UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y FARMACIA ESCUELA DE BIOLOGÍA DEPARTAMENTO DE BOTÁNICA, RECURSOS NATURALES RENOVABLES Y CONSERVACIÓN FISIOLOGÍA VEGETAL

INFORME FINAL DE INVESTIGACIÓN REMOCIÓN DE METALES PESADOS DEL AGUA POR NINFA (Eichhornia cassipes (Mart.) Solms) Y VETIVER (Vetiveria zizanioides (L.) Nash)

Juan Antonio Zelada Héisel Natalí Arreola Martínez Juan Pablo Herrera García María de los Ángeles Ariza Salazar

Guatemala, 20 de Noviembre de 2011.

HOJA DE AGRADECIMIENTOS A MSc. Leticia Salguero, Licda. Ana Beatriz Suárez, Ing. Pamela Camarero, Licda. Stefany Fuentes y Adan Zapata, personal de la Autoridad para el Manejo Sustentable de la Cuenca y el Lago de Amatitlán -AMSA-, por los reactivos, equipo, asesoría y apoyo incondicional que prestaron a la investigación.

A MSc. Carolina Rosales, coordinadora del Jardín Botánico, Centro de Estudios Conservacionistas -CECON-, por proporcionar parte de las plantas y el agua necesaria para la parte experimental de la investigación. A PhD. Roberto Flores, director del Instituto de Investigaciones Químicas y Biológicas -IIQB-, por proporcionar el espacio para poder llevar a cabo la parte experimental de la investigación.

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ÍNDICE TÍTULO……………………………………………………………………………………………………….4

RESUMEN……………………………………………………………………………………………………4 INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………………...5

ANTECEDENTES…………………………………………………………………………………………...6 JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………………………………..8 OBJETIVOS……………………………………………………………………………………………………9

HIPÓTESIS…………………………………………………………………………………………………….9

MATERIALES Y MÉTODOS…………………………………………………………………………………10 RESULTADOS…………………………………………………………………………………………………11 DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES…………………………………………………………………………...18 RECOMENDACIONES……………………………………………………………………………………….22

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………………….23

ANEXOS………………………………………………………………………………………………………..26

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TÍTULO Remoción de metales pesados del agua por ninfa (Eichhornia cassipes (Mart.) Solms) y vetiver (Vetiveria zizanioides (L.) Nash).

RESUMEN Durante este estudio se comparó la eficiencia de la ninfa (Eichhornia crassipes) y el vetiver (Vetiveria zizanioides) para remover metales pesados en el agua, también se cuantificó la remoción de plomo y arsénico por cada una de estas plantas en distintos períodos de tiempo. Para lograr esto se utilizaron 10 plantas de ninfa y 10 de vetiver; 5 plantas de cada especie se colocaron en agua con una concentración de 1mg/L (1ppm) de cada metal, en total fueron dos tratamientos: uno con plomo y otro con arsénico. Se tomó una alícuota de agua de cada muestra una vez por semana durante dos semanas, y se midió la concentración de metales por medio de espectrofotometría de absorción atómica.

Se obtuvo que en la primera semana el vetiver tuvo un promedio de remoción del 55.14% para el arsénico y 99.08% para el plomo, el porcentaje de la ninfa fue del 46.02% para el arsénico y 94.52% para el plomo. En la segunda semana el vetiver obtuvo un 57.39% de remoción para el arsénico y 99.25% para el plomo, la ninfa obtuvo un 51.35% para el arsénico y 93.93% para el plomo. Se observó que sí hay una diferencia significativa entre la concentración del agua tratada por la ninfa y el vetiver comparado con el grupo control para ambas semanas en ambos tratamientos. No hubo diferencia significativa al comparar la concentración del agua tratada por la ninfa con la del vetiver para el arsénico durante la primera y segunda semana, el mismo resultado fue para la primera semana con el tratamiento de plomo, sin embargo, para este mismo tratamiento si hubo diferencia significativa en la segunda semana con un p=0.01587.

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INTRODUCCIÓN Los cuerpos de agua dulce de Guatemala, desde ya varias décadas, presentan fuertes amenazas debido a la descarga constante de desechos sólidos hacia el lago y la descarga de desechos industriales cargados de contaminantes, entre los que se encuentran metales pesados.

Los metales pesados son un grupo de elementos químicos que presentan una densidad relativamente alta y cierta toxicidad para los seres humanos; los más conocidos son el mercurio, Plomo, cadmio y talio (Babich y Stotzky, 1982, p. 681). Pueden ser introducidos en el medio ambiente por las actividades geológicas y antropogénicas. Las fuentes de contaminación antropogénica de metales pesados son los efluentes industriales, la minería, productos químicos agrícolas, la energía y la producción de combustibles (Babich y Stotzky, 1982, p. 681; Gadd, 1986, p. 84). Las plantas al absorber sus nutrientes del suelo, están más propensas a contaminarse con metales pesados, en especial en los cuerpos de agua ya que estos metales se sedimentan junto al sustrato y pueden ser absorbidos por la raíz de las plantas que toleren niveles altos de contaminación (Babich y Stotzky, 1982, p. 681).

