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• Esteban Ramirez

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU ESCUELA DE POSGRADO

FITOEXTRACCIÓN DE METALES PESADOS EN SUELO CONTAMINADO CON Zea mays L. EN LA ESTACION EXPERIMENTAL EL MANTARO - JUNIN” EN EL AÑO 2016.

TESIS PRESENTADA POR: JOHANA VANESSA FALCON ESTRELLA

PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE:

MAGISTER SCIENTIAE EN INGENIERÍA AMBIENTAL

HUANCAYO - PERU

2017

i

ASESOR

DR. MOISÉS ENRIQUE BELTRÁN LÁZARO

i

DEDICATORIA El presente trabajo está dedicado a Dios, por estar conmigo en cada paso que doy, por fortalecer mi corazón e iluminar mi mente. A mis padres Liliana y César por su apoyo incondicional; por sus consejos y confianza. A mi hermano César por su apoyo y su amistad. A la memoria de mis abuelos Rebeca y Roberto.

ii

AGRADECIMIENTO

En primer lugar agradezco a Dios por permitirme llegar hasta este momento, por la fortaleza y por ser mi guía a lo largo de mi vida. Al Dr. Moisés Enrique Beltrán Lázaro, por su asesoría y su buena disposición en el desarrollo del trabajo de investigación. A la plana docente del Posgrado de Ingeniería Ambiental de la Universidad Nacional del Centro del Perú, quienes me inculcaron los conocimientos esenciales para la realización de la tesis. A mis padres y hermano, por el apoyo que siempre me han brindado.

iii

RESUMEN En la presente investigación titulada “Fitoextracción de metales pesados en suelo contaminado con Zea mays L. en la estación experimental el Mantaro - Junín”, se utilizó la tecnología de Fitoextracción, que consistió en la absorción de metales pesados por la planta de Zea mays L. La acumulación en las raíces, tallos, hojas, flores, envoltura y semillas, fueron óptimas en la descontaminación de metales pesados que se encontraban en el suelo. Se trabajó con muestras de tres lotes de terreno, denominados A, B y C, con una extensión de 125 m2, cada uno respectivamente. En cada lote se tomó muestras al azar de suelo de 1.0 kg aproximadamente; para proceder a su caracterización y cuantificación de las propiedades fisicoquímicas como: pH (6.61, 7.10, 7.08), textura (Franco arcillosa), capacidad de intercambio catiónico (17.60, 15.52, 15.68), conductividad eléctrica (0.66, 0.60, 0.59 dS/m), materia orgánica (2.30, 2.77, 2.53%), cationes cambiables: Ca+2 (14.70, 13.25, 13.36), Mg+2 (2.13, 1.85, 1.92), K+1 (0.29, 0.29, 0,25), Na+1 ( 0.15, 0.13, 0.16) y porcentaje de carbonatos (0.80, 4,00 1,50%), los análisis fisicoquímicos del suelo se realizaron en el Laboratorio de Análisis de Suelos, Plantas, Aguas y Fertilizantes de la Universidad Nacional Agraria La Molina. La concentración química de los siguientes metales en el suelo: antimonio, arsénico, cadmio, cobre, cromo, fierro, manganeso, plomo, y cinc; fueron analizados por el método de “Espectrometría de Masas con fuente de Plasma de Acoplamiento Inductivo” (ICPMS), en el laboratorio acreditado CERPER S.A. Las semillas del Zea mays L. (Maíz) que se utilizaron fueron de la variedad cuzqueado; que fue seleccionada, por su mayor rendimiento y el gran tamaño de sus raíces y tallos. Se instalaron 2 semillas por golpe en el suelo, a 60 cm de distancia entre planta y planta y con una profundidad de 20 cm. La Fitoextracción de metales fue evaluada por la iv

densidad de siembra del Zea mays L. La especie vegetal de los tres lotes se cosechó en su etapa de madurez a los siete meses de crecimiento y se hicieron cortes de las raíces, tallos, hojas, flores y semillas. Las muestras secas, se enviaron al Laboratorio Acreditado de CERPER S.A. para analizar la presencia de metales pesados, mediante el método de ICP – MS. Los resultados obtenidos, mostraron la presencia de metales pesados en los suelos de la Estación Experimental y la Fitoextracción en el primer año fue efectiva, ya que el factor de traslocación, en los lotes A y B para el manganeso y zinc fue mayor que 1 y para el lote C: cobre, manganeso y zinc fue mayor que 1. El tratamiento de los resultados, se realizó utilizando el diseño experimental de bloques completamente randomizado (DBCR) y la prueba de significación de Duncan. Palabras clave: Fitoextracción, Zea mays L

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ABSTRACT The present research entitled "Phytoextraction of heavy metals in soil contaminated with Zea mays L. in the Mantaro - Junín experimental station". Phytoextraction technology was used, which consisted of the adsorption of heavy metals by Zea mays L. The accumulation in the roots, stems, leaves, flowers, wrapping and seeds, were optimal in the decontamination of heavy metals. Samples of three lots of land, denominated A, B and C, with an extension of 125 m2, each one respectively, were worked. In each lot random samples of soil of approximately 1.0 kg were taken; (6.61, 7.10, 7.08), texture, (clay loam), cation exchange capacity (17.60, 15.52, 15.68), electrical conductivity (0.66, 0.60, 0.59 dS)/M), organic matter (2.30, 2.77, 2.53), exchangeable cations: Ca+2 (14.70,13.25,13.36), Mg+2 (2.13.1.85,1.92), K+1 (0.29,0.29,0,25), Na+1 (0.15, 0.13, 0.16), percentage of carbonates (0.80, 4.00, 1.50%), the analyzes were carried out in the Laboratory of Analysis of Soils, Plants, Waters and Fertilizers of the National Agrarian University La Molina. The chemical concentration of the following metals in the soil: antimony, arsenic, cadmium, copper, chromium, iron, manganese, lead, and zinc, were analyzed by the method of "Mass Spectrometry with Inductive Coupling Plasma Source" (ICP-MS), in the accredited laboratory CERPER S.A. The seeds of Zea mays L. (Maize) that were used were of the variety cuzqueado; which was selected, for its greater yield and the great size of its roots and stems. Two seeds were installed per hit on the ground, 60 cm apart between plant and plant and with a depth of 5 to 8 cm. Phytoextraction metal was evaluated by the seed density of Zea mays L. The plant species of the three lots were harvested at their maturity stage at seven months of growth and roots, stems, leaves, flowers And seeds. The dried samples were sent to the CERPER S.A. Accredited Laboratory. To analyze the presence of heavy metals, using the ICP - MS method. The results showed the presence of heavy metals in the soils of the vi

Experimental Station; And Phytoextraction in the first year was effective, since the translocation factor, in lot A and B: Manganese and Zinc was greater than 1, and for Lot C: copper, manganese and zinc was greater than 1. Treatment of the results was performed using the fully randomized block experimental design (DBCR) and Duncan's significance test. Key words: Phytoextraction, Zea mays L.

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TABLA DE CONTENIDOS ASESOR ..................................................................................................................... i DEDICATORIA............................................................................................................ ii AGRADECIMIENTO................................................................................................... iii RESUMEN ................................................................................................................. iv ABSTRACT ................................................................................................................ vi TABLA DE CONTENIDOS ....................................................................................... viii ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................. x ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................ xi ÍNDICE DE ANEXOS ................................................................................................ xii ABREVIATURAS ..................................................................................................... xiii INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... xiv CAPÍTULO I ............................................................................................................... 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................................... 1 1.1.

CARACTERIZACIÓN DEL PROBLEMA ......................................................... 1

1.2.

PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ................................................................. 2

1.3.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................ 2

1.4.

JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ..................................................... 3

1.5.

LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................... 3

CAPÍTULO II .............................................................................................................. 4 MARCO TEÓRICO .................................................................................................... 4 2.1.

ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN (A NIVEL INTERNACIONAL, NACIONAL Y LOCAL) .................................................................................... 4

2.2.

BASES TEÓRICAS QUE FUNDAMENTA LA INVESTIGACIÓN. .................... 6

2.2.1.

Contaminación de suelos ........................................................................... 6

2.2.2.

