VALSEQUILLO - Universidad Autónoma del Estado de México

QUÍMICA Y FITOREMEDIACIÓN DE LA PRESA MANUEL ÁVILA CAMACHO
“VALSEQUILLO”, PUEBLA, PUE.
3
Paloma Carolina CEDEÑO-VALDÉS3; Dennise Lilian TELLEZ-NUÑEZ ; Fidel
3
PACHECO GARCÍA Genoveva ROSANO-ORTEGA2,3; Jorge Antonio
ASCENCIO-GUTIÉRREZ1
1
Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). 2Universidad Autónoma del Estado de
México (UAEM), Facultad de Química. 3Universidad Autónoma del Estado de
§
Puebla, A.C. (UPAEP) . Calle 21 Sur, no. 1103 Colonia Santiago, C.P. 72160,
Puebla, Puebla. México. Tel: (01222) 2 29 96 40, Fax:(01222) 2 32 52 51. E-mail:
[email protected]
Palabras clave: Biosíntesis nanopartículas metálicas, bioremediación, lirio
acuático.
RESUMEN
En este trabajo se presenta la biosíntesis de nanopartículas metálicas del
orden de 1 a 20 nm de elementos de transición utilizando la biomasa del lirio
acuático (Eichhornia crassipes) que crece como peste en la presa de Vasequillo,
Puebla. Previamente, se identificaron los cationes mayoritarios presentes en agua
residual de la presa utilizando de espectrometría de absorción atómica (AA) y, en
general los metales pesados encontrados en el agua residual, utilizada para riego,
no están en concentraciones que representen un riesgo ambiental según la NOM001-ECOL-1996. Conjuntamente, se analizó el lirio acuático a través de
Fluorescencia de Rayos-X y Activación Neutrónica, y en base a su análisis
multielemental, se concluye que el lirio es un organismo fitoacumulador de metales
pesados en donde la mayor concentración de inorgánicos se localiza en la raíz y
hoja. Adicionalmente, se identificó la selectividad de los metales retenidos en las
diferentes partes del lirio con la finalidad de seleccionar las partes de la planta que
puedan ser utilizadas para implementar el procesamiento que debe dársele con el
fin de inducir la utilización de su biomasa para la síntesis de nanopartículas
metálicas.
ANTECEDENTES
La presa de Valsequillo o “Manuel Ávila Camacho” posee una superficie de
237.9 Km2, se encuentra en el estado de Puebla, al sur de la ciudad capital (Fig.
1). Ésta se ubica dentro de una cuenca conformada al norte por los flujos de 3
ríos: el Atoyac, el Zahuapan y el Alseseca, y por una serie de drenajes de varias
barrancas directamente al sur de la presa. Las cuencas de estos ríos pertenecen a
la del río Balsas, Región Hidrológica #18, la cual tiene un área de 40, 938.6 Km2.
La presa “Manuel Ávila Camacho” fue construida entre 1941-1946 para
aprovechar los escurrimientos del río Atoyac. El embalse cubre unas 2,750 has en
la cota 2, 059 msnm y 3650 has en la cota 2,062 msnm. Inicia operaciones en
1946 para cubrir una necesidad de riego en la zona de Tecamachalco-Tehuacán.
1
Los principales cultivos irrigados con esta agua son: maíz, caña de azúcar, papa,
fríjol, chile, alfalfa, café y jitomate.
SIMBOLOGÍA
RH18 Región Hidrológica
A
Cuenca
B
Subcuenca
-------
Límite de subcuenca
Localidad
Corriente de Agua
PRESA “MANUEL ÁVILA
CAMACHO”
O
DE
VALESEQUILLO
Fuente: Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI), 2000. Carta Hidrológica
de Aguas Superficiales, 1:250 000. INEGI. Carta Topográfica, 1:50 000 (2ª edición).
(Fig. 1)
Puebla.
Localización de la presa “Manuel Ávila Camacho” o de Valsequillo,
La presa ubicada en el estado de Puebla a 5km al sur de la Ciudad de
Puebla tiene un espejo de agua de, aproximadamente, 2800 has (cota de los 2059
msnm) con una capacidad de almacenamiento de 405,000,000m3. El continuo
vertido de agentes tóxicos a este sistema acuático ha dado como resultado que la
presa se transforme en un depósito de agua de bajo contenido de oxígeno y alta
proliferación de lirio acuático (Eichhornia crassipes) que impiden el desarrollo de la
actividad pesquera y turística. Por otro lado, el lirio acuático disminuye los niveles
de contaminantes en el agua incluyendo a los metales pesados al quedarse en su
estructura y, por lo tanto, convirtiendo a estas plantas en un residuo peligroso lo
que impide su utilización como forraje para animales, materia base para muebles,
acondicionador de suelos, etc. Por lo anterior, se trata de controlar el excesivo
crecimiento del lirio acuático en la presa de Valsequillo a través de técnicas
mecánicas (trituración) en épocas de estiaje y se deja sedimentar en el embalse.
