Biorremediación en el aula Teach article

Traducido por José L Cebollada. Vered Yephlach-Wiskerman presenta un proyecto para investigar la capacidad de biorremediación de la Azolla, un helecho acuático.

Azolla pinnata
Imagen cortesía de eyeweed;
origen de la imagen: Flickr

Cuando los organismos o las masas acuáticas están contaminadas con metales pesados o petróleo, por ejemplo, una de las opciones es la biorremediación: el uso de microorganismos o plantas que eliminan el contaminante (e incluso lo metabolizan produciendo sustancias menos peligrosas) o los acumulan, lo que facilita su eliminación.

Las aplicaciones más habituales son la limpieza de minas abandonadas o los vertidos de petróleo. La fitorremediación (del griego phyto, planta) utiliza la capacidad natural de las plantas para albergar, degradar o eliminar productos tóxicos y contaminantes del suelo, barro, sedimentos o aguas subterráneas.

Una de estas plantas es la Azolla: una variedad de helecho que flota en agua y que puede acumular metales pesados como níquel, cadmio o mercurio (Arora et al., 2006); estas plantas son fáciles de recolectar y se secan muy rápido (Wagner, 1997). Estas características la convierten en el candidato perfecto para la biorremediación (Cohen, 2004), aunque siempre es importante evaluar el riesgo potencial de introducir una nueva especie en un ecosistemaw1, w2. La Azolla vive en simbiosis con la cianobacteria Anabaena azollae, que puede fijar nitrógeno atmosférico. Como no depende de una fuente externa de nitrógeno, el helecho puede duplicar su biomasa cada tres días a temperatura ambiente y es el motivo por el que se ha utilizado como abono biológico en los cultivos de arroz desde hace siglos.

La Azolla en la clase de ciencias

Azolla filiculoides
Imagen cortesía de eyeweed;
origen de la imagen: Flickr

Esta planta constituye un valioso recurso para abordar proyectos interdisciplinares que incluyen ecología, estudios medioambientales, biología, química y biotecnología. En estos proyectos los alumnos pueden ejercitar habilidades básicas para el trabajo científico: formulación de problemas e hipótesis, planificación de un experimento, redacción de los resultados y extracción de conclusiones.

Azolla filiculoides (izquierda)
y Azolla pinnata (derecha)

Imagen cortesía de eyeweed;
origen de la imagen: Flickr

En esta actividad se introduce la biorremediación promoviendo que los estudiantes busquen información sobre la Azollaw1, w3, w4, w5, w6, w7, w8 (Arora & Saxena, 2005), la morfología de plantas acuáticas y sus diferencias con las terrestres; la importancia de la simbiosis, el ciclo del nitrógeno, el uso de la Azolla en agricultura (Pabby et al., 2004), y la característica de la Azolla: la capacidad para retener metales pesados.

Ayuda a los estudiantes a formular las hipótesis y elegir los temas que van a estudiar. Algunos son: el aumento de biomasa en función de las condiciones de crecimiento (nivel de CO2 nivel de hierro en el agua, cantidad de luz) o el efecto de la Azolla en la calidad del agua.

Es adecuado para el trabajo en parejas. Cada experimento debe repetirse tres veces para confirmarlo. Los equipos pueden trabajar en diferentes aspectos de la planta o todos en el mismo tema para replicar un único experimento. En la sesión final se pueden presentar los resultados y discutirlos con el grupo.

La tabla 1 puede ayudar en la planificación del experimento. Puede descargarse desde la web de Science in Schoolw8.

 
  Detalles del experimento Tu respuesta
Tabla 1: Planificación del experimento
1 Formula tu hipótesis  
2 ¿Cuáles son los fundamentos biológicos de tu hipótesis?  
3 ¿Cuál es la variable independiente que quieres medir en tu experimento? ¿Cómo la vas a medir? ¿En qué unidades?  
4 ¿Cuál(es) es/son la(s) variable(s) independiente(s) que quieres variar para estudiar su(s) efectos en la variable del apartado 3? ¿Qué valor(es) le(s) vas a dar?  
5

¿Cuáles son las variables fijas del experimento (las que no van a cambiar)?

