UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA

2015

Facultad de Ingeniera de MinasEspecialidad de Ingeniera Ambiental y de Seguridad Industrial

Ao de la diversificacin Productiva y del Fortalecimiento de la Educacin

Alumnos: Monsef Colmenares, Yusara Jeraldine. Ochoa Chapa Hugo. Orbegozo Carrasco, Olenka Brunella. Placido Mora, Cindy Grace.Ciclo: V.Curso: Contaminacin y Tratamiento de Suelos.Docente: Dr. Baldemar Tene Farfn.Tema: Biotransformacin de Metales Fitorrecuperacin de Suelos Contaminados.

IntroduccinLa acumulacin de desechos, sobre todo en reas urbanas, genera la dispersin de gran diversidad de compuestos en suelos, aguas superficiales y aire, con la consecuente filtracin de los mismos hacia las aguas subterrneas: los acuferos que constituyen la reserva de agua potable.La contaminacin ambiental generada por las actividades industriales, es uno de los problemas que cursa el planeta y que altera el equilibrio biolgico de la tierra. Los metales pesados son uno de los desechos contaminantes ms txicos que se arrojan como desechos industriales, que aunque son imprescindibles para el desarrollo de los organismos, en cantidades excesivas pueden llegar a ser letales. Una vez emitidos se absorben muy fcilmente a travs de las membranas biolgicas por su elevada afinidad qumica a las protenas no siendo de fcil degradacin y dificultando su eliminacin. Es as como se hace necesario contrarrestarestos contaminantes utilizando tcnicas para su transformacin y/o inactivacin del ambiente.Una de las aplicaciones ms recientes en la biotecnologa es la correccin biolgica que permite abordar en la mayor parte de los casos el tratamiento de suelos contaminados. Todas las interacciones entre los microorganismos y los metales u otros elementos como carbono, nitrgeno, azufre y fosforo son componentes fundamentales de los ciclos biogeoqumicos. Las interacciones metal-microbiota son estudiadas en profundidad en el contexto de la biotecnologa ambiental, con el objeto de implementar mtodos de remocin, recuperacin o detoxificacin de metales pesados y radionclidos.

Biotransformacin de MetalesDependiendo del estado de oxidacin que se presente metal y la especie que este conformado, un microorganismo puede realizar dos transformaciones posibles. Una correspondera a la movilizacin del metal, es decir el pasaje de un estado insoluble inicial (metales asociados a suelos, sulfuros u xidos metlicos) por ejemplo correspondiente a una fase slida, a un estado soluble final, en fase acuosa.Este proceso se conoce con el nombre de lixiviacin microbiana. El otro corresponde a la inmovilizacin del metal, es decir el pasaje de un estado soluble inicial en fase acuosa a uno insoluble final en fase slida.

Este es un proceso que involucra un cambio qumico sobre el metal pesado, como por ejemplo en el estado de oxidacin o metilacin. Esta transformacin biolgica de los metales pesados que resultan txicos mediada por enzimas microbianas puede dar como resultado compuestos poco solubles en agua o bien compuestos voltiles. El ejemplo ms claro es el ciclo del Hg en la naturaleza, donde la bacteriaPseudomonas aeruginosapuede reducir el catin Hg2+ a Hg0, y otros organismos pueden luego metilarlo dando como producto el CH3Hg+ y (CH3)2Hg, que son voltiles y an ms txicos que el propio Hg.

