Universidad del Valle FITOREMEDIACIÓN EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON METALES PESADOS LUZ EDITH BARBA HO UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍAS ESCUELA DE INGENIERÍA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE AREA ACADÉMICA INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL SANTIAGO DE CALI 2002 1 FITOREMEDIACIÓN EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CON METALES PESADOS LUZ EDITH BARBA HO. UNIVERSIDAD DEL VALLE. FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA DE RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE-EIDENAR. AREA DE INGENIERIA SANITARIA Y AMBIENTAL CALI, COLOMBIA RESUMEN Con el propósito de evaluar su potencial en la fitoremediación de aguas contaminadas con hierro, se estudio a escala de laboratorio, el efecto de diferentes concentraciones de este metal en recipientes sembrados con Lemna. La planta empleada pertenece a la familia de la Lemnaceae y al género Lemna, obtenida de cultivos de la Unidad Experimental del grupo de Investigación en Biotecnología Ambiental, la cual es sometida a un proceso de aclimatación a condiciones de temperatura ambiente y luz natural, con un cambio de solución de nutrientes (Hutner) cada dos días. Las concentraciones de Fe ensayadas variaron de 0.5 mg/l a 4 mg/l y durante el experimento se obtuvieron los datos necesarios para estudiar el efecto del pH, la variación del Fe en medio acuoso y bioacumulación. En cuanto al pH se encontró que el crecimiento óptimo de la lemna estuvo alrededor de un pH de 7 unidades y un crecimiento nulo a pH 5 y 6 unidades, mientras que a pH de 8 y 9 Unidades hay retardo en el crecimiento. La concentración de Fe en el afluente afecta la remoción del sistema encontrándose que a una concentración de hierro de 4 mg/l, la planta se satura y devuelve el hierro al medio, efecto que se observo en los ensayos. 1 1 .INTRODUCCIÓN. En los últimos años, se ha acentuado la contaminación de los cuerpos de agua, debido al manejo inadecuado de las aguas residuales de origen industrial y urbano. Ante tal situación, es necesario promover el desarrollo de tecnologías que ayuden a mejorar la calidad de los efluentes y que al mismo tiempo sean adecuadas al contexto socioeconómico del país. Los metales son elementos que pueden encontrarse de forma natural en la superficie de aguas no contaminadas según el tipo de suelo y rocas presentes a lo largo de una corriente superficial. En concentraciones traza, muchos de estos metales son necesarios para la vida acuática y para la salud humana. Algunas veces los metales pueden encontrarse en sistemas acuáticos en concentraciones que sobrepasan los límites permisibles, ocasionado en la mayoría de los casos por las actividades humanas. El manejo de estas aguas residuales ha sido desde tiempo atrás un problema debido a las grandes inversiones que deben de realizarse en plantas de tratamiento con el fin de depurar esta agua antes de su vertimiento a una fuente superficial. De allí ha surgido la necesidad de investigar técnicas innovadoras para el tratamiento de estos desechos, a bajos costos, como es el caso del tratamiento con plantas acuáticas. Las macrófitas acuáticas han sido consideradas por varios autores como una plaga debido a su rápido crecimiento, ya que en ocasiones llegan a invadir lagunas y generan varios problemas (Arrivallaga y Arredondo, 1978). Sin embargo, si las plantas acuáticas se manejan adecuadamente, su poder de proliferación, su capacidad de absorción de nutrientes y bioacumulación de otros compuestos del agua, las convierten en una herramienta útil en el tratamiento de aguas residuales (Boyd, 1970). Las lagunas con plantas acuáticas para el tratamiento de aguas residuales, se basan en los principios ecológicos, en donde los efluentes son tratados eficientemente mediante relaciones mutuas y coordinadas de flujo de energía y nutrientes, entre las plantas acuáticas y los microorganismos degradadores (Shi y Wang, 1991). 