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Fitorremediación

Las tecnologías de fitorremediación utilizan plantas vivas para limpiar el suelo, el aire y el agua contaminados con contaminantes peligrosos. [1] Se define como "el uso de plantas verdes y microorganismos asociados, junto con enmiendas adecuadas del suelo y técnicas agronómicas para contener, eliminar o hacer inofensivos los contaminantes ambientales tóxicos". [2] El término es una amalgama del griego phyto (planta) y el latín remedium (restaurar el equilibrio). Aunque atractiva por su costo, no se ha demostrado que la fitorremediación solucione ningún problema ambiental significativo en la medida en que se haya recuperado el espacio contaminado.

La fitorremediación se propone como un enfoque rentable basado en plantas para la remediación ambiental que aprovecha la capacidad de las plantas para concentrar elementos y compuestos del medio ambiente y desintoxicar diversos compuestos sin causar contaminación adicional. [3] El efecto de concentración resulta de la capacidad de ciertas plantas llamadas hiperacumuladoras para bioacumular sustancias químicas. El efecto de remediación es bastante diferente. Los metales pesados ​​tóxicos no se pueden degradar, pero los contaminantes orgánicos sí, y generalmente son los principales objetivos de la fitorremediación. Varios ensayos de campo confirmaron la viabilidad de utilizar plantas para la limpieza ambiental . [4]

Fondo

La recuperación del suelo es un proceso costoso y complicado. Los métodos tradicionales implican la eliminación del suelo contaminado, seguido del tratamiento y la devolución del suelo tratado. [ cita requerida ]

La fitorremediación podría ser, en principio, una solución más rentable. [5] La fitorremediación se puede aplicar a suelos contaminados o a entornos de agua estancada. Esta tecnología se ha investigado y empleado cada vez más en sitios con suelos contaminados con metales pesados ​​como cadmio , plomo , aluminio , arsénico y antimonio . [6] Estos metales pueden causar estrés oxidativo en las plantas, destruir la integridad de la membrana celular , interferir con la absorción de nutrientes , inhibir la fotosíntesis y disminuir la clorofila de las plantas . [7]

La fitorremediación se ha utilizado con éxito para restaurar minas de metales abandonadas y lugares donde se han vertido bifenilos policlorados durante la fabricación, y para mitigar los vertidos de minas de carbón en curso, reduciendo el impacto de los contaminantes en los suelos, el agua o el aire. [ cita requerida ] En proyectos de fitorremediación en todo el mundo se han mitigado contaminantes como metales, pesticidas, disolventes, explosivos [8] y petróleo crudo y sus derivados. Muchas plantas, como la mostaza , el pennycress alpino , el cáñamo y el amaranto , han demostrado ser eficaces para hiperacumular contaminantes en lugares de residuos tóxicos .

No todas las plantas son capaces de acumular metales pesados ​​o contaminantes orgánicos debido a diferencias en la fisiología de la planta. [9] Incluso los cultivares dentro de la misma especie tienen diferentes capacidades para acumular contaminantes. [9]

Ventajas y limitaciones

Ventajas

Limitaciones

Procesos

Proceso de fitorremediación

Se están probando una variedad de procesos mediados por plantas o algas para tratar problemas ambientales.: [ cita requerida ]

Mecanismos involucrados en la fitorremediación de hidrocarburos [12]

Fitoextracción

Algunos metales pesados, como el cobre y el zinc, se eliminan del suelo al ascender a las raíces de las plantas.

La fitoextracción (o fitoacumulación o fitosecuestros ) explota la capacidad de las plantas o algas para eliminar contaminantes del suelo o el agua en biomasa vegetal cosechable. También se utiliza para la minería de metales como compuestos de cobre (II). Las raíces absorben sustancias del suelo o el agua y las concentran por encima del suelo en la biomasa vegetal [10] Los organismos que pueden absorber grandes cantidades de contaminantes se denominan hiperacumuladores . [13] La fitoextracción también puede ser realizada por plantas (por ejemplo, Populus y Salix ) que absorben niveles más bajos de contaminantes, pero debido a su alta tasa de crecimiento y producción de biomasa, pueden eliminar una cantidad considerable de contaminantes del suelo. [14] La fitoextracción ha estado creciendo rápidamente en popularidad en todo el mundo durante los últimos veinte años aproximadamente. Normalmente, la fitoextracción se utiliza para metales pesados ​​​​u otros inorgánicos. [15] En el momento de la eliminación, los contaminantes suelen estar concentrados en un volumen mucho menor de materia vegetal que en el suelo o sedimento contaminado inicialmente. Después de la cosecha, un nivel menor del contaminante permanecerá en el suelo, por lo que el ciclo de crecimiento/cosecha generalmente debe repetirse en varios cultivos para lograr una limpieza significativa. Después del proceso, se remedia el suelo. [ cita requerida ]

