Modelización de la dinámica de metales pesados en la interacción suelo-planta

Resumo

El uso intensivo del suelo en la agricultura, el incremento y mala gestión de residuos urbanos e industriales, las actividades mineras e industriales, la obras civiles, etc. han provocado un deterioro de la calidad del suelo e incluso la pérdida del recurso en algunas regiones del planeta. Dentro del deterior, la contaminación del suelo es uno de los factores más importantes a tener en cuenta por su complejidad, por la dificultad que implica el tratamiento de los suelos contaminados y por los riesgos de transferencia de los contaminantes a la cadena trófica bien a través de las aguas subsuperficiales o de la vegetación que se desarrolla en ellos. En esta memoria se describen una serie de modificaciones y consideraciones realizadas a partir de un modelo matemático que, sin perder la esencia compleja y no lineal del modelo de partida, permiten estudiar con validación experimental distintos aspectos involucrados en la problemática de la contaminación de suelos como son la concentración de metales en el suelo, la movilidad de los metales en la fase líquida, los efectos de la acidez del suelo en la movilidad, la absorción de metales por las plantas y su tolerancia y capacidad de acumulación. El gran número de trabajos publicados en los últimos años en los que se estudia experimentalmente la biodisponibilidad de distintos metales en el suelo como consucuencia de cambios de acidez en el mismo, así como los efectos que causan una vez son absorbidos, sobre la biomasa de distintas especies vegetales, refleja la importante necesidad de conocer las interacciones suelo-planta. Paralelamente, también se han publicado trabajos donde se desarrollan modelos no lineales que relacionan el desarrollo y crecimiento de las plantas con el contenido de los contaminantes en el suelo. Sin embargo, existen pocos trabajos que relacionen ambos aspectos conjuntamente, mientras que la mayoría de los trabajos experimentales terminan en una exposición de datos, los modelos matemáticos publicados se encierran en una complejidad analítica que no permite una validación experimental posterior. El pH del suelo determina la movilidad de los nutrientes y contaminantes e influye sobre su disponibilidad y riesgo de toxicidad para las plantas. Una de las consecuencias más importantes del aumento de la acidez en el suelo es la movilización de aluminio, elemento mayoritario tóxico para las plantas en elevadas concentracioens. Si se produce un descenso del pH del suelo y se observan efectos negativos sobre la biomasa de las plantas, éstos pueden ser debidos a una mayor concentración de contaminantes traza disponibles, a una alta movilización del aluminio de origen o a ambas. El primer objetivo de este trabajo fue modelar la disminución de la biomasa debida a la absorción de aluminio a niveles tóxicos para la planta así como el posible umbral de extinción de una determinada especie calculado como el nivel de aluminio biodisponible debido al aumento de la acidez del suelo. En este caso no se incluye un posible aporte de Al porque, como elemento mayoritario, la posible toxicidad será probablemente ocasionada por mayor disponibilidad para las plantas del ya existente en el suelo. La aplicación del modelo planteado se extiende a la contaminación por metales pesados en el sistema suelo-planta. En el modelo se incluye que el aumento de los metales biodisponibles puedes deberse no solamente a una movilización del mismo por una variación del pH sino también a un aumento de la concentración del metal en el suelo debido a aportes externos. Son elementos traza, por lo tanto su concentración natural en los suelos es, salvo excepciones baja, por lo que no sólo su movilización sino también el aporte externo, influirán en la mayor biodisponibilidad y efectos tóxicos para la biomasa. En este contexto, se analiza la relación existente entre la concentración de los metales disueltos en la fase líquida del suelo ( o alternativamente la concentración total de los metales en el suelo) y la concentración de los metales en la biomasa de las plantas en general y en la biomasa de distintas partes de las plantas (hojas, tallos, etc.). El modelo predice de forma teórica la existencia de un valor limite de concentración de metales pesados en la biomasa de las plantas, en coincidencia con la curva plateau reportada en publicaciones sobre trabajos experimentales.