Download metodo para facilitar el crecimiento vegetal en substratos toxicos

19
OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
11 Número de publicación: 2 216 845
51 Int. Cl. : B09C 1/10
7
ESPAÑA
12
TRADUCCIÓN DE PATENTE EUROPEA
T3
86 Número de solicitud europea: 00490051 .0
86 Fecha de presentación: 21.11.2000
87 Número de publicación de la solicitud: 1208922
87 Fecha de publicación de la solicitud: 29.05.2002
54 Título: Método para facilitar el crecimiento vegetal en substratos tóxicos contaminados con metales pesados.
73 Titular/es: Peter J. Leggo
Cambridge House, 21 High Street
Linton, Cambs. CB1 6HS, GB
45 Fecha de publicación de la mención BOPI:
72 Inventor/es: Leggo, Peter J.
01.11.2004
45 Fecha de la publicación del folleto de la patente:
74 Agente: Izquierdo Faces, José
ES 2 216 845 T3
01.11.2004
Aviso: En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletín europeo de patentes, de
la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina Europea
de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar motivada; sólo se
considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de oposición (art. 99.1 del
Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Venta de fascículos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
ES 2 216 845 T3
DESCRIPCIÓN
Método para facilitar el crecimiento vegetal en substratos tóxicos contaminados con metales pesados.
5
Las actividades de la Era industrial han producido la elevada acumulación de metales en ciertos emplazamientos,
hasta un punto que ponen en peligro la vida humana. Las actividades metalúrgicas, como la minería o la siderurgia,
así como el amplio uso de metales, han generado muchos depósitos donde los metales tóxicos son concentrados en
tierras.
10
Recientemente se han los esfuerzos para desarrollar métodos de fito-remediación, en los que se utiliza la acumulación de metales en plantas denominadas metalofitos, para eliminar metales contaminantes del medio.
Es conocido desde hace tiempo que ciertas especies de plantas, concentran ciertos metales en las hojas, tallos y
raíces, en proporciones variables.
15
Para metales pesados, se pueden distinguir dos métodos diferentes de fito-remediación.
- rizo-filtración, por concentración de metales pesados en raíces.
20
- Fito-estabilización, donde las raíces limitan la disponibilidad de los metales pesados y la movilización de los
mismos hacia las aguas subterráneas.
25
Se conocen más de 400 fito-remediadores, la mayoría de los cuales absorben níquel. Entre los metales pesados
que resultan más difíciles de eliminar se encuentran el manganeso, el cadmio y el plomo. Se han probado varios metalofitos como Brassicaceae (Thlaspi brachypetal, Thlaspi ochroleucum, Thlaspi caerulescens, Thlaspi rotundifolium,
Cardaminopsis halleri), Caryophyllaceae (Minuartia verna, Polycarpea synandra), Fabaceae (astragalus pectinatus,
Astragalus bisculatus) Myriophyllium verticillatum, Pshychotrai douerrer, o Viola calaminaria.
30
El documento US-A-5,917,117 se refiere a un método en el que la hiper acumulación de metales en los brotes de
plantas como las Brassicaceae (por ejemplo, Brassica, Sinapsis, Thlaspi, Alyssum, Eruca) se induce por exposición a
agentes queladores (como Roundup®) y altas concentraciones de metales pesados. La exposición a agentes inductores
se realiza tras un periodo de crecimiento de la planta pues la acumulación en los brotes tiene efectos negativos para el
crecimiento.
35
El uso de agentes inductores filotóxicos descrito en el documento US-A-5,917,117 no es ecológico y resulta potencialmente peligroso para el operario.
40
El documento US-A-5,711,784 describe un método para eliminar de las tierras níquel, cobalto y otros metales,
incluyendo las familias del platino y el paladio, mediante fitominería. Las condiciones del método requieren: 1) la
disminución del pH del suelo por adición de azufre, y uso de fertilizantes de N basados en amonio; 2) el mantenimiento
de bajos niveles de Ca en la tierra mediante acidificación con azufre, o ácido sulfúrico, y 3) la aplicación al suelo de
agentes queladores como NTA.
El método descrito en el documento US-A-5,711,784 es complicado y poco ecológico.
