306La Calera1998-78461998-8850Universidad Nacional AgrariaNicaraguaEdgardo.jimenez@ci.una.edu.ni3062000001https://doi.org/10.5377/calera.v21i36.11235Recursos Naturales y AmbienteTransporte de oxígeno por plantas macrófitas en aguas residuales de origen acuícolaOxygen transport by aquatic
macrophytes in wastewaterhttp://orcid.org/0000-0001-9848-3589MedinaCristóbal1cmedina@ci.una.edu.nihttp://orcid.org/0000-0001-8904-6969TunnermanErnesto2etunnermann@ci.una.edu.nihttp://orcid.org/0000-0002-9803-2603ColemanEli3elicolemanbarrow@gmail.comhttp://orcid.org/0000-0001-7885-0935FonsecaKenneth3Wolfalex350@gmail.com Universidad Nacional Agraria, NicaraguaUniversidad Nacional AgrariaNicaragua Universidad Nacional Agraria, NicaraguaUniversidad Nacional AgrariaNicaraguaUniversidad Nacional Agraria, NicaraguaUniversidad Nacional AgrariaNicaraguaUniversidad Nacional Agraria, NicaraguaUniversidad Nacional AgrariaNicaragua
MSc. Ciencias Ambientales
Ingeniero Químico
Graduados de la carrera
de Ingeniería en Recursos Naturales
Graduados de la carrera
de Ingeniería en Recursos Naturales
Enero-Junio2021213601042020040220212021Universidad Nacional Agrariahttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.Resumen
Las macrófitas transportan oxigeno atmosférico a la rizosfera creando un ambiente aireados para los miroorganismos que contribuyen a la disminución de la demanda biológica de oxígeno, demanda química de oxígenos y sólidos suspendido, así como en la remoción de sustancias orgánicas como nutrientes, metales pesados, fenoles, ácido fórmico, colorantes, pesticidas entre otros. Esta investigación pretende evaluar a nivel de laboratorio el mejoramiento de la calidad de aguas residuales utilizando plantas acuáticas de jacinto (Eichhornia crassipes) y lechuga de agua (Pistia stratiotes). Los tratamientos evaluados fueron: plantas con barrera, plantas sin barrera, sin plantas con barrera y sin plantas sin barreras. El análisis de varianza al contenido de oxígeno disuelto en aguas residuales mostró diferencia significativa (p < 0.05) entre especies y tratamiento. Jacinto presenta valores promedios de 2.60 a 5.08 mg l-l en un periodo de nueve días de observación, asimismo el tratamiento sin barrera muestra mayor valor en un rango de 2.7 a 4.85 mg l-l. Con lechuga de agua se observan mayores valores en el tratamiento sin barrera (2.27 a 4.81 mg l-l) y con barrera (1.24 a 1.53 mg l-l). Jacinto con barrera y sin barrera presenta valores de oxígeno disuelto transferido entre 0.46 y 0.45 mg O2 d-1 l-1 respectivamente. Jacinto sin barrera removió en aguas residuales el 20.23 % de la demanda biológica de oxígeno y con berrera el 19 % al final del noveno día de observación. El tratamiento sin plantas sin barrera removió un promedio de 63 %, de la demanda biológica de oxígeno, mientras el tratamiento sin plantas con barrera fue de 42 %. Jacinto sin barrera mostró mayor promedio de peso de biomasa seca total (6.06 g) y concentración de oxígeno disuelto (3.63 – 5.34 mg l-l) lechuga de agua sin barrera (3.20 g) y oxígeno disuelto (1.7-4.81 mg l-l).