 
6 Explica los controles que piensas incluir y explica su importancia.  

A continuación los estudiantes deben tabular sus resultados experimentales y representarlos gráficamente, eligiendo para ello la representación más adecuada (gráfica, diagrama de barras…).

El final del delta del río
Mississippi el 24 de mayo de
2010, después del vertido de
petróleo del Deepwater
Horizon. Las manchas de
petróleo se ven plateadas en
contraste con la luz azul del
agua; la vegetación está en
rojo

Imagen cortesía de NASA
Goddard Space Flight Center

Debajo hay un ejemplo de un proyecto para alumnos de los cursos 10º-12º (16-18 años). Se ha usado Azolla filiculoides, pero serviría cualquiera de las siete especies. Se pueden conseguir fácilmente en invernaderos, centros de jardinería o tiendas web de productos para acuarios.

El efecto de la Azolla en la calidad del agua

Hipótesis/ tema de investigación: la Azolla disminuirá la conductividad del agua porque absorbe iones metálicos. ¿Afecta en algo más a calidad del agua?

Para probar esta hipótesis y contestar la pregunta se pueden monitorizar diferentes parámetros del agua durante dos semanas. Además de medir la conductividad, también investigamos algunos aspectos de la calidad del agua fácilmente medibles y para los que dispongamos de equipos.

Los estudiantes deberían conocer la fisiología de las plantas y el uso de métodos e instrumentos de medida.

  1. Añade 250 ml de agua del grifo en cada uno recipientes de vidrio y colócalos delante de la ventana.

    Lo mejor sería utilizar agua contaminada para que la planta demostrara su capacidad de biorremediación pero se desaconseja por problemas de seguridad. No obstante se puede añadir algún metal y trabajar con esa mezcla.

  2. Medir los parámetros en los dos recipientes.
Agua contaminada
Imagen cortesía de Chesapeake
Bay Program; origen de la
imagen: Flickr
  1. Añadir unos 50 g. de Azolla a uno de los recipientes (añadir más si la planta está muy humedecida). El segundo recipiente permanece sin tratar.

    Se puede ampliar la investigación usando otra planta acuática –una que no absorba metales pesados como la lenteja de agua (Lemma spp.)- en un tercer recipiente.

  2. Repite las medidas cada 1-2 días.

    También puedes tomar muestras cada día, congelarlas y analizarlas todas al final.

No añadas ni cambies el agua durante el experimento.

Registros

  1. Mide la conductividad para determinar la concentración de electrolitos

    La conductividad debe disminuir con el paso del tiempo debido a que la Azolla retira iones metálicos.

  2. Mide la concentración de diferentes iones. Puedes usar tiras comerciales de ensayo directo. Nosotros medimos contenidos de nitrato y de hierro porque teníamos kits para estos iones.

    Deben disminuir los niveles de hierro, pues es absorbido por la Azolla porque es un elemento esencial para la actividad de la nitrogenasa. Si la cantidad de hierro era demasiado pequeña, las hojas de la Azolla se volverán amarillas y se marchitarán.

    La Azolla puede vivir sin una fuente externa de nitrógeno gracias a la simbiosis con una cianobacteria, pero la tasa de crecimiento de la planta disminuirá. Por ello hay que esperar una disminución en los niveles de nitrato en el agua.

Azolla pinnata
Imagen cortesía de 澎湖小雲雀;
origen de la imagen: Flickr
  1. La medida del pH mediante un pHmetro o una tira indicadora nos da información de la concentración de dióxido de carbono (CO2).

    La respiración celular de la planta debería aumentar la concentración de CO2 y por tanto disminuiría el pH.

  2. Medida de la salinidad (concentración de ión cloruro) usando una tira.

    Si aumenta la salinidad, lo debería hacer por igual en ambas muestras de agua – sería el resultado de la evaporación, pues la Azolla no absorbe iones cloruro.