Varios estudios han promovido la fitorremedación, que consiste en utilizar plantas para que absorban materiales no deseados de los cuerpos de agua o del suelo. Para la remediación de metales pesados, el uso de plantas hiperacumuladoras puede aumentar la captación de metales pues acumulan 100 veces más que las plantas no acumuladoras (Lasat, 1996). El vetiver (Vetiveria zizanioides) es ampliamente conocido por su eficacia en el control de erosión y sedimentos así como su capacidad de absorber metales pesados. (Lasat, 1996). El sistema de raíces fuertes y profundas del vetiver no restringe su uso a sitios únicamente con contaminación superficial. Es tanto una xerófita como una hidrófita, por lo que se puede aplicar a los suelos y cuerpos de agua. La ninfa (Eichhornia crassipes) también puede acumular metales pesados, su hábito es estrictamente acuático y se encuentra en los cuerpos de agua dulce, al igual que el vetiver. (Lasat, 1996). La acumulación de los metales pesados varía según la especie, y nos dice mucho sobre el hábito donde

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se encuentra. (Lasat, 1996). Además, cada una tiene una captación distinta para los metales pesados Plomo y Arsénico. En esta investigación se logró generar información acerca de las alternativas que existen para el tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados, comparando la eficiencia de dos plantas: Ninfa y vetiver en la remoción de metales pesados del agua y cuantificando la remoción de metales pesados por la ninfa y vetiver en distintos períodos de tiempo.

ANTECEDENTES En el área de la fitoremediación se han realizado muchos estudios sobre el uso de diversas plantas para la remoción de contaminantes que se encuentran en distintos sustratos, como el suelo o el agua; de manera que se puede tomar en cuenta la aplicabilidad del uso de este método para resolver problemas de nuestro país. Entre los contaminantes a los que se les ha puesto bastante énfasis es a los metales pesados, que pueden ser muy dañinos para varias formas de vida. En el 2000, Buszewski, Jastrzebska, Kowalkowski y Binkul realizaron un estudio que buscó determinar si existía una relación entre la concentración de metales que hay en el suelo y su acumulación en las distintas partes de una planta. En este caso se utilizó Plomo, Cadmio, Zinc, Cobre, Hierro, Calcio y Magnesio. Las plantas utilizadas fueron bioindicadores comunes como gramas, musgos y pino. Utilizando muestras de suelo y tejido vegetal de distintas localidades del área de estudio que fueron analizadas con un espectrofotómetro de absorción atómica, encontraron que las plantas seleccionados por ellos sí absorben metales pesados y en particular los acumulan en órganos de asimilación y raíces. También encontraron que de los metales utilizados para el estudio, el que es absorbido en proporciones similares a la concentración del suelo es el Plomo.

También se ha invertido bastante esfuerzo en encontrar bioindicadores efectivos entre diversos grupos de plantas. En un estudio realizado por Ceburnis, Seinnes y Kvietkus (1999) se determinó la efectividad del uso de musgos como bioindicadores de la contaminación de metales pesados por deposición atmosférica. Para el análisis se colocaron colectores en áreas abiertas y en bosques de pino

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que estuvieran alejados al menos 100 m de casas o carreteras. Se encontró que estos organismos son útiles en particular cuando se evalúa la presencia de Plomo y Cadmio, pues de todos los elementos evaluados, las concentraciones de estos dos son las que menos se ven afectadas por otros factores que no sean la contaminación del aire. Las concentraciones de los demás elementos se ven afectadas por el dosel del bosque de pino y por el polvo de la tierra que se encuentra alrededor. Chen, Yuan, Su y Wang (2010) también utilizaron briofitas, en este caso fue para evaluar la capacidad de acumulación de metales pesados (Cu, Zn, Fe, Mn, Ni, Pb, Cd, Cr) entre musgos nativos de la región (Brachythecium plumosum, Eurhynchium laxirete, Taxiphyllum taxirameum y Haplocladium strictulum). Los muestreos se realizaron únicamente en jardines urbanos pues ahí es donde habitan dichos musgos. Utilizando un espectrofotómetro de absorción atómica se encontró que T. taxiramenum fue el musgo que acumuló mayores concentraciones de metales pesados, lo que pudo deberse a sus características biológicas en particular. Aunque también se encontró que algunos de los musgos que fueron evaluados pueden captar mejor los metales que provienen fuentes específicas de contaminación. Se han realizado este tipo de estudios con otros grupos de plantas, en el caso de las plantas acuáticas; Paris, Hadad, Maine y Suñe (2005) realizaron un estudio para evaluar la eficiencia de dos macrófitas flotantes (Salvinia herzogii y Pistia stratiotes) en la absorción de Cromo, Cadmio y Plomo, con el fin de proponerlas como una herramienta de tratamiento de efluentes o como bionidicadores. Las plantas se dividieron en partes aéreas (hojas y estolones) y partes sumergidas (raíces), a las cuales se les midió la biomasa. La concentración de las partes aéreas y sumergidas se midió utilizando un espectrofotómetro de absorción atómica con longitudes distintas para cada metal. Se encontró que ambas especies son eficientes para la remoción de metales en sistemas acuáticos. También que el proceso de absorción se lleva a cabo durante las primeras 24 horas y que al final del experimento los metales son removidos casi en un 100%. Algo importante de mencionar es que las raíces son los órganos que presentaron una mayor bioacumulación de los metales.

