Mejoramiento de la fitoextracción en plantas nativas en suelos contaminados por actividades mineras en Puchuncaví y Quintero

Abstract

En esta tesis se buscó desarrollar una metodología para la remediación a escala real de los suelos afectados históricamente por las emisiones de la Fundición de cobre CODELCO Ventanas (ubicada entre las comunas de Puchuncaví y Quintero, región de Valparaíso). Las emisiones históricas generaron altas concentraciones de Cu y en menor medida de otros metales, en los suelos de la zona aledaña a la Fundición, así como un pH ácido. Estas condiciones han deteriorado los ecosistemas y representan actualmente un riesgo a la salud de la población y a la biota.

Para lograr el objetivo de remediar los suelos, se seleccionó la técnica de fitoextracción, por ser ambientalmente amigable y ser una técnica de bajo costo. La técnica se basa en la extracción de metales por parte de plantas acumuladoras y su posterior cosecha, lo que, después de una cantidad variable de ciclos de cultivo, permite disminuir las concentraciones de metal a un nivel target (usualmente un valor que no cause riesgo a la salud o biota o un valor cercano al background). Se estableció que un período de una década es aceptable para un proceso de remediación a gran escala.

Como base para desarrollar la metodología de fitoextracción se seleccionaron tres especies nativas identificadas anteriormente en el área: Baccharis linearis, Argemone subfusiformis y Oenothera picensis. Las altas concentraciones de Cu halladas en la biomasa aérea de estas especies en un muestreo exploratorio (promedio 391 y 314 y 600 mg/kg, respectivamente), su adaptación a la zona, y su alta producción de biomasa las definieron como especies con potencial para la fitoextracción. Sin embargo, ensayos iniciales determinaron que se requieren estrategias que mejoren su potencial extractor pues, en condiciones naturales, la proyección del número de ciclos de cultivo que se requeriría para remediar un suelo contaminado por Cu es muy elevado (cientos a miles de años), lo que lo hace inviable en condiciones reales.

Para mejorar la capacidad extractora de cobre de las especies seleccionadas se probaron 4 estrategias: la aplicación de enmiendas agrícolas; la definición del momento ideal de cosecha; el mejoramiento genético mediante selección fenotípica y la aplicación de un quelante biodegradable. Las estrategias se probaron en forma separada y luego se seleccionaron, para cada especie, aquellas estrategias que arrojaban resultados positivos sobre la extracción, probándose luego en conjunto en un ensayo final. En el ensayo final se seleccionaron la o las estrategias combinadas más eficientes para cada especie. En base a la mejora de la extracción se calculó nuevamente, para cada especie el número de ciclos de cultivo necesarios para remediar una superficie de suelo contaminado una vez aplicadas las estrategias de mejoramiento. Si el número de ciclos necesarios para remediar un suelo hubiese sido menor a 10 años en duración en alguna de las especies, se consideraría a la técnica como apta para ser aplicable a escala real y se desarrollaría una metodología de fitoextracción, considerando las implicancias técnicas y económicas. Los ensayos se realizaron entre el año 2008 y 2011.

Los resultados obtenidos descartaron en un inicio a la especie Argemone subfusiformis, debido a su dificultad de propagación y a una baja tasa de supervivencia en los primeros.

En cuanto a cada estrategia de mejoramiento: • El mejoramiento genético (probado en O. picensis ya que A. subfusiformis se descartó y B. linearis es una especie dioica) no fue exitoso ya que luego de la autopolinización, las semillas obtenidas sufrieron de decaimiento endogámico muriendo los individuos al poco tiempo de crecimiento. • En cuanto a la determinación del momento ideal de cosecha, para O. picensis se determinó que el estado fenológico ideal de cosecha era el período reproductivo (floración) ya que en este momento se concentra la mayor cantidad de Cu en la biomasa aérea. Para B. linearis no se detectó un estado fenológico en que la extracción de Cu fuese significativamente mayor a otro. • En cuanto a la adición de un quelante biodegradable, probada en condiciones controladas para O. Picensis, la adición de MGDA (Ácido Metil Glicin Diacético) tuvo un efecto positivo significativo en la extracción. Una dosis de 6-10 mmol/planta aumento en 5 veces la extracción, comprobándose además que no causaba lixiviación de metales o nutrientes a capas más profundas de suelo. Si bien en B. linearis no se probó la adición de quelantes en condiciones controladas debido a restricciones operativas, se decidió probar para esta especie esta estrategia de mejoramiento en el ensayo final. • En cuanto a las enmiendas agrícolas, se determinó que la aplicación de materia orgánica (7%) podría aumentar significativamente la extracción en O. Picensis. Si bien en B. linearis no se obtuvieron resultados claros debido a pérdida de individuos (ramoneo), se decidió probar esta estrategia en el ensayo final.

