FORMULARIO ETAPA 2 · 2011. 11. 15. · 9º concurso nacional de investigaciÓn y desarrollo del...

9º CONCURSO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DEL RECURSO AGUA PARA JÓVENES ESTUDIANTES - PREMIO JUNIOR DEL AGUA 2009

DGA MOP–TETRAPAK-ANDESS-MINEDUC-AIDIS–CONAPHI–SOCHID–ALHSUD-MNHN-FANALOZA-ESSEL-ESSBIO-UCH-PUC-UDEC-UTFSM

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FORMULARIO ETAPA 2

CÓDIGO SELECCIONADO ETAPA 1:

Convocan:

Auspician:

Patrocinan:

Formulario de Presentación de Trabajos de Investigación

8º Concurso Nacional de Investigación y Desarrollo del Recurso Agua para Jóvenes Estudiantes

PREMIO JUNIOR DEL AGUA ESTOCOLMO 2009

Este formulario debe ser presentado en un máximo de 8 carillas (incluyendo la actual), tamaño carta, espaciado simple, tipografía tamaño 12 y en idioma español. La segunda carilla debe contener los datos personales de los miembros del equipo de investigación, y la tercera carilla debe ser un resumen de la investigación completa. Las cinco carillas restantes deberán seguir el índice de contenidos descrito en los encabezados de cada sección.

Puede adicionarse opcionalmente un máximo de 5 carillas con anexos de la investigación.

A. Título de la Investigación

Biorremediación de lagunas eutroficadas por medio de algas y la manipulación posterior de estas para producir alimento o fertilizante

agrícola.

A.2 Establecimiento, Comuna, Región

Instituto de humanidades Luis Campino Providencia, R.M.



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B. Datos Generales de las y/o los Autores (El número máximo de participantes es de 2 alumnos/as de no más de 20 años de edad a agosto del 2009 y 1 profesora o profesor)

Participante N° 1: Sebastián Ignacio Hurtado Romo Fecha Nacimiento: 18 de Mayo de 1992 RUT: 18.127.187-6 Edad:16 Curso: 3°A Establecimiento Educacional: Instituto de humanidades Luis Campino Dirección Particular: Pedro Marín 2627 Teléfono: 7175979 Fax: e-mail: dark_dude05@hotmai

l.com

Participante N° 2: Felipe Andrés Acevedo Rodríguez Fecha Nacimiento: 19 de Marzo de 1993 RUT: 18.406.789-7 Edad: 16 Curso: 3°A Establecimiento Educacional: Instituto de humanidades Luis Campino Dirección Particular: Julio Prado 1045 depto. 506 Teléfono: 4941519 Fax: e-mail: [email protected]

om

Profesor Nombre: Patricio Kim Núñez Barnier RUT: 8.963.889-5 Especialidad: Biología Establecimiento Educacional: Instituto de humanidades Luis Campino Dirección Establecimiento: Avda. Pedro de Valdivia 236 Dirección Particular: Pirámide 932, San Miguel Ciudad/Región: Santiago / Metropolitana Teléfono: 99433977 Fax: e-mail: [email protected] [email protected]

Asesor Científico externo al Establecimiento Educacional (en caso de haber participado)

Nombre: RUT: Especialidad: Institución: Cargo o Curso: Dirección Institución: Dirección Particular: Ciudad/Región: Teléfono: Fax: e-mail: C. Declaración de tipo de asesoría científica recibida

El presente trabajo es una continuación de investigaciones iniciadas durante el año pasado, en nuestro colegio.