Durante el 2007, Roongtanakiat, Tangruangkiat y Meesat realizaron un estudio con una de las plantas que utilizaremos en este proyecto, el vetiver. Este estudio se enfocó en determinar la habilidad de esta planta para absorber metales pesados de aguas de desecho industrial. Para esto se utilizaron tres ecotipos que se mantuvieron en un cultivo hidropónico y fueron sometidos a cuatro

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tratamientos, W1, W2, W3 y W4. Se encuentra que el vetiver puede ser utilizado como fitorremediador de metales pesados en aguas de desecho industrial. La calidad del agua y la concentración de metales pesados tuvieron un efecto en el crecimiento y absorción en el vetiver. Los tres ecotipos de vetiver absorbieron metales en el siguiente orden: Fe > Mn > Zn > Cu > Pb. La acumulación de dichos metales fue mayor en las raíces que en el resto del organismo. Recientemente también se ha trabajado con Eichhornia crassipes en temas de biorremediación. Hustna y Latif realizaron un estudio en el 2010 sobre la captación de Cadmio y Zinc por esta especie de planta acuática. Su objetivo era determinar la cantidad de metales pesados que absorbe después de un determinado tiempo de exposición, y la vez ubicar la parte del organismo que acumulaba una mayor concentración de los metales. Los resultados muestran que esta especie puede ser utilizada para remover exitosamente Zinc y Cadmio en bajas concentraciones. La captación total depende de la concentración del metal y el tiempo de exposición. Al igual que en los estudios mencionados con anterioridad se demostró que las raíces de la planta acumulan concentraciones mayores de los metales en comparación con el resto del organismo.

JUSTIFICACIÓN Las actividades antropogénicas como la minería, la combustión de combustibles fósiles, la industria con sus vertidos y residuos son unas de las causas principales de la presencia anómala de metales pesados en cuerpos de agua y otros ecosistemas (Navarro, et.al., 2007, p. 11; Paris, et.al, 2005, p. 237). La presencia de metales pesados afecta a toda la biota en general ya que tienen una gran toxicidad, debido a la tendencia de bioacumularse en los tejidos (Navarro, et.al., 2007, p. 12). El paso por varios niveles de las cadenas tróficas provoca el incremento en la toxicidad de estos elementos y por lo mismo afectan mucho más a los niveles más altos de estas cadenas, como los seres humanos (Navarro, et.al., 2007, p. 12). Debido a que los desechos de las viviendas y las industrias en general se descargan a cuerpos de agua, estos pueden contener concentraciones elevadas de metales pesados como Arsénico (As) y Plomo (Pb), por lo que es necesario tomar medidas de biorremediación efectivas y viables para

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reducir el riesgo de la contaminación de todos los organismos que tienen relación con los cuerpos de agua. Una de las medidas utilizadas cada vez de forma más frecuente es la fitorremediación, por lo que con esta investigación se podrá conocer la capacidad de dos plantas que ya se encuentran en el lago: ninfa y vetiver, para remover Pb y As del medio en el que se encuentre; de esta forma se podrá considerar la implementación de estos vegetales en plantas de tratamiento de aguas residuales de las cuencas y se pueda mejorar la calidad del ambiente y los recursos que se encuentran en los cuerpos de agua.

OBJETIVOS Objetivo General • Generar información acerca de alternativas viables para el tratamiento de aguas contaminadas con metales pesados. Objetivos Específicos • Comparar la eficiencia de la ninfa y el vetiver en la remoción de metales pesados en el agua. • Cuantificar la remoción de metales pesados por la ninfa y el vetiver en distintos períodos de tiempo.

HIPÓTESIS Existe diferencia significativa en la eficiencia de la remoción de metales pesados entre ninfa y vetiver a diferentes escalas de tiempo.

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MATERIALES Y MÉTODOS Las plantas se obtuvieron del lago de Amatitlán contando con el apoyo (lancha, gasolina y piloto) de la Autoridad para el Manejo Sustentable de la Cuenca y el Lago de Amatitlán (AMSA) para la colecta.

