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INTRODUCCIÓN
Los metales pesados se encuentran naturalmente presentes en el medio ambiente, en concentraciones que generalmente no dañan las diferentes formas de vida, mientras que los que provienen de actividades antropogénicas como la contaminación industrial, tecnológica, agrícola, minera y el mal uso de los suelos por diversos fertilizantes químicos pueden elevar los niveles de concentración en relación con los parámetros normales. Estos contaminantes se incorporan a los ríos, hortalizas, animales y alimentos, alterando así la sostenibilidad de la cadena alimentaria, presentando riesgos potenciales para la naturaleza y la sociedad, ya que causan graves problemas de salud humana y animal (Londoño Franco et al., 2016)
Los ecosistemas boscosos de la Amazonía ecuatoriana son amenazados por las malas prácticas de extracción minera, reconocidas como uno de los principales problemas ambientales que inciden en la deforestación de extensas superficies de bosques, facilitando de esta manera procesos como deslizamientos de suelos, derrumbes, erosión y altos niveles de contaminación en el suelo por la extracción de minerales (Delgado et al., 2023).
La minería de oro artesanal y en pequeña escala se encuentra entre las fuentes más importantes de metales pesados en los ecosistemas, lo que provoca una grave contaminación (Jacka, 2018). En la provincia de Napo, comunidad de Yutzupino, existe una modificación gradual del paisaje forestal, debido a la explotación a cielo abierto realizada por la extracción de minerales metálicos (oro), presuntamente por mineros ilegales dentro de la concesión minera. Las actividades mineras realizadas en la zona propician la acumulación de relaves de grava lavada y la generación de sedimentos, que al no contar con ningún tipo de consideración técnica aceleran la erosión el suelo, cambio en el relieve, formación de pozos artificiales (ciénagas), deslizamientos de suelo y producción de montículos de gravas de diferentes tamaños. Estas actividades han provocado la contaminación de metales pesados en el suelo y en los tejidos foliares de las diferentes especies forestales que habitan en este importante reservorio de bosque.
A pesar de la contaminación de metales pesados, algunas especies de plantas han desarrollado estrategias para prosperar en condiciones de altas concentraciones de metales pesados, convirtiéndolas en especies con potencial de aplicación en procesos de fitorremediación. Haga clic o pulse aquí para escribir texto. Las plantas metalófitos son especies que han desarrollado mecanismos fisiológicos para resistir, tolerar y sobrevivir en suelos degradados por la minería. Estas plantas pueden limitar la absorción de metales o trasladarlos a las hojas o absorberlos activamente y acumularlos en su biomasa aérea, las cuales pueden ser utilizadas en procesos de fitorrehabilitación y fitorremediación para restaurar sedimentos y aguas contaminadas con metales pesados y eliminar contaminantes en el ambiente (Jara-Peña et al., 2014).
De ahí que el objetivo de este trabajo fue evaluar el potencial bioacumulador de metales pesados de tres especies forestales (Ochroma pyramidale, Piptocoma discolor y Bambusa vulgaris) en un área de extracción minera, en la comunidad Yutzupino, Napo con fines de fitorremediación.
MATERIALES Y MÉTODOS
Área de estudio
La investigación se realizó en un área de extracción minera, ubicada en la comunidad Yutzupino, región oriental ecuatoriana, perteneciente a la provincia de Napo, cantón Tena, parroquia Puerto Napo. Los límites geográficos se encontraron al SE con la parroquia de Puerto Napo y SW con el río Napo. La Figura 1 muestra la ubicación de los puntos de colecta del material, lo cual se corresponde con un bosque siempreverde amazónico.
Selección de especies y recolección de muestras
Se seleccionaron tres especies forestales (O. pyramidale, P. discolor y B. vulgaris), tomando como criterio que fueran especies de importancia ecológica y económica con predominio en los ecosistemas de bosques siempreverde piemontano, de rápido crecimiento y amplia distribución en la región amazónica, con alta abundancia en el área de estudio y con capacidad de adaptación a las condiciones y cambios ambientales, que faciliten entender su respuesta como bioacumuladora de metales pesados.
La recolección de las muestras de hojas se realizó a individuos en estado adulto, con exposición al sol y en buen estado físico. El material vegetal se recolectó de diferentes lados de los árboles, para lo cual se cortaron las ramas para evitar el contacto de las hojas con el metal de las tijeras (Hu et al., 2003).
