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Fitoextracción de metales pesados en suelos contaminados (página 2)

Enviado por marco valdivia



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El conocimiento actual de la forma como los exudados de la raíz, ácidos orgánicos y quelantes sintéticos corregidos; potencian la fitoextracción de metales desde el suelo y su traslocación de la raíz hacia los brotes, es muy importante. Mientras que la habilidad de las plantas para acumular metales hasta cierto punto depende de su capacidad para tolerar elevadas niveles de metal, hasta cierto punto dependiente de su capacidad para tolerar elevados niveles de metal en los tejidos, algunos mecanismos implicados en la acumulación por pate de las plantas, parecido a la compartimentación en la vacuola y la quelación en el citoplasma, deben también investigarse (Warsel et al., 2003). El conocimiento acerca de los procesos rizosféricos más complejos mediados por exudados de la raíz, no se pueden desarrollar sobre el mismo avance referido al conocimiento de la biología de las raíces (Bais et al., 2004), y muchos buenos sistemas de fitoextracción permanecen para su investigación. Sin embargo el destino de los exudados en la rizósfera, y las reacciones naturales involucradas en la fitoextracción y el buen transporte de metales por las plantas, aún no es entendido completamente, esto es admitido porque ellos contribuyen significativamente para la acumulación de metales en las plantas. Los compuestos químicos que probablemente se encuentran en la rizósfera están claramente asociados con el incremento de la absorción de metales desde el suelo y su traslocación a las raíces.(Mench & Martin,1991:Salt et al.,1995;Krishnamurti et al.,1997;Lin et al.,2003;Wensel et al.,2003).

El bajo peso molecular de los ácidos orgánicos probablemente indica que los exudados son los más importantes en los sistemas de fitoextracción natural. Ellos influencian la adquisición de metales por cualquiera de los complejos formados con iones metálicos o disminuyendo el pH alrededor de las raíces y alterando las características del suelo. Sin embargo a pesar del hecho de que la absorción de metales puede ser incrementada debido a la disminución del pH(Brown et al.,1994),esta claro que la compleja capacidad de los ácidos orgánicos, antes que su capacidad para disminuir el pH, es el principal factor relacionado con la movilización de los metales en el suelo y su acumulación en las plantas (Bernal et al.,1994;Mc Grath et al.,1997;Gupta et al.,2000;Quartancci et al.,2005).Los efectos indirectos de los exudados de la raíz sobre la actividad microbiana, las propiedades físicas de la rizósfera y el crecimiento dinámico de las raíces, pueden producirse también por la solubilidad y absorción de iones (Marshner,1995;Walker et al.,2003).Por ejemplo, los microorganismos pueden estar presentes para movilizar Zn por hiperacumulación en Thlaspi caerulescens (Whiting et al.,2001), mediante la disolución de Zn a partir de la parte no productiva en el suelo.

Algunas plantas liberan quelantes metálicos específicos o reducen compuestos dentro de la rizósfera para ayudar a la absorción de Fe y Zn, cuando la disponibilidad de estos micronutrientes es baja(Marschner,1995).Otro estimulo ambiental que tiene que asociarse con la exudación de ácidos orgánicos de las raíz, incluyendo la anoxia(Marschner,1995) y la exposición a Al(Ma,2000;Piñero setal.,2002).Esto significa que los metales acumulaos pueden incrementar la solubilidad por liberación de quelantes desde las raíces. Sin embargo, solamente algunos reportes, sobre la implicancia de exudados específicos en la absorción y acumulación de metales potencialmente tóxicos por las plantas, son poco conocidos. En suma, los coeficientes de exudación y composición química de los exudados hiperacumuladores son virtualmente desconocidos.

Salt et al. (2000) no pudieron identificar alguna afinidad entre el Ni y el compuesto quelante de Ni en la rizósfera del planta hiperacumuladora Thlaspi goesingense. En contraste, ellos establecieron que los quelantes de Ni histidina y citrato acumulado en los exudados de en los exudados de la raíz de la planta no hiperacumuladora Thalspi arvense, expuesta a Ni. Aquellos descubrimientos realizados por lo autores para sugerir que la liberación de estos exudados por T. arvense puede ser una estrategia para reducir la absorción y toxicidad del Ni, pero Persons et al. (1999), también establecen que la hiperacumulación de Ni por T. goesingense , no es determinada por la sobreproducción de histidina es respuesta al Ni. Puesto que concentraciones no tóxicas de Ni, ambas especies de plantas traslocan Ni a las raíces en coeficientes equivalentes (Krämer etal., 1997), la existencia de un mecanismo más eficiente de estas especies en la acumulación de Ni. Krämer et al. (2000), presentan evidencias con respecto a que la histidina libre puede estar también involucrada en el transporte de Ni a través del citoplasma dentro de la vacuola en T. goesingense, la cual puede ser responsable para la tolerancia y acumulación de Ni. Krämer et al. (1996), reportaron anteriormente un incremento de 36 veces en la concentración de histidina libre, en los exudados del xilema dela planta hiperacumuladora de Ni Alysium lesbiacum después de su exposición a Ni, sugiriendo que la histidina puede estar involucrada en el transporte y almacenamiento de Ni en aquellas especies. Kerkeb &Krämer.(2003) recientemente presentaron nueva evidencia acerca de que el aumento de histidina produce liberación de Ni desde las raíces dentro del xilema, no solamente en A. lesbiacum sino también en la especie no hiperacumuladora B. juncea. Salt et al. (2000) identificaron complejos Zn-histidina en las raíces de la especie hiperacumuladora Thlaspi caerulesens, pero Knight et al. (1997), McGrath et al.(1997) y Zhan et al.(2001) no detectaron algún exudado especifico relacionado con la acumulación de Zn por estas especies.