2
OBJETIVO
Caracterización del agua residual y del lirio acuático a través de técnicas de
análisis instrumentales con el fin de inducir la utilización de su biomasa para la
síntesis de nanopartículas metálicas del orden de 1 a 20nm.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
1. Identificación de la biota de la Presa de Valsequillo
Se identificó que el lirio acuático (Eichhornia Crassipes), considerado
internacionalmente como plaga, crece abundantemente en el entorno de la presa
Manuel Ávila Camacho o de Valsequillo, Puebla con una densidad de 88
individuos/m2 y una biomasa de 43 kg/m2 que impiden el desarrollo de la actividad
pesquera y turística. El contenido de humedad del lirio tiene un valor promedio de
93-95%, lo que representa un alto contenido de agua y esto favorece que sea una
planta flotante, impidiendo el paso de la luz solar y la degradación de la materia
orgánica presente en el agua residual.
2. Muestreo y Caracterización del Agua Residual
Con el fin de identificar el material inorgánico que entra en contacto con el
lirio acuático (planta considerada como una peste) se determinó el contenido de
metales pesados del agua superficial en la época de estiaje (marzo a mayo). En
esta campaña de muestreo, se recolectaron muestras simples de la superficie en
la hora de máxima concentración de oxígeno disuelto y por consiguiente de
máxima actividad biológica (13 hrs.), y a una profundidad de 20cm con respecto al
espejo de agua.
En laboratorio, se determinó por espectroscopia de absorción atómica
(NOM-AA-014-1980) los metales mayoritarios presentes en el agua de la Presa de
Valsequillo (agua residual municipal) con el objetivo de correlacionar la presencia
de estos inorgánicos en la estructura del lirio acuático. Para lo anterior y para
evitar las pérdidas de los metales por sorción a través de las paredes del
contenedor se utilizaron frascos de polietileno previamente lavados con detergente
neutro y ácido nítrico ultrapuro en una proporción de 2 mL/L de agua, y
posteriormente se refrigeraron y analizaron obteniendo lo siguiente:
(Tabla I) Metales mayoritarios contenidos en la presa de Valsequillo, Pue.
Metal
Concentración, mg/L
Cd
Zn
Ni
Fe
Mn
Cr
Pb
Cu
< 0.02
0.035
0.034
0.18
0.44
< 0.04
0.086
0.033
3
3. Muestreo de la población de lirio acuático
De la estación no. 2 “El Oasis” (zona de no turbulencia) de la Presa de
Valsequillo o Manuel Ávila Camacho se colectó 1 m2 de individuos adultos de lirio.
Los ejemplares se transportaron inmediatamente al laboratorio para su lavado y
procesamiento.
4. Procesamiento del lirio acuático
a. Lavado con agua y detergente
Las plantas colectadas se lavaron con agua corriente y detergente hasta
dejar el agua clara, es decir, sin residuos de lodos y/o detergente. Posteriormente,
los lirios se cortaron en trozos pequeños para facilitar su secado en un horno a
80+5°C/semana.
b. Segmentación
Se seccionó un lirio en etapa adulta proveniente de la Presa de Valsequillo
en las siguientes partes: a) Hoja, peciolo (nudo hoja-tallo) y tallo, b) rizoma (nudo
tallo-raíz) y c) raíz de un lirio en etapa adulta. De estas partes se hicieron cortes
transversales con una navaja de bisturí de tal forma que se visualizaran las
células, posteriormente, se llevó acabo la deshidratación de éstos.
a)
b)
c)
(Fig. 2) a) Hoja, peciolo y tallo, b) rizoma y c) raíz del lirio acuático.
c. Caracterización del lirio por Fluorescencia de Rayos-X (FRX) y
análisis por Activación Neutrónica (AxA)
Se identificaron y cuantificaron los metales contenidos en el lirio acuático
del embalse mediante espectroscopia de FRX, usando un espectrómetro Ital
Structures TX-2000 y por Activación Neutrónica (AxA). El equipo de AxA utilizado
es un espectrómetro gamma equipado con un detector de Ge hiperpuro, un
amplificador, y una fuente de alto voltaje Canberra con una computadora personal
con el programa Maestro para el análisis de los espectros. Primero, las muestras
se activaron en un reactor nuclear Triga Mark III, ubicado en el Instituto Nacional
de Investigaciones Nucleares (ININ), durante 20 horas en un flujo térmico de
neutrones de 9x1012 n cm-2 s-1; en la realización de este proceso las muestras se
dejaron decaer durante 45 días y posteriormente contadas durante una hora.
