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EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE REMOCIÓN DE LA LECHUGA DE AGUA
(Pistia Stratiotes) SOBRE EFLUENTES CONTAMINADOS CON Cd EN
CONDICIONES IN VITRO
BRENDA LEONES SAYAS
MARÍA ALEJANDRA SUAREZ PÉREZ
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARTAGENA, BOLÍVAR
2020
EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD DE REMOCIÓN DE LA LECHUGA DE AGUA
(Pistia Stratiotes) SOBRE EFLUENTES CONTAMINADOS CON Cd EN
CONDICIONES IN VITRO
BRENDA LEONES SAYAS
MARIA ALEJANDRA SUAREZ PEREZ
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de
ingenieros químicos
Directora
Natalia Terán Acuña
MSc. Ingeniera Química
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERIA
CARTAGENA - BOLIVAR
2020
DEDICATORIA Principalmente quiero dale gracias a DIOS por permitirme culminar este proyecto.
A mi abuelo Delimiro Sayas por ser siempre mi motor y por su inmenso amor porque
a pesar de que no estés aquí hoy, esto es por ti; y sé que donde estés siempre me
estas cuidando.
A mis padres Leonor Sayas y Luis Leones por su apoyo incondicional, por brindarme
su amor, por haber hecho de mi la persona que soy, por ayudarme a cumplir mis
metas y siempre tener una voz de aliento para mí.
A mis amigos Jhonny Bermejo, Leidy Rodríguez, Macneis Vega, Isella torres, Néstor
florez, Jhon Gulloso, Mafe Moreno y Rafael Tapia, gracias por regalarme su amistad
y estar ahí siempre que los he necesitado, gracias por regalarle a mi vida alegría y
muchas historias que contar.
A mi abuela Leonarda Olivera que donde quiera que estés sé que me está cuidando
y a Idalis Romero que me sigue brindando su inmenso amor día a día gracias por
su apoyo.
BRENDA LEONES SAYAS
DEDICATORIA
A Dios por darme la fuerza y ser mi refugio en esos momentos donde ya no creia
en mi y darme la oportunidad de llegar a realizarme como profesional, se que el
resto de mi vida estara acompañandome.
A mis padres, Marinelda Perez y Luis Suarez, por ser el principal cimiento para la
construccion de mi vida profesional, me enseñaron el valor de la resposabilidad y
deseos de superacion; y veo en ellos el reflejo de lo que quiero ser como persona.
Los quiero con todo mi corazon, gracias por el apoyo y la paciencia que han tenido
conmigo.
A mis hermanos, Luis F. Suarez y Luis S. Suarez, por estar siempre presente,
acompañandome. Mis abuelos, Margarita Mendoza y Miguel Perez, por ser tambien
pilares de mi vida, por su apoyo e incondicional cariño.
Al resto de mi familia, por ese apoyo que me han dado, de nunca dejar de creer en
mi y llenarme de sabiduria a lo largo de mi p´reparacion profesional.
Y por ultimo, pero no menos importante, a mi compañera de tesis y amiga Brenda
Leones; y mis amigos Jorge Perez y Maria F. Moreno, por apoyarme siempre y
regalarme su amistad.
¡Bendiciones a todos y muchos exitos!
MARÍA ALEJANDRA SUAREZ PÉREZ
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a Dios por guiar cada uno de nuestros pasos y permitirnos terminar
nuestro proyecto.
A nuestros padres Luis Leones, Leonor Sayas, Luis Suarez y Marinelda Pérez por
ser pieza importante para materializar este sueño.
Agradecemos a nuestra tutora la ingeniera y docente Natalia Terán Acuña por
brindarnos su conocimiento, colaboración infinita y por guiarnos en la realización de
este proyecto, por la paciencia brindada.
También agradecerles a los docentes de la facultad de ingeniería por trasmitirnos
su conocimiento.
CONTENIDO
INTRODUCCION .................................................................................................. 12
PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ....................................................................... 14
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................ 14
1.1 FORMULACION DEL PROBLEMA .......................................................... 16
1.2 JUSTIFICACION .......................................................................................... 16
1.3 OBJETIVOS ............................................................................................. 18
1.3.1 Objetivo General ................................................................................ 18
1.3.2 Objetivos Específicos ........................................................................ 18
2. MARCO REFERENCIAL ................................................................................... 19
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS ......................................................... 19
2.2 MARCO TEÓRICO ...................................................................................... 22
2.2.1 Cadmio en la industria ........................................................................... 22
2.2.2 Fitorremediación.................................................................................... 23
2.2.3 Macrófitas acuáticas .............................................................................. 26
2.2.4 Pistia Stratiotes ................................................................................... 27
2.3 MARCO LEGAL ....................................................................................... 29
2.4 MARCO CONCEPTUAL .............................................................................. 30
3. DISEÑO METODOLÓGICO .............................................................................. 32
3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN ......................................................................... 32
3.1.1 Diseño Adoptado ................................................................................... 33
3.1.2 Enfoque Adoptado................................................................................. 33
3.1.3 Población y Muestra .............................................................................. 33
3.2 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN ............................ 34
3.2.1 Fuente Primaria ..................................................................................... 34
3.2.2 Fuentes Secundarias ............................................................................ 35
3.3 HIPÓTESIS .................................................................................................. 35
3.3.1 Hipótesis de investigación ..................................................................... 35
3.3.2 Hipótesis Nula ....................................................................................... 35
3.3.3 Hipótesis Alternativa .............................................................................. 35
3.4 OPERACIONALIZACION DE VARIABLES .................................................. 36
3.5 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION ............................................ 36
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .......................................................................... 37
4.1 Condiciones de ensayos. ............................................................................. 37
4.2 Evaluación de la capacidad de remoción ................................................ 44
CONCLUSIONES .................................................................................................. 46
REFERENCIA ....................................................................................................... 48
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Plantas acuáticas comunes………………………………………………….26
Figura 2. Morfología de la Lechuga de agua (Pistia stratiotes) ……………….....27
Figura 3. Distribución de la Pistia Stratiotes…………………………………………33
Figura 4. Toma de muestras…………………………………………………..…….....34
Figura 5: absorción atómica…………………………………………………………….37
Figura 6. Prueba y error…………………………………………………………………38
Figura 7. Cambio de la Pistia Stratiotes…………………………………...….……..39
Figura 8. Toma de pH…………………………………………………………………...43
Figura 9. Variación en el porcentaje de remoción con respecto al tiempo………...45
LISTA DE CUADROS
Cuadro 1. Tecnologías fitorremediadoras…………………………………………...24
Cuadro 2. Ventajas y desventajas de la fitorremediación………………………….25
LISTA DE TABLA
Tabla 1. Relación de los resultados obtenidos para: (OD) y turbiedad……………..43
RESUMEN
El cadmio es uno de los metales pesados más tóxicos que pueden afectar la calidad
del agua debido a su alta movilidad y poder bioacumulativo, además de generar
efectos nocivos en el medio ambiente, es potencialmente cancerígeno y se
comporta como disruptor endocrino. Con el fin de mitigar su impacto, se han
utilizado diferentes técnicas de remediación, una de las cuales es la
fitorremediación, que se ha utilizado de manera eficaz para la remoción de
diferentes metales en efluentes acuosos. En el presente trabajo se evaluó la
capacidad de remoción de la lechuga de agua (Pistia Stratiotes) sobre soluciones
acuosas contaminadas con cadmio en condiciones in vitro. Para ello se puso en
contacto la especie con soluciones sintéticas de diferentes concentraciones iniciales
de Cd (0.5, 5.0 y 10 ppm), y se monitoreó el crecimiento de la planta, el porcentaje
de remoción y algunos parámetros de calidad de agua durante siete días. Se
encontró que la especie tiene una capacidad de remoción máxima de alrededor del
70%, siendo el medio que presenta mayores porcentajes de remoción el de
concentración inicial de 10 ppm con un 76,3 % de remoción de cadmio. También se
pudo observar que la concentración del metal influye en el crecimiento de la lechuga
de agua (Pistia Stratiotes), debido a que a concentraciones altas no se presenta
propagación de la especie y se acelera el proceso de marchitamiento y amarillez
conocido como clorosis.