Se colectaron un total de 20 plantas de ninfa (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms) y 20 plantas de vetiver (Vetiveria zizanioides (L.) Nash). Diez de las plantas colectadas de cada especie fueron transportadas al laboratorio de Aguas y Sólidos de la Unidad de Control Ambiental y Manejo de Lagos de AMSA para cuantificar su contenido de los metales de interés (As y Pb), por medio de espectrofotometría de absorción atómica horno de grafito, previo a someterlas a algún tratamiento. El resto de plantas (10 de cada especie) se transportaron al laboratorio de Fisiología Vegetal de la Escuela de Biología, Universidad de San Carlos de Guatemala. Las plantas transportadas al laboratorio de Fisiología Vegetal se colocaron individualmente en cubetas y fueron sometidas a dos tratamientos: agua del Lago de Amatitlán con concentración conocida de Pb (1mg/L aproximadamente.) y agua del lago con concentración conocida de As (1mg/L aproximadamente). Se comprobó que la concentración del agua con metales fuera la planificada (por medio de análisis de metales por espectrofotometría), previo a iniciar el experimento. Se tomaron muestras del agua cada semana durante un mes (total: 4 semanas) en frascos de polietileno esterilizados de 1L y se transportaron al laboratorio de Agua y Sólidos de AMSA para análisis de metales, al llegar al laboratorio se midió la conductividad en el agua con el fin de corroborar diferencias en la concentración iónica. Al final de la cuarta semana también se analizó el contenido de metales dentro de las plantas.

Como ya se mencionó tanto los análisis de metales en el agua como en las plantas fueron realizados por medio de espectrofotometría de absorción atómica en horno de grafito. Haciéndose este sin tratamiento previo en el caso del agua; mientras que en el caso de las plantas fue necesario obtener previamente el porcentaje de humedad (se debe de macerar 100g planta, secarla, y pesar de nuevo).

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Los 0.2g de muestra seca se digirieron con ácido nítrico en horno de microondas durante dos horas, luego se aforó a 25ml y se leyó en el espectrofotómetro de absorción atómica Varian modelo 240z. Para la lectura de As se utilizó una longitud de onda de 193.7nm, el comando de lectura fue a 2500°C, su curva de calibración fue de 0 a 48 ppb y se utilizó un modificador a base de níquel con el fin de eliminar interferencias. En el caso del Pb se leyó a una longitud de onda de 283.3nm, el comando de lectura fue a 2100°C, su curva de calibración fue de 0 a 80 ppb y se utilizó un modificador a base de paladio. Ambos métodos son los establecidos por Varian Australia, 1989 en el manual del equipo.

Luego de obtener los datos se aplicó una prueba de Kruskal-Wallis, observando si existe diferencia en la concentración de metales en el agua entre el inició y la primera semana y así sucesivamente; después se aplicó la prueba de Duncan o Tukey y se comprobó también si existía una diferencia significativa en la absorción de metales entre los distintos tratamientos y de ser así se obtuvo cuál es el que presenta una mayor remoción.

RESULTADOS Tabla No. 1: Concentración de Arsénico en muestras de agua obtenidas de los recipientes donde se encontraban las plantas (Vetiver y Ninfa) una semana después de iniciado el experimento. Concentración

Concentración

Desviación

Absorbancia

% de

ppb (ug/L)

ppm (mg/L)

ppm (mg/L)

media

Remoción

0

0

0.1

0.3228

-----

20.42

0.02042

0

0.1758

-----

Vetiver 1

544.45

0.54445

0.0133

0.2272

45.55%

Vetiver 2

426.1

0.4261

0

0.107

57.39%

Vetiver 3

278.6

0.2786

0.0432

0.2318

72.14%

Muestra

Calibrador 0 Estándar 0.02ppm

11

Vetiver 4

5 21.69

0.52169

0.0034

0.1289

47.83%

Vetiver 5

472.33

0.47233

0.0163

0.1177

52.77%

1.54

0.00154

0.051

0.015

-----

Ninfa 1

659.13

0.65913

0.0221

0.0644

34.09%

Ninfa 2

392.79

0.39279

0.0173

0.1698

60.72%

Ninfa 3

495.15

0.49515

0.005

0.2088

50.48%

Ninfa 4

534.58

0.53458

0.0087

0.1906

46.54%

Ninfa 5

617.28

0.61728

0.009

0.2166

38.27%

7.21

0.00721

0.0362

0.0567

-----

Control Vetiver

Control Ninfa

Fuente: Datos experimentales. Tabla No. 2: Concentración de Arsénico en muestras de agua obtenidas de los recipientes donde se encontraban las plantas (Vetiver y Ninfa) dos semanas después de iniciado el experimento Concentración