En el ensayo final, se probó la adición de 6 mmol/planta de MGDA en conjunto con la adición de compost hasta llegar a un 7% de materia orgánica. Los resultados y su análisis posterior arrojaron que la aplicación de quelante aumentó significativamente el Cu intercambiable en el suelo y por lo tanto generó una extracción 6,6 veces la del control. Por otro lado la aplicación de materia orgánica sola y en conjunto con quelante disminuyó significativamente la disponibilidad de Cu en relación al control, y por lo tanto disminuyó la extracción. Esto se atribuye a que el compost adquirido tenía un pH levemente alcalino (circunstancia no prevista ya que la muestra inicial testeada tenía pH neutro).

Para B. linearis los tratamientos no tuvieron efectos, dependiendo la extracción solo de la concentración de Cu total entre 15-30 cm de profundidad (profundidad donde se concentran las raíces de la planta).

Considerando al tratamiento de quelantes como el más exitoso, se calculó nuevamente el número de ciclos necesarios para remediar un suelo contaminado por Cu, utilizando los valores máximos, mínimos y promedio obtenidos en este tratamiento. Si bien los resultados arrojaron una disminución de un 15% del número de ciclos necesarios en relación a la condición sin mejoras; aún el número de ciclos ascendía al orden de siglos, lo que la hace inviable en condiciones reales. Para B. linearis, dado que los mejoramientos no tuvieron efecto, no se calculó nuevamente el número de ciclos.

Se concluyó entonces que la hipótesis de investigación fue rechazada ya que no se logró disminuir el número de ciclos necesarios para remediar un suelo contaminado por Cu, a un valor menor a 10 ciclos, para ninguna de las especies, utilizando los mejoramientos evaluados.

El análisis en profundidad de los resultados permitió proyectar que las dificultades metodológicas probablemente afectaron significativamente los resultados. El aseguramiento del uso de un compost neutro habría evitado la baja del Cu intercambiable, mejorando con ello los resultados del ensayo final. Por otro lado, los ensayos controlados con quelantes evidenciaron que la planta no se veía afectada por la toxicidad del quelante ni por la toxicidad metálica, y que la lixiviación hacia capas profundas era muy reducida. Por ende es probable que se pudiesen aplicar mayores dosis de quelante, mejorando con ellos los resultados de la extracción.

El análisis también sugirió que factores externos como la escasez de precipitaciones influyeron significativamente sobre los resultados. El año 2008, en que se realizaron los primeros ensayos (cultivo en condiciones naturales y ensayo de aplicación de enmiendas) las precipitaciones fueron aproximadamente el doble que en los siguientes años de experimentación, afectando la sobrevivencia y desarrollo, principalmente de O. affinis por se especie herbácea. Se presume que ante un escenario de lluvias normales los resultados de esta tesis podrían haber mejorado significativamente al menos para esta especie. La escasez hídrica aumentó también el ataque de especies roedoras, que consumieron los individuos de B. linearis en el primer ensayo, aunque luego de esto se tomaron precauciones para evitar este problema.

