AyTBUAP 7(27):1-68

Los metales pesados en la historia de la humanidad, los efectos de la contaminación por metales pesados y los procesos biotecnológicos para su eliminación: el caso de Bacillus como bioherramienta para la recuperación de suelos

Carmelo Hernández-Caricio1 iD, Verónica Ramírez2 iD, Javier Martínez3 iD, Verónica Quintero-Hernández3 iD, Antonino Baez3 iD, José-Antonio Munive3 iD, Nora Rosas-Murrieta3 iD*

1Licenciatura en Biología, Facultad de Ciencias Biológicas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), Puebla, México. 2Facultad de Ciencias Químicas, BUAP, Puebla, México. 3Instituto de Ciencias, BUAP, Blvd. Valsequillo y Av. San Claudio, Edificio IC-11, Ciudad Universitaria, C. P. 72570, Colonia San Manuel, Puebla, México. *nora.rosas@correo.buap.mx

http://doi.org/10.5281/zenodo.7091407

Bajar cita (RIS): Hernández-Caricio et al., 2022 AyTBUAP 7(27):1-68

Editado por: Jesús Muñoz-Rojas (Instituto de Ciencias, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla)

Fecha de publicación: 25 septiembre 2022

EOI: https://eoi.citefactor.org/10.11235/BUAP.07.27.01

URI: https://hdl.handle.net/20.500.12371/16410

Referencia: Hernández-Caricio C, Ramírez V, Martínez J, Quintero-Hernández V, Baez A, Munive J-A, et al. Los metales pesados en la historia de la humanidad, los efectos de la contaminación por metales pesados y los procesos biotecnológicos para su eliminación: el caso de Bacillus como bioherramienta para la recuperación de suelos. Alianzas y Tendencias BUAP [Internet]. 2022;7(27):1–68. Available from: https://www.aytbuap.mx/aytbuap-727/los-metales-pesados-en-la-historia-de-la-humanidad

RESUMEN

El término “metales pesados” se refiere al grupo de metales con número atómico superior a 20 y caracterizados por una densidad atómica mayor a 5 g·cm-3. Los metales pesados son elementos naturales de la corteza terrestre, y su distribución es dada por fuentes geogénicas. Los metales pesados son de suma importancia para el mundo moderno, y requeridos en grandes cantidades por la sociedad actual; sin embargo, se caracterizan por sus efectos tóxicos, y son peligrosos porque tienden a bioacumularse, lo que significa un aumento en la concentración de éstos en los organismos. La contaminación del ambiente por metales pesados involucra actividades antropogénicas como la agricultura, minería, fundiciones, plantas de energía y diversas industrias (petroquímica, textil o de componentes electrónicos). Esta problemática se ha intentado resolver por medio de tecnologías que no han logrado el objetivo deseado. La aplicación de herramientas biotecnológicas abre una gran posibilidad de encontrar soluciones plausibles a problemas de contaminación. El género Bacillus es un grupo bacteriano de relevancia en diferentes áreas como la medicina, la agricultura y la industria; y en el área biotecnológica se ha utilizado para la biorremediación. Diferentes estudios han mostrado el gran potencial de este grupo microbiano para resolver, de una manera amigable para el ambiente y efectiva, los problemas de contaminación del ambiente por metales pesados. En la presente revisión se aborda la temática de los metales pesados en la historia de la humanidad, los efectos de la contaminación por metales pesados y los procesos biotecnológicos para su eliminación; considerando el caso de Bacillus como bioherramienta para la recuperación de suelos contaminados con metales pesados.

Palabras clave: Biorremediación; Contaminación Ambiental; Metales Pesados; Suelo; Toxicidad; Bacillus.

ABSTRACT

Heavy metals are defined as metals having an atomic number greater than 20 and characterized by an atomic density above 5 g·cm-3. Heavy metals are naturally found in the Earth's crust, but they are present in many aspects of modern life. Heavy metals are toxic to all different life forms if their concentration is high in organisms. Heavy metals exhibit toxic effects because they tend to accumulate in tissues. Most environmental contamination to heavy metals results from anthropogenic activities such as mining and smelting operations, industrial production and use, and domestic and agricultural use of metals and metal-containing compounds. Many technologies have been implemented to solve heavy metal contamination problems, but they have not been successful so far. Biotechnological technologies are natural processes that can used to solve these environmental problems. Bacillus is a very relevant group due to its impact on medicine, agriculture, and industry; and for its potential biotechnological applications, including its use in bioremediation processes. Different studies have shown the potential of this bacterial group to solve actual environmental problems caused by heavy metals, in an effective and safety way. This review is aimed at providing information about heavy metals in human history, heavy metal contamination effects, and biotechnological processes for their elimination, providing information about the use of Bacillus as a biotool for the recovery of heavy metal contaminated soils.

Keywords: Biorremediation; Environmental Contamination; Heavy Metals; Soil; Toxicity; Bacillus.

INTRODUCCIÓN

Los metales pesados se encuentran de manera natural en la materia parental del suelo [1], y son categorizados como contaminantes ambientales por los efectos tóxicos en la flora y fauna [2]. La contaminación del ambiente por metales pesados se ha incrementado a nivel mundial debido al uso desmedido de éstos para la fabricación de diversos utensilios y a los procesos de extracción del suelo, causando alteraciones geoquímicas y bioquímicas [3]. Los metales pesados en el suelo tienen diversas fuentes de origen, entre las que se encuentran deposición atmosférica, desechos industriales, minería, metalurgia, pesticidas y fertilizantes, y cuya detección requiere de técnicas sofisticadas de detección de estos metales [4].

La contaminación del suelo con metales pesados influye en su fertilidad, reduce la producción de cultivos y provoca daño metabólico en plantas [5]. Este tipo de contaminación también afecta las redes tróficas debido a la translocación de metales pesados a las plantas [6] las cuales, posteriormente son ingeridas por animales, lo que convierte a los sectores agrícola [7, 8] y ganadero [9] en potenciales fuentes de metales pesados para los seres humanos. Las zonas de minería, forja y fundición de metales provocan una amplia variedad de desechos con altas concentraciones de metales pesados, que aún con años de cese de actividades, pueden generar enfermedades debido a la ingesta de pequeñas partículas de suelo contaminado [10].

Las altas concentraciones de metales pesados alteran la salud; el arsénico se relaciona con riesgo de cáncer en vejiga, riñón, hígado, pulmones, piel y próstata, además de enfermedades cardiovasculares [11, 12, 13, 14]; el cadmio provoca daños renales, hepáticos y en huesos, aumento del riesgo de cáncer de pulmón y riñón [15, 16, 17]; o el plomo, con efectos en sistema nerviosos, óseo y hematológico [18, 19].

La biorremediación es un proceso eficaz y confiable de índole ecológica [20], consiste en el uso de técnicas biológicas para el tratamiento de compuestos y medios de desechos, y para la desintoxicación de ambientes contaminados [21], por medio de la degradación de contaminantes a formas menos tóxicas [22]. La utilización de microorganismos en procesos biotecnológicos, y en particular de biorremediación, ha demostrado ser de gran importancia en agricultura, industria y medicina; entre los microrganismos empleados en este tipo de tecnologías, el género Bacillus ha tenido un papel predominante [23], como bacteria promotora del crecimiento [24], en biocontrol [25], en la producción de probióticos [26], y en la producción de vitaminas [27]. Además, este género presenta la capacidad para degradar petroquímicos [28], desechos de la industria papelera [29] y eliminar metales pesados del ambiente [30] al tiempo que produce una variedad de metabolitos secundarios.

LOS METALES PESADOS

El término “metales pesados” es comúnmente utilizado para referirse al grupo de metales y metaloides con una masa atómica relativamente alta, mayor a 5 g·cm-3 [2, 31, 32]; algunos autores los han designado como “metales tóxicos” o “metales traza”. El término de metales pesados comúnmente es usado en un sentido negativo, como metales dañinos que contaminan y deterioran el ambiente; no obstante, varios de estos metales son esenciales para plantas y animales. En este grupo encontramos elementos como el arsénico (As), cadmio (Cd), cromo (Cr), cobalto (Co), cobre (Cu), mercurio (Hg), plomo (Pb), manganeso (Mn), níquel (Ni), selenio (Se), y zinc (Zn). Otros elementos menos abordados, pero igualmente importantes en el ambiente son el antimonio (Sb), oro (Au), molibdeno (Mo), plata (Ag), talio (Tl), estaño (Sn), tungsteno (W), uranio (U) y vanadio (V) (Tabla 1). Se resalta que elementos como As, Sb y Se, los cuales, aunque en apariencia o en propiedades son similares a los metales, químicamente no lo son y son llamados metaloides. Aquellos elementos que son requeridos por los organismos en concentraciones muy bajas (menor que 100 mg/kg) son llamados oligoelementos o elementos traza, en cuya clasificación podemos encontrar a varios de los metales pesados mencionados [32, 33].

Tabla 1. Características de los metales pesados y concentraciones encontradas en suelo, a nivel agrícola y niveles tóxicos en plantas.

a [34], b [35], c En 1964 se propuso la inclusión de metales pesados con densidad mayor a 4 [36]. *No deben estar presentes

Existen diferentes fuentes de metales pesados entre las que encontramos fuentes geogénicas, industriales, farmacéuticas, efluentes domésticos, fuentes atmosféricas y agricultura. Aunque los metales pesados son elementos naturales encontrados en la corteza terrestre, se ven frecuentemente relacionados con fenómenos como meteorización o erupciones volcánicas [37]. La contaminación por metales puede ocurrir en áreas extensas o localizadas [1]. Para que se produzca la contaminación del suelo por metales pesados, éstos deben ser transportados por diferentes mecanismos desde su fuente de origen hasta el suelo, algunos son transportados a través de corrientes de aire capaces de movilizar partículas de polvo (partículas del tamaño de aerosoles menores a 30 µm), otros se transportan en forma gaseosa, como el mercurio. Las corrientes de agua arrastran metales pesados en pendientes, suelos aluviales [1], y en ambientes costeros como manglares y océanos [38]. Los metales pesados también pueden movilizarse por el deslave de rocas ricas en estos elementos o por dispersión de fertilizantes con concentraciones elevadas de metales pesados.

Las concentraciones de metales pesados en el suelo se pueden dividir en “total” y en “disponible”. El primero incluye todas las formas del elemento en el suelo, como iones unidos a estructuras cristalinas de minerales, ligados en materia orgánica en estado sólido, iones libres o complejos inorgánicos e inorgánicos solubles en la solución del suelo. Los segundos se refieren a la porción del elemento presentes como iones libres, complejos solubles o en formas fácilmente desorbibles, siendo potencialmente disponibles para plantas [1]. Los cambios en las condiciones físicas y químicas del suelo pueden modificar la disponibilidad de los metales pesados presentes en éstos debido al cambio en su especiación química y su distribución, haciéndolos disponibles hasta alcanzar niveles tóxicos [39]. La disponibilidad de los metales es influenciada por procesos químicos y bioquímicos, entre los que encontramos los niveles de pH, precipitación-disolución, adsorción-desorción, complejación-disociación, y oxidación-reducción [33].

Para calcular la concentración total de un metal en el suelo, se suman todos los suministros de éste en el suelo, tomando en cuenta la pérdida por remoción de cultivos, erosión del suelo, lixiviados y volatilización:

Mtotal= (Mmp + Matm + Mds + Mf + Maq + Mmt + Mmo + Mci) - (Mrc + Me + Ml +Mv)

En donde M es metal, mp=materia parental, atm=disposición atmosférica, ds=depósitos de sedimentos, f=fertilizantes, aq=agroquímicos, mt=material tecnogénico, mo=materia orgánica, ci=contaminantes inorgánicos, rc=remoción de cultivos, e=erosión del suelo, l=lixiviados, v=volatilización [1].

La toxicidad de metales pesados en el suelo depende del pH, temperatura, aniones y cationes inorgánicos, minerales de arcilla, óxidos metálicos hidratados, forma y cantidad de materia orgánica, así como el estado químico en el cual se encuentre el metal [2, 40]. Para evaluar el grado de contaminación del suelo por metales pesados, se utiliza el índice de geoacumulación (Igeo) que considera la concentración total del elemento de interés y su concentración en la corteza terrestre:

Igeo= log2 (Cn / 1.5 Bn)

En donde Igeo es el índice de geoacumulación, Cn es la concentración total del elemento en el suelo, Bn es la concentración del elemento en la corteza terrestre, 1.5 es una constante que compensa las fluctuaciones naturales de un metal y los impactos antropogénicos menores. El índice de geoacumulación permite la clasificación de los suelos en siete grados de contaminación (Tabla 2) [41].