Concentración

Desviación

Absorbancia

% de

ppb (ug/L)

ppm (mg/L)

ppm (mg/L)

media

Remoción

0

0

0.001

0.3714

-----

20.05

0.02005

0.0038

0.1265

-----

Vetiver 1

413.09

0.41309

0.0225

0.1301

58.69%

Vetiver 2

532

0.532

0.0146

0.1655

46.8%

Vetiver 3

267.27

0.26727

0.009

0.0854

73.27%

Vetiver 4

429.25

0.42925

0.0037

0.135

57.07%

Muestra

Calibrador 0 Estándar 0.02ppm

12

Vetiver 5

488.98

0.48898

0.0215

0.1528

51.10%

0.86

0.00086

>0.1

0.0056

-----

Ninfa 1

1090.49

0.09049

0.0235

0.0734

0%

Ninfa 2

357.36

0.35736

0.0264

0.0462

64.26%

Ninfa 3

524.08

0.52408

0.0376

0.0703

47.59%

Ninfa 4

530.33

0.53033

0.0247

0.0712

46.97%

Ninfa 5

20.72

0.02072

>0.1

0.0025

97.93%

14.83

0.01483

0.0084

0.0807

-----

Control Vetiver

Control Ninfa

Fuente: Datos experimentales. Tabla No. 3: Concentración de Plomo en muestras de agua obtenidas de los recipientes donde se encontraban las plantas (Vetiver y Ninfa) una semana después de iniciado el experimento Concentración

Concentración

Desviación

Absorbancia

% de

ppb (ug/L)

ppm (mg/L)

ppm (mg/L)

media

Remoción

0

0

1.7

0

-----

43.35

0.04335

0.0141

43.35

-----

Vetiver 1

9.68

0.00968

0.0122

9.68

99.032%

Vetiver 2

19.62

0.01962

0.0016

19.62

98.038%

Vetiver 3

9.08

0.00908

0.0217

9.08

99.092%

Vetiver 4

4.68

0.00468

0.0138

4.68

99.532%

Vetiver 5

2.84

0.00284

0.0242

2.84

99.72%

Muestra

Calibrador 0 Estándar 0.05ppm

13

Control

16.14

0.01614

0.0036

16.14

--------

Ninfa 1

205.35

0.20535

0.0057

205.35

79.46%

Ninfa 2

21

0.021

0.0193

21

97.9%

Ninfa 3

3.96

0.00396

>0.1

3.96

99.60%

Ninfa 4

0

0

>0.1

0

100%

Ninfa 5

43.77

0.04377

0.0035

43.77

95.62%

3.46

0.00346

0.0356

3.46

------

Vetiver

Control Ninfa

Fuente: Datos experimentales. Tabla No. 4: Concentración de Plomo en muestras de agua obtenidas de los recipientes donde se encontraban las plantas (Vetiver y Ninfa) dos semanas después de iniciado el experimento Concentración

Concentración

Desviación

Absorbancia

% de

Muestra

ppb (ug/L)

ppm (mg/L)

ppm (mg/L)

media

Remoción

Calibrador 0

0

0

0.0013

0.1085

------

37.74

0.03774

0.0012

0.1423

------

Vetiver 1

5.65

0.00565

>0.1

0.0206

99.43%

Vetiver 2

14.47

0.01447

0.0009

0.0537

98.55%

Vetiver 3

7.62

0.00762

0.0019

0.0279

99.24%

Vetiver 4

3.39

0.00339

0.0033

0.0123

99.66%

Vetiver 5

6.35

0.00635

0.0478

0.0232

99.36%

Estándar 0.05ppm

14

Control

1.9

0.0019

0.0059

0.0068

------

Ninfa 1

139.92

0.13992

0.0148

0.0204

86.01%

Ninfa 2

26.02

0.02602

0.0037

0.098

97.40%

Ninfa 3

9.1

0.0091

0.0039

0.0334

99.09%

Ninfa 4

20.67

0.02067

0.0038

0.0708

97.93%

Ninfa 5

107.64

0.10764

0

0.323

89.24%

3.9

0.0039

0.0171

0.013

------

Vetiver

Control Ninfa

Fuente: Datos experimentales. Tabla No.5: Promedio de los porcentajes de remoción de los cuatro tratamientos en las muestras de ambas semanas Semana 1

Semana 2

% Remoción

% Remoción

Vetiver/Arsénico

55.136

57.386

Ninfa/Arsénico

46.02

51.35

Vetiver/Plomo

99.08

99.25

Ninfa /Plomo

94.52

93.93

Tratamiento

Fuente: Datos experimentales.

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Tabla No.6: Descripción general de las plantas luego de la primera y la segunda semana del experimento. Espécimen

Descripción Semana 1

Pb1 Vetiver

Nueve hojas en total de las cuales 3 se presentaban

Estado similar a la

marchitas, longitud de la raíz aproximadamente 20cm.

primera semana

En total tiene catorce hojas vivas en buen estado. La raíz

Estado similar a la

mide aproximadamente 20cm.

primera semana

Catorce hojas en total y cuatro marchitas. Raíz con una

Estado similar a la

longitud aproximada de 15cm.

primera semana

Dieciocho hojas en total, de las cuales 4 están marchitas. La

Estado similar a la

raíz tiene una longitud de 25cm aproximadamente.

primera semana

De seis hojas en total tres se encontraban marchitas, longitud

Estado similar a la

de la raíz de aproximadamente 20cm.

primera semana

Diez hojas en total de las cuales una se presentaba marchita.