Palabras claves: fitorremediación, Pistia Stratiotes, cadmio, metales pesados
INTRODUCCION
Durante los últimos años se ha observado un aumento significativo de la
contaminación de cuerpos de agua como consecuencia del vertimiento de efluentes
industriales, lo que ocasiona graves problemas ambientales [1]. Una de las formas
de contaminación más peligrosa es la ocasionada por metales pesados, ya que, a
diferencia de los contaminantes orgánicos, los metales como el Cr, Cd, Hg y Pb no
se degradan de forma biológica ni químicamente en la naturaleza, por lo contrario,
presentan efectos de bioacumulación y biomagnificación, que incrementan su
peligrosidad en los ecosistemas [2]. Por esta razón, se han desarrollado diferentes
métodos o biotecnologías para enmendar el impacto causado por la contaminación
de metales pesados; ya que los métodos convencionales suelen ser costosos y
pueden afectar de manera irreversible las propiedades del suelo, agua y de los
seres vivos que en ellos habitan; estas razones han estimulado el desarrollo de
nuevas tecnologías para el tratamiento de aguas contaminadas con esta clase de
sustancias [3].
La fitorremediación es una alternativa emergente, que representa un menor costo-
efectivo, posee ventajas estéticas, puede capturar gases de efecto invernadero, no
requiere de una fuente de energía diferente a la solar y tiene gran aplicabilidad bajo
diferentes rangos de concentración de contaminantes. Esta se basa en el uso de
plantas con capacidad de remover, transformar, secuestrar o degradar sustancias
contaminantes contenidas en los suelos, sedimentos, aguas superficiales y
subterráneas [2]. Esta alternativa de descontaminación ha identificado una amplia
diversidad de especies que se emplean para este fin. Algunas de ellas debido a su
gran capacidad para acumular metales pesados, reciben el nombre de
hiperacumuladoras [3].
En este trabajo se estudió la macrófita lechuga de agua (Pistia Stratiotes) para
evaluar su capacidad de absorción de cadmio bajo condiciones in vitro. Para ello,
en este trabajo, se presentan a continuación, el enfoque de los problemas
ambientales y de salud que puede causar la contaminación por cadmio en cuerpos
de agua, posteriormente se aborda el marco teórico en donde se plantean las
diferentes técnicas de fitorremediación utilizadas para la descontaminación de
sistemas acuáticos teniendo en cuenta el tipo de contaminante y cuál es su
concentración en el medio, los mecanismo de absorción de la especie lechuga de
agua (Pistia Stratiotes), luego se presenta la metodología utilizada para el
desarrollo de esta experiencia y finalmente, los resultados obtenidos de la
evaluación de la macrófita en la remoción de cadmio, y su comportamiento en la
solución durante los días de evaluación.
PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El agua es uno de los recursos más importantes a nivel mundial ya que además de
ser indispensable para la vida, es también necesaria para el desarrollo de diversas
actividades de agricultura y procesos industriales. Con el aumento de la población
y así mismo de las industrias, se ha incrementado la demanda de este recurso y
como consecuencia de su uso, de igual manera se generan grandes volúmenes de
agua residual la cual puede contener -contaminación química por metales,
colorantes, plaguicidas entre otros [4], de acuerdo con las actividades industriales y
agrícolas que les dieron origen.
Industrias como la minera, la de recubrimientos metálicos, las fundidoras, entre
otros, pueden generar vertimientos con altos contenidos de metales pesados como
el Pb, Cu, Zn, Cd, Al, Fe, Ni, Mn y Hg, que, al no ser tratados adecuadamente, no
solo contaminan el cuerpo de agua sino también el suelo, ya que no presentan
ningún tipo posible de degradación química o biológica. Por ello, estas sustancias
pueden acumularse y permanecer en los tejidos orgánicos de las plantas y animales
por largos periodos de tiempo (bioacumulación) [5]. Además, pueden ser
transferidos mediante la cadena alimenticia, a través de procesos de
biomagnificación, lo que causa peligros en la ecología acuática y otros beneficiarios
del agua [5], ya que la mayoría de estos metales provocan efectos tóxicos.
Particularmente el cadmio, el cual se utiliza ampliamente en la industria como aditivo
en la fabricación de filtros de vidrio, de pigmentos y plásticos, como catalizador
químico y entre otras aplicaciones [6]; produce daños en los riñones, sistema óseo
y sistema respiratorio, además la Organización Mundial de Salud (OMS), el
Departamento de salud y Servicios Humanos de EEUU (DHHS), la Agencia para la
Investigación del Cáncer (IARC) y la Agencia para Sustancias Toxicas y el Registro
de Enfermedades (ATSDR) han determinado que el cadmio y los compuestos de
cadmio son carcinogénicos en seres humanos.
La ciudad de Cartagena, localizada en el departamento de Bolívar (Colombia), vierte
aproximadamente el 40% de sus aguas residuales a la Bahía de Cartagena por
medio del Emisario Submarino, y aporta en el incremento de la concentración de
metales pesados, aunque estudios realizados al emisario por Aguas de Cartagena
reportan que los niveles de Cd no superan los 0.03 mg/L1, y análisis de los
sedimentos de las playas de Manzanillo reportaron, a principios del 2010, niveles
de 0.4 mg/L2. El nivel y tipo de contaminantes vertido está influenciado por las
diversas descargas, siendo las principales los contribuyentes procedentes del canal
del Dique, su cuenca de drenaje, y las aguas residuales domesticas a través del
emisario submarino de manzanillo [7].
Con el fin de reducir la concentración de metales pesados en fuentes hídricas, se
han desarrollado diferentes técnicas que involucran el uso de membranas de
retención selectivas, resinas de intercambio iónico, entre otras, las cuales presentan
altas tasas de remoción, sin embargo, estas son normalmente utilizadas en
vertimientos y requieren altas tasas de mantenimiento, por tanto, no es viable su
utilización in situ en cuerpos de agua naturales. En este sentido, plantas macrófitas
como la lechuga de agua (Pistia Stratiotes), tienen la capacidad de retener iones
metálicos y son adaptables a sistemas naturales como humedales, lo que podría
representar una solución natural y eficiente a la contaminación por cadmio en agua
[8].
1 Informe de Interventoría Ambiental del Emisario Submarino de Cartagena, 2020. 2 L. C. Cerro Medina, «Evaluación de los niveles de metales pesados en sedimentos superficiales aledaños al Emisario Submarino de Manzanillo, Bahía de Cartagena, Colombia, durante el periodo 1998 -2010,» Universidad de Cartagena, 2018.
1.1 FORMULACION DEL PROBLEMA
¿Es viable el uso de la lechuga de agua (Pistia Stratiotes) para la remoción de Cd
en efluentes acuosos?
1.2 JUSTIFICACION
El uso de metales pesados en sectores productivos minero, energético, agrícola e
industrial, así como sus características de bioacumulación y biomagnificación,
conlleva a que la contaminación química por metales pesados constituya una de las
más peligrosas amenazas para los ecosistemas acuáticos y las especies presentes
en él [9]. Con el fin de mitigar este tipo de contaminación, se han desarrollado
diversas técnicas de remoción como: filtración por membrana, electrodiálisis,
osmosis inversa, nano y ultrafiltración, intercambio iónico, precipitación química,
entre otras [10].
Dentro de estas tecnologías, la filtración por membrana y el intercambio iónico
presentan altas eficiencias de remoción, requiere poco espacio y es de fácil
operación, sin embargo, generan una gran cantidad de lodos que se encuentran
contaminados [6]. Además, la filtración por membrana resulta poco selectiva,
mientras que el intercambio iónico requiere un alto consumo de reactivos y tiempos
de contacto debido a que se basan en reacciones heterogéneas [11]. Por otro lado,
la electrodiálisis y la osmosis son altamente selectivas tiene la capacidad de
remover iones contaminantes de hasta 0,0001 μm, pero requieren del reemplazo de
membranas, lo que incrementa su costo y en el caso de la electrodiálisis se
presentan fenómenos de corrosión [4].
