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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 los microorganismos asociados, junto con enmiendas del suelo y técnicas agronómicas adecuadas para contener, eliminar o hacer inofensivos los contaminantes ambientales tóxicos". [2] 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 resuelva ningún desafío ambiental significativo en la medida en que se haya recuperado el espacio contaminado.

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

Antecedentes [ editar ]

La fitorremediación se puede aplicar a suelos contaminados o ambientes de agua estática. 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 . [4]

La fitorremediación se ha utilizado con éxito en la restauración de trabajos mineros de metal abandonados y en 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 el suelo, el agua o el aire. Contaminantes como metales, pesticidas, solventes, explosivos [5] y petróleo crudo y sus derivados, han sido mitigados en proyectos de fitorremediación en todo el mundo. Muchas plantas, como la mostaza , el berro alpino , el cáñamo y la hierba de cerdo, 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. [6] Incluso los cultivares de la misma especie tienen distintas capacidades para acumular contaminantes. [6]

Ventajas y limitaciones [ editar ]

  • Ventajas :
    • el costo de la fitorremediación es menor que el de los procesos tradicionales [ ¿cuál? ] tanto in situ como ex situ
    • la posibilidad de recuperación y reutilización de metales valiosos (por empresas especializadas en "fitominería")
    • preserva la capa superior del suelo , manteniendo la fertilidad del suelo [7]
    • Aumentar la salud del suelo , el rendimiento y los fitoquímicos de las plantas [8]
    • el uso de plantas también reduce la erosión y la lixiviación de metales en el suelo [7]
  • Limitaciones :
    • La fitorremediación se limita a la superficie y profundidad que ocupan las raíces.
    • con los sistemas de remediación basados ​​en plantas, no es posible prevenir por completo la lixiviación de contaminantes al 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 a 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 la extraiga [ cita requerida ]

Procesos [ editar ]

Proceso de fitorremediación

Una variedad de procesos mediados por plantas o algas se prueban en el tratamiento de problemas ambientales: [ cita requerida ]

Fitoextracción [ editar ]

Ver también: proceso de fitoextracción
Algunos metales pesados ​​como el cobre y el zinc se eliminan del suelo subiendo a las raíces de las plantas.

La fitoextracción (o la fitoacumulación o la fitosecuestración ) explota la capacidad de las plantas o algas para eliminar los contaminantes del suelo o el agua y convertirlos en biomasa vegetal cosechable. Las raíces absorben sustancias del suelo o del agua y las concentran por encima del suelo en la biomasa vegetal [7] Los organismos que pueden absorber grandes cantidades de contaminantes se denominan hiperacumuladores . [9] 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. [10]La fitoextracción ha crecido rápidamente en popularidad en todo el mundo durante los últimos veinte años. Normalmente, la fitoextracción se utiliza para metales pesados ​​u otros inorgánicos. [11] En el momento de la eliminación, los contaminantes se concentran típicamente en un volumen mucho más pequeño de materia vegetal que en el suelo o sedimento inicialmente contaminados. Después de la cosecha, quedará un nivel más bajo del contaminante 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 a concentraciones superiores a 100 μM · kg − 1 de peso seco. [12]

La minería de estos metales extraídos mediante fitominería es una forma concebible de recuperar el material. [13] Las plantas hiperacumuladoras suelen ser metalofitas . La fitoextracción inducida o asistida es un proceso en el que se agrega al suelo un líquido acondicionador que contiene un quelante u otro agente para aumentar la solubilidad o movilización de los metales para que las plantas puedan absorberlos más fácilmente. [14] Si bien tales aditivos pueden aumentar la absorción de metales por las plantas, también pueden conducir a grandes cantidades de metales disponibles en el suelo más allá de lo que las plantas son capaces de trasladar, provocando una posible lixiviación al subsuelo o al agua subterránea. [14]

