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9º CONCURSO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DEL RECURSO AGUA PARA JÓVENES ESTUDIANTES - PREMIO JUNIOR DEL AGUA 2009

DGA MOP–TETRAPAK-ANDESS-MINEDUC-AIDIS–CONAPHI–SOCHID–ALHSUD-MNHN-FANALOZA-ESSEL-ESSBIO-UCH-PUC-UDEC-UTFSM

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FORMULARIO ETAPA 2

CÓDIGO SELECCIONADO ETAPA 1:

Convocan:

Auspician:

Patrocinan:

Formulario de Presentación de Trabajos de Investigación

8º Concurso Nacional de Investigación y Desarrollo del Recurso Agua para Jóvenes Estudiantes

PREMIO JUNIOR DEL AGUA ESTOCOLMO 2009

Este formulario debe ser presentado en un máximo de 8 carillas (incluyendo la actual), tamaño carta, espaciado simple, tipografía tamaño 12 y en idioma español. La segunda carilla debe contener los datos personales de los miembros del equipo de investigación, y la tercera carilla debe ser un resumen de la investigación completa. Las cinco carillas restantes deberán seguir el índice de contenidos descrito en los encabezados de cada sección.

Puede adicionarse opcionalmente un máximo de 5 carillas con anexos de la investigación.

A. Título de la Investigación

Biorremediación de aguas contaminadas con boro utilizando algas y la manipulación posterior de ellas para producir un fertilizante agrícola.

A.2 Establecimiento, Comuna, Región

Instituto de humanidades Luis Campino Providencia, R.M.



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B. Datos Generales de las y/o los Autores (El número máximo de participantes es de 2 alumnos/as de no más de 20 años de edad a agosto del 2009 y 1 profesora o profesor) Participante N° 1: Alonso Fernando Viguera Gahona Fecha Nacimiento: 27 de marzo de 1992 RUT: 18.119.225-6 Edad:16 Curso: 4°A Establecimiento Educacional: Instituto de humanidades Luis Campino Dirección Particular: Coronel Souper 4703 Teléfono: 3237291 Fax: e-mail: Alonso-

[email protected] Participante N° 2: Marcos Pino Martínez Fecha Nacimiento: 22 de octubre de 1991 RUT: 18.019.729-1 Edad: 17 Curso: 4°A Establecimiento Educacional: Instituto de humanidades Luis Campino Dirección Particular: Avenida Suecia 1965 Departamento 711 A Teléfono: 9588366 Fax: e-mail: marcospinom@hotm

ail.com Profesor Nombre: Patricio Kim Núñez Barnier RUT: 8.963.889-5 Especialidad: Biología Establecimiento Educacional: Instituto de humanidades Luis Campino Dirección Establecimiento: Avda. Pedro de Valdivia 236 Dirección Particular: Pirámide 932, San Miguel Ciudad/Región: Santiago / Metropolitana Teléfono: 99433977 Fax: e-mail: [email protected] [email protected] Asesor Científico externo al Establecimiento Educacional

Nombre: RUT: Especialidad: Institución: Cargo o Curso: Dirección Institución: Dirección Particular: Ciudad/Región: Teléfono: Fax: e-mail:



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C. Resumen Trabajo de Investigación La contaminación por boro, es un gran problema en la purificación del agua de algunas ciudades del norte de Chile. Además, estudios han determinado que el alto contenido de boro ha frenado el desarrollo agrícola del Valle de Lluta, a pesar de la disponibilidad de tierras cultivables y el caudal significativo de agua para riego, del río Lluta. Los métodos actuales para remover el boro del agua son de alto costo. El más utilizado se llama “osmosis inversa”, pero no logra remover más de la mitad del boro inicial. Al presente, la Universidad de Tarapacá ha desarrollado un método químico que utiliza una especializada columna de matriz adsorbente que logra disminuir el boro más económicamente; pero el sistema implicaría, para el agricultor, un gasto no menor al inicio y añade la inevitable necesidad de manejo especializado posterior de esta columna y sustancias químicas incluidas. Nuestra investigación plantea un método, de menor costo, autofinanciable y natural de biorremediación de las aguas con altos índices de boro. Para lo cual proponemos el uso de algas verdes fotosintéticas las cuales serían ubicadas como biofiltros a partir del cauce del Río Lluta. Experiencias anteriores han determinado que es posible la biorremediación de aguas con algas, estos vegetales pueden ofrecer una alternativa a los métodos convencionales. Utilizando agua proveniente del río Lluta, y otras soluciones con altas concentraciones de boro evaluamos el cultivo de algas verdes y plantas acuáticas in vitro, obtenidas en diferentes zonas de la Región Metropolitana. Hemos montado cultivos sólidos de algas en agar sobre placas de Petri, aislando colonias y en fase líquida para su aumentación y finalmente unidas a sustratos y estanques como biofiltros. Buscamos las cepas que parecen lograr una mejor adaptación al agua con bórax y finalmente armado reactores que filtran el agua de las sales de boro. Las cepas de microalgas que fueron seleccionadas a partir de cultivos sólidos en 40 mg/lt de boro, lograron su desarrollo en agua obtenida del mismo río Lluta y en aguas cargadas con 20 mg/lt de bórax. Al desarrollar biofiltros, las algas y planta acuática (Lemna minor) demostraron una cinética de extracción del boro con resultados positivos desde las 2 horas de inicio del cultivo y fueron capaces de depletar las sales de boro del medio, después de 24 horas. Experiencias anteriores han determinado que es posible la biorremediación de esta agua, bajando los niveles de boro, utilizando bacterias, sin embargo requieren material orgánico para su alimentación, que en el caso del río Lluta es escaso. Aventaja el uso de algas verdes cuyo principal alimento es la luz solar, la cual es extremadamente abundante en esta zona del país. Finalmente, probamos que las algas y la planta acuática que formaron el biofiltro de boro poseen capacidad fertilizante sobre plántulas recién germinadas de porotos y lentejas, en condiciones de invernadero (luz, temperatura y humedad). Proponemos además el uso de este método para reducir otras sustancias, tanto inorgánicas como orgánicas y reutilizar las aguas y suelos tratados.



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D. Introducción Presentación del Problema La contaminación por boro, es un gran problema del agua de algunas ciudades del norte de Chile. En Arica, la población exige establecer normas sobre la cantidad de boro presente en el agua potable, "el agua tiene un sabor fuerte, pesado y su color no es transparente, es turbio". Estudios indican que el boro es potencialmente tóxico, afectando de múltiples formas a los seres humanos (1), no obstante, los humanos tienden a excretarlo rápidamente y por lo tanto usualmente no se acumula en altos niveles, queda aún por determinar de qué forma afecta su ingesta excesiva crónica. Publicaciones revelan que a pesar de la disponibilidad de tierras cultivables y el caudal significativo de agua del río Lluta, para riego, el alto contenido de boro ha frenado el desarrollo agrícola del Valle de Lluta. El boro se presenta en las aguas de la zona norte en concentraciones de 20 miligramos por litro en promedio (las mediciones varían en los estudios realizados). Estos niveles, limitan el uso agrícola del agua, debido a que la mayoría de los cultivos presentan problemas de toxicidad a partir de una concentración superior a los 3 miligramos por litro. Las estrategias actuales para bajar los niveles de boro aún son de alto costo, primero por su implementación y luego la mantención, la que requiere mantener un consumo de sustancias químicas y personal experto. Por otro lado, en zonas agrícolas del Centro- Sur de Chile se demanda el boro como fertilizante inorgánico de suelos y últimamente se está requiriendo como fertilizante foliar al asociarlo con algas. Es ésta situación en particular, la que invoca una respuesta ecológica ya que, el exceso de boro en una zona del país podría ser enviado y utilizado donde es escaso e inclusive con la ventaja de ya estar asociado con algas (biofertilizante). Antecedentes Bibliográficos o Investigaciones Previas Según el documento de ODEC-CEPAL de evaluación de desempeño ambiental año 2005, señala en su página #72 que “En acuíferos que suministran agua potable a la I región se han encontrado altos niveles de boro, fenómeno con efectos potenciales sobre la salud. (2) y (3) En Chile no hay normas para la concentración de boro en el agua potable, a pesar de la recomendación de la OMS de establecer una norma de 0,3 mg/litro. Luego informa “El uso del agua del río Lluta, donde los niveles de boro alcanzaron 15 mg/litro, se tradujo en una necrosis de los árboles de palta, limón, naranja y chirimoya en el norte de Arica (I región) y finalmente en la desaparición de estas especies de árboles frutales en la zona.” (4) En comparación con el Valle de Azapa, que presenta condiciones muy similares de clima y suelo, Lluta estaba en desventaja por la presencia de este contaminante. Incluso, tomando en cuenta que en Azapa existen caudales disponibles inferiores y costos de bombeo superiores a los que se observan en Lluta. (5) El boro es necesario para los seres humanos, su crecimiento y desarrollo óseo, para las plantas el boro es un nutriente esencial. Parece tener un papel fundamental en el mantenimiento de la estructura de la pared celular (mediante formación de grupos cis-diol) y de las membranas. Es un elemento poco móvil en