Las reducciones de V (V) a V (III), Au (III) a Au (0) y Cr (VI) a Cr (III), conducen a la precipitacin del metal bajo condiciones fisiolgicas. Entre estos ltimos el Cr es el metal ms ampliamente utilizado en la industria de aceros, automviles, equipamiento de hospitales y curtiembres, entre otras. El Cr (VI) es un contaminante de prioridad 1 catalogado por la Agencia de Proteccin Ambiental de los Estados Unidos ya que es estable en solucin acuosa y por lo tanto de alta movilidad en diferentes ambientes, con un alto potencial mutagnico y carcinognico. El pasaje a Cr (III) produce la inmovilizacin por precipitacin de hidrxidos y la disminucin en la mutagenicidad. La utilizacin de microorganismos resistentes a Cr con capacidad de bioconversin Cr (VI) en Cr (III) es de fundamental importancia en el tratamiento biolgico de efluentes industriales (21, 28).Tambin se le suele llamar Biotransformacin al conjunto de caminos metablicos por medio de los cuales los tejidos incrementan la polaridad de un txico, o a la transformacin qumica de un compuesto en el organismo, se le denomina biotransformacin. Para reducir la respuesta txica de una sustancia en un organismo hay que disminuir la cantidad de sustancia en forma activa (txica) y el tiempo de permanencia de la misma en el sitio de accin. Cmo? Incrementando la polaridad ya que ello aumenta la difusibilidad del txico y por tanto puede incrementar la velocidad de excrecin. Adems, muchas sustancias txicas que ven incrementada su polaridad se convierten en sustratos accesibles para posteriores reacciones de detoxificacin, reacciones que, por otra parte, no seran posibles de no incrementar la polaridad. Con frecuencia pues, se trata de convertir un xenobitico (compuestos cuya estructura qumica en la naturaleza es poco frecuente o inexistente debido a que son compuestos sintetizados por el hombre en el laboratorio) no polar en un compuesto soluble en agua. Estas reacciones se agrupan en dos conjuntos denominados Biotransformacin Fase I y Biotransformacin Fase II:

Fase I:Biotransforma los xenobiticos convirtindolos en substratos de los enzimas de la Fase II, al mismo tiempo que los hace ms hidrfilos.Fase II:Agrega un grupo polar de tamao relativamente grande a los productos de las reacciones de la Fase I, o a los xenobiticos originales que contienen los grupos funcionales apropiados para ser substratos de las reacciones de conjugacin.

Mecanismo de reparacin celular:Estos mecanismos se activan para restablecer las caractersticas iniciales de la clula. Los mecanismos mejor conocidos son los que participan en la sntesis de componentes de pared, y aquellos mecanismos que participan en la activacin de procesos de reparacin de errores rutinarios en la copia de ADN. Se sabe que en los procesos de reparacin activados despus del dao causado por la presencia de metales pesados estn involucradas las metalotionenas (protenas de bajo peso molecular inducidas por factores de estrs y capaces de ligar a metales pesados) y, sobre todo, las protenas de choque trmico. Estas ltimas incrementan su expresin en gran variedad de organismos en respuesta a factores de estrs como la subida de temperaturas por encima de la ptima. Tambin se expresan en respuesta a otros estreses como metales pesados, de forma que actan como chaperoninas para la proteccin y reparacin de protenas. Se ha comprobado que un preacondicionamiento por exposicin a corto tiempo con alta temperatura antes de estrs por metales pesados induce un efecto de tolerancia, disminuyendo o previniendo los daos celulares.

Plantas Hiperacumuladoras de metalesSon aquellas plantas que contenan niveles de nquel equivalentes o superiores a 1000 microgramos de metal por gramo de materia seca (0,1% o 1000 mg /kg-1 ). Aunque el nquel no est considerado como un elemento esencial para las plantas, s se trata del elemento hiperacumulado por el mayor nmero de especies vegetales y actualmente integra la lista de elementos esenciales de las plantas. Otros metales como Zn, Mg, Mn y Cu son requeridos por las plantas en, al menos, pequeas cantidades.

No obstante, cuando la concentracin de estos metales en las plantas sobrepasa un determinado umbral, resultan txicos. Slo determinadas especies pueden acumular metales en alta concentracin. Actualmente se conocen plantas hiperacumuladoras no slo de nquel, sino tambin de zinc, cobre, selenio, cadmio, manganeso y cobalto.Contenido de metales pesados en algunas plantas hiperacumuladoras