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

  • Arsénico , utilizando el girasol ( Helianthus annuus ), [15] o el helecho freno chino ( Pteris vittata ). [dieciséis]
  • 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 sauce. tiene algunas características específicas como alta capacidad de transporte de metales pesados ​​de raíz a brote y gran cantidad de producción de biomasa; se puede utilizar también para la producción de bioenergía en la planta de energía de biomasa. [17]
  • Cadmio y zinc , utilizando berro alpino ( Thlaspi caerulescens ), un hiperacumulador de estos metales a niveles que serían tóxicos para muchas plantas. En concreto, las hojas de berro acumulan hasta 380 mg / kg de Cd. [18] Por otro lado, la presencia de cobre parece perjudicar su crecimiento (ver tabla de referencia).
  • El cromo es tóxico para la mayoría de las plantas. [12] Sin embargo, el tomate ( Solanum lycopersicum ) parece prometedor. . [19]
  • Plomo , usando mostaza india ( Brassica juncea ), ambrosía ( Ambrosia artemisiifolia ), adelfas de cáñamo ( Apocynum cannabinum ) o álamos , que secuestran el plomo en su biomasa.
  • La cebada y / o la remolacha azucarera tolerantes a la sal (moderadamente halófitas ) se utilizan comúnmente para la extracción de cloruro de sodio (sal común) para recuperar campos que anteriormente fueron inundados por agua de mar .
  • El cesio 137 y el estroncio 90 se eliminaron de un estanque con girasoles después del accidente de Chernobyl . [20]
  • El mercurio , el selenio y contaminantes orgánicos como los bifenilos policlorados (PCB) han sido eliminados de los suelos por plantas transgénicas que contienen genes para enzimas bacterianas. [21]
Ver también: 'Tabla de hiperacumuladores'

Fitoestabilización [ editar ]

La fitoestabilización reduce la movilidad de sustancias en el medio ambiente, por ejemplo, al limitar la lixiviación de sustancias del suelo . [6] 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 de plantas o humanos. [ 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 de las plantas. Los contaminantes se vuelven menos biodisponibles, lo que reduce la exposición. Las plantas también pueden excretar una sustancia que produce una reacción química, convirtiendo el contaminante de metales pesados ​​en una forma menos tóxica. [7]La estabilización da como resultado una reducción de la erosión, la escorrentía y la lixiviación, además de reducir la biodisponibilidad del contaminante. [11] Un ejemplo de aplicación de la fitoestabilización es el uso de una capa vegetal para estabilizar y contener los relaves de la mina . [22]

Fitodegradación [ editar ]

Las raíces segregan 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 degradados por enzimas que secretan las raíces de las plantas y estas moléculas son absorbidas por la planta y liberadas a través de la transpiración. [23] Este proceso funciona mejor con contaminantes orgánicos como herbicidas, tricloroetileno y metil terc- butil éter . [11]

La fitotransformación da como resultado la modificación química de sustancias ambientales como resultado directo del metabolismo de las plantas , lo que a menudo resulta 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 , hacen que estas sustancias no sean tóxicas por su metabolismo . [24] En otros casos, microorganismosque 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 moléculas vegetales y, por lo tanto, el término fitotransformación representa un cambio en la estructura química sin una descomposición completa del compuesto. El término "hígado verde" se utiliza para describir la fitotransformación, [25] ya que las plantas se comportan de manera análoga al hígado humano cuando se trata de estos compuestos xenobióticos (compuestos extraños / contaminantes). [26] [27] Después de la absorción de los xenobióticos, las enzimas vegetales aumentan la polaridad de los xenobióticos al agregar grupos funcionales como los 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 fármacos y compuestos extraños ( metabolismo de fármacos ). Mientras que en el hígado humano las enzimas como el citocromo P450 son las responsables de las reacciones iniciales, en las plantas las enzimas como las peroxidasas, fenoloxidasas, esterasas y nitroreductasas desempeñan el mismo papel. [24]

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 (conocida 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 reacciones de adición de glutatión ocurren 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 manera 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, 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. [ cita requerida ]

Por lo tanto, las plantas reducen la toxicidad (con excepciones) y secuestran los xenobióticos en la fitotransformación. La fitotransformación del trinitrotolueno se ha investigado extensamente y se ha propuesto una vía de transformación. [28]

Fitostimulación [ editar ]

La fitestimulación (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 . [23] Este proceso ocurre dentro de la rizosfera , que es la capa de suelo que rodea las raíces. [23] Las plantas liberan carbohidratos y ácidos que estimulan la actividad de los microorganismos, lo que resulta en la biodegradación de los contaminantes orgánicos. [29] Esto significa que los microorganismos pueden digerir y descomponer las sustancias tóxicas en formas inofensivas. [23] Se ha demostrado que la fitestimulación es eficaz para degradar los hidrocarburos de petróleo, los PCB y los PAH. [11] Phytostimulation can also involve aquatic plants supporting active populations of microbial degraders, as in the stimulation of atrazine degradation by hornwort.[30]

Phytovolatilization[edit]

Contaminates are then broken down and the fragments are then subsequently transformed and volatilized into the atmosphere.