2 Además, con base en los estudios de remoción de metales pesados por plantas acuáticas, se pueden considerar estos sistemas como una alternativa ecológica y económicamente viable para efluentes industriales. 3 2. METODOLOGÍA El estudio se lleva cabo en la Universidad del Valle, Escuela de Recursos Naturales y del Ambiente, Área de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. El trabajo experimental se realiza a escala de Laboratorio en la Unidad Experimental del Grupo de Investigación en Biotecnología Ambiental y Química Ambiental. 2.1 CULTIVO DE LA LEMNA Las plantas acuaticas utilizadas fueron las pertenecientes a la familia lemnaceae, grupo de plantas acuáticas flotantes las cuales poseen velocidades de crecimiento bastante altas. Esta familia consiste de cuatro géneros: Lemna, Spirodela, Wolffia y Wolfiella. En este estudio se trabajó con el género Lemna, estas planta poseen un tamaño intermedio entre las otras, variando entre 6 – 8 mm. Las plantas fueron lavadas con agua desionizada, aisladas y transferidas a una solución de nutrientes Hutner, cuya composición se presenta en la Tabla 1. En esta permanecieron a una radiación solar que osciló entre 413 y 460 Cal/cm2 y a una temperatura ambiente 28–32 o C. Tabla 1. Solución Hutner. NUTRIENTE CaCl2 EDTA K2 HPO4 NH4 NO3 ZnSO4 .7H2 O H3 BO3 NaMoO4 .H2O CuSO4 .5H2 O CoSO4 .7H2 O MnCl2 .4H2 O FeSO4. 7H2 O MgSO4.7H2 O CONCENTRACIÓN mg/l 12.20 50.0 40.0 20.0 6.50 1.50 2.50 0.40 0.020 3.52 2.50 50.0 4 2.1.1 SOLUCIÓN PATRÓN DE HIERRO Se preparó una solución patrón de hierro de 1000 mg /l y unas soluciones de trabajo de 0.5, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0 mg/l Fe. Estas concentraciones fueron estandarizadas y medidas en un equipo de AA Shimadzu AA-6501F. Según lo establecido en los Métodos Estándar de Análisis de Aguas y Aguas Residuales APHA – AWWA-WPCF. 2.1.2 EFECTO DE pH Se estudió a diferentes valores de pH, su efecto sobre el crecimiento en peso de las plantas y con relación al incremento en número de frondas. Las plantas escogidas para el estudio, antes del experimento, fueron colocadas en agua de la llave declorada y posteriormente en agua desionizada. La selección de las plantas es de gran importancia y se debe tener mucho cuidado para no dañar la planta en su manipulación. Grafica 1. Aclimatación. 5 Se transplantan 10 colonias o 20 frondas en cada recipiente, se lleva un control también por triplicado y se ajusta el pH en cada recipiente a 5, 6, 7, 8 y 9 unidades, a una concentración de hierro de 0.5 mg/l. Se controló el número de frondas diarias por un periodo de 14 Días a los diferentes pH. Grafica 2. Ensayo. 2.1.3 EFECTOS DE LA VARIACIÓN EN LA CONCENTRACIÓN DE Fe. Estas pruebas se realizan desarrollando un procedimiento de bioensayo usando la Lemna; este procedimiento de acuerdo con experiencias es simple, sensible y económico. Las plantas escogidas para el estudio, antes del experimento, son colocadas en agua de la llave declorada y posteriormente en agua desionizada, Grafico 3 aclimatación. 6 Los ensayos se realizan en recipientes de 250 ml, a cada recipiente se le adiciona el metal y 200 ml de solución de nutrientes (Hutner).Se analizan un control (Hutner) y diferentes concentraciones de cada tóxico que se realizan por triplicado. Se siembran las plantas con una densidad de 400 g/m2 . El pH en los recipientes, se ajusta al valor de pH óptimo. El análisis se planea realizarlo por 10 días con alimentación y cambio de medio cada dos días. Grafica 3. Ensayo variación de Hierro. Se analizan como parámetros de control diario, incremento en peso de las plantas y la concentración del metal en el medio acuoso. 