199
Rev. Fac. Agron. (LUZ). 2021, 38: 199-215. Enero-Marzo.
DOI: https://doi.org/10.47280/RevFacAgron(LUZ).v38.n1.010 ISSN 2477-9407
Esta publicación cientíca en formato digital es continuación de la Revista Impresa: Depósito legal pp 196802ZU42, ISSN 0378-7818.
Recibido el 27-02-2020 . Aceptado el 11-10-2020.
*Autor de correspondencia. Correo electrónico: kalina.fonseca@utc.edu.ec
Fitorremediación de aguas contaminadas con
arsénico mediante islas otantes articiales:
revisión bibliográca
Phytoremediation of arsenic-contaminated waters by
articial oating island: literature review
Fitorremediação de águas contaminadas com arsênico
usando ilhas utuantes articiais: revisão bibliográca
Kalina Marcela Fonseca Largo
1*
, Joseline Luisa Ruiz Depablos
2
,
Edgar Fabián Espitia Sarmiento
3
, Edward Alexander
Campaña Pallasco
4
y Evelyn Liseth Moreno Chicaiza
5
1
Docente - Investigadora. Coordinador del grupo de investigación: Manejo
del Recursos Hídricos, Universidad Técnica de Cotopaxi. Ecuador. Correo
electrónico: kalina.fonseca@utc.edu.ec,
.
2
Investigadora. Universidad
Técnica de Cotopaxi, Ecuador. Correo electrónico: joseline.ruiz9062@utc.
edu.ec,
.
3
Director de la carrera de Ingeniería en Ciencias del Agua.
Universidad Regional Amazónica Ikiam. Ecuador. Correo electrónico:
edgar.espitia@ikiam.edu.ec,
4
Egresado de la carrera de Ingeniería
en Medio Ambiente de la Universidad Técnica de Cotopaxi. Correo
electrónico: edward.campana6650@utc.edu.ec,
.
5
Egresada de la carrera
de Ingeniería en Medio Ambiente de la Universidad Técnica de Cotopaxi.
Correo electrónico: evelyn.moreno6511@utc.edu.ec,
.
Resumen
El agua es el principal medio a través del cual el arsénico (As) ingresa al cuerpo
humano causando daños irreversibles a la salud como envenenamiento, lesiones
cutáneas y varios tipos de cánceres. Una estrategia para abordar la contaminación
de As en ecosistemas acuáticos, son las islas otantes articiales (IFA) usando
pasto Vetiver (Chrysopogon zizanioides). El objetivo de este estudio fue revisar 45
publicaciones sobre los fundamentos de construcción, implementación, descripción
de mecanismos de descontaminación, caracterización de la especie macróta y
disposición nal del material vegetal. También, se revisaron algunos modelos
matemáticos que pueden ser aplicados para cuanticar las tasas de remoción
200
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Fonseca et al. ISSN 2477-9407
y eciencia del sistema. Con base en la literatura revisada, se concluye que el
pasto Vetiver es una alternativa ecaz en la remoción de As y su efecto puede ser
amplicado al implementar un lecho otante articial. La importancia de esta
relativamente nueva ecotecnología requiere que se continúen las investigaciones
en el área.
Palabras claves: remoción, Vetiver, ecotecnología, material vegetal, lecho
otante.
Abstract
Water is the main way arsenic (As) can ge tinto the human body causing
irreversible health damage such as poisoning, skin lesions and various types of
cancer. One strategy for addressing pollution of arsenic in aquatic ecosystems
is articial oating islands (IFA) using Vetiver grass (Chrysopogon zizanioides).
The objective of this study was to review 45 publications on the fundamentals
of construction, implementation, description of decontamination mechanisms,
characterization of macrophyte species and nal disposal of plant material. Also,
some mathematical models that can be applied to quantify removal rates and
system efciency were reviewed. Based on the literature reviewed, it is concluded
that Vetiver grass is an effective alternative in removing As and its effect can
be amplied by implementing an articial oating bed. The importance of this
relatively new ecotechnology requires further research in the eld.
Keywords: removal, Vetiver, ecotechnology, plant material, articial oating
bed.
