Aprovechamiento potencial del lirio acuático (Eichhornia crassipes) en Xochimilco para fitorremediación de metales

Potential use of water hyacinth (Eichhornia crassipes) in Xochimilco for metal phytoremediation

Cristóbal Carrión¹, Claudia Ponce–de León¹, Silke Cram², Irene Sommer², Manuel Hernández¹, Cecilia Vanegas¹

¹ Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma de México. 04510. Ciudad Universitaria, Copilco El Bajo, México, D. F.

² Instituto de Geografía, Universidad Nacional Autónoma de México. 04510. Ciudad Universitaria, Copilco El Bajo, México, D. F. (caplh@fciencias.unam.mx).

Recibido: septiembre, 2011.
Aprobado: agosto, 2012.

Resumen

El litio acuático (Eichhornia crassipes) es una planta considerada plaga en los canales del área Natural Protegida (ANP) de Xochimilco; sin embargo, podría aprovecharse como fitorremediador. Debido a que la tecnología de fitorremediación es específica para el sistema planta–sitio, en este estudio se valoró el uso potencial del lirio acuático como planta acumuladora de metales para los canales de Xochimilco. Para ello se realizaron análisis estadísticos comparando las concentraciones de metales en la raíz y en la parte área; también se calcularon los coeficientes de translocación y de bioacumulación. Se recolectó lirio acuático de canales en zonas con actividades turística, agrícola y urbana. Después de la digestión ácida de las muestras se cuantificaron las concentraciones de 14 metales y un metaloide (As) en la estructura aérea y sumergida del vegetal, usando las técnicas ICP–MS, ICP–OES y GF–AAS. La estructura sumergida acumuló mayores concentraciones de metales que la parte aérea, excepto para el Sr. Los coeficientes de bioacumulación mostraron que el lirio acuático de Xochimilco se podría utilizar como planta remediadora de metales, lo cual requiere retirar periódicamente el lirio de los canales. Además, el análisis estadístico de conglomerados mostró que el sitio con influencia urbana (El Potrero) está más contaminado con metales.

Palabras clave: lirio acuático (Eichhornia crassipes), zona chinampera, Xochimilco, metales pesados, fitorremediación.

Abstract

Watef hyacinth (Eichhornia crassipes) is a plant considered as a pest in the canals of the Xochimilco Protected Natural Area (PNA), nevertheless it could be used for phytoremediation. Since phytoremediation is a plant–site system specific technology, this study evaluated the potential use of water hyacinth as an accumulating plant for metals in the Xochimilco canals. For this purpose, we performed statistical analyses comparing the metal concentrations in the roots and shoots; also we calculated the translocation and bioaccumulation coefficients. We collected water hyacinth in tourist, agricultural and urban activity areas. After the acid digestion of samples, we quantified the concentration of 14 metals and a metalloid (As) in the areal and underwater structure of the plant using ICP–MS, ICP–OES and GF–AAS techniques. The underwater structure accumulated higher concentrations of metals than the shoots, except Sr. Bioaccumulation coefficients showed that water hyacinth from Xochimilco could be used as a remedial plant for metals, however it must be periodically removed from the canals. Furthermore, statistical cluster analysis showed that urban–influenced site (El Potrero) is the most polluted with metals.

INTRODUCCIÓN

El lirio acuático (Eichhornia crassipes), considerado plaga en los canales del área Natural Protegida (ANP) de Xochimilco, es una de las plantas con mejor reproducción y tasa de crecimiento, por lo cual se extiende rápidamente y forma tapetes o esteras que constriñen a las plantas nativas sumergidas y flotantes en los cuerpos de agua (Harun etal., 2008), disminuye la entrada de luz y merma el oxígeno disuelto en el agua.