Abstract
The macrophytas transports atmospheric oxygen to the rhizofera creating airy environments for the micro-organisms that contribute to the reduction of biological oxygen demand, chemical oxygen demand and suspended solids, also in the removal of organic substances such as nutrients, heavy metals, phenols, formic acid, colorants, pesticides among others. This research aims to evaluate the improvement of wastewater quality in the laboratory, using aquatic plant species of jacinto (Eichhornia crassipes) and water lettuce (Pistia stratiotes). The treatments evaluated were: Plants with Barriers, Plants without Barriers, Barriers without plants and without barriers nor plants. The content of dissolved oxygen in wastewater analysis of variance showed significant difference (p < 0.05) between species and treatment. Jacinto had average values of 2.60 to 5.08 mg l-l in a nine-day observation period, also the without Barriers treatment shows a higher value from 2.7 to 4.85 mg l-l. On the other hand, water lettuce showed higher values in the without Barriers treatment, ranging between 2.27 and 4.81 mg l-l and with Barriers from 1.24 to 1.53 mg l-l. Jacinto Plants with Barriers and Plants without Barriers showed transferred dissolved oxygen values of 0.46 and 0.45 mg O2 d-1l-1 respectively. Jacinto without Barriers, removed the wastewater in a 20.23 % of the biological oxygen demand and with Barriers 19 % at the end of the ninth observation day. On the other hand, the without barriers nor plants treatment removed an average of 63 % of the biological biochemical oxygen demand, while the Barriers without plants treatment was 42 %. Jacinto without Barriers showed higher average of total dry biomass weight (6.06 g) and dissolved oxygen concentration (3.63 - 5.34 mg l-l) compared with the water lettuce plant without Barriers (3.20 g) and dissolved oxygen (1.7 - 4.81 mg l-l).
En
Centroamérica existe un alto porcentaje de agua limpia que está siendo
contaminada por su uso doméstico e industrial y vertidos a ríos y lagos sin
recibir ningún tipo de tratamiento. Esta situación ha provocado que hoy en día
la población se enfrente con graves problemas ambientales y afecciones de la
salud vinculadas con aguas contaminadas, como son la generación de focos de
vectores transmisores de enfermedades y la ingestión de alimentos contaminados
por la irrigación de cultivos agrícolas con aguas residuales sin tratamiento (Arriaza et al, 2004, p. 9). Esto último acompañado con el cambio climático representa
que el agua está menos disponible para el consumo humano, lo que hace necesario
el mejoramiento de la calidad para reutilizarla, mediante alternativas menos
costosas con el uso de plantas macrófitas, estas tienen como función airear el
sistema radicular, facilitar oxígeno a los microorganismos que viven en la rizosfera,
absorción de nutrientes (nitrógeno y fósforo), eliminación de contaminantes
asimilándolos directamente en sus tejidos y filtración de los sólidos a través
del entramado que forma su sistema radicular (Fernández, 2004, p. 79). Las
plantas acuáticas han sido desarrolladas como un tratamiento secundario o
terciario alternativo de aguas residuales, demostrando ser eficiente en la
remoción de una amplia gama de sustancias orgánicas como nutrientes y metales
pesados (Novotny y Olem, 1994, citado en Domínguez, 2003), la especie de jacinto de agua puede
remover algunos compuestos orgánicos, como fenoles, ácido fórmico, colorantes,
pesticidas, disminución de la demanda biológica de oxígeno (DBO), demanda
química de oxígeno (DQO) y sólidos suspendidos (Metcalf y Eddy, 1995, citado en
Domínguez, 2003).
En nuestro
país, no se tiene evidencia de trabajos de investigación sobre la temática de
plantas macrófitas en tratamiento de aguas residuales y aguas grises a nivel de
laboratorio, sin embargo, existen experiencias relacionadas en la construcción
de biofiltros que permite el uso de plantas naturales, para el tratamiento de
las aguas residuales en poblaciones mayores de 3 000 habitantes y en los
hogares (biofiltro domiciliar), esta tecnología poco difundida ha presentado
buenos resultados en cinco sitios en la zona del Pacífico de Nicaragua como
Masaya, León, Managua, Chinandega y San Rafael del Sur (Schutze, 2010, p. 7). Con
esta investigación se pretende incursionar en la temática de la biorremediación
de las aguas residuales para
evaluar dos especies de planta acuáticas en cuanto a transferencia de oxígeno
disuelto para el mejoramiento de su calidad.
<bold>MATERIALES Y MÉTODOS</bold>
Este experimento, se realizó en
el Laboratorios de Recursos Naturales de la Universidad Nacional
Agraria (UNA), ubicado en el kilómetro 12 ½ Carretera Norte, Managua, Nicaragua. Se colectaron
plantas acuáticas flotantes de las especies Jacinto (Eichhornia crassipes) y Lechuga (Pistia stratiotes) en los lagos Xolotlán (Managua)
y Apanás (Jinotega), luego se trasladó al Laboratorio de Calidad
Ambiental. El agua residual utilizada fue obtenida de la granja demostrativa
de peces de la UNA, la cual se introdujo en envase plástico
de 1 500 ml envuelto en papel aluminio.