Resumo
A água é o principal meio através do qual o arsênico (As) entra no corpo
humano, causando danos irreversíveis à saúde, como envenenamentos, lesões
na pele e vários tipos de câncer. Uma estratégia para lidar com a contaminação
de arsênio em ecossistemas aquáticos são as ilhas utuantes articiais (IFA)
usando o capim Vetiver (Chrysopogon zizanioides). O objetivo deste estudo foi
revisar as publicações 45 sobre os fundamentos da construção, implementação,
descrição dos mecanismos de descontaminação, caracterização das espécies de
macrótas e disposição nal do material vegetal. Além disso, foram revisados
alguns modelos matemáticos que podem ser aplicados para quanticar as taxas
de remoção e a eciência do sistema. Com base na literatura revisada, conclui-
se que a grama Vetiver é uma alternativa ecaz na remoção de As e seu efeito
pode ser amplicado através da implementação de um leito utuante articial. A
importância desta tecnologia ecológica relativamente nova exige que se prossiga
a investigação na área.
Palavras-chave: remoção, Vetiver, tecnologia ecológica, material vegetal, leito
utuante.
201
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Fonseca et al. ISSN 2477-9407
Introducción
La presencia de elevadas
concentraciones de arsénico (As) en
la hidrósfera, litósfera y atmósfera, es
ocasionada por procesos naturales y
antropogénicos (Shukla y Srivastava,
2017; Dinwiddie y Liu, 2018; Pincetti-
Zúniga et al., 2020). La principal
actividad humana que genera altos
niveles de As en los ecosistemas es
la pirometalurgia de minerales no
ferrosos (Cu, Pb, Zn, Ni, Sn) (Li et al.,
2020; Rong et al., 2020), que genera
euentes con As y ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
). Además, el uso de pesticidas
y herbicidas compuestos de metilados
como el ácido monometilarsónico
(MMA), ácido dimetilarsínico (DMA),
el óxido de trimetilarsina (TMAO)
(Shukla y Srivastava, 2017) y
fertilizantes químicos generan As
que son dispuestos en el suelo y
agua (He et al., 2020). Como fuente
de contaminación natural, el As
surge por procesos naturales como
meteorización, actividad biológica
y emisiones volcánicas (Reddy y
DeLaune, 2008; Morales-Simfors et
al., 2019).
La toxicidad del As se relaciona
con su solubilidad (Rong et al.,
2020), por esa razón, los humanos
están expuestos principalmente por
la presencia en alimentos y agua
(Shukla y Srivastava, 2017; Pincetti-
Zúniga et al., 2020). La ingestión de
As inorgánico a través del agua puede
tener efectos adversos para la salud.
La Organización Mundial de la Salud
(OMS) ha establecido como valor de
referencia de 10 μg.L
-1
,
pero muchos
países aún no han adoptado esta
Introduction
The presence of high
concentrations of arsenic (As) in
the hydrosphere, lithosphere and
atmosphere is caused by natural and
anthropogenic processes (Shukla
and Srivastava, 2017; Dinwiddie
and Liu, 2018; Pincetti-Zúniga et
al., 2020). The main human activity
that generates high levels of As in
ecosystems is the pyrometallurgy of
non-ferrous minerals (Cu, Pb, Zn,
Ni, Sn) (Li et al., 2020; Rong et al.,
2020), which generates efuents
with As and sulfuric acid (H
2
SO
4
).
In addition, the use of pesticides and
herbicides composed of methylates
such as monomethylarsonic acid
(MMA), dimethylarsinic acid (DMA),
trimethylarsine oxide (TMAO)
(Shukla and Srivastava, 2017) and
chemical fertilizers generate As
that are disposed in the soil and
water (He et al., 2020). As a source
of natural pollution, As arises from
natural processes such as weathering,
biological activity, and volcanic
emissions (Reddy and DeLaune, 2008;
Morales-Simfors et al., 2019).
The toxicity of As is related to
its solubility (Rong et al., 2020), for
that reason, humans are exposed
mainly by its presence in food and
water (Shukla and Srivastava, 2017;
Pincetti-Zúniga et al., 2020). Ingestion
of inorganic As through water can
have adverse health effects. The
World Health Organization (WHO)
has established a reference value of
10 μg.L
-1
, but many countries have
not yet adopted this standard in their
legislation (Ning, 2005). At the global
202
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norma en su legislación (Ning, 2005).