En algunos estudios se propone al lirio acuático como captador de metales en agua (Tiwari et al., 2007; Rai, 2009; Valipour et al., 2010), por su crecimiento rápido y facilidad de recolección (Chigbo et al., 1982). Sin embargo, la fitorremediación con lirio acuático es una tecnología específica de sitio y no genérica (Lasat, 2002) porque depende de el grado de contaminación, la disponibilidad del metal para su absorción por la planta y la interacción de la planta con su hábitat.

En el presente estudio se analizó el contenido de metales en el agua, en la parte área y la raíz para determinar los coeficientes de bioacumulación y translocación, los cuales son necesario para determinar las propiedades fitorremediadoras de la planta (Mishra et al., 2008).

Un problema actual muy serio es la degradación de la calidad del agua debido al mal manejo de las aguas residuales en los canales de Xochimilco, ya que sus aguas provienen principalmente de las plantas de tratamiento en el Cerro de la Estrella. Estas aguas contienen una concentración promedio anual de 0.069 Pb mg L^–1, 0.056 mg Cr L^–1 y 75.72 Na mg L^–1 (DGCOH, 2001). El objetivo del presente estudio fue evaluar la extracción de 14 metales y un metaloide (As; en lo sucesivo no se hace distinción) del agua a través del lirio acuático en tres sitios de los canales de Xochimilco en los ejidos de San Gregorio Atlapulco (área), así como comparar el contenido de metales en los distintos sitios de muestreo.

MATERIALES Y MÉTODOS

Trabajo de campo

El área está en un terreno plano de origen lacustre correspondiente al antiguo vaso del lago de Xochimilco, con una pendiente de 0 a 5 %. Hacia el sur hay una zona montañosa formada por los cerros Xochitepec, Cantil y los volcanes Teoca, Zompole y Teutli. La altitud promedio en la zona lacustre es 2240 m, pero en los límites con las delegaciones Milpa Alta y Tlalpan es 3140 m; incluye llanura lacustre, llanura lacustre salina y llanura aluvial. El clima es templado subhúmedo, con lluvias en verano y la temperatura media anual varía de 12 a 18 °C con una precipitación media anual de 620.4 mm. La hidrografía de la cuenca representa un sistema complejo de elevaciones, depresiones y sistemas que la atraviesan transversalmente y cuyas edades son muy variadas. Esta zona es resultado de la descarga de aguas subterráneas a través de flujos locales (manantiales) e intermedios (carga hidráulica ascendente) y de la alimentación artificial con aguas residuales tratadas de las plantas de el Cerro de la Estrella, de San Luis Tlaxialtemalco y la de San Lorenzo Tezonco. La zona forma un humedal permanente en una cuenca cerrada; el sistema lacustre está reducido a canales, apantles (cuerpo de agua menor a un canal), lagunas permanentes y de temporal, cuya profundidad varía desde 60 cm en algunos canales y zonas inundadas hasta 3 a 6 m en algunas lagunas, con una longitud de canales de 203 km.

Selección de sitios

Cada sitio de muestreo se eligió considerando la actividad dominante en el sitio. El sitio 1, El Potrero (UTM 489748m E 2130096 N), es un apantle adyacente al canal de Apatlaco con fuerte influencia urbana, en el que las casas colindantes drenan sus aguas residuales directamente al cuerpo de agua. El sitio 2 es un apantle perpendicular al canal de Ampampilco (UTM 489773m E 2130687m N), con influencia agrícola por estar adyacente a chinampas en producción. El sitio 3, Cuemanco (UTM 4892640m E 2131835m N), es un apantle cercano al embarcadero de Cuemanco, frente a varios otros embarcaderos pequeños, incluyendo el de la Policía de la Fuerza de Tarea Ribereña, con influencia turística y de motores de combustión interna. Por ser apantles, los sitios están relativamente aislados de manera que las condiciones en cada sitio de muestreo son particulares, pero los sitios también están interconectados con canales mayores, en zonas relativamente homogéneas. Por ello, los sitios muestreados se consideraron como representativos y no se realizó un muestreo intensivo. El muestreo se realizó en abril de 2009 en época de secas, cuando las lluvias no han diluido la concentración de los metales, para que las concentraciones encontradas estuvieran dentro de las máximas posibles en el sistema.