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el floema, por ello los síntomas de deficiencia suelen aparecer en las hojas jóvenes y los de toxicidad en las hojas maduras. Un exceso de boro es perjudicial para algunas plantas poco tolerantes al boro, pudiendo actuar en sus nervaduras debilitándolas.(6) Además, el boro ha sido también identificado como esencial para las bacterias fijadoras de nitrógeno (Rhizobium). (7) Por esta razón se utiliza el boro como fertilizante foliar complejado orgánicamente con algas (8), en las diferentes zonas agrícolas de nuestro país. E. Hipótesis y Objetivos Hipótesis:

i. Si existen algas y/o plantas acuáticas que sean capaces de desarrollarse en un medio acuático con altos índices de boro, ellas podrán acumular boro.

ii. Si estas algas y/o plantas acuáticas acumulan boro, ellas serán capaces de biorremediar aguas con exceso de boro.

iii. Si estas algas y/o plantas acuáticas han acumulado boro, ellas se pueden convertir en un biofertilizante rico en componentes orgánicos e inórgánicos con abundante boro.

Objetivos generales: • La finalidad de este trabajo es la descontaminación de boro en aguas, que permita su uso para los seres vivos, por medio de biorremediación. • Obtener extractos vegetales que posean capacidad biofertilizante, y probar su efecto sobre el crecimiento de plántulas de lentejas y porotos. Objetivos específicos: 1. Seleccionar algas y/o plantas acuáticas que puedan sobrevivir en un medio rico

en boro. 2. Probar el crecimiento y capacidad de proliferación de microalgas y/o plantas

acuáticas en un medio alto en boro. 3. Demostrar la utilización de aguas del río Lluta como medio de cultivo de algas

y/o plantas seleccionadas. 4. Demostrar la biorremediación de aguas con alto índice de Boro utilizando un

Biofiltro de microalgas y/o plantas acuáticas. 5. Probar la fijación biológica del Boro de bajo costo. 6. Demostrar el uso de microalgas y/o plantas acuáticas como fertilizante, al

inocular agua de riego de plantas en condiciones de invernadero. F. Plan de Trabajo Método de Investigación y/o Experimentación Se han recogido diferentes cepas de microalgas y plantas acuáticas que se encuentran en distintos nichos de la región metropolitana. Hemos cultivado un par de cepas de microalgas y una planta acuática en un medio salino con nutrientes vegetales proveniente de hidroponía (9), más una alta concentración de bórax (20mgr/lt). Se han seleccionado cepas de algas por medio de cultivarlas en un medio de agar sólido con 40 mgr/lt de bórax, medio salino de hidroponía pH 6,73. Los cultivos vegetales se han sometido a ciclos día – noche con temporizador y



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luz artificial similar luz día. Luego de una etapa de adaptación (que pudiera tratarse de un proceso selectivo), se probó si las algas y plantas acuáticas eran capaces también de desarrollarse en aguas provenientes del río Lluta. Las algas de más rápido desarrollo, y una planta acuática se sometieron a un estudio de cinética de absorción (y/o adsorción) de boro. Algas o plantas acuáticas que han sido cultivadas por más de 48 horas en un medio con altos índices de boro se han macerado y diluido en agua potable, hervida y fría. Esta solución se ha probado como un posible fertilizante de plantas de porotos y lentejas para lo cual se ha comparado con un control agua potable utilizando un sustrato inerte llamado “perlita”. La efectividad del fertilizante se reveló por medio de comparar la fase aérea y la determinación de biomasa. Materiales Cultivos: Microalgas, planta acuática (Lemna minor), placas de petri, invernaderos con iluminación artificial fluorescente y temporizadores, frascos de mermelada, 3 metros de manguera de acuario, Tapón de goma, 1 bomba de aireación de acuario, Tubo de vidrio de 20 cm., Filtro de nylon, Silicona líquida para sellar, Buffer Fosfato Salino (Na2HPO4 1,5g/lt, NaCl 8,7g/lt,+ KH2PO4 0,5g/lt pH 7,4) (PBS), medio de cultivo vegetal hidropónico (9). Microscopios ópticos y cámara digital Nikon Coolpix 800. Material vidrio volcánico “Perlita”, maceteros, porotos y lentejas, balanza digital. Determinaciones: Determinación de boro por medio de curcumina (10): Pipetas, probetas plásticas, frascos libres de boro, bórax, cápsulas de porcelana, cama de arena, etanol, ácido oxálico, ácido clorhídrico P.A., curcumina (de supermercado), espectrofotómetro Spectronic 20-D (540 nm), (Para todas las mediciones y reactivos se utilizan materiales sin borosilicatos). G. Presentación de Resultados Las observaciones realizadas en nuestro estudio mostraron: Proliferación de microalgas y planta acuática (Lemna minor) tratadas en el