Nuevas técnicas como la nano y ultrafiltración tienen capacidad de remover iones
de muy pequeños (<1 nm), no obstante, al operar con membranas de poros de igual
magnitud presentan problemáticas en cuanto a relacionadas con la disminución de
flujo por ensuciamiento y requiere presiones de funcionamiento muy altas (entre 10
y 50 bares) [6], lo que dificulta su operatividad. Adicionalmente, las membranas
utilizadas con esta tecnología son de corta duración, por lo que requieren cambios
frecuentes, limpieza periódica y aplicación de pretratamientos [11]. Cabe resaltar
que, de las técnicas mencionadas, la precipitación química es la más utilizada en
los procesos industriales ya que es relativamente sencilla de operar, económica y
selectiva, aunque su mantenimiento si es costoso debido a la alta generación de
lodos [6].
Una reciente alternativa para la remoción de metales en agua es la fitorremediación,
esta consiste en el uso de las plantas que retienen iones metálicos y que
posteriormente pueden ser extraídos de la biomasa cosechada. La fitorremediación
se puede utilizar para limpiar una gran variedad de contaminantes y se percibe como
rentable, eficiente, respetuoso del medio [12]. Una de sus ventajas es que las
fitotecnologías ofrecen numerosas relaciones con los métodos fisicoquímicos que
se usan en la actualidad, por ejemplo, su amplia aplicabilidad y bajo costo [13].
Las macrófitas flotantes comprenden un amplio y variado grupo de plantas, entre
las que se destacan el Jacinto de agua (Eichhornia crassipes), la lechuga de agua
(Pistia strartiotes), la salvinia (Salvinia Spp), la redondita de agua (Hydrocotyle
ranunculoides) y algunas especies de lentejas de agua (Lemna Spp., Spirodella
Spp) [14]. De estas, la lechuga de agua (Pistia Stratiotes) es más fácil de manejar
debido a que su biomasa más pequeña, lo que permite su uso en sistemas de
policultivo, donde E. crassipes son demasiado grandes y agresivos para estos tipos
de estanques de fitorremediación [15]. De acuerdo con lo anterior, en este estudio
se utilizó la lechuga de agua (Pistia stratiotes) ya que esta especie presenta
propiedades propicias para absorber metales pesados, en especial el Cd [16].
Por último, esto es coherente con la línea de investigación de proceso y medio
ambiente de la Universidad de San Buenaventura de la facultad de ingeniería
química. Este trabajo de grado es viable debido a que por medio de las
investigaciones que se han realizado como se dispone en los antecedentes
investigativo, se han podido comprobar la eficiencia de las macrofitas para reducir
metales pesado en especial Cd y se ha verificado que se pueden implementar a
gran escala como lo es en la agroindustria, industrias de saneamientos, para ayudar
al medio ambiente y brindar una solución a la problemática que se presenta en la
actualidad con los metales pesados.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo General
Evaluar la capacidad de remoción de la lechuga de agua (Pistia Stratiotes) sobre
efluentes acuosos contaminados con Cd en condiciones in vitro
1.3.2 Objetivos Específicos
Establecer las condiciones iniciales de concentración de cadmio en las soluciones
sintéticas.
Analizar los cambios en la concentración del cadmio y pH en soluciones acuosos
sintéticas in vitro tratados con la lechuga de agua (Pistia Stratiotes).
Determinar la influencia del cadmio en el comportamiento la planta durante el
proceso de absorción.
2. MARCO REFERENCIAL
2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
Para la presente investigación se hicieron consultas referentes a biotecnología,
biología y tecnología ambiental, las consultas de estos antecedentes abarcan desde
2005 hasta 2017, los resultados más relevantes de dichas consultas se exponen a
continuación:
Desde el 2007, se han utilizado diferentes tipos de macrófitas como proceso de
tratamiento secundario para la remoción de metales pesados generados por
actividad industrial, los tipos de plantas utilizadas para tal fin han sido amplios, se
reporta el uso de especies como Eichhornia Crassipes [16][17][18], lechuga de
agua (Pistia strartiotes) [16] [1] [19] [20] [21][22] [17] [18] [23] y Lemna minor
[16] [23]. en 2016 se realizó un estudio por D. Caviedes, D. Delgado y A. Olaya,
estudio que demostró la versatilidad y tolerancia de las plantas Eichhornia
Crassipes, la lechuga de agua (Pistia Strartiotes), Lemna minor para absorber
metales pesados como el Cd, Cr, Zn, Cu, As. Para el caso particular del Cd, el
porcentaje de remoción (%R) alcanzado utilizando la Eichhornia Crassipes fue de
entre 40 a 85 %, para la lechuga de agua (Pistia Strartiotes) fue de 63-87 % y
para la Lemna minor de entre 33-50%; sin embargo, estas muestran limitaciones en
la remoción de microcontaminantes xenobióticos y algunos metales pesados
específicos [16].
En el año 2015 Yazmin Barreto, José Paredes realizaron una investigación en Perú
donde se trabajó con las especies la lechuga de agua (Pistia stratiotes) y
Eichhornia crassipes Se evaluaron, los cambios físicos en las especies vegetales,
la tasa de crecimiento relativo mediante la ecuación de Hunt y la cuantificación de
cobre absorbido, por espectrofotometría de absorción atómica, bajo un sistema tipo
batch por un período de 20 días. Finalmente se obtuvo que la tasa de crecimiento
relativo se vio afectada después de la concentración de 10 mg/L de cobre, en ambas
especies, así mismo se determinó alta capacidad de absorción de cobre las dos
especies, siendo 98.87 % y 98.34% para lechuga de agua (Pistia stratiotes) y
Eichhornia crassipes respectivamente [17].
Los estudios realizados en 2016 por Diego Alonzo Pozo Yoveracon en Perú, en
2007 por G. Torres, A. Navarro, J. Languasco, K. Campos y N. Cuizano en Perú y
en 2005 C. Paris, H. Hadad, M. Maine y N. Suñe en Argentina. La lechuga de agua
(Pistia Stratioides) (PS) y otras especies demuestran que la descontaminación de
aguas residuales con metales pesados como Cr, Cd, Pb, se lleva a cabo
principalmente dentro de las primeras 24 horas [1] [18] [19], en las cuales las
especies presentaron mayor bioacumulación en hojas y raíces [19]. La lechuga de
agua (Pistia Stratioides) es capaz de descontaminar aguas residuales conteniendo
cobre (II), eliminándolo hasta un 70% de soluciones acuosas [1]. La eficiencia de
remoción de cadmio por la lechuga de agua (Pistia stratiotes) fue de 67% [18].
Otro estudio realizado en 2013 por M. Meza, J. Marín, E. Benling, G. Colina, N.
Rincón y C. Polo en Venezuela, reportan la evaluación de la capacidad de la planta
acuática lechuga de agua (P. stratioides) para bioabsorber Pb (II) y Cr (III), a escala
de laboratorio, para ello, se diseñaron microcosmos a flujo semi-continuo, Se
tomaron muestras del efluente tratado cada 24 h para analizar pH, oxígeno disuelto,
alcalinidad total, temperatura y la concentración de los metales. Los resultados
muestran una disminución de las concentraciones de los metales en relación con el
tiempo, la remoción total fue de 76,8 y 81,3% para Pb (II); 81,1 y 69,9% para Cr (III)
en los ensayos individuales, respectivamente, y de 73,4% Pb (II) y 77,9% Cr (III)
para la mezcla. La mayor absorción de los metales se obtuvo en los primeros días
de ensayo, acumulándose principalmente en las raíces de la planta. Se concluyó
que lechuga de agua (P. stratioides) es una alternativa viable en sistemas
biológicos tipo humedales, para el tratamiento de efluentes contaminados con
metales [20].