A nivel mundial, se han propuesto
varios métodos tradicionales para
la eliminación de As (Zhao et al.,
2010)particularly inorganic arsenic
(Asi, sin embargo, los costos de estas
tecnologías dicultan su aplicación
en países en vía de desarrollo. Por
otra parte, existen métodos de
biorremediación, que a diferencia
de los métodos físicoquímicos son
adecuados para extensas áreas
contaminadas, requieren bajos costos
de instalación y mantenimiento
(Pilon-
Smits, 2005). El costo total
estimado de biorremediación puede
llegar hasta el 5 % de otros métodos
tradicionales disponibles (Prasad,
2003). El éxito de la biorremediación,
en el caso de la torremediación,
depende de las especies vegetales
utilizadas en los sistemas de
depuración. En las últimas
décadas, varios estudios sobre las
características siológicas del pasto
Vetiver (Chrysopogon zizanioides (L.)
Roberty) han demostrado que es un
excelente candidato para ser aplicado
en un amplio rango de necesidades
de toremediación (Shu y Xia, 2003)
which frequently contain excessive
concentrations of heavy metals. (IVT.
A través de diversos mecanismos, C.
zizanioides es capaz de adaptarse
a las condiciones de los humedales
y acumular metales pesados en las
raíces (Siyar et al., 2020) y translocar
mínimas cantidades a los brotes
(Wang et al., 2010).
La remoción de metales pesados con
este pasto proporciona un tratamiento
ecaz; sin embargo, su efecto puede
ser amplicado al implementar un
level, several traditional methods
have been proposed for the removal
of As (Zhao et al., 2010), however, the
costs of these technologies make it
difcult to apply them in developing
countries. On the other hand, there are
bioremediation methods, which unlike
physicochemical methods are suitable
for large contaminated areas, require
low installation and maintenance
costs (Pilon-Smits, 2005). The total
estimated cost of bioremediation
can be up to 5 % of other available
traditional methods (Prasad, 2003).
The success of bioremediation,
in the case of phytoremediation,
depends on the plant species used
in the purication systems. In the
last decades, several studies on the
physiological characteristics of Vetiver
grass (Chrysopogon zizanioides (L.)
Roberty) have shown that it is an
excellent candidate to be applied in a
wide range of phytoremediation needs
(Shu and Xia, 2003). Through various
mechanisms, C. zizanioides is able
to adapt to wetland conditions and
accumulate heavy metals in the roots
(Siyar et al., 2020) and translocate
minute amounts to the shoots (Wang
et al., 2010).
The removal of heavy metals
with this grass provides an effective
treatment; however, its effect can
be amplied by implementing an
articial oating bed (Samal, 2019).
Articial oating islands (IFA), also
known as oating wetlands, restore
polluted aquatic ecosystems with a
good cost-efciency ratio. The use
of this ecotechnology is a promising
strategy for the removal of As (Ismail
et al., 2014; Smolcz et al., 2015; Lara
203
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lecho otante articial (Samal, 2019).
Las islas otantes articiales (IFA)
conocidas también como humedales
otantes, restauran ecosistemas
acuáticos contaminados con una buena
relación costo-eciencia. El uso de
esta ecotecnología, es una estrategia
prometedora para la remoción de
As (Ismail et al., 2014; Smolcz et al.,
2015; Lara y Navarro, 2017; Singh,
2017; Colares et al., 2020) La presente
revisión plantea los fundamentos
de la construcción, implementación,
descripción de los mecanismos de
descontaminación, caracterización de
la especie macróta, disposición nal
de los residuos vegetales y los modelos
matemáticos para analizar procesos
de biosorción de As con pasto Vetiver
Métodos
La mayoría de los estudios
referentes a las IFA se publicaron
en inglés (98,9 %) y los dos países
que presentan el mayor número de
investigaciones son Estados Unidos
de América (EE.UU.) y China, que
en conjunto representan más del
52 % de todas las publicaciones
divulgadas desde 1992 hasta el
2019 (Colares et al., 2020) En esta
revisión bibliográca se procedió a
la búsqueda de artículos cientícos
en las principales bases de datos
en el área de torremediación de
agua contaminada con arsénico. Las
bases de datos utilizadas fueron:
Scopus, ScienceDirect, SpringerLink,
SciELO (Scientic Electronic Library
Online) y Web of Science. En la
estrategia de indagación se utilizaron
combinaciones de los siguientes
términos:
and Navarro, 2017; Singh, 2017;
Colares et al., 2020). The present
review raises the fundamentals of
the construction, implementation,
description of the decontamination
mechanisms, characterization of the
macrophyte species, nal disposal
of plant residues and mathematical
models to analyze biosorption
processes of As with Vetiver grass.
