Introducción

La cuenca media del río Bogotá comprendida entre los municipios de Chía y Sibaté presenta contaminación por metales pesados y microorganismos patógenos en sus aguas, debido a vertimiento de desechos provenientes de industrias de fundición de metales, petroquímica, curtiembres, insumos agrícolas y desechos humanos (^{Miranda et al., 2008}). Esta fuente hídrica ha sido empleada para riego de cultivos de ciclo corto para consumo humano en la sabana de Bogotá (^{Ruíz, 2011}). De los tres ríos que recogen los vertimientos de Bogotá, el río Tunjuelo es el que más aporta contaminación por metales pesados, situación relacionada con la presencia de actividades industriales en su área de influencia (^{Corporación Autónoma Regional, 2006}). Las mediciones realizadas en tiempo seco han permitido identificar que los metales que han presentado los valores más elevados son cadmio, plomo y cromo. Otros metales identificados son: mercurio, níquel, bario, cobre, manganeso y zinc (^{Combariza, 2009}; ^{Corporación Autónoma Regional, 2006}; ^{Lizarazo et al., 2020}).

Entre los años 2010 y 2011 el fenómeno de ''La Niña'' generó inundaciones con aguas del río Bogotá en el municipio de Mosquera por ruptura de un Jarillón, lo cual produjo contaminación con metales pesados en los suelos de carácter productivo, en donde se siembran hortalizas, legumbres, cereales y forraje de consumo humano y/o animal (^{Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 2011}; ^{Martínez, 2013}). En lotes comerciales del municipio de Mosquera (Cundinamarca) se presentan altas concentraciones de plomo, cadmio, cromo, cobre, hierro, níquel y zinc, algunas de ellas por encima de los límites internacionales permitidos (^{Miranda et al., 2008}). En este sentido la fitorremediación continúa siendo una de las mejores alternativas para la remediación de suelos contaminados con metales pesados (^{Fernández et al., 2017}; ^{Ghosh & Singh, 2005}).

Los procesos de fitorremediación, también llamados fito-corrección y fito-limpieza son una propuesta tecnológica para la descontaminación de suelos y cuerpos de agua, han sido empleados ex situ o in situ para reducir a niveles admisibles metales como cadmio, cromo, plomo, mercurio y selenio, entre otros (^{Cristaldi et al., 2017}).

De acuerdo con ^{Mani y Kumar (2014)}, y ^{Kadiri et al. (2018)} algunas hortalizas tienen la capacidad para la captación de metales pesados en su biomasa, esto se debe a su tolerancia y a su considerable producción de biomasa sobre el suelo. Las especies Coriandrum sativum y Brassica oleracea pertenecientes a las familias Apiacea y Brassicaceae respectivamente son hortalizas de ciclo corto que cuentan con mecanismos para la captación de metales, principalmente en los órganos florales y semillas. Estas especies vegetales son conocidas como acumuladoras de metales y han sido evaluadas como potenciales plantas fitoextractoras, gracias a que pueden acumular cantidades relativamente elevadas de metales tóxicos, sin presentar síntomas visibles (^{Mourato et al., 2015}). De acuerdo con lo anterior el objetivo de la investigación fue evaluar un proceso de fitorremediación empleando especies vegetales como Brócoli y Cilantro en suelos contaminados con metales pesados.

Materiales y métodos

Equipos: Los metales pesados se cuantificaron mediante el uso de un equipo de espectrofotometría de absorción atómica marca SHIMADZU, referencia AA 7 000, con llama de aire con acetileno de alta pureza (99.8 %); se usaron soluciones estándar de cada uno de los metales 1.0 g/l PANRREAC para AAS y curva de calibración en ppm: 0.01mg/L, 0.05 mg/L, 0.10 mg/L, 0.20 mg/L, 0.40 mg/L respectivamente. Se adoptaron métodos de laboratorio estándar que garantizaron el control de calidad para la exactitud de los datos analíticos. La determinación de las concentraciones de los metales pesados en suelo se dio por medio del uso de lámparas de cátodo hueco para Plomo (Pb: mg/L, 217 nm, slit 0.7 nm, corriente 12 mA), Cadmio (Cd: mg/L, 228.8 nm, slit 0.7 nm, corriente 8 mA), Cromo (Cr: mg/L, 357.9 nm, slit 0.7 nm, corriente 12 mA), Arsénico (As: mg/L, 193.7 nm, slit 0.7 nm, corriente 7 mA) y Mercurio (Hg: mg/L, 253.7 nm, slit 0.7 nm, corriente 3 mA) este último con generador de hidruros HVG-1 SHIMADZU de bomba peristáltica movida mediante Argón de alta pureza, técnica vapor frío (^{Fundación de Asesorías para el Sector Rural Ciudad de Dios, 2021}).