Tabla 2. Grados de contaminación de los suelos con base en el índice de geoacumulación.

EL SUELO

El suelo es una mezcla de fragmentos de rocas, parcial o completamente meteorizadas, minerales, materia orgánica, agua y aire, en diversas proporciones; tiene distintas capas y horizontes desarrollados por la influencia del clima y de los organismos vivos [42]. El suelo es comúnmente una mezcla porosa y suelta de materiales, partículas orgánicas e inorgánicas, formando una delgada capa que cubre la superficie terrestre. El suelo se origina en respuesta a las condiciones físicas, químicas y biológicas que actúan sobre material geológico, residuos orgánicos y productos antropomórficos. Los componentes fundamentales del suelo son: (I) una fase inorgánica, compuesta por solidos cristalinos y amorfos, principalmente constituida por aluminosilicatos, hidróxidos de hierro y carbonatos; (II) materia orgánica, viva o muerta, compuesta de biomasa y microorganismos; (III) una solución acuosa de complejos orgánicos e inorgánicos, con iones y moléculas, diluidos en agua, con una actividad termodinámica cercana a 1; y (IV) una fase gaseosa, que contiene los elementos comúnmente encontrados en la atmósfera terrestre, aunque sus proporciones pueden modificarse por reacciones químicas, resultantes de las interacciones entre minerales y agua, respiración o descomposición orgánica [43]. El perfil del suelo se refiere a los horizontes que se encuentran entre la superficie y la materia parental [42], y está constituido por los llamados horizontes A, B y C (Tabla 3); A y B componen el solum, y C es la materia parental modificada por meteorización y disgregación [43].

Tabla 3. Características de los horizontes del suelo.

Modificado de Gupta et al. [43]

El suelo se encuentra en constante dinámica, pero alcanza un estado cercano al equilibrio con el ambiente después de un largo periodo de tiempo, desde unos cientos hasta miles de años, expuesto a diversas condiciones [42]. La formación del suelo consiste en dos pasos, la acumulación de materia parental y la diferenciación de los horizontes en el perfil. La materia parental es el estado inicial del suelo [44] y se refiere a las rocas y minerales sobre las que se genera, influyendo en la formación de éste con sus propiedades físicas y químicas [45]. Esta primera etapa, experimenta cambios a través de la llamada meteorización, de la que existen dos tipos, la meteorización física que se refiere a la fragmentación de la materia parental, sin cambios químicos, por procesos como la fractura de rocas por expansión y contracción por cambios en la temperatura, o fisuras en rocas por raíces; mientras que la meteorización química se refiere a las reacciones de materia parental con diversas sustancias como oxidantes y ácidos, liberando iones y minerales insolubles como silicatos de aluminio, hierro y magnesio. La topografía tiene fuerte influencia en las propiedades del suelo debido a los gradientes de pendiente; esto influye en la incidencia de los rayos solares, la temperatura, la proporción de evapotranspiración y la humedad del suelo. En los procesos de erosión, los materiales pequeños tienden a ir cuesta abajo, depositándose en la parte baja de la pendiente formando suelos profundos con un mayor contenido de materia orgánica y mayor estabilidad física. En la segunda etapa de formación del suelo, la llamada diferenciación de los horizontes del suelo es determinada por cuatro tipos de cambios: adición, remoción, transferencia y transformación en el sistema del suelo; se resalta que estos procesos no necesariamente promueven la diferenciación del suelo [46]. Los factores formadores del suelo (Tabla 4) pueden definirse como “los agentes naturales interrelacionados responsables de la formación del suelo” [45], éstos son independientes y cada uno modifica la efectividad del otro [42].

Tabla 4. Factores formadores de suelo y sus componentes.

Modificado de García et al. [45] y de Simonson [46].

La entrada de materia al suelo puede darse a partir de la precipitación pluvial, inundaciones, cambios en la marea, o por el viento, que transportan iones y partículas de materia que se depositan en el suelo. Los seres vivos agregan materia orgánica y nitrógeno al suelo como materia muerta, que será transformada en materia orgánica mediante su descomposición. La transferencia de materiales a través de los horizontes genera cambios en el perfil del suelo que ocurren principalmente por lixiviación, en la que iones solubles son agregados por precipitación o mineralización en las capas superiores del suelo y son transportados hacia horizontes inferiores, donde se transforman en productos insolubles formando nuevos minerales entre horizontes bajo las condiciones diferentes de pH y contenido iónico. Los materiales se transforman por las interacciones de procesos físicos, químicos, como la meteorización y erosión, y de tipo biológicos que involucran la producción de materia orgánica o la descomposición de ésta. Las plantas y animales son fuentes de carbono orgánico para el suelo. Diferentes tipos de plantas redistribuyen carbono y nutrientes en el suelo a diferentes profundidades, remueven elementos esenciales (fósforo, calcio, potasio o silicio) de horizontes inferiores, a través de sus raíces y los almacenan en sus tejidos; los cuales son regresados a la superficie del suelo a través de desechos o materia muerta. Algunos animales que hacen madrigueras bajo el suelo, como topos o gusanos de tierra, transfieren materia entre horizontes, transfiriendo materia orgánica desde la superficie a las profundidades, y al mismo tiempo, se movilizan minerales de los horizontes inferiores a la superficie, redistribuyendo la materia del perfil del suelo. Al igual que plantas, los animales como gusanos de tierra o termitas, estimulan la transformación de la materia del suelo por estimulación de la descomposición de materia orgánica. Por ser un sistema dinámico, en diferentes periodos de tiempo, el suelo presentará características diferentes, con cambios constantes en el material parental debido a procesos como la meteorización, o la acumulación de materia en valles por erosión de laderas. De igual manera, los procesos biológicos son diferentes; los suelos “jóvenes” cuentan con altas concentraciones de fósforo y bajas de nitrógeno; en suelos “viejos”, el fósforo se fija en minerales no biodisponibles o se reduce por transporte de materia; en cambio, la concentración de nitrógeno aumenta por la colonización de plantas y bacterias fijadoras de nitrógeno en suelos ricos de fósforo [46].

FUENTES DE METALES PESADOS EN EL SUELO

Los diez elementos principales que componen el suelo son oxígeno (O), silicio (Si), aluminio (Al), hierro (Fe), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K), magnesio (Mg), fósforo (P) y titanio (Ti), los cuales constituyen más del 99% del contenido total de la corteza terrestre. El resto de los elementos comprenden aproximadamente el 1% de la corteza terrestre, con concentraciones individuales que no superan los 1000 mg·kg-1, excepto cuando se encuentran en menas minerales [1, 52], y que, por encontrarse en bajas concentraciones, son considerados elementos traza [33]. Existen diferentes fuentes de metales pesados en los suelos como la roca madre (ígneas, sedimentarias o metamórficas, por meteorización), aguas subterráneas, precipitados desde la atmósfera y por actividades humanas. Las rocas son la principal fuente de metales pesados en el ambiente [53] (Tabla 5).

La corteza terrestre está compuesta en un 95% por rocas ígneas y un 5% de rocas sedimentarias; cerca del 80% de las últimas son lutitas, 15% areniscas y 5% limo [33]. En dependencia del tipo de roca existen diferentes metales pesados en los suelos; las rocas ígneas basálticas contienen altas concentraciones Cu, Zn, Cr, Co y Ni. En rocas ígneas como augita y hornblenda se encuentran Cu, Zn, Co y Mn [33]. Las rocas ultramáficas son rocas ígneas con alto contenido de minerales máficos como olivino y piroxenos y un contenido de sílice menor al 45% [54]. Los suelos desarrollados a partir de estas rocas no ocupan un área grande a nivel global, y presentan concentraciones relativamente altas de Ni, Cr y Co [1].

Tabla 5. Contenido de metales y metaloides en rocas ígneas y sedimentarias, expresado en mg·kg-1 [33].

Las lutitas negras son rocas sedimentarias que presentan materia orgánica degradada de manera incompleta por bacterias anaerobias; estos minerales están enriquecidos con materia orgánica, y por ello contienen moléculas orgánicas, tejidos blandos mineralizados, así como partes duras de los organismos [55]. Las lutitas también se encuentran enriquecidas con diversos elementos como Ag, As, Au, Ba, Cd, Cr, Cu, Hg, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Th, Tl, U, V, W, Zn, tierras raras y elementos del grupo de platino (Pt, Ru, Rh, Pd, Os e Ir). Las lutitas negras se forman en agua de mar poco profunda, en un entorno reductor, lo cual favorece la acumulación de metales pesados [1].

Las piedras calizas son rocas sedimentarias constituidas principalmente por carbonato de calcio, carbonato de calcio y magnesio, o la combinación de estos compuestos [54] y suelen formarse en cuencas marinas en las que se acumulan organismos marinos microscópicos; siendo estos, fuente de granos de calcita (CaCO3). Las piedras calizas pueden contener concentraciones elevadas de metales pesados, en ocasiones los granos de calcita se mezclan con precipitados químicos que son fuentes de metales pesados para estas rocas. En diversas áreas del mundo, las calizas se han mineralizado a partir de la deposición de minerales de sulfuro a partir de los fluidos hidrotermales en lechos sedimentarios de piedra caliza. Cabe resaltar que, al meteorizarse, los metales se dispersan en el suelo residual, e inclusive se pueden lixiviar en aguas subterráneas [1].

Las fosforitas son rocas sedimentarias que contienen más del 19.5% de P2O5 [54] que se forman por precipitación del fosfato de calcio del agua de mar a lo largo de miles y hasta millones de años, o por la acumulación de detritos de diatomeas, los cuales son ricos en fosfatos [56]. Las fosforitas, suelen acompañarse de otros estratos sedimentarios como las calizas que, al estar expuestas por extensos periodos de tiempo al excremento de aves marinas, reaccionan para formar los depósitos de fosforitas. Estas rocas se han utilizado como materia prima para la fabricación de fertilizantes fosfatados. Generalmente, las fosforitas se encuentran enriquecidas por diversos metales pesados, incluso en mayor medida que las lutitas negras [1].

En sedimentos ricos en óxido de hierro, podemos encontrar “piedras de hierro”, las cuales están constituidas por un alto porcentaje de Fe [54]. En éstas es posible encontrar concentraciones relativamente altas de As, Ba, Cu, Mn, Mo, Ni, Pb, V y Zn [1].

EL PAPEL DE LOS METALES PESADOS EN LA HISTORIA DE LA HUMANIDAD

Los seres humanos, a lo largo de su historia, han hecho uso de los recursos naturales para su supervivencia. Las primeras evidencias de la obtención de minerales por el hombre se han encontrado en África, hace aproximadamente 300,000 años, en forma de sílex también llamado pedernal que fue usado como herramienta, esta roca puede obtenerse a nivel superficial o encontrarse hasta dos metros bajo el suelo; siendo esto el punto de inicio de la búsqueda de minerales que llevaría con los años a la industria minera.

Hace aproximadamente 8000 años se comenzó con el uso de metales como cobre, oro, plata por las grandes civilizaciones de la edad de Bronce en el mediterráneo y China [57]. El cobre ha sido utilizado desde hace aproximadamente 7000 años en China central, hecho demostrado mediante la prueba de C14, en metales derivados de sedimentos del lago Liangzhi, en la provincia de Hubei en China [58]. Se considera que fue el primer metal utilizado, aunque sus concentraciones en la corteza terrestre son bajas (0.006%) en comparación con hierro (6%) o aluminio (8%) pero debido a su maleabilidad, el cobre era utilizado en la forma nativa para transformarse en ornamento o herramienta primitiva como cuchillos o hachas. Se estima que la invención de la fundición fue resultado del contacto de un contenedor de cobre con fuego que promovió su transformación en metal líquido, separándose de las impurezas. De manera similar surgirían las aleaciones, al fundir menas minerales que contenían cobre y estaño, dando lugar a un metal más duro conocido como bronce. Desde aproximadamente 5000 a. C. se crearon armas, herramientas, pesos, medidas, tuberías, y utensilios del hogar como vasijas, espejos pulidos, navajas y decoraciones artísticas hechas de cobre y bronce [59].

