se han realizado
varios estudios de la estabilización de los suelos con cemento, determinándose que este
aditivo tiene gran capacidad de inmovilizar y reducir los metales pesados del suelo (Ojuri,
Adavi & Oluwatuyi, 2017).
Adición de enmiendas
Goss, Tubeileh y Goorahoo (2013) refieren que la enmienda es el material adicionado al
suelo con la finalidad de mejorar sus propiedades físicas, químicas y microbiológicas, ya
que aumentan la capacidad de retención del agua, brindan una mayor biodisponibilidad
de nutrientes, mejoran la capacidad de intercambio iónico y la actividad microbiana.
Asimismo, el uso de las enmiendas orgánicas como compost o turba, contienen gran
proporción de materia orgánica humificada, lo que contribuye a la adsorción de metales
pesados producto de la formación de sustancias complejas húmicas.
España et al. (2019) menciona que el uso de enmiendas orgánicas de lodo de
cerdos tiene propiedades potenciales para neutralizar los ácidos de los relaves mineros,
pero estas inhiben el crecimiento de las plantas por la formación de inhibidores volátiles.
Además, se puede emplear: estiércol de cerdo, lodos de aguas residuales y residuos de
mármol en el mejoramiento de la calidad de suelos de los depósitos de los relaves mineros
(Zanuzzi, Arocena, Van Mourik & Faz Cano, 2009).
Tratamientos biológicos para estabilizar o remediar los relaves mineros
Bioventing
Es una tecnología de biorremediación in situ que radica en la ventilación forzada en el suelo
por medio de la inyección del oxígeno en la superficie no saturada mediante pozos de
inyección, la aireación favorece la biodegradación natural de los compuestos
biodegradables, ya que, al incrementar la aireación del suelo, estimula y mantiene la
actividad microbiana (Benavides et al., 2006). Además, esta remediación se utiliza para
remediar las liberaciones de productos derivados del petróleo, como la gasolina, los
combustibles para reactores, el queroseno y el combustible diésel (EPA, 2001). Asimismo,
la degradación de los residuos de combustible adsorbidos, los compuestos volátiles se
biodegradan a medida que los vapores se mueven lentamente a través de un suelo
biológicamente activo (Van Deuren et al., 2002).
Bioestimulación
Es un método de remediación biológica in situ que emplea la incorporación de nutrientes y
aceptores de electrones a través del suelo contaminado (Volke & Velasco, 2002) para
incrementar la actividad microbiana, estimular el metabolismo y la velocidad de crecimiento
de los degradadores (Margesin, Zimmerbauer & Schinner, 2000). La bioestimulación tiene
como finalidad de impedir la movilidad de los contaminantes (Volke & Velasco, 2002),
acelerar la tasa de biodegradación en condiciones ambientales favorables (Wu et al., 2016)
y aumenta la actividad de los microorganismos de diferentes cepas (Wołejko, Wydro &
Loboda, 2016).
Bioaumentación
Esta técnica de remediación implica el uso de cultivos microbianos que fueron cultivados
especialmente para la degradación de contaminantes específicos, es decir, los
microorganismos se aíslan para acelerar el crecimiento de la población microbiana en
condiciones ambientales severa, para promover la biodegradación o la biotransformación
de los contaminantes (Marks, Wujcik & Loncar, 1994). Además, este tratamiento se utiliza
de inmediato para un sitio contaminado que presenta una microflora autóctona insuficiente
en número o capacidad degradadora (Volke & Velasco, 2002). La bioaumentación es de
menor costo y más amigable con el medio ambiente a comparación de los tratamientos
fisicoquímicos (Nzila, Razzak & Zhu, 2016).
Biolabranza
Consiste en la mezcla con agentes de volumen, nutrientes y la ejecución de una labranza,
periódicamente, para favorecer la aireación, teniendo como ventaja un proceso de bajo
nivel tecnológico, que permite una facilidad en la manipulación y control de las variables de
diseño y control (Duran & Contreras, 2006). Asimismo, la distribución controlada de
desechos orgánicos en suelos contaminados permite incrementar la carga bacteriana y a
su vez la degradación aerobia de los contaminantes (Martínez, Sánchez, Martínez, Núñez
de Cáceres & Octavio, 2016) y estas condiciones adecuadas facilita el crecimiento y
desarrollo de la población microbiana transformando el contaminante en dióxido de
carbono y agua (Iturbe, 2010).