Digestión de muestras y pH: El material vegetal de B. oleracea y C. sativum fue procesado por medio de mineralización por vía seca según GTC 189 (Análisis de tejido vegetal) y Norma Técnica Colombiana (NTC 5755) digestión y mineralización de muestras por el método de calcinación. Posteriormente se realizó el análisis de los elementos por Absorción Atómica, cuantificando metales pesados (Pb, Cd, Cr, Hg y As). El pH se midió con un potenciómetro en relación 1:1 suelo: agua, con medida electrométrica de acuerdo con la norma técnica colombiana NTC 5264 y la textura mediante el método del densímetro Bouyoucos siguiendo las indicaciones del American Standard Testing Materials ASTM D 422-63 (^{Fundación de Asesorías para el Sector Rural Ciudad de Dios, 2021}).

Área de estudio: El presente estudio se realizó en suelos agrícolas de La Granja Experimental Mosquera, ubicada en la vereda de San José en el Municipio de Mosquera, Cundinamarca-Colombia, Sabana Occidental. La granja se encuentra ubicada en las coordenadas geográficas (4°39'29.85'' N & 74°12'12.45'' W), con temperatura promedio anual de 12.6 °C en temporada fresca y una precipitación anual entre 127 y 150 mm (^{Weatherspark, 2022}), con altura sobre el nivel del mar de 2 544 m. Los suelos de la región estudiada corresponden al orden Andisol (^{Soil Survey Staff, 2014}) y de textura Arcillo Arenoso (ArA) (^{Instituto Geográfico Agustín Codazzi, 1990}).

Sistema de muestreo: El muestreo se realizó con un diseño completamente al azar, de tipo factorial. Se propusieron dos factores: a) proporciones de Cilantro/Brócoli en cada parcela y b) tiempo de fitorremediación. Se establecieron tres tiempos de fitorremediación: 3 meses, 6 meses y 9 meses, y tres porcentajes de las especies vegetales de interés: 30 cilantro/70 brócoli, 50/50 y 70 cilantro/30 brócoli y dos controles (monocultivo de cada especie), el tiempo cero se tomó como referencia interna del ensayo, permitiendo de esta manera establecer parámetros estadísticos de control. Para cada tratamiento se diseñaron cuatro parcelas experimentales (Fig. 1).

Fig. 1 Diseño experimental de muestro en parcelas. / Fig. 1. Experimental sample design in plots. 

Durante el periodo del diseño experimental las especies vegetales, fueron regadas con el agua del acueducto de Bogotá. Las muestras de suelo fueron tomadas en cada una de las parcelas de acuerdo con la densidad de siembra (100 % cilantro, 100 % brócoli, 30 cilantro/70 brócoli, 50/50 y 70 cilantro/30 brócoli) a 20 cm del perfil, debido a que es la zona donde se concentran las raíces y se acumulan los metales pesados de fuentes antrópicas (^{Micó et al., 2006}). De la misma forma se tomaron muestras del material vegetal de las especies fitorremediadoras, según las densidades de siembra estipuladas en el bioensayo. Luego se llevaron las muestras de suelo (250 g de cada una) y las muestras de tejido vegetal (partes aéreas) para la determinación y cuantificación de metales pesados en laboratorio (^{Fundación de Asesorías para el Sector Rural Ciudad de Dios, 2021}).

Análisis estadístico: Para el análisis estadístico se utilizaron los programas con software libres: Rstudio y Python, aplicando criterios estadísticos como correlaciones matriciales, pruebas de medias normales en ANOVA y parámetros de medias junto a varianzas para el análisis de los datos en términos de dispersión.

Resultados

Los resultados de concentraciones de metales pesados en las nueve muestras de tejido vegetal para Brócoli y Cilantro (Tabla 1), permiten observar valores de Cd, Pb y Cr significativamente más altos (P < 0.05) que Hg y As, respecto al sitio de control. Así mismo, la concentración de Cd es significativamente más alta en el tejido vegetal de Cilantro y Brócoli en las muestras de suelo analizadas. Respecto a las concentraciones de Cd, Pb y Cr vale la pena resaltar que estos valores fueron significativamente más altos (P < 0.05) en suelo donde se encontraba una presencia mixta de Cilantro y Brócoli, respecto al sitio de control donde la concentración de Cd registró niveles significativamente más bajos que en los otros suelos.

El panorama visual de la Tabla 1, ha sido representado en la Fig. 2, donde se puede observar los dos periodos de tiempo; 3 meses (1) y 9 meses (2) evaluados para cada uno de los metales. En este orden de ideas, es preciso resaltar un aumento en las concentraciones de cadmio para los periodos evaluados mientras que en el caso del cromo su comportamiento fue contrario a la tendencia ya mencionada. En el caso del plomo su concentración se mantuvo estable en el periodo de tiempo como disponibilidad en tejido vegetal, esto también observado en el mapa de calor Fig. 3 y la Tabla 2 de correlación entre los metales.