Impacto Ambiental

El impacto ambiental de los contaminantes metlicos en suelos y sedimentos es estrictamente dependiente de la capacidad de acomplejamiento de stos con componentes del medio ambiente y su respuesta a las condiciones fisicoqumicas y biolgicas de su entorno. Los metales son especies qumicas no degradables. Por tal motivo, una vez volcados al medio ambiente, slo pueden distribuirse entre los entornos aire - agua - suelo, a veces cambiando su estado de oxidacin, o incorporarse a los seres vivos. Los procesos de adsorcin y la formacin de complejos en medios naturales son responsables de que la mayor parte de los vestigios de metales pesados se acumulen en los slidos en suspensin, incorporndose rpidamente a los sedimentos, donde se presentan los mayores niveles de concentracin de estos contaminantes. Como resultado de estas interacciones, los sedimentos juegan un papel muy importante en la regulacin de la calidad del agua. Por su parte, las aguas intersticiales, en contacto directo con los sedimentos, actan como fuente o sumidero de estos contaminantes y en ellas se observan concentraciones intermedias entre las aguas superficiales y los sedimentos.Las plantas hiperacumuladoras adecuadas para llevar a cabo acciones de fitoextraccin deben cumplir algunas caractersticas como la tolerancia al metal que se desea eliminar, que la acumulacin se produzca fundamentalmente en la parte area de la planta, y que presenten un rpido crecimiento, as como una gran produccin de biomasa en la parte area.Algunas especies comunes que se han ensayado con xito como potenciales fitorremediadoras son la alfalfa, la mostaza, el tomate, la calabaza, el esparto, el sauce y el bamb. Incluso existen especies vegetales capaces de disminuir la alta salinidad en la capa superficial del suelo, gracias a su capacidad para acumular el cloruro de sodio.Recuperacin de metales acumulados en las plantas. En general, hay plantas que convierten los productos que extraen del suelo a componentes inocuos, o voltiles. Pero cuando se plantea realizar un esquema de Fitorrecuperacin de un cuerpo de agua o un rea de tierra contaminados, se siembra la planta con capacidad (natural o adquirida por ingeniera gentica) de extraer el contaminante particular, y luego del perodo de tiempo determinado, se cosecha la biomasa y se incinera. De esta forma, los contaminantes acumulados en las plantas no se transmiten a travs de las cadenas alimenticias a otros organismos. El movimiento de los constituyentes inorgnicos de la planta es controlado selectivamente, de manera que algunos elementos son admitidos libremente mientras que otros son rechazados en mayor o menor grado. Aunque las races rechacen selectivamente a algunos elementos tales como el plomo, el vanadio o el mercurio, una parte significativa llega a los rganos superiores de la planta y puede ser fcilmente detectada mediante anlisis qumicos.

FitorrecuperacinPara la recuperacin de suelos contaminados se aplican diferentes tcnicas una de ella es la Fitorrecuperacin.La Fitorrecuperacin es una tcnica biolgica de descontaminacin. En realidad es un conjunto de tcnicas, que consiste en el uso de plantas y sus microorganismos asociados esto debido a la capacidad que tienes algunas especies vegetales de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados, compuestos orgnicos y radioactivos.Ventajas: Las plantas pueden ser utilizadas como entidades extractoras de bajo costo econmico para depurar suelos y aguas contaminadas. Algunos procesos degradativos ocurren en forma ms rpida con plantas que con microorganismos. Es un mtodo apropiado para descontaminar superficies grandes o para finalizar la descontaminacin de reas restringidas en plazos largos.Desventajas: El proceso se limita a la profundidad de penetracin de las races o aguas poco profundas. Los tiempos del proceso pueden ser prolongados.

Mecanismos involucrados en la Fitorrecuperacin

La Fitorrecuperacin contempla seis procesos bsicos a travs de los cuales las plantas pueden contribuir a la recuperacin de suelos, sedimentos y aguas contaminadas.Dependiendo de la estrategia de recuperacin de suelos, estos procesos darn lugar a la contencin o a la eliminacin de los contaminantes del suelo. La Fitoestabilizacin y la Fitoinmovilizacin corresponden a la primera de las dos estrategias, mientras que la Fitoextraccin, Fitodegradacin, Fitovolatilizacin y rizofiltracin presentan procesos de eliminacin.

Tipos de Fitorrecuperacin, indicando la zona de la planta en donde ocurre este proceso.