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C. Resumen Trabajo de Investigación En la actualidad, la eutroficación del agua, es un gran problema a nivel mundial en ecosistemas semicerrados como lagos y lagunas. En Chile, muchas lagunas están siendo rápidamente invadidas por plantas acuáticas y algas produciendo mortandad de los ecosistemas. Investigaciones científicas sugieren que la principal causa del aumento significativo en la población de algas en las lagunas es la afluencia de una gran cantidad de nitratos y fosfatos provenientes en gran medida de terrenos agrícolas colindantes en los que se usan estas sustancias como fertilizantes, se ha indicado también como causa el vertimiento de aguas residuales y el uso masivo de detergentes. Ante este problema, hemos diseñado un plan de trabajo para atacar las fases agudas del problema y en plazos más largos disminuir naturalmente los componentes químicos que originan este problema ecológico. Al retirar muestras acuáticas bajo eutroficación como la laguna de Aculeo, Estero del Marga-Marga, Estero de Reñaca, laguna del parque O’Higgins y laguna de la Quinta Normal, in vitro, disminuimos la producción de malos olores, y montamos un prototipo de biofiltro de bajo costo hechos en base a algas, en sistema semicerrado que reducirían el porcentaje de nitratos, nitritos y fosfatos presentes en el medio sin ser parte del proceso mismo de la eutroficación. Además, el excedente de algas de nuestros biofiltros, producido por el crecimiento de ellas, puede ser aprovechado como fertilizante para la agricultura o como alimento para la piscicultura, industria avícola o ganadera, e inclusive alimentación humana. D. Introducción Presentación del Problema En Chile y el mundo se registran descargas de aguas residuales, provenientes de industrias y hogares, en ríos, lagos y mares, que contienen distintas sustancias químicas que han ido dañando los ecosistemas de distintos modos. Por otro lado, terrenos de cultivo son regados, cada día, con una mayor cantidad de agroquímicos que fertilizan los sembradíos. El problema en estos últimos casos es que estas sustancias químicas no permanecen en el lugar donde se aplican y con las lluvias, vientos y regadíos se desplazan a las aguas subterráneas, lagos y ríos colindantes. Es común que se depositen especialmente en lagos gran cantidad de fertilizantes que contienen compuestos nitrogenados y fosfatos que actúan como un estimulante excesivo del desarrollo de platas acuáticas y algas que se concentran en las orillas que desplazan la flora normal y luego de acumularse mueren por anoxia o falta de luz provocando que bacterias, especialmente anaeróbicas, produzcan malos olores y sustancias que intoxican las aguas. Además, se ha descrito la presencia de nitritos en aguas eutroficadas, los cuales se sabe que son sustancias de alta toxicidad para peces y seres humanos. En este último caso, su ingesta se ha relacionado con cáncer y otras patologías. En la naturaleza los nitritos se forman por oxidación biológica de las aminas y del amoníaco, o por reducción del nitrato en condiciones anaeróbicas. (6)