Recolección de agua

Se tomó una muestra de agua aproximada de 1 L a una profundidad de 10 cm (promedio en el cual la estructura sumergida de E. crassipes se desarrolla) con botella Van Dorn y después en botellas de polietileno Nalgene® en cada sitio. Las muestras se acidificaron en el sitio de muestreo con HNO₃ ultrapuro hasta pH 2 medido con papel indicador de pH, se filtraron a 0.22 µm en el laboratorio y se refrigeraron hasta su análisis.

Recolección de plantas

En cada sitio se realizó un muestreo aleatorio simple recolectando una subpoblación de 50 plantas con las que se integraron tres muestras compuestas para cada sitio. Las muestras compuestas se conforman con plantas de diferente tamaño o peso y por tanto las variaciones debidas a la morfología de la planta se incorporan en una sola muestra no afectando así las comparaciones entre los sitios.

Trabajo de laboratorio

Pre–tratamiento de las plantas

Las muestras de plantas se deshidrataron en bolsas de papel de estraza en hornos a 60 °C hasta estar crujientes y se pulverizaron en un molino de ágata con rotor (Pulverisette®), se homogenizaron en un tamiz malla 10 y se obtuvo un polvo fino (200 µm) para la digestión. Se usó un blanco y una muestra de referencia (Hoja de Espinaca, 1570a NIST; National Institute of Standards & Technology) y se realizaron triplicados de cada muestra.

Digestión ácida y cuantificación

De cada muestra se pre–digirieron 1 h 0.2 g con 5mL HNO₃, 0.5 mL H₂O₂ y 0.5 mL HF antes de realizar una digestión ácida (EPA–3051, 1994). Después de la digestión se usó agua desionizada para obtener muestras con un peso de 14 g. Las muestras de agua sólo se filtraron con un filtro con poros de 0.45 µm para obtener un volumen de 100 mL y los metales se midieron por ICP–MS.

La lectura de los metales en las plantas se realizó con tres métodos: ICP–MS, ICP–OES y GF–AAS (por sus siglas en inglés: Plasma acoplado inducido–espectrometría de masas; Plasma acoplado inducido–espectroscopía óptica de emisión; Horno de grafito–absorción atómica).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Análisis de los metales

La técnica de ICP–MS se usa en las determinaciones multielementales por sus límites bajos de detección, su intervalo amplio de trabajo y buena precisión, pero es interferida para algunos metales: el V es interferido por los isotopos de ⁵⁰Cl y ⁵¹Cl, situación similar con Ni y Cu; el Zn tiene interferencias isobáricas por los isótopos del Ti y el Cd por los del Sn. Estas interferencias pueden ser cambios de intensidad o superposición espectrales inducidos por las matrices de estudio (suelos, plantas, etc.) (Feng et al., 1999). La técnica ICP–OES, de la misma manera que la de ICP–AES (plasma acoplado inducido–espectroscopia óptica de absorción) tiene problemas de interferencias como las producidas por elementos ionizables que producen interferencias espectrales para varios metales (Todolí et al., 2002). Por último GF–AAS se usó por ser una técnica barata y robusta pero por su baja precisión, poca sensibilidad y no ser multielemental, fue sustituida por las técnicas mencionadas. Así se cuantificaron todos los metales por ICP–MS y ICP–OES y se tomó el mejor resultado obtenido para el estándar de referencia NIST 1570a. Sólo el Co presentó bajas recuperaciones y se determinó por GF–AAS. Los límites de detección de las técnicas, las recuperaciones de los metales analizados así como la técnica usada para cada metal, se presentan en el Cuadro 1.