Otros mecanismos de absorción a partir de lechuga de agua (Pistia St.) Se han
llevado a cabo con la biomasa obtenida a partir de esta, por ejemplo, un estudio en
2015 realizado en Colombia por Carolina Aguayo Girón reporta que con el fin de
determinar la capacidad que posee la planta la lechuga de agua (Pistia Stratiotes)
para acumular los metales pesados cadmio, cromo, plomo; se obtuvo la biomasa
seca, separando las plantas en los órganos de la planta a estudiar: hojas, raíces,
tallo y se llevaron a un horno, sobre la muestra seca se realizó una digestión. Como
resultado se encontró que el contenido de plomo fue de 500.698 en hojas, 2800.211
en tallo y 140.955en raíces, el contenido de Cromo fue de 88.432 en hojas,
640.061en tallo y 24.294 en raíces y por último el contenido de cadmio fue de 42.217
en hojas, 685.597 en tallo y 32.289 en raíces. [21].
Otro estudio realizado en 2017 por A. Dornelas, N. Brasil, F. Soares, A. Marques.
A. Callegario y E. Souto, reportan tiempos de adsorción hasta de 72 horas, con
concentraciones de entre 0.01 a 10 ppm de cadmio y entre 1 a 100 ppm de otros
metales, en donde se confirmó que la lechuga de agua tiene una alta afinidad por
los adsorbatos probados, logrando un porcentaje de eliminación superior al 70%
para zinc y cadmio en todas las dosis probadas, excepto a la dosis más baja de
cadmio [22].
Se trabajó en el año 2013, la tolerancia fitotóxica a Hg, Pb, y Cd de lechuga de agua
(Pistia stratiotes), Eichhomia crassipes y Lemna minor por Cristhian Benjamín
Gómez Ríos en Perú; Según las evaluaciones de longitud de raíz, número de
frondes y retención del metal, se determinó que Lemna minor tuvo una tolerancia
de 1 mg/l para Mercurio y una sensibilidad de 0.064 mg/l a Cadmio y 0.008 mg/1 a
Plomo. Además, en los análisis de retención et mercurio tuvo mayor concentración.
La tolerancia de lechuga de agua (Pistia stratiotes) fue 0.512 mg/l para Cadmio y
una sensibilidad de 0.256 mg/l a Plomo y 0.008 a mercurio. La mayor concentración
en lechuga de agua (Pistia stratiotes) fue de Cadmio. En el caso de Eichhomia
crassipes la tolerancia fue de 0.512mg/l a Plomo y una sensibilidad de 0.008 mg/l a
mercurio y 0.128mg/l a Cadmio. Plomo tuvo mayor presencia en esta macrófita [23].
2.2 MARCO TEÓRICO
2.2.1 Cadmio en la industria
El cadmio es un elemento no esencial y poco abundante en la corteza terrestre, y a
bajas concentraciones puede ser tóxico para todos los organismos vivos. La
contaminación ambiental por cadmio ha aumentado como consecuencia del
incremento de la actividad industrial que ha tenido lugar a finales del siglo XX y
principios del siglo XXI, afectando de forma progresiva a los diferentes ecosistemas
y la salud humana [24]. Según la Organización Mundial de la Salud (OMS) las
concentraciones de Cd en sangre no deben exceder las 10 µg/L para evitar daños
en los órganos, y las medidas de control deben ser aplicadas si las concentraciones
exceden los 5 µg/L.
Entre los factores antropogénicos de contaminación de cadmio (Cd), caben
destacar los siguientes:
Emisiones atmosféricas. Se originan a partir de las minas metalúrgicas, ya que el
cadmio se extrae como subproducto del Pb, Zn, Cu y otros metales, las
incineradoras municipales, y emisiones industriales procedentes de la producción
de pigmentos para cristales, anticorrosivos, bacterias de Ni/Cd, e insecticidas [24].
Por esta razón la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA)
establece un límite de exposición legal de 5 µg/m3 como promedio durante una
jornada diaria de 8 horas.
Depósitos directos. El uso de fertilizantes fosfatados es la principal fuente de
contaminación de Cd en suelos agrícolas. Otra fuente de Cd la constituyen los
fangos procedentes de aguas residuales que se utilizan en agricultura [24].
Contaminación accidental. Ocurre eventualmente debido a la contaminación de
tierras por procesos industriales, residuos de la minería y corrosión de estructuras
galvanizadas [24].
2.2.2 Fitorremediación
La fitorremediación puede definirse como una tecnología sustentable que se basa
en el uso de plantas para reducir in situ la concentración o peligrosidad de
contaminantes orgánicos e inorgánicos de suelos, sedimentos, agua, y aire, a partir
de procesos bioquímicos realizados por las plantas y microorganismos asociados a
su sistema de raíz que conducen a la reducción, mineralización, degradación,
volatilización y estabilización de los diversos tipos de contaminantes [25]. En el
(cuadro 1) se resumen los cinco métodos o técnicas de fitorremediación, estas se
agrupan en dos conjuntos, los utilizados como medio de contención (rizofiltración y
fitoestabilización) y los utilizados como medio de eliminación (fitodegradación,
fitoextracción y fitovolatilización), dependiendo del tipo de contaminante, así como
del medio contaminado, se escogerá la técnica a utilizar. Las ventajas y desventajas
que presenta la fitorremediación frente a otras tecnologías convenciones se pueden
evidenciar en el (cuadro 2).
Cuadro 1. Tecnologías fitorremediadoras
Fuente: autores
Cuadro 2. Ventajas y desventajas de la fitorremediación
VENTAJAS DESVENTAJAS
Es una tecnología sustentable
Es un proceso relativamente lento
(cuando las especies son de vida
larga, como árboles o arbusto)
Es eficiente para tratar diversos tipos de
contaminantes in situ Es dependiente de las estaciones
tecn
olo
gia
s fito
rre
me
dia
do
ras
fitoestabilización
Es efectiva en suelos de textura fina conalto contenido de materia orgánica Seaplica principalmente en terrenos extensosen donde existe contaminación superficial[3].
rizofiltraciónUtiliza las plantas para eliminar del mediohídrico contaminantes a través de la raíz.[3]
Fitoextracción o fitoacumulación
Consiste en la absorción de metalescontaminantes mediante las raíces de lasplantas y su acumulación en tallos y hojas.[3]
Fitoestimulación
En este caso, los exudados de las raícesde las plantas estimulan el crecimiento demicroorganismos capaces de degradarcontaminantes orgánicos [25].
Fitovolatilización
Se produce a medida que los árboles yotras plantas en crecimiento absorbenagua junto con contaminantes orgánicos einorgánicos. Algunos de estos puedenllegar hasta las hojas y evaporarse ovolatilizarse en la atmósfera [3].
Es aplicable a ambientes con
concentraciones de contaminante de bajas
a moderadas
El crecimiento de la vegetación puede
estar limitado por extremos de la
toxicidad ambiental
Es de bajo costo, no requiere personal
especializado para su manejo ni consumo
de energía
Los contaminantes acumulados en las
hojas pueden ser liberados
nuevamente al ambiente durante el
otoño (especies perenes)
Es poco perjudicial para el ambiente
Los contaminantes pueden
acumularse en maderas para
combustión
No produce contaminantes secundarios y
por lo mismo no hay necesidad de lugares
para desechos
No todas las plantas son tolerantes o
acumuladoras
Tiene una alta probabilidad de ser
aceptada por el público, ya que es
estéticamente agradable
La solubilidad de algunos
contaminantes puede incrementarse,
resultando en un mayor daño
ambiental o migración de
contaminantes
Evita la excavación y el tráfico pesado Se requiere áreas relativamente
grandes
Tiene una versatilidad potencial para tratar
una gama diversa de materiales peligrosos Pudiera favorecer el desarrollo de
mosquitos (en sistemas acuáticos) Se pueden reciclar recursos (agua,
biomasa, mátales)
Fuente: Y. M. V. R. O. B. y. E. J. O. Roberto Aurelio Núñez López,
«Fitorremediación: fundamentos y aplicaciones,» ciencia, 2004.
2.2.3 Macrófitas acuáticas
Cuando se habla de macrófitas acuáticas se refiere a las formas macroscópicas de
vegetación acuática y comprenden las macro algas, las escasas especies de
pteridofitos y las verdaderas angioespermas. De 6 acuerdos a la forma y la fisiología
se tiene una clasificación simple y clara de las macrófitas acuáticas: plantas
flotantes, plantas sumergidas y plantas emergentes como se puede observar en la
(figura 1) [26].