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Antecedentes Bibliográficos o Investigaciones Previas Nuestro planeta se halla cubierto en más de tres cuartas partes por agua, y pese a que su flora es muy abundante es prácticamente desconocida para los pueblos occidentales. Sin embargo el equilibrio de los ecosistemas acuáticos está siendo alterado por las abundantes infusión de sales fertilizantes que han provocado un desarrollo desmedido de algas y plantas acuáticas Zhou et al. (2006) (1) evaluaron el crecimiento y la capacidad de remoción de nutrientes de los efluentes de piscigranjas, para determinar la capacidad de remoción del alga Gracilaria lemaneiformis; con la finalidad de integrarlo al cultivo de peces en jaulas, ubicadas en el norte de China. Los resultados de sus investigaciones demostraron que G. lemaneiformis es un buen candidato para la maricultura integrada alga/peces para la biorremediación y la diversificación económica. De acuerdo a Yarish et al., (2004)(2) existe un interés renovado en usar las algas como un sistema de remoción de nutrientes en la acuicultura integrada de peces, mariscos y crustáceos. Jones (1999) afirma que las macroalgas pueden absorber cantidades significativas de nutrientes inorgánicos y orgánicos disueltos, usualmente con preferencia de NH4+. Además las macroalgas son conocidas por absorber y almacenar metales pesados. Yarish et al. (2004) han evaluado el potencial de biorremediación de varias especies de Porphyra en sistemas en mar abierto (Porphyra/salmón) y en tierra (Porphyra / peces planos). Además el rol de biorremediación de otras algas (por ejemplo Kappaphycus), que actúan como sistemas biológicos removedores de nutrientes y generan beneficios mutuos para los organismos co-cultivados. Chopin et al. (1999), indican que Porphyra requiere de una disponibilidad constante de nutrientes, especialmente en época en que los nutrientes disminuyen; Y que el cultivo de esta alga cerca de las jaulas de salmón permitiría aprovechar los desechos de los salmones. Además estos autores concluyen que Porphyra, es un excelente candidato para la acuicultura integrada, para la biorremediación y diversificación económica. La cosecha periódica reporta la remoción constante de cantidades significativas de nutrientes de las aguas costeras. Por otro lado, Chung et al. (2002) (3) desarrollaron un biofiltro de algas Porphyra, con la finalidad de reducir los impactos ambientales de los efluentes dentro de un sistema integrado de acuicultura. Neori et al. (2003) evaluaron el uso de Ulva lactuca, como un biofiltrador para actividades de maricultura integrada. Mientras que la población asiática, principalmente la china y japonesa, ha mantenido la tradición, a lo menos desde el 700 a. de C., de incluir las algas en su dieta La mayor parte de las algas recolectadas en Europa se emplean para la extracción de ficocoloides, sustancias exclusivas de estos vegetales que no tienen equivalente sintético. Los ficocoloides se emplean como agentes gelificantes, espesantes y estabilizantes, interviniendo en multitud de aplicaciones en la industria agroalimentaria, en artículos del hogar y productos biomédicos. Los aztecas empleaban la cianobacteria Spirulina, que recolectaban en el lago Texcoco como complemento proteico. Quizá el pueblo hawaiano sea el que consume mayor número de especies algales, más de 75 especies denominadas “limu”. Las algas marinas son importantes en la cadena alimentaria, una interesante fuente de recursos en la nutrición humana y también útiles como



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abonos y para la fabricación de piensos de animales. (5)

E. Hipótesis y Objetivos Hipótesis: Si se incorpora un sistema de aireación en las zonas del lago donde hay gran acumulación de algas se evitaría la aparición de malos olores por bacterias anaeróbicas. Si se produce un natural desarrollo y proliferación de algas disminuye los índices de nitritos y nitratos en el medio que se encuentra. Si se extraen algas de los biofiltros o excedentes del crecimiento de algas pueden ser usados como abono, alimento, biodiesel. Si los biofiltros son de muy bajo costo o autofinanciables serán fáciles de mantener y de alta efectividad. Objetivos: Obtener diferentes tipos de algas y microalgas de microambientes de la zona central, Santiago y alrededores, Viña del Mar, etc. Desarrollar un cultivo de algas y plantas acuáticas in vitro y seleccionar aquellas que hayan sido descritas como no tóxicas, que presenten rápido desarrollo, y que puedan ser retenidas por medio de filtros o mallas de acero. Probar que estas plantas acuáticas o algas sean capaces sustraer un agente relacionado con el problema de la eutrofización. F. Plan de Trabajo Método de Investigación y/o Experimentación La metodología empleada para probar o rechazar nuestras hipótesis y lograr nuestros objetivos, fue a través de un diseño experimental sencillo, pero que nos pudiera dar luces al respecto. Para ello se recogieron microalgas y plantas acuáticas de diferentes zonas: laguna del Parque O’Higgins, laguna del Parque Cousiño, laguna de Aculeo, Estero del Marga-Marga, Estanque del cementerio de Malloco, estero de Reñaca. Al seleccionar la especie que se ajustó mejor a nuestros objetivos ya mencionados, preferimos una alga de la especie Spirogyra del cementerio ubicado en la localidad de Malloco, a 30 km de Santiago, además seleccionamos la planta acuática Lemna Minor, que obtuvimos del Estero Marga-Marga, en la quinta región de nuestro país. Nuestras muestras fueron distribuidas en acuarios diseñados para estos fines, en los cuales seguimos el desarrollo por separado de Lemna Minor y Spirogyra. Los cultivos vegetales se han sometido a ciclos día – noche con temporizador y luz artificial similar luz día. Como medio de comparación, a ambos acuarios se les suministró una solución salina con nutrientes, usada en hidroponía (7), y a lo largo del tiempo, evaluamos variaciones en la masa de las muestras de algas y número de Lemnas Minor por proliferación. El alga Spirogyra y la Lemna Minor se sometieron a un estudio de absorción (y/o