Causas de la contaminación ...................................................................... 7

2.2.3.

Fuentes y tipos de contaminantes .............................................................. 7

2.2.4.

Efectos de la contaminación del suelo ....................................................... 8

2.3.

DEFINICION DE CONCEPTOS ...................................................................... 8

2.3.1.

Metales Pesados ....................................................................................... 8

2.3.2.

Toxicidad de metales pesados ................................................................... 9

2.3.3.

Efecto de los Metales Pesados en el Suelo ............................................. 10

2.3.4.

Movilización de Metales Pesados en el Suelo .......................................... 11

2.3.5.

Mecanismos del suelo en la retención de metales. .................................. 12

2.3.6.

Fitorremediación ...................................................................................... 13 viii

2.3.7.

La fitoextracción ....................................................................................... 15

2.4.

HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN. .......................................................... 20

2.5.

VARIABLES DE LA INVESTIGACIÓN. ......................................................... 20

2.6.

OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES ........................................... 21

CAPÍTULO III ........................................................................................................... 22 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .............................................................. 22 3.1

TIPO DE INVESTIGACIÓN ........................................................................... 22

3.2

NIVEL DE INVESTIGACIÓN ......................................................................... 22

3.3

MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN ................................................................. 22

3.4

DISEÑO DE INVESTIGACIÓN ..................................................................... 22

3.5

POBLACIÓN Y MUESTRA ........................................................................... 22

3.6

TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS ............... 23

3.7

PROCEDIMIENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS.................................. 23

3.8

TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS....................... 23

CAPÍTULO IV .......................................................................................................... 24 RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ................................................................ 24 4.1.

PRESENTACIÓN, ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS ......... 24

4.1.1.

Localización y descripción de la parcela de muestreo .............................. 24

4.1.2.

Toma de muestras de suelos ................................................................... 26

4.1.3.

Toma de muestras de Zea mays L. .......................................................... 27

4.1.4.

Análisis fisicoquímico de suelo................................................................. 27

4.1.5.

Análisis químico de metales pesados en suelos ...................................... 30

4.1.6.

Análisis químico de metales pesados de Zea mays L. ............................. 30

4.2.

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN ...................................................... 31

4.2.1.

Caracterización fisicoquímica de los suelos. ............................................ 31

4.2.2.

Determinación de metales por ICP- MS en suelos. .................................. 32

4.2.3.

Análisis estadístico .................................................................................. 33

4.2.4.

Resultados de fitoextracción de metales pesados de Zea mays L. .......... 36

4.2.5.

Factor de bioconcentración en la raíz del Zea mays L ............................. 37

4.2.6.

Factor de bioconcentración en la parte aérea de Zea mays L. . ............... 38

4.2.7.

Factor de traslocación .............................................................................. 39

4.3.

DISCUSION DE RESULTADOS ................................................................... 40

4.3.1.

Caracterización fisicoquímica de los suelos ............................................. 40

4.3.2.

Discusión de resultados del análisis químico de suelos ........................... 44

4.3.3.

Análisis químico del Zea mays L. ............................................................. 47

4.3.4.

Factor de bioconcentración en la raíz de Zea mays L. ............................. 48 ix

4.3.5.

Bioconcentración en la parte aérea de Zea mays L ................................. 48

4.3.6.

Factor de translocación-Ft........................................................................ 49

CAPÍTULO V ........................................................................................................... 50 APORTES DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................................... 50 5.1

APORTES TEÓRICOS – METODOLÓGICOS .............................................. 50

5.2

APORTES INSTITUCIONALES O POSICIÓN DE DECISIONES ................. 50

VI. CONCLUSIONES ............................................................................................... 51 VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................ 54 IX. ANEXOS............................................................................................................. 58

x

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Operacionalización de las variables ....................................................................... 21 Tabla 2: Resultados de la caracterización fisicoquímica del suelo de los lotes A, B y C (antes del cultivo) ............................................................................................................................ 31 Tabla 3: Resultados del análisis químico de metales del Lote A. .......................................... 32 Tabla 4: Resultados del análisis químico de metales del Lote B. ......................................... 32 Tabla 5: Resultados del análisis químico de metales del Lote C. ......................................... 33 Tabla 6: Resumen de los cuadrados medios de los análisis de varianza del análisis químico de suelo ................................................................................................................................ 34 Tabla 7: Resumen de las pruebas de significación de los promedios del análisis químico de suelo para los lotes (repeticiones), según Duncan. ............................................................... 34 Tabla 8: Resumen de las pruebas de significación de los promedios del análisis químico de suelo para los monitoreos (tratamientos), según Duncan. .................................................... 35 Tabla 9: Resultados de fitoextracción de metales pesados de Zea mays L. ......................... 36 Tabla 10: Factor de bioconcentración en la raíz de Zea mays L. ...................................... 37 Tabla 11: Factor de bioconcentración en la parte aérea de Zea mays L. ............................. 38 Tabla 12: Valores del factor de traslocación ......................................................................... 39

x

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Mapa de la Estación Experimental El Mantaro - Junín ........................................... 25 Figura 2: Fotografía de las tres parcelas de suelo ................................................................ 25 Figura 3: Muestreo de suelos antes de la siembra del maíz.................................................. 26 Figura 4: Toma de muestras de las plantas .......................................................................... 27 Figura 5: Resultados de la medida de pH ............................................................................. 40 Figura 6: Resultados de la conductividad eléctrica ............................................................... 41 Figura 7: Resultados de los análisis de carbonatos .............................................................. 41 Figura 8: Resultados de los análisis de materia orgánica ..................................................... 42 Figura 9: Resultados de los análisis de fósforo ..................................................................... 43 Figura 10: Resultados de los análisis de potasio .................................................................. 44 Figura 11: Concentración de Cd en el suelo ......................................................................... 46 Figura 12: Concentración de Mn en el suelo ......................................................................... 46 Figura 13: Concentración de Pb en el suelo ......................................................................... 47

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ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo Nº 01: Registro Fotográfico Anexo Nº 02: Análisis físico químicos de suelo realizados en la Universidad Agraria La Molina Anexo Nº 03: Análisis de metales pesados en suelos realizados por el laboratorio CERPER. Anexo Nº 04: Análisis de metales pesados en la planta realizados por el laboratorio CERPER. Anexo Nº 05: Normas Técnicas

xii

ABREVIATURAS

ABS

Absorbancia

BFC

Factor de bioconcentración

DBCR

Diseño de bloques completamente randomizado

CERPER

Certificaciones del Perú

C.E

Conductividad eléctrica

CIC

Capacidad de intercambio catiónico

DTPA

Ácido dietilentriaminopentaacético

EPA

Environmental Protection Agency

EDTA

Ácido etilendiaminotetraacético

Ft

Factor de traslocación

ICP-MS

Espectrometría de masas con fuente de plasma de Acoplamiento Inductivo

HMA

Hongos micorrizicos arbusculares

M.O

Materia orgánica

min

Minutos

MINAM

Ministerio del Ambiente

m.s.n.m.