Figura 1. Plantas acuáticas comunes.
Fuente: Ruiz O, «Planta Piloto para el análisis del rendimiento de la depuración de aguas fecales
mediante macrófitas,» Línea temática C, 2017.
Las macrófitas flotantes comprenden un amplio y variado grupo de plantas, entre
las que se destacan el Jacinto de agua (Eichhornia crassipes), la lechuga de agua
(Pistia stratiotes), la salvinia (Salvinia Spp.), la redondita de agua (Hydrocotyle
ranunculoides), y algunas especies de lentejas de agua (Lemma Spp., Spirodella
Spp.) [21].
La principal desventaja de los sistemas con macrófitas flotantes es la capacidad
limitada de acumular biomasa, por lo que se deben hacer retiros periódicos de la
misma para permitir el crecimiento de las plantas, y eso encarece el proceso en lo
que a mano de obra se refiere. Otra desventaja es la proliferación de mosquitos
como vectores transmisores de enfermedades, lo que condiciona la ubicación de
los sistemas lejos de centros poblados [27].
2.2.4 Pistia Stratiotes
Conocida como lechuga de agua, es una planta pertenece a la familia aracae. La
planta consiste en una roseta de hojas verdes que pueden llegar a medir 40 cm, las
hojas están cubiertas por pequeños vellos (tricomas) como se puedo observar en la
figura 2; presenta inflorescencias inconspicuas (7-12 x 5 mm) en el centro de la
roseta. Una sola planta puede producir una pequeña colonia, gracias a su
reproducción por estolones. Esta especie se encuentra ampliamente distribuida
alrededor del mundo, especialmente en regiones tropicales y subtropicales [28]. De
Asia, África y América. Se encuentra en lagunas y arroyos y forma una capa en la
superficie que enturbia el agua y funciona como reservorio para larvas de mosquitos
portadoras de filarias. Esta planta torna el agua verde, inodora y amarga, y tendría
propiedades medicinales. Entre dichas propiedades se incluyen características
antisépticas, antituberculosas y antisedentericas. Además, se utiliza como colirio,
en caso de afecciones otológicas, eczema, ulcera, sífilis, enfermedades
sanguíneas, entre otros. La planta también tiene propiedades refrescantes, laxantes
y diuréticas, y se utiliza en su totalidad [29].
Figura 2. Morfología de la Lechuga de agua (Pistia stratiotes)
Fuente: W. P. C. Placencia, «EVALUACIÓN DEL POTENCIAL FITORREMEDIADOR DE DOS ESPECIES (Pistia
stratiotes L.) y (Limnobium laevigatum R.) PARA EL TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS PRODUCIDOS EN EL RELLENO
SANITARIO DEL CANTÓN CENTINELA DEL CÓNDOR, PROVINCIA ZAMORA CHINCHIPE,» UNIVERSIDAD NACIONAL
DE LOJA ÁREA AGROPECUARIA Y DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES, 2016.
Debido a que lechuga de agua (Pistia Stratiotes) es una planta invasora, puede
llegar a constituir una verdadera plaga. Si no se controla su población puede llegar
a ocupar con facilidad toda la superficie del agua hasta tal punto de no poder ver el
agua o los peces que podamos tener debajo. Incluso puede entorpecer la
navegación en los canales [19].
Lechuga de agua (Pistia Stratiotes) forma sobre la superficie una masa compacta
que evita el paso del oxígeno del aire al agua, la falta de oxigenación provoca la
muerte de los peces y de las plantas sumergidas, alterando la distribución y
desarrollo de las comunidades de plantas acuáticas autóctonas. Para tener un
control sobre esta, se está intentando erradicar por medios mecánicos y naturales
introduciendo insectos para su control, aunque en la mayoría de los casos se utilizan
herbicidas. Así se han realizado estudios para evaluar su capacidad de acumular
algunos contaminantes como metales pesados y poder utilizarse como una
alternativa de fitorremediación. También, debido a este problema de invasión, en
algunas regiones, se está utilizando como fuente de alimentación para ganado [21].
Los metales pesados agrupan sustancias como cadmio, mercurio, cromo, cobalto,
cobre, molibdeno, níquel, plomo, estaño, titanio, vanadio, zinc o plata. Éstos
constituyen un riesgo serio para el medio ambiente, ya que son sustancias con una
gran estabilidad química ante los procesos de biodegradación, por lo que los seres
vivos son incapaces de metabolizarlos, generándose una contaminación por
bioacumulación y un efecto multiplicador en la concentración del contaminante en
la cadena trófica. Alcanzan niveles altos de toxicidad y se absorben muy
eficientemente a través de las membranas biológicas por su elevada afinidad
química por el grupo sulfidrilo de las proteínas [10].
2.3 MARCO LEGAL
En los últimos años, Colombia ha realizado notorios avances en el reconocimiento
normativo, jurisprudencial y político de la importancia del cuidado del agua, como
ecosistema que prestan grandes servicios ambientales, sociales y económicos a la
comunidad. Mediante la ley 99 de 1993 y el articulo 2.2.3.3.4.7 del decreto 1076 del
2015 por lo cual establecen los parámetros y valores límites máximos permisibles
en los vertimientos puntuales a cuerpos de aguas marinas, y se dictan otra
disposición. Artículo 9, 11, 12, 13, 14, 15,16 parámetros fisicoquímicos a monitorear
y sus valores límites máximos permisibles en los vertimientos puntuales de aguas
residuales no domésticas. [30]
La resolución 1207 de 2014 por la cual se adoptan disposiciones relacionadas con
el uso de aguas residuales tratadas. La Ministra de Ambiente y Desarrollo
Sostenible, en ejercicio de sus facultades legales y en desarrollo de lo dispuesto en
los numerales 2 y 11 del artículo 5° de la Ley 99 de 1993, la Ley 373 de 1997, el
Decreto-ley 3570 de 2011, y Que la Constitución Política establece la obligación en
cabeza del Estado y de los particulares de proteger las riquezas naturales de la
Nación y planificar el uso y aprovechamiento de los recursos naturales para
garantizar su conservación, restauración y uso sostenible. Que el uso eficiente del
agua es fundamental para la conservación del recurso hídrico, y es básico para el
desarrollo sostenible. Que la Política Nacional para la Gestión Integral del Recurso
Hídrico, expedida en el año 2010, establece como estrategia el uso eficiente y
sostenible del agua, la cual se orienta a fortalecer la implementación de procesos y
tecnologías de ahorro y uso eficiente del agua. Que en el contexto de Gestión
Integral del Recurso Hídrico el reúso del agua residual aparece como una estrategia
para el ahorro y uso eficiente del agua. Que el reúso de agua residual constituye
una solución ambientalmente amigable, capaz de reducir los impactos negativos
asociados con la extracción y descarga a cuerpos de agua naturales. [31]
La resolución número 0631 del 17 de marzo de 2015 está enfocada en reducir el
aporte de las sustancias contaminantes a los cuerpos de agua, con el objetivo de
que los generadores de vertimientos gestionen adecuadamente los mismos, y
facilitar a las autoridades ambientales el control sobre los vertimientos de los
diferentes procesos productivos en el país y obtener una mejora en la calidad de los
vertimientos. De allí que sea indispensable que los industriales conozcan los
cambios establecidos por la norma publicada el 18 de abril de 2015, para dar
cumplimiento a los nuevos parámetros de medición y, de esta manera, evitar
sanciones por desconocimiento. [32]
Según esta norma el límite máximo para vertimiento de aguas residuales
domésticas y no domésticas para los prestadores del servicio público de
alcantarillado es de 0.1 mg/L de Cd.
