PASADO, PRESENTE Y FUTURO DELA FITOEXTRACCION COMO UNA TECNOLOGIA AMBIENTAL PARA

EMPLEO GLOBAL

Ulrico J López-Chuken, PhD.School of Biosciences

The University of Nottingham

Contenido

• Problemática actual• Conceptos sobre remediación

(suelos)• Tecnologías convencionales• Fitorremediación• Fitoextracción• Limitaciones• Tendencias actuales• Conclusiones• Investigación futura

Introducción

• 2,600,000 ha afectadas por algun tipo de contaminación quimica(SEMARNAT, 1999). +aguas negras, fertilizantes, lodos, herbicidas, etc.

• Región de la Laguna55,000 km2

1,500,000 personas en riesgoAs, Pb y Zn.

• Causas:Sobreexplotación de acuíferos,

minería, fertilizantes, etc.

Introducción

Algunas técnicas comunes para remediación de suelos contaminatos por metales

• Solidificación/estabilización “S/S”

• Excavación y confinamiento “off-site”

• Solubilisación con acido “soil washing”

$$$

100,000-

>20,000,000USD ha-1

Chaney et al. (2005)

Conceptos sobre Fitoremediación

M+

M+

M+M+

M+ M+

M+

• “Serie de tecnologías basadas en el uso de plantas para remediar suelos, sedimentos (y aguas) contaminados”(Cunningham et al. 1997). Aprox 1000USD ha-1

• Fitoestabilización• Fitovolatilización• Rizofiltración• Bioremediación asistida por plantas

Fitoextracción

Estrategias de fitoextracción

1. Plantas hiperacumuladoras

2. Plantas para biocombustible

3. Fitoextracción asistida poragentes quelantes (CAP)

1. Hiperacumulación

• “Absorción, translocación y almacenamiento de concentraciones excepcionales de metales, aún de suelos bajos en metales”. (Baker et al., 2005).

• (Brook et al., 1977):>10000 mg Zn kg-1 base seca>100 mg Cd kg-1 “>1000 mg Ni kg-1 “

• Relación tallo:raiz >1• Factor de bioconcentración (B.F.) en plantas

normales <1, en hiperacumuladores 10-100 (McGrath et al., 2005).

1. Hiperacumulación

• Plantas ordinarias pueden alcanzar la “definición” de hiperacumuladores. Pero…

• Marchitez acelerada• Baja biomasa (e.g. 3 veces más metal pero

5 veces menos biomasa)• En condiciones de laboratorio NO!!• La hiperacumulación se debe probar en

condiciones REALISTAS.

1. Hiperacumulación

M+

Pla

nta

M+ suelo

Hiperacumuladora

Excluyente

Indicadora

Baker et al. (1981)

1. Hiperacumulación

• 450 sp (0.2% de las angiospermas)• Ni>Cu>Co• Cd 1 Familia (Brassicaceae)

(Baker et al., 2005)

• Thlaspi calaminare 39600 mg Zn kg-1

(Reeves and Brooks, 1983).

• T. caerulescens 1800 mg Cd kg-1

(Li et al., 1997)

1. Hiperacumulación

• Fam. Brassicaceae• Thlaspi caerulescens (Alpine Pennycress)• “Fitomineria” (Chaney et al., 2005)

– $ 2200 USD Ni ha año-2

• Porqué ocurre ésto?

1. Hiperacumulación

10 cm

2. Biocombustible

Stoke Bardolph Sewage Farm, UK.

• Ventajas:– Costeable $$$

• Desventajas– Lento

Populus spp. (alamillo)Salix spp. (sauce)

3. Fitoextracción asistida por quelatos

Zea mays (maiz)Brassica juncea (mostaza)

• Ventajas:– Multimetal (?)

• Desventajas– 10 mmol EDTA

$30,000 USD ha-1

– lixiviación?

Stoke Bardolph Sewage Farm, UK.

Especies GM

• Arabidopsis thaliana

– 5 cromosomas/ 24 mil genes• Riesgos de especies usadas en

fitoremediación– Posibilidad de desplazar especies

nativas (Gressel et al., 2005).– Especies enanas, donde la biomasa va

a las hojas y menos al tallo, (Revolución Verde).

Determinación la actividad del ion libre (M2+) en suelos mediante el modelo de especiación WHAM-VI para probar el Modelo de Actividad de Iones libres “Free Ion Activity Model (FIAM)”.

Especiación de metales en el suelo

Especiación de metales en el suelo

Incubación a capacidad de campo

Extracción porcentrifugación*

**Análisis de catión/anión; DOC

Especiación con el modelo WHAM (VI)

Derivación de la actividad del ion libre (e.g. Cd2+)

* También con Rhizon samplers

**Punto de inicio para experimentos hidropónicos

RhizonTM samplers

Extracción y especiación de solución de suelo

Extraccion in situ de solucion de sueloExtracción in situ de solución de suelo

Cut rim of pristine sampler

RhizonTM sampler

Extracción y especiación de solución de suelo

Cross section of pristine sampler: close up

Extracción y especiación de solución de suelo

Cross section of pristine sampler: close upSurface of used but washed sampler showing organiccoating over sub-micron pores

Extracción y especiación de solución de suelo

Especiación de solución de suelo o agua

WHAM-VI(Windemere Humic Acid Model, Tipping, 2002).

•Datos de entrada: Temp (K); PCO2 atm; pH; ácido fúlvico coloidal; [Na]; [Mg]; [K]; [Ca]; (Fe (III)); [Zn]; [Cd]; [Cl]; [NO3]; [SO4]; [CO3], [PO4], etc.