Metros sobre el nivel del mar

pH

Potencial de hidrógeno

CIMIRM

Canal de irrigación de la margen izquierda

xiii

INTRODUCCIÓN

La contaminación de suelos por metales pesados es un problema de gran importancia en el Perú, por la presencia de industrias diversas que a excepción de algunas se olvidaron de cuidar nuestro ambiente. Un tema muy preocupante para el Valle del Mantaro debe ser la contaminación de suelos en ambas márgenes, es un tema que debe ser estudiado de forma indefinida, con el fin de desarrollar soluciones en pro de mejorar las condiciones de nuestro ambiente. El impacto y el nivel de deterioro del suelo para uso agrícola y ganadería, arraiga el uso de metodologías las cuales permitan que en un periodo relativamente corto se mejore la calidad de este y de igual forma se reduzcan los niveles de contaminación del mismo. Dentro de las metodologías existentes se tiene la fitoextracción, que es un método que aprovecha las capacidades de las plantas para la reducción de contaminantes en suelo. Para la selección de una alternativa de descontaminación se hace necesario que esta preserve la estructura física, química y las propiedades biológicas del suelo, además de tener en cuenta el tipo de contaminación al que se enfrenta, las condiciones del suelo y la zona en general. En este estudio se hace referencia a niveles tóxicos de metales pesados los cuales están generando impacto en la etapa de desarrollo de especies y la fertilidad de las mismas en las actividades desarrolladas en la zona de estudio como son la agricultura y la ganadería; además que también pueden estar perjudicando indirectamente la salud humana. En el Capítulo I, se ha considerado el planteamiento del problema, que consta de la caracterización, formulación, los objetivos planteados, la justificación y limitaciones de la investigación. En el Capítulo II, se presentan el marco teórico, en el cual se ha considerado los antecedentes de la investigación, las bases teóricas y conceptuales, la hipótesis y variables e indicadores.

xiv

En el Capítulo III, se menciona el tipo de investigación, nivel, métodos, diseño de investigación, la población y muestra, técnicas e instrumentos de recolección de datos, y las técnicas de procesamiento. En el Capítulo IV, se muestran los resultados de la caracterización físico química del suelo y agua de riego, la concentración de metales pesados en agua, suelo y planta, por el método químico instrumental de ICP- Masas en laboratorios acreditados de la ciudad de Lima, coeficiente de fitoextracción, traslocación y la discusión de los mismos. El objetivo de la investigación es de Aplicar la tecnología de la Fitoextracción en la Estación Experimental “El Mantaro”; utilizando Zea mays L. para erradicar la presencia de metales pesados.

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CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1.

CARACTERIZACIÓN DEL PROBLEMA La Estación Experimental “El Mantaro”, de la Universidad Nacional del Centro del Perú, desde su creación y dentro de sus fines es producir productos agrícolas tales como: cereales, papa, maíz, habas y últimamente alcachofas. Como unidad productiva de la Universidad; las aguas que se utilizan para el riego continuo, provienen del Canal de Irrigación de la Margen Izquierda del Río del Mantaro (CIMIRM), por recibir aguas con indicios de contaminación de las distintas afluentes mineras y anteriormente de la Fundición de la ciudad de la Oroya (Doe Run). Además el uso de diferentes productos agroquímicos utilizado por los agricultores para la mejora y producción de sus productos agrícolas, hacen predecir que los suelos en el Valle del Mantaro están contaminados con productos orgánicos e inorgánicos, dentro de ellos por metales pesados, tales como el plomo, cadmio y arsénico. Además se nota que los productos no son de buena calidad en cuanto al tamaño, color y sabor. Por todas estas razones, se hace necesario realizar un análisis de caracterización de los suelos, el análisis químico de los metales pesados en el suelo contaminado y en la especie vegetal fitoextractora, en la Estación Experimental “El Mantaro” y aplicar la tecnología de Fitoextracción por mejor manejo, sus bajos costos económicos y por la

1

obtención de mejores resultados poniendo en conocimiento que dicha tecnología es a largo plazo.

1.2.

PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.2.1. PROBLEMA GENERAL ¿Es posible la aplicación de la Fitoextracción en suelos contaminados por metales pesados utilizando Zea mays L. en la

estación Experimental “El

Mantaro” en el año 2016? 1.2.2. PROBLEMAS ESPECÍFICOS 

¿Será posible caracterizar cuantitativamente los suelos de la estación Experimental “El Mantaro” en el año 2016?



¿Será posible determinar el contenido de metales pesados en los suelos de la estación Experimental “El Mantaro” en el año 2016?



¿Será posible determinar la cantidad absorbida de metales pesados en el Zea mays L en el año 2016?

1.3.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.3.1. OBJETIVO GENERAL Aplicar la tecnología de la Fitoextracción en los suelos contaminados por metales pesados utilizando Zea mays L. en la Estación Experimental “El Mantaro” en el año 2016.

1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Caracterizar cuantitativamente los suelos de la estación Experimental “El Mantaro” en el año 2016.



Evaluar la presencia de metales pesados en los suelos de la estación Experimental “El Mantaro, mediante análisis químico instrumental en el año 2016.

2



Remediar los suelos contaminados de metales pesados, mediante la Fitoextracción con Zea mays L. en la estación Experimental “El Mantaro” en el año 2016.

1.4.

JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

El trabajo de investigación, nace de la gran necesidad de que actualmente en la Estación Experimental “El Mantaro”, la productividad de los productos agrícolas no son iguales al de los otros años, ello se nota por el consumo de productos agroquímicos en cantidades cada vez mayores, además ninguna institución se ha preocupado por descontaminar el canal de riego (CIMIRM), que irriga a ambas márgenes, la izquierda y la margen derecha del Valle del Mantaro con esta aguas irrigan sus campos agrícolas y entre ellos la Estación Experimental “El Mantaro”. Se plantea remediar los suelos contaminados de la Estación Experimental “El Mantaro”, utilizando tecnologías de absorción llamada de Fitoextracción, por su bajo costo y brindarnos alternativas muy provechosas utilizando especies vegetales como el Zea mays L. que por referencias bibliográficas se sabe que es una planta fitoextractora de metales pesados. 1.5.

LIMITACIONES DE LA INVESTIGACIÓN

El trabajo no presento limitaciones teóricas y metodológicas.

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CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1.

ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN (A NIVEL INTERNACIONAL, NACIONAL Y LOCAL) En la Universidad de Alcalá de España, se llevó a cabo la investigación “Response of corn (Zea mays) to polluted soils by heavy metals after the growth of a grass community”, cuyos resultados obtenidos del análisis químico de la parte aérea y radicular de plantas de maíz crecidas en un total de 30 suelos con más de un metal pesado por encima de los niveles admitidos (22 suelos ácidos y 8 básicos) y con 3 réplicas de cada uno de ellos, muestran la capacidad de extracción que el maíz tiene de los metales todavía presentes en los mismos. Se valoran los resultados como especie acumuladora de Al, Mn, Zn. As y Cd (altas concentraciones en parte aérea), por las consecuencias que tiene esta especie utilizada como forrajera si se cultiva en emplazamientos con suelos contaminados por metales, y sus conclusiones fueron: las hojas del maíz son susceptibles de acumular una gran cantidad de metales pesados cuando el cultivo crece en suelos con un "cóctel" de los mismos. Las características del suelo, como el pH, así como la cantidad de metales en los mismos, determinan la capacidad de bioacumulación del maíz, de manera que, en general, retiene mayor cantidad de metales si es cultivado en suelos en los que su concentración es más elevada. Aunque esta concentración es mayor en las raíces, su alta presencia en las

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hojas resulta preocupante, ya que puede afectar negativamente a la salud del ganado cuando son suministradas en su dieta. (Pastor, Gutiérrez y Hernández., 2008). Cuevas y Walter del Departamento de Medio Ambiente del Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Agroalimentaria, INIA, el año 2003 presentaron el trabajo de investigación, “Metales pesados en maíz (Zea mays L.), cultivado en un suelo enmendado con diferentes dosis de compost de lodo residual” el cual fue aceptado el 2004, y consistió que en un periodo de dos años de duración para estudiar la absorción y la distribución de metales pesados (Cu, Zn, Ni, Cd, Pb y Cr) en plantas de maíz (Zea mays L.) cultivadas en un suelo calcáreo que fue enmendado con diferentes dosis de compost de lodo residual. La conclusión del trabajo fue que, en condiciones experimentales, la aplicación de compost de lodo residual puede sustituir a la fertilización mineral tradicional utilizada para el cultivo de maíz de forraje sin manifestar efectos adversos en la calidad del cultivo ni en el ambiente (Gabriela Cuevas e Ingrid Walter., 2013). Las investigaciones realizadas en fitoextracción han demostrado que es una técnica prometedora por ser considerada una tecnología que se utiliza para la recuperación de metales y en suelos contaminados para extraer y traslocar metales de sus partes cosechables. En estudios de fitorremediación, realizados por Dushenkov, S; Kalpulnik, Y; Blaylock

en 1997, en el cual demostraron que el maíz es una planta

hiperacumuladora de metales pesados, según lo cita Jiménez Sosa en su tesis “Fitoextracción de plomo de un suelo contaminado con el uso de tres agentes quelantes en maíz e higuerilla”, en la ciudad de México (2015). En sus con conclusiones ha indicado lo siguiente: que en las especies utilizadas maíz e higuerilla se observó que la mayor acumulación de plomo y sodio se encuentran en las hojas en ambos casos, y en cantidades menores en los tallos. En investigaciones de Fitoextracción de plomo, realizado por Huang y Cunningham (1997), en maíz (Zea mays) y ambrosia (Ambrosia artemisifolia) frente a Thlapsi aestivum, rotundifolium, caerulescens y Brassica juncae, en la que utilizaron una solución nutritiva y suelo con plomo, llegaron a la conclusión que las especies de plantas difieren significativamente en la absorción y traslocación de plomo y el maíz fue la especie vegetal que acumuló la mayor cantidad de plomo. El Arzobispado de la ciudad de Huancayo, presento, el proyecto ʺEl Mantaro Reviveʺ con la colaboración de la Universidad Saint Louis de Missouri, que fue financiado por