2.4 MARCO CONCEPTUAL
Contaminación. Desde el punto de vista ambiental se refiere a todo agente físico,
químico o biológico que pueda alterar la estructura y el funcionamiento de los
ecosistemas, modificando por tanto las condiciones del medio ambiente. Esta
contaminación después de generada puede ser nociva para la salud, el bienestar y
la seguridad del ser humano y para la vida vegetal o animal. Además, es el agregado
de materiales y energías residuales al entorno que provocan directa o
indirectamente una pérdida reversible o irreversible de la condición normal de los
ecosistemas y de sus componentes en general, traducida en consecuencias
sanitarias, estéticas, recreacionales, económicas y ecológicas negativas e
indeseables [33].
Agua residual. Se le considera de tal forma a los líquidos que ha sido utilizados en
las actividades diarias, tanto domésticas, comerciales, industriales y de servicios
[34].
Metales pesados. Los metales pesados son un grupo de elementos químicos que
tienen una densidad mayor de 4 g/cm3 a 7 g/cm3. El término siempre suele estar
relacionado con la toxicidad que presenta. Dentro de los metales pesados hay dos
grupos los micronutrientes que son necesarios en pequeñas cantidades para los
organismos, pero tóxicos una vez pasado cierto umbral. Incluyen As, B, Co, Cr, Cu,
Mo, Mn, Ni, Se y Zn; y los metales pesados sin función biológica conocida que son
altamente tóxicos y presentan la propiedad de acumularse en los organismos vivos.
Son principalmente Cd, Hg, Pb, Cu, Ni, Sb y Bi [33].
Cadmio. El cadmio es un metal sin función biológica y puede ser tóxico a niveles
relativamente bajos. Este metal es responsable de modificar la composición de las
poblaciones microbianas en el suelo y, por ello, de reducir la descomposición de la
materia orgánica. Se puede acumular en plantas y en la fauna edáfica o animales
superiores a través de pastos o aguas contaminadas.[33]
Biorremediación. Es una estrategia que proviene del concepto remediación, que
hace referencia al uso de técnicas fisicoquímicas las cuales utilizan el potencial
metabólico de los microrganismos, así como también los tejidos vegetales de las
plantas para remover o transformar contaminantes orgánicos en compuestos más
simples. Con el uso de esta técnica se busca disminuir el daño y lograr realizar
trabajos de descontaminación de aguas y de suelos [33].
Absorción. Es el proceso por el cual una sustancia puede atravesar los tejidos o
células vegetales, y puede depender del material vegetal que se emplee y de su
capacidad de desarrollar este mecanismo. Este sistema tiene bastante aplicabilidad
en materia ambiental para remoción de sustancias contaminantes presentes en el
suelo o agua, y es un término muy empleado en los procesos de biorremediación
[33].
Toxicidad. Grado de efecto tóxico de una sustancia para organismos vivos. Es una
medida que permite identificar lo nocivo que puede ser una sustancia al tener
contacto con el medio ambiente entre ellos cuerpos vegetales, animales y el ser
humano. Esta depende de factores como el tiempo de exposición, la cantidad de
exposiciones y la vía de administración; y esto causa riesgo para el bienestar de las
especies y los ecosistemas [33].
Macrófitas. Especie vegetal capaz de adaptarse y desarrollarse en medios
acuáticos. Pueden vivir en áreas inundadas de forma flotante, sumergida o
emergente. Las macrófitas son utilizadas como un tratamiento secundario o terciario
alternativo para las aguas por su eficiencia en la remoción de las diferentes
sustancias químicas incluyendo los metales pesados [34].
3. DISEÑO METODOLÓGICO
3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN
El tipo de investigación utilizado en este trabajo es descriptivo -explicativo, debido
a que buscamos especificar características y aspectos importantes de la Lechuga
de agua (Pistia stratiotes). En el presente proyecto se evalúa la capacidad de
absorción de la Lechuga de agua en presencia de cadmio, mediante la investigación
explicativa analizando las variables de operación. La investigación explicativa es
aquella cuyo propósito es encontrar la relacion entre las variables [35].
3.1.1 Diseño Adoptado
El diseño utilizado para el trabajo de investigación es el experimental debido a que
es una situación provocada por el investigador para introducir determinadas
variables de estudio manipuladas por él, para controlar el aumento o disminución
de esas variables y su efecto en las conductas observadas [35]. En este caso, como
variable independiente se tiene principalmente la concentración inicial de Cd, a partir
de la cual se observa el comportamiento de la especie fitorremediadora y el cambio
en la concentración con el transcurso de los días, para así analizar la capacidad de
remoción.
3.1.2 Enfoque Adoptado
El enfoque adoptado para esta investigación es de tipo cuantitativo, debido a que
se cuantificaron variables de diferentes muestras para la recolección de datos y
poder interpretarlos mediante el uso de tablas, graficas, etc. Para ello, se realizaron
diferentes montajes a la cual se le aplico la técnica de absorción para así obtener
resultados remoción en la recolección de datos e interpretarlos mediante el uso de
tablas, gráficas, y permitiendo un correcto análisis estadístico de la información
obtenida.
3.1.3 Población y Muestra
Se seleccionó como población la especie lechuga de agua (Pistia stratiotes), del
género monotípico Pistia, la cual fue adquirida en un vivero ubicado en el municipio
de Turbaco en la región caribe colombiana. Para determinar la capacidad de
adsorción de la lechuga de agua (Pistia stratiotes) se realizó una serie de
experimentos que consistieron en colocar en contacto la especie fitorremediadora
con soluciones acuosas de Cd a diferentes concentraciones como se muestra en la
figura 3, además se usó una muestra en blanco, la cual consistió en agua potable
sin adición del Cd.
Figura 3. Distribución de la Pistia Stratiotes
Fuente: autores.
Las soluciones fueron preparadas a partir de sulfato de cadmio octahidratado grado
analítico y agua destilada; para el montaje se tuvo en cuenta que la profundidad del
líquido fuera de 5 cm, con el fin de darle espacio suficiente a la raíz. Así mismo, se
equilibró el número de Pistia Stratiotes en cada uno de los montajes con el fin de
garantizar homogeneidad en el experimento.
3.2 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN
3.2.1 Fuente Primaria
La información principal el este trabajo de grado son los datos obtenidos de forma
experimental, para ello se realizó un seguimiento a la lechuga de agua (Pistia
Stratiotes) en contacto con cada una de las soluciones así mismo, durante este
tiempo se extrajeron alícuotas de 20 ml de cada una de las soluciones cada 48h,
como se esquematiza en la figura 4, con el fin de determinar mediante la técnica
absorción atómica los cambios en la concentración de las soluciones y calcular a
partir de ellos la capacidad de adsorción de la especie.
Figura 4. Toma de muestras
Fuente: autores.
3.2.2 Fuentes Secundarias
La metodología para recolectar la información secundaria se basó en el análisis de
documentos, como revistas universitarias del área de ingeniería, consultas
bibliográficas en los procesos fisicoquímicos de absorción. Otras fuentes fueron las
Bases de datos como son: universidad San Buenaventura, Science Direct, Dialnet,
Scielo.
3.3 HIPÓTESIS
3.3.1 Hipótesis de investigación
Mediante el uso Pistia Stratiotes es posible reducir la concentración de Cadmio en
efluentes acuosos mínimo de 70%.
3.3.2 Hipótesis Nula
Mediante el uso Pistia Stratiotes no es posible reducir la concentración de Cadmio
en efluentes acuosos mínimo en 70%.
3.3.3 Hipótesis Alternativa
La Pistia Stratiotes es capaz de reproducirse en aguas contaminas con Cd.
3.4 OPERACIONALIZACION DE VARIABLES
TIPO DE VARIABLE
VARIABLE DEFINICION INDICADOR
INDEPENDIENTE
Concentración Cantidad de contaminante que hay disuelto en una cantidad dada de solución.
ppm
Temperatura
Magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro.
°C
Volumen Espacio que ocupa un objeto. L
pH
Unidad de medición que sirve para establecer el nivel de acidez o alcalinidad de una sustancia.
pH
INTERVINIENTES
Densidad
Es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en términos absolutos o relativos.
3 -4
Solubilidad
Cantidad máxima de soluto que puede mantenerse disuelto; y depende de condiciones como la temperatura, la presión y otras sustancias disueltas o en suspensión.
g/L
DEPENDIENTES Absorción Es cuando una sustancia se introduce en la estructura de otra.