Fig. 2 Diagrama de barras para las concentraciones de metales pesados en tejido vegetal. *1: Tiempo de análisis 3 meses, 2: Tiempo de análisis 9 meses. / Fig. 2. Bar chart for heavy metal concentrations in plant tissue. *1: Analysis time 3 months, 2: Analysis time 9 months. 

Fig. 3 Mapa de calor en términos de correlación de metales pesados en tejido vegetal. / Fig. 3. Heat map in terms of correlation of heavy metals in plant tissue. 

Frente a las concentraciones de Cd, Pb y Cr se resalta que fueron más altas en tejidos de Cilantro y en suelos con Cilantro en comparación con el control. Las concentraciones promedio de Cd en tejido vegetal y suelo siguen la tendencia: tejido > suelo. Lo anterior permite evidenciar que las concentraciones de metales pesados en tejidos de las especies vegetales respecto de las concentraciones en el suelo fueron significativas (P < 0.05). Además, se pudo establecer que no existe una relación significativa para los metales Hg y As en tejidos y suelos de las muestras analizadas.

Los resultados de las concentraciones de metales pesados en las 18 muestras de suelo (Tabla 3), permiten observar valores elevados de Cd a los 9 meses respecto del control de los 3 meses de remediación para esta muestra, frente a los valores encontrados para Pb de la misma manera que Cd se nota un incremento de la concentración, llegando hasta valores de 12.933 ppm (P < 0.05) y finalmente el Cr presenta un comportamiento similar que el plomo, pero sin llegar a valores tan altos como los reportados.

Los periodos de tiempo evaluados en el presente estudio para el caso del análisis de metales en suelos, como ya fue mencionado corresponden a 3 meses (1), 6 meses (2) y 9 meses (3) (Fig. 4). La gráfica mencionada permite de manera introspectiva hacer un análisis del comportamiento de los metales en el suelo, observando una tendencia al aumento en la concentración pasado el tiempo de 3 a 9 meses para cadmio, plomo y cromo. Dicha tendencia al aumento debe ser vista desde correlaciones entre la disponibilidad en material vegetal y suelo. Esta correlación se establece de acuerdo con lo observado en el mapa de calor Fig. 5 y la Tabla 4 de correlación entre los metales y el pH.

Fig. 4 Diagrama de barras para las concentraciones de metales pesados en muestras de suelo. *1: Tiempo de análisis 3 meses, 2: Tiempo de análisis 6 meses, 3: Tiempo de análisis 9 meses. / Fig. 4. Bar chart for heavy metal concentrations in soil samples. *1: Analysis time 3 months, 2: Analysis time 6 months, 3: Analysis time 9 months. 

Fig. 5 Mapa de calor para las concentraciones de metales pesados en muestras de suelo. / Fig. 5. Heat map for heavy metal concentrations in soil samples. 

Respecto a las correlaciones mostradas por el mapa de calor (Fig. 6) y sus dendrogramas, es evidente que las relaciones positivas entre el Hg y el As se deben a sus concentraciones y disponibilidad igualitarias. Frente a los otros metales se resalta que están presentando correlaciones en órdenes cercanos a uno, lo que permite inferir que Cd, Pb y Cr como se evidenció anteriormente tienen aportes significativos. Como se puede observar una de las variables que también se incluye en el mapa de calor es el pH, donde es posible observar que tiene una influencia positiva en la distribución de los metales en el suelo y por ende en el tejido.

Fig. 6 Mapa de calor con dendrogramas correlacionando pH y concentraciones de metales pesados en muestras de suelo. / Fig. 6. Heat map with dendrograms correlating pH and heavy metal concentrations in soil samples. 

Mediante el análisis de correlación entre el plomo y el pH por medio del gráfico de dispersión (Fig. 7), se evidencia una acumulación de datos en torno a un pH entre 5.5 y 6.0. Dicha acumulación de datos permite describir la posibilidad de obtener pH óptimos y de mayor absorción de este tipo de metales desde los suelos hacia la planta. Dicho esto, se resalta una vez más la fuerte relación entre el pH de un suelo y el movimiento de los metales, haciéndolos biodisponibles a diferentes concentraciones.

Fig. 7 Gráfico de dispersión correlacionando pH y concentraciones de Pb en muestras de suelo. / Fig. 7. Scatter plot correlating pH and Pb concentrations in soil samples. 

