Fitorremediación

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

La fitorremediación se propone como un enfoque rentable de remediación ambiental basado en plantas que aprovecha la capacidad de las plantas para concentrar elementos y compuestos del medio ambiente y para desintoxicar varios compuestos. El efecto de concentración resulta de la capacidad de ciertas plantas llamadas hiperacumuladoras para bioacumular químicos. El efecto de remediación es bastante diferente. Los metales pesados ​​tóxicos no pueden degradarse, pero los contaminantes orgánicos pueden degradarse y, por lo general, son los principales objetivos de la fitorremediación. Varias pruebas de campo confirmaron la viabilidad de usar plantas para la limpieza ambiental.

Fondo

Otros métodos de remediación de suelos son muy costosos porque requieren un proceso mucho más complicado. La tierra contaminada tendría que ser removida, enviada a un laboratorio para ser limpiada de metales tóxicos y luego devuelta al sitio de donde fue extraída. La fitorremediación es una solución más rentable. La fitorremediación se puede aplicar a suelos contaminados o ambientes de agua estancada. Esta tecnología ha sido cada vez más investigada y empleada en sitios con suelos contaminados con metales pesados ​​como cadmio, plomo, aluminio, arsénico y antimonio. 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.

La fitorremediación se ha utilizado con éxito para incluir la restauración de minas de metal abandonadas y sitios donde se han vertido bifenilos policlorados durante la fabricación y la mitigación de las descargas de minas de carbón en curso, lo que reduce el impacto de los contaminantes en los suelos, el agua o el aire. Contaminantes como metales, pesticidas, solventes, explosivos y petróleo crudo y sus derivados, han sido mitigados en proyectos de fitorremediación a nivel mundial. Muchas plantas, como las plantas de mostaza, el pennycress alpino, el cáñamo y el pigweed han demostrado tener éxito en la hiperacumulación de contaminantes en los sitios de desechos tóxicos.

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

Ventajas y limitaciones

• ventajas:
  • el coste de la fitorremediación es inferior al de los procesos tradicionales tanto in situ como ex situ
  • la posibilidad de recuperación y reutilización de metales valiosos (por parte de empresas especializadas en "fitominería")
  • preserva la capa superior del suelo, manteniendo la fertilidad del suelo
  • Aumentar la salud del suelo, el rendimiento y los fitoquímicos de las plantas
  • el uso de plantas también reduce la erosión y la lixiviación de metales en el suelo
• Limitaciones:
  • la fitorremediación se limita a la superficie y profundidad ocupada por las raíces.
  • con sistemas de remediación basados ​​en plantas, no es posible prevenir por completo la filtración de contaminantes en el agua subterránea (sin la eliminación completa del suelo contaminado, que en sí mismo no resuelve el problema de la contaminación)
  • la supervivencia de las plantas se ve afectada por la toxicidad de la tierra contaminada y el estado general del suelo
  • la bioacumulación de contaminantes, especialmente metales, en las plantas puede afectar productos de consumo como alimentos y cosméticos, y requiere la eliminación segura del material vegetal afectado
  • al absorber metales pesados, a veces el metal se une a la materia orgánica del suelo, lo que hace que no esté disponible para que la planta lo extraiga

Procesos

Una gama de procesos mediados por plantas o algas se prueban en el tratamiento de problemas ambientales:

Fitoextracción

La fitoextracción (o fitoacumulación o fitosecuestro) aprovecha la capacidad de las plantas o las algas para eliminar los contaminantes del suelo o el agua y convertirlos en biomasa vegetal cosechable. Las raíces toman sustancias del suelo o del agua y las concentran sobre el suelo en la biomasa vegetal. Los organismos que pueden absorber grandes cantidades de contaminantes se denominan hiperacumuladores. 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.La fitoextracción ha ido creciendo rápidamente en popularidad en todo el mundo durante los últimos veinte años más o menos. Por lo general, la fitoextracción se usa para metales pesados ​​u otros inorgánicos. En el momento de la eliminación, los contaminantes normalmente se concentran en un volumen mucho menor de materia vegetal que en el suelo o sedimento contaminado inicialmente. Después de la cosecha, un nivel más bajo 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, el suelo es remediado.

Por supuesto, muchos contaminantes matan 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.

La extracción de estos metales extraídos a través de la fitominería es una forma concebible de recuperar el material. Las plantas hiperacumuladoras suelen ser metalófitas. La fitoextracción inducida o asistida es un proceso en el que se agrega al suelo un fluido acondicionador que contiene un quelante u otro agente para aumentar la solubilidad o movilización de metales para que las plantas puedan absorberlos más fácilmente. Si bien tales aditivos pueden aumentar la absorción de metales por parte de las plantas, también pueden generar grandes cantidades de metales disponibles en el suelo más allá de lo que las plantas pueden trasladar, lo que podría causar una posible filtración al subsuelo o al agua subterránea.