Methods
Most of the studies referring to
IFA were published in English (98.9
%) and the two countries with the
highest number of investigations are
the United States of America (USA)
and China, which together represent
more than 52 % of all publications
released from 1992 to 2019 (Colares
et al., 2020). In this review, we
proceeded to search for scientic
articles in the main databases in
the area of phytoremediation of
water contaminated with arsenic.
The databases used were: Scopus,
ScienceDirect, SpringerLink, SciELO
(Scientic Electronic Library Online)
and Web of Science. In the research
strategy, combinations of the
following terms were used: oating
treatment wetlands, C. zizanioides,
ecotechnology, water quality
improvement, articial oating
islands, heavy metal removal from
bodies of water, removing arsenic,
phytoremediation polluted water
arsenic, mathematical models arsenic
removal.
Those articles published between
the years 2000 and 2020 that included
studies on the phytoremediation
capacity of Vetiver grass in water
204
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Se seleccionaron aquellos artículos
publicados entre los años 2000 y
2020 que incluyeran estudios sobre
la capacidad torremedora del
pasto Vetiver en agua contaminada
con As y los relacionados con islas
otantes articiales. Por otro lado,
la literatura que no contaba con
experimentos especícos, validaciones
e indexación en revistas cientícas,
no se incluyeron. La búsqueda de
documentos incluyó el idioma inglés
y español. Los artículos elegidos
inicialmente para el estudio fueron
97; de ellos se eliminaron 54 porque no
cumplían con los criterios establecidos,
seleccionando denitivamente para
revisión bibliográca un total de 43.
Discusión
El arsénico en ecosistemas
acuáticos
El As es el vigésimo elemento más
abundante en la corteza terrestre
(Zhao et al., 2010) particularly
inorganic arsenic (Asi, es tóxico para
los seres humanos principalmente por
su consumo en el agua (Mondal et al.,
2006). Sus estados de oxidación varían
(+5), (+3), (0) y (-3) y son los más
comunes en el agua (Mondal et al.,
2006); coexistiendo en la naturaleza con
Fe, Cu, Ni, Zn, etc. Reddy y DeLaune
(2008) indican que en general, las
formas inorgánicas de As son más
tóxicas que las formas orgánicas y
que el ión arsenito es más tóxico que
el arseniato, también señalan que en
ambientes acuosos aeróbicos el As
predomina como ión arseniato As (V)
en la forma [H
3
AsO
4
, H
2
AsO
4
-1
, HAsO
4
-
2
y AsO
4
-3
] mientras que el ión arsenito
As (III) como [H
3
A0
3
, H
2
AsO
-3
] es más
contaminated with As and those
related to articial oating islands,
were selected. On the other hand,
the literature that did not have
specic experiments, validations and
indexing in scientic journals, were
not included. The document search
included the English and Spanish
languages. The articles initially
chosen for the study were 97; 54 of
them were eliminated because they
did not meet the established criteria,
denitively selecting a total of 43 for
bibliographic review.
Discussion
Arsenic in aquatic ecosystems
As is the twentieth most abundant
element in the earth’s crust (Zhao
et al., 2010), it is toxic to humans
mainly due to its consumption in
water (Mondal et al., 2006). Their
oxidation states vary (+5), (+3), (0)
and (-3) and are the most common in
water (Mondal et al., 2006); coexisting
in nature with Fe, Cu, Ni, Zn, etc.
Reddy and DeLaune (2008) indicate
that in general, inorganic forms of
As are more toxic than organic forms
and that the arsenite ion is more toxic
than arsenate, they also point out that
in aerobic aqueous environments, As
predominates as arsenate ion As (V)
in the form [H
3
AsO
4
, H
2
AsO
4
-1
, HAsO
4
-
2
and AsO
4
-3
] while the arsenite ion
As (III) as [H
3
AsO
3
, H
2
AsO
-3
] is more
frequent in anoxic environments.