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adsorción) de Nitritos para evaluar la reducción de estos en aguas fuertemente contaminadas en las que hemos detectado nitritos. Se evaluó el efecto de la ventilación en aguas provenientes de zonas con eutrofización, analizando el desarrollo de bacterias a distintos tiempos; evaluando las unidades formadoras de colonias por mililitro (UFC), para lo cual se prepararon dos recipientes que contienen aguas extraídas del estero Marga-Marga, de los cuales uno fue aireado constantemente. Se hicieron, además, cultivos de bacterias en tubos de agar, para dilucidar si se modificaba la proporción de bacterias aeróbicas/anaeróbicas que se encuentran en las aguas. Se monitoreó la aparición de malos olores en forma directa. Materiales Cultivos: Macroalgas (Spirogyra), planta acuática (Lemna minor), Invernaderos con iluminación artificial fluorescente y temporizadores, 2 acuarios, frascos de mermelada, 3 metros de manguera de acuario, Tapón de goma, 4 bombas de aireación de acuario, Tubo de vidrio de 20 cm., Silicona líquida para sellar, Buffer Fosfato Salino (Na2HPO4 1,5g/lt, NaCl 8,7g/lt,+ KH2PO4 0,5g/lt pH 7,4) (PBS), medio de cultivo vegetal hidropónico (). Microscopios ópticos y cámara digital Sony Cybershot DSC-W120., balanza digital, vaso de precipitado de 1000 mililitros. Determinaciones: Determinación de nitritos por medio de test de nitritos marca Sera: NO2 test, tubos de ensayo, gradilla, pipetas, probetas plásticas, frascos libres de nitritos, cama de arena, etanol, espectrofotómetro Spectronic 20-D (500 nm). G. Presentación de Resultados Las observaciones realizadas en nuestro estudio mostraron: Desarrollo de Spirogyra que forma grandes “hilos” y es de fácil filtración de

rápido crecimiento y Lemna minor que se desarrolla y multiplica con facilidad (ver gráfico anexo) tratadas en el laboratorio con un medio de cultivo vegetal hidropónico enriquecido.

Los tubos con agar con muestras extraídas del agua sin ventilación mostraron una gran cantidad de bacterias anaeróbicas en comparación con los tubos con muestras de agua ventilada, los cuales a su vez mostraron mayor desarrollo de colonias en la superficie del tubo.

La placa de petri con muestras del agua con ventilación contenía 1,15 x106 UFC y la muestra sin ventilación, 8,8 x 106 UFC POR MILILITRO.

Hubo una reducción significativa de nitritos a través del tiempo en las muestras de agua con Spirogyra y con Lemna Minor.

H. Discusión o Análisis de los Resultados Los datos obtenidos nos indican que en el recuento de algas, las cepas trabajadas fueron capaces de crecer con facilidad en un medio similar al de los medios eutroficados, lo que destaca su propensión a aparecer en estos ambientes, comprobando nuestra suposición inicial. De esto se desprende, a su vez, que si