La plata ha sido conocida desde el año 4000 a. C. por los caldeos; es el tercer metal en ser utilizado ancestralmente, después del oro y cobre [60]. Otro metal utilizado entre los años 4000-3000 a. C. fue el mercurio, utilizado en la forma mineral conocida como cinabrio (HgS) en los territorios que actualmente ocupan Italia y España. El mercurio fue empleado en la preservación de huesos humanos, con fines religiosos o rituales mágicos y debido a su color característico, en años posteriores fue utilizado para elaborar pigmentos [61].

Desde hace 4000 años se desarrollaron técnicas de fundición a mayores temperaturas, lo cual permitió la extracción de hierro a partir de menas minerales, lo que llevaría a la “Edad del hierro”, y al surgimiento de grandes imperios como el Romano. La creación de redes de minería permitió extraer hierro en el norte de Italia, Francia y Alemania; oro, plata, cobre y estaño en España; y plomo de las minas británicas [57]. Debido a propiedades como un peso menor y mayor dureza, se favoreció el uso de hierro para la fabricación de herramientas y armas y, al mismo tiempo, el desarrollo de mejores técnicas de fundición redujo el costo para la obtención de piezas de hierro [59].

En la antigua ciudad de Menfis en Egipto (3050-2690 a. C.), se fundía oro mediante la formación de capas de carbón y oro intercaladas, las cuales se sometían al fuego durante 3-4 días (Figura 1A). Cuando el oro derretido caía en el centro del horno, el fuego era apagado y se recogía el trozo de metal, de aproximadamente 1 kg de peso. Aproximadamente entre el año 2690-2420 a. C., los egipcios comenzaron a utilizar cerbatanas para aumentar la temperatura, y facilitar la fundición del oro (Figura 1B). Posteriormente, se desarrollaron hornos de mayor tamaño, y fuelles con piel de cabra que eran manipulados con los pies. Los fuelles estaban atados con cables; cuando se hacía presión sobre uno de ellos con un pie, el otro era jalado con el cable para que llenarse de aire, luego se presionaba y se hacía lo mismo con el otro fuelle (Figura 1C); de esta manera se logró aumentar la cantidad de oro fundido [62]. Hace aproximadamente 2500 años, en el territorio que actualmente es ocupado por Turquía e Iraq, se utilizaron monedas de oro, plata y cobre a partir de la mejora en las técnicas de extracción de metales y la refinería [59].

Figura 1. Evolución de las técnicas de fundición. (A) Mural de la ciudad de Menfis en el cual se ilustran las primeras técnicas de fundición de oro por egipcios mediante el uso de capas de carbón y oro. (B) Mural egipcios ilustrando el uso de cerbatanas que permitía una mayor temperatura. (C) Mural egipcio que muestra el mecanismo de fuelles desarrollado para aumentar la temperatura del horno mediante corrientes de aire. (D) Ilustración de los hornos de fundición del siglo XVIII utilizando ruedas de agua para el funcionamiento de fuelles [62].

En Mesoamérica, las primeras evidencias del uso de metales en México datan del año 650. Se teoriza que los primeros artefactos de metal fueron introducidos por las costas surestes del país a partir del intercambio con pueblos originarios de lo que actualmente es Ecuador, siendo ellos quienes introdujeron las primeras técnicas de extracción y producción de metal. Para el año 1200, se habrían desarrollado técnicas de metalurgia de bronce (aleaciones de cobre-estaño y cobre-arsénico) y aleaciones de plata-cobre. Entre los productos realizados se encuentran campanas, anillos, colgantes, corazas de chapas, escudos ornamentales y coronas [65].

El mercurio obtenido a partir de cinabrio es conocido desde el siglo VII a. C. en Mesopotamia. En India se registra desde los siglos IV-III a. C en el “Artha-sastra” (antiguo tratado indio acerca del arte de gobernar). Se cree que el mercurio fue importante para la antigua medicina de India. Se han encontrado pigmentos de cinabrio en estatuas griegas del siglo VI a. C. El mercurio aparece en textos chinos hasta el año 122 a. C., pero ya se usaba cinabrio para la producción de tinta roja utilizada en huesos oráculos durante la dinastía Shang-Yin, entre los años 1751-1112 a. C. Durante el siglo I d. C., en Roma, el cinabrio fue usado como ingrediente en medicamentos para purgas y enemas, se cree que también fue el primer tratamiento contra la sífilis [61].

El mineral rejalgar (As4S4) que contenía arsénico fue descrito alrededor del siglo IV a. C. por Aristóteles, pero el arsénico elemental fue identificado hasta 1649. A lo largo de su historia, el arsénico ha sido utilizado en cosméticos, alimentos, vidrios, insecticidas, medicamentos, pigmentos, pirotecnia, rodenticidas, preservativos de madera, embalsamientos, metalurgia, curtido y taxidermia [66].

En diferentes épocas de la historia, grandes figuras de la medicina utilizaron metales pesados para el tratamiento de malestares. Hipócrates (460-377 a. C.) empleó diferentes preparaciones de metales como plata para el tratamiento de úlceras y la recuperación de heridas [60], o pasta de rejalgar para el tratamiento de úlceras [66]. Rhazes (850-923) probó mercurio usando al mono como modelo de estudio y reportó la ocurrencia de dolor de estómago; y que la aplicación del metal en el oído podría producir lesiones [61]. Avicena (980-1037) usó limaduras de plata para purificar sangre [60]; también consideró al mercurio como tóxico y corrosivo [61]. En 1520, Paracelso (1493-1541) usó nitrato de plata para cauterizar heridas, una práctica que continua hasta nuestros días [60], y propuso el uso de mercurio para curar la sífilis; por ello, desde el siglo XVI hasta mediados del XX, fue usado en ungüentos, baños de vapor e ingerido [61]. Angelo Sala (1576-1637) usó nitrato de plata como contrairritante, purgativo, y en el tratamiento de infecciones en el cerebro [60]. En 1554, en la Nueva España, se desarrolló la amalgación, técnica que utilizaba al mercurio para la extracción de plata, debido a su capacidad de amalgar metales; propiedad descrita por primera vez por Vitruvio en el siglo I a. C. Se utilizó el mercurio en el desarrollo del barómetro por Torricelli en 1643, y del termómetro en 1714 por Fahrenheit [61].

En el siglo XVI, durante el periodo de la colonización de Norteamérica por británicos, la necesidad de transportar agua por largas distancias popularizó la colocación de una moneda de plata en las vasijas de agua para preservarla, práctica extendida a la preservación de la leche. Cabe resaltar que el origen de esta práctica surgió en el imperio persa con diferentes reyes, el rey Ciro II el grande (600-530 a. C.). Ciro II consumía agua de contenedores de plata, los cuales la mantenían fresca por años, debido a sus continuas campañas militares, que hacían difícil encontrar agua en buenas condiciones [60].

En el siglo XVIII se desarrollaron fuelles en los hornos de fundición movilizados por ruedas de agua (Figura 1D); por ello, las fundiciones estaban en zonas montañosas cercanas a las zonas de extracción mineral y de madera, con disponibilidad de una corriente de agua [62]. Durante el siglo XVIII, el Dr. Fowler desarrolló la solución de Fowler, la cual empleaba arsenito de potasio, ésta fue utilizada durante el siglo XIX como “cura todo”. Durante este siglo los compuestos de arsénico fueron muy populares, no solo para tratar diferentes malestares, también se empleaban compuestos de arsénico en el cabello y cuero cabelludo para eliminar alimañas [66].

En 1804, Smithson Tennant describió al iridio (Ir) ante la Royal Society, procedente de residuos negros insolubles resultado del uso de agua regia. El iridio es un miembro del grupo del platino (Pt), es el metal más resistente a la corrosión, insoluble en los ácidos minerales, no es afectado por otros minerales fundidos o silicatos a altas temperaturas, tiene un alto punto de fusión, es el único metal que mantiene buenas propiedades mecánicas al aire entre 1600 °C y hasta 2000 °C en aleaciones con rodio (Rh). Las características del Ir permiten su uso para encapsular el combustible en generadores de electricidad de radioisótopos, utilizados en misiones espaciales como la del Voyager, lanzado en 1977, el transbordador utilizó como combustible dióxido de plutonio-238 (238Pu), en esferas encapsuladas en iridio [67]. Los catalizadores de platino-rodio son utilizados para la oxidación de amonio con aire durante la manufactura de ácido nítrico y a su vez de fertilizantes nitratados. Las aleaciones de platino son utilizadas en la manufactura de fibras de vidrio, y se utiliza equipo de platino altamente puro para el desarrollo de fibra óptica [68].

Desde inicios del siglo XX se han ido desarrollando diferentes tipos de aleaciones, con propiedades superiores de resistencia a la corrosión; éstas incluyen carbón (0.05-0.25%), manganeso (2%), pequeñas cantidades de cromo, níquel, molibdeno, cobre, nitrógeno, vanadio, niobio, titanio y zirconio, en diferentes proporciones. Su desarrollo es de gran importancia debido a su uso en los campos de la construcción, vehículos pesados, tanques de almacenamiento, vagones, plataformas petroleras, pipas para el transporte de hidrocarburos, entre otros [69]. En el mismo siglo XX, diversos metales como el mercurio han estado presentes en el uso de medicamentos para tratar malestares en forma de ungüentos, diuréticos, antisépticos y anticonceptivos [61]. Durante la primera guerra mundial, se utilizó sulfadiazina de plata para el tratamiento de quemaduras [70]. Los coloides eléctricos de plata fueron el pilar de la terapia antimicrobiana durante la primera mitad del siglo XX, hasta la introducción de los antibióticos a principios de 1940; para este año existían al menos 50 productos de plata en el mercado de Estados Unidos de América [60]. En 1985, la Administración de Medicamentos y Alimentos (FDA) de Estados Unidos de América, aprobó el uso del fármaco llamado Auranofin, el cual contiene oro en su estructura (C20H35O9PSAu) y es utilizado en el tratamiento de artritis reumatoide [70].

Los metales también han sido utilizados con fines criminales; uno de los primeros casos documentados de envenenamiento con arsénico es el de Tiberius Claudius Britannicus por Nerón Claudio César Augusto Germánico (conocido como Nerón) en el año 55 d. C., se teoriza que Cesare y Lucrezia Borgia (1476-1507 y 1480-1519) utilizaron compuestos de arsénico en alimentos y bebidas para envenenar a enemigos políticos. Durante la primera guerra mundial, la lewisita (dicloruro de 2-clorovinilarsino), y otros componentes de arsénico fueron utilizados como gases venenosos [66]. Los metales son de suma importancia para el mundo moderno y son requeridos para una gran cantidad de actividades en la sociedad actual. En 2007, el peso de metales al servicio de la humanidad se encontraba de la siguiente manera (en millones de toneladas): hierro 940, aluminio 43, cobre 18, zinc 11, plomo 4, níquel, estaño 0.3, molibdeno 0.2 y plata 0.02 [59].

METALES PESADOS EN EL AMBIENTE: SU IMPACTO EN LA AGRICULTURA

Los seres humanos han utilizado los metales pesados durante miles de años [32]; siendo actividades antropogénicas como la industrialización, la minería, la agricultura o la fundición, las causantes de incrementar la concentración de metales pesados en la biósfera a niveles muy peligrosos [1, 2]. En la biósfera podemos encontrar metales pesados de manera natural, generados por la actividad geológica, pero que han sido propagados a diferentes entornos por actividades antropogénicas [71] como la industria petroquímica [72], el tráfico de vehículos, la agricultura [73], la extracción minera intensa [73, 74, 75], las refinerías de metales, la quema de carbón en centrales eléctricas, la combustión de petróleo, las centrales nucleares y las líneas de alta tensión, plásticos, textiles, microelectrónica, preservación de madera y plantas de procesamiento de papel [37].

La contaminación de metales pesados en zonas rurales tiene su origen más frecuente en el uso de fertilizantes fosfatados [1, 76]. El empleo de productos que contienen metales traza en la agricultura como fertilizantes, fungicidas, pesticidas, y herbicidas ha generado un aumento de metales pesados como Cu, Zn, Fe, Mn, As, Cd y Pb en los cultivos [33]; por ello, diferentes países han implementado estándares de concentración de metales pesados en los suelos dedicados a la agricultura (Tabla 6) [77]. La contaminación por metales pesados en la agricultura también afecta al sector ganadero, se han reportado elevadas concentraciones de Pb en el ganado bovino [9, 78].