Although As is abundant in both
terrestrial and aquatic environments,
its presence in groundwater has
received much attention due to its
high concentrations (Ning, 2005).
In areas such as the Bengal basin,
205
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frecuente en ambientes anóxicos.
Aunque el As abunda tanto en
ambientes terrestres como acuáticos,
su presencia en aguas subterráneas,
ha recibido mucha atención, por las
altas concentaciones (Ning, 2005).
En zonas como la cuenca de Bengala,
Tailandia, Italia, Argentina, Bolivia,
Chile, México y Perú, se ha reportado
niveles alarmantes de As de hasta 50
μg.L
-1
en las fuentes de agua utilizadas
para consumo (Ning, 2005; Mondal et
al., 2006; Bundschuh et al., 2008).
Presencia de arsénico en
sedimentos
Según Reddy y DeLaune (2008), los
metales pesados tóxicos en los suelos
o sedimentos de humedales existen
en varias formas y pueden sufrir
numerosos procesos de transporte y
transformación cuando ingresan a
los humedales; la contribución anual
de As al suelo es pequeña, pero se ha
agregado una cantidad signicativa a
la columna sedimentaria durante el
tiempo geológico. Estudios realizados
sobre la concentración de de As en
suelos indican que estos pueden
alcanzar hasta 62,20 mg.kg
-1
y
se rigen principalmente por las
características geológicas del mismo
(Zuzolo et al., 2020).
En los suelos de humedales,
la cantidad de materia orgánica,
minerales, pH y potencial redox rigen
la solubilidad y movilidad del As. Para
ciertas condiciones de potencial redox
y pH, puede estar presente como un
oxianión en la forma de arseniato o
arsenito. A potenciales redox altos
(desde +200 a +500 mV), el As (V) es
la especie predominante mientras
que, la reducción de As (V) a As (III)
Thailand, Italy, Argentina, Bolivia,
Chile, Mexico and Peru, alarming
levels of As of up to 50 μg.L
-1
have
been reported in water sources used
for consumption (Ning, 2005; Mondal
et al., 2006; Bundschuh et al., 2008).
Presence of arsenic in
sediments
According to Reddy and DeLaune
(2008), toxic heavy metals in wetland
soils or sediments exist in various
forms and can undergo numerous
transport and transformation
processes when they enter wetlands;
the annual contribution of As to
the
soil is small, but a signicant amount
has been added to the sedimentary
column during geologic time. Studies
carried out on the concentration of
As in soils indicate that these can
reach up to 62.20 mg.kg
-1
and are
mainly governed by its geological
characteristics (Zuzolo et al., 2020)
In wetland soils, the amount of
organic matter, minerals, pH, and
redox potential govern the solubility
and mobility of As. For certain pH and
redox potential conditions, it may be
present as an oxyanion in the form of
arsenate or arsenite. At high redox
potentials (from +200 to +500 mV),
As (V) is the predominant species,
while the reduction of As (V) to As
(III) occurs at redox levels within the
nitrate reduction zone (+300 mV)
(Reddy and DeLaune, 2008).
Phytoremediation as an
alternative to remove arsenic
There are several methods for
the removal
of As within which
are: use of adsorbents, chemicals,
photochemicals and photocatalytic,
oxidation processes, coagulation,
206
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ocurre a niveles redox dentro de la
zona de reducción de nitratos (+300
mV) (Reddy y DeLaune, 2008).