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el Fondo Italo-Peruano (2007), en la que realizó la evaluación de calidad ambiental del Valle del Mantaro, el área de monitoreo de suelo comprendió la zona alta y media de la Cuenca del Mantaro (Región Junín y Pasco) e incluye en total quince zonas entre subcuencas y microcuencas. En total se cuentan con 70 áreas de monitoreo de suelo. Se evaluaron los elementos: arsénico, cadmio, cobre, cromo, níquel, mercurio, plomo y zinc. El arsénico en la zona alta y media de la Cuenca del Mantaro se encuentra distribuido en diferentes concentraciones. Las áreas evaluadas de Tinyahuarco, Huayllay-Huaron, Pucará, San Cristóbal Pomacocha Carahuacra Pachachaca, S. R. SVillasol, Oroya Antigua, Andaychahua, Suituicancha, Huayhuay, Mantaro y Orcotuna presentan altos contenidos de arsénico, por ejemplo la estación de la Oroya Antigua supera en 392.75 veces el nivel de referencia que es 12 ppm. Para el caso de cadmio, los distritos de Orcotuna - Concepción y El Mantaro - Jauja; la concentración de este metal supera en 9.5 y 13.5 veces el estándar de calidad Canadiense, en ambos casos las áreas son regadas por el río Mantaro. Las concentraciones elevadas de cobre se encuentran en los suelos del distrito de Orcotuna donde supera el ECA- C en 13.8 veces y en el área de Mantaro 5.3 veces, ambos regados por las aguas del río Mantaro. Las concentraciones de zinc exceden al nivel de referencia en 20 zonas muestreadas. (Larrauri L, Rivera Ch., 2007). 2.2.

BASES TEÓRICAS QUE FUNDAMENTA LA INVESTIGACIÓN.

2.2.1. Contaminación de suelos

La contaminación del suelo se define por la presencia de determinado nivel de partículas, sustancias o materiales contaminantes sólidos o líquidos que deterioran la superficie terrestre o la pérdida de una o más de sus funciones. Se considera que un suelo está contaminado cuando hay presencia de sustancias químicas o sintéticas, u otros tipos de alteraciones en el ambiente natural del suelo. Los contaminantes pueden estar física o químicamente enlazados a las partículas del suelo o atrapados entre éstas.

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2.2.2. Causas de la contaminación

El suelo se contamina por causa de las actividades del hombre o por otras alteraciones en el ambiente natural del suelo. En términos generales, la superficie de la tierra se daña por efecto de las actividades agrícolas, industriales y domésticas, a partir del uso de pesticidas, de la lixiviación (desplazamiento de sustancias solubles) de los desechos de los vertederos, de la percolación (paso de líquido a través de un material poroso) de las aguas superficiales e incluso de la liberación en las chimeneas de partículas tóxicas que se depositan en el suelo después de estar suspendidas en el aire. 2.2.3. Fuentes y tipos de contaminantes Los tipos de contaminantes y sus orígenes condicionan consecuencias, unas veces detectadas a corto plazo, debido a una contaminación puntual a un tóxico conocido, y otras no detectables con inmediatez, pero con efectos devastadores en el futuro. La contaminación de suelos puede clasificarse en función de su origen: natural (erupciones volcánicas, incendios naturales, deposiciones, productos de reacciones químicas y/o biológicas, etc.), o antropogénicas (derivadas de actuaciones del hombre en cualquiera de sus actividades, agrícola, industrial, urbana, etc.). Los contaminantes pueden ser inorgánicos u orgánicos y su toxicidad puede ser primaria, si procede de la fuente original, o secundaria si es producto de alguna transformación en el interior del suelo. La denominada contaminación natural, o endógena, de carácter inorgánico se debe al desequilibrio que se produce cuando hay una acumulación de un componente inorgánico del suelo en concentraciones nocivas para las especies vivas. Por ejemplo, como consecuencia de precipitaciones ácidas sobre suelos con altas proporciones de Gibsita, se produce una movilización del Al3+, que origina efectos tóxicos sobre plantas, aguas y animales. También, en suelos desarrollados próximos a zonas ricas en piritas, puede suceder un efecto parecido. La oxidación del sulfuro de hierro puede producir una acidificación del medio que favorece la movilización de metales. No obstante, las situaciones más graves son las que se derivan de la contaminación debida a la actividad humana.

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2.2.4. Efectos de la contaminación del suelo Los suelos contaminados pueden tener efectos muy diversos, desde riesgo tóxico para la salud humana hasta pérdidas de recursos naturales y económicos. Los principales peligros que puede suponer un suelo contaminado son:

Peligro toxicológico para la salud humana: Por inhalación: problemas alérgicos y respiratorios. Por ingestión, por desconocimiento al cultivarse suelos contaminados. · Por contacto directo con la piel, alergias y problemas cutáneos en trabajadores que manipulan este tipo de suelos. Contaminación de aguas superficiales y subterráneas y, por tanto, también de los cultivos y animales de granja por utilización de dichas aguas para regadío y en las granjas. Volatilización

de

determinados

compuestos,

con

la

consiguiente

contaminación atmosférica y riesgo para la salud. Peligros físicos, como explosión o fuego, corrosión de estructuras o alteración en las propiedades mecánicas del suelo. Degradación paisajística: Provocada por el vertido indiscriminado de residuos sólidos agrícolas. Las consecuencias y peligros potenciales de los suelos contaminados pueden tardar en manifestarse, tardando en ocasiones incluso décadas.

2.3.

DEFINICION DE CONCEPTOS

2.3.1. Metales Pesados

Los metales pesados son un grupo de elementos químicos que reciben esta designación debido a diversos criterios. De los 118 elementos conocidos por el hombre, 84 son metales; de estos últimos solamente 40 elementos son metales pesados. Uno de los criterios de clasificación es la densidad, aquellos metales de densidad mayor o igual a 4 g/cm3 son considerados pesados, sin embargo este valor mínimo varía desde

8

4,5 hasta 5 g/cm3. Otros criterios empleados son el número atómico y el peso atómico siendo los parámetros entre 63.55 (Cu) y 200.59 (Hg). Las concentraciones en las cuales los metales pueden ser considerados tóxicos cambian de una especie a otra, para una especie, un elemento es esencial en niveles bajos pero puede ser tóxico para otras. Así, la acción tóxica de los contaminantes está determinada tanto por su accesibilidad al organismo como por la serie de reacciones bioquímicas y fisiológicas que provocan y que en última instancia se manifiestan como signos y síntomas de intoxicación. (Brady & Weil., 2002).

2.3.2. Toxicidad de metales pesados

La toxicidad de los metales pesados en un ambiente determinado depende de diversos factores, ya sean factores referidos netamente al metal como factores que se relacionan con el medio y la influencia de este sobre los metales pesados. Los factores que evalúan la toxicidad de los metales según las influencias del medio son llamados factores fisicoquímicos. Estos tienen un efecto conjunto con los factores previamente mencionados

sobre

el

grado

de

toxicidad

y

en

este

caso

específicamente sobre la incorporación de los metales pesados a los medios acuáticos (Ernest., 2003).



El pH afecta a la especiación química y a la movilidad de muchos metales pesados, además de jugar un papel importante en las interacciones con parámetros como la dureza del agua y compuestos orgánicos (Sinhg., 2003).