Ante el desequilibrio nutricional del suelo debido a su uso intensivo, surge la necesidad de dar seguimiento a los niveles de micronutrientes en los suelos con actividad agrícola [7, 8]. El uso de fertilizantes para el suministro de nutrientes al suelo puede disminuir el pH del suelo y producir la desorción de metales pesados de la matriz del suelo [79, 80], o a la reducción de materia orgánica [79]; este tipo de factores tienen como resultado el aumento de metales tóxicos en el suelo, y su acumulación en los cultivos. El empleo de fertilizantes para el suministro de Zn ha aumentado los niveles de Pb y Cr en plantas de trigo (Triticum aestivum) [7], o una mayor biodisponibilidad de Cd, Cr y Pb en el suelo para maíz (Zea mays), con un aumento significativo en la concentración de sus hojas [8]. Fertilizantes químicos como fuentes de N, P y K, pueden contener metales pesados (Cd, As, Cr, Ni y Pb) como impurezas que pueden ser mayores a los limites permisibles por los estándares internacionales [80]. El uso de fertilizantes orgánicos también influye en la biodisponibilidad de metales pesados; el uso de una mezcla entre fertilizante químico y orgánico (a base de excremento de paloma), aumentó el contenido de Zn, Cd y Cr en el suelo [79]. El uso de estiércol de cerdo como fertilizante orgánico, aumentó las concentraciones de Cu, Zn y Cd en suelo, ocasionando la presencia de estos metales en granos de cacahuate (Arachis hypogaea L.) [81].

Tabla 6. Valores estándar regulatorios de concentraciones de metales pesados en la agricultura.

Valores en “mg metal pesado·kg-1 suelo”. aTomado de Hei et al. [82], bTomado de SEMARNAT [83].

Una fuente importante de contaminación por metales pesados deriva del tratamiento de aguas residuales que producen lodos, los cuales poseen un contenido benéfico de N, P y materia orgánica, que son utilizados en el sector agrícola por su valor fertilizante; pero al mismo tiempo depositan metales pesados. Otra fuente de contaminación por metales pesados en zonas rurales es la causada por las aguas residuales vertidas en alcantarillas [1]; así como el uso de lodos de depuración, los cuales deben ser tratados para evitar el aumento en las concentraciones de metales pesados en el suelo y cultivos [82]. El riego de cultivos vegetales con aguas residuales puede ser riesgoso para la salud de los consumidores debido a las concentraciones de metales pesados que se pueden encontrar en estas, entre los que tenemos al Fe, Zn, Mn, Cu, Pb, Cr, Ni, As, Co, Cd y Hg, con concentraciones altas de Pb, As, Cd, Co, Cu, Zn, Mn, Ni, Fe y Cr [84]. Vegetales cultivados a partir de suelos irrigados con aguas residuales desde mediados de 1960, presentaron altas concentraciones de Cd, Ni y Pb [85].

Suelos de cultivo cercanos a una zona minera en la ciudad de Fandong, en el sur de China, presentaron concentraciones altas de Cu, Zn y Cd, mayores a las permitidas, lo cual provocó la presencia de altas concentraciones de Cd y Pb en granos de arroz [86]. Suelos de la región de Hunan, en el sur de China, contaminados con metales pesados debido al colapso de una presa de relaves, y tratados para remoción de lodos tóxicos, presentaron concentraciones altas de Zn, Cd y Pb, aun después de 17 años de haber llevado a cabo la limpieza [87]. Suelos de cultivo cercanos a fundiciones en Australia, presentaron vegetales con concentraciones de Cd y Pb superiores a lo permitido por la “Australian and New Zeland Food Authority” (ANZFA), la “Commission of the European Communities” y el “Codex Alimentarius Commission”. También se registraron altas concentraciones de Zn y Cu [88].

EL EFECTO DE LOS METALES PESADOS EN LOS SERES VIVOS

La contaminación por metales pesados en suelos en zonas industriales varía dependiendo del tipo de industria [32]; en México, la concentración de metales pesados en suelo de uso industrial se encuentra regulada (Tabla 7). Los principales metales pesados encontrados en los desechos de la industria textil son Al, As, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, Tl y Zn [89]; en la industria del papel son Fe, Cu, Mn, Zn, Ni y Cd [90]; en la industria de cerámica encontramos Ni, V, Al, Co, Cr, As, Sr, Zr, Ce, Th, Fe, Cu, Zn y Pb [91]; en la industria de pinturas se han detectado elementos como Cr, Cd, Ni, Zn y Pb [92]; en la industria petroquímica aparecen Zn, Cu, Pb, Cd, Hg y As [93]; en la industria farmacéutica figuran elementos como Fe, Zn, Cu, Mn, Pb, Cr [94]; en la industria de baterías se utiliza As, Cr, Cu, Mn, Ni, Cd, Pb y Zn [95]; y en la industria de componentes electrónicos se desechan elementos como Cr, Zn, Pb, As, Cd, Ni, Cu [96].

Tabla 7. Concentración de referencia de metales pesados en suelo de uso industrial en México.

Tomado de SEMARNAT [83].

Los metales pesados juegan un papel muy importante en los seres vivos, puesto que algunos son indispensables para diversas funciones biológicas. Los metales pesados participan en el metabolismo de proteínas, y en el transporte de moléculas en células u órganos [73]; algunos metales pesados actúan como cofactores de enzimas, teniendo un papel estructural o participando en reacciones químicas. El cobre, por ejemplo, actúa como cofactor de oxidasas, de enzimas involucradas en la eliminación de radicales superóxidos y activador para algunas enzimas; es esencial para plantas y algas en la fotosíntesis, debido a que este es un componente del donante primario de electrones en el fotosistema I.

Otros ejemplos son el níquel, siendo la enzima ureasa dependiente de este metal, y es encontrada en una amplia variedad de organismos; esta enzima juega un papel importante en el ciclo del nitrógeno, catalizando la descomposición hidrolítica de la urea para la producción de amonio y carbamato [97]. Entre otros metales con actividad biológica tenemos al molibdeno, presente en la nitrato-reductasa [98] y en la nitrogenasa [99]; al cobalto, encontrado en la vitamina B12 [100]; al magnesio, el cual participa en las reacciones catalizadas por la malato deshidrogenasa, la oxalosuccinato descarboxilasa, y es participe en la actividad de la enzima superóxido dismutasa en el fotosistema II; el hierro es esencial en diversos procesos metabólicos, siendo indispensable para todos los organismos, es un componente de proteínas como hemoglobina, mioglobina, nitrogenasa y citocromos [2].

Los metales pesados pueden ser muy tóxicos si estos se acumulan en tejidos; pueden persistir en el suelo por siglos e influir en las redes tróficas [101]. Los metales pesados no solo afectan la calidad de los productos agrícolas y del agua, sino también al ecosistema, pudiendo dañar a diversos organismos [102]. La agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos de América (EPA) ha publicado valores de concentraciones máximas de metales pesados para el agua (Tabla 8) y dosis orales de referencia (Tabla 9) de los niveles permitidos, entiéndase esto como la dosis ante la cual no se tienen efectos marcados en la salud, pero no como dosis recomendables [103, 104, 105].

Los metales pesados pueden ingresar al cuerpo humano mediante la inhalación de aire o ingesta de agua contaminada, y por la transferencia de éstos por las rutas suelo-planta-humano o suelo-planta-animal-humano [85, 129]. Los metales pesados, pueden entrar en pequeñas dosis por un largo periodo de tiempo, y ser acumulados en órganos y tejidos. El almacenamiento de metales pesados en el cuerpo puede causar toxicosis, acompañado de disturbios en los procesos bioquímicos, cambios en la estructura y función de las células [130].

La presencia de metales pesados induce el estrés oxidativo celular, lo cual lleva a la sobreproducción de especies reactivas que alteran el estado de óxido-reducción, e inclusive, puede llevar a la muerte celular [72]. El absorber y acumular metales pesados causa efectos nocivos para la salud entre los que se encuentran cáncer, daño en órganos y sistema nervioso o la muerte [131, 132].

Tabla 8. Concentraciones tolerables de metales pesados en agua.

aTomado de US EPA [104], bTomado de SEMARNAT [105].

Tabla 9. Dosis de referencia de ingesta oral para metales pesados y algunos efectos sobre la salud.

aTomado de US EPA [103].

Metales como el mercurio, cadmio, arsénico y níquel son clasificados como metales carcinogénicos por sus efectos en el ADN, la inducción de especies reactivas de oxígeno, o por inhibición de la actividad de proteínas críticas en los mecanismos de reparación de ADN [133]. La “Joint FAO/WHO Expert Comitee on Food Additives” creó el valor PTWI (Provisional tolerable weekly intake) para describir la cantidad de metales pesados ingeridos a la semana que no causan reacción en el cuerpo. Para los cuatro metales más tóxicos el valor PTWI es el siguiente: Hg 0.005 mg·kg-1 de peso corporal, Cd 0.007 mg·kg-1, Pb 0.025 mg·kg-1, y As 0.025 mg·kg-1 [129]. El mercurio tiene sus fuentes naturales en las erupciones volcánicas terrestres o marítimas (con su posterior evaporación desde tierra o agua), por erosión de rocas conteniendo este metal, y procesos geotermales. Las emisiones naturales de mercurio son mayores a aquellas producidas por el hombre; la quema de carbón es uno de los principales medios de contaminación antropogénica. Las industrias de cal y hormigón, refinerías petroleras, producción de alquitrán y asfalto, son las principales fuentes industriales de mercurio. El mercurio es considerado uno de los metales pesados más peligrosos para la salud humana. El mercurio inorgánico y el mercurio metálico pueden ser absorbidos por la piel e ingresar por medio del tracto respiratorio como mercurio gaseoso. Este metal cruza la membrana de los alvéolos pulmonares hasta llegar al torrente sanguíneo y a diferentes tejidos provocando severos daños celulares. Algunos de los órganos que acumulan el metal son riñones, hígado, bazo, sangre y cerebro; se conoce un efecto degenerativo en sistema nervioso central [129]. Se ha reportado que el mercurio se une al sitio activo de diversas enzimas, inhibiendo su actividad; Mirzoian & Luetje en 2002 [134] reportaron que el cloruro de mercurio inhibe a los receptores nicotínicos de acetilcolina neuronales de rata expresados en ovocitos de Xenopus laevis al interactuar con la subunidad α4, mientras que, si el cloruro de mercurio interactúa con la subunidad β4, potencia su actividad.

El cadmio se encuentra en la naturaleza formando complejos con iones y quelatos orgánicos, en rocas sedimentarias; se ha encontrado en fosforitas procedentes de los océanos o en combustibles fósiles como el carbón. Las actividades humanas que son fuente de cadmio son la industria metalúrgica, la producción de fertilizantes fosfatados o la quema de combustibles fósiles. Este metal ha sido utilizado para la producción de aleaciones, pigmentación de productos, estabilización de plásticos, y la producción de baterías de cadmio-níquel, entre otros usos. El cadmio puede ingresar al organismo por el tracto gastrointestinal, tracto respiratorio o la piel, a través de los alimentos o la exposición al humo de cigarrillos. El metal se acumula en riñones e hígado por mucho tiempo, daña a los pulmones y puede causar desmineralización de huesos debido al malfuncionamiento de los riñones [129]. El cadmio reduce la actividad de enzimas como la catalasa y la superóxido-dismutasa, con un efecto destructivo sobre las membranas celulares y biopolímeros (proteínas y ácidos nucleicos). El cadmio es capaz de acumularse en eritrocitos, estimulando la formación de formas activas de óxidos y peróxidos, cuyo incremento en las membranas provoca la destrucción de la metahemoglobina. El cadmio reduce el contenido de selenio, formando complejos inertes con éste, lo cual previene la inactivación de la glutatión-transferasa y la glutatión-peroxidasa [130]. La actividad carcinogénica del cadmio se ha asociado a la inhibición de los mecanismos de la reparación de ADN, como la reparación por escisión de nucleótidos, la unión de extremos no homólogos, la reparación por escisión de bases y la reparación de errores de apareamiento [133]. El cadmio reduce el crecimiento en plantas debido al incremento en la actividad de la ácido-indolacético-oxidasa [135]. El exceso de cadmio en suelo lleva a la deficiencia de hierro en plantas [136].

