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Introducción
La industria minera desempeña una contribución notable en el desarrollo económico de México [1], no obstante, derivado del proceso de explotación de metales preciosos, esta actividad genera residuos tóxicos conocidos como jales mineros que son vertidos en la presa de jales [2]. Este material contiene altas concentraciones de elementos principalmente como Pb, Zn, Cd, y Hg, que son considerados dañinos para el ambiente, ya que su concentración llega a exceder los límites permitidos para la actividad agrícola, industrial o urbano-rural [3], [4]. La industria de la minería, como actividad económica data de siglos atrás en nuestro país, sin embargo, es reglamentada en el año 2003, cuando se estableció la Ley General Para la Prevención y Gestión Integral para los Residuos [5], encargada de gestionar la prevención de contaminación en sitios con residuos peligrosos y regular su remediación para protección del ambiente [6], lo cual involucra procesos físico-químicos o biológicos que requieren inversiones costosas [7].
Los depósitos de jales que particularmente se encuentran en condiciones de abandono, por localizarse en minas antiguas cuyo cierre de operaciones fue antes de legislarse un manejo apropiado, son de interés ya que en México podrían encontrarse millones de toneladas de estos jales mineros disperso en diferentes depósitos a lo largo del territorio nacional, sin un tratamiento adecuado [8]. El suelo de estos jales mineros abandonados no cuenta con las condiciones físico-químicas necesarias para restituirse de manera autónoma, por lo que se encuentra degradado y expuesto a la propagación en el ambiente por medio de la erosión eólica e hídrica, con la amenaza de introducirse en la cadena trófica y causar efectos negativos a la salud y medio ambiente [3].
La fitorremediación es una tecnología basada en la capacidad de ciertas plantas para fitoacumular, fitovolatizar o fitoestabilizar contaminantes como hidrocarburos, metales pesados y metaloides (MPM), a través de tolerar y absorber los elementos por sus raíces, lo que brinda una alternativa sustentable para remover, inmovilizar o contener en buena proporción los contaminantes del suelo [9]. La fitoestabilización permite inmovilizar contaminantes en el suelo a través de la absorción y acumulación en las raíces de las plantas, reduciendo la movilidad de metales pesados y evitando su migración a las aguas subterráneas o al exterior [10] . La selección de especies vegetales para aplicar esta tecnología requiere de características para adaptarse a las condiciones físico-químicas del jal, además de mostrar un buen desempeño en la absorción de los contaminantes [11], [12], por lo que esta técnica puede requerir de la adición de enmiendas para favorecer su supervivencia [13]..
Por medio de la cuantificación de los MPM se puede calcular el Factor de Traslocación (FT) que marca la relación que existe entre la concentración de los MPM en las raíces contra los transportados a la biomasa, donde aquellos especímenes con valores de FT menor a 1 tienen potencial para fitoestabilizar los elementos de manera estable en sus raíces evitando que lleguen a la cadena trófica del lugar [14].
En el centro de la ciudad de Hidalgo del Parral, Chihuahua, México, se encuentran abandonadas alrededor de 84 hectáreas de jales mineros sin tratamiento, producto de la operación de la mina La Prieta cuyo cierre fue en la década de 50’s con indicios de contaminación por MPM [3], lo que dificulta que el ecosistema se regenere por el mismo, representando un foco de contaminación para el medio ambiente [15]. Se plantea emplear una tecnología de remediación para recuperar estos sitios abandonados, que, aunque su desarrollo data de unas décadas a la fecha, propone ser menos costosa y requerir menos supervisión [7]. En el presente trabajo, se diseñó e instaló un experimento de fitoremediación in situ para evaluar a un año y medio: 1) la sobrevivencia de ocho especies vegetales nativas; 2) la evaluación del comportamiento de la absorción de los metales y metaloide (Arsénico, Cadmio, Cobre, Cromo, Plomo y Zinc) y 3) el efecto debido a la adición de seis tratamientos (sustratos), (Tabla 1).
Materiales y Métodos
Localización y área de estudio
El área de estudio se encuentra ubicada en la ciudad de Hidalgo del Parral, Chih., México, a 225 kilómetros al sureste de la capital del estado entre los paralelos 26° 51’ y 27° 23’ de latitud norte y 105°23’ y 105° 59’ de longitud oeste del meridiano de Greenwich [3], en las instalaciones de la mina “La Prieta” cuya zona asignada comprende 312 m2, incluyendo pasillos de acceso, (Figura 1).