El Potencial redox de un ambiente dado, influye sobre los fenómenos de especiación metálica. Los sedimentos están sometidos a unas condiciones redox determinadas, que pueden afectar el estado de los metales, así, pueden producir su precipitación.



Los Iones inorgánicos, tanto aniones como cationes, pueden tener superficies con cargas negativas, que pueden ser compensadas por cationes absorbidos; los cuales a su vez pueden ser desplazados por otros cationes existentes en el ecosistema. Así, los metales pesados pueden ser extraídos de la solución, pero

9

solo temporalmente. De esta se varía su bioasimilación y su toxicidad (Mc Grath., 2001).



La Temperatura influye sobre la solubilidad y la distribución del estado fisiológico en la biota del sistema acuático del que va a depender la respuesta frente al tóxico.



Los Minerales de arcilla y los hidróxidos de metales presentes en los sedimentos de los cursos de agua pueden influir sobre la toxicidad. Esto se da debido a las cargas negativas superficiales que adsorben cationes metálicos que existen en el medio (Mc Grath., 2001).

El comportamiento y la acción toxica de los metales pesados está determinada por su accesibilidad al medio en cuestión, como por la serie de reacciones bioquímicas y fisiológicas que provocan y que en última instancia se manifiestan como signos y síntomas de intoxicación (Volke., 2002).

2.3.3. Efecto de los Metales Pesados en el Suelo

Cuando el contenido de metales pesados en el suelo alcanza niveles que rebasan los límites máximos permitidos, causan efectos inmediatos como: inhibición del crecimiento normal y el desarrollo de las plantas, y un disturbio funcional en otros componentes del ambiente; así como la disminución de las poblaciones microbianas del suelo (Cunningham., 1995). En el suelo, los metales pesados están presentes como iones libres, compuestos metálicos solubles, compuestos insolubles como óxidos, carbonatos e hidróxidos. Su acción directa sobre los seres vivos ocurre a través del bloqueo de las actividades biológicas, es decir, la inactivación enzimática por la formación de enlaces entre el metal y los grupos –SH (sulfhidrilos) de las proteínas, las cuales causan daños irreversibles en los diferentes organismos, (Angeles., 2005). 

El pH es un factor esencial, para que la mayoría de los metales, tienden a estar más disponibles en un pH ácido, excepto As, Mo, Se y Cr, los cuales tienden a

10

estar más disponibles a pH alcalino es una variable importante para definir la movilidad del catión, debido a que en medios con pH moderadamente alto se produce la precipitación como hidróxidos. En medios muy alcalinos, pueden nuevamente pasar a la solución como hidroxicomplejos. La adsorción de los metales pesados está fuertemente condicionada por el pH del suelo y por tanto, también su biodisponibilidad de sus compuestos, (Deng., 2004). 

La materia orgánica puede adsorber fuertemente a algunos metales, como el Cu, que pueden quedar en forma no disponible por las plantas, motivo por el cual, algunas plantas crecidas en suelos ricos en materia orgánica, presentan carencia de elementos como el Cu, Pb y Zn, eso no significa que los suelos no estén contaminados ya que las poblaciones microbianas se reducen notablemente.



La textura favorece la entrada e infiltración de la contaminación de metales pesados en el suelo, por ejemplo la arcilla tiende a adsorber a los metales pesados, que quedan retenidos en sus posiciones de cambio, por el contrario los suelos arenosos carecen de capacidad de fijación de los metales pesados, los cuales pasan rápidamente al subsuelo y pueden contaminar los niveles freáticos. (Rugh., 1996).

2.3.4. Movilización de Metales Pesados en el Suelo

La contaminación del suelo por metales pesados está fundamentalmente relacionada con diferentes tipos de actividades humanas. Una vez en el suelo, estos pueden quedar retenidos en el mismo, pero también pueden ser movilizados en la solución del suelo mediante diferentes mecanismos biológicos y químicos (Angelova., 2004). La movilidad relativa de los elementos traza en suelos es de suma importancia en cuanto a su disponibilidad y su potencial para lixiviarse de los perfiles del suelo al agua subterránea y difiere de si su origen es natural o antrópico y, dentro de este último, al tipo de fuente antrópica (Xiong., 1997) Los factores que influyen en la movilización de metales pesados en el suelo son: Características del suelo: pH, potencial redox, composición iónica de la solución

11

del suelo, capacidad de cambio, presencia de carbonatos, materia orgánica, textura; naturaleza de la contaminación: origen de los metales y forma de deposición y condiciones medioambientales: acidificación, cambios en las condiciones redox, variación de temperatura y humedad (Lombi., 2001). Los metales pesados incorporados al suelo pueden seguir diferentes vías: quedan retenidos en el suelo, ya sea disueltos en la fase acuosa del suelo, ocupando sitios de intercambio o específicamente adsorbidos sobre constituyentes inorgánicos del suelo, asociados con la materia orgánica del suelo y/o precipitados como sólidos puros o mixtos; pueden ser absorbidos por las plantas y así incorporarse a las cadenas tróficas; pasan a la atmósfera por volatilización y se movilizan a las aguas superficiales o subterráneas (Christie., 2004). Para elucidar el comportamiento de los metales pesados en los suelos y prevenir riesgos tóxicos potenciales se requiere la evaluación de la disponibilidad y movilidad de los mismos. La toxicidad de los metales depende no sólo de su concentración, sino también de su movilidad y reactividad con otros componentes del ecosistema.

2.3.5. Mecanismos del suelo en la retención de metales.

El suelo presenta diferentes mecanismos para retener metales pesados y son (Alloway, 1995): 

Acidificación. Resultado de la oxidación de sulfuros minerales y precipitados y de fertilizantes de NH4+, por la fijación biológica de nitrógeno, precipitación atmosférica ácida (SOx y NOx) sobre los suelos, descomposición de materia orgánica, agotamiento de bases por lixiviación y vertidos de contaminantes ácidos.



Cambios en las condiciones redox. Condiciones oxidantes pueden causar la oxidación y disolución de sulfuros insolubles. A la inversa, condiciones reductoras pueden conducir a la disolución de óxidos y a la liberación de sus elementos traza coprecipitados en la solución. Fortísimas condiciones reductoras también darán lugar a la precipitación de sulfuros insolubles de elementos traza.

12



Complejación de especies metálicas con ligandos orgánicos. Los ligandos son constituyentes químicos que se combinan con los metales en un complejo químico (Novotny, 1995).



Cambios en la composición iónica de la solución del suelo. Que pueden tener un marcado efecto en la adsorción de elementos traza y su incorporación en complejos inorgánicos solubles e insolubles.

Al movilizarse los metales pesados pueden sufrir diferentes procesos de migración en forma soluble o lavado y en forma particulada: 

Lavado ascendente, formando generalmente sales hidratadas.



Lavado descendente, el metal pesado de la superficie puede perderse, alcanzando la capa freática, si existe, y llegar a las aguas subterráneas.



Lavado

lateral

desde

zonas

topográficamente

más

altas

hacia

zonas

topográficamente más bajas. 

Arrastre disuelto por las aguas de escorrentía, por la superficie del suelo.



Arrastre particulado se produce desde zonas topográficamente más altas hacia zonas más bajas.