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

• Arsénico, utilizando el girasol (Helianthus annuus), o el helecho chino (Pteris vittata).
• Cadmio, usando sauce (Salix viminalis): En 1999, un experimento de investigación realizado por Maria Greger y Tommy Landberg sugirió que el sauce tiene un potencial significativo como fitoextractor de cadmio (Cd), zinc (Zn) y cobre (Cu), como el sauce tiene algunas características específicas como alta capacidad de transporte de metales pesados ​​desde la raíz hasta el brote y gran cantidad de producción de biomasa; también se puede utilizar para la producción de bioenergía en la planta de energía de biomasa.
• Cadmio y zinc, utilizando pennycress alpino (Thlaspi caerulescens), un hiperacumulador de estos metales a niveles que serían tóxicos para muchas plantas. Específicamente, las hojas de pennycress acumulan hasta 380 mg/kg de Cd. Por otro lado, la presencia de cobre parece perjudicar su crecimiento (ver tabla como referencia).
• El cromo es tóxico para la mayoría de las plantas. Sin embargo, los tomates (Solanum lycopersicum) son prometedores.
• Plomo, utilizando mostaza india (Brassica juncea), ambrosía (Ambrosia artemisiifolia), cáñamo dogbane (Apocynum cannabinum), o chopos, que secuestran el plomo en su biomasa.
• La cebada y/o la remolacha azucarera tolerantes a la sal (moderadamente halófilas) se usan comúnmente para la extracción de cloruro de sodio (sal común) para recuperar campos que anteriormente estaban inundados por agua de mar.
• El cesio-137 y el estroncio-90 se extrajeron de un estanque usando girasoles después del accidente de Chernobyl.
• El mercurio, el selenio y los contaminantes orgánicos como los bifenilos policlorados (PCB) han sido eliminados de los suelos mediante plantas transgénicas que contienen genes de enzimas bacterianas.

Fitoestabilización

La fitoestabilización reduce la movilidad de las sustancias en el medio ambiente, por ejemplo, al limitar la lixiviación de sustancias del suelo. Se centra en la estabilización y contención a largo plazo del contaminante. La planta inmoviliza los contaminantes al unirlos a las partículas del suelo, haciéndolos menos disponibles para la absorción de plantas o humanos. A diferencia de la fitoextracción, la fitoestabilización se enfoca principalmente en secuestrar contaminantes en el suelo cerca de las raíces pero no en los tejidos de las plantas. Los contaminantes se vuelven menos biodisponibles, lo que resulta en una exposición reducida. Las plantas también pueden excretar una sustancia que produce una reacción química, convirtiendo el contaminante de metales pesados ​​en una forma menos tóxica. La estabilización da como resultado una reducción de la erosión, la escorrentía y la lixiviación, además de reducir la biodisponibilidad del contaminante.Un ejemplo de aplicación de la fitoestabilización es el uso de una cubierta vegetal para estabilizar y contener los relaves mineros. Algunas modificaciones del suelo disminuyen la movilidad de la fuente de radio, mientras que en algunas concentraciones las mismas modificaciones aumentarán la movilidad. Vidal et al. 2000 encuentran que las esteras de raíces de las praderas son efectivas para desmovilizar materiales de fuentes de radio, especialmente con ciertas combinaciones de otras prácticas agrícolas. Vidal también encuentra que la mezcla particular de césped hace una diferencia significativa.

Fitodegradación

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

La fitotransformación da como resultado la modificación química de sustancias ambientales como resultado directo del metabolismo de la planta, lo que a menudo resulta en su inactivación, degradación (fitodegradación) o inmovilización (fitoestabilización). En el caso de los contaminantes orgánicos, como pesticidas, explosivos, solventes, productos químicos industriales y otras sustancias xenobióticas, ciertas plantas, como Cannas, hacen que estas sustancias no sean tóxicas por su metabolismo. 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 ser descompuestos en moléculas básicas (agua, dióxido de carbono, etc.) por moléculas vegetales y, de ahí, el término fitotransformación.representa un cambio en la estructura química sin una descomposición completa del compuesto. El término "hígado verde" se usa para describir la fitotransformación, ya que las plantas se comportan de manera análoga al hígado humano cuando se trata de estos compuestos xenobióticos (compuesto extraño/contaminante). Después de la absorción de los xenobióticos, las enzimas vegetales aumentan la polaridad de los xenobióticos mediante la adición de grupos funcionales como los grupos hidroxilo (-OH).

Esto se conoce como metabolismo de Fase I, similar a la forma en que el hígado humano aumenta la polaridad de las drogas y los compuestos extraños (metabolismo de drogas). Mientras que en el hígado humano 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.