Estas determinaciones se realizaron por triplicado y se obtuvieron con referencia a
patrones preparados a partir de estándares ultrapuros.
4
En general el contenido de los metales pesados en las plantas disminuye
en el orden siguiente: raiz> tallo> hojas> frutos> semillas [Blum, 1997]. En el caso
del lirio acuático de la presa de Valsequillo fue analizado por espectrometría total
de Rayos-X y análisis de Activación Neutrónica, los resultados muestran que las
concentraciones más altas de los metales pesados se encuentran en la raíz en
relación con las partes aéreas de la planta (Tabla II). El contenido total de los
metales pesados por sección tiene el siguiente orden: raíz> rizoma> hojas>
peciolo= tallo= estolón. Como ejemplo, la concentración de Mn en la raíz es 4,300
mg/kg, en el rizoma 617 mg/kg, en las hojas 740 mg/kg y la concentración total en
toda la planta es de 6608.3 mg/kg.
(Tabla II) Contenido Inorgánico del lirio acuático de la presa de Valsequillo
5
La acumulación en porcentaje de los metales pesados por sección (Tabla
II), muestra que el lirio acuático del reservorio de Valsequillo tiene una baja
capacidad de translocación de los metales pesados ya que se encuentra el 60%
en la raíz, el 13% en las hojas, el 12% en el rizoma, y en el peciolo, tallo y estolón
el 5%, respectivamente. La concentración mas alta de metales pesados en las
hojas con relación a las otras partes aéreas de la planta, probablemente se debe a
que algunos metales pesados como Cu, Zn, Mn y Fe están involucrados en la
formación de proteínas y en el proceso de fotosíntesis en las hojas (Gülriz, 2002).
Los factores de bioacumulación en el lirio acuático (BF) disminuyen en la
secuencia siguiente: Mn> Fe> Zn> Cr> Ni> Cu (Tabla III). Esto significa que el lirio
acuático tiene una gran afinidad para incorporar metales de transición, en este
caso el Mn se acumula con mayor concentración no obstante su bajo contenido en
el agua (0.44 mg/L). Asimismo, los factores de bioacumulación en las diferentes
partes del lirio acuático muestran que la raíz (43%) tiene la mayor capacidad de
bioacumulación en la planta.
(Tabla III) Factores de Bioacumulación (BF) de metales pesados en lirio
acuático de la presa de valsequillo
De acuerdo con Cunningham y Berti (1993) y Lutts et al., (2004), las plantas
son consideradas para propósitos de fitoextracción si es que éstas contienen mas
de 10,000 mg de elementos tóxicos por kilogramo de materia seca. En el caso del
lirio acuático de la presa de Valsequillo, el contenido total de los metales pesados
es de alrededor de 10,089.18 mg/Kg d. w. (Tabla III), lo cual indica que esta planta
puede ser considerada un organismo hiperacumulador y por lo tanto puede ser
utilizada para propósitos de fitoremediación.
d. Lavado del lirio con solución ácida
Una vez seco el lirio acuático se trituró en un mortero de ágata y se agregó
HCl 0.01M a una relación 30g:1000 mL, se agitó y se dejó en reposo durante 30
minutos. Finalmente, se filtró el lirio con una tela de algodón, recuperando el
filtrado (lixiviado) y la biomasa la cual se lavó con agua deionizada a la misma
relación sólido: líquido para remover el exceso de ácido y nuevamente se procedió
a filtrar la mezcla para recuperar la biomasa y secarla a 80+5°C/semana.
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e. Caracterización biomasa
Se analizó el lirio acuático procesado a través de Microscopía Electrónica
de Barrido (SEM, bajo vacío) con el fin de asegurar que esta biomasa está libre de
metales pesados, y por lo tanto, ser útil para el método de bioreducción. Con este
fin se utilizó un microscopio Jeol JSM6400LV con detector EDS del IF-UNAM. De
acuerdo al microanálisis obtenido, se observa que el material inorgánico presente
en la biomasa del lirio acuático es despreciable.
(Fig. 3) Imagen SEM (bajo vacío) a 750X y su respectivo EDS por área de
la biomasa del lirio acuático después de su procesamiento.
f. Biosíntesis de nanopartículas metálicas
Se efectuó la síntesis de nanopartículas de Mn, del orden de 1 a 20 nm, por
el método de bioreducción utilizando la biomasa de los lirios (individuos adultos).