Phytovolatilization is the removal of substances from soil or water with release into the air, sometimes as a result of phytotransformation to more volatile and/or less polluting substances. In this process, contaminants are taken up by the plant and through transpiration, evaporate into the atmosphere.[23] This is the most studied form of phytovolatilization, where volatilization occurs at the stem and leaves of the plant, however indirect phytovolatilization occurs when contaminants are volatilized from the root zone.[31] Selenium (Se) and Mercury (Hg) are often removed from soil through phytovolatilization.[6] Poplar trees are one of the most successful plants for removing VOCs through this process due to its high transpiration rate.[11]

Rhizofiltration[edit]

Rhizofiltration is a process that filters water through a mass of roots to remove toxic substances or excess nutrients. The pollutants remain absorbed in or adsorbed to the roots.[23] This process is often used to clean up contaminated groundwater through planting directly in the contaminated site or through removing the contaminated water and providing it to these plants in an off-site location.[23] In either case though, typically plants are first grown in a greenhouse under precise conditions.[32]

Biological hydraulic containment[edit]

Biological hydraulic containment occurs when some plants, like poplars, draw water upwards through the soil into the roots and out through the plant, which decreases the movement of soluble contaminants downwards, deeper into the site and into the groundwater.[33]

Phytodesalination[edit]

Phytodesalination uses halophytes (plants adapted to saline soil) to extract salt from the soil to improve its fertility[7]

Role of genetics[edit]

Breeding programs and genetic engineering are powerful methods for enhancing natural phytoremediation capabilities, or for introducing new capabilities into plants. Genes for phytoremediation may originate from a micro-organism or may be transferred from one plant to another variety better adapted to the environmental conditions at the cleanup site. For example, genes encoding a nitroreductase from a bacterium were inserted into tobacco and showed faster removal of TNT and enhanced resistance to the toxic effects of TNT.[34]Researchers have also discovered a mechanism in plants that allows them to grow even when the pollution concentration in the soil is lethal for non-treated plants. Some natural, biodegradable compounds, such as exogenous polyamines, allow the plants to tolerate concentrations of pollutants 500 times higher than untreated plants, and to absorb more pollutants.[citation needed]

Hyperaccumulators and biotic interactions[edit]

A plant is said to be a hyperaccumulator if it can concentrate the pollutants in a minimum percentage which varies according to the pollutant involved (for example: more than 1000 mg/kg of dry weight for nickel, copper, cobalt, chromium or lead; or more than 10,000 mg/kg for zinc or manganese).[35] This capacity for accumulation is due to hypertolerance, or phytotolerance: the result of adaptative evolution from the plants to hostile environments through many generations. A number of interactions may be affected by metal hyperaccumulation, including protection, interferences with neighbour plants of different species, mutualism (including mycorrhizae, pollen and seed dispersal), commensalism, and biofilm.[citation needed]

Tables of hyperaccumulators[edit]

  • Hyperaccumulators table – 1 : Al, Ag, As, Be, Cr, Cu, Mn, Hg, Mo, Naphthalene, Pb, Pd, Pt, Se, Zn[citation needed]
  • Hyperaccumulators table – 2 : Nickel[citation needed]
  • Hyperaccumulators table – 3 : Radionuclides (Cd, Cs, Co, Pu, Ra, Sr, U), Hydrocarbons, Organic Solvents.[citation needed]

Phytoscreening[edit]

As plants are able to translocate and accumulate particular types of contaminants, plants can be used as biosensors of subsurface contamination, thereby allowing investigators to quickly delineate contaminant plumes.[36][37] Chlorinated solvents, such as trichloroethylene, have been observed in tree trunks at concentrations related to groundwater concentrations.[38] To ease field implementation of phytoscreening, standard methods have been developed to extract a section of the tree trunk for later laboratory analysis, often by using an increment borer.[39] Phytoscreening may lead to more optimized site investigations and reduce contaminated site cleanup costs.[citation needed]

See also[edit]

  • Bioaugmentation
  • Biodegradation
  • Bioremediation
  • Constructed wetland
  • Mycorrhizal bioremediation
  • Mycoremediation
  • Phytotreatment

References[edit]

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Bibliography[edit]

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External links[edit]

  • Missouri Botanical Garden (host): Phytoremediation website Archived 2010-10-17 at the Wayback Machine — Review Articles, Conferences, Phytoremediation Links, Research Sponsors, Books and Journals, and Recent Research.
  • International Journal of Phytoremediation — devoted to the publication of current laboratory and field research describing the use of plant systems to remediate contaminated environments.
  • Using Plants To Clean Up Soils — from Agricultural Research magazine
  • New Alchemy Institute — co-founded by John Todd (Canadian biologist)