Fitorremediación
Es un método de remediación biológico, eficaz, de bajo impacto ambiental y costo (Sun et
al., 2018) que emplea plantas hiperacumuladoras que tiene un potencial de acumular,
degradar o reducir diferentes contaminantes orgánicos y metales pesados (Ojuederie,
2017), estas plantas deben tener una alta producción de biomasa, amplia distribución de
las raíces y la capacidad de acumular y tolerar los contaminantes (Gomes et al., 2013). La
fitorremediación se puede resumiren dos procesos: la biodegradación de contaminantes
orgánicos en el suelo o el agua subterránea y la absorción en los tejidos de las plantas a
través de sus raíces (Harvey et al., 2002).
Marco Conceptual
Suelo
Es un recurso vivo, dinámico y trifásico, que sirve de medio para el crecimiento de las
plantas y cultivos (Bockheim, Gennadiyev, Hammer & Tandarichd, 2005).
Metales pesados
Son elementos químicos tóxicos que provocan daños en la salud humana e impactos en el
medio ambiente, que se caracterizan por tener una densidad mayor a 4 g/cm3. Dentro de
este grupo se encuentran el plomo (Pb), el mercurio (Hg), el aluminio (Al), el arsénico (As),
el cromo (Cr), el cadmio (Cd), la plata (Ag), el cobre (Cu) y el zinc (Zn) (Vodyanitskii, 2016).
Relaves mineros
Desechos de la actividad minera que se encuentran en fracciones de suelo con elementos
o compuestos químicos derivados del proceso de extracción o combustibles minerales
(Kossoff et al., 2014).
Suelos de relave con metales pesados
Los suelos con relave son provenientes de la actividad minera, derivados del proceso de
extracción de los minerales contienen altas concentraciones de metales pesados (Kossoff
et al., 2014).
Tratamiento biológico
Métodos de remediación eficientes y de bajo costo, que emplean organismos vivos (plantas
y microorganismos) para degradar o reducir diferentes contaminantes orgánicos y metales
pesados de una matriz terrestre o acuática (Sun et al., 2018).
Fitorremediación
Es un método de remediación biológico que emplea plantas que tiene la capacidad de
acumular, degradar o reducir contaminantes presentes en el suelo como los contaminantes
orgánicos o metales pesados (Ojuederie, 2017).
Bioestimulación
Es la incorporación de nutrientes y aceptores de electrones que permite incrementar la
actividad de microorganismos autóctonos, con la finalidad de inmovilizar los contaminantes
y acelerar la tasa de biodegradación de los contaminantes en condiciones ambientales
optimas (Wu et al., 2016).
Bioaumentación
Consiste en el uso de cultivos microbianos que fueron cultivados especialmente para la
degradación de contaminantes específicos, es decir, los microorganismos se aislan para
acelerar el crecimiento de la población microbiana en un suelo contaminado (Volke &
Velasco, 2002).
Variables
Definición
Dimensiones
Indicadores
Son suelos provenientes
de la actividad minera,
derivados del proceso de
extracción
de
los
minerales, que contienen
altas concentraciones de
metales
pesados
(Kossoff et al., 2014).
Concentraciones
derivadas
del
proceso
de
extracción
d
e minerales.
Identificación de
las características
físicas y químicas
de los suelos de
relave.
Presencia de las
concentraciones
de contaminantes
en las muestras de
relave mineros.
Método
Tipo y nivel de investigación
La investigación llevará a cabo un estudio básico observacional, de nivel explicativo y
carácter analítico (Hernandéz, Fernández & Baptista, 2014), vinculado a los suelos con
relaves de metales pesados generados por la actividad minera aurífera en la provincia de
Pataz, La Libertad. Por ello, el estudio aportará conocimientos sobre la eficiencia de los
tratamientos biológicos en suelos contaminados con impactos potenciales en la agricultura
y la salud de los pobladores. A nivel explicativo, pretende establecer las causas de sucesos
o fenómenos que se observan en los tratamientos de fitorremediación, bioestimulación y
bioaumentación aplicados a los suelos contaminados.