laboratorio con un medio de cultivo vegetal hidropónico enriquecido con bórax a 20 mg/lt.

También se produjo desarrollo de estas microalgas sobre placas de Petri con agar, con 40 mg/lt de bórax, donde se seleccionó colonias con mejor capacidad proliferativa.(Ver anexo Imagen 2 y 4)

Se observó la cinética de la capacidad extractora de boro de estas algas y planta acuática, sobre una solución de PBS.

Las plantas rociadas con macerado de planta acuática (Lemna minor), mejoró el crecimiento de plantas con respecto al cultivo utilizando sólo agua. (Ver Anexo Tabla Nº 2 e imagen2)

H. Discusión o Análisis de los Resultados La contaminación por boro de aguas para el consumo humano y vegetal, ha provocado problemas en Chile y en otros lugares del mundo. En las islas canarias y en Arica (Chile) la contaminación del agua potable se ha llegado indicar que inclusive no se utilice para preparar alimentos (11) y en ambos casos no ha sido posible obtener índices menores que el sugerido por la OMS, muy posiblemente,



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por los elevados costos que suponen los métodos químicos al día de hoy. Aunque nuestra propuesta no descarta otros métodos de paliar este problema, propone una forma que es amigable con el medio ambiente; recoge las nuevas directrices de las cuatro R de la ecología: reducir, reparar, reutilizar y reciclar, utiliza además componentes biológicos de fácil y económico cultivo e inocua utilización como son las microalgas del tipo Chlorophyta que constituyen una fuente de alimento para diferentes organismos inclusive descritas como alimento de consumo humano por otro lado las plantas acuáticas Lemna minor (lentejas de agua) son una importante fuente alimenticia para las aves acuáticas y son también consumidas por los humanos de algunas zonas del Asia suroriental. Ambos tipos de vegetales son un aporte de oxígeno y han demostrado que pueden proliferar inclusive en medios inhóspitos como las aguas del río Lluta (in vitro). (12) El uso del biofiltro preparado, nos sirvió en el proceso biorremediativo del Boro, esto nos permite establecer que el factor base de la biorremediación fue el uso de microalgas y lentejas de agua. Los valores de los niveles de boro dados en la tabla Nº 4 y 5, corresponden a resultados de análisis de las muestras de aguas tratadas, lo que nos permite concluir que el proceso propuesto es eficaz en su acción biorremediadora de aguas con altos índices de boro en sólo horas de cultivo. Las cinéticas de crecimiento de las plántulas demostraron que éstas tuvieron un crecimiento más rápido que sus controles al ser regadas con aguas fertilizadas con macerado vegetal + boro. Estos resultados son avalados por algunos estudios anteriores que han demostrado que algas son capaces de otorgar biorremediación en aguas contaminadas por desechos de piscicultura (13), aunque en el uso de contaminación por boro no nos fue posible encontrar previos estudios con vegetales, nuestros resultados obtenidos in vitro son promisorios para probar su uso in situ al saber que la luz de sol, alimento principal vegetal, es abundante en la región del valle de Lluta (in situ). Proponemos además el uso de este método para reducir otras sustancias, tanto inorgánicas como orgánicas y reutilizar las aguas y suelos tratados. La contaminación de los suelos y las aguas con compuestos químicos no es nada nuevo. Sin embargo, en ocasiones es la misma naturaleza la que nos ofrece las mejores tácticas para limpiar los elementos contaminantes. En esto consiste esta propuesta; emplea la capacidad natural de algas y plantas acuáticas, quienes han podido acumular o extraer una sustancia química del ambiente nortino y ponerla a nuestra disposición para ser usada en otros lugares donde tenga un efecto benéfico. I. Conclusiones Los datos obtenidos nos indican que en el recuento de algas, las cepas trabajadas fueron capaces de sobrevivir a los ambientes con alta concentración de boro (20 mg/lt), más aún en agar sólido (40 mg/lt bórax), se observó desarrollo de colonias de algas. La planta acuática Lemna Minor fue capaz de proliferar en una solución con alta concentración de boro (20 mg/lt), sin embargo su multiplicación fue menor que cuando la concentración de boro estaba en más bajas concentraciones. Al hacer un estudio de la cinética de depleción de boro tanto las microalgas como Lemna minor fueron capaces de depletar la solución de boro casi a las seis horas de incubación.