45
El documento US-A-5,927,005 se refiere a un método para eliminar metales pesados de los suelos usando plantas
cerosotas (Lacrea tridentate). Nuevamente, para aumentar la absorción por las plantas, se propone incrementar la
acidez o añadir queladores al suelo en el que crecen los arbustos creosotos.
50
Otras técnicas de fito-remediación se describen en los documentos WO-A-00/28093, WO-A-00/31308, WO-A98/59080, WO-A-94/01357, EP-A-0 911 387, JP-A-57,000,190, DE-A-4100758, DE-A-39,21336, US-A-5,100,455,
US-A-5,320,663, US-A-5,364,451, US-A-5,785,735, US-A-5,809,693, US-A-5,853,576, US-A- 5,928,406, US-A5,944,872, US-A-6,117,462.
55
A pesar del creciente interés y de la investigación en este tema, aún persisten varios problemas asociados con la
fito-remediación. Por ejemplo, algunos metales en zonas contaminadas apenas pueden alcanzarse por medio de la
fito-remediación pues se encuentran bajo la rizosfera, o el hecho de que la mayoría de las plantas conocidas capaces
de acumular metales son demasiado pequeñas para almacenar grandes cantidades de metal. Además, muchas de las
plantas identificadas hasta ahora como útiles para la fito-remediación, provienen de zonas tropicales.
60
Un objetivo de esta invención es obtener un mecanismo para aumentar el crecimiento de las raíces de las plantas
en substratos tóxicos contaminados con elementos de metales pesados.
65
Otro objetivo de la invención es prevenir la erosión superficial, especialmente en substratos tóxicos contaminados
con elementos de metales pesados.
Otro objetivo de la invención es promover el crecimiento de metalofitos y otras plantas en suelos tóxicos contaminados por la presencia de elementos de metales pesados.
2
ES 2 216 845 T3
Otro objetivo de la invención es que los procedimientos que favorezcan los procesos anteriormente citados, sean
ecológicos y menos caros que la mayoría de los métodos conocidos de bio-remediación.
5
De acuerdo con la invención, se ofrece un método para mantener el crecimiento de plantas en substratos tóxicos,
contaminados con elementos de metales pesados, caracterizado por la anexión de los substratos tóxicos en una mezcla
órgano-zeolítica.
El elemento metálico pesado puede ser zinc, cobre, plomo, cadmio o arsénico, y la mezcla órgano-zeolítica se
añade a dicho substrato contaminante en una proporción de entre un 10% y un 25%.
10
El método de la presente invención puede emplearse para promover el crecimiento continuado de varias plantas,
especialmente el crecimiento de las raíces en substratos tóxicos contaminados con elementos de metales pesados.
15
20
Normalmente, debido a la falta de nitrógeno y otros nutrientes esenciales, suelos con altos niveles de metales
tóxicos no permitirían el crecimiento vegetal hasta el punto de prevenir la erosión superficial. Combinando el suelo
con fertilizantes órgano-zeolíticos, esta condición puede solventarse con el crecimiento de plantas con sistemas de
enraizamiento muy denso.
El método de la presente invención puede ser manipulado para variar la proporción entre brotes y raíces de las
especies vegetales utilizadas. En este respecto, plantas que concentran en sus brotes metales pesados como Zn, Cd y
Cu, pueden crecerse exitosamente y recortarse para podarse los metales de la rizosfera.
25
El método de esta invención permitirá que el tejido vegetal enriquecido de metales, una vez incinerado, sea reducido
a un pequeño volumen que podrá comercializarse fácilmente mezclado con cemento Pórtland modificado con zeolitas,
y usado en la producción de hormigones de gran resistencia a la compresión.
30
De manera más concreta, tras cosechar e incinerar la planta, los cationes de metales pesados contenidos en la ceniza, pueden disponerse en disolución acuosa y por intercambio iónico convertirse en toba zeolítica. El material zeolítico
resultante puede secarse y usarse para producir cementos mezclados que tienen una fuerza compresiva optimizada y
que también disminuyen la expansión producida por reacciones de alcalino-agregado.
35
40
45
Es sabido que los minerales naturales de zeolita pueden ser usados como fertilizantes biológicos (ver por ejemplo
JP-A-10210855, JP-A-4197110, EP-A-444392, US-A-5,082,488, US-A-5,451,242, US-A-5,900,387, RU-A2,121,777, RU-A-2,132,122, RU-A-2,137,340). La preparación de un fertilizante orgánico incorporando toba zeolítica es descrita en el documento US- 4,559,073, argumentándose que la incorporación del componente zeolítico
disminuye la concentración de agua en la mezcla, para permitir una fermentación aeróbica efectiva.