No solamente el rol que juegan los exudados de la rizósfera en la acumulación de Ni y Zn no es totalmente entendido, allí también existe una carencia de información acerca del rol de la exudación de las raíces en la fitoextracción de la mayor parte de metales ambientalmente relacionados. De esta manera es una realidad muy concreta, que allí no existe una evidencia concluyente, que los exudados hiperacumuladores quelantes específicos en la rizósfera para aumentar la absorción de metal. Por lo tanto, la liberación y la traslocación necesita ser investigad de una manera más profunda. En efecto, incrementar la absorción de la raíz, es el primer paso para la remoción exitosa desde el suelo. Suposiciones acerca de la compresión de estos procesos y los compontes involucrados, son esenciales para la tecnología de la fitoextracción. Las investigaciones concluidas por Ryan et al. (2001), indican que la verdad acerca de que las plantas pueden ser aprovechadas a partir de la exudación de ácido orgánico, en un gran número de vías, fue un estimulo interesante de ingeniería genética para el incremento de la exudación de acido orgánico en la copa en especies de pastura. Estos autores sostienen que grandes cambios en la producción de ácido orgánico pueden obtenerse en levaduras y bacterias por la inactivación o sobreexposición de genes específicos, cuyos productos están involucrados en la biosíntesis de acido orgánico. Estos estudios con microorganismos pueden ser útiles en la determinación puedan manipularse con éxito pata altera la biosíntesis de ácidos orgánicos y exudación de ácidos orgánicos en las plantas.

Por supuesto, este avance sobre el conocimiento del control genético de los exudados de la raíz puede ser utilizado para acelerar la habilidad de las plantas en la extracción de metales desde el suelo. Anteriormente exudados específicos de la raíz, relacionados con el incremento de la absorción de metales del suelo fueron identificados, en las plantas pueden ser dirigidos, mediante la ingeniería genética una elevada exudación de aquellos componentes naturalmente biodegradables. La manipulación genética de la rizósfera de la planta para aumentar la solubilidad del metal puede ser de esta manera una buena opción, y no solamente puede hacer más eficiente la fitorremediación; si no también vencer las fuerzas ambientales asociadas con la fitoextracción químicamente inducida.

Los agentes quelantes para la fitoextracción

El nombre "quelante" deriva de la palabra griega "chela", que significa pinza, porque el anillo que se forma entre el quelante y el metal es similar, en apariencia, a los brazos de un cangrejo con el metal en sus pinzas. En la Figura 6, se muestran algunos ejemplos de agentes quelantes. Se ha demostrado que el ácido etilen diamino tetra acético (EDTA) es uno de los agentes quelantes sintéticos más eficientes para incrementar la solubilidad de varios metales en el suelo como el plomo, cromo y cobre. (Blaylock et al., 1997). La capacidad del EDTA para aumentar la concentración de metales solubles en el suelo está influenciada por varios factores como la concentración y tipo de metales, el pH del suelo, y el tipo de partículas del suelo, entre otras. Sin embargo, su uso tiene algunas desventajas como que no es selectivo para extraer un solo metal (Barona et al., 2001) debido a que forma complejos con cationes como Al3+, Ca2+, Fe2+ Mg2+ (Waisel et al., 1996). Una alternativa para movilizar metales en el suelo es el uso de ácidos orgánicos de bajo peso molecular (acido málico, tartárico, cítrico, glucónico y láctico), identificados en los exudados de las raíces de vegetales comunes, cereales y soya. Hoy en día está muy bien documentado que los exudados de las raíces están involucrados en la liberación de nutrimentos en el suelo (Schnitzer, 2000). La importancia de los agentes quelantes en el suelo, se debe a su capacidad para incrementar la solubilidad de cationes metálicos, logrando así que las raíces de las plantas los absorban fácilmente, pero cuando la concentración de metales disponibles en el suelo es excesiva, las plantas pueden presentar síntomas de toxicidad como respuesta al estrés ocasionado por los mismos (Ann et al., 2005).

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Figura 6. Ejemplo de agentes quelantes. (Fuente: Hernández, 2009)

Fito extracción una tecnología con un futuro prometedor

Algunos avances importantes se hicieron en los últimos años, referidos al proceso de entendimiento de los procesos involucrados en la fitoextracción de metales desde suelos contaminados, especialmente en aquellos que contribuyen a la absorción e hiperacumulación de metales.