Si bien no se logró el objetivo, el desarrollo de la tesis permitió conocer las limitantes que presentaría un proceso de fitoextracción a escala real en el ecosistema propio del área de estudio, más allá de las limitantes propias de la técnica. La aplicación de riego y la protección contra el ataque de roedores deben ser consideradas al momento de aplicar la técnica a gran escala en esta área si se desean obtener resultados eficientes. Asimismo lo es el uso de materiales (enmiendas o incluso el agua de riego) que no neutralicen la acidez.

Como proyecciones para nuevas investigaciones, se sugiere prospectar nuevas especies acumuladoras, pero esta vez en vetas de mineral, ya que en estos sitios las especies han estado expuestas a la presión de selección por miles de años en comparación a las décadas a las que han estado expuestas en sitios contaminados antrópicamente. También se sugiere el probar cultivos energéticos en reemplazo de especies acumuladoras (por ejemplo, la tuna, Opuntia ficus-indica Mill., que es una especie que aún crece en el área de estudio). Además existen otras estrategias de mejoramientos que es posible probar como la adición de micorrizas, que ha tenido efectos positivos según otros autores nacionales.

Considerando lo anterior, y el hecho de que la fitoextracción, hasta la fecha de realización de esta tesis, no había sido investigada en condiciones reales, esta tesis se considera un aporte inicial relevante en la búsqueda de estrategias eficientes para la descontaminación de sitos contaminados por metales en Chile y más aún para el área de estudio de Puchuncaví y Quintero.

The aim of this thesis is to develop a methodology for full-scale remediation of soils that are historically affected by emissions from CODELCO's Ventanas copper smelter. The plant is located between the communities of Puchuncaví and Quintero, Valparaíso Region. Historical emissions inserted high concentrations of Cu, and to lesser extent other metals, into the soils around the smelter. Consequently, the surrounding population and biota are exposed to high health risks.

To achieve the objective of remedying soil, the phytoextraction technique was selected for its environmental friendliness and cost efficiency. Roughly, the technique extracts metals using accumulating plants and their subsequent harvest. This way, after a variable number of growing cycles, concentrations of metal could fall below a specific threshold that does not involve risks to health or biota, or that is close to a background value. It was established that a period of a decade is acceptable for such a large-scale remediation process.

Three species, native to the study area, were deemed fit to serve in the endeavor: Baccharis linearis, Argemone subfusiformis and Oenothera picensis. High concentrations of Cu (average 391, 314 and 600 mg/kg, respectively) discovered in the aerial biomass of these species in an exploratory sampling, their adaptation to the area and high biomass production, strengthen these species’ high potential for phytoextraction. However, initial tests determined the need to follow certain strategies to improve their extracting potential, because under natural conditions the projected number of growing cycles required to remedy soil contaminated by Cu stretches into hundreds of years, rendering the process unviable under real-world conditions.

The four strategies to improve the copper extracting capacity of the selected species are: i) application of agricultural amendments; ii) definition of ideal harvest time; iii) genetic improvement by phenotypic selection; and iv) application of a biodegradable chelator. The strategies were tested separately and then selected according to species. Strategies that yielded positive results regarding extraction were tested together in a final test, which produced the most efficient or combined strategies for each species. Based on extraction improvement, for each species the number of growing cycles necessary to remedy a contaminated surface culture was calculated again after soil improvement strategies were implemented. If the number of required cycles turned out less than 10 years for any of the species, the technique was considered suitable to be applied at real-world scale, and a phytoextraction methodology would be developed, considering technical and economic implications. The trials were carried out between 2008 and 2011.

The results obtained initially discarded the species Argemone subfusiformis, due to its difficulty of propagation and low survival rate in the firsts years of experimentation of this thesis.