Estado similar a la

Longitud de la raíz 25cm aproximadamente.

primera semana

De cinco hojas en total una se encontraba marchita. Longitud

Estado similar a la

de la raíz aproximadamente 15cm.

primera semana

Nueve hojas vivas y en buenas condiciones, la raíz mide

Estado similar a la

25cm de longitud aproximadamente.

primera semana

Diez hojas de las cuales 4 estaban marchitas. Raíz con una

Estado similar a la

longitud de aproximadamente 30cm.

primera semana

Ocho hojas en total de las cuales una se encontraba marchita.

Estado similar a la

Raíz con una longitud aproximada de 15cm.

primera semana

Completamente turgente

Estado similar a la

Pb2 Vetiver

Pb3 Vetiver

Pb4 Vetiver

Pb5 Vetiver

As1 Vetiver

As2 Vetiver

As3 Vetiver

As4 Vetiver

As5 Vetiver

Vetiver control

Descripción Semana 2

primera semana

16

Pb1 Ninfa

Planta

completamente

turgente.

2

hojas

presentaban

manchas amarillas. Longitud de la raíz de aproximadamente

Estado similar a la primera semana

10 cm, con presencia de raicillas blancas. Pb2 Ninfa

Pb3 Ninfa

Planta completamente turgente, presencia de tallos jóvenes.

Estado similar a la

Raíz con longitud aproximada de 15cm.

primera semana

Planta completamente turgente,

Estado similar a la

presencia de raicillas

blancas y de raíces adventicias. Longitud de la raíz

primera semana

aproximadamente 10 cm. Pb4 Ninfa

Planta completamente turgente, presencia de una hoja con

Estado similar a la

manchas

primera semana

amarillas.

Raíz

con

una

longitud

de

aproximadamente 20cm. Pb5 Ninfa

As1 Ninfa

Planta completamente turgente, con cinco hojas enteras.

Estado similar a la

Raíces de 25cm de longitud aproximadamente.

primera semana

Planta con tres hojas que tienen sus láminas marchitas y los peciolos están marchitos en el extremo superior aunque permanecen turgentes en la base. Las raíces con 20cm de longitud aproximadamente.

As2 Ninfa

Completamente marchita y en descomposición

La totalidad de las hojas marchitas, tallos aún turgentes. Raíz

Completamente

con una longitud aproximada de 15cm.

marchita y en descomposición

As3 Ninfa

50%

de

la

planta

marchita.

Longitud

de

la

raíz

aproximadamente 15cm.

Completamente marchita y en descomposición

As4 Ninfa

Hojas marchitas, de tres tallos dos turgentes y uno marchito.

Completamente

Raíz con 15cm de longitud aproximadamente.

marchita y en descomposición

17

As5 Ninfa

Totalidad de las hojas marchitas, tallos aún turgentes..

Completamente

Longitud de la raíz aproximadamente 15 cm.

marchita y en descomposición

Ninfa

Completamente turgente

Estado similar a la

Control

primera semana

Fuente: Datos experimentales.

Tabla No. 7 Prueba de Mann-Whitney para el arsénico y plomo por vetiver y ninfa comparado con el control Planta Metal

Vetiver As

Ninfa Pb

As

Pb

Semana 1

p= 0.007937

p= 0.007937

p= 0.007937

p= 0.007937

Semana 2

p= 0.007937

p= 0.007937

p= 0.04762

p= 0.007937

Fuente: Datos experimentales. Tabla No. 8 Prueba de Mann-Whitney para el arsénico y plomo removido (ppm) entre vetiver y ninfa Metal

As

Pb

Semana 1

p= 0.3095

p= 0.09524

Semana 2

p= 0.8413

p= 0.01587

Fuente: Datos experimentales.

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES La fitoremediación ha resultado ser una alternativa viable para la remoción de metales pesados de aguas contaminadas. Como lo muestra la tabla No.5 es evidente la capacidad de remoción tanto de Arsénico como de Plomo que presentan ambas especies de plantas. En el caso de Vetiveria zizanioides (vetiver) el porcentaje de remoción mayor obtenido para arsénico fue de 57.38%, mientras que para Eichhornia crassipes (ninfa) este porcentaje fue del 51.35%, observándose una pequeña ventaja por la