Sin embargo, muchos vacios con respecto al conocimiento a la fisiología del suelo y sus componentes químicos y microbiológicos, tiene que ser resueltos antes de que la fitorremediación pueda convertirse en una tecnología comercial. Por ejemplo, un mejor entendimiento de la interacción que se produce en la rizósfera, será importante para el éxito definitivo de la fitoextracción, como una técnica apropiada para limpiar la superficie de los suelos. Se esperan futuros avances en este campo de investigación, que produzcan un impacto sustancial sobre el potencial de la fitoextracción. La identificación de exudados específicos asociados con la solubilización de metales en el suelo, puede facilitar la utilización de caminos alternativos para la manipulación de la rizósfera de la planta, y aumentar de esta manera la biodisponibilidad del metal. Para la fitoextracción químicamente inducida, la dinámica de los metales quelados en la rizósfera, necesita para ser examinada, cualquiera de los dos caminos para poder superar los riesgos asociados con la baja degradabilidad de los quelantes sintéticos, o para optimizar el uso de más componentes biodegradables. Adicionalmente, las investigaciones y políticas diseñadas tienen que también dentro de las uniones químicas de metales en los suelos e identificar cuales d e ellas son los objetivos para la fitoextracción. No obstante, es un consenso que la concentración total no esta correlacionada con biodisponibilidad, la mayor parte de enfoques que hace la legislación sobre la remediación de suelos sobre las concentraciones tolerantes de metal en los suelos. Aunque este parece ser seguido, correcciones químicas pueden ser suficientemente reactivas, para extraer metales estrechamente limitada para los óxidos y silicatos minerales y quelados por materia orgánica, lo cual representa unas fracciones amplias de metales en los suelos contaminados, promoviendo en el exterior, el lixiviado de metales en el perfil del suelo.

El conocimiento completo de la tolerancia de la planta al metal, será esencial para desarrollar estrategias para incrementar genéticamente la habilidad de las plantas para la acumulación de metal. Esto tendrá significativas implicancias para la fitorremediación. Dado que la mayoría de las especies hiperacumuladoras conocidas, crecen lentamente y tiene biomasa pequeña, expresando sus genes acumuladores de metales en el crecimiento rápido, elevada biomasa de plantas, es una prometedora aproximación para desarrollar plantas que puedan ser utilizadas en la tecnología de fitoextracción. Las técnicas agronómicas para el exitoso crecimiento de plantas para la fitoextracción propuestas en la fertilización, mediante la aplicación de quelantes y prácticas para minimizar la propagación de metales a través dela cadena alimenticia, también se espera una investigación más detallada.

Podemos esperar que en un futuro cada vez más cercano, y gracias a las especies hiperacumuladoras transgénicas, estos problemas se puedan solucionar, desarrollando variedades artificiales a medida, que sean más tolerantes al contaminante, posean mayor eficacia absorbente, resistan al clima de la región que se desee descontaminar y acumulen el contaminante en las hojas y partes superiores de la planta, de forma que sea más fácil de recolectar. Por último, sería deseable que su cosecha se pudiera automatizar fácilmente y que el metal fuera recuperado para ser reciclado y obtener así un beneficio económico adicional.

PUNTOS RELEVANTES RESUMIDOS

1. Fundamentalmente la contaminación de suelos y plantas por presencia de metales no esenciales o tóxicos para los cultivos, tiene sus orígenes en las actividades antropogénicas. Todo ello asociado al carácter acumulativo y bioacumulativo así como no biodegradable de los mismos.

2. El concepto de usar plantas para limpiar suelos contaminados no es nuevo, desde hace aproximadamente 300 años las plantas fueron propuestas para ser utilizadas en el tratamiento de aguas residuales.

3. La fitorremediación es el proceso que usa plantas para eliminar, transferir, estabilizar y destruir contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos.

4. La fitoextración consiste en la absorción de sustancias contaminantes (inorgánicas o radionucléidos) por las plantas y su posterior traslocación / acumulación en raíz, tallo y/o hojas.

5. La fitoextracción es un proceso de descontaminación que involucra el empleo de plantas que pueden remover, transferir, estabilizar, descomponer y/o degradar contaminantes de suelo, sedimentos y agua, como solventes, plaguicidas, hidrocarburos poliaromáticos, metales pesados, explosivos, elementos radiactivos, fertilizantes, para hacerlos más biodisponibles para la planta.

6. Algunas plantas pueden acumular y tolerar grandes concentraciones de metal en las raíces y los brotes. La familia Brassicaceae es un buen e importante grupo hiperacumulador.

7. La importancia de los agentes quelantes en el suelo, se debe a su capacidad para incrementar la solubilidad de cationes metálicos, logrando así que las raíces de las plantas los absorban fácilmente.

8. En los estudios realizados se ha demostrado que la fitorremediación mediante fitoextracción, es una solución prometedora para la limpieza de sitios contaminados por una variedad de metales, aunque también tiene algunas limitaciones.

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Autor:

M. Sc. Marco Valdivia Málaga

Instituto de Bioingeniería Aplicada (ABI). Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. Calle San Agustín Nº. 115. 2do. Piso. Arequipa-Perú.

Web: http://abiunsa.edu.pe

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