Introducción

Los contaminantes presentes en los espacios ambientales son un problema de interés integral, pues involucran impactos nocivos para la biosfera; uno de los principales medios afectados es el agua, que contiene una estructura de gran dinámica que la convierte en un gran transportador de contaminantes; esto junto con la disponibilidad limitada hace que alrededor del 40% de la población mundial se enfrente a escasez de este recurso. Mientras que, las aguas residuales sin tratar continúan siendo gran preocupación ambiental, pues contienen contaminantes de origen orgánico e inorgánico en diferentes concentraciones, que son nocivos y afectan la salud humana y al ecosistema¹.

En las aguas residuales, los contaminantes orgánicos se presentan como carbohidratos, grasas, proteínas, aminoácidos y ácidos volátiles y los contaminantes inorgánicos incluyen sodio, calcio, potasio, magnesio, cloro, azufre, fosfato, bicarbonato, sales de amonio, metales y productos químicos que no son tratados, cuyas concentraciones exceden los límites permisibles para su descarga a los cuerpos receptores que pretenden minimizar el impacto².

La mayoría de las tecnologías utilizadas en los tratamientos de aguas residuales requieren una gran inversión de capital, lo que representa un obstáculo para el cumplimiento de normativas ambientales en muchas fábricas. Adicionalmente a los grandes costos operativos para la eliminación de los contaminantes, se suma el problema de la disposición de lodos generados en los tratamientos. Los organismos reguladores y las autoridades competentes deberían tomar en cuenta esta situación, promoviendo el uso de tecnologías alternativas ecoamigables y de bajo costo, para el tratamiento adecuado de efluentes³.

La creciente contaminación del agua ha incentivado la búsqueda de alternativas que traten de minimizar el impacto ambiental; en este caso sería la implementación de la tecnología ambiental para conservar el ambiente natural y los recursos, y así frenar los impactos negativos. En este sentido, los humedales artificiales representan una biotecnología útil en el tratamiento de aguas; el cual consiste en el uso de plantas acuáticas en estanques poco profundos, involucrando un proceso microbiano, biológico y fisicoquímico natural como tratamiento⁴.

En estos sistemas, las macrófitas crean un ambiente aireado para la microbiota que contribuye a la disminución de la DBO, DQO, y de compuestos orgánicos; tales como nutrientes, metales, fenoles, colorantes y pesticidas; a través de los mecanismos de distribución de los contaminantes; tales como, la fitoextracción, rizofiltración, fitoestabilización y fitodegradación⁵. Por otra parte, proporcionan un sistema de tratamiento con facilidad de operación y de bajo costo que representa una alternativa de tratamiento, al disminuir los contaminantes de forma considerable. En este sentido, el primer proceso se basa en la absorción, translocación y acumulación de los metales en tallo, hojas y brotes; mientras que, la fitoestabilización, es aplicada en suelos con la finalidad de disminuir la biodisponibilidad y movilidad del contaminante⁶.

Existe una gran variedad de sistemas de fitorremediación que usan plantas flotantes, emergentes, sumergidas y otras con medios de soportes como los humedales. El presente trabajo de revisión integra información actualizada sobre las diferentes especies de plantas acuáticas y sus ventajas en cuanto a sus aplicaciones ambientales en la degradación, estabilización, bioacumulación, volatilización de contaminantes que puede mejorar la eficiencia de los procesos de fitorremediación, y las de reconocer las ventajas, fortalezas y limitaciones de esta. Por lo que, se busca una alternativa ecológica, rentable y eficiente para mejorar la calidad del agua y gestionar los recursos hídricos de forma sostenible. Y de igual manera para dar a conocer la utilidad de su biomasa como materia prima para la producción de abono orgánico.