Acumulación de metales en estructura aérea y sumergida

Casi todos los datos de metales muestran que la estructura sumergida puede contener desde el doble (por ejemplo As, Cd), hasta cinco o más veces la concentración del metal presente en la estructura aérea (Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Ti, V). Esta mayor concentración de metales en estructura sumergida se observó más frecuentemente en el sitio cercano a la zona urbana (El Potrero). El análisis de varianza de una vía mostró una diferencia significativa (p<0.05) entre la estructura sumergida y la aérea para Al, As, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sr, Ti y V independientemente de los sitios; pero no hubo diferencia significativa para Sn y Zn. Estos resultados concuerdan con los publicados por Vesk et al. (1999) y Olivares–Rieumont et al. (2007), quienes señalan a la raíz como la estructura con mayor concentración de metales en esta especie. Además, en el Río Cachoeira, en Brasil, hay concentraciones similares (Klumpp et al., 2002) a las aquí obtenidas.

Estudios de acumulación

Las plantas se consideran acumuladoras y por tanto con potencial de fitorremediación cuando presentan tolerancia a los metales. Esta tolerancia se puede evaluar mediante su coeficiente de translocación el cual mide la capacidad de la planta para translocar los metales de la raíz al tallo y hojas sin tomar en cuenta la concentración de los metales externos a la planta; y con su coeficiente de bioacumulación que mide la capacidad de la planta para acumular metales del medio (Baker y Brooks, 1989).

Coeficientes de translocación (CT)

El CT es el resultado de la relación entre el contenido de metal en la estructura aérea y la sumergida. De acuerdo con los CT en este estudio, Sr fue el único elemento con mayor proporción en la estructura aérea que en la sumergida, con un CT mayor a 1, lo cual sugiere la movilización del metal hacia tejidos aéreos. Un CT menor a 1 y cercano a cero indica que la planta puede acumular un determinado metal y retenerlo principalmente en la estructura sumergida, lo cual en el presente estudio se aprecia para casi todos los metales analizados: la concentración del Zn y el Cd es casi el doble en la estructura sumergida que en la aérea; Pb, Co, Ti, V y Cr mostraron bajos CT lo cual indica su escasa translocación de estructura sumergida a la aérea. Los CT de los metales para E. crassipes, Lemna minor y Spirodela polyrrhiza (Mishra et al., 2008) se observan en el Cuadro 3 y la translocación de metales de la estructura sumergida a la aérea en las plantas es diferente para cada especie, dependiendo del grado y la capacidad acumulativa de la planta. Así, para que una planta sea buena acumuladora, los valores de CT deben ser cercanos o mayores a 1. Al comparar los CT de este estudio con los reportados, los valores para Cd, Cu, Fe y Ni fueron menores que en otras especies consideradas acumuladoras. El Cr en especial tiene un orden de magnitud menor a los reportados en la literatura, pero el Cr es uno de los elementos más difíciles para traslocar en las plantas (Jana, 1988). Los CT reportados por Mishra et al. (2008) corresponden a plantas usadas en experimentos in vitro, en los cuales se midió la acumulación de metales del agua de un efluente minero cuya concentración de metales es mucho mayor respecto a los encontrados en las aguas de Xochimilco y los límites propuestos por la USEPA (2002). Ello implica que el lirio acuático de Xochimilco puede mostrar una mayor acumulación de los metales, pero las concentraciones en el agua de los canales de Xochimilco no son suficientemente altas para inducir una movilización a tejidos aéreos (Vesk y Allaway, 1997).

La translocación de los metales puede ocurrir por varios procesos que no son totalmente entendidos. Seth (2012) indica que la planta necesita nutrientes esenciales como el Zn²⁺, pero no puede distinguir otros metales divalentes permitiendo el libre paso de éstos hacia las partes aéreas, algunas plantas hiperacumuladoras permiten el paso de metales en grandes cantidades a la parte aérea para ahuyentar depredadores como gusanos, hongos y bacterias; además, las plantas pueden inmovilizar los metales en las vacuolas o quelar los metales para evitar su translocación a la parte aérea. A su vez, la translocación de los metales se rige por procesos que involucran factores externos: 1) la presión de la raíz, donde una gran concentración de metales en el exterior presionará para un mayor desplazamiento hacia el interior de la raíz; 2) la evapotranspiración de las hojas, donde con altas temperaturas externas habrá un mayor movimiento de agua de la raíz a la parte aérea y con ello de los metales. Según Rascioa y Navari–Izzob (2011), el transporte del metal se realiza fundamentalmente en la savia del xilema desde las raíces hasta las hojas con citrato, nicotianamina, histidina y asparagina que son los ligandos principales para Fe, Cu, Ni, Co, Mn y Zn; y los metales llegan al apoplasto de las hojas desde donde son eliminados por células de las hojas.