Las muestras de suelo se tomaron en tres puntos, bajo la copa de los individuos seleccionados, a una profundidad de 0-30 cm, con el uso de un barreno (Greksa et al., 2019). A las muestras de suelo se les eliminó la hojarasca y raíces presentes, estas fueron etiquetadas y trasladadas al Laboratorio de Estudios Ambientales del Centro Experimental de Investigación y Producción Amazónica (CEIPA).
Determinación de metales pesados y factor de bioconcentración
Se determinaron los metales pesados (Cd, Pb, Fe y Ni) en las muestras de hojas y suelo, respectivamente. Las muestras de material vegetal se lavaron con agua potable y luego con agua destilada; se dejaron secar naturalmente sobre papel de filtro durante cuatro días, después se secaron en una secadora a 40 °C durante 48 h y se pulverizaron sin uso de metales cortantes (20 g aproximadamente) (ISO, 1995). La digestión del material vegetal se realizó con una mezcla de ácido nítrico (HNO3) al 65 % y peróxido de hidrógeno (H2O2) al 37 %, en una proporción 7:1 (digestión húmeda) y en un recipiente abierto (Kalra, 1997)
Se tomó una muestra de 100 g de suelo, la cual fue secada al aire, a temperatura ambiente, durante cuatro días sobre papel de filtro. Posteriormente fueron trituradas, se pasaron por un tamiz de malla de 2 mm y secadas en estufa a temperatura de 40 °C durante 48 h (Šichorová et al., 2004) La determinación de los elementos en las muestras de suelo se realizó con 0,5 g de digestión de suelo, secado al aire con 12 mL de agua regia y con una proporción 1:2 de HNO3 HCl a ebullición durante 2 h, seguido de filtración y ajuste de volumen en un matraz aforado de 100 mL (ISO, 1995).
La cuantificación de metales pesados en hojas y suelo se realizó en un espectrofotómetro de absorción atómica Perkin-Elmer 2380. Se utilizó para la curva de calibración del equipo un estándar de 1000 ppm de cada metal y se colocó la lámpara correspondiente.
Se calculó el factor de bioconcentración (FBC) como una proporción de la concentración de elementos en las plantas y el suelo, el cual representa la capacidad de la planta para absorber metales pesados de los medios de crecimiento. (Alahabadi et al., 2017). El BCF se calculó mediante la Ecuación 1:
Dónde Cfollaje y Csuelo representan la concentración de un elemento específico en el material vegetal (hojas) y del suelo, respectivamente.
Para identificar si una especie puede utilizarse con fines de fitorremediación para sitios contaminados por metales pesados se tomó como criterio el valor de cada elemento en función del factor de bioconcentración (FBC). En la medida que el valor fue más alto se sugiere el uso de la especie como buena acumuladora del metal pesado en cuestión (Aisien et al., 2010) .
Procesamiento estadístico
Se realizó un análisis de varianza (ANOVA) y prueba de Tukey al 95% de confiabilidad para determinar las diferencias significativas entre las especies de estudio en cuanto a las concentraciones de metales pesados (Cd, Pb, Ni y Fe) a nivel foliar y de suelo. Se obtuvo la matriz de correlación de Pearson para determinar las correlaciones existentes entre las concentraciones de metales pesados analizados en las plantas, el suelo y el factor de bioconcentración. Se empleó un análisis de componentes principales (PCA) para establecer la separación de las especies analizadas en dependencia de las concentraciones de los metales pesados analizados en el suelo y en la planta. En todos los análisis estadísticos se utilizó el software Origin 2021.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La concentración de metales pesados a nivel foliar (Figura 2) mostró diferencias significativas para Cd, Ni, Pb y Fe en las tres especies de estudio (O. pyramidale, P. discolor y B. vulgaris). En cuanto al Cd la especie P. discolor presentó valores superiores con medias de 0,35 mg kg-1, mientras que B. vulgaris presentó valores más bajos (0,04 mg kg-1). La concentración de Ni foliar indicó que B. vulgaris presentó los valores más altos (6,89 mg kg-1) y P. discolor valores más bajos (4,90 mg kg-1). La concentración de Pb resultó con medias superiores (55,67 mg kg-1) para P. discolor y menores (9,65 mg kg-1) para B. vulgaris. En cuanto al Fe la concentración foliar fue superior en B. vulgaris (156,33 mg kg-1) y menor para O. pyramidale (32,85 mg kg-1).