2.1.4 ESTUDIOS DE ACUMULACIÓN Para estos estudios se utiliza el mismo cultivo de Lemna. La acumulación de los metales por Lemna se investiga a través de una serie de bioensayos, en ellos las plantas se sembraron con una densidad de 400 g/m2 . Se utilizan seis concentraciones del metal y se dejan en contacto durante un período de 10 días. Se realizan los ensayos por triplicado y un ensayo de control. 7 Durante el período de acumulación se determinan la concentración del toxico al inicio y final del experimento. Las plantas son luego lavadas con agua destilada, secadas a 650 C por 24 horas, pesadas y calcinadas a 550 0 C por 2 horas. Los residuos son acidificados con 10 ml de una mezcla 1:1:2 de HNO3-H2 SO4-H2 O y analizadas posteriormente por Espectrofotometría de Absorción Atómica para la determinación de la concentración del metal. Grafica 4. Ensayo acumulación de Hierro 8 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 3.1 EFECTO DEL pH Se realizaron ensayos a diferentes valores de pH para observar el efecto sobre el crecimiento de la Lemna. Se trabajó con 5 gramos de la planta, una concentración fija de 5 mg/l de Fe, a valores de pH de 5, 6, 7 , 8 , 9 unidades y a Temperatura ambiente de 28 ºC. Tabla 2. Aumento en Peso de la Lemna a Diferentes valores de pH. pH (unidades) 5 6 7 8 9 Peso Inicial Muestras (g) 0,147 0,124 0,101 0,130 0,111 0,113 0,111 0,110 0,117 0,117 0,132 0,095 0,076 0,106 0,106 Promedio (g) 0,124 0,118 0,113 0,115 0,096 Peso Final Muestras (g) 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,439 0,396 0,297 0,236 0,273 0,183 0,217 0,258 0,229 Promedio (g) % Incremento de Peso 0,000 0,00 0,000 0,00 0,377 335,41 0,231 201,69 0,235 245,45 Grafico 1. Efecto del pH Sobre el crecimiento de la Lemna Variación de Peso de Masa Seca % de Incremento de Peso 350 300 250 200 150 100 50 0 5 6 7 8 9 pH (unidades) 9 En los resultados de este ensayo (Tabla 2. y Grafico 2.) si se observa al crecimiento de la planta con relación al peso, presentan un óptimo crecimiento de la Lemna a un valor de pH de 7 unidades y un crecimiento nulo a 5 y 6 unidades .Es importante resaltar que a pH de 8 y 9 unidades existe un incremento en el desarrollo de la planta pero retarda el crecimiento en un 50 y 37,6 % respectivamente, si se relacionan con el valor de pH de 7 unidades. Si se analiza el crecimiento de las plantas con relación al aumento en el número de frondas (Tabla 3 y Grafico 3) se observa que el incremento mayor se logra de nuevo a pH de 7 unidades, un aumento nulo a 5 y 6 unidades e incrementos más bajos a 8 y 9 unidades. Estos resultados nos llevan a establecer el pH de 7 unidades como el óptimo para el desarrollo de la planta en el estudio con Fe. Tabla 3. Comportamiento del Crecimiento de la Lemna a Diferentes Valores de pH. 0 1 2 3 4 5 7 pH 5 pH 6 pH 7 pH 8 pH 9 Tiempo No. % No. % No. % No. % No. % (días) Frondas Incremento Frondas Incremento Frondas Incremento Frondas Incremento Frondas Incremento 42 0,00 38 0,00 0 39 0,00 40 0,00 34 0,00 42 1,60 38 1,77 1 44 11,97 43 5,79 39 12,62 44 4,80 40 5,31 2 49 25,64 47 16,53 44 27,18 43 2,40 40 5,31 3 55 40,17 52 29,75 47 37,86 40 -4,00 40 6,19 4 63 61,54 61 50,41 60 75,73 18 -56,00 21 -43,36 5 67 70,94 61 52,07 63 84,47 0 -100,00 0 -100,00 8 92 136,75 75 86,78 71 107,77 10 118 201,71 81 100,83 85 146,60 Grafico 3. Efecto del pH Sobre el Crecimiento de la Lemna (No. Frondas) 300,00 % de Incremento en el No. De Frondas Tiempo (días) pH 5,0 pH 6,0 250,00 pH 7,0 200,00 pH 8,0 150,00 pH 9,0 100,00 50,00 0,00 -50,00 0 2 4 6 8 10 12 -100,00 -150,00 Tiempo (días) 10 3.2 EFECTOS DE LA VARIACIÓN EN LA CONCENTRACIÓN DE Fe. Ya establecido el valor de pH