%
3.5 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION
Para obtener la información se realizaron análisis de laboratorios, en el cual se
utilizó dos métodos el método de prueba y error donde se eligió el rango de
concentración de Cd que se iba a implementar, también basándonos en la literatura
y el método de absorción atómica que es el que se utiliza para obtener los % de
remoción y determinar la capacidad de absorción de la lechuga de agua (Pistia
Stratiotes) en aguas contaminadas con Cd. En la figura 5 se puede observar los
pasos para cumplir con el diseño experimental.
Figura 5: pasos para cumplir con el diseño experimental
Fuente: autores
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Condiciones de ensayos.
Para determinar las condiciones iniciales del experimento se realizó una revisión
bibliográfica y se aplicó el método de prueba y error donde se realizó tres pruebas,
para esto en cada uno de los recipientes se agregó 2 litros de agua y de 3 a 4
especímenes por recipiente, donde en la prueba a) se expuso la lechuga de agua
(Pistia Stratiotes) a concentraciones de Cd de 20 ppm,10ppm y 5 ppm; en la
prueba b) se expuso la lechuga de agua (Pistia Stratiotes) aplicando las mismas
concentraciones de Cd y un nutriente (Bio-Energizer); y por último, en la prueba c)
se expuso la lechuga de agua (Pistia Stratiotes) solo al nutriente (Bio Energizer).
Las pruebas se realizaron durante siete días. Los resultados de esta prueba y error
se observan en la figura 6.
Figura 6. Prueba y error
Fuente: autores.
En las pruebas realizadas se observó lo siguiente: en la a) la lechuga de agua
(Pistia Stratiotes) en altas concentraciones no sobrevivía los 7 días, en el caso de
la planta que fueron expuestas a concentraciones de 10 ppm, 5 ppm esta logro
sobrevivir los 7 días; en la prueba b) donde la lechuga de agua (Pistia Stratiotes)
fue expuesta tanto a las concentraciones de Cd como al nutriente, a los tres días de
estar expuesta se encontraban marchitas entre un (70- 90)%, al séptimo día la
planta se encontraba muerta; en la prueba c) donde la lechuga de agua (Pistia
Stratiotes) estaba solo expuesta al nutriente la macrofita comenzó acelerar su
proceso de marchitarse. Después de la observación de los resultados del método
de prueba y error, y la revisión bibliográfica se tomó las siguientes decisiones de no
utilizar ningún nutriente y de utilizar concentraciones alta de 10 ppm, media de 5
ppm, baja de 0,5 ppm.
Para determinar la absorción de Cd por la lechuga de agua (Pistia Stratiotes), se
realizó un experimento durante 7 días con diferentes concentraciones iniciales de
a
b
c
cadmio en la solución acuosa, el experimento se llevó a cabo a temperatura
ambiente en recipientes rectangulares de 13x20x15.5 cm3, que contenían: i) una
solución blanco (0 ppm Cd), ii) una solución de baja concentración de cadmio (0.5
ppm), iii) una solución de concentración media (5 ppm) y iv) de alta concentración
(10 ppm), respectivamente. Posteriormente, en cada una de las soluciones fueron
dispuestas entre 3 y 4 especímenes de lechuga de agua (Pistia Stratiotes),
cuidando de manejar la misma densidad de plantas en todas las muestras, como se
observa en la figura 7 (día cero) donde se mantuvo el volumen constante. Los
recipientes se conservaron en un ambiente fresco, con exposición matutina a luz
solar. Durante el transcurso del experimento se realizó seguimiento de las
características de la planta y del pH de la solución, guardando registros de estos al
segundo, quinto y séptimo día. En la figura 7 se muestra un registro fotográfico
completo de los diferentes días de acuerdo con la concentración inicial de Cd
FIGURA 7. Cambio de la Pistia Stratiotes. Fuente: Autores
5
7
2
Concentación Blanco Día
Concentración Baja Concentración Mediana Concentración Alta
0
(0ppm) (0,5 ppm) (5 ppm) (10 ppm)
Como se observan la figura 7 en el transcurso del día 0 al día 2, se presentó
crecimiento de la planta, tanto en los montajes que contenían Cd como en la
solución blanco. El crecimiento se evidenció midiendo el diámetro de cada uno de
los especímenes, los cuales median entre 2.2 cm hasta 8.1 cm inicialmente, y
llegaron a medir el día 2 entre 9.7 cm y 13.3 cm. Por otra parte, se pudo observar
que en la solución blanco hubo propagación de la especie, ya que se generaron 6
nuevas plántulas, fenómeno que no ocurrió en los recipientes con presencia de
cadmio, en los cuales, además, se comienza a presentar decoloración de las hojas
en los experimentos con concentración alta (10 ppm) y media (5 ppm) del ion
metálico, esto se conoce como clorosis, la cual se caracteriza por una pérdida de
la intensidad de color verde de una hoja o una zona de la hoja [36]. Un síntoma
similar que es el amarillento, es importante determinar si el color amarillo inició su
aparición en toda la planta puesto que esto podría asociarse a un problema radical
o vascular o de manera ascendente o descendente que podría ser causado por una
deficiencia nutricional [36], en este caso solo se presentó decoloración amarilla en
partes de las hojas, lo que es normal que suceda en la planta en determinado
tiempo, en este caso se aceleró por la presencia de Cd ya que los metales pesados
en plantas dependen del rango de tolerancia de cada especie, y del metal
contaminante. Pueden ocasionar marchitamiento, amarillez, deformación de las
hojas y raíz, y pudrición de los tejidos [21].
A partir del quinto día de seguimiento, se empieza a evidenciar que en el recipiente
con concentración baja de cadmio (0.5 ppm) se ha alcanzado a afectar un 5% de
color amarillo en la superficie total de los especímenes. Por otra parte, se observa
que para la concentración alta (10 ppm), media (5 ppm), baja (0.5 ppm), no se
presenta propagación de la especie. En el caso de los montajes con concentración
alta (10 ppm) y media (5 ppm) de cadmio, se observó cómo aumentó la decoloración
hasta entre un 50% y 70% de las plantas. Dicha decoloración es una respuesta
fisiológica que normalmente se presenta en especies macrófitas por la presencia de
metales pesados en el medio de crecimiento, ya que estos, por su toxicidad,
interrumpen la actividad en las células y el metabolismo en plantas, generalmente
la exposición con metales pesado puede causar que las hojas experimenten clorosis
y necrosis [37]. Por otra parte, los principales signos de deterioro en la muestra
blanco son asociados a la presencia de picaduras de insectos, probablemente
larvas de escarabajo, los cuales fueron encontrados en sus hojas partir del 2 día de
exposición.
En el último día de seguimiento, se pudo observar que la muestra blanco continúo
propagándose, lo que se confirma con la aparición de 2 nuevos hijos. En la muestra
de concentración inicial baja (0.5 ppm) la decoloración amarilla no aumenta, pero
en el caso de las muestras con concentración inicial alta (10ppm) y media (5ppm)
la decoloración se aumenta entre un 70% y 80%, que se refleja principalmente en
los bordes de las hojas los cuales toman una coloración blanquecina.
Con respecto al seguimiento de la temperatura y pH de las soluciones, se observó
que, durante el tiempo de desarrollo del experimento, la temperatura se mantuvo
entre 25 y 29.2 °C, la cual es adecuada para la supervivencia de la especie, ya que
la planta se desarrolla normalmente en temperaturas entre 17°C a 30°C. La
especiación iónica es el rol más importante que desempeña el pH en la adsorción
de iones metálicos. Una de las características de la mayoría de los metales pesados
es su capacidad de formar complejos de coordinación con ligandos que poseen
pares de electrones libres, en busca de la estabilización de sus orbitales vacantes.
La molécula del agua es un excelente ligando y la formación de complejos es
inevitable. A mayor número de ligandos rodeando un catión metálico, mayor será
su radio iónico y su volumen, convirtiendo al catión en una especie estéricamente
impedida para una eficiente interacción con la superficie del adsorbente. A altos
valores de pH, la concentración de iones oxhidrilo aumenta en la solución y es capaz
de formar hidroxo-complejos, los cuales no solo aumentan el volumen del catión,
sino que disminuyen su carga neta, disminuyendo también su afinidad con el
adsorbente [38].