El documento US-A-5,106,405 describe la propiedad del intercambio iónico de amonio que, mediante reacciones microbiológicas, proporcionaría el nitrógeno a las plantas en crecimiento sobre un substrato enriquecido con un
biofertílizante que contiene un componente zeolítico.
El inventor ha descubierto que los materiales naturales de zeolita pueden ser usados para preparar fertilizantes biológicos que pueden ser aplicados a suelos contaminados con cationes de metales pesados, para permitir el crecimiento
sostenible de plantas y controlar la proporción de crecimiento de brotes frente a raíces, de modo que la morfología de
la planta puede ajustarse, bien para maximizar la retención del suelo con un crecimiento denso de las raíces, o bien
para aumentar el follaje para la acumulación de iones tóxicos de metales pesados.
50
De no ser tratados, los terrenos no podrían albergar vegetación y serían sometidos a erosión superficial por el viento
y la lluvia. El material tóxico transportado por estos agentes meteorológicos en los sistemas locales de desagüe queda
así al descubierto y en consecuencia resulta incontrolable.
55
A continuación se describirá la implementación específica de la invención, por medio de un ejemplo pensado con
propósito ilustrativo y sin carácter limitante para el alcance de la invención tal y como se presenta en este documento.
Cualquier variación en las composiciones y métodos ejemplificados sugeridos por un especialista en la técnica, se
asumen como incluidos en el ámbito de la presente invención.
Ejemplo
60
Suelo tóxico rico en arcilla, conteniendo: 2,87% materia orgánica, 1,1% carbonato cálcico, 2,24% hierro, 28,9 mg.
Kg-1 arsénico se han mezclado con 16,7% de fertilizante órgano-zeolítico.
El fertilizante órgano-zeolítico se prepara de la siguiente manera:
65
Residuo animal, por ejemplo estiércol de pollo, se combina con toba zeolítica molida que contiene la zeolita,
CA, K Clinoptilolite en una proporción volumétrica de 1.2 de toba a estiércol. Los materiales se mezclan juntos con
suficiente agua para humedecerlos, y se añade paja picada. Se hace pasar aire por la mezcla a través de un tubo de
plástico perforado colocado dentro del compuesto durante la fabricación, realizándose la reacción a cubierto. Esto
evitaría la saturación de la mezcla con agua de lluvia. El compuesto alcanza 50-70◦ C y luego la temperatura decae
3
ES 2 216 845 T3
hasta temperatura ambiente, momento en el que el material compuesto está seco, friable, sin olores y preparado para
el uso como fertilizante órgano-zeolítico.
5
10
15
Se sembraron brotes de trigo duro de primavera (triticum aestivum L. Cv. Red Fife) en dos kilogramos de substrato. Como referencia se empleó trigo crecido en terreno no tratado. En cuatro repeticiones, se crecieron las plantas
en macetas de 255 mm de diámetro, bajo condiciones de luz ordinaria en un invernadero. El riego, con agua desionizada, se hizo por peso hasta la capacidad del campo (180 ml por 2 kg de substrato) y las macetas se colocaron
sobre fuentes llanas para retener el agua filtrada. El riego, generalmente diario, previno que las plantas se secasen y
cualquier agua vertida fuera de las macetas se devolvía a la superficie del substrato con pocas pérdidas. Las plantas
fueron cosechadas regularmente cada mes, y tras secarlas a peso constante a 70◦ C, se anotaron los pesos de los brotes.
Un mes después de la germinación, los substratos fueron lavados con 400 ml de agua desionizada (pH=8.4) y tras
eliminar partículas coloidales finas, se analizaron químicamente. Se realizaron dos recogidas adicionales de las aguas
de lixiviación, a intervalos mensuales durante un periodo de crecimiento de tres meses.
Química de las aguas de lixiviación tras el tercer crecimiento
20
25
30
35
40
45
Estos resultados demuestran el grado de movilización de los cationes mayoritarios en el substrato modificado.