Por supuesto, muchos contaminantes matan a las plantas, por lo que la fitorremediación no es una panacea. Por ejemplo, el cromo es tóxico para la mayoría de las plantas superiores en concentraciones superiores a 100 μM·kg−1 de peso seco. [16]

La extracción de estos metales mediante fitominería es una forma concebible de recuperar el material. [17] Las plantas hiperacumuladoras suelen ser metalófitas . La fitoextracción inducida o asistida es un proceso en el que se añade al suelo un fluido acondicionador que contiene un quelante u otro agente para aumentar la solubilidad o movilización de los metales de modo que las plantas puedan absorberlos más fácilmente. [18] Si bien estos aditivos pueden aumentar la absorción de metales por parte de las plantas, también pueden dar lugar a grandes cantidades de metales disponibles en el suelo más allá de lo que las plantas pueden translocar, lo que provoca una posible lixiviación al subsuelo o al agua subterránea. [18]

Ejemplos de plantas que se sabe que acumulan los siguientes contaminantes:

Fitoestabilización

La fitoestabilización reduce la movilidad de las sustancias en el medio ambiente, por ejemplo, al limitar la lixiviación de sustancias del suelo . [9] Se centra en la estabilización y contención a largo plazo del contaminante. La planta inmoviliza los contaminantes uniéndolos a las partículas del suelo, haciéndolos menos disponibles para la absorción vegetal o humana. [ cita requerida ] A diferencia de la fitoextracción, la fitoestabilización se centra principalmente en secuestrar contaminantes en el suelo cerca de las raíces, pero no en los tejidos vegetales. Los contaminantes se vuelven menos biodisponibles, lo que resulta en una menor exposición. Las plantas también pueden excretar una sustancia que produce una reacción química, convirtiendo el contaminante de metal pesado en una forma menos tóxica. [10] La estabilización da como resultado una reducción de la erosión, la escorrentía y la lixiviación, además de reducir la biodisponibilidad del contaminante. [15] Un ejemplo de aplicación de la fitoestabilización es el uso de una capa vegetal para estabilizar y contener los relaves de la mina . [27] Algunas enmiendas del suelo disminuyen la movilidad de las fuentes de radio, mientras que en algunas concentraciones las mismas enmiendas aumentarán la movilidad. [28] [29] Vidal et al. 2000 encontraron que las esteras de raíces de las gramíneas de pradera son efectivas para desmovilizar materiales de fuentes de radio, especialmente con ciertas combinaciones de otras prácticas agrícolas. [28] [29] Vidal también encontró que la mezcla particular de gramíneas hace una diferencia significativa. [28] [29]

Fitodegradación

Las raíces secretan enzimas que degradan (descomponen) los contaminantes orgánicos del suelo.

La fitodegradación (también llamada fitotransformación) utiliza plantas o microorganismos para degradar contaminantes orgánicos en el suelo o dentro del cuerpo de la planta. Los compuestos orgánicos son descompuestos por enzimas que secretan las raíces de la planta y estas moléculas son absorbidas por la planta y liberadas a través de la transpiración. [30] Este proceso funciona mejor con contaminantes orgánicos como herbicidas, tricloroetileno y metil terc -butil éter . [15]