Como parámetro de control, puedes determinar el contenido bacteriano midiendo la turbidez con un espectrofotómetro o un turbidómetro. Otra manera consiste en medir la concentración de unidades formadoras de colonias usando el método de la dilución, plaqueo y contar las colonias que crecen en medio solido. Diferencias en los niveles iniciales de bacterias en las muestras de agua pueden influir en la calidad del agua y falsear los resultados, pues las bacterias retiran nutrientes y metales.

Aviso de seguridad

La cianobacteria en Azolla produce una neurotoxina por lo que no se debe ingerir la planta. Además algunas especies de Azolla son consideradas en algunos países como una plaga, como especies invasoras por lo que hay que ser muy cuidadosos con su manipulación y eliminación. Ver también la nota general sobre seguridad de Science in School.

 

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References

  • Arora A, Saxena S (2005) Phosphorus requirements of Azolla microphylla. International Rice Research Notes 30(2): 25-26.
  • Arora A, Saxena S, Kumar Sharma D (2006) Tolerance and phytoaccumulation of chromium by three Azolla species. World Journal of Microbiology and Biotechnology 22(2): 97-100. doi: 10.1007/s11274-005-9000-9
  • Cohen MF, Yamasaki H, Mazzola M (2004) Bioremediation of soils by plant-microbe systems. International Journal of Green Energy 1(3): 301-312. doi: 10.1081/GE-200033610
  • Pabby A, Prasana R, Singh PK (2004) Biological significance of Azolla and its utilization in agriculture. Proceedings of the Indian National Science Academy B70(3): 299-333. www.new.dli.ernet.in/rawdataupload/upload/insa/INSA_1/2000c954-299.pdf o usar el enlace directo: http://tinyurl.com/62wq6mp
  • Wagner GM (1997) Azolla: A review of its biology and utilization. The Botanical Review 63(1):1-26. doi: 10.1007/BF02857915

Web References

Resources

  • El World Water Monitoring Day ofrece muchos recursos en inglés y español sobre la monitorización de algunos parámetros de calidad del agua y kits. Ver: www.worldwatermonitoringday.org
  • Para más recursos sobre ensayos de la calidad del agua, ver la web Lifewater Canada: www.lifewater.ca/Section_16.htm
  • Puedes descargar manuales escolares para análisis de aguas en la web de la the Massachusetts Water Resources Authority (www.mwra.state.ma.us) o usar el enlace directo: http://tinyurl.com/6jerkan
  • Para saber más sobre un proyecto de análisis de la calidad del agua en el medioambiente local, ver:

Author(s)

Vered Yephlach-Wiskerman enseña biología en la Omer High School en Omer, Israel. Es la coordinadora del programa de excelencia y también da clases de bioquímica e inmunología en el departamento de Ciencias del Kaye Academic College of Education, un centro de formación del profesorado en Beersheba.


Review

Mantener el medio ambiente limpio, sin contaminación y monitorizarlo son dos de nuestras mayores preocupaciones y estos temas se estudian en las clases de ciencias en la escuela. Los métodos naturales de limpieza del entorno como la biorremediación mediante plantas y microbios son ideales y se están estudiando desde hace muchos años. Este artículo muestra una planta acuática común, la Azolla, que puede usarse para mostrar en el aula la biorremediación. Las actividades promueven habilidades de pensamiento científico, una parte esencial del tema ‘cómo funciona la ciencia’ del currículum. Una versión simplificada de esta actividad puede usarse con estudiantes de cursos inferiores.

Se pueden relacionar los experimentos con la química –en ensayos con cationes y aniones y las valoraciones. La actividad está también relacionada con la microbiología y la biotecnología, y los estudiantes pueden aprender los fundamentos de la monitorización de la calidad microbiológica del agua. Como actividad complementaria los estudiantes pueden usar internet para documentar el uso de microbios para limpiar vertidos de petróleo o los microorganismos se pueden seleccionara o modificar genéticamente para resolver algunos problemas de contaminación.


Shelley Goodman, Reino Unido




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