Estos resultados son similares a lo reportado por Kabata (2010), donde obtuvo una concentración de Cd y Ni de 0,05-0,5 mg kg-1, indicando que no superó los valores de tolerancia, mientras que el Pb resultó entre 30-300 mg kg-1, lo cual superó los valores permisibles de toxicidad para las plantas. Estos resultados indicaron que la concentración de Cd y Ni no superó los valores permisibles para ninguna de las tres especies estudiadas, mientras que la concentración de Pb resultó con toxicidad para la especie P. discolor.
En la especie B. vulgaris, se encontró que la concentración de metales pesados a nivel foliar fue inferior a lo reportado por Liu et al., (2015) y Liu et al. (2016) para Pb y Cd.
Fig. 2. - Resultados de la concentración de los metales pesados en hojas de tres especies (O. pyramidale, P. discolor, B. vulgaris). (a) Cd-F (Cadmio foliar), (b) Ni-F (Niquel foliar), (c) Pb-F (Plomo foliar) y (d) Fe-F (Hierro foliar). En el interior de la figura letras desiguales indicaron diferencias significativas mediante el análisis de varianza (ANOVA) y prueba Tukey (p ≤ 0,05)
La concentración de metales pesados (Cd, Ni, Pb y Fe) presentes en el suelo donde se desarrollaron las especies O. pyramidale, P. discolor y B. vulgaris mostraron diferencias significativas (Figura 3). Se comprobó que existe un patrón de variación a nivel de especies similar a lo reportado para el análisis foliar. En relación con el comportamiento del Cd, Ni y Pb los resultados indicaron que el suelo donde se desarrolla B. vulgaris presentó los mayores valores y O. pyramidale presentó los menores valores, mientras que para la concentración de Fe los valores fueron superiores en O. pyramidale e inferiores para B. vulgaris. En cuanto al Cd a nivel del suelo la concentración se encontró entre 0,04 y 0,13 mg kg-1, en el Ni osciló de 7,27 a 18,24 mg kg-1, en Pb fue de 22,7 a 57,67 mg kg-1 y en Fe fue de 536,21 a 845,28 mg kg-1.
Conforme la regulación ecuatoriana (TULSMA, 2012) se encontró que la concentración de Cd no superó los valores permisibles (0,5 mg kg-1), el Ni se encontró próximo a los valores críticos considerados como tóxicos (19,0 mg kg-1), el Pb superó los valores permisibles (19,0 mg kg-1) y el Fe no se encuentra regulado. Esto indicó un alto nivel de toxicidad en el suelo para el elemento Pb, lo cual sugiere acciones para la remediación con especies que sean capaces de absorber este metal pesado.
Fig. 3. - Resultados de la concentración de metales pesados en el suelo donde se desarrollaron las especies (O. pyramidale, P. discolor, B. vulgaris). (a) Cd-S (Cadmio suelo), (b) Ni-S (Niquel suelo), (c) Pb-S (Plomo suelo) y (d) Fe-S (Hierro suelo). En el interior de la figura letras desiguales indicaron diferencias significativas mediante el análisis de varianza (ANOVA) y prueba Tukey (p ≤ 0,05)
Los resultados del factor de bioconcentración (Figura 4) indicaron que la especie P. discolor se reportó con mayor potencialidad para la absorción de Cd con valores de 5,23, resultando con diferencias significativas con el resto de las especies estudiadas, lo que sugiere su alta capacidad bioacumuladora en Cd. Este mismo comportamiento resultó para el elemento Pb, con valores superiores a 1,3. Estos resultados son interesantes por cuanto se trata de una especie pionera de la familia Asteraceae que crece de forma natural en los claros, con alto grado de cobertura en bosques secundarios (González et al., 2018). Esto sugiere su uso como especie fitorremediadora en sitios donde se realizan prácticas de extracción minera y existe evidencia de contaminación por metales pesados de Cd y Pb.