50
55
Para los rastros de elementos metálicos, se observa una disminución general en las aguas de lixiviación, desde altas
concentraciones en los substratos tóxicos a bajas concentraciones en los substratos modificados. Un ejemplo para Zinc
se muestra a continuación.
Substrato tóxico:
Substrato modificado:
Zn conc
Zn conc
0.65 mg/I
0.10 mg/1
Continuando el análisis de las aguas de lixiviación, los análisis químicos de los brotes vegetales muestran la forma
en que los nutrientes y los restos de elementos metálicos son absorbidos en los respectivos substratos.
60
65
4
ES 2 216 845 T3
Química de los brotes de las plantas tras la tercera cosecha
5
10
15
20
25
La química de los brotes vegetales se pueden ahora comparar con el rango establecido de nutrientes para el trigo
duro de primavera.
30
35
40
45
50
Peso en seco de los brotes, en cosechas mensuales
Primera cosecha
Substrato tóxico
Substrato modificado
Segunda cosecha
Substrato tóxico
Substrato modificado
Tercera cosecha
Substrato tóxico
Substrato modificado
Peso en seco (g/planta)
0.26
0.89
0.52
5.36
1.03
6.77
Comentarios sobre el ejemplo
55
60
65
El tipo de fertilizante órgano-zeolítico de esta invención puede ser adaptado para crecer plantas con un sistema
de enraizamiento denso en tierras tóxicas que en condiciones normales no podrían proporcionar los suficientes nutrientes para permitir dicho crecimiento. Esto se consigue únicamente por medios microbiológicos, pues no se añaden
sales minerales inorgánicas. En el caso del trigo duro de primavera, puede observarse en la química de los brotes
vegetales que, cuando el nitrógeno disponible en el substrato es un 35% inferior al adecuado, se forma un sistema de
enraizamiento denso. Puesto que el porcentaje de material órgano-zeolítico añadido al suelo tóxico puede alterarse, la
concentración de nitrógeno disponible puede ajustarse para adecuarse a las especies vegetales de interés. Si se requiere un crecimiento máximo de los brotes, entonces el porcentaje de material órgano-zeolítico puede aumentarse para
poner la concentración de nitrógeno en el rango apropiado. Esto sería preferible si se desease una máxima absorción
de las plantas para eliminar los metales pesados de la rizosfera.
Los rastros de elementos como zinc y cobre en los brotes de las plantas muestran que la movilización de los cationes
en la tierra, debido a la actividad microbiana del material órgano-zeolítico, hace que estos elementos sean accesibles
5
ES 2 216 845 T3
5
para la planta. Mediante cultivo, la tierra será parcialmente desprovista de estos elementos, y con el tiempo la rizosfera
se verá menos contaminada. El volumen de material vegetal tras el cultivo puede reducirse considerablemente mediante
incineración y puede almacenarse de forma segura, o posiblemente, ser reciclada. Puesto que se conoce que la adición
de toba zeolítica molida a cemento Pórtland mejora sus propiedades físicas y químicas, se sugiere que los cationes
de metales pesados que permanecen en las cenizas de las plantas, pueden ser mezclados en la toba zeolítica que
posteriormente se empleará con este propósito.
Posible explicación
10
15
20
La explicación propuesta para los resultados anteriores se describe a continuación, aunque el mecanismo preciso
aún es objeto de investigación por el inventor. Durante la preparación del fertilizante órgano-zeolítico, la paja troceada
proporcionaría la fuente de carbono para favorecer el crecimiento bacteriano. Las bacterias amonacales tipificadas
como Clostridium y Penicillium, actuando sobre la materia orgánica, descomponen las proteínas, amino azúcares y
ácidos nucleicos en amoniaco. El amoniaco en forma catiónica NH4+ es intercambiada en la zeolita donde permanece,
débilmente enlazada, dentro del espacio poroso de la red cristalina. La actividad bacteriana provoca un aumento de la
temperatura hasta 50-70◦ C, completándose la reacción cuando la temperatura disminuye hasta temperatura ambiente.
Al añadir el fertilizante al substrato, los iones NH4+ que se encontraban en el espacio poroso de la zeolita, se
difunden en el substrato a un ritmo exponencial. Las bacterias nitrificantes presentes en la componente órgano-zeolítica
usan el NH4+ para producir poblaciones muy grandes y al hacerlo oxidan el NH4+ para crear una fuente de nitrato
que es empleado en el crecimiento vegetal. Como consecuencia de las reacciones bacterianas, se liberan iones de
hidrógeno (protones libres) que movilizan la tierra produciendo la disociación de los cationes metálicos presentes en
el substrato.