Metodología

Se seleccionó información de artículos de revisión y originales de investigaciones publicados en revistas científicas indexadas en bases de datos Scopus, Latindex, Scielo, Redalyc y repositorios académicos publicados en un 51,89% en inglés y en un 48,11% en español. La metodología se desarrolló en base a un análisis descriptivo de tipo referencial de acuerdo a las diferentes técnicas de revisión de literatura especializada, con una secuencia ordenada a partir de la elección de una base de datos obtenida de fuentes primarias, secundarias y terciarias^7-8.

Se realizó la selección de investigaciones basadas en la aplicación de tecnologías de fitorremediación con plantas acuáticas y su capacidad para eliminar contaminantes en aguas residuales de fuentes domésticas e industriales, ya sea que se usen como una planta viva, cultivada en agua o que se utilicen partes de órganos de la planta.

La esquematización de la información se desarrolló en base al hábitat acuático (plantas sumergidas, flotantes y emergentes), de las especies más utilizadas en fitorremediación en las cuales se identifican: el contaminante, utilización de la biomasa, fecha de publicación y además la comparación y descripción de las metodologías aplicadas en cuanto a la depuración de aguas. Así como también, se representan las aplicaciones de la especie flotante Eichhornia crassipes (Jacinto de agua) por ser la más estudiada y a la que se le ha identificado una mayor diversidad de usos. Por otra parte, se ha realizado una actualización sobre los diferentes mecanismos de fitorremediación; los cuales han contribuido con la elucidación de los cambios, especiaciones y de transferencias de los contaminantes en las macrófitas a nivel mundial. Finalmente, se señalan las perspectivas actuales y retos posibles hacia el futuro.

Resultados y Discusión

Plantas utilizadas en fitorremediación

Las especies vegetales acuáticas constituyen la flora hidrófila, en lenguaje científico son macrófitas, emplean la energía solar a través de la fotosíntesis, que es usada en su metabolismo para realizar funciones vitales, de modo que colabora en el tratamiento de aguas, ya que su función es la fitodepuración. Estas plantas superiores que escogieron como lugar de vida los humedales, son reconocidas como hidrófitos, macrófitas, macrófitas vasculares, limnófitos y malezas, este último nombre indica el desconocimiento de las características que proporcionan en los cuerpos de agua⁹.

Las especies de plantas ideales para fitorremediación deben ser resistente a plagas y enfermedades, tener un alto potencial para absorber varios contaminantes, crecimiento rápido, sistemas de raíces con capacidades de absorción única y selectiva, fáciles de cultivar y simples de cosechar con alta producción de biomasa, aplicación económica y amigable con el ambiente, tolerantes a los efectos tóxicos de metales y contaminantes y no ser atractivas para a los herbívoros¹⁰.

Para explotar todo su potencial, se necesita una comprensión de cómo la absorción, el transporte y el tráfico de metales o contaminantes a través de las membranas de las plantas y la distribución, tolerancia, sensibilidad, entre otros aspectos, tienen lugar en diferentes entornos. Plantas acuáticas en agua dulce, sistemas marinos y estuarinos, actúan como receptáculos para varios metales y tienen un campo amplio de aplicación en la remediación de metales pesados en el medio ambiente. La absorción y eliminación de contaminantes varía para cada categoría de macrófitas que pueden ser clasificadas en emergentes, flotantes y sumergidas¹¹.

Emergentes: La raíz de estas plantas está adherida a los sedimentos y su parte superior se extiende hacia arriba de la superficie del agua; mientras sus estructuras reproductoras están en la porción aérea de la planta. Entre algunos ejemplos se indican: el carrizo (Phragmites australis), la enea (Typha sp.) y el lirio amarillo (Iris pseudacorus).

Flotantes: Se subdividen en dos grupos: Plantas de libre flotación (no fijas): Sus tallos y hojas se desarrollan sobre la superficie del agua, pero sus raíces no están fijas en ningún sustrato y cuelgan en la columna de agua. Sus estructuras vegetativas se mantienen emergentes y en el caso de sus hojas se mantienen sobre la superficie del agua, y sus raíces no permanecen fijas en sedimentos. Entre las especies se encuentran: el jacinto de agua (Eichhornia crassipes), lechuga de agua (Pistia stratiotes), nenúfar (Nymphaea mexicana), la lenteja de agua (Lemna minor) y el helecho de agua (Azolla sp).