La fitotransformación resulta en la modificación química de sustancias ambientales como resultado directo del metabolismo de la planta , a menudo resultando en su inactivación, degradación (fitodegradación) o inmovilización (fitoestabilización). En el caso de contaminantes orgánicos , como pesticidas , explosivos , solventes , químicos industriales y otras sustancias xenobióticas , ciertas plantas, como Cannas , vuelven estas sustancias no tóxicas por su metabolismo . [31] En otros casos, los microorganismos que viven en asociación con las raíces de las plantas pueden metabolizar estas sustancias en el suelo o el agua. Estos compuestos complejos y recalcitrantes no pueden descomponerse en moléculas básicas (agua, dióxido de carbono, etc.) por las moléculas de la planta y, por lo tanto, el término fitotransformación representa un cambio en la estructura química sin la descomposición completa del compuesto. El término "Hígado Verde" se utiliza para describir la fitotransformación, [32] ya que las plantas se comportan de manera análoga al hígado humano cuando tratan con estos compuestos xenobióticos (compuesto extraño/contaminante). [33] [34] Después de la absorción de los xenobióticos, las enzimas vegetales aumentan la polaridad de los mismos añadiendo grupos funcionales como grupos hidroxilo (-OH). [ cita requerida ]

Esto se conoce como metabolismo de fase I, similar a la forma en que el hígado humano aumenta la polaridad de los fármacos y los compuestos extraños ( metabolismo de fármacos ). Mientras que en el hígado humano las enzimas como el citocromo P450 son responsables de las reacciones iniciales, en las plantas enzimas como las peroxidasas, fenoloxidasas, esterasas y nitroreductasas desempeñan el mismo papel. [31]

En la segunda etapa de la fitotransformación, conocida como metabolismo de fase II, se añaden biomoléculas vegetales como glucosa y aminoácidos al xenobiótico polarizado para aumentar aún más la polaridad (conocida como conjugación). Esto es similar a los procesos que ocurren en el hígado humano, donde se producen reacciones de glucuronidación (adición de moléculas de glucosa por parte de la clase de enzimas UGT, p. ej., UGT1A1 ) y adición de glutatión en los centros reactivos del xenobiótico. [ cita requerida ]

Las reacciones de fase I y II sirven para aumentar la polaridad y reducir la toxicidad de los compuestos, aunque se observan muchas excepciones a la regla. La mayor polaridad también permite un fácil transporte del xenobiótico a lo largo de los canales acuosos. [ cita requerida ]

En la etapa final de la fitotransformación (metabolismo de fase III), se produce un secuestro del xenobiótico dentro de la planta. Los xenobióticos se polimerizan de forma similar a la lignina y desarrollan una estructura compleja que queda secuestrada en la planta. Esto garantiza que el xenobiótico se almacene de forma segura y no afecte al funcionamiento de la planta. Sin embargo, estudios preliminares han demostrado que estas plantas pueden ser tóxicas para animales pequeños (como los caracoles) y, por lo tanto, las plantas que participan en la fitotransformación pueden necesitar mantenerse en un recinto cerrado. [ cita requerida ]

Por lo tanto, las plantas reducen la toxicidad (con excepciones) y secuestran los xenobióticos en la fitotransformación. La fitotransformación del trinitrotolueno ha sido ampliamente investigada y se ha propuesto una vía de transformación. [35]

Fitoestimulación

La fitoestimulación (o rizodegradación) es la mejora de la actividad microbiana del suelo para la degradación de contaminantes orgánicos, típicamente por organismos que se asocian con las raíces . [30] Este proceso ocurre dentro de la rizosfera , que es la capa de suelo que rodea las raíces. [30] Las plantas liberan carbohidratos y ácidos que estimulan la actividad de los microorganismos, lo que da como resultado la biodegradación de los contaminantes orgánicos. [36] Esto significa que los microorganismos pueden digerir y descomponer las sustancias tóxicas en una forma inofensiva. [30] Se ha demostrado que la fitoestimulación es eficaz en la degradación de hidrocarburos de petróleo, PCB y HAP. [15] La fitoestimulación también puede involucrar plantas acuáticas que apoyan poblaciones activas de degradadores microbianos, como en la estimulación de la degradación de atrazina por la cerato de anteropogon spp . [37]

Fitovolatilización

Luego, los contaminantes se descomponen y los fragmentos se transforman y volatilizan posteriormente en la atmósfera.

