Estudio bioquímico y fisiológico de los efectos del pH del medio sobre la capacidad remediadora de Cr (VI) y Cr (III) de especies del género Salvinia

Abstract

En las últimas décadas y con la finalidad de disminuir el problema de la contaminación acuática, sobre todo aquella causada por la presencia de metales pesados, se han buscado técnicas fisicoquímicas y biológicas más eficientes para la remoción de los contaminantes metálicos. Una técnica que llama la atención actualmente, es la utilización de macrófitas acuáticas tales como especies del género Salvinia, que se caracterizan por acumular elevadas concentraciones de Cr, un rápido crecimiento y bajo requerimiento de nutrientes. En los ambientes acuáticos, la toxicidad del Cr varía con la temperatura, el pH y la dureza del agua. Entre los más importantes se destaca el pH del medio ya que determina la especie química de Cr que predomina en un determinado ambiente. Así, el objetivo del presente trabajo fue evaluar el efecto del pH del medio sobre los parámetros bioquímicos y fisiológicos involucrados en la remoción de Cr(VI) y Cr(III) por especies del género Salvinia. Bajo las condiciones experimentales y en base de los resultados obtenidos se pudo demostrar que la acumulación de Cr (VI)/Cr(III) en las especies del género Salvinia, sigue una variación estacional (mayor en verano que en invierno) al igual que la actividad metabólica, sugiriendo así que una interacción entre ambos aspectos determina la cantidad de metal removido. Además, la gran variabilidad observada en los parámetros fisiológicos muestra que S. minima y S. rotundifolia son especies sumamente plásticas frente al estrés y aptas para procesos de fitorremediación. En este sentido, la acumulación del cromo ocurriría a través de la combinación de dos mecanismos coordinados: a) la unión (adsorción) del cromo en la superficie de frondes y lacinias y, b) la toma del cromo por las células. Una vez que el metal entra en la célula, se pondrían en marcha otros mecanismos órgano-específicos que les permitiría resistir a la presencia del cromo. En frondes y lacinias un mecanismo de respuesta antioxidante es la acumulación de compuestos fenólicos solubles insolubles que tienen función antioxidante y de moléculas quelantes. Toda esta respuesta se apoya en las alteraciones del metabolismo primario observadas a nivel de carbohidratos solubles principalmente y en los indicadores de daño por estrés oxidativo. Además, a nivel celular, se propone que Salvinia podría tener la capacidad de reducir el cromo, ya que se observó una reducción del Cr (VI) por parte de extractos de frondes y lacinias de S. minima y S. rotundifolia, sin la adición de agentes reductores exógenos. Estos resultados fueron confirmados por ensayos realizados mediante XANES demostrando que tanto S. minima como S. rotundifolia tienen capacidad de reducir el Cr (VI) a Cr(III). Asimismo, se observó que el porcentaje de reducción fue significativamente superior en los extractos de lacinias que en los de frondes, lo que podría representar un mecanismo de defensa adicional en este órgano. En cuanto a la influencia del pH sobre la capacidad remediadora de S. minima y S. rotundifolia, se pudo confirmar que S. minima parece ser una especie apta para remover Cr(VI)/(III) de soluciones acuosas ácidas, mientras que S. rotundifolia es más eficiente para remover Cr (VI) en soluciones alcalinas y Cr (III) en soluciones acuosas ácidas. Además, se ha comprobado que S. minima posee mecanismos para alterar el pH del medio regulando así el proceso de remoción de Cr(VI), mientras que S. rotundifolia no los presentó bajo las condiciones experimentales ensayadas. La información vertida en este trabajo representa un avance en la dilucidación y entendimiento de las interacciones metal/parámetros fisicoquímicos que ocurren durante la fitorremediación y que deben tenerse en cuenta para asegurar el éxito del proceso. Desde el punto de vista del saneamiento ambiental, la implementación de ambas especies de Salvinia supone una alternativa verde para la remediación "in situ" de Cr(VI) ya que son capaces de reducirlo a su forma menos tóxica Cr(III) con la consiguiente reducción del riesgo ambiental. En general se concluye que las especies de Salvinia analizadas en esta tesis son una alternativa interesante para el saneamiento de aguas contaminadas por metales pesados. Los datos aportados por este trabajo de tesis serán de gran utilidad en el diseño de plantas de fitorremediación que deban funcionar a lo largo de todo el año.

In recent decades and in order to reduce the problem of aquatic pollution, especially that caused by the presence of heavy metals, more efficient physicochemical and biological techniques have been sought for the removal of metal contaminants. A technique that currently calls attention is the use of aquatic macrophytes such as Salvinia species, which are characterized by accumulating high concentrations of Cr, rapid growth and low nutrient requirements. In aquatic environments, the toxicity of Cr varies with temperature, pH and water hardness. Among the most important, the pH of the medium stands out since it determines the chemical species of Cr that predominates in a certain environment. Thus, the objective of the present work was to evaluate the effect of the pH of the medium on the biochemical and physiological parameters involved in the removal of Cr (VI) and Cr (III) by Salvinia species. Under the experimental conditions and based on the results obtained, it was possible to demonstrate that the accumulation of Cr (VI) / Cr (III) in the Salvinia species follows a seasonal variation (higher in summer than in winter) as well as in the metabolic activity, suggesting that an interaction between both aspects determines the amount of metal removed. In addition, the great variability observed in the physiological parameters shows that S. minima and S. rotundifolia are highly plastic species against stress and suitable for phytoremediation processes. In this sense, the accumulation of chromium would occur through the combination of two coordinated mechanisms: a) the union (adsorption) of chromium on the surface of frondes and lacinias and, b) the taking of chromium by the cells. Once the metal enters the cell, other organ-specific mechanisms would be launched that would allow them to resist the presence of chromium. In frondes and lacinias an antioxidant response mechanism is the accumulation of insoluble soluble phenolic compounds that have antioxidant function and chelating molecules. All this response is based on the alterations of the primary metabolism observed at the level of soluble carbohydrates mainly and on the indicators of oxidative stress damage. In addition, at the cellular level, it is proposed that Salvinia could have the capacity to reduce chromium, since a reduction of Cr (VI) was observed by extracts of fronds and lacinias of S. minima and S. rotundifolia, without the addition of exogenous reducing agents. These results were confirmed by tests performed by XANES demonstrating that both S. minima and S. rotundifolia have the capacity to reduce Cr (VI) to Cr (III). It was also observed that the reduction percentage was significantly higher in extracts from lacinia than in those from frondes, which could represent an additional defense mechanism in this organ. Regarding the influence of pH on the remediation capacity of S. minima and S. rotundifolia, it was possible to confirm that S. minima seems to be a suitable species to remove Cr (VI) / (III) from acidic aqueous solutions, whereas S Rotundifolia is more efficient to remove Cr (VI) in alkaline solutions and Cr (III) in acidic aqueous solutions. It has also been found that S.minima has mechanisms to alter the pH of the medium, thus regulating the process of removal of Cr (VI), whereas S. rotundifolia did not present them under the experimental conditions tested. The information presented in this work represents an advance in the elucidation and understanding of the metal / physicochemical parameters interactions that occur during phytoremediation and that must be taken into account to ensure the success of the process. From the point of view of environmental sanitation, the implementation of both species of Salvinia is a green alternative for the remediation "in situ" of Cr (VI) as they are able to reduce it to its less toxic form Cr (III) with the consequent reduction of environmental risk.In general it is concluded that the Salvinia species analyzed in this Thesis are an interesting alternative for the sanitation of waters contaminated by heavy metals. The data provided by this thesis work will be very useful in the design of phytoremediation plants that should work throughout the year.