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No se determinó si el proceso fundamental se llevó a cabo por absorción o adsorción. Los resultados in vivo debieran ser puestos a prueba para determinar si es posible llevar este procedimiento a macroescala. Suponemos que los niveles de Boro fueron disminuyendo debido a la acción absorbente de las algas, cuyo desarrollo también aumento significativamente. Los resultados aquí expuestos son promedios de los valores aceptados con una desviación máxima de 5% con respecto su media aritmética.

En las mediciones realizadas del Boro, debemos destacar que el método utilizado para la detección del Boro es confiable, sin embargo concentraciones de nitratos que se encuentren sobre 20 mg/lt podrían interferir con este test. Los niveles de carbonatos, cercanos a 100 mg/lt producen resultados altos por causa de la turbiedad que provocan dada su insolubilidad en alcohol. Esto último fue remediado al filtrar cada muestra después de aplicar el alcohol y antes de leer su absorbancia a 540nm.

Los registros obtenidos del crecimiento del tallo de plántulas recién germinadas de lentejas y Porotos; indican poca diferencia en el crecimiento entre las plántulas regadas con agua tratada y los grupos de plantas regada con agua potable o sólo con PBS: Sin embargo, hubo una diferencia significativa entre estos grupos y el grupo de plantas regadas con agua sin tratar. Esto que apoya la hipótesis de que se puede utilizar las algas como fertilizante con boro. J. Bibliografía Consultada (1) http://www.elmorrocotudo.cl/admin/render/noticia/8931 (2) http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/druginfo/natural/patient-boron.html (3) http://www.lenntech.com/espanol/tabla-peiodica/b.htm (4) http://aprchile.cl/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=319 (5) CASANOVA O., EDUARDO. Estudio del Boro en Suelos de Importancia Agrícola en el País. Maracay, Universidad Central de Venezuela. Instituto de Edafología. 1974: p 17 (6) http://es.wikipedia.org/wiki/Boro (7) http://wwwedu-micro.usal.es/sefin/Bonilla.html (8)http://www.chileagro.cl/index.php?option=com_content&task=view&id=55&Itemid=53 (9) http://www.hydrocultivo.com/index.php/solucion-hidroponica (10) Determinación del boro, COVENIN 2420-87, Norma Venezolana (11) http://www.europapress.es/islas-canarias/noticia-gobierno-canario-sancionara-emalsa-exceso-boro-agua-consumo-humano-palmas-gran-canaria-20090418141735.html (12) http://es.wikipedia.org/wiki/Lenteja_de_agua (13) Zhou, Y., H. Yang, H. Hu, Y. Liu, Y. Mao, H. Zhou, X. Xu, y F. Zhang. 2006. Bioremediation potential of the macroalga Gracilaria lemaneiformis (Rhodophyta) integrated into fed fish culture in coastal waters of north China. Aquaculture, 252 (2-4): 264-276. K. Declaración de tipo de asesoría científica recibida NOTA1: Este formulario debe ser completado sólo por aquellos grupos que resultaron seleccionados en la ETAPA 1. Su plazo de envío vence el 4 de mayo de 2009. NOTA2: A estas 8 carillas pueden agregarse opcionalmente como máximo 5 carillas con anexos. NOTA2: El formulario completado debe enviarse a [email protected]



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ANEXOS: Microfotografía

de algas: Izq: alga Spirogyra Der: alga Chlorela

Cultivo de microalgas Cultivo de Lenteja de agua

Multiplicación de Lemna

M.V.0 es el tiempo inicial con 15 Lemnas por placa de petri. M.V.1 es el recuento de Lemnas a los dos días de cultivo.

M.V.2 es el recuento de Lemnas a los ocho días de cultivo.

Boro: A la solución se le adicionó bórax para quedar en 20 mg/lt final



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Análisis del Boro

La determinación de estos análisis se realizo a través del método de la curcumina.

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