El seguimiento al pH se realiza, con el fin de evaluar el comportamiento de metal en
la solución, el rol del pH ejerce un fuerte efecto (i) en la formación de iones
complejos del metal en solución acuosa, los cuales presenta diferentes ligandos que
modifican la acidez y la morfología del metal en solución y (ii) en el estado químico
de los centros activos de los adsorbentes [39]. El cadmio es bastante soluble a
valores de pH bajos, pero se empieza a precipitar como hidróxido incluso si hay o
no presencia de nutrientes a pH > 7. Asimismo, se debe tener en cuenta que el
efecto del pH afecta la viabilidad de la planta, debido a que las enzimas que forman
parte de ella no toleran pHs bajos, ya que los mecanismos celulares de vital
importancia se ven afectados a las altas concentraciones de los iones hidronio. Un
pH por debajo de 4 es nocivo para la planta, ya que ocasiona el fraccionamiento de
la raíz en menos de 2 días [40]. Considerando lo anterior, se infiere que un pH de
alrededor de 5 es el óptimo requerido para mantener viva la planta por más de dos
días manteniendo el metal solubilizado [40].
En la figura 8, se presentan los valores obtenidos de pH para cada una de las
soluciones estudiadas durante el periodo de experimentación establecido, en estas
se puede observar que el día cero y el día 5 los valores de pH de las soluciones se
encontraron por encima de 7, lo que podría haber generado precipitación del metal
y por ende, valores no reales de absorción de la especie metálica, sin embargo, no
se reporta en la literatura efectos de variación de pH con el uso de la Pistia St., ni
con concentraciones tan bajas del metal, por lo que las fluctuaciones en el pH
pueden deberse a errores en la calibración del instrumento de medición.
Figura 8. Monitoreo del pH
Fuente: autores
Finalmente, en el octavo día de muestreo, se midieron parámetros generales de
calidad del agua, con el fin de evidenciar que el proceso no genera deterioros en
dichos parámetros. En la tabla 1 se relacionan los resultados obtenidos para:
oxígeno disuelto (OD) y turbiedad.
Tabla 1. Relación de los resultados obtenidos para: OD y turbiedad
Muestra
Parámetros Blanco 0.5 ppm 5 ppm 10 ppm
pH 6.06 6.2 6.2 6.3
OD 60% 68% 70% 79%
Turbiedad (NTU) 1.65 0.35 1.50 3.22
Temperatura (°C) 27.0 27.0 27.0 27.0
El oxígeno gaseoso disuelto en el agua es vital para la existencia de la mayoría de
los organismos acuáticos. El oxígeno es un componente clave en la respiración
celular tanto para la vida acuática como para la vida terrestre y su concentración en
un ambiente acuático es un indicador importante de la calidad del agua. Un
porcentaje de Saturación de DO aceptable 60 – 79% [41], por lo que se confirma
5
6
7
8
9
0 2 4 6 8
pH
Tiempo de contacto (días)
Blanco 0.5 ppm 5.0 ppm 10 ppm
que las muestras analizadas, en todo caso cumplen con un porcentaje de OD
aceptable para la vida acuática.
De acuerdo con la OMS (Organización Mundial para la Salud), la turbidez del agua
para consumo humano no debe superar en ningún caso las 5 NTU, y estará
idealmente por debajo de 1 NTU. En este sentido, se puede establecer que todas
las muestras se encuentran dentro de dicho parámetro, sin embargo, se evidencia
un leve aumento del nivel de turbiedad en la muestra con concentración inicial de
10 ppm, esto puede deberse a que fue la que presentó mayor deterioro de la planta
y producto de este, puede haberse incorporado alguna cantidad de materia orgánica
en el agua.
4.2 Evaluación de la capacidad de remoción
Finalmente, para evaluar la eficacia de la Pistia Stratiotes en la remoción de Cd, se
determinó el porcentaje de remoción de Cd para cada muestra, comparando la
concentración final del metal con su concentración inicial, para ello se tomaron
alícuotas de cada montaje en los días 2, 5 y 7 del experimento. La concentración
final se determinó con ayuda de un equipo de absorción atómica Agilent 240FS con
quemador de Acetileno. Los resultados de remoción obtenidos para cada
concentración inicial se reportan en la figura 9. En la cual se observa que la lechuga
de agua (Pistia Stratiotes) presenta un alto potencial para la absorción de iones de
cadmio con una absorción máxima de alrededor del 70 %. El monitoreo de la
absorción con los días permite establecer que los mayores niveles de remoción se
dan durante los primeros tres días para todas las concentraciones iniciales del
metal, esto fue más evidente para las muestras de 0.5 ppm y 10 ppm, las cuales
alcanzaron porcentajes de remoción de 70% para el día 2, a partir del cual el
incremento en los niveles de absorción permaneció relativamente constante. Para
la muestra con concentración inicial de 5 ppm el porcentaje de remoción fue mayor
durante los primeros días, pero no tan alto como en las dos muestras anteriormente
mencionadas, además la remoción fue disminuyendo de manera gradual.
Figura 9. Variación en el porcentaje de remoción con respecto al tiempo Fuente: autores.
Los resultados obtenidos son comparables con otros estudios reportados en la
literatura, los cuales muestran que la lechuga de agua (Pistia Stratiotes) obtuvo
porcentajes similares de remoción de alrededor de 80% para periodos de contacto
de 10 días, no solo para cadmio sino también para otros metales pesados como
cromo, plomo, cobre, arsénico y hierro [16] [20] [21] [17]. Esto demuestra que la
especie es eficiente para la remoción de metales pesados en sistemas acuáticos.
Sin embargo, a pesar de su buen porcentaje de remoción, ninguna de las muestras
tratadas logro una concentración final satisfactoria de acuerdo con la resolución
0631 del 2015 que establece los parámetros y los valores máximos permisibles para
vertimientos puntuales a cuerpos de aguas superficiales (0.05 ppm de Cd) y
sistemas de alcantarillado (0.1 ppm de Cd). Por esta razón, es recomendable dejar
la especie un tiempo más de contacto con el medio acuoso e ir agregando nuevas
especies para una mejor remoción y llegar a los valores permitidos según la norma.
CONCLUSIONES
Lo expuesto a lo largo del trabajo obtiene las siguientes conclusiones:
Aunque en general los porcentajes de remoción obtenidos para las diferentes
concentraciones iniciales son similares, un análisis detallado que la concentración
inicial influye en la capacidad máxima de remoción de la lechuga de agua (Pistia
Stratiotes) ya que mayor concentración de cadmio en el medio se presenta
mayores porcentajes eliminación de la especie metálica. Así mismo, la
concentración de Cd tuvo una influencia en el comportamiento biológico de la
lechuga de agua (Pistia Stratiotes), el cual se evidenció a partir de la disminución
o no propagación de la planta en las soluciones con concentraciones altas del metal,
además de la aceleración en el proceso de marchitamiento y amarillez.
Se comprobó que la lechuga de agua (Pistia Stratiotes) es eficiente para remover
Cd teniendo porcentajes de remociones del 70%, por lo que puede ser una técnica
favorable para la disminución de las concentraciones de Cd en efluentes acuosos,
sin embargo, el uso de este mecanismo por periodos de contacto de 7 días no
resulta suficiente para alcanzar los niveles permisibles en vertimientos, por lo que
podría usarse como tratamiento parcial en el tratamiento de efluentes.
6. RECOMENDACIONES
Establecer un estudio evaluando la capacidad de remoción de la especie lechuga
de agua (Pistia Stratiotes) por un periodo de tiempo de contacto superior a los 10
días. Y analizar si es recomendable quitar y agregar más especies para una mejor
eficiencia en la remoción del metal a remover.
Se recomienda, durante el estudio, tener un control sobre el pH de la solución,
debido a que es un parámetro muy importante al comparar los resultados del
porcentaje remoción obtenidos al final del estudio.
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