Sumergidas: Se desarrollan debajo de la superficie del agua o completamente sumergidas. Un ejemplo de este tipo de plantas es la Elodea (Elodea canadienses). En la Tabla 1, se presentan las especies emergentes, flotantes y sumergidas mayormente utilizadas en procesos de fitorremediación.

Como se muestra en la figura 1, las especies de plantas acuáticas flotantes han sido las mayormente estudiadas en los últimos cinco años, siendo Eichhornia crasspes, la de mayor porcentaje de estudio. Esto debido a la alta eficiencia y adaptabilidad que tiene en aguas con alto contenido de contaminantes, el resto de las plantas tienen menor campo de investigación debido a la poca adaptabilidad a nuevos ambientes¹⁵.

Eichhornia resalta por su efectividad fitorremediadora; a pesar de ser considerada una maleza invasora, debido a su elevada velocidad de crecimiento al captar concentraciones significativas de contaminantes. Esta planta está siendo utilizada para diversas aplicaciones e investigaciones sobre fitorremediación y se podría utilizar en la producción de biocombustibles por su alto contenido de celulosa en su biomasa, brindando la optimización de recursos completa¹⁶.

Figura 1: Estudios de especies de macrófitas más utilizadas en fitorremediación de aguas contaminadas desde 2018. 

En el caso de las especies emergentes predominan las investigaciones realizadas con Cyperus papyrus, seguida de Typha domingensis. Estas plantas son implementadas en la conformación de humedales construidos para el tratamiento de aguas residuales¹⁷. Entre las especies sumergidas, Zostera marina ha sido la más estudiada, demostrando su potencial uso como bioindicadora de la contaminación por metales, dado que en experimentos donde se transplantaron brotes de esta especie en bahías con sedimentos contaminados con metales, se determinó su potencial fitorremediador al acumular una gran cantidad de Co, Zn, Pb y Hg en sus tejidos¹⁸.

Eventualmente en los “humedales” se desarrollan organismos adaptados a las condiciones de inundaciones en los cuales las macrófitas desarrollan ciertos procesos físicoquímicos relacionados con la depuración el agua, eliminando grandes cantidades de materia orgánica, nutrientes y productos tóxicos¹⁹. Sin embargo, algunas pueden involucrar mecanismos internos con adaptaciones para la tolerancia a altas concentraciones de metales²⁰. Los materiales lignocelulósicos conformados por celulosa, hemicelulosa y lignina, son los principales responsables de la adsorción de los iones metálicos debido a su elevada afinidad por los grupos: sulfhidrilo, amino, fosfato, carboxilo e hidroxilo y cuyos ligandos corresponden a aminoácidos, ácidos orgánicos y fitoquelatinas²¹.

Estrategias fisicoquímicas en macrófitas con capacidades de remoción de metales

Se ha demostrado que muchas especies han tenido éxito en la absorción de contaminantes tales como el Pb, Cd, Cr, As y diversos radionucleidos; además de presentar la capacidad de absorción de metales; tales como Fe, Mn, Zn, Cu, Mg, Mo y Ni; y de algunos metales con función biológica desconocida²². La capacidad de absorción de las raíces de las plantas, junto con los procesos de la translocación, bioacumulación y degradación de los contaminantes son características de cada especie por las formas físicas y como captan a los contaminantes²³.

Entre los mecanismos involucrados en la remediación de los contaminantes del agua, especialmente los contaminantes metálicos, se incluyen: fitoestabilización, fitofiltración o rizofiltración, fitoextracción/fitoacumulación, fitodegradación y fitovolatilización, siendo descritos en Pistia estratiotes para la remoción de metales pesados (Figura 2).