25
El inventor ha demostrado como los fertilizantes órgano-zeolíticos pueden utilizarse en tierras contaminadas con
metales pesados como zinc, cadmio, cobre y plomo. El inventor ha encontrado que cuando un 16 - 17% de fertilizante órgano zeolítico se añade a dichos suelos se producen efectos similares, aumentándose considerablemente la
concentración de nitrato y movilizándose los cationes metálicos en la tierra.
30
Complementando los suelos tóxicos de esta manera, se disminuye ligeramente el pH de la tierra, pero se aumenta
su conductividad eléctrica en un orden de magnitud. A los niveles de suplementación propuestos (16 - 17%), se provee
el doble de nitrógeno disponible en la tierra tóxica. Este aumento es un 35% inferior al rango adecuado para el trigo
duro de primavera (triticum aestivum L. Cv Red Fife) y tiene como consecuencia la maximización de la tasa raíz/brote.
De esta forma se desarrolla un sistema de raíces denso. La proporción raíz a brote puede disminuirse incrementando
la cantidad de fertilizante órgano-zeolítico añadido a la tierra, en cuyo caso se favorece el crecimiento de brotes.
35
40
45
La movilización catiónica en la tierra proporciona a las plantas nutrientes como potasio, calcio, magnesio y zinc, y
las necesidades de la planta evitan la concentración de estos elementos, y la dispersión en la rizosfera. Incrementando
el nivel de nutrientes vegetales de esta manera, se pueden crecer plantas sanas y que sobrevivan en terrenos tóxicos con
metales pesados. En el caso de zinc y cobre, el inventor ha observado que estos elementos son absorbidos por la planta
en proporciones tolerables y no se observan daños en las plantas crecidas en la tierra tóxica. Esta propiedad puede
emplearse para eliminar elementos de metales pesados de la rizosfera, mediante cultivos vegetales. El material vegetal
puede reducirse sustancialmente en volumen mediante incineración sin pérdida de los metales pesados, e incorporarse
en una mezcla de cemento de Pórtland y toba zeolítica triturada. De esta forma, se puede producir hormigón con una
alta dureza compresiva y baja reactividad alcalina que puede almacenar los elementos de metales pesados.
50
55
60
65
6
ES 2 216 845 T3
REIVINDICACIONES
5
1. Un método para fomentar el crecimiento vegetal en substratos tóxicos contaminados con metales pesados, consistente en complementar los substratos tóxicos con una mezcla órgano-zeolítica caracterizada por un compuesto
órgano-zeolítico de mineral zeolita CA-K clinoptilolite y desechos animales.
2. El método de la reivindicación primera, donde el elemento pesado es zinc, cobre, plomo, cadmio, arsénico.
10
3. El método de las reivindicaciones primera o segunda, donde los desechos animales consisten en estiércol de
pollo.
4. El método de las reivindicaciones segunda o tercera, donde el compuesto órgano-zeolítico se prepara mezclando
desechos animales con toba zeolítica molida.
15
20
5. El método de la reivindicación cuarta, donde la proporción de volumen de toba frente a desecho animal es
próxima a 1:2.
6. El método de las reivindicaciones cuarta o quinta, donde una fuente de carbono es mezclada con la toba zeolítica
y el desecho animal.
7. El método de la reivindicación sexta, donde la fuente de carbono consiste en paja triturada.
25
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones primera a séptima, donde el compuesto órgano-zeolítico mencionado es añadido al correspondiente substrato contaminado entre un 10% y un 25%.
9. El uso del método definido en las reivindicaciones primera a octava para favorecer el crecimiento de trigo duro
de primavera.
30
35
10. El uso del método definido en cualquiera de las reivindicaciones primera a octava para favorecer el crecimiento
de las plantas metalofitas, recolectándose y retirándose en los intervalos apropiados, los tejidos de las planta metalófitas
que contienen metales.
11. El uso del método descrito en la reivindicación décima, donde los cationes metálico pesados que permanecen
en las cenizas vegetales son mezclados en toba zeolítica para añadirse a un cemento o similar.
40
45
50
55
60
65
7