Para determinar las condiciones óptimas de biosíntesis (figura 4) se efectuaron
variaciones en cuanto a las variables de procesamiento del lirio acuático: ajuste de
pH, concentración de la suspensión de la biomasa, concentración de la solución
metálica, principalmente. A continuación se detalla el método implementado:
MÉTODO DE BIOSÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS METÁLICAS CON LA
BIOMASA DE LIRIO ACUÁTICO
1. Se prepara una solución del metal en estudio con agua deionizada.
2. En la balanza se pesa la biomasa de 5mg lirio/mL de agua destilada a
adicionar, la cual es vaciada en cada tubo de ensaye.
3. Los tubos de ensaye se colocan dentro de baño ultrasónico y posteriormente,
las muestras se centrifugan a 5000 rpm.
4. A cada muestra se le agrega 1mL de solución buffer en la solución de biomasa.
5. Nuevamente, las muestras se someten a baño ultrasónico y consecutivamente
se centrifugan a 5000 rpm.
6. A continuación, a cada muestra se le adiciona 1mL de solución metálica/ mL de
solución de biomasa.
7. Posteriormente, las muestras se someten a baño ultrasónico durante 20
minutos y, una vez concluido, se centrifugan a 5000rpm/20 min.
8. Teniendo cuidado de no mover las muestras, se separa el sobrenadante
(solución coloidal) del precipitado (biomasa) por decantación, este último es
desechado y la solución es analizada por Microscopía Electrónica de
Transmisión (TEM) y Microscopía Electrónica de Alta Resolución (HREM).
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(Fig. 4) Esquema que ilustra los pasos a seguir en el procesamiento del lirio
acuático y síntesis de nanopartículas metálicas por el método de bioreducción a
las condiciones más favorables.
En general, se considera que los iones taninos presentes en forma
abundante en el lirio acuático son los responsables de reducir los metales en
solución como se describe con las siguientes ecuaciones:
8
A fin de caracterizar (estructura y distribución de tamaño) las nanopartículas
de Mn sintetizadas por el método de bioreducción utilizando la biomasa de lirio
acuático, se empleó TEM y HREM utilizando un microscopio JEOL JEM-2010F
FasTem en el IF-UNAM, con este fin, se extendió una gota de la muestra en
solución en una micro-rejilla de cobre cubierta de carbón y se dejó secar al
ambiente (fig. 5).
a
5nm
b
5nm
c
5nm
70
% of particles
d
pH3
60
pH5
50
pH10
40
30
20
10
0
→1
→2
→3
→4
Size (nm)
→5
→6
6→
(Fig. 5) Análisis de distribución de tamaños (TEM) de las nanopartículas de Mn
producidas a diferentes pHs. (a) pH= 3, (b) pH= 5, (c) pH= 10
CONCLUSIONES
Se ha determinado a través de la caracterización del agua residual de la
presa los metales pesados encontrados no están en concentraciones que
representen un riesgo ambiental. Asimismo, en base al análisis multielemental del
lirio acuático, también se concluye que es un organismo fitoacumulador de metales
pesados en donde la mayor concentración de inorgánicos se localizan en la raíz y
hoja. De modo que es posible aprovechar el lirio acuático para separar metales
tanto en forma natural desde el agua y/o sedimentos, como a través de procesos
de bioreducción aprovechando la biomasa de la planta para sintetizar
nanopartículas metálicas.
En base a los resultados novedosos y favorables antes descritos es
conveniente establecer parámetros óptimos de biosíntesis de nanopartículas
metálicas a escala comercial generando miligramos de material.
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BIBLIOGRAFÍA
Lutts, S. et al. (2004). Heavy metal accumulation by the halophytic species
Mediterranean Saltbush. J. Environ. Qual. 33: 1271-1279
Blum, W.H. Cadmium uptake by higher plants. Proceedings of extended abstracts
from the fourth international conference on the biogeochemistry of trace
elements. Berkeley, USA: University of California, pp. 109-110 (1997).
Cunningham, S.D., y D.W. Ow. 1996. Promises
phytoremediation. Plant Physiol. 110:715-719.
and
prospects
of
AGRADECIMIENTOS
A las autoridades del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares
(Gerencia de Ciencias Ambientales), a la Universidad Nacional de México (Instituto
de Física) y a la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla (CESAT y
Departamento de Investigación) por el apoyo y facilidades prestadas para la
realización de este trabajo.
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