El plomo representa el 0.0013% de la corteza terrestre. Este metal es emitido a la atmósfera por actividades antropogénicas como la quema de combustible, la industria, la quema de carbón y la producción de concreto, entre otros. Durante el siglo XX, este metal fue utilizado para la producción de pipas, alambres, pinturas, baterías y combustibles. La toxicidad del plomo en plantas es caracterizada por la inhibición de actividad de enzimas que posean grupos tiol (-SH). El plomo inhibe la germinación de semillas, retarda el crecimiento de plántulas y reduce el crecimiento de raíz y brotes. Este metal promueve la formación de especies reactivas de oxígeno (ocasionando un estrés oxidativo), dañando la estructura de cloroplastos, y con ello reduce la tasa fotosintética, inhibiendo síntesis de clorofila, plastoquinonas y carotenoides, También produce la alteración en la permeabilidad de membrana debido a que el plomo se une fuertemente a los grupos carboxilo de los carbohidratos en la pared celular [137]. En animales, el plomo es capaz de bloquear o reemplazar la interacción del calcio con algunas proteínas, y afecta la síntesis del grupo hemo. Al entrar al cuerpo, se une a los eritrocitos, los cuales lo transportan a hígado, riñones, pulmones, cerebro, bazo, músculos y corazón; la exposición prolongada al metal favorece su acumulación en huesos y dientes. Cantidades pequeñas de plomo son capaces de causar severas anormalidades; en niños puede retrasar el desarrollo físico y psicológico, también causa estrés oxidativo e induce cambios metabólicos en placenta aumentando el riesgo de aborto espontáneo [129]. El plomo es un componente venenoso altamente acumulativo. Se ha reportado que, en cortos periodos de tiempo, las sales de plomo, aún en baja concentración, conducen a la reducción de la protección del sistema antioxidante, acompañado de la acumulación de productos de peroxidación de lípidos, la reducción de la actividad de enzimas como la superóxido-dismutasa, la catalasa, la glutatión-peroxidasa y la glutatión-reductasa [130].

Elementos como el arsénico tienen sus fuentes naturales en la actividad volcánica, incendios forestales, evaporación a baja temperatura desde el suelo, evaporación desde océanos, erosión y eluviación. Entre las fuentes antropogénicas de arsénico encontramos la quema de combustibles fósiles, procesos metalúrgicos, producción de hormigón y cristal, y la agricultura. El arsénico es usado en la producción de herbicidas, preservación de madera, producción de cristal, tintes, armas químicas y purificación de gases industriales. El arsénico es comúnmente encontrado en el suelo de dos formas, arsenito As (III) y arseniato As (V); el arsenito actúa en los organismos uniéndose a grupos tiol (-SH) en enzimas y proteínas, lo cual provoca mal funcionamiento en funciones celulares; mientras que el arseniato es un análogo del fosfato por lo cual interfiere con la captura de fosfato y el metabolismo de la planta; ambos tipos de arsénico llevan a la generación de especies reactivas de oxígeno y estrés oxidativo [138]. El aumento en la concentración de arsénico en el suelo conlleva a la reducción de clorofila α y β en las hojas de Oriza sativa, lo cual se relaciona con la reducción del tamaño de la planta [139]. El arsénico es un elemento que puede causar cáncer en diversos órganos, siendo frecuentes el cáncer de tracto respiratorio y tumores en la piel. [129]. La actividad carcinogénica del arsénico se debe a la inhibición de la poli-(ADP-ribosa)-polimerasa-1 (PARP-1), importante en la reparación del ADN; origina la represión de proteínas como ERCC1, XPB y XPF [133]. La proteína de reparación por escisión de ADN, ERCC1 y la endonucleasa XPF, son proteínas importantes en la reparación de enlaces

cruzados entre cadenas de ADN, los cuales evitan la separación de las hebras de ADN, bloqueando la transcripción y replicación [140, 141]. La endonucleasa XPB es una de las 10 subunidades del factor de transcripción humana IIH (TFIIH) que participa en el sistema de defensa celular para proteger el genoma por reparación por escisión de nucleótidos [142].

El cromo se puede encontrar en la corteza terrestre y en el agua de mar, como cromo metálico (0), trivalente [CR (III)] y hexavalente [CR (VI)]; este último es resultado de la oxidación del cromo trivalente y es altamente tóxico [143] debido a que el Cr (VI) puede ingresar a las células y reducirse a Cr (V), Cr (IV) hasta Cr (III), pero estos estados de oxidación dañan la integridad celular debido a sus propiedades fuertemente oxidativas [137, 144]. El Cr (VI) puede entrar a las células donde es reducido a Cr (III), siendo ésta la especie iónica asociada al daño en el ADN entre las que destacan la fragmentación de la cromatina, entrecruzamiento de ADN y proteínas, así como la formación de aductos de cromo-ADN por la interacción del cromo con adenina y guanina [145, 146]. El cromo ha sido utilizado en la industria por más de 100 años, el cromo metálico es utilizado para la fabricación de acero y otras aleaciones. El cromo trivalente es encontrado en rocas, suelo, plantas, animales y emisiones volcánicas, y el cromo hexavalente se encuentra como resultado de los procesos industriales del cromo trivalente [145]. El Cr (III) es un nutriente esencial con baja toxicidad; se encuentra en yemas de huevo, cereales con contenido de salvado, café, nueces, habas verdes, brócoli, levadura de cerveza y carne [143]. La ingesta permitida de cromo es de 35 μg/día para hombres y 25 μg/día para mujeres jóvenes [147]. El cromo es un cofactor en la acción de la insulina; observándose síntomas de diabetes en personas expuestas a cromo, sugiriendo una relación entre los niveles de cromo y el metabolismo de glucosa y/o lípidos [143, 147]. Los órganos con mayores concentraciones de este metal son hígado, riñones, bazo y huesos [143, 144]. El Cr (VI) puede entrar al cuerpo a través de la respiración, comida o agua; es un agente carcinogénico principalmente en pulmones y en la cavidad nasal. La inhalación de altas concentraciones de Cr (VI) provoca escurrimiento nasal, estornudos, picazón, sangrado nasal, úlceras y hoyos en el septum nasal. La ingesta de Cr (VI) provoca daño en riñones e hígado, náuseas, irritación del tracto gastrointestinal, ulceras estomacales, convulsiones e incluso la muerte. La exposición a la piel de Cr (VI) puede generar úlceras en la piel o reacciones alérgicas [145]. El Cr (VI) tiene la capacidad de entrar a los eritrocitos, unirse a hemoglobina y reducir su actividad [144]. El Cr en plantas influye en su crecimiento de éstas debido a daños a nivel de membrana celular en diversos tejidos, daño en raíces afectando la distribución de agua y nutrientes, daño en cloroplastos reduciendo el contenido de pigmentos fotosintéticos (generando clorosis en hojas), o produciendo de especies reactivas de oxígeno y alterando la actividad enzimática [137].

MÉTODOS CONVENCIONALES PARA LA ELIMINACIÓN DE METALES PESADOS

Los metales pesados son descargados al ambiente en un amplio rango de formas fisicoquímicas, ya sea como iones, sales, partículas, etc. Los iones metálicos pueden ser retenidos por algunos componentes del suelo (minerales o sustratos orgánicos) mediante sorción, precipitación, complejación, y reacciones redox, en un proceso lento [148]. Existen diversas técnicas para eliminar estos contaminantes, conocidas como técnicas de remediación, y que son clasificadas sobre la base de: 1) la naturaleza de la acción que se aplica sobre los metales (inmovilización o extracción); 2) el lugar en donde el proceso es aplicado (in situ o ex situ); 3) tipo de técnica, métodos de contención / eliminación, químicos, físicos, térmicos, biológicos, o monitoreo de atenuación natural.

Diversos procesos físicos son utilizados para la separación de metales pesados de sitios contaminados, basados en la implementación de técnicas de separación por tamaño, gravedad, flotación, depuración por desgaste, clasificación hidrodinámica, separación electrostática y magnetismo [132, 148]. La desorción térmica, es una técnica utilizada para la remediación de suelos con mercurio; este elemento que es encontrado como Hg (0) o Hg (II) en el suelo, al aumentar la temperatura en un rango de 600-800 °C, pueden convertirse en mercurio volátil. Esta técnica como método de remediación tiene como ventaja ser segura, genera menos emisiones de sustancias contaminantes en comparación con otras técnicas de remoción de mercurio; puede reducir la concentración del mercurio residual de suelos a menos de 2 mg·kg-1, y el mercurio volátil puede ser capturado con hasta un 99% de pureza [149].

Las técnicas electrocinéticas usan procesos electroquímicos para la remoción de metales pesados a partir de suelos saturados, parcialmente saturados, arcillas y arcillas de limo; su eficiencia se reduce en sitios contaminados con múltiples metales [148]. La eficiencia de la separación física depende de las características del suelo, como forma y tamaño de las partículas, contenido de arcilla, humedad, contenido húmico, heterogeneidad del suelo, diferencia de las densidades entre la matriz del suelo y los metales pesados, propiedades magnéticas y propiedades hidrofóbicas [132].

Existen técnicas de separación de metales pesados que involucran mecanismos de coagulación-floculación, basados en el potencial zeta (ζ), que es una medida para definir la interacción electrostática entre contaminantes y agentes coagulante-floculantes [132]. La coagulación y la floculación son métodos que potencian la separación de partículas en procesos como sedimentación o filtración en agua. Las partículas coloidales y otras materias finamente divididas se asocian y aglomeran para formar partículas de mayor tamaño que posteriormente se pueden eliminar de una manera más eficaz por otros métodos. La floculación es un proceso que permite la asociación de partículas coloidales, y con ello la formación de partículas más grandes, que son más fáciles de separar por sedimentación o filtración [150]. El aumento en el tamaño de las partículas en el proceso de floculación es debido a las colisiones o interacciones con polímeros orgánicos o inorgánicos agregados, como sales basadas en aluminio o hierro, o polímeros orgánicos sintéticos, conocidos como polielectrolitos [132, 150]. La coagulación ha mostrado efectos positivos en la remoción de contaminantes de tipo materia orgánica toxica, virus, radionucleidos y metales, mediante la absorción por coloides. Este método es viable para la desestabilización y aglomeración de material; es utilizado para el tratamiento de aguas. El proceso de coagulación se divide en tres pasos secuenciales: formación del coagulante, desestabilización de partículas, y colisión entre partículas. Los dos primeros pasos son rápidos y ocurren en un mismo tanque de mezcla rápida. El tercer paso tiene lugar en un tanque de floculación con flujo y mezcla lenta para aglomerar las partículas [150].

Otra técnica utilizada es la precipitación química, la cual es aplicada para la remoción de metales pesados a partir de efluentes inorgánicos de la industria [132]. Este proceso elimina los iones metálicos solubles no deseados por su conversión a una forma no soluble; este proceso implica la alteración en el equilibrio iónico para la producción de precipitados insolubles, con la finalidad de ser eliminados fácilmente por sedimentación. La precipitación es seguida por la separación de sólidos por medio de técnicas como coagulación, sedimentación o filtración. Existen diferentes tipos de precipitación química: precipitación de hidróxido, precipitación de sulfuro, precipitación de cianuro, precipitación de carbonato o coprecipitación. Este proceso es utilizado para ablandamiento y estabilización de agua, eliminación de metales pesados, así como de eliminación de fosfatos [151].

Una técnica muy empleada para la remoción de contaminantes es el uso de membranas de filtración, las cuales son capaces de remover sólidos suspendidos, componentes orgánicos y contaminantes inorgánicos [132]. Las técnicas de membrana utilizadas en el tratamiento de aguas son categorizadas en dependencia del tamaño de partícula que retienen; entre ellas destacan la electrodiálisis [152], la ósmosis inversa [153], la microfiltración, la ultrafiltración y la nanofiltración [154].