<bold>Tratamientos</bold>
Plantas con barrera (PCB). Planta de jacinto y/o lechuga de agua, en recipiente con agua residual con boca superior tapada con papel aluminio. PCB pretendió evaluar el transporte de O2 a través de la planta.
Planta sin barrera (PSB). Planta de jacinto y/o lechuga de agua, en recipiente con agua residual con boca superior descubierto. Este tratamiento permitió evaluar el transporte de O2 a través de la planta, así mismo en conjunto con la difusión simultánea de O2 en la columna de agua que rodea la planta.
Sin planta sin barrera (SPSB). Recipiente con agua residual, sin planta y boca superior descubierto. SPSB permitió la evaluación de la difusión del O2 de la atmósfera en la reducción de la DBO5 de las aguas residuales
Sin planta con barrera (SPCB). Envase con aguas residuales y sellado herméticamente con tapón plástico. SPCB evalúa la función de los microorganismos anaeróbicos en la reducción de las DBO5 de las aguas residuales.
Cada tratamiento se constituyó de tres repeticiones, establecido en condiciones bajo luces con un ciclo de 12 horas y 12 horas oscuras, temperatura promedio de 25 °C durante nueve días de observación. Se registró diariamente datos de oxígeno disuelto (OD) con ayuda de un oxigenómetro marca OHAUS ST300D, se determinaron los pesos fresco y seco de la raíz y tallo de la planta. Al inicio y final del experimento se colectaron muestras de aguas residuales y se enviaron al Laboratorio del Centro de Investigación Acuática de la UNAN-Managua (CIRA/UNAN-Managua), para el análisis de DBO5 por el método de Winkler, establecido en los métodos estándar
<bold>Análisis de los datos.</bold>
Una vez
recolectados los datos en el laboratorio se ordenaron por variable y por
tratamiento para luego realizar un análisis de varianza (ANDEVA) utilizando el
software estadístico InfoStat versión 2018, y se realizó separación de media
por Tukey (p = 0.05).
<bold>RESULTADOS Y DISCUSIÓN</bold>
El contenido de OD en aguas residuales de
origen acuícola mostró que jacinto, sin barrera (SB) presenta valores de 5.91
mg l-l al inicio del experimento, luego fluctúo en el rango de 3.64
a 5.37 mg l-l OD hasta el final del noveno día de registro,
superando al tratamiento con barrera (CB), que registró valores 1.42 a 4.81 mg
l-l OD (Figura 1).
Oxígeno disuelto (mg l<sup>-l</sup>) en aguas
residuales acuicola con planta Jacinto (<italic>Eichhornia
crassipes</italic>)
con y sin barrera.
CPSB: Con plantas sin barrera; CPCB: Con plantas con barrera.
Figura 1. Oxígeno disuelto (mg l-l) en aguas
residuales acuicola con planta Jacinto (Eichhornia
crassipes)
con y sin barrera.
CPSB: Con plantas sin barrera; CPCB: Con plantas con barrera.
Utilizando plantas de lechuga de agua SB se registran concentraciones
de 1.68 a 4.35 mg l-l OD, superando al tratamiento CB, donde se observan
valores de 1.01 a 1.60 mg l-l OD. El primer día
de observación ambos tratamientos muestran un descenso de concentración de OD
de 32 % y 76 % respectivamente.
Oxígeno disuelto (mg l<sup>-l</sup>) en aguas residuales acuícola con planta de
lechuga (<italic>Pistia stratiotes</italic>) con o sin
barrera.
CPSB: Con plantas sin barrera; CPCB: Con
plantas con barrera.
Figura
2. Oxígeno disuelto (mg l-l) en aguas residuales acuícola con planta de
lechuga (Pistia stratiotes) con o sin
barrera.
CPSB: Con plantas sin barrera; CPCB: Con
plantas con barrera.