18

primera. En el caso del Plomo, el porcentaje de remoción mayor del vetiver fue del 99.25%, mientras que el de la ninfa fue del 94.52%. La ninfa ha sido ampliamente estudiada por sus capacidades depuradoras y por su rápida reproducción, generalmente asexual, especialmente en regiones tropicales y subtropicales como las del país. Esta especie adquiere del agua todos los nutrientes necesarios para su metabolismo como Nitrógeno, Fósforo, Potasio, Calcio, Magnesio y otros (Celis, Junod y Sandoval, 2005). Tiene un sistema radicular con microorganismos asociados que favorecen la acción depuradora de estas plantas (Celis, Junod y Sandoval, 2005). En general se puede decir que estas plantas pueden acumular en sus tejidos grandes cantidades de metales pesados, lo cual realizan formando complejos entre el metal pesado y los aminoácidos presentes dentro de la célula, otro posible mecanismo sugiere que las bacterias producen sólidos que por gravedad se sedimentan (Celis, Junod y Sandoval, 2005). El vetiver es ampliamente reconocido por su efectividad al controlar sedimentos y la erosión, además se ha encontrado que es una planta que puede tolerar condiciones extremas de contaminación, incluyendo la presencia de metales pesados, atribuido a sus características fisiológicas y morfológicas. Uno de los efectos que tienen los metales pesados sobre las plantas es que interfieren en las actividades fotosintéticas. El vetiver muestra un descenso en el contenido de clorofila, probablemente por la inhibición de su síntesis o su degradación acelerada. Esto a su vez reduce el crecimiento en los individuos. La exposición de metales pesados induce la producción de especies activas del oxígeno, que son dañinas para las plantas (Pang, Chan, Zhang, Liang & Wong, 2003, p. 1568). La capacidad que posee el vetiver para absorber metales pesados y otras sustancias químicas se le atribuye a su sistema radicular por ser denso y robusto, además de la cantidad de biomasa que puede llegar a producir. Sus densas raíces pueden distribuirse horizontalmente y alcanzar mayores profundidades, de manera que puede encontrarse en contacto con mayor cantidad de nutrientes o sustancias químicas (Paz-Alberto, Sigua, Baui & Prudente, 2007, p. 502; Srisatit, Kosakul, & Dhitivara, 2003, p, 420). Varios estudios con esta planta han obtenido resultados distintos respecto a su capacidad de remoción de arsénico. En algunos casos han sido favorables, teniendo porcentajes significativos de remoción (Srisatit, Kosakul, & Dhitivara, 2003).

19

En el estudio realizado por Pang et. al., 2003, p. 1569, se evidenció la respuesta fisiológica que tiene el vetiver ante la presencia de metales pesados, donde este produjo peroxidasa, catalasa y superóxido dismutasa, que son las responsables de limpiar el organismo de dichos productos químicos tóxicos; aunque la actividad de estas enzimas fue distinta entre los tallos y las raíces. También mostró un aumento de ácido abscísico, que es una hormona encargada de mejorar la tolerancia de las plantas ante condiciones adversas. Esta respuesta ante los metales pesados podría de alguna manera explicar la tolerancia que presentó el vetiver hacia el arsénico, que la ninfa no pudo soportar y se evidenció con el marchitamiento y descomposición de los especímenes, tal y como se muestra en la tabla No. 6.

Los resultados del presente estudio muestran que, aunque siempre con mayor absorción que la ninfa, el vetiver tuvo una remoción de arsénico menor en comparación con la del plomo. Es posible que las condiciones bajo las cuales se llevó a cabo el experimento no hayan sido favorables para la absorción de arsénico, pero sí para el plomo. Esto sugiere que se deben realizar estudios para delimitar las condiciones óptimas para que esta planta trabaje de una manera eficiente en la que pueda remover la mayor cantidad de este metal en particular.

La diferencia en los porcentajes de remoción entre ambas plantas puede no ser únicamente causados por diferencias en las capacidades de remoción de las mismas, sino que por otros factores. Los niveles de concentración críticos de los metales en las plantas pueden ser uno de estos. Esta fitotoxicidad es específica no solo por el metal que se trate, sino que también para la especie de planta que lo está absorbiendo. En el caso de arsénico se ha demostrado que la toxicidad está influenciada más por la forma química en la que esté presente que por la cantidad, esto es debido a que ciertas formas químicas del arsénico son más fáciles de absorber que otras, siendo el arsénico soluble en agua el más asequible y por ende el que presenta una mayor fitotoxicidad (Carbonell et.al, 1995).

En la tabla No. 6 se observa que todas las plantas de ninfa sometidas al tratamiento con arsénico se marchitaron y empezaban a descomponerse, a diferencia del vetiver bajo las mismas condiciones, por lo que es posible que en esa concentración (1ppm) el arsénico sea tóxico para la ninfa más no para el vetiver, esto podría explicar la razón por la que el vetiver fue más eficiente en la remoción de arsénico.