Figura 2: Mecanismos fisicoquímicos empleados por Pistia estratiotes para la remoción de metales pesados. 

La fitoextracción/fitoacumulación, implica la absorción de metales tóxicos por las raíces de las plantas, seguida de la translocación a los brotes y la deposición en la vacuola, la pared celular, la membrana celular y otras partes metabólicamente inactivas en los tejidos vegetales. Los mecanismos generales durante la acumulación de tóxicos incluyen la absorción de cationes metálicos, seguida de la formación de un complejo metal-fitoquelatina(M-PC) o un complejo metal-ligando dentro de la célula, después de formar la M-PC, estas moléculas complejas se trasladan a la vacuola y se almacenan²⁴.

La fitoestabilización, es un mecanismo que opera mediante la inmovilización de compuestos contaminantes en la rizósfera. Al exponerse a los metales, las plantas los inmovilizan ya sea por la absorción de las raíces o modificando los iones metálicos. Una variedad de exudados de raíces, como ácidos orgánicos y aminoácidos, actúan como un ligando de metales para formar complejos estables en la rizósfera. Algunos exudados cambian el pH de la rizósfera, lo que conduce a la precipitación de metales, limitando su biodisponibilidad y disminuyendo la toxicidad. Así mismo, el glutatión, conjuga los contaminantes orgánicos y desintoxica sus efectos²⁵.

La rizofiltración, implica la eliminación de sustancias tóxicas utilizando las raíces en aguas saturadas de contaminantes, por medio de la adsorción, concentración y precipitación de los metales sobre raíces u órganos sumergidos. Este método es eficaz para la remediación de suelos y aguas contaminados con nutrientes²⁶. Las plantas utilizadas se cultivan hidropónicamente en agua limpia para desarrollar un gran sistema de raíces; luego, son aclimatadas con agua contaminada para ser trasladadas al sitio afectado. En las especies que utilizan este mecanismo han sido Eichhornia crassipes en la remoción de Fe, Cr, Cu, Cd, Zn, Ni, As²⁷, Azolla caroliniana para As²⁸, Lemna minor en Uranio ²⁹⁾ y Typha angustifolia para Cu, Pb, Ni, Fe, Mn y Zn³⁰.

En la fitovolatilización, las plantas toman contaminantes del suelo y los transforman en compuestos químicos con formas más volátiles para luego ser liberados a la atmósfera mediante volatilización, y siendo esto eficiente cuando los contaminantes volatilizados están en bajas concentraciones. Durante el proceso algunos compuestos pueden volatilizarse directamente del tallo y las hojas; mientras que, otros pueden sublimarse debido a la interacción raíz-suelo. En esta caso, se ha reportado a Phragmites australis para la remoción de Organoclorados (OCs), con lo cual, durante el proceso el 1,4-diclorobenceno (DCB), 1,2,4-triclorobenceno (TCB) y el γ-hexaclorociclohexano (γHCH) se vaporizan, por lo que la volatilidad de los OCs afecta la translocación de raíces a brotes³¹.

En el caso de la fitodegradación, se permite que contaminantes orgánicos como pesticidas puedan ser removidos del medio a través de la degradación o transformación de la planta. Esto ocurre cuando se absorben los contaminantes y los metaboliza degradándolos en compuestos menos nocivos y los distribuye a nivel del tejido vegetal. Pistia también ha demostrado la utilización de la fitoacumulación y la rizodegradación durante la eliminación de perclorato con un 18,2% y 45,68%; respectivamente en 7 días³².

Sistemas de fitorremediación con plantas acuáticas

El proceso de fitorremediación se logra utilizando tanto técnicas in situ como ex situ, siendo la de in situ la más utilizada; ya que disminuye la proliferación de contaminantes en el suelo, agua y desechos transportados por el aire. Entre las principales aplicaciones reportadas de estos sistemas han sido para el tratamiento de aguas pluviales, residuales, sistemas combinados y efluentes de industria minera, avícola, y porcina³³.