•Especies químicas modeladas, eg Cd.: Cd2+, CdCl+, CdCl20, CdSO4

0, CdOH+, CdOH20, CdHCO3

+, CdCO30;

Cd(CO3)22- y Cd-Organico.

Extracción y especiación de solución de suelo

Investigación futura

0

5

10

15

20

Cd

conc

entr

atio

n(m

g/kg

)

Chloride Sulphate Control

Cadmium uptake in shoots and roots in Brassica juncea after treatment of 100mM of NaCl and Na2SO4.

shoot root

Treatment Cd (mg/kg) SECl shoot 18.5 0.74S shoot 10.9 1.43control shoot 6.98 1.03Cl root 9.40 0.87S root 6.66 0.83control root 5.91 0.67

Investigación futuraFigure 1. Cadmium concentration (on a dry shoot weight basis) in Brassica junceagrown in sewage-amended soil treated with NaCl (0, 50, 100, 150 and 200 mM) as afunction of solution activity of CdCl+ (the dominant Cd species in solution). Ion activitieswere estimated using the WHAM VI speciation model. Equivalent treatments withNa2SO4 showed no significant variation in Cd uptake. Results are averages of 4 replicates± standard error.

R2 = 0.925

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 200 400 600 800 1000 1200CdCl+ activity (nM)

Shoo

t C

d c

once

ntr

atio

n m

g kg

-1

1. Desarrollo en solución hidropónica2. Experimento hidropónico3. Escaneo usando WinRhizoTM4. Imagen de la raiz escaneada por WinRhizoTM

Parámetros morfológicos en raíz

ParParáámetros morfolmetros morfolóógicos calculados por WinRhizogicos calculados por WinRhizoTMTM

•Longitud total (cm)•Area superficial de raíz (cm2)•Area proyectada de raiz (cm2 2 dimensiones)•Volúmen (cm3)•Puntas•Bifurcaciones, etc.

Table 2. Correlation (r2) of total cadmium uptake by Brassica juncea and root parametersmeasured with WinRIZHO for the hydroponic trial described in Figure 4. Correlationfactors ere estimated by linear regression. Cd uptake is the average per treatment.

ParameterCd uptake in

Brassica juncea (µg)[Cd] in solution 0.07Total root length (cm) 0.53Total projected root area (cm2) 0.60Total root surface area (cm2) 0.60Root volume (cm3) 0.58No. tips 0.19No. forks 0.55No. crossings 0.47

Parámetros morfológicos en raíz

Modelación (FIAM)

• Free Ion Activity Model (FIAM)– Se basa en la suposición de que la

respuesta biológica de las plantas es directamente proporcional a la actividad del ion libre.

– Basado en constantes de equilibrioM2+ y moléculas orgánicas

Free Ion Activity Model (FIAM)

Cdtallo = )(CdK1

)(CdKRK2

Cd

2CdTotales(1)cia(1)Transferen

+

+

+

)(HK)(ZnK)(CdK1)(CdKRK

H12

Zn2

Cd

2CdT(1)T(1)

+++

+

+++Cdtallo = .......)(CdClK1

)(CdClKRK

CdCl

CdClT(2)T(2) ++

+ +

+

M+

M+

M+

M+

M+ M+

M+

Cd2+= ?

CdTallo= ? mg kg-1

Modelación (FIAM)Figure 2. Modelled and measured cadmium uptake (on a dry shoot weight basis) inBrassica juncea grown in sewage-amended soil treated with NaCl and Na2SO4 (Anionconcentrations were 0, 50, 100, 150 and 200 mM). Uptake was modelled using the FreeIon Activity Model (FIAM) following speciation of the soil pore water (Equation 1).

Cd uptake from sewage-amended soil in

Bras s ica juncea Shoots (mg kg-1)

0

10

20

30

40

0 10 20 30 40

Measured

Mod

elle

d (

FIA

M)

Ventaja de FIAM:Modelar la absorciónde metales por plantasvs especiaciónde metales en suelo

Investigación futura

• SEMARNAT (2002)

– 23,000 especies vegetales (endemismo 40%).– 4to lugar mundial biodiversidad vegetal.

Investigación futura

• Bioprospección de plantas hiperacumuladoras en México (mono y multi-metal).

• Investigación para desarrollar agentes quelantes rapidamente biodegradables y metal-específicos

Investigación futura

• Desarrollo futuro de modelos que describan la absorción de metales por plantas (FIAM), integrando complejos metálicos y características morfológicas de las plantas;

• Optimización de las plantas candidatas (e.g. selecciónde líneas; manejo integral agronómico como un cultivo que “coseche” metales; optimizar las condiciones de la rizósfera).

• Evaluar la capacidad fitoextractora de plantas asistidas por hormonas promotoras del crecimiento radicular.

Conclusiones

• Los beneficios de la fitoextracción son evidentes, sin embargo se requiere precaución en su uso.

• La fitoremediación está aún en desarrollo y sus aplicaciones a gran escala aún son muy localizadas.

• Se tiene la aceptación por parte de la comunidad cientifica. Sin embargo, se necesita la aprobaciónde la opinión pública para promover el uso de la fitorectracción como una tecnología sustentable para empleo global.

Referencias selectas

• López-Chuken UJ and SD Young. 2005. Plant Screening of Halophyte Species for Cadmium Phytoremediation. Zeitschrift für Naturforschung 60, 236-243.

• Whiting SN, Leake JR, McGrath SP & Baker AJM 2000. Positive responses to Zn and Cd by roots of the Zn and Cd hyperaccumulator Thlaspi caerulescens. New Phytologist 145, 199-210.

• www.nottingham.ac.uk/biosciences/