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quisiéramos utilizar estas cepas a nivel de macro escala, el crecimiento rápido de estas, disminuiría los sustratos que son fuente de la eutroficacion. La aparición de bacterias anaeróbicas en grandes cantidades en los tubos con muestras de agua sin ventilación comprueba la premisa de que en aguas eutroficadas hay una gran concentración de bacterias de este tipo. Además, la aparición de una cantidad de bacterias aeróbicas mayor a las anaeróbicas en los tubos con muestra de agua con ventilación propone que hay menor riesgo de la producción de malos olores en el ambiente y se disminuiría la posibilidad de toxinas producto de bacterias anaeróbicas, esta aireación proponemos se haga a través de sistemas eólicos y así evitamos otros tipos de contaminación. La gran diferencia en las cantidades de UFC por mililitro en las muestras de aguas sugiere, también, que el agua no ventilada, que asemejaba las condiciones normales de un agua eutroficada, tenia una cantidad mayor de bacterias en total, demostrando que las aguas con una fuente constante de oxigeno son menos propensas a tener cantidades enormes de bacterias. La disminución de los nitritos en ambas muestras (algas y plantas acuáticas) indica que ambos pueden ser utilizados para la disminución o eliminación de esta sustancia tóxica. Esta tesis es apoyada por los análisis de absorbancia hechos con un espectrofotómetro Spectronic 20-D. (Ver anexo) I. Conclusiones Basados en los resultados que obtuvimos, y a la luz de las evidencias bibliográficas encontradas, podemos afirmar que nuestras suposiciones iniciales son correctas: Primero, comprobamos que las algas Spirogyra, así como las plantas acuáticas Lemna Minor pueden usarse como biofiltros, ya que rápidamente se multiplican, pueden ser filtradas, no son tóxicas y pueden utilizarce inclusive para alimentación y mostraron reducir los nitritos in vitro. Las investigaciones posteriores demostraron que esta disminución es rápida y efectiva, teniendo ambas resultados similares. La construcción de los biofiltros se haría en cajas semicerradas que permitan el traspaso de agua y nutrientes y evitar el paso de las plantas o algas. Además, cabe mencionar que la alta cantidad de nutrientes de las aguas eutrofizadas son un suplemento nutritivo de alta efectividad, y se ha demostrado que las plantas que recibieron este suplemento tuvieron un gran aumento en comparación con las plantas a las que no se le suministró. Otro punto importante es que los materiales de los biofiltros son muy baratos, por lo que su manutención es muy económica, sencilla y podría autofinanciarse si se elige un alga apropiada. Queremos destacar que ante la contaminación de suelos y aguas con compuestos químicos, a veces, es la misma naturaleza la que nos ofrece las mejores estrategias para limpiar los elementos contaminantes. En esto consiste esta propuesta; emplea la capacidad natural de algas verdes, quienes han podido sustraer sustancias químicas del ambiente y, a medida que las algas crezcan, pueden ser aprovechadas, creando un doble efecto benéfico. J. Bibliografía Consultada (1) Zhou, Y., H. Yang, H. Hu, Y. Liu, Y. Mao, H. Zhou, X. Xu, y F. Zhang. 2006. Bioremediation potential of the macroalga Gracilaria lemaneiformis (Rhodophyta) integrated into fed fish culture in coastal waters of north China. Aquaculture, 252 (2-4): 264-276.



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(2-4) http://www.aquahoy.com/content/view/208/lang,es/ (5) Rosario del Castillo, http://www.revistaesfinge.com, [email protected] (6) http://es.wikipedia.org/wiki/Nitrito (7) http://www.hydrocultivo.com/index.php/solucion-hidroponica

Anexos Estero Marga-Marga eutroficado

Proliferación de Lemna Minor

Dia 0: Tiempo inicial con 15 Lemnas por placa de Petri

Dia 2: Recuento de Lemnas al segundo dia Dia 8: Recuento de Lemnas al octavo dia



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020406080

100120140

LemnaMinor

Spirogyra

Tiempo 0

Incubacion 16 horas

Disminución de nitritos por efecto de Lemna Minor y Spirogyra

Orilla Laguna Aculeo Muestra de Alga Spirogyra

Observación microscópica de la Alga Spirogyra

Lemna Minor



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K. Declaración de tipo de asesoría científica recibida NOTA1: Este formulario debe ser completado sólo por aquellos grupos que resultaron seleccionados en la ETAPA 1. Su plazo de envío vence el 4 de mayo de 2009. NOTA2: A estas 8 carillas pueden agregarse opcionalmente como máximo 5 carillas con anexos. NOTA2: El formulario completado debe enviarse a [email protected]

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