2.3.6. Fitorremediación

La fitorremediación es un caso concreto de biorremediación, una rama de la biología cuyo objetivo es la utilización de organismos para la descontaminación de ecosistemas. Se trata de aprovechar el metabolismo, en este caso de plantas, para sustraer del medio ambiente sustancias contaminantes. Esta sustracción de contaminantes en el suelo es posible porque algunas plantas tienen adaptaciones que les permiten tolerar niveles relativamente altos de algunos contaminantes como por ejemplo metales pesados (Cr, Hg, Zn, etc.) que representan un gran peligro tanto para el ecosistema como para el ser humano. Sin duda es un hecho demostrado por infinidad de estudios que ya estamos pagando las consecuencias de la contaminación. Por ello es un tema muy interesante, ya que aunque el agente contaminante no pueda ser degradado en

13

todos los casos, sólo con su retención en una fitomasa controlada se está evitando la dispersión y se minimiza el riesgo de que por escorrentía o infiltración acabe en aguas donde la eliminación es mucho más compleja. La fitorremediación es el uso de plantas para recuperar suelos contaminados, tiene como ventajas que es una tecnología in situ no destructiva y de bajo costo. Ha adquirido auge por ser un procedimiento pasivo, estéticamente agradable y útil para remediar simultáneamente una variedad de contaminantes orgánicos, inorgánicos y biológicos. Además, es un proceso de descontaminación que involucra el empleo de plantas que pueden remover, transferir, estabilizar, descomponer y/o degradar contaminantes de suelo, sedimentos y agua, como solventes, plaguicidas, hidrocarburos poliaromáticos, metales pesados, explosivos, elementos radiactivos, fertilizantes, para hacerlos más biodisponibles para las especies vegetales, de diferentes familias, de densidad variada. La fitorremediacion en realidad es un conjunto de tecnologías y consta de:  Fitoextracción: uso de plantas acumuladoras de elementos tóxicos o compuestos orgánicos para retirarlos del suelo mediante su absorción y concentración en las partes cosechables.  Fitoestabilización: uso de plantas para reducir la biodisponibilidad de los contaminantes en el entorno, mejorando las propiedades físicas y químicas del medio.  Fitoinmovilización: uso de las raíces de las plantas para la fijación o inmovilización de los contaminantes en el suelo. Junto con la anterior son técnicas de contención.  Fitovolatilización: uso de plantas para eliminar los contaminantes del medio mediante su volatilización, y para eliminar contaminantes del aire.  Fitodegradación: uso de plantas y microorganismos asociados para degradar contaminantes orgánicos.  Rizofiltración: uso de raíces para absorber y adsorber contaminantes del agua y de otros efluentes acuosos.

14

En mi trabajo de investigación enfocare definiciones, características acerca de la fitoextracción. 2.3.7. La fitoextracción

Es la técnica más prometedora y ha recibido una creciente atención, está considerada como una tecnología para la recuperación de metales en los suelos contaminados.

Características de la Fitoextracción. Las plantas consideradas como acumuladoras de metales pesados, son utilizadas para transportar y concentrar los contaminantes (metales) en el interior de los tallos, hojas, y raíces. Las plantas pueden acumular metales pesados esenciales para su crecimiento y desarrollo, tales como el Fe, Mn, Zn, Cu, Mg, Mo y posiblemente el Ni; asimismo algunas plantas tienen la capacidad de acumular otros metales pesados que no se conoce su función biológica, como el Cd, Cr, Pb, Co, Ag, Se y Hg (Garbisu y Alkorta, 2001). Las especies vegetales ideales, para la fitoextracción deberían crecer en suelos resistentes a los metales, presentar un sistema radical pronunciado, presentar altos niveles de producción de biomasa a partir de un óptimo crecimiento y desarrollo, acumular y resistir altas concentraciones de metales en brotes, retoños, cortes y tener la posibilidad de acumular varios metales de manera simultánea y mostrar resistencia a plagas y enfermedades (Garbisu y Alkorta, 2001). La fitoextracción se limita a profundidades de las raíces de las plantas que acumulan metales y resulta más efectiva para sitios con una contaminación superficial bien expandida; se limita generalmente a lugares con niveles de inferior a medio de contaminación de metales. (Martin y Ruby, 2004). La efectividad de la fitoextracción depende de numerosos factores, incluida la concentración y forma mineralógica del metal, el tipo, la fortaleza y la eficiencia de la entrega del flujo de condicionamiento y las condiciones de crecimiento de la especie vegetal. Existe una relativa importancia de la producción y las concentraciones del metal pesado en las plantas, constituyendo variables claves en la eficiencia de los

15

procesos de fitoextracción y para ello resulta importante conocer los valores reales y estimados para plantas hiperacumuladoras y no acumuladoras, que permita evaluar la extensión de la contaminación del suelo y que sirvan para emplearlos como técnicas de ¨limpieza¨. Se hace necesario adicionar ácidos orgánicos para mantener una concentración óptima de metales solubles durante el proceso de fitoextracción. Junto con una alta velocidad de extracción por las raíces, el fenómeno de fitoextracción depende del incremento sustancial en la transferencia de metales a los tallos. Actualmente, la fitoextracción inducida químicamente, puede ser considerada como un proceso de dos etapas, en la cual primeramente las plantas acumulan el metal en sus raíces y posteriormente lo traslocan hasta los tallos de manera más eficiente, como consecuencia de la adición de agentes quelatantes. (Baker y Walker, 1990). La Fitoextracción continua depende de la habilidad natural de algunas plantas para acumular, traslocar y resistir altas cantidades de metales durante el ciclo de desarrollo. En este contexto, las plantas hiperacumuladoras son las más capaces para la fitoextracción de suelos contaminados con metales. 

Fitoextracción de Zinc y Cadmio. El Zn y el Cd son contaminantes ubicuos, los que tienden a existir conjuntamente en muchos sitios contaminados. El Zn es fitotóxico y reduce la producción anterior a cualquier efecto potencial sobre la cadena alimenticia. Sin embargo, el Cd sí afecta la cadena alimenticia y por el contrario, raramente inhibe el crecimiento vegetal. El Cd aunque parece no ser un elemento esencial, es similar químicamente al Zn, por lo que ambos elementos pueden ser asimilados por las mismas especies hiperacumuladoras. La diferencia en su extracción no solo depende de la especificidad Zn/Cd en la acumulación, sino también en su respuesta a las concentraciones en el suelo. Existen diferencias básicas en los mecanismos de acumulación de los dos metales en hiperacumuladoras, un factor importante en el desarrollo de las técnicas de fitoextracción.

16

Ha sido demostrado que las hiperacumuladoras de Zn tienen un alto requerimiento por el metal pesado que la mayoría de las otras plantas. Por ejemplo, la concentración externa de Zn que provoca un óptimo crecimiento fue encontrada 5 veces mayor que las especies de plantas normales. 

Fitoextracción potencial de Plomo. El Pb es un metal que se dificulta eliminar por fitoextracción, pues es fuertemente retenido por la materia orgánica del suelo y los minerales del suelo, por lo que se reportan un número limitado de plantas hiperacumuladoras. La mayoría del Pb acumulado en plantas se retiene en las raíces. El método promisorio para lograr una mayor asimilación del Pb por las plantas, se logra por una mayor movilización desde las partículas del suelo empleando quelantes. Un problema nutricional encontrado en plantas que crecen en suelos contaminados con Pb es la carencia del ion fosfato debido a la formación de fosfato de plomo insoluble (piromorfita). Esto puede contrarrestarse aplicando fosfato a las partes aéreas de la planta, incrementando la biomasa y la cantidad total de Pb en los tallos.

Evaluación de la fitoextracción Existen la capacidad de exclusión y/o acumulación, se puede evaluar por el factor de bioconcentración y la movilidad de los metales en la planta por el factor de traslocación.

Factor de traslocación en la raíz de la planta. Un valor del Factor de Traslocación (TF) mayor a 1 indica una eficiente traslocación del metal a brotes, por lo que la planta puede usarse con fines de fitoextracción. Si por el contrario, dicho valor es menor a 1, la traslocación del metal es baja, por lo que éste es retenido principalmente en las raíces y puede usarse para fitoestabilización.

17



Si el TF > 1 significa que la planta traslada eficazmente los metales pesados de la raíz a la parte aérea de la planta (Baker y Brooks, 1989), por lo que su potencial es la de hiperacumular metales en la parte aérea.



Si el TF < 1 significa que la planta no traslada eficazmente los metales pesados a la raíz a la parte aérea de la planta, por lo que su potencial es la de Fitoestabilizar metales en sus raíces

Factor de bioconcentración en la raíz de la planta. También conocida como Factor de concentración biológica (BCF) o Root accumulation factor (RAF). Se calcula como la relación entre la concentración de metales en la raíz de la planta respecto a la concentración de metales en el suelo (Yoon, 2006). 

Si el BCF raíz < 1 la planta es excluyente.



Si el BCFraíz >1 la planta es acumuladora.