Bsicamente, dos tipos de Fitorrecuperacin son aplicables a los suelos contaminados por metales pesados: la Fitoestabilizacin y la Fitoextraccin. La Fitoestabilizacin se utiliza en los suelos donde la gran cantidad de contaminantes imposibilita la Fitoextraccin, y se basa en el uso de plantas tolerantes a los metales para inmovilizarlos a travs de su absorcin y acumulacin en las races o precipitacin en la rizosfera, reduciendo as su movilidad y su biodisponibilidad para otras plantas o microorganismos. Por otra parte, la fitoextraccin, tambin conocida como Fitoacumulacin, es la captacin de iones metlicos por las races de la planta y su acumulacin en tallos y hojas. Hay plantas que absorben selectivamente grandes cantidades de metales acumulando en los tejidos concentraciones mucho ms altas que las presentes en el suelo o en el agua. Este proceso se ha utilizado para eliminar hidrocarburos de agua y suelo con cultivos.Un objetivo importante de la fitoextraccin es maximizar el crecimiento de las plantas naturalmente hiperacumuladoras.Representacin de la Fitoextraccin

Aunque estas tcnicas han sido probadas y son de indudable ayuda, tambin presentan sus limitaciones, ejemplificadas en el denominado efecto barrera: con algunas pocas excepciones, las plantas pueden acumular un determinado elemento solamente hasta una cierta concentracin. De hecho, en el caso del mercurio, las races pueden actuar a modo de barrera impidiendo que el elemento ascienda hacia los rganos superiores de la planta.En este sentido las plantas pueden ser clasificadas en cuatro categoras: Sin efecto de barrera, las que concentran el elemento qumico investigado sin restricciones y de forma continua. Semi barrera, que concentran entre 30 y 300 veces la concentracin del elemento considerada normal en la planta. Con barrera, contenidos de hasta 3-30 veces la concentracin del elemento considerada normal en la planta. Con barrera de fondo, que no superan las concentraciones normales del elemento en una determinada planta.Metales pesados: Se considera metal pesado a aquel elemento con densidad igual o superior a 5 g/cm3 cuando est en forma elemental, o cuyo nmero atmico es superior a 20 (excluyendo a los metales alcalinos y alcalino-trreos). Su concentracin promedio en la corteza terrestre es inferior al 0.1% y casi siempre menor del 0.01%. Junto a estos metales pesados hay otros elementos qumicos denominados metaloides y no metales que suelen englobarse con ellos por presentar orgenes y comportamientos asociados; es el caso del As, Sb, B, Ba y Se.Los metales y metaloides que se consideran causantes de problemas de contaminacin son: Pb, Cr, Cd, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Sn, Ba, Hg