De modo generalizado en la matriz de coeficientes entre las variables anteriores (pH y metales) (Fig. 8), se puede observar como el plomo puede llegar a concentraciones bajas si existen valores de pH altos, pero que a concentraciones altas de plomo el pH no supera los 6 puntos. Es así como lo anterior, es una correlación débil pero existente, mientras que en el caso la variación de potenciométrica y cadmio parece ser que la tendencia es contraria. De esta manera, se observa una acumulación de datos en torno a las medidas entre 5.5 y 6.0 como se mencionó anteriormente.

Fig. 8 Gráficos de dispersión correlacionando pH y concentraciones de metales pesados en muestras de suelo. / Fig. 8. Scatter plots correlating pH and heavy metal concentrations in soil samples. 

Discusión

Las concentraciones de los metales pesados reportados en este estudio y presentados en la Tabla 2 para las muestras de suelo ubicado en La Granja Experimental Mosquera, permitieron observar la acumulación de plomo, cromo y cadmio (Pb, Cr y Cd) en mayores proporciones respecto a mercurio y arsénico. A partir de estos datos se realizaron pruebas estadísticas que facilitaron el análisis de las variables.

De lo anterior, se logró evidenciar a través de algunos estadísticos básicos que los datos presentaban una varianza alta, pocos valores medios y representaciones de las concentraciones con tendencia a aumentar en tres de los cinco metales. De esta manera Pb, Cd y Cr presentaron intervalos de sus valores entre 0.140-13.667; 0.457- 4.090 y 0.050-9.520 respectivamente. Por tal motivo, es importante aclarar que la dispersión de los datos es significativa y se requirió de métodos de normalización.

Dichos métodos permitieron correlacionar los datos en matrices (Tabla 4), estas correlaciones evidenciaron la relación estrecha existente entre Pb, Cd y Cr con valores cercanos a 1, asimismo la correlación de estos tres con valores de pH entre 5.5 a 6.0 en suelos. De esta manera es posible afirmar que, en el rango de pH propuesto, el Cd se bioacumula en el tejido vegetal observado esto en la Fig. 3, por esto la concentración no aumenta en el suelo. Por otro lado, los metales Pb y Cr en este mismo rango de pH tienden a acumularse en el suelo (Fig. 4) esto debido a que movilizar e incrementar la biodisponibilidad de metales pesados se ve afectado por el potencial redox (^{Beltrán-Pineda & Gómez-Rodríguez, 2016}), determinando con esto que el intervalo de pH benefició la movilidad de Cd hacia la planta, pero redujo la movilidad de Pb y Cr en el suelo.

En términos de tejido vegetal y efectuado el análisis respecto a las proporciones de cilantro y brócoli en las parcelas propuestas, se puede evidenciar que la concentración de metales es mayor en partes aéreas de Cilantro que de Brócoli. Lo anterior se podría relacionar con que el Cilantro posee una mayor tolerancia, mejores procesos de transporte y metabolismo relacionados con péptidos como fitoquelatinas y metalotioneinas, y algunos ácidos orgánicos que facilitan la bioacumulación de este tipo de metales pesados (^{Delgadillo-López et al., 2011}). De otro lado, respecto a las proporciones definidas como 70/30 y 30/70 de cilantro-brócoli se permite inferir que el brócoli es una especie perteneciente a una familia que posee unas características de ser hiperacumuladoras según (^{Beltrán-Pineda & Gómez-Rodríguez, 2016}; ^{Delgadillo-López et al., 2011}). De esta manera y según lo establecido se infiere que dicha especie actúa como un agente de regulación en la adsorción de metales para la otra especie vegetal, mediante diversos mecanismos externos de tolerancia como por ejemplo por microorganismos asociados íntimamente con la raíz. Lo anterior lo menciona ^{González-Mendoza y Zapata-Pérez (2008)} en el que hongos micorrícicos forman asociaciones mutualistas que permiten mejorar la bioacumulación de los metales pesados en la planta (^{González-Mendoza & Zapata-Pérez, 2008}).

Adicionalmente se pudo correlacionar que el pH del suelo facilitó la bioacumulación de Cd, Pb y Cr resaltando una concentración más alta de Cd a un pH entre 5.5 y 6.0 en parcelas 70/30 o 30/70 de cilantro. Esta propiedad química del suelo (pH) permitió la absorción de metales pesados por parte de la especie vegetal ''cilantro'' cuyos resultados son promisorios y no hay un amplio número de estudios publicados con la capacidad de esta especie para acumular metales pesados como Cd, Pb y Cr.

Los resultados anteriormente mencionados permitieron concluir que las parcelas en proporciones 70/30 o 30/70 de cilantro-brócoli son las que mejor podrían presentar un proceso de bioacumulación de metales pesados en términos de fitorremediación usando especies vegetales como brócoli y cilantro. Estas especies como fue mencionado anteriormente son hortalizas de ciclo corto que cuentan con mecanismos para la captación de metales. Estas especies además son fácilmente cultivables lo que permite una remediación del suelo en corto tiempo.

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