Si el BCFraíz > 10 la planta es hiperacumuladora

Factor de bioconcentración en la parte área de la planta. También conocida como Factor de bioacumulación (BAF), Coeficiente de acumulación biológica (BAC), Factor de remediación (RC) o Shoot accumulation factor (SAF). Es la proporción del elemento contenido en la parte aérea de la planta con respecto al suelo (Vyslouzilova, 2003). 

Si el BCF aérea < 1 la planta es excluyente



Si el 1 < BCFaérea > 10 la planta es acumuladora



Si el BCFaérea > 10 la planta es hiperacumuladora

Taxonomía del Zea mays L. REINO

: Plantae

DIVISIÓN

: Magnoliophyta

CLASE

: Liliopsida

SUBCLASE

: Commelinidae

ORDEN

: Poales

FAMILIA

: Poaceae

18

SUBFAMILIA

: Panicoideae

TRIBU

: Andropogoneae

GÉNERO

: Zea

ESPECIE

: Zea mays

Es una planta monocotiledónea, anual de la familia de las gramíneas oriunda de América.

Raíz: Presentan numerosas raíces adventicias que brotan de los nudos inferiores y que dirigiéndose al suelo se fijan fuertemente. Raíz fasciculada. Parte aérea:

Tallo: Es herbáceo, recto, cilíndrico, en su base presenta nudos y entrenudos bien diferenciados, desarrolla raíces adventicias en los nudos inferiores. Hojas:

Son

simples,

alternas

cortantes,

alargadas

y

estrechas,

paralelinervias y con una larga vaina en forma de envoltura alrededor de casi todo el entrenudo, situado por encima del punto de inserción con el tallo. Estas hojas son envainadoras en el punto de unión con la vaina puede verse la líbula al principio tiene color verde intenso pero en la madurez van tornándose amarillas. Flores: El maíz es una planta monoica por tanto tiene flores masculinas y femeninas, en el mismo pie de planta la inflorescencia masculina se presenta en forma de panoja terminal y cada flor que es apétala, tiene tres estambres protegidos por brácteas. Las flores femeninas se disponen en las axilas de las hojas en un eje grueso y están cubiertas por brácteas protectoras dando lugar esa inflorescencia a un tipo especial de espiga. Separando las hojas que la envuelve (Y de las cuales las anteriores son más claras porque no están expuestas a la luz), se encuentra un eje grueso que presenta infinidad de granitos blancos, de los que nacen unos pelos alargados de color carme tiloso o rojizo. Los granitos son los ovarios y los

19

pelos los estigmas. Cada granito es una flor, esta es desnuda con ovario supero, monocarpelar y con un solo rudimento seminal. Fruto: El fruto y la semilla forman un solo cuerpo: El grano de maíz es un fruto pequeño, seco, y contiene un solo cotiledón. 2.4.

HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN.

Si es posible la aplicación de la Fitoextracción de metales pesados en suelos contaminados utilizando Zea mays L. en la estación Experimental “El Mantaro” en el año 2016. 2.5.

VARIABLES DE LA INVESTIGACIÓN. 

Zea mays L (maíz) – Concentración de metales pesados (mg/L)



Concentración de metales pesados en suelos de la estación experimental el Mantaro (mg/L).

20

2.6.

OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES

Tabla 1: Operacionalización de las variables

Variables (tipo)

Definición conceptual

Cantidad de metales pesados fitoextraídos por el Zea mays L.

La contaminación del suelo puede definirse como la concentración de elementos o compuestos químicos a partir de la cual se producen efectos desfavorables, tanto por su efecto desactivador, como por un aumento excesivo de la actividad biológica. El uso de plantas que absorben y concentran en sus partes recolectables (hojas, tallos) los contaminantes contenidos en el suelo (a menudo metales pesados) es posible con el uso de agentes quelantes en el proceso.

Suelo contaminado por metales pesados

Dimensiones Fitoextracción

Definición operacional Para remediar el suelo contaminado en la fitoextracción se usara el Zea mays L.

Parámetros Físicos del suelo contaminado

Para determinar los parámetros fisicoquímicos se desarrollara de forma clásica e instrumental en un laboratorio acreditado.

Parámetros Químicos del suelo contaminado

Para determinar los parámetros químicos, la determinación de los metales se utilizará el método del ICP-MS. en un laboratorio acreditado

Indicadores Concentración de cadmio, cobre, fierro, manganeso, plomo y zinc en ppm

Indicadores Físicos: pH C.E M.O Textura C.I.C Indicadores Químicos Metales pesados: cadmio, cobre, fierro, manganeso, plomo y zinc

21

CAPÍTULO III METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

3.1

3.2

TIPO DE INVESTIGACIÓN Por el fin que se persigue

: Aplicada

Por el diseño de investigación

: Descriptiva.

NIVEL DE INVESTIGACIÓN Descriptivo

3.3

MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN Método no experimental

3.4

DISEÑO DE INVESTIGACIÓN Diseño no experimental, de Bloques Completamente Randomizado

3.5

POBLACIÓN Y MUESTRA Población: Suelos del distrito del “Mantaro” irrigada por agua del canal de riego de la margen izquierda. Muestra: Suelos de la estación experimental el “Mantaro”, se ha dividido en tres parcelas A, B y C.

22

3.6

TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS

MATERIALES: 

Muestreador de suelos



Zapa pico



Guantes



Bolsas de papel



Plumones



Tarjetas de identificación



Malla N° 2 mm



Materiales de vidrio de laboratorio

EQUIPOS E INSTRUMENTOS:

3.7



Espectrómetro de Masas con Plasma Acoplado Inductivamente



01 pH-metro



01 Conductímetro.

PROCEDIMIENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Para la recolección de datos se utilizaron: protocolos de análisis químico de metales pesados. Para la caracterización de suelos se utilizaron el protocolo de la Universidad Agraria “La Molina” y para el análisis de suelos, y plantas, se utilizaron protocolos del Laboratorio Acreditado (CERPER S.A) de la ciudad de Lima.

3.8

TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS.

Los resultados de la concentración química del suelo contaminado se procesó estadísticamente, a la que se asoció una medida de probabilidad o confiabilidad. El Diseño fue el de Bloques Randomizado, ampliamente utilizado en investigaciones del agro la cual se utiliza para comparar efectos de tratamientos y se ajusta a este tipo de investigación.

23

CAPÍTULO IV RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN

4.1.

PRESENTACIÓN, ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS

4.1.1. Localización y descripción de la parcela de muestreo

El trabajo experimental se realizó en las instalaciones de la Estación Experimental Agropecuaria El Mantaro Junín, de la Universidad Nacional del Centro del Perú situada en el extremo nororiental del territorio peruano, al oeste del flanco occidental de la Cordillera de los Andes, sureste de la Provincia de Jauja, Departamento de Junín, a una altitud de 3 325 m.s.n.m, entre los 11° 48' 05'' de latitud sur y 75° 23'27'’ de longitud oeste del meridiano de Greenwich. En este trabajo se estudió tres lotes de terreno denominados A, B y C (Como se puede ver en las Figuras 8, 9 y 10). Las dimensiones de cada lote fueron de 125 2

m , respectivamente. Estos lotes son irrigados por el canal de irrigación de la margen izquierda del Rio Mantaro (CIMIRM). Cabe mencionar que en los tres lotes A, B y C, se sembró maíz.

24

Figura 1: Mapa de la Estación Experimental El Mantaro - Junín

Fuente: Archivos de la Universidad Nacional del Centro

Figura 2: Fotografía de las tres parcelas de suelo

Fuente: Elaboración propia

25

4.1.2. Toma de muestras de suelos

Las muestras del suelo se tomaron a una profundidad de 20 cm. bajo el método zig-zag según la NOM-021-RECNAT-2000 del Manual de Técnicas de Análisis de Suelos. De cada lote se tomó 10 submuestras en tres monitoreos: antes de la siembra, durante el cultivo y después de la cosecha. Las 10 submuestras obtenidas se mezclaron y formaron una muestra compuesta de aproximadamente 1 kg. Las muestras obtenidas se secaron al ambiente bajo sombra; posteriormente, se tamizaron en malla de 2 mm de apertura y se guardaron a 15 grados centígrados en bolsas de polietileno, debidamente selladas y etiquetadas, para su análisis fisicoquímico y la determinación de concentración de metales pesados (ver Anexo N° 2). Figura 3: Muestreo de suelos antes de la siembra del maíz

Fuente: Elaboración propia

26

4.1.3. Toma de muestras de Zea mays L. Se cosechó, cuidadosamente y al azar, quince plantas, en su estado de maduración de cada uno de los lotes A, B y C. Se seccionó las siguientes partes: raíces, tallos, hojas, flores y semillas, con un total de 500 gramos de cada lote. Cada parte de la planta fue colocada en bolsas ziploc etiquetadas y fueron conservadas y enviadas al Laboratorio Certificaciones del Perú S.A.