Se realizó
análisis de varianza de concentración de OD en aguas residuales conteniendo
plantas de jacinto y lechuga, mostrando diferencias significativas (p < 0.05) entre especie, tratamiento
y periodo de observación. Jacinto mostró valores de 2.60 a 5.08 mg l-l,
mientras, lechuga mostró valores menores de concentración de OD de 1.51 a 2.75 mg
l-l. En el periodo de observación jacinto mostró mayores
concentraciones de OD comparado con lechuga (Cuadro 1).
Oxígeno disuelto (mg l<sup>-1</sup>) en
aguas residuales de origen acuícola con plantas de
jacinto y lechuga según
días observados
Cuadro 1. Oxígeno disuelto (mg l-1) en
aguas residuales de origen acuícola con plantas de
jacinto y lechuga según
días observados
Especie
Días observación
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Jacinto
2.73
b
2.60
b
2.69
b
3.02
b
2.94
b
3.16
b
3.19
b
3.53
b
5.08
b
Lechuga
2.75
a
1.51
a
1.72
a
2.07
a
1.80
a
1.64
a
1.88
a
2.12
a
2.68
a
Media con igual letra
entre especies son no significativo al p > 0.05.
El
tratamiento SB mostró diferencia significativa (p < 0.05) en todo el periodo de observación, a excepción del
sexto día. SB presenta valores de 2.7 a 4.85 mg l-l OD, superior al
tratamiento CB de 1.33 a 2.91 mg l-l OD (Cuadro 2). Reddy et al. (1989) en un estudio similar en
aguas residuales de origen doméstico de efluente primario, registró al final
del octavo día valores de 1.1 mg l-l OD (Con
Barrera) y 2 mg l-l OD (Sin Barrera) utilizando
plantas de lechugas, así mismo para jacinto reporta valores de 3.4 mg
l-l OD (CB) y 4.9 mg l-l OD (SB).
De acuerdo con los resultados obtenido en esta investigación, se confirma que
el tratamiento SB presenta las mayores concentraciones de OD.
Oxígeno
disuelto (mg l<sup>-l</sup>) en aguas residuales de origen acuícola con plantas
con y sin
barrera según días
observados
Cuadro
2. Oxígeno
disuelto (mg l-l) en aguas residuales de origen acuícola con plantas
con y sin
barrera según días
observados
Tratamiento
Días
de observaciones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Plantas SB
3.15
b
2.70
b
2.95
b
3.20
b
2.90
b
2.73
a
3.16
b
3.75
b
4.85
b
Plantas CB
1.33
a
1.42
a
1.46
a
1.89
a
1.85
a
2.06
a
1.90
a
1.89
a
2.91
a
SB: sin barrera, CB: con
Barrera, media con similar letra en los tratamientos no son significativo p > 0.05.
Con referencia a
la velocidad de transporte de OD, la especie de jacinto con y sin barrera
presenta valores de 0.46 y 0.45 mg O2 d-1 l-1
respectivamente (Cuadro 3), no muestra tendencia de aumento de concentraciones
de OD y no establece un coeficiente de transferencia de OD al agua residual en
el periodo observado. Estos datos están por debajo a lo reportado por Domínguez
(2003), quien obtuvo en tres experimentos velocidades de transporte de 6.6, 7.3
y 5.2 mg O2 d-1 l-1 utilizando planta de jacinto
en un periodo de observación de nueve días.
Oxígeno
transportado en aguas residuales de
origen acuícola utilizando planta
de jacinto
con y sin barrera
Cuadro 3. Oxígeno
transportado en aguas residuales de
origen acuícola utilizando planta
de jacinto
con y sin barrera
Tratamiento
O2 transportado = DBO (inicial-final) +
OD (final-inicial) / 9 días
DBO5
OD
O2
Transportado
Inicial
Final
Inicial
Final
Jacinto SB
21.40
17.06
5.63
5.91
0.45
Jacinto CB
21.40
17.40
6.03
5.91
0.46
SB: sin barrera; CB: con barrera; DBO: demanda biológica de oxígeno,
OD: oxígeno disuelto.