20

Sin embargo en el caso del plomo se observa el mismo patrón, por lo que esta diferencia puede deberse a otros aspectos. Hay registros de que algunas plantas acuáticas acumulan grandes cantidades de metales pesados, sin embargo estos son liberados posteriormente al medio. Esto implica que la efectividad en la remoción tan solo es durante un tiempo determinado y que luego de este tiempo es necesaria la remoción de las plantas del sitio para evitar recontaminaciones (Celis, etl.al, 2005)

En la tabla No. 5 se observa que en la semana 1 la ninfa bajo el tratamiento de plomo tenía un porcentaje de remoción del 94.52% en promedio, mientras que en la segunda semana este disminuyó al 93.93% pudiendo esto deberse a la liberación del metal por las plantas. Por otro lado, en la tabla No. 1 se observa que en la primera semana en el agua de la ninfa No. 1 la concentración de arsénico era de 0.65ppm, mientras que en la segunda semana la concentración para la misma planta correspondía a 1pmm por lo que es posible que ocurra lo descrito anteriormente, además hay que considerar el estado en el que se encontraban estas plantas (en la segunda semana se encontraba ya totalmente marchita) lo cual puede explicar la liberación del metal por la planta.

El plan de investigación planteaba utilizar para el análisis estadístico una prueba de Kruskal-Wallis que explicaría si existe diferencia significativa entre alguno de los tratamientos, sin especificar cuál de ellos presenta dicha diferencia y luego realizar una prueba de Tukey o Duncan comparando cada par de condiciones para determinar las combinaciones que presentan las diferencias mencionadas. Para facilitar la obtención de resultados se aplicó una prueba de Mann-Whitney a cada tratamiento con el control y entre tratamientos para ambas semanas, lo cual directamente proporciona los valores estadísticos requeridos. En la tabla No. 7 se pueden observar los valores del estadístico p obtenidos de cada tratamiento comparado con el control respectivo, estos valores al ser comparados con un valor α= 0.05 demuestran que sí existe remoción significativa de Arsénico y Plomo por las dos especies de plantas desde la primera semana del tratamiento y también en la segunda semana. Después de determinar que existe la remoción mencionada anteriormente se realizó una comparación de la proporción de remoción de los metales entre ninfa y vetiver, encontrando que

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solamente existe diferencia significativa entre la remoción entre las plantas en la segunda semana con el tratamiento de Plomo. Aunque se encontró esta diferencia de la absorción de los metales entre ninfa y vetiver, ambas especies remueven más del 85% del metal (ver tabla No. 4). Por último, cabe destacar que en el protocolo de investigación se planteó utilizar agua y plantas de ninfa y vetiver obtenidas del Lago de Amatitlán, pero al estar este cuerpo de agua influenciado por descargas de metales pesados, el agua y las plantas tendrían desde el inicio una concentración desconocida de metales pesados. Por lo anterior se utilizaron para la parte experimental agua y plantas de ninfa obtenidas del Jardín Botánico y plantas de vetiver cultivadas en el vivero de AMSA, asegurando de esta manera que inicialmente no se tienen metales pesados en los materiales utilizados. Además se consideró realizar la parte experimental de esta investigación en el laboratorio de Fisiología Vegetal de la Escuela de Biología, pero por falta de espacio e iluminación finalmente se realizó en un salón destinado al Instituto de Investigaciones Químicas y Biológicas que presentaba las condiciones adecuadas para colocar los tratamientos. En conclusión se puede decir que Eichornia crassipes (ninfa) y Vetiveria zizanoides (vetiver) son especies de plantas acuáticas que remueven significativamente Plomo y Arsénico del agua dulce en cortos períodos de tiempo sin presentar diferencias significativas entre la efectividad de cada una, por lo que se pueden utilizar en plantas de tratamiento de aguas con residuos industriales siempre considerando la posibilidad de que esta remoción se podría dar solamente en un período de tiempo determinado.

RECOMENDACIONES 

Previo a implementar algún tratamiento utilizando las plantas propuestas para la remoción de metales, es necesario realizar estudios fitotóxicos tanto en Eichornia crassipes como en Vetiveria zizanoides para determinar los límites de tolerancia que estas plantas poseen a los metales.



Realizar lecturas con menor tiempo de separación (si es posible diariamente) para poder obtener la curva de remoción y así determinar el momento en que la planta inicia la liberación del metal que absorbió.

22



Es recomendable que el agua utilizada para los tratamientos contenga concentraciones conocidas de los nutrientes necesarios y adecuados para el metabolismo específico de cada especie de planta, de esta manera se puede eliminar una fuente importante de variación en el estudio.



Ya que este estudio es exploratorio y en él se utilizan pruebas estadísticas no paramétricas, es necesario tener mayor número de réplicas para cada tratamiento de tal manera que se puedan utilizar pruebas estadísticas paramétricas en el análisis y obtener resultados más concluyentes.

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ANEXOS Anexo 1: Aspecto general de los especímenes de vetiver y ninfa en la primera semana.

Fuente: Datos experimentales.

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Anexo 2: Aspecto general de los especímenes de vetiver y ninfa en la segunda semana.

Fuente: Datos experimentales

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