adecuado para que el crecimiento de la plantas se procede a realizar ensayos variando la concentración del metal para observar su efecto sobre el crecimiento de la Lemna. Se trabajó con un blanco que solo consistía en la solución Hutner de nutrientes y las plantas como blanco y para concentraciones de Fe de 0.5, 1.5, 2.5, 3.0 y 4.0 mg /l. Los ensayos se realizaron por triplicado y durante un periodo de 6 días ya que posteriormente no se efectuaron cambios y las plantas murieron. Tabla 3. Remoción de Hierro a Diferentes Concentraciones Conc. Fe Adicionada % (mg/l) Remoción 0 0 0,5 54,4 1,5 41,5 2 41,5 3 28,5 4 17,5 Grafico 3. Remoción de Fe de la Solución Acuosa 60 % Remoción 50 40 30 20 10 0 0,5 1,5 2 3 4 Concentración de Fe (mg/l) 11 Se observa en estos resultados (Tabla 3 y Grafico 3) que a medida que aumenta la concentración de Fe en el medio, entre 0.5 y 4.0 mg /l, el porcentaje de remoción del metal es menor y que al sexto día, en la concentración de 4.0 mg /l Fe, la planta ya se halla saturada y devuelve el Fe al medio, con el consecuente incremento de la concentración del metal. Estos resultados son corroborados al evaluar el contenido de Fe en la planta al finalizar los ensayos, al encontrarse una acumulación continua del metal con el incremento de la concentración de 0.5 hasta 3.0 mg/l y observarse un descenso a una concentración de 4.0 mg /l (Tabla 5 y Grafico 5). 3.3 ACUMULACION DE Fe EN LAS PLANTAS Con miras conocer la cantidad de Fe que pueden acumular las plantas, se realizan determinaciones de este metal en el material vegetal, luego de exponerlas durante 10 días a diferentes concentraciones. Los resultados nos muestran que a medida que se incrementa la concentración de Fe de 0.5 a 4.0 mg / l, se obtiene un incremento en la concentración de Fe en la Lemna hasta alcanzar 3.0 mg / l, pero a la concentración de 4.0 mg/l la acumulación disminuye. Estos resultados están de acuerdo con los obtenidos al analizar la concentración que queda en el medio acuoso, donde se observa que la concentración de Fe va disminuyendo hasta una concentración de 3.0 mg/l y luego a 4.0 mg/l se incrementa; lo que indica que a esta concentración la planta se satura con el metal, este ya no es adsorbido y se queda en el medio acuoso. 12 Tabla 5. Hierro Acumulado por las Plantas a Diferentes Concentraciones. Conc. Fe Conc. Fe Conc. Fe Conc. Fe Aplicado inicial Final Acumulada (mg/l) (mgFe/glemna) (mgFe/glemna) (mgFe/glemna) 0,5 0,8884 0,494 1,5 1,1144 0,72 2 0,3944 1,3982 1,0038 3 1,6228 1,2284 4 1,37 0,9756 Conc. Fe Acumulada en la Lemna (mg Fe/g Lemna) Grafico 5. Acumulación de Fe en las Plantas a Diferentes Concentraciones de Fe en el Medio 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,5 1,5 2 3 4 Concentració Fe en el Medio (mg/l) 13 4. CONCLUSIONES El estudio del efecto de una concentración fija de hierro de 0.5 mg/l variando los valores de pH nos indica que el pH óptimo para el crecimiento de las plantas es de 7.0 unidades. Al incrementarse la concentración de Fe de 0.5 a 4.0 mg/l se obtiene una disminución en la concentración presente en el medio acuoso hasta 3.0 mg/l de Fe. Posteriormente hay un incremento a la concentración de 4.0 mg/l, indicando que a esta concentración la planta no adsorbe más el metal por encontrarse saturados sus sitios de adsorción. Estos resultados están de acuerdo con los porcentajes de remoción de hierro en las plantas a diferentes concentraciones en el medio acuoso, ya que se observa un incremento en la concentración de hierro en la planta hasta 3 mg/l y un descenso hasta 4.0 mg/l. Debido a que estos son resultados preliminares es conveniente realizar mas ensayos para verificar y complementar el estudio. 14 5. BIBLIOGRAFIA 1. 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