Diseño de investigación
El diseño será de tipo experimental de forma cuasi-experimental porque se realizará un
análisis y comparación del grupo experimental, tratamientos biológicos, y el grupo control.
Hernandéz, Fernández y Baptista (2014) mencionan que este tipo de diseño se realiza con
el fin de abordar un problema muy poco estudiado, por lo que su realización permite hacer
estudios más estructurados. Asimismo, este estudio pretende comparar los tratamientos
biológicos para determinar su eficiencia en inhibir la presencia de metales pesados en
suelos de relave.
Por ello, la investigación se limitará a observar los tratamientos biológicos
mencionados aplicados en los suelos contaminados. Los análisis de la información se
harán mediante el empleo de métodos cuantitativos y cualitativos.
Muestra
La muestra será de tipo intencional porque se establecerá criterios para la extracción de
suelos de relave como la presencia de coloraciones en el suelo producto de los metales
pesados, un pH ácido y la ausencia de cultivos o plantas. Asimismo, para el desarrollo del
experimento se excluirán las áreas que cuenten con presencia de flora y áreas que se
encuentren aledañas a la explotación.
Para ello se hará uso de una prueba en tres tratamientos más un control con cuatro
réplicas para cada uno, donde se analizará los suelos de relave contaminados por metales
pesados en los tratamientos biológicos y el control.
Técnica
Se empleará la técnica de espectrometría de absorción atómica que consiste en la
medición de las especies atómicas por su absorción a una longitud de onda particular
mediante un equipo que muestra los espectros de los contaminantes, los cuales ayudan a
determinar las concentraciones de metales pesados que oscilan entre ppb a ppm.
Figura 1. Esquema de un sistema de espectroscopía de absorción atómica
En la Figura 1 muestra el esquema de la técnica de espectrometría de absorción atómica
que presenta cuatro principales partes: primero, la fuente de radiación que emitirá una haz
de luz; segundo, atomizador que consiste en la transformación de la muestra en átomos
en estado de vapor; tercero, monocromador que selecciona y separa las longitudes de
onda formado por el rayo de luz; y por último, el detector (tubo fotomultiplicador) que
transforma la señal luminosa en señal eléctrica para ser analizada (Gonzáles, 2017).
Plan de análisis
A nivel cuantitativo, la presencia de concentraciones de metales pesados en el suelo de
relave se evaluará momentos antes y después de los tratamientos mediante la prueba de
espectrometría de Absorción Atómica. Luego, se extraerán los datos obtenidos por el
equipo para comparar las concentraciones de los metales pesados en cada uno de los
tratamientos. Para ello se utiliza la prueba estadística U de Mann-Whitney, cuyos datos
serán procesados en el software IBM SPSS Statistics versión 18 (Guisande, Vaamonde &
Barreiro, 2013).
El análisis de concentraciones de metales pesados en los tratamientos biológicos
brindará información sobre la inhibición o reducción de las concentraciones, aportando la
capacidad de inhibición de los metales pesados mediante el uso de plantas y
microorganismos en los suelos de relave. Asimismo, se compararán las concentraciones
obtenidas con las mencionadas por los estándares de calidad ambiental para suelos,
tomándose en cuenta los valores de concentraciones para contaminantes inorgánicos
como el As, Cd, Pb y Hg.
Es relevante tener información sobre los diversos tratamientos que se pueden
aplicar a suelos contaminados con metales pesados porque ello permitirá buscar
tratamientos con mayor eficiencia para su recuperación.
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Anexos
Matriz de consistencia del instrumento
Suelos de relave con metales pesados
Definición
Son suelos provenientes de la
actividad minera que se
encuentran en fracciones de
suelo, derivados del proceso de
extracción de los minerales, que
contienen altas concentraciones
de metales pesados (Kossoff et
al., 2014).
Dimensiones
Indicadores
Presencia
de Concentraciones
metales pesados de metales
en los suelos de pesados.
relave.
Técnica
Espectroscopia
de
Absorción
atómica.