La demanda biológica de oxígeno (DBO), en aguas residuales de origen acuícola con planta de jacinto SB, presenta al inicio del experimento 21.4 mg l-l y al final del periodo redujo hasta 17. 0 mg l-l, para una remoción del 20.60 %, mientras CB el porcentaje de remoción fue de 18.69 % muy por debajo a lo reportado por Reddy et al. (1989) en estudio similar de un sistema de tratamiento de agua domiciliar de un efluente primario con una DBO inicial 112.2 mg l-l, utilizando jacinto removió el 73.9 % DBO CB y SB 79.8 %. Se confirma en nuestro estudio que el tratamiento SB presenta mayor remoción de la DBO (Cuadro 4).
Remoción
(%) de DBO en aguas residuales de origen acuícola con
jacinto sin y con barrera
Cuadro
4. Remoción
(%) de DBO en aguas residuales de origen acuícola con
jacinto sin y con barrera
Experimento
Tratamiento
DBO
(mg l-l)
Diferencia
% Remoción
Inicial
Final
1
CPSB
21.40
17.06
4.40
20.28
1
CPCB
21.40
17.40
4.00
18.69
CPSB: con plantas sin barrera, CPCB: con plantas con barrera.
DBO: Demanda biológica de oxígeno.
En
tres experimentos con el tratamiento SPSB se registró remoción de 73 %, 33 % y
85 % DBO en aguas residuales de origen acuícola en un periodo de nueve días,
mientras el SPCB remueve el 42 %. Estos resultados indican que el tratamiento
SPSB está contribuyendo a la respiración de los microorganismos y su
interacción con el ambiente. El tratamiento SPCB presenta los menores
porcentajes de remoción de DBO ejercida por las actividades de las bacterias
anaeróbicas (Cuadro 5).
Remoción (%) de DBO sin planta sin o con barreras
en aguas residuales
de origen acuícola
Cuadro 5. Remoción (%) de DBO sin planta sin o con barreras
en aguas residuales
de origen acuícola
Experimento
Tratamiento
DBO (mg l-1)
Diferencia
% Remoción
Inicial
Final
1
SPSB
26.27
7.08
19.19
73
2
SPSB
11.83
7.93
3.90
33
3
SPSB
21.40
4.03
17.37
81
Promedio
63.33
1
SPCB
26.27
15.29
10.98
42
2
SPCB
11.83
16.10
4.27 (-)
Sin remoción
3
SPCB
21.40
12.40
9.00
42
Promedio
42.00
SPSB: sin planta sin barrera, SPCB: sin planta con barrera, DBO: demanda biológica
de oxígeno.
La biomasa seca de la planta de jacinto
mostró mayor promedio de peso total seco (6.06 g) que lechuga de agua (3.20 g).
Con la relación biomasa seca aérea - raíz (T/R), la planta de jacinto presentó
un valor promedio de 0.62 lo que indica mayor peso de biomasa de la raíz
comparada con biomasa aérea. Por el contrario, la planta de lechuga presentó
mayor biomasa aérea con relación a la raíz, con un valor medio de 5.04 T/R (Cuadro
6). Reddy et al. (1989) encontró menor peso total
promedio (0.71 g) y mayor T/R (4.42) para jacinto, similar comportamiento presenta
lechuga con peso total de (1.49 g) y T/R de 6.40. En el Cuadro 6, se observa la
mayor concentración de OD en planta de jacinto con mayor peso de la biomasa
total. Moorhead y Reddy (1988) reportan que en planta de jacinto
existe alta correlación entre la biomasa de la raíz y oxígeno transportado, lo
que representa que entre más pequeña es la biomasa de la raíz, mayor transporte
de O2 del tejido aéreo hacia la rizosfera.
Biomasa seca de plantas macrophytas y contenido de oxígeno disuelto
Cuadro 6. Biomasa seca de plantas macrophytas y contenido de oxígeno disuelto
Biomasa Seca (g)
Macrophytas
Raíz
Tallo
Peso
Total
Relación
T/R
OD
mg l-l
Jacinto SB
4.85
2.23
7.08
0.46
3.63 - 5.34
Jacinto CB
2.62
2.41
5.03
0.92
1.42 - 4.35
Promedio
3.74
2.32
6.06
0.62
Lechuga SB
0.61
2.40
3.01
3.93
1.7 - 4.81
Lechuga CB
0.44
2.94
3.38
6.68
1.01 - 1.60
Promedio
0.53
2.67
3.20
5.04
T/R: Relación tallo/raíz, OD: oxígeno disuelto,
SB: sin barrera, CB: con barrera.