-La curva de cantidad de metal total acumulado en función del disponible en el suelo muestra una fase creciente hasta un valor máximo, a partir del cual, los efectos tóxicos sobre el desarrollo de la biomasa generan un descenso en la cantidad total esperada de metal acumulado en las plantas. La planificación de estrategias de fitorremediación de suelos contaminados exige como criterio de selección de especie a utilizar, el conocimiento no sólo de la concentración límite de metales en el suelo que es capaz de tolerar una planta, sino también de la cantidad máxima que puede acumular en la parte cosechable. Otro factor a tener en cuenta es la tasa de crecimiento de la planta en presencia del contaminante, ya que aunque la concentración de contaminante por unidad de biomasa aumente, el crecimiento de la planta puede verse afectado por los efectos tóxicos del metal. El modelo propuesto ayuda en este proceso clave en estrategias de fitorremediación ya que permite determinar la cantidad total de metal acumulado en la biomasa por unidad de superficie plantada. La adaptación del modelo no lineal y sus distintas versiones de interacción suelo-planta en presencia de metales ha mostrado satisfactoriamente un ajuste entre los datos experimentales recopilados y los comportamientos descritos por el modelo. Las conclusiones obtenidas fueron: Los modelos no lineales propuestos describen la interacción suelo-planta en caso de una acidificación del suelo o en presencia de metales pesados ( de origen natural o antrópico) y pueden ser utilizados como un herramienta más de análisis de datos experimentales para el control, manejo y remediación de suelos contaminados. Para cada uno de los modelos, pueden derivarse a su vez conclusiones específicas: Efectos en la biomasa vegetal debidos a un aumento de la disponibilidad del aluminio por al acidificación del suelo: 1.El modelo reproduce las observaciones experimentales: la biomasa desciende ante la acidificación del suelo. 2. Los cinco parametros agregados permiten un ajuste satisfactorio con los datos experimentales y los ajustes pueden realizarse tanto sobre el desarrollo de la biomasa de la plantación como sobre las características de diferentes partes de la planta. 3. El aumento del aluminio disponible puede tener dos efectos sobre la planta: por un lado, puede llevar a un deterioro progresivo de su desarrollo hasta su extinción; y por otro, a un deterioro progresivo que, pasado valor crítico, sufre una extinción repentina (comúnnemente llamado catástrofe). 4. La vegetación sometida a un proceso de acidificación del suelo puede presentar equilibrios estables (pequeños cambios en el pH del suelo no generan grandes cambios en la biomasa de la vegetación) o inestables (pequeños cambios en el pH del suelo generan grandes cambios en la biomasa de la vegetación). Concentración de metales pesados en las plantas por un aumento de la concentración de metales en el suelo: 1. El modelo reproduce las observaciones experimentales: la cocentración de metales en las plantas aumenta con la concentración de metales en el suelo hasta alcanzar un valor límite. 2. La relación encontrada entre la concentración de metales en el suelo y la concentración en las plantas permite representar el valor límite mediante una curva de tipo plateau. 3. Es posible relacionar la concentración de metales en la planta tanto con la concentración total de metales en el suelo como con la concentración disponibles de metales en la fase líquida del suelo. 4. Los tres parámetros agregados del modelo permiten un ajuste satisfactorio con los datos experimentales. Los ajustes pueden realizarse sobre la concentración de los metales en la biomasa total de la planta o sobre la concentración en diferentes partes de la misma. 5. El valor límite establecido permite caracterizar la capacidad de concentración y tolerancia de cada especie. Acumulación total de metales pesados en las plantas por un aumento de la concentración de metales en el suelo: 1. El modelo reproduce las observaciones experimentales: la cantidad total de metales acumulados en la planta por unidad de superficie aumenta con la concentración de metales en el suelo hasta alcanzar un valor máximo, a partir del cual, los efectos tóxicos ocasionados por los metales provocan una disminución del desarrollo de la biomasa y reducen la cantidad total de metal extraido por la planta. 2. Aunque la cantidad de metal acumulada en la planta disminuye a partir de cierto valor, la concentración por unidad de biomasa sigue aumentando. 3. A partir de la cantidad máxima de metal que una especie puede extraer por unidad de superficie plantada, el modelo podría sumarse a los criterios ya utilizados en el desarrollo de estrategias de fitoextracción. Variación de la concentración y acumulación de metales en la planta ante la variación del pH en el suelo: 1.Ante suelos con igual concentración de un determinado metal y mismas especies vegetales, la concentración de metales en las plantas es mayor en el suelo acidificado. 2.La máxima acumulación de metales en las plantas dependerá no sólo de la concentración de metales en el suelo, sino también de la movilidad de los metales debido a su nivel de acidez.