Regarding each improvement strategy: • Genetic improvement (tested on O. picensis since A. subfusiformis was discarded and B. linearis is a dioecious species) was not successful, because after self-pollination, the seeds obtained suffered endogamic decay and the individuals were dying after a brief period of growth. • Regarding the determination of harvest time, it emerged that the ideal phenological

state of harvest for O. picensis is the reproductive period (bloom), since this moment concentrates the greatest amount of Cu in the aerial biomass. For B. linearis, no phenological state in which the removal of Cu significantly increased compared to other states arose. • Concerning the adding of biodegradable chelating, tested in controlled conditions for O. Picensis, the addition of MGDA (Methyl Glycine Diacetic Acid) had a significant positive effect on extraction. A dose of 6-10 mmol / plant increased extraction five-fold, after assurance that no leaching of metals or nutrients into deeper soil layers occurred. Even though in B. linearis the addition of chelating agents under controlled conditions could not obtain due to operational constraints, it was decided to try this improvement strategy in the final trial nonetheless. • Regarding agricultural amendments, it was determined that the application of organic matter (7%) could significantly increase extraction in O. Picensis. Although in B. linearis clear results did not emerge due to loss of individuals, it was decided to test this strategy nonetheless in the final trial.

In that trial, the addition of 6 mmol/plant of MGDA was tested in conjunction with adding compost until 7% of organic matter was reached. Results and their further analysis revealed that the application of chelator significantly increased the exchangeable Cu in the soil, and therefore generated an extraction 6.6 times higher than that in the controlled conditions. On the other hand, the application of organic matter alone, and in conjunction with chelating, significantly decreased Cu availability in relation to the controlled conditions, and therefore decreased the extraction. This may derive from the compost´s slightly alkaline pH-value, which was not envisaged since the initial sample tested had neutral pH.

For B. linearis treatments had no effect. Extraction depended solely on the total Cu concentration at depths of 15-30 cm, where the roots of the plant concentrate.

Considering the treatment of chelating as more successful, the number of cycles needed to remedy Cu-contaminated soil was calculated again, using the maximum, minimum and average values obtained in the treatment. Even though the results showed a decrease of 15% in the number of necessary cycles in relation to the condition without improvements, it still reached the order of centuries, making it unfeasible under real-world conditions. For B. linearis, given the improvements had no effect, the number of cycles had not been calculated again.

Consequently, the research hypothesis was rejected in conclusion, since decreasing the number of cycles necessary to remedy a soil contaminated by Cu to a value lower than 10 cycles was not achieved for any of the species, using the improvements evaluated.

The in-depth analysis of the results allowed projecting that the methodological difficulties probably significantly affected the results. Ensuring the use of neutral compost could have prevented lowering interchangeable Cu, thus also improving the final test results. On the other hand, controlled chelating trials demonstrated that neither the toxicity of the chelation nor the metal affected the plant, and that leaching into deep layers was very low. Thus, it is likely that higher doses of chelation could improve extraction results.

Analysis also suggested that external factors such as precipitation scarcity

significantly influenced the results. When in 2008 the first trials (in natural conditions and testing the application of amendments) were conducted, precipitation reached approximately double that of subsequent years of experimentation, affecting the survival and development mainly of O. affines for it being an herbaceous species. It is presumed that in a scenario of normal rainfall the results of this thesis could have significantly improved, at least for the aforementioned species. Water scarcity also increased attacks of rodent species that consumed the B. linearis individuals in the first trial, although precautions taken after the first cycle solved this problem for later trials.

While the objective was not achieved, the development of the thesis allowed determining the technical constraints that a process of phytoextraction would present at real scale in the ecosystem of the study area. To obtain efficient results, the application of irrigation and protection against rodent attacks must take precedence when applying the technique on a large scale in this area, as should the use of materials (amendments or even irrigation water) that do not neutralize acidity.

As projections for new research, it is suggested to prospect new accumulating species, but in veins of ore. In such areas, species have been exposed to the pressure of selection during thousands of years in comparison to only decades at anthropically contaminated sites. It is also suggested to test energy crops instead of accumulating species (for example, prickly pear, Opuntia ficus-indica Mill., which still grows in the study area). Additionally, more potential improvement strategies exist; for example the addition of mycorrhiza that has had positive effects according to other Chilean researchers.

Considering the above, and the fact that phytoextraction -as of thesis completion - had not been investigated in real-world conditions, this thesis makes an important initial contribution in the pursuit of efficient decontamination strategies of sites in Chile, and specifically for the area of Puchuncaví and Quintero.