El clima en la región se identifica como un clima semi-seco o semiárido, cuyas lluvias se presentan durante el verano en un promedio de 72 días y una humedad relativa de 48%. La precipitación media anual calculada es de 456.7 mm, considerando los años 2019 y 2020, que abarcaron el periodo de aplicación del experimento, como dos años consecutivos con lluvias por debajo del promedio, con 260 mm para el 2020 [19]. La vegetación está constituida mayormente por pastizal y en menor proporción por matorral, bosque y mezquital [20].
Diseño Experimental
Se analizó la sobrevivencia de ocho especies vegetales: Bouteloua gracilis, Sporobolus airoides, Bouteloua curtipendula, Setaria macrostachya, Digitaria califórnica, Leptochloa dubia, Atriplex canescens, Dasylirion, bajo las condiciones naturales de riego, en diseño experimental, que consistió en sembrar in-situ 192 parcelas de 1x1 m a una separación de 1 m destinado al pasillo de acceso, Figura 1. En cada parcela se sembró una de las ocho especies vegetales en adición con uno de los seis tratamientos con cuatro repeticiones por diseño (ocho especies por seis tratamientos por cuatro repeticiones), distribuidas de manera aleatoria.
Muestreo de parte aérea, raíz y suelo.
El muestreo se realizó en diciembre de 2020, a un año y medio de su siembra, se recolectaron 131 especímenes de raíz y 117 muestras de la parte aérea de las plantas además de 137 muestras de suelo, de acuerdo a lo establecido en la Norma Oficial Mexicana NMX-AA-132-SCFI-2006. Las muestras fueron empaquetadas en bolsas de papel craft por separado o herméticas con cintillos para el caso del suelo y etiquetadas con los datos de identificación del número de parcela, especie y tratamiento correspondiente.
Posterior a su recolección se preservaron en el laboratorio de parámetros ambientales de la FZYE-UACH. Las muestras de parte aérea y raíz se colocaron en la estufa para secar por un periodo de 72 h. Una vez seca la muestra se extrajo una porción representativa de 0.5 g. El suelo se colocó en bandejas de plástico para secar a temperatura ambiente (25 °C) durante 96 horas, posteriormente se realizó un tamizado (malla de 2 mm de diámetro) para homogenizar y obtener 0.2 g de la muestra.
Análisis de metales pesados y metaloide en parte aérea, raíz y suelo.
El análisis se realizó con base en los criterios que establece la Norma Oficial Mexicana NOM-147-SEMARNAT/SSA1-2004, para determinar las concentraciones de los elementos: As, Cd, Cr, Cu, Pb y Zn. El acondicionamiento de las muestras consistió en realizar una digestión ácida por microondas, en el equipo Anton Paar- Modelo Multiwave Go, mediante 14 ml de agua regia inversa y 5 ml de peróxido de hidrogeno. Una vez realizada la solución, se colocaron dentro del microondas 11 biseles por un periodo de 40 minutos a una presión de 20 atmosferas, programando el aparato, de acuerdo al método EPA-3055 Organic A. Después del acondicionamiento, las muestras se enfriaron por un periodo de diez minutos dentro de la campana y se vertieron en un matraz volumétrico aforado a 50 ml con agua destilada. Posteriormente las muestras se preservaron en refrigeración para llevar a cabo la cuantificación de los MPM mediante la técnica de espectroscopia óptica de emisión con Plasma Acoplado Inductivamente (ICP-OES, PerkinElmer® - Optima ™ 8300, Waltham, EE. UU.) [21].
La detección de los elementos tomó en cuenta los estándares de calibración para arsénico, cadmio, cobre, cromo, plomo y zinc.
Determinación del Factor de Translocación (FT) y Acumulación (FA).
Los resultados de las concentraciones de los MPM en la planta, raíz y suelo fueron empleados para determinar el FT, ecuación 1 y el FA, ecuación 2.
Resultados y discusión
Supervivencia de especies vegetales por tratamiento
En la Tabla 2 se muestran los resultados del porcentaje de sobrevivencia, dónde se observa que las especies A. canescens, S. macrostachya, S. airoides y Dasylirion fueron las que obtuvieron mejor adaptación con un porcentaje de sobrevivencia de 79, 75, 83 y 83 porciento, correspondientemente. La especies con menor porcentaje de sobrevivencia fueron la B. gracilis que en general tuvo un porcentaje menor al 50 por ciento de sobrevivencia para todos los tratamientos excepto en el tratamiento 6 de solo jal y la B. curtipendula, presentando un 37 por ciento de sobrevivencia. El zacate D. californica y L. dubia se mantuvieron en un rango menor al 50% de sobrevivencia para la mayoría de los tratamientos a excepción del tratamiento 3, para el D. califórnica que presento un 75% de sobrevivencia y L. dubia con el 75% de sobrevivencia en el tratamiento 6 de solo jal.