Acumulacin de Metales en el SueloLos metales pesados incorporados al suelo pueden seguir cuatro diferentes vas: Quedan retenidos en el suelo, ya sea disueltos en la solucin del suelo o bien fijados por procesos de adsorcin, complejacin o precipitacin. Son absorbidos por las plantas e incorporados a las cadenas trficas. Se volatilizan a la atmosfera. Pueden contaminar a las aguas superficiales o subterrneas.Dependiendo del metal en cuestin, las prcticas de manejo del suelo, como la modificacin del pH y la fertilizacin, pueden tener diferentes efectos sobre la absorcin. Por ejemplo, se ha demostrado que la acidificacin del suelo favorece la hiperacumulacin de Cd o Zn, aunque un exceso de acidez puede inducir fitotoxicidad de Al o Mn.Por el contrario, la absorcin y acumulacin aumentan con el incremento del pH.Proceso de acumulacin de metales en las plantas. Aunque las plantas hiperacumuladoras tienen una extraordinaria capacidad para absorber metales pesados, esta capacidad depende de la biodisponibilidad de los metales en el suelo y, particularmente, del suministro a partir de formas menos disponibles para la planta.Los metales aparecen en el suelo unidos a fracciones con distinto grado de labilidad: cambiables, ligados a materia orgnica, a xidos de hierro y manganeso, y a estructuras minerales.El concepto de biodisponibilidad se encuentra ntimamente relacionado con las condiciones fisicoqumicas del ambiente, que determinan las relaciones entre las formas disueltas, lbiles y no lbiles de los elementos. Por ello es fundamental al determinar el grado de contaminacin por metales pesados de un ambiente, conocer su biodisponibilidad, es decir, la concentracin del metal libre y lbil presente en la muestra.El equilibrio dinmico que se establece entre estas fracciones, ms que el contenido total de metales, determina la movilidad y biodisponibilidad, siendo el pH, el potencial redox, y la cantidad y tipos de materia orgnica y arcillas los factores edficos ms importantes en su control. Adems, las condiciones de la interfase raz-suelo (rizosfera) pueden ser modificadas por la planta, a travs de produccin de exudados radicales y la accin de deposiciones como muclago y restos celulares.El proceso de acumulacin de metales tiene en general los siguientes mecanismos: Los iones alcanzan la zona de absorcin de la raz por difusin a travs de la solucin del suelo, son arrastrados por el movimiento del agua hacia la raz o entran en contacto con la zona de absorcin a medida que la raz crece. Los iones metlicos son movilizados por la secrecin de agentes quelantes, protenas que promueven la solubilidad del elemento o por la acidificacin de la rizosfera. Las races capturan a los metales hidratados o a los complejos metal-quelante y los internan al medio celular por medio de sistemas de transporte constituidos por canales inicos y transportadores. Dichos sistemas de transporte son energizados por bombas de protones secundarias. Dentro de las clulas los metales son quelatados principalmente por cido orgnicos, ionforos o fitoquelatinas; la vacuola o protenas especializadas como la ferritina o las metalotionenas constituyen siempre un almacn importante de metales Los metales se transportan a la parte area va el xilema ya sea como iones hidratados o principalmente como complejos con histidina o cido ctrico, entre otros. Despus de penetrar el apoplasto foliar, los metales se distribuyen dentro de las clulas, manteniendo en cada organelo las concentraciones dentro de rangos fisiolgicos especficos. El exceso de metales esenciales y no esenciales se almacenan en la vacuola.Mecanismos de resistencia a metales:Los vegetales que crecen en sitios naturalmente enriquecidos con metales desarrollaron mecanismos de tolerancia a su medio ambiente, a la fecha dichos mecanismos no han sido comprendidos en su totalidad; sin embargo, las posibles estrategias se clasifican en dos categoras:Exclusin: Implica la formacin de compuestos bioqumicos complejos en el medio ambiente o en la pared celular de las plantas; precipitacin de metales en el exterior, a travs de secrecin de muclagos y otros compuestos orgnicos; alteracin de los sistemas de membrana del transporte para reducir la entrada de metales y aumento en la actividad de ciertas bombas inicas.Inclusin y acumulacin:Comprende la captura en el interior de las clulas donde no tiene efectos txicos como en la vacuola y la pared celular; detoxificacin interna de los metales a travs de la incorporacin de protenas, cidos orgnicos, histidina y pptidos ricos en grupos tiol denominados fitoquelatinas, reacciones de xido-reduccin las cuales cambian el estado reactivo de los metales a una forma menos txica.El uso de estos mecanismos naturales de tolerancia a los metales es la base de la seleccin de especies para la fitoextraccin de metales contaminantes o metales valiosos.

Conclusiones En conclusin, el rol de los microorganismos es fundamental en los ciclos biogeoqumicos de los metales y su utilizacin en los procesos de biorremediacin de desechos slidos y lquidos es esencial para el cuidado del medio ambiente. La sustentabilidad del sistema de vida de nuestra especie se liga a los suelos. Por desgracia, en los ltimos cientos de aos, este recurso se ha degradado rpidamente como consecuencia de una serie de actividades humanas derivadas de nuestro explosivo crecimiento poblacional. Es clara la necesidad de estrategias de saneamiento y recuperacin duraderos y con el adecuado balance costo-beneficio, as como con la consideracin de todos los componentes biticos del sistema suelo. Aunque con mayor costo en tiempo y posiblemente mayor costo econmico, la prctica de la fitorremediacin, la cual contempla procesos bsicos a travs de los cuales las plantas promete que contribuir a la recuperacin de suelos, sedimentos y aguas contaminadas. Dependiendo de la estrategia de recuperacin, estos procesos darn lugar a la contencin o a la eliminacin de los contaminantes del suelo.