La torremediación como
alternativa para remover arsénico
Existen varios métodos para
la eliminación de As dentro de
los cuales se encuentran: uso de
adsorbentes, químicos, fotoquímicos y
fotocatalíticos, procesos de oxidación,
coagulación, oculación, precipitación,
intercambio iónico y ltración por
membrana, sin embargo, los altos
costos de estas tecnologías las hacen
prácticamente imposibles de aplicar
en países en vía de desarrollo. Por otro
lado, la torremediación demuestra
ventajas con respecto a los procesos
tradicionales, ya que utiliza plantas
para limpiar suelos, sedimentos y agua
contaminada con metales pesados
y pesticidas (Shukla y Srivastava,
2017); las plantas torremediadoras
son monitoreadas fácilmente a n de
asegurar un crecimiento adecuado;
los metales removidos por las especies
vegetales en muchos casos son
recuperados y reutilizados (Wang et
al., 2010). Los principales mecanismos
de torremediación de metales pesados
son la toestablización, donde las
plantas inmovilizan los contaminantes
en los suelos; en la toextracción las
especies vegetales usan alta cantidad
de biomasa, son hiperacumuladoras
de metales pesados; en la toltración
o rizoltración, en las raíces de las
plantas que crecen en agua aireada,
precipitan y se concentran metales
tóxicos de los euentes contaminados
y en la tovolatilización las plantas
extraen metales y los liberan en una
forma menos tóxica a la atmósfera
occulation, precipitation, ion
exchange and membrane ltration,
however, the high costs of these
technologies make them practically
impossible to apply in developing
countries. On the other hand,
phytoremediation shows advantages
over traditional processes, since it
uses plants to clean soils, sediments
and water contaminated with heavy
metals and pesticides (Shukla and
Srivastava, 2017); phytoremediation
plants are easily monitored to ensure
proper growth; metals removed by
plant species are in many cases
recovered and reused (Wang et al.,
2010). The main mechanisms of
heavy metal phytoremediation are
phytostabilization, where plants
immobilize pollutants in soils; in
phytoextraction, plant species use
a high amount of biomass, they are
hyper-accumulators of heavy metals;
In phytoltration or rhizoltration, in
the roots of plants that grow in aerated
water, toxic metals are precipitated
and concentrated from contaminated
efuents and in phytovolatilization
the plants extract metals and release
them in a less toxic form into the
atmosphere through transpiration
(inside the plant the pollutant is
transformed or degraded before being
released (Raskin and Ensley, 2000).
Articial oating islands (IFA)
The IFA called “Floating Treatment
Wetlands” (FTWs) will restore aquatic
ecosystems (Colares et al., 2020; Yeh
et al., 2015), with a good cost-efciency
ratio. They are constituted by a
oating support base for the growth
of macrophytes and have proven to be
efcient in the remediation of waters
207
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a través de la transpiración (dentro
de la planta el contaminante es
transformado o degradado antes de
ser liberado (Raskin y Ensley, 2000).
Islas otantes articiales (IFA)
Las IFA denominadas en inglés
“Floating Treatment Wetlands”
(FTWs) restauraran ecosistemas
acuáticos (Colares et al., 2020; Yeh
et al., 2015) con una buena relación
costo-eciencia. Están constituidas
por una base otante de soporte
para el crecimiento de macrótas y
han demostrado ser ecientes en la
remediación de aguas con contenidos
de nutrientes, materia orgánica
y sustancias tóxicas (Tharp et al.,
2019). La base combina una matriz
porosa, permeable y resistente a
la degradación ambiental con un
sustrato de hebras poliméricas para
la colonización microbiana (Yeh et
al., 2015). La otabilidad puede
estar provista por tubos de polivinilo
o polipropileno sellados, láminas de
poliestireno, bambú, caña, paja, cebada
y almohadillas de vinilo inables
(Tanner y Headley, 2011). El medio
de crecimiento de las plantas tiene
que ser seleccionado con precaución
para favorecer el desarrollo de las
raíces de las macrotas, así como su
colonización por biopelículas. Tanner
y Headley (2011) consideran conservar
depresiones en la cima de la matriz
polimérica, para recibir el medio de
crecimiento, que puede ser arena,
turba de esfagno, compost neutralizado
con piedra caliza, etc. La remoción de
contaminantes en las IFA se realiza
por medio de diversos mecanismos,
como absorción de nutrientes y
metales pesados, desarrollo de
with content of nutrients, organic
matter and toxic substances (Tharp
et al., 2019). The base combines a
porous, permeable and resistant
matrix to environmental degradation
with a substrate of polymeric strands
for microbial colonization (Yeh et al.,
2015). Buoyancy can be provided by
sealed polyvinyl or polypropylene
tubes, polystyrene sheets, bamboo,
reed, straw, barley, and inatable
vinyl pads (Tanner and Headley, 2011).
The growth medium of the plants
has