MÉTODOS BIOLÓGICOS PARA LA ELIMINACIÓN DE METALES PESADOS: LA BIORREMEDIACIÓN

La biorremediación se refiere al empleo de organismos vivos para eliminar desechos, sustancias peligrosas u otros contaminantes del ambiente [155]. La biorremediación permite la eliminación de compuestos de desecho, degradando los contaminantes; permitiendo así la desintoxicación de ambientes contaminados [20]. La naturaleza de los contaminantes a tratar por este método considera agroquímicos, compuestos clorados, colorantes, gases de efecto invernadero, metales pesados, hidrocarburos, residuos nucleares, plásticos y aguas residuales [22]. La biorremediación es un proceso económico (Tabla 10) que presenta la posibilidad de poder ser acoplada con otras técnicas de tratamiento, estableciendo una cadena de tratamiento para desechos mixtos y complejos [20].

Tabla 10. Comparación en costos en procesos de remediación.

Tomado de Juwarkar et al. [20]. Costo estimado en libras esterilinas por tonelada de suelo.

La contaminación por metales pesados impacta en la dinámica de los ecosistemas. En ambientes contaminados existen comunidades microbianas menos diversas [20]; estas comunidades muestran una estrategia colectiva de cambio de una población nativa a una aclimatada [156]. Los organismos adaptados al medio contaminado pueden presentar funciones catabólicas especializadas, con ello realizar la tarea de biorremediación del o de los contaminantes del medio [157]. Existen diferentes técnicas de biorremediación cuya aplicación utiliza diversos criterios de selección tales como la naturaleza del contaminante, la profundidad y grado de contaminación, el tipo de ambiente, la ubicación, el costo y las políticas ambientales [22]. Las técnicas de biorremediación se pueden adaptar a las condiciones del sitio, para lo cual se realiza la identificación del problema, la evaluación de la naturaleza del contaminante y su peligrosidad. La elección de la técnica de bioremediación exige el conocimiento del proceso a detalle, de lo contrario, su empleo podría conducir a la producción de sustancias más nocivas o móviles que el compuesto original [20]. Un claro ejemplo es el del bioaumento del suelo con Phragmites australis (carrizo) y su bioestimulación con fósforo para la eliminación de endosulfán, cuya aplicación produjo un efecto de volatilización en lugar de degradación de uno de los plaguicidas organoclorados más abundantes en la atmósfera [158]. Las técnicas de biorremediación más utilizadas son fitorremediación, bioblanqueamiento, biorreactores, compostaje, rizofiltración y bioestimulación [155].

BIOLIXIVIACIÓN

La biolixiviación es la movilización de cationes metálicos procedentes de minerales mediante procesos biológicos de oxidación y de complejación. Los metales para los que se suele usar esta técnica son cobre, cobalto, níquel, zinc y uranio, los cuales son extraídos de sulfuros insolubles [159]. La biolixiviación permite la extracción de minerales a partir de desechos y depósitos de minerales del suelo. El proceso de lixiviación es comúnmente observado en pilas biológicas y biolixiviación in situ [160]. La actividad microbiana es la causante de la disolución del mineral mediante la generación de agentes oxidantes y por una oxidación posterior de los compuestos de azufre liberados, de sulfuro metálico a ácido sulfúrico. Los microorganismos predominantes que disuelven sulfuros metálicos son bacterias y arqueobacterias acidófilas que oxidan compuestos de azufre inorgánico y iones de hierro (II). Los géneros de bacterias lixiviantes pertenecen a los géneros Acidithiobacillus, Acidiphilium, Acidiferrobacter, Ferrovum, Leptospirillum, Alicyclobacillus, Sulfobacillus, Ferrimicrobium, Acidimicrobium y Ferrithrix; en estos géneros encontramos bacterias mesófilas y moderadamente termófilas. Para las arqueas, los géneros son Sulfolobus, Acidianus, Metallosphaera, Sulfurisphaera y Ferroplasma; estos géneros son oxidantes de hierro (II) y azufre extremadamente termófilas [159].

BIOSORCIÓN

La biosorción es un proceso fisicoquímico natural, utilizado principalmente en la eliminación de contaminantes como metales pesados, sustancias radioactivas, colorantes, compuestos fenólicos y pesticidas, presentes en efluentes en bajas concentraciones [161]. La biosorción utiliza material de origen biológico, y se basa en mecanismos como absorción, adsorción, intercambio iónico, complejación superficial y precipitación [162]. La biosorción utiliza biomasa residual inactiva para eliminar los contaminantes de la solución acuosa mediante un proceso no metabólico, en el cual, esta biomasa se une pasivamente el contaminante debido a la presencia de diversos grupos funcionales y/o metabolitos presentes en su superficie [163].

La biosorción consta de dos fases, una fase sólida (sorbente), y una líquida (disolvente) la cual contiene el contaminante. Los biosorbentes pueden ser bacterias, hongos o algas, así como desechos vegetales y forestales, lo cual permite la reutilización de material agrícola y forestal. El alto contenido de celulosa en el material vegetal lo convierte en un instrumento eficaz para la biosorción de iones de metales pesados. Se han utilizado como biosorbentes de origen vegetal a semillas, hojas, raíz, bagazo, tallo, paja, corteza, flores y cáscaras [164]. Los biosorbentes son tratados como desechos sólidos después de varios ciclos de biosorción-desorción. La propiedad de unión del biosorbente está determinada por la presencia de grupos funcionales del tipo carboxilo, amino, fosfato y sulfonato, que tienen la capacidad para unirse a los contaminantes. Se ha comprobado que los sitios de biosorción en el material pueden variar para diferentes contaminantes, maximizando la reutilización del biosorbente [161]. Se ha reportado el proceso de biosorción para Pb (II) y Zn (II) por Oceanobacillus profundus (bacteria aerobia), aislada de sedimentos de una mina en Zambia, África. O. profundus mostró un porcentaje de remoción del 97% de Pb (II) a partir de una concentración de 50 mg·L-1, y una remoción del 54% de Zn (II) a partir de una concentración inicial de 2 mg·L-1 [163].

BIOAUMENTACIÓN

La bioaumentación consiste en introducir microorganismos exógenos con capacidades biodegradadoras con el objetivo de asegurar el proceso de biodegradación y reducir los tiempos de tratamiento [157, 158]. Existen dos enfoques de bioaumentación; uno de ellos consiste en agregar microorganismos con potencial catabólico para complementar o reemplazar la población de microorganismos nativos. Las bacterias o consorcios incorporados a un ambiente contaminado pueden sobrevivir y superar a los organismos nativos, ocupando el nicho metabólico [157]; aunque existe la posibilidad de que los microorganismos se conviertan en invasores e impacten negativamente el ambiente [158]. El segundo enfoque consiste en la adición de una concentración alta de microorganismos, que en el nicho ejecutan actividades biocatalizadoras por un periodo de tiempo y degradan una cantidad significativa de contaminante. Posteriormente se inactivan o perecen debido al estrés biótico o abiótico en el medio contaminado [157]. Como se ha sido mencionado, se ha utilizado a Phragmites australis (carrizo) para la degradación de endosulfán en el tratamiento de suelo contaminado; la estimulación de la actividad con sacarosa favoreció la reducción de 76-77% de endosulfán; sin embargo, la incorporación de un consorcio bacteriano constituido por bacterias de los géneros Alcaligenes, Labrays y Serratia mostró ser una estrategia entre el 5.91-7.60% más eficiente para la remoción de este contaminante; además, la actividad microbiana no genera el problema de la volatilización del contaminante a través de las hojas; problemática que se presenta en el caso de la actividad vegetal [158].

BIOESTIMULACIÓN

La bioestimulación consiste en la adición de uno o más nutrientes al sitio contaminado, y la optimización de las condiciones, como la disponibilidad de oxígeno, temperatura, pH y potencial redox, de manera que se incremente la velocidad de la tasa de biodegradación de los contaminantes [157, 158, 165]. Las variables por optimizar dependen del sistema de origen. En la biorremediación de ambientes marinos, la ausencia de nitrógeno y fósforo es una limitante [165]. En la biorremediación de sitios contaminados con hidrocarburos, los microorganismos son capaces de utilizar estos contaminantes como fuente de carbono y energía, pero requieren la adición de nitrógeno y fósforo al entorno [166, 167].

BIOPILAS

La biorremediación por biopilas, también llamadas bioceldas o pilas de composteo, es una técnica biológica controlada, en la que contaminantes orgánicos son biodegradados y mineralizados. Esta técnica de remediación consiste en la estimulación de la actividad microbiana mediante la aireación, adición de nutrientes y humedad. Se compone de varias etapas como aireación, riego, sistemas de recolección de nutrientes y lixiviado. La técnica permite tratar un gran volumen de suelo contaminado en un espacio limitado [22, 168]. La aireación puede ser pasiva o forzada, en el caso de la segunda se utilizan bombas de aire que brindan una mejor distribución de aire, pero no es viable en zonas remotas. El incremento de la temperatura puede potenciar la actividad microbiana y la disponibilidad de contaminantes, no obstante, requiere un monitoreo constante de la temperatura del aire para evitar el secado del suelo, la inhibición de la actividad microbiana y la volatilización de los contaminantes. La implementación de un sistema de humidificación de las biopilas mantiene en óptimas condiciones el contenido de humedad sin promover en exceso la lixiviación, potencia la biodegradación y minimiza la volatilización [168]. A pesar de las de bajas temperaturas y baja disponibilidad de nutrientes en el suelo, la biorremediación por biopila en conjunto de la bioestimulación es factible aún en sitios como la Antártida, para la eliminación de hidrocarburos en suelo. El uso de biopilas con bacterias de los géneros Caulobacter, Sphingomonas, Brevendimonas y Rhodoferax a temperaturas promedio de 0.9 °C (-5.5 – 7.7 °C) y enriquecidas con harina de pescado como fuente de N y P, redujo significativamente la cantidad de estos contaminantes [167].

BIOACUMULACIÓN

La bioacumulación es la acumulación de contaminantes orgánicos o inorgánicos en tejidos animales o vegetales, entre los que encontramos peces, coleópteros, musgos, líquenes, entre otros [169]. El proceso de absorción es controlado metabólicamente por la biomasa viva, la cual requiere la interacción entre el contaminante y la pared celular. Dentro de la célula, el contaminante se une a sitios activos de absorción, compuestos por polisacáridos y proteínas [163]. En la bioacumulación, la interrupción a la exposición del contaminante favorece la excreción de la sustancia acumulada al medio ambiente. El monitoreo de bioacumuladores en cultivos permite evaluar el grado de contaminación de los ambientes con hidrocarburos, compuestos radiactivos o metales pesados como plomo, vanadio, cadmio, cromo, zinc, níquel y manganeso [169].

BIORREMEDIACIÓN CON HONGOS

La biorremediación fúngica implica el uso de enzimas de origen fúngico para la biocatálisis de contaminantes. El empleo de enzimas en biorremediación permite la eliminación de contaminantes, sin producir un daño ambiental, en comparación con los métodos químicos convencionales [170]. Algunas de las enzimas lignolíticas extracelulares ampliamente usadas son la lacasa, la peroxidasa de manganeso y la peroxidasa de lignina, las cuales tienen la capacidad de eliminar sustancias xenobióticas [171]. Las lacasas son enzimas del grupo de las oxidasas de cobre azul, que catalizan la oxidación monoelectrónica de diversas sustancias, siendo unos de los más importantes, los compuestos fenólicos. Estas enzimas son capaces de convertir en nutrientes productos como madera, plásticos y pinturas, entre otros [172]. Las lacasas han sido utilizados en el biopulpeo, que es el pretratamiento fúngico de madera para la producción de pulpa, aprovechando la capacidad de hongos de pudrición blanca, de degradar selectivamente la lignina de la madera dejando la celulosa [173]. Se han utilizado diferentes especies de hongos con la finalidad de reducir la presencia de diferentes contaminantes en el ambiente. La biomasa seca del hongo Phanerochaete chryosporium (hongo degradador de lignina) tiene la capacidad de biosorber mercurio en la forma de mercurio inorgánico (HgCl2), metil mercurio (CH3HgCl) y etil mercurio (C2H5HgCl) [174]. Los llamados “hongos de pudrición blanca”, organismos que se alimentan de la lignina y de los polisacáridos que componen la madera, son más eficientes que las bacterias en la degradación de fenoles simples y complejos [175]. Por ejemplo, el hongo Trametes versicolor (seta medicinal en medicina china) es efectivo para la remoción de fenoles en aguas residuales de almazaras, la cual contiene compuestos fitotóxicos y componentes antimicrobianos, entre los que destacan compuestos fenólicos, ácidos volátiles, polialcoholes y componentes nitrogenados [176]. El hongo Cerrena sp. (habitante de madera muerta), es capaz de disminuir en un 75% los fenoles totales de las aguas residuales de almazaras [175]. También se han utilizado hongos como Cladosporium sp., Fusarium sp., Penicillium sp., Aspergillus sp. y Pleurotus sp. para la eliminación de creosota y de hidrocarburos aromáticos policíclicos; obteniendo una reducción del 94.1% en el porcentaje de creosota (derivado del fraccionamiento de alquitranes. La misma mezcla fue capaz de degradar completamente naftalina, antraceno, fenantreno, pirrol y floureno; degradó pirineo, criseno, fluoranteno y benzo(a)-pirineo [177]. Se ha reportado que Penicillium citrinum es capaz de reducir hasta en un 80% de la concentración de Cr (VI) de efluentes de la industria de curtiduría, mediante el uso de un biorreactor de columna de burbujas [178].