En cuanto a las especies más utilizadas destacan: Pragmites, Typha y Cyperus (emergentes); Lemna, Eichhornia, Pistia, Salvinia y Azolla (flotantes) y Elodea, Ceratophyllum y Potagemoton, entre las sumergidas³⁴. De acuerdo a la consolidación de la revisión se demuestra que los mecanismos fisicoquímicos de Rizofiltración (Azolla, Eichhornia, Lemna, Typha); Fitovolatilización (Juncus, Phragmites, Typha) y Fitodegradación de fármacos y detergentes (Phragmites, Spirodela) constituyen las más relevantes en estas especies de macrófitas, por lo que servirán de modelos para experimentos sobre la eficacia de remoción de metales y de organoclorados a nivel de raíces y hojas³⁵.

Se confirma que, una de las especies más estudiadas corresponde a Eichhornia crassipes, debido a sus características y aplicaciones depuradoras, facilidad de proliferación, especialmente en regiones tropicales y subtropicales. Esta planta obtiene del agua todos los nutrientes que requiere para su metabolismo³⁶, y se caracteriza por poseer un sistema de raíces con microorganismos asociados que favorece la acción depuradora. También se destaca como una excelente bioacumuladora de Cd, Ni, Cu, Zn, Cr, Pb³⁷ (Figura 3). Otras como Salvinia demostraron una gran eficiencia en el tratamiento de Pb, Cr, Ni, Cd³⁸; así mismo; Pistia stratiotes presenta una alta capacidad en el tratamiento de efluentes industriales con varios metales entre los que se encuentran Pb, Cr, Cu, Co, Cd al igual que especies de Lemnaceas³⁹. Para el caso de una valorización de plantas acuáticas más estudiadas se ha reportado a Typha, Cyperus y Phragmites, a las cuales se les ha detectado también la capacidad de bioacumular Cu, Cd y Cr^37).

Figura 3: Aplicaciones de Eichhornia crassipes.  

Uso potencial de la biomasa de macrófitas utilizadas en fitorremediación

La biomasa generada en conexión con el tratamiento de aguas residuales presenta un uso potencial como biofertilizante, compostaje, producción de alimentos balanceados para animales, biocombustibles o lombricultura. Ciertas plantas acumulan altas concentraciones de metales, lo que depende de la composición del medio donde se encuentre (Tabla 2). La biomasa de estas plantas no se aprovecha de manera sostenible en la actualidad, un ejemplo de esto es la de Eichhornia y de Typha, que presentan una reproducción directamente relacionada con el nivel de contaminación o concentración de nutrientes en el medio¹⁶.

Tabla 2: Registro de resultados obtenidos en investigaciones con macrófitas (2018-2024). 

Conclusiones

Entre los mecanismos fisicoquímicos de la fitorremediación más relevantes en plantas acuáticas se destacan la rizofiltración, fitovolatilización y fitodegradación, contribuyendo a la delimitación de estrategias fisicoquímicas que permitan la evaluación de modelos experimentales y considerando la inclusión de agentes quelantes naturales, procesos de aireación e intervención de microorganismos asociados a la rizósfera a fin de favorecer a la reducción efectiva de contaminantes en humedales artificiales, lagunas de fitorremediación y plantas de tratamiento de aguas.

Los estudios realizados hasta el presente continúan demostrando las capacidades ecofisiológicas de Eichhornia sp., Typha sp., Juncus sp., como las más adecuadas para la remoción de diversos contaminantes y presentar mecanismos diversos de fitorremediación. No obstante, se debe continuar, valorando el uso de su biomasa como materia prima para la obtención de bioproductos de interés agroindustrial y agroecológico para la producción de abono orgánico siempre y cuando los niveles de metales pesados se presenten en los niveles permisibles.