En la segunda etapa de la fitotransformación, conocida como metabolismo de Fase II, se agregan biomoléculas vegetales como glucosa y aminoácidos al xenobiótico polarizado para aumentar aún más la polaridad (lo que se conoce como conjugación). Esto es nuevamente similar a los procesos que ocurren en el hígado humano donde la glucuronidación (adición de moléculas de glucosa por la clase de enzimas UGT, por ejemplo, UGT1A1) y las reacciones de adición de glutatión ocurren en los centros reactivos del xenobiótico.

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 polaridad aumentada también permite un fácil transporte del xenobiótico a lo largo de los canales acuosos.

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 asegura que el xenobiótico se almacene de forma segura y no afecte el funcionamiento de la planta. Sin embargo, los estudios preliminares han demostrado que estas plantas pueden ser tóxicas para los animales pequeños (como los caracoles) y, por lo tanto, es posible que las plantas involucradas en la fitotransformación deban mantenerse en un recinto cerrado.

Así, las plantas reducen la toxicidad (salvo excepciones) y secuestran los xenobióticos en fitotransformación. La fitotransformación del trinitrotolueno se ha investigado ampliamente y se ha propuesto una vía de transformación.

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. Este proceso ocurre dentro de la rizosfera, que es la capa de suelo que rodea las raíces. Las plantas liberan carbohidratos y ácidos que estimulan la actividad de los microorganismos, lo que resulta en la biodegradación de los contaminantes orgánicos. Esto significa que los microorganismos pueden digerir y descomponer las sustancias tóxicas en formas inofensivas. Se ha demostrado que la fitoestimulación es eficaz para degradar los hidrocarburos del petróleo, los PCB y los PAH.La fitoestimulación también puede involucrar plantas acuáticas que soportan poblaciones activas de degradadores microbianos, como en la estimulación de la degradación de la atrazina por el antocerote.

Fitovolatilización

La fitovolatilización es la eliminación de sustancias del suelo o del agua con liberación al aire, a veces como resultado de la fitotransformación en sustancias más volátiles y/o menos contaminantes. En este proceso, la planta absorbe los contaminantes y, a través de la transpiración, se evaporan a la atmósfera. Esta es la forma de fitovolatilización más estudiada, 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. El selenio (Se) y el mercurio (Hg) a menudo se eliminan del suelo a través de la fitovolatilización. Los álamos son una de las plantas más exitosas para eliminar COV a través de este proceso debido a su alta tasa de transpiración.

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. Este proceso se usa a menudo para limpiar el agua subterránea contaminada plantando directamente en el sitio contaminado o eliminando el agua contaminada y proporcionándola a estas plantas en un lugar fuera del sitio. Sin embargo, en cualquier caso, normalmente las plantas primero se cultivan en un invernadero bajo condiciones precisas.

Contención hidráulica biológica

La contención hidráulica biológica ocurre cuando algunas plantas, como los álamos, extraen agua hacia arriba a través del suelo hacia 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 en el agua subterránea.

Fitodesalinización

La fitodesalinización utiliza halófitas (plantas adaptadas a suelos salinos) para extraer sal del suelo para mejorar su fertilidad.

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 del sitio de limpieza. Por ejemplo, los genes que codifican una nitroreductasa de una bacteria se insertaron en el tabaco y mostraron una eliminación más rápida de TNT y una mayor resistencia a los efectos tóxicos de TNT. 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 más altas que las plantas no tratadas y que absorban más contaminantes.

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). 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, el polen y la dispersión de semillas), el comensalismo y la biopelícula.

Tablas de hiperacumuladores

• Tabla de hiperacumuladores – 1: Al, Ag, As, Be, Cr, Cu, Mn, Hg, Mo, Naftaleno, Pb, Pd, Pt, Se, Zn
• Tabla de hiperacumuladores – 2: Níquel
• Tabla de hiperacumuladores – 3: Radionúclidos (Cd, Cs, Co, Pu, Ra, Sr, U), Hidrocarburos, Disolventes Orgánicos.

Fitodetección

Dado que las plantas pueden trasladarse y acumular determinados tipos de contaminantes, las plantas pueden utilizarse como biosensores de la contaminación del subsuelo, lo que permite a los investigadores delinear rápidamente las columnas de contaminantes. Se han observado disolventes clorados, como el tricloroetileno, en los troncos de los árboles en concentraciones relacionadas con las concentraciones de agua subterránea. Para facilitar la implementación de la fitodetección en el campo, se han desarrollado métodos estándar para extraer una sección del tronco del árbol para su posterior análisis de laboratorio, a menudo mediante el uso de un barrenador incremental. El fitoanálisis puede conducir a investigaciones de sitios más optimizadas y reducir los costos de limpieza de sitios contaminados.