Figura 4: Toma de muestras de las plantas

Fuente: Elaboración propia

4.1.4. Análisis fisicoquímico de suelo El análisis fisicoquímico de las muestras de suelos de los tres lotes A, B y C, que se tomaron antes de la instalación del cultivo de maíz durante y después de la cosecha del Zea mays L. fue realizado en los laboratorios de análisis de suelos, plantas, aguas y fertilizantes de la Universidad Nacional Agraria de La Molina. (ver Anexo Nº2).

27

pH del suelo Para la determinación del pH se utilizó el método potenciométrico. Este parámetro se tomó para ver la variación de la acidez del suelo usando una relación suelo: agua de 1:2. Se utilizó un pH-metro marca Hanna modelo Checker. El método que se utilizó fue bajo la norma: AS-02 de las NOM-021- RECNAT-2000. Para la medición de este parámetro se siguió el Método AS - 09 de las NOM-021-RECNAT-2000.

Conductividad eléctrica del suelo La conductividad eléctrica del suelo fue determinada para medir la salinidad del suelo. Se tomó una relación suelo agua (1:1) y se utilizó 100 g de suelo al cual se agregó 100 mL de agua destilada. La suspensión suelo-agua se agitó por una hora a 25°C y se dejó reposar por 15 min. La lectura fue tomada en el extracto de suelo con la ayuda de un conductímetro calibrado MODELO HACH CONDUCTIVITY / TDS METER modelo 44600. Carbonatos Se midió el volumen de CO2 desprendido al atacar los carbonatos que contiene el suelo con HCl, en un depósito cerrado. El calcímetro que se utilizó para esta determinación fue el calcímetro de Bernard. Se utilizó 0,200 gramos de suelo. Esta determinación se realizó bajo la norma NLT-116/91. Materia orgánica Se evaluó el contenido de carbono orgánico presente en muestras de suelo por el método de Walkley y Black. Para la determinación de materia orgánica del suelo se usó la norma: AS-02 de las NOM-021-RECNAT-2000. Para esta determinación se utilizó 0.5 g de suelo seco y se tamizó a 0.5 mm; se llevó a cabo la oxidación del carbono orgánico del suelo con una disolución de dicromato de potasio. Además, se adicionó 5 mL de ácido fosfórico concentrado para evitar la interferencia con el 3+

Fe

y el dicromato de potasio residual se valoró con sulfato ferroso.

28

Fósforo disponible Este método es ampliamente utilizado en estudios de fertilidad de suelos. Se realizó a través del método AS -10 de las NOM- 021-RECNAT-2000, por el procedimiento de Olsen. El fósforo es extraído del suelo con una solución de NaHCO3 0.5 M ajustada a un pH de 8.5. Este extractante disminuye la concentración de Ca en solución a través de una precipitación del CaCO3, por tanto, la concentración de P en solución se incrementa

Textura del suelo La textura se determinó por el método del hidrómetro de Bouyoucos. Se tomó una muestra de

100 g de

suelo,

se le agregó 5 mL de solución dispersante

(hexametafosfato de sodio). Después, se pasó esta suspensión a una batidora por 10 minutos, hasta conseguir homogenización completa y luego a una probeta de 250 mL. Inmediatamente, se realizó la primera lectura de densidad, la cual corresponde a la densidad de la suspensión de arcilla más limo. Se dejó en reposo y se hicieron dos lecturas, una a los 40 segundos y otra al cabo de 2 horas. Para la determinación de la textura de las muestras de suelos de los tres lotes A, B y C, se utilizó el triángulo textural, determinándose la clase textural.

Capacidad de intercambio catiónico La determinación de la capacidad de intercambio catiónico y bases intercambiables del suelo se realizó por el método AS-12 de las NOM-021-RECNAT-2000, con acetato de amonio 1N, pH 7.0, como solución saturante. El método consiste en la saturación de la superficie de intercambio con un catión índice, el ion amonio fue lavado del exceso de saturante con alcohol; la determinación del amonio fue mediante destilación. El amonio se emplea como catión índice debido a su fácil determinación, poca presencia en los suelos y porque no precipita al entrar en contacto con el suelo. La concentración normal que se usa asegura una completa saturación de la superficie de intercambio y como está amortiguada a pH 7.0, se logra mantener un cierto valor de pH.

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Cationes solubles La determinación en el extracto de saturación se realizó a través del método AS-19 de las NOM-021-RECNAT-2000. Se determinó cationes solubles (Ca, Mg, Na y K) en el extracto de saturación por medición en un equipo de absorción atómica (Ca y TM

Mg) Analyst

400 y en un espectrofotómetro de llama Analyst 200/400 Atomic

Absorption Spectrometers (Na y K). Las interferencias en las mediciones son eliminadas con La y Cs.

4.1.5. Análisis químico de metales pesados en suelos Para el análisis químico de metales pesados presentes en las muestras de suelo se utilizó un equipo ICP- MS Varian 810-MS and 820-MS en base al método ISO 172942 “Water Quality-Application of inductively couped plasma mass espectrometry” (ICPMS). El detector es totalmente digital ETP AF250 con Multiplicador de Electrones Discrete dínodo (DDEM). Las muestras de suelo se secaron a 40°C y se tamizaron a 2 mm; se sometió a digestión con ácido nítrico ultrapuro MERCK por 2 horas a 102°C y se leyó la concentración de cada elemento en el equipo. Este análisis se llevó a cabo en el Laboratorio CERPER S.A en la ciudad de Lima. (ver Anexo Nº 3).

4.1.6. Análisis químico de metales pesados de Zea mays L. Para el análisis químico del Zea mays L. se trabajó bajo la norma EPA 200.3 “Guía para la preparación estándar y procedimientos de operación” utilizando ICP - Masas por el ISO 17294-2 Water Quality- Application of inductively coupled plasma mass espectrometry (ICP-MS) en el Laboratorio certificaciones del Perú. S.A Las muestras del Zea mays L. se secaron a 40°C. Luego se llevó a la molienda, se tamizó cada muestra independientemente a 2 mm; se pesó 1 g de muestra y se enrasó a 50 mL en una fiola. Se sometió a digestión con ácido nítrico ultrapuro por 2 horas a 102°C y se leyó la concentración de cada elemento. (Ver Anexo Nº 4).

30

4.2.

RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN

4.2.1. Caracterización fisicoquímica de los suelos. El análisis de las muestras del suelo experimental se realizó en el Laboratorio de Análisis de Suelos, Plantas, Aguas y Fertilizantes de la Facultad de Agronomía de la Universidad Nacional Agraria La Molina (Tablas 2). Tabla 2: Resultados de la caracterización fisicoquímica del suelo de los lotes A, B y C (antes del cultivo)

Monitoreo Nivel de Parámetro

Unidad

pH

referencia

Lote A

Lote B

Lote C

6,61

7,10

7,08

6-8

C.E

dS/m

0,66

0,60

0,59

15 tóxico

M.O

%

2,30

2,77

2,53

> 3,9

P

ppm

20.7

23.1

24.9

16-32

K

ppm

108

133

103

91-140

Arena

%

53

59

57

Limo

%

30

28

30

Arcilla

%

17

13

13

CIC

17,60

15,52

15,68

Ca+2

14,70

13,25

13,36

2,13

1,85

1,92

>3

K+1

0,29

0,29

0,25

> 0,5

Na+1

0,15

0,13

0,16

Mg+2

Franco Arcilloso

>11

Meq/100mg