Algunas especies de hongos poseen la capacidad de producir ácido oxálico, agente quelante y reductor, capaz de aumentar la acidez del sustrato y con ello la solubilidad de los metales. Entre los hongos con la capacidad de producir ácido oxálico se encuentran Formitopsis palustris, Laetiporus sulphureus y Coniphora puteanea. Se ha reportado que el ácido oxálico producido por estas especies es capaz de lixiviar compuestos de arseniato de cobre cromado, el cual es utilizado en tratamientos para la conservación de madera. Al tratar aserrín conteniendo arseniato de cobre cromado, con ácido oxálico generado por F. palustris, se removió cerca del 72% de cobre, 87% de cromo y 100% de arsénico, el tratamiento con L. sulphureus removió 50% de cobre, 69% de cromo y 85% de arsénico, y tratamiento con C. puteana removió 67% de cobre, 19% de cromo y 18% de arsénico [179].

FITORREMEDIACIÓN

El término fitorremediación se refiere a una serie de técnicas de eliminación del ambiente, de contaminantes orgánicos e inorgánicos, mediante el uso de plantas y de los microorganismos asociados a estas; con la finalidad de detoxificar, transformar, extraer, secuestrar o asimilar diversos compuestos inorgánicos tóxicos y contaminantes orgánicos en el ambiente, especialmente en el suelo, mantos acuíferos, agua superficial y aire [73, 180]. La fitorremediación requiere abarcar dos procesos, el primero que consiste en el control y estabilización del contaminante, previniendo su difusión a otros sitios. El segundo se refiere a la “cosecha” de la planta acumuladora, con alto contenido de contaminantes, para la reducción de la concentración de éste en el medio; el material “cosechado” puede ser tratado mediante diversos procesos como precipitación química, adsorción, intercambio iónico y tecnologías electroquímicas con la finalidad de facilitar su almacenamiento [181].

La fitoextracción involucra la captación de metales pesados por las raíces de la planta con la subsecuente acumulación de altas concentraciones de iones metálicos en sus diferentes órganos (Figura 2) [182, 183]. Los metales acumulados pueden ser recolectados y utilizados con propósitos no alimenticios, o ser tratados para el reciclaje de los metales en caso de ser económicamente factible, o ser eliminados en vertederos [184]. Ramana et al., en 2013 [185], demostraron la capacidad de las rosas para crecer y absorber Cr (VI). El uso de agentes quelantes aumenta la biodisponibilidad del metal pesado para la planta, mediante la desorción del metal pesado desde la matriz del suelo a una solución; lo cual puede potenciar la captura y translocación del contaminante [184, 186]. Triticum aestivum (trigo), es capaz de crecer en sitios con concentraciones de hasta 2000 mg Pb·kg-1 de suelo seco, en presencia de EDTA (ácido etilendiamino tetraacético) y ácido acético como quelantes, siendo capaz de absorber plomo y translocarlo en su raíz y órganos aéreos, aunque presenta una reducción en el crecimiento de la biomasa de su raíz [184]. Sesbania exaltata, una planta fanerógama de la familia de las leguminosas es capaz de acumular plomo en sus raíces, aunque en este caso, el uso de quelantes como EDTA y ácido acético producen una reducción en la biomasa por estrés debido a los altos niveles de fitotoxicidad ocasionada por estos quelantes [186]. Se ha demostrado la capacidad del ácido acético para la desorción de plomo, cadmio y níquel del suelo [187]. El aumento en la disponibilidad del metal puede conllevar a un riesgo de transportar el contaminante hacia otros sitios, y por ello debe ser optimizado el uso de quelantes al grado de reducir el volumen de lixiviados a la menor cantidad posible [184].

Figura 2. Principales órganos en los que se acumulan metales pesados en plantas. Mn* solo en hojas viejas. ** Sn, Cu, Se, Co en semillas; Mn en vainas. Información modificada de [35]. Imagen adaptada de Troiani et al. [188].

La rizofiltración utiliza la capacidad de las raíces de ciertas especies de plantas para la absorción, concentración y precipitación de contaminantes [182, 189]; siendo muy utilizada para la purificación de agua contaminada [190]. Diferentes especies de plantas poseen esta capacidad, por ejemplo, Plectranthus amboinicus (orégano francés), una planta herbácea de la familia de las lamiáceas que es utilizada como planta aromática y curativa, la cual puede acumular plomo en sus raíces, con reducciones de casi el 100% del plomo presente en el suelo, se ha reportado una translocación limitada hacia tallo y hojas, lo cual no influye en su uso como planta medicinal [189]. Zea mays (maíz) es capaz de absorber hasta un 58% de cationes de Zn (II); Dactylis glomerata (dátilo), una gramínea de importancia forrajera absorbe el 40%; y Secale cereale, otra planta de la familia de las gramíneas, un 39% de Zn (II); Z. mays y D. glomerata son capaces de absorber hasta 91% del total de zinc presente en el medio. Plantas como Secale cereale (el centeno) y Phleum pratense (una especie de planta herbácea perenne) presentaron la capacidad de absorber más del 90% del cadmio presente en suelos contaminados con este metal [190].

La fitoestabilización se refiere al uso de plantas para la reducción en la biodisponibilidad de metales pesados [191] mediante la transformación de especies químicas tóxicas a especies químicas menos tóxicas, evitando de esta manera, la exposición de contaminantes tóxicos a vías de dispersión aéreas o acuáticas [182]. Las plantas Spartina densiflora (gramínea de origen sudamericano) y Spartina marítima (planta perenne rizomatosa) tienen la capacidad de oxigenar su rizosfera, generando un suelo oxidante; de esta manera, en estuarios altamente contaminados con metales pesados, fueron capaces de inmovilizar cobalto en el substrato subyacente a su rizosfera. Los óxidos de fierro que se generan en el ambiente poseen una alta afinidad para adsorber el cobalto [192].

La fitovolatilización, es un proceso de absorción y transpiración, por parte de las plantas, de contaminantes solubles en agua. Los contaminantes son absorbidos por las plantas y se volatilizan a la atmósfera por transpiración [183]. La fitovolatilización puede existir de manera directa o indirecta; la forma directa, resulta de la absorción y translocación de los contaminantes por la planta, hasta que eventualmente el compuesto es volatilizado a través de los órganos aéreos. Esta vía es semejante a la vía vascular de transpiración del agua, aunque difiere en que muchos de los contaminantes son moderadamente hidrófobicos. Los contaminantes presentan la capacidad de difundirse a través de barreras hidrofóbicas como la cutina en la epidermis o la suberina en los tejidos dérmicos leñosos. La volatilización de compuestos producidos o transformados por la planta no son considerados como volatilizados directamente. La fitovolatilización indirecta es el aumento del flujo de contaminantes volátiles del subsuelo como resultado de actividades de las raíces de las plantas; la actividad de estas raíces puede aumentar el flujo de contaminantes volátiles del subsuelo [193]. La fitovolatilización ha sido utilizada para el tratamiento de suelos halófilos [183] o para la eliminación de hidrocarburos alifáticos clorados, por ejemplo, la eliminación del 1,1,1-tricloroetano y el tricloroetileno fitovolatilzados por Medicargo sativa (alfalfa) [194]. Se ha comprobado que hay especies de plantas con la capacidad de utilizar este proceso para la eliminación de metales pesados, como Pteris vittata (un helecho), capaz de fitovolatilizar arsénico [195]. Por ingeniería genética se han modificado plantas hiperacumuladoras, para incrementar la capacidad de eliminación de metales contaminantes. Por ejemplo, Oriza sativa (arroz) presenta la capacidad de absorber arsenito (As III) de manera eficiente en comparación con otros cultivos; esta planta ha sido modificada por inserción del gen arsM de Rhodopseudomonas palustris, para fitovolatilizar el arsénico [196].

La fitorremediación ha sido utilizada para la remoción de productos farmacéuticos como el paracetamol y el metilparabeno por la planta ornamental Alternanthera spp. [197]. Crotalaria retusa (una hierba anual) y Impatiens balsamina (conocida como balsamina, madama o alegría) se han empleado en la remoción de aceites lubricantes usados de autos [198]. Para la remoción de Cr (VI) han sido utilizadas algas filamentosas [199] y a Chrysopogon zizanioides (planta perenne de la familia de las gramíneas) [200]. Para la acumulación de metales como cadmio, zinc y plomo, se ha reportado la capacidad de árboles de Pinus silvestris, Picea abies y Quercus robur [73], mientras que Eichhornia crassipes (llamada también jacinto de agua o lirio acuático) es capaz de extraer y acumular metales como aluminio, arsénico, cadmio, cobre, hierro, níquel, plomo, antimonio, titanio, vanadio y zinc en los tejidos sumergidos, así como cobre y manganeso en las estructuras aéreas, en la remediación de los canales de Xochimilco [201]. Eichhornia crassipes es capaz de absorber el 16.56% cadmio y 15% de mercurio, [202]. Dittrichia graveolens (planta fanerógama perteneciente a la familia de las asteráceas) se reportó como acumuladora de cadmio y cobre, para Alyssum murale (plantas de la familia Brassicaceae) se reportó la acumulación de cobalto, mientras que Herniaria hirsuta (una hierba anual) fue capaz de acumular cromo y Alyssum markgrafii al níquel [203].

MICROORGANSMOS CON POTENCIAL BIORREMEDIADOR: EL GÉNERO BACILLUS

El género Bacillus pertenece al Dominio Bacteria, Filo Firmicutes, Clase Bacilli, Orden Bacillales, Familia Bacillaceae [23]. El género está constituido por 179 especies, y fue descrito por Cohn en 1872 [204] (Figura 3). El género Bacillus agrupa bacterias Gram-positivas, alargadas, positivas a catalasas, con metabolismo aerobio o anaerobio facultativo, pueden encontrarse en solitario o en conjunto [23, 205, 206, 207]. Las especies del género Bacillus poseen la capacidad de adaptarse a entornos rápidamente cambiantes o ausentes de nutrientes mediante el desarrollo de endosporas [208]. La habilidad para formar endosporas en condiciones anaerobias fue definida como un carácter del género en la década de los 1920´s [23]. Las endosporas son estructuras inactivas no reproductivas, producidas por bacterias Gram-positivas; es un mecanismo de supervivencia para permanecer por un largo periodo de tiempo en condiciones hostiles [208] como altas temperaturas, radiación, desinfectantes y desecación [23, 209]. La formación de endosporas le permite sobrevivir en medios adversos para las células vegetativas pues permite resistir altas condiciones de estrés químico y físico. Cuando se encuentran en condiciones óptimas, con respecto a nutrientes, temperatura, pH y demás condiciones, las células del género Bacillus pueden crecer y dividirse por fisión binaria [23]. En el género Bacillus, la esporulación puede a provocar cambios moleculares y celulares, como la biosíntesis de ácido dipicolínico en células esporuladas, el cual forma un complejo con iones de calcio dentro del núcleo de la endospora, uniéndose a las moléculas de agua libres y provocando la deshidratación de la espora [208].

El género Bacillus ha sido de gran interés en la medicina, agricultura e industria, en parte debido a su capacidad para formar endosporas, resistentes a la desecación y choque térmico [23, 26, 209], y por producir una amplia variedad de metabolitos secundarios. Se estima que, entre el 4 al 5% de su genoma codifica para la síntesis de metabolitos secundarios [207] entre los que encontramos sustancias antagonistas contra organismos patógenos [207, 210], moléculas con potencial de tratamiento a enfermedades [211], con fines industriales [27, 212] o por su potencial para dañar la salud humana [213].