<bold>CONCLUSIONES</bold>
Existe una diferencia significativa (p < 0.05) entre especies de plantas acuáticas y tratamientos sin barrera y con barrera en cuanto a la concentración de oxígeno disuelto en aguas residuales en el periodo de nueve días de observación.
La planta de jacinto registra el mayor contenido de oxígeno disuelto (3.64 a 5.37 mg l-l) con referencia a lechuga de agua (1.51 a 2.75 mg l-l), así mismo el tratamiento plantas sin barrera, registró mayores concentraciones de oxígeno disuelto (2.7 a 4.85 mg l-l), comparado con barrera (1.33 a 2.91 mg l-l).
Jacinto reporta baja transferencia de oxígeno disuelto en aguas residuales con valores de 0.45 y 0.46 mg O2 d-l l-1 con barrera y sin barrera respectivamente, no muestra un coeficiente de transferencia de oxígeno disuelto.
Con relación a la remoción de la DBO en aguas residuales de origen acuícola con planta de jacinto sin barrera, presenta una remoción del 20.60 %, mientras con barrera fue de 18.69 %.
La remoción de la DBO en aguas residuales con tratamiento sin planta sin barrera (condiciones aeróbicas) fue del 62 %, mientras en condiciones anaeróbica (sin planta con barrera) obtuvo un valor de 42 % en un periodo de observación de nueve días.
En la relación biomasa seca aérea/raíz (T/R), la planta de jacinto presentó un valor promedio de 0.62 lo que indica mayor peso de biomasa de la raíz comparada con biomasa aérea, así mismo mayor contenido de oxígeno disuelto de 3.63 a 5.34 mg l-l. Por el contrario, la planta de lechuga presenta mayor biomasa aérea con relación a la raíz con un valor medio de 5.04. La planta de jacinto mostró mayor peso total de biomasa seca de 6.06 g y concentración oxígeno disuelto de 1.42 a 5.34 mg l-l en aguas residuales en comparación con lechuga de agua con un peso total de su biomasa de 3.20 g y OD de 1.01 a 4.81 mg l-l.
ReferenciasArriaza, V., Stanley Cáceres, M., Dueñas, A. L., Gil Laroj, J., Salazar Ortiz, C. y Rosales Escalante, E. (2004). Guía para el manejo de excretas y aguas residuales municipales. PROARCA/SIGMA. https://sswm.info/sites/default/files/reference_attachments/BROWN%202004.%20Gu%C3%ADa%20para%20el%20Manejo%20de%20Excretas%20y%20Aguas%20Residuales.PDFArriazaVStanley CáceresMDueñasA. LGil LarojJSalazar OrtizC.Rosales EscalanteE.Guía para el manejo de excretas y aguas residuales municipales.2004PROARCA/SIGMA.Domínguez O., A. (2003). Transporte de oxígeno a través de plantas acuáticas. Scientia Et Technica, 1(21). https://revistas.utp.edu.co/index.php/revistaciencia/article/view/7529O., A.DomínguezTransporte de oxígeno a
través de plantas acuáticasScientia Et Technica2003121Fernández, J. (2004). Humedales artificiales para depuración. En J. Fernández González (coord.), Manual de fitodepuración:filtros de macrófitas en flotación. EDITA.FernándezJ.Fernández GonzálezJ.Manual de fitodepuración:filtros de macrófitas en flotación2004EDITAHumedales artificiales para depuración.Moorhead, K. K. y Reddy, K. R. (1988). Oxygen transport through selected aquatic macrophytes. Journal of Environmental Quality, 17(1), 138-142. https://soils.ifas.ufl.edu/wetlands/publications/PDF-articles/129.Oxygen%20transport%20through%20selected%20aquatic%20macrophytes..pdfMoorheadK. KReddyK. R.Oxygen transport through selected aquatic macrophytesJournal of Environmental Quality1988171138142Reddy, K. R., D'angelo, E. M. y DeBusk, T. A. (1989). Oxygen transport through aquatic macrophytes: the role in wastewater treatment. Journal of Environmental Quality, 19(2), 261-267. https://www.oieau.fr/eaudoc/system/files/documents/3/15550/15550_doc.pdfReddyK. RD'angeloE. MDeBuskT. A.Oxygen transport through
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