La fitovolatilización es la eliminación de sustancias del suelo o del agua y su liberación al aire, a veces como resultado de la fitotransformación a sustancias más volátiles y/o menos contaminantes. En este proceso, los contaminantes son absorbidos por la planta y, a través de la transpiración, se evaporan a la atmósfera. [30] Esta es la forma más estudiada de fitovolatilización, donde la volatilización ocurre en el tallo y las hojas de la planta, sin embargo, la fitovolatilización indirecta ocurre cuando los contaminantes se volatilizan desde la zona de la raíz. [38] El selenio (Se) y el mercurio (Hg) a menudo se eliminan del suelo a través de la fitovolatilización. [9] Los álamos son una de las plantas más exitosas para eliminar COV a través de este proceso debido a su alta tasa de transpiración. [15]

Rizofiltración

La rizofiltración es un proceso que filtra el agua a través de una masa de raíces para eliminar sustancias tóxicas o el exceso de nutrientes . Los contaminantes permanecen absorbidos o adsorbidos por las raíces. [30] Este proceso se utiliza a menudo para limpiar el agua subterránea contaminada mediante la plantación directa en el sitio contaminado o mediante la extracción del agua contaminada y su suministro a estas plantas en un lugar externo. [30] Sin embargo, en cualquier caso, normalmente las plantas se cultivan primero en un invernadero en condiciones precisas. [39]

Contención hidráulica biológica

La contención hidráulica biológica ocurre cuando algunas plantas, como los álamos, extraen agua hacia arriba a través del suelo hasta las raíces y hacia afuera a través de la planta, lo que disminuye el movimiento de contaminantes solubles hacia abajo, más profundamente en el sitio y hacia las aguas subterráneas. [40]

Fitodesalinización

La fitodesalinización utiliza halófitas (plantas adaptadas al suelo salino) para extraer sal del suelo y mejorar su fertilidad. [10]

El papel de la genética

Los programas de mejoramiento y la ingeniería genética son métodos poderosos para mejorar las capacidades naturales de fitorremediación o para introducir nuevas capacidades en las plantas. Los genes para la fitorremediación pueden tener su origen en un microorganismo o pueden transferirse de una planta a otra variedad mejor adaptada a las condiciones ambientales en el lugar de limpieza. Por ejemplo, se insertaron en el tabaco genes que codifican una nitroreductasa de una bacteria y mostraron una eliminación más rápida del TNT y una mayor resistencia a los efectos tóxicos del TNT. [41] Los investigadores también han descubierto un mecanismo en las plantas que les permite crecer incluso cuando la concentración de contaminación en el suelo es letal para las plantas no tratadas. Algunos compuestos naturales biodegradables, como las poliaminas exógenas , permiten que las plantas toleren concentraciones de contaminantes 500 veces superiores a las plantas no tratadas y absorban más contaminantes. [ cita requerida ]

Hiperacumuladores e interacciones bióticas

Se dice que una planta es hiperacumuladora si puede concentrar los contaminantes en un porcentaje mínimo que varía según el contaminante de que se trate (por ejemplo: más de 1000 mg/kg de peso seco para níquel , cobre , cobalto , cromo o plomo ; o más de 10.000 mg/kg para zinc o manganeso ). [42] Esta capacidad de acumulación se debe a la hipertolerancia o fitotolerancia : el resultado de la evolución adaptativa de las plantas a ambientes hostiles a lo largo de muchas generaciones. Una serie de interacciones pueden verse afectadas por la hiperacumulación de metales, incluida la protección, las interferencias con plantas vecinas de diferentes especies, el mutualismo (incluidas las micorrizas , la dispersión de polen y semillas), el comensalismo y el biofilm . [43] [44] [45]

Tablas de hiperacumuladores

Fitocribado

Como las plantas son capaces de trasladar y acumular determinados tipos de contaminantes, pueden utilizarse como biosensores de contaminación del subsuelo, lo que permite a los investigadores delinear rápidamente las columnas de contaminantes. [46] [47] Se han observado disolventes clorados, como el tricloroetileno , en troncos de árboles en concentraciones relacionadas con las concentraciones de agua subterránea. [48] Para facilitar la implementación en el campo del fitosanamiento, se han desarrollado métodos estándar para extraer una sección del tronco del árbol para su posterior análisis en el laboratorio, a menudo utilizando un barrenador de incremento . [49] El fitosanamiento puede conducir a investigaciones de sitios más optimizadas y reducir los costos de limpieza de sitios contaminados. [ cita requerida ]

Véase también

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Bibliografía

Enlaces externos

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