Sin embargo, la especie O. pyramidale presentó la mayor capacidad de acumulación de Ni con valores superiores a 0,8, indicando su potencialidad para sitios con alto contenido de Ni y B. vulgaris resultó con mayor capacidad de acumulación de Fe con valores superiores a 0,29, por lo que se sugiere su uso potencial para sitios contaminados por Fe.
Fig. 4. - Resultados del factor de bioconcentración de metales pesados de las especies (O. pyramidale, P. discolor y B. vulgaris). (a) FBC-Cd (factor de bioconcentración de Cadmio), (b) Ni-FBC (factor de bioconcentración de Niquel), (c) Pb-FBC (factor de bioconcentración de Plomo) y (d) Fe-FBC (factor de bioconcentración de Hierro). En el interior de la figura letras desiguales indicaron diferencias significativas mediante el análisis de varianza (ANOVA) y prueba Tukey (p ≤ 0,05)
La matriz de correlación de Pearson (Figura 5) para el total de las especies analizadas mostró una correlación positiva y negativa, inferior al 50 %, entre la concentración de metales pesados entre las hojas y el suelo. Estos resultados indicaron que las especies del presente estudio, en sentido general, no absorben todo lo que se encuentra disponible en el suelo. En este sentido Song et al., (2007) informan que la capacidad de las plantas de bioacumulación no depende completamente de la concentración de metales pesados en el suelo, sino que está relacionado con la fisiología de la planta y la capacidad de protección de esta. Cuando las plantas están estresadas por metales pesados tienen la capacidad de regular activamente la concentración de los elementos (Fernández et al., 2017; Miao et al., 2011)
Fig. 5. - Correlación entre la concentración de metales pesados en las hojas, el suelo y el factor de bioconcentración (el valor numérico dentro de la matriz corresponde al coeficiente de correlación de Pearson). La escala de la derecha significa los valores del coeficiente de correlación, positivo y negativo, que oscila entre +1 y -1 (los colores azules y rojos intenso corresponden a valores cercanos al +1 y -1 con alta correlación y colores claros baja correlación). La nomenclatura de la izquierda significa las variables codificadas (Cd-F (Cadmio foliar), Ni-F (Niquel foliar), Pb-F (Plomo foliar), Fe-F (Hierro foliar), (Cd-S (Cadmio suelo), Ni-S (Niquel suelo), Pb-S (Plomo suelo), Fe-S (Hierro suelo)
El análisis de componentes principales (PCA), como método de ordenación, indicó la reducción de dos componentes que explicaron en su totalidad el 100% de la variabilidad total de los datos. El sistema de coordenadas, determinado por los componentes principales, permitió identificar que en el eje PC1 se separó la especie B. vulgaris, que se encuentra ubicada en el lado positivo del eje. La especie B. vulgaris mostró mayor relación con la concentración de Pb en el suelo, Fe en la planta, Cd en el suelo y Ni en el suelo. La especie P. discolor se encontró en el lado negativo del PC1 resultando con mayores concentraciones de Pb y Cd en la planta. La especie O. pyramidale se encontró en el lado negativo del eje PC2, y se caracterizó por mayores concentraciones de Fe en el suelo. El análisis del factor de bioconcentración, en el sistema de coordenadas, resultó con un patrón diferenciado entre las especies forestales analizadas, reflejando para P. discolor mayor retención de Cd y Pb, en O. pyramidale mayor retención de Ni y en B. vulgaris de Fe. Esto sugiere la capacidad bioacumuladora de P. discolor para Cd y Pb, de O. pyramidale para Ni y de B. vulgaris para Fe, lo cual podría usarse como especies fitorremediadoras para sitios contaminadas por metales pesados (Figura 6).
CONCLUSIONES
El potencial bioacumulador de metales pesados (Cd, Ni, Fe y Pb) obtenido a partir del factor de bioconcentración (FBC), indicó la capacidad de las especies forestales estudiadas para acumular metales pesados en sitios contaminados por la actividad minera. Esto sugiere que P. discolor puede ser utilizada como especie fitorremediadora para sitios contaminadas por Cd y Pb, O. pyramidale para Ni y B. vulgaris para Fe. Estos resultados pueden ser útiles para recomendar estudios similares con otras especies autóctonas, lo que resulta una alternativa factible para la recuperación del paisaje forestal.