Coeficientes de bioacumulación (CB)

El CB es la relación de las concentraciones del metal planta/agua; en el presente estudio se consideró las concentraciones de la planta completa y las concentraciones de los metales disueltos en el agua en cada sitio de estudio (Cuadro 4). No se determinó el CB de aquellos metales cuya concentración en agua fueron menores al límite de detección.

Los valores del CB del lirio acuático (Figura 1) son comparables a los descritos por Kabata–Pendias (2000). Así, el lirio acuático de Xochimilco puede acumular intensamente los metales, sobre todo Cr y Mn, coincidiendo con los resultados obtenidos en E. crassipes (Agunbiade et al., 2009).

Es interesante que los índices de bioacumulación mayores estén en el sitio turístico a pesar de no ser el lugar con mayor concentración de metales en la planta, lo cual probablemente sea porque allí hay una mayor recolección del lirio de los canales y por tanto las plantas son jóvenes en su mayoría. Los estudios de El–Gendy (2008) muestran una rápida absorción de metales por el lirio acuático E. crassipes hasta aproximadamente el sexto día de exposición y después la incorporación es mucho más lenta. De esta manera, los lirios más jóvenes tienen mayor poder de bioacumulación.

Los resultados indican que el lirio acuático de la zona de Xochimilco tiene la habilidad de absorber y acumular metales en su estructura aérea y mayormente en su estructura sumergida. Por tanto, este lirio tiene potencial para utilizarse como un fitorremediador de metales en esa zona, pero se debe recolectar periódicamente de los canales para asegurar la continua absorción de los metales. Además, es importante estudiar las capacidades acumulativas de metales en el lirio acuático in situ, y en experimentos controlados de laboratorio considerando la fisiología y anatomía del vegetal, y su genética para aumentar su eficiencia como fitorremediador. Por último, el lirio recolectado de los canales debe eliminarse adecuadamente para no trasladar el problema de contaminación por metales a otro lugar, lo cual puede ser por quema o usarlo como mejorador de suelos evaluando primero su aportación de metales al suelo.

Acumulación de metales en el lirio acuático del sistema en cada sitio

Dado que se estudiaron muestras compuestas en cada uno de los sitios, se realizó un análisis de conglomerados para estudiar con base en el total de metales cuantificados las diferencias de los tres sitios en función de sus distancias euclidianas. Los resultados muestran al sitio urbano como un grupo aislado con la mayor distancia euclidiana (Figura 2).

CONCLUSIONES

Los coeficientes de translocación mostraron acumulación mayor de los metales en la estructura sumergida de la planta, excepto para el Sr, mientras que los coeficientes de bioacumulación mostraron capacidad de las plantas para acumular metales de las aguas de Xochimilco, pero, muestra poco poder de translocación, característica deseable en plantas acumuladoras. Sin embargo, el lirio presta un servicio fitorremediador al extraer metales del agua en Xochimilco, pero es necesario retirar el lirio constantemente. También se observó que el sitio urbano de asentamientos irregulares, El Potrero, tuvo la mayor presencia de metales.

AGRADECIMIENTOS

Este proyecto fue realizado gracias al proyecto PE206210 otorgado a través del Programa de Apoyo a Proyectos para la Innovación y Mejoramiento de la Enseñanza (PAPIME), y a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico (DGAPA).

LITERATURA CITADA

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