A nivel ambiental, las rizobacterias promueven el desarrollo vegetal por medio de mecanismos directos o indirectos. Los indirectos se refieren a aquellos relacionados con la eliminación de organismos fitopatógenos, por medio de la producción de sustancias antibióticas o líticas, por competir con estos por nutrientes o espacio; o por la estimulación de la resistencia sistémica inducida. Los mecanismos directos incrementan la disponibilidad de nutrientes en la rizosfera; esto mediante mecanismos como la fijación de nitrógeno, producción de fitohormonas, vitaminas, enzimas, solubilización de fósforo inorgánico, oxidación de sulfuros o reducción de la toxicidad de metales pesados [214]. Algunas especies del género Bacillus producen distintas sustancias que influyen en la regulación de diferentes rutas de biosíntesis de fitohormonas, modulan niveles de etileno, o emiten compuestos orgánicos volátiles con actividad biológica brindando protección y estimulando el desarrollo de su hospedero.

Figura 3. Analisis filogenético de secuencias del gen 16SrDNA de especies de Bacillus, llevado a cabo para este trabajo. La historia evolutiva se infirió por el método de “Maximum Likelihood” basado en el modelo de Jukes-Cantor [215]. Se muestra el árbol con el valor más alto de similitud (-15771.0014). El árbol está dibujado a escala, con la longitud de las ramas medidas con base en el número de sustituciones por sitio. El análisis involucró 378 secuencias de nucleótidos. Todas las posiciones que contuvieron gaps y datos faltantes fueron eliminadas. Un total de 1146 posiciones fueron utilizadas en la base de datos final. El análisis evolutivo se llevó a cabo utilizando el programa MEGA7 [216].

Estos organismos pueden ser epifitos o endófitos, presentando la capacidad para formar colonias en la rizosfera [24], siendo esta la primera línea de defensa de la planta contra los organismos fitopatógenos edáficos, evitando su establecimiento en la raíz [210]. La producción de sideróforos, los cuales permiten la quelación de iones metálicos, reduce los efectos tóxicos sobre el organismo, como el estrés oxidativo causado por especies reactivas de oxígeno (ROS) [217]. La enzima ACC desaminasa es la responsable de la hidrólisis del ACC (ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico), lo cual permite utilizar a ACC como fuente de nitrógeno para la planta [138, 214]. El ácido indol-3-acético (AIA) es una auxina; las auxinas son fitohormonas participes en procesos de desarrollo de la planta, interviniendo en procesos de división, elongación y diferenciación celular [218]. El AIA está involucrado con la elongación de raíces e incrementa el número de pelos radiculares quienes se involucran en la captura de nutrientes [219]. El AIA es producido por plantas, pero también hay bacterias con la capacidad para sintetizarlo entre los que encontramos a los géneros Pseudomonas, Rhizobium, Azospirillum, Enterobacterm, Azotobacter, Klebsiella, Alcaligenes, Rubrivias, Gluconacetobacter, Agrobactrium, Streptomyces, Pantoea y Streptomyces [220]; también hay cepas pertenecientes al género Bacillus capaces de sintetizarlo como las expuestas por Mazhar et al. [221].

El fósforo es uno de los más importantes macronutrientes, esencial para el desarrollo de los seres vivos. El suelo suele presentar reservas de fósforo, pero estas se encuentran en forma de fósforo inorgánico lo cual lo hace inviable para la captura por plantas. Ciertas bacterias presentan la capacidad de solubilizar el fósforo inorgánico, algunos de los géneros bacterianos con cepas con esta capacidad son Achromobacter, Burkholderia, Agrobacterium, Microccocus, Pseudomonas, Rhizobium y Bacillus [222]. La deficiencia de hierro es un problema común en las tierras de cultivo, destacando que el pH es uno de los principales factores que influyen en la disponibilidad de hierro, pues en suelos con pH básico los iones de hierro no se encuentran solubles y por tanto, no disponibles para plantas. Entre los efectos por la deficiencia de hierro encontramos a la clorosis [223]; la clorosis por deficiencia de hierro se debe a que el hierro activa al ácido δ-aminolevulínico durante la síntesis de clorofila [224]. Bacillus pumilus y Bacillus licheniformis, presentan actividad promotora de crecimiento en plantas con la producción de giberelinas, capaces de promover la elongación de tallos, incrementar el área de foliar en Alnus glutinosa (una leguminosa arbórea) [225].

Especies pertenecientes al género Bacillus han sido utilizadas en procesos de biocontrol de fitopatógenos, por antibiosis (producción de metabolitos secundarios con actividad antibiótica o antifúngica), o indirectamente induciendo la resistencia sistémica del hospedero estimulando su crecimiento y defensas [25, 226, 227, 228]. El uso de este género, como herramienta de biocontrol, se remonta a mediados de 1930, con Bacillus thuringensis, debido su capacidad para producir cristales con actividad insecticida [25]. B. thuringiensis ha sido de gran importancia en el mercado de los insecticidas debido a la producción de toxinas insecticidas en forma de cristales con inclusiones de proteínas Cry, las cuales presentan actividad insecticida en contra de un amplio número de especies. Se han clasificado más de 500 secuencias diferentes de genes cry [229].

En pruebas de cultivo doble de B. subtilis y Fusarium verticilliodes (un hongo fitopatógeno), B. subtilis mostró un 60% de inhibición del crecimiento del hongo y una reducción en la producción de la fuminicina B1 (una micotoxina) producida por F. verticilliodes [209]. B. subtilis también es capaz de inhibir el crecimiento de Botrytis cinerea (moho gris del tomate) in vitro [230]. Pruebas de antagonismo por co-cultivo entre Heterobasidion parviporum y Heterobasidion annosum (de los hongos patógenos más importantes a nivel forestal) contra B. subtilis mostraron la capacidad de la bacteria para inhibir el desarrollo de los hongos [226]. Compuestos volátiles emitidos por las cepas B. subtilis y B. cereus inhibieron el crecimiento de Phytophthora infestans (productor del tizón tardío en papa) [228]. Bacillus velezensis es capaz de controlar el crecimiento micelar de Botrytis cinérea (patógeno de muchas especies vegetales) y de promover el crecimiento de la planta de pepino, tras la eficiente colonización del colonizando suelo de la rizosfera [231]. También han sido utilizadas las sustancias producidas por bacterias del género Bacillus, como reportaron Ariza & Sánchez [232], quienes inhibieron el crecimiento de Fusarium sp. (hongos ampliamente distribuidos en el suelo) entre 70% al 100%, utilizando Iturina A, obtenida a partir de B. subtilis. Ajaz et al. [233] utilizaron Bacillus para la producción de nanopartículas de plata (Zero-valent nanoparticles, ZV-AgNPs), las cuales presentan actividad antifúngica contra Colletotrichum falcatum (responsable de antracnosis en casi todos los cultivos destinados a la producción de alimentos, fibras y forrajes a nivel mundial).

Algunas especies del género Bacillus y géneros relacionados han sido utilizadas con distintivos fines comerciales, como es el caso de las cepas de B. cereus ATCC 14579, Alkalihalobacillus clausii ATCC 10317, A. clausii ATCC 21536, A. clausii ATCC 21537 y A. clausii DSM 8716, que han sido utilizados como probióticos, ya sea para humanos o animales; las cepas utilizadas como probióticos deben ser reconocidas como seguras bajo las directrices de la FAO y OMS [26]. Bacterias del género Bacillus también pueden ser utilizadas como productoras de sustancias de interés, como el caso de B. subtilis, que ha reportado la capacidad para producir Scyllo-inositol, un agente terapéutico poco común prometedor utilizado contra Alzheimer a partir del isómero myo-inositol, el cual es más barato y abundante en la naturaleza [234]. Bacillus megaterium cuenta con la maquinaria molecular para la producción de carotenoides, los cuales tienen una actividad antioxidante, protegiendo a las células de daño fotooxidativo, eliminando especies reactivas producidas por estímulos lumínicos [234]; B. megaterium es capaz de producir la vitamina B12, que funciona como cofactor en la síntesis y regulación de ADN, en la síntesis de ácidos grasos, en el metabolismo de proteínas y en la síntesis de hemoglobina. La producción industrial de esta vitamina por síntesis química requiere de hasta 60 etapas, lo cual es costoso; por ello, el uso de B. megaterium para la producción de vitamina B12 por fermentación es más accesible [27].

El género Bacillus también ha sido reconocido por su potencial para degenerar la salud en mamíferos; siendo la especie B. cereus la causante del síndrome diarreico en el hospedero, provocando calambres abdominales y diarrea por la producción de una toxina emética (dodecadepsipéptido cerulida), que es altamente resistente al calor, a la proteólisis, a los ácidos y a los álcalis. Esta especie también produce tres enterotoxinas, las cuales son la hemolisina BL (Hbl), la enterotoxina no hemolítica (Nhe) y la citotoxina K (CytK), que son enterotoxinas formadoras de poros [213]. Algunas cepas de B. cereus han sido reconocidas como patógenos en ganado capaces de causar mastitis y aborto en vacas [23]. B. anthracis es el organismo causante del ántrax; esta bacteria ha sido investigada por su potencial como arma biológica desde la primera guerra mundial. B. anthracis puede expresar toxinas que causan hemorragia, edema y necrosis; también es capaz de sintetizar una cápsula de poliglutamilo, la cual inhibe la fagocitosis del huésped de la forma vegetativa; la infección ocurre a través de rupturas cutáneas (ántrax cutáneo) o a través de la mucosa (ántrax gastrointestinal), genera grandes cantidades de exotoxinas y puede causar una septicemia severa [235]. Esporas de Bacillus anthracis fueron utilizadas durante un atentado terrorista en 2001 en Estados Unidos. B. licheniformis, produce toxinas que se encuentran relacionadas con septicemia, peritonitis, oftalmitis e intoxicación por alimentos, entre los que se encuentra la leche [236], fórmulas de alimentación infantil, helado, pastel de carne molida, entre otros; los efectos de la infección incluyen calambres estomacales, vómito, diarrea, náuseas, dolor abdominal o ardor oral [237].

BACILLUS Y LA TOLERACIA A METALES PESADOS

El proceso de biorremediación involucra el uso de microorganismos para la detoxificación y degradación de contaminantes ambientales [238]. El género Bacillus ha sido utilizado para la eliminación de residuos petroquímicos [28, 239, 240, 241], desechos de la industria de pulpa y papel [29, 242], remoción de desechos nitrogenados [243, 244], degradación de ésteres de ácido ftálico presentes en plastificantes [245], decloración de efluentes de industria de curtiduría [246], entre otros. Sin embargo, el género Bacillus también ha sido utilizado para la optimización en procesos de fitorremediación de sitios contaminados con metales pesados [5]. Las bacterias pertenecientes a este género presentan diversos mecanismos que les permiten tolerar la presencia de metales pesados en el ambiente, entre los que podemos encontrar la exclusión, biosorción, bioacumulación, entre otros [247]. Se ha reportado la capacidad de remoción de metales pesados por biosorción debido a la afinidad de estos elementos con ácido teicurónico y peptidoglucanos presentes en la pared celular de Bacillus [248, 249]. La producción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) es un mecanismo para evitar la toxicidad de metales pesados en las células; por ejemplo, Bacillus vallismortis aumenta la producción EPS al exponerse a Zn (II), con la presencia de grupos carboxilo y carbonilo. Se ha establecido que los grupos con cargas negativas son importantes para una unión eficiente entre EPS y los metales; de esta manera, la toxicidad del Zn (II) se ve reducida [248]. Otra cepa con la capacidad de capturar metales pesados por la producción de EPS es B. licheniformis, en la que los EPS producidos pueden capturar plomo [250]. Bacillus subtilis tiene la capacidad de lixiviar de 22 a 30 ng de vanadio a partir de rocas de basalto olivino [252].

La expresión de diversos genes en los organismos pertenecientes al género Bacillus le permiten tolerar altas concentraciones de metales pesados e incluso transformarlos en formas menos tóxicas. B. megaterium posee el gen nccA (resistencia a Ni-Co-Cd), el gen hant (transportador de alta afinidad a niquel), el gen van2 (resistencia a vanadio), o el gen smtAB (proteína de unión a metales) [253]