Tabla 2 Porcentaje de sobrevivencia de las especies vegetales en relación al tratamiento en las parcelas.
| Trat | Sporobolus airoides | Bouteloua curtipendula | Atriplex canescens | Leptochlo a dubia | Boutelou a gracilis | Digitaria californica | Dasylirion | Setaria macrostachya |
| T1 | 100 | 75 | 100 | 50 | 25 | 50 | 75 | 100 |
| T2 | 100 | 100 | 100 | 25 | 50 | 50 | 100 | 100 |
| T3 | 50 | 0 | 100 | 50 | 0 | 75 | 100 | 100 |
| T4 | 100 | 50 | 100 | 25 | 50 | 25 | 25 | 50 |
| T5 | 75 | 0 | 75 | 25 | 0 | 50 | 100 | 25 |
| T6 | 75 | 0 | 0 | 75 | 100 | 50 | 100 | 75 |
| Prom | 83 | 38 | 79 | 42 | 38 | 50 | 83 | 75 |
Las especies de B. gracilis, Dasylirion spp, S. airoides, L. dubia, y S. macrostachya mostraron un porcentaje mayor al 75 por ciento de sobrevivencia en el tratamiento de solo jal, en acorde a lo mencionado por estudios previos que indican que algunas especies vegetales logran sobrevivir de manera natural en suelos metalíferos [22].
Factor de Traslocación (FT) y Acumulación (FA)
En la Figura 2, se muestran las medias del FT y FA para las especies vegetales con un porcentaje de sobrevivencia mayor al 50% por tratamiento, encontrando que la especie A. canescens traslocó Cu para el tratamiento 1 y 3, Pb para el tratamiento 3, 4 y 5, y Zn para los tratamientos 1, 3, 4 y 5, sin absorber As en ninguno de los tratamientos. La especie S. airoides traslocó solo el Zn para los tratamientos 1, 5 y 6, además de Pb para el tratamiento 5 de solo composta, esta misma especie se destaca por acumular Zn y Pb en el tratamiento 1, 2, 3 y solo acumulo Zn para el tratamiento 5. Según un estudio que evaluó el potencial fitorremediador de 11 especies en una mina de cobre en Brasil [14], [23], indica que a través del valor medio del FT>1 y FA>1 podría clasificarse al S. airoides con potencial de fitoacumulación de los metales de Pb y Zn. La especie Dasylirion traslocó el Zn en los tratamientos 2, 3, y 5, el Pb en el tratamiento 5 y 6, y Cu en los tratamientos 2 y 3, manteniendo estables los cuatro elementos en sus raíces para el tratamiento 4, por lo que se puede clasificar según los criterios empleados en el estudio de la mina de cobre en Brasil [14], [23], como potencial especie fitoestabilizadora con apoyo de la enmienda del tratamiento 4 de mayor contenido de composta > zeolita y menor contenido de jal sobre los demás tratamientos al presentar valores de FT<1. Por su parte se encontró que el S. macrostachya acumulo Zn en los 6 tratamientos y lo estabilizo en sus raíces en todos los tratamientos a excepción del T5 donde si traslocó el metal a la parte aérea de la planta.
Los valores de FA>1 y FT<1 para la especie S. airoides, que presento una sobrevivencia favorable en los 6 tratamientos, inclusive con el tratamiento de solo jal, lo que la coloca en una especie con potencial fitoestabilizador para los elementos de As, Cu, Pb y Zn, teniendo un buen desempeño de absorción o adsorción de los elementos en comparación con las concentraciones encontradas en el suelo de jal.
Conclusiones
Se encontró que la sobrevivencia aumentó en algunas especies como el S. airoides cuando la siembra fue en los tratamientos con mayor contenido de zeolita, de manera inversa los tratamientos 3 y 4 con mayor contenido de composta disminuyeron la sobrevivencia de la S. macrostachya, Dasylirion y B. curtipendula.
Las especies S. airoides, S. macrostachya, Dasylirion y A. canescens presentarón el mayor porcentaje de sobrevivencia, incluso en el tratamiento con solo jal, se aprecia también que no traslocan los elementos como el As, Cu, Pb y Zn, presentando un FT<1 lo que las clasifica como especies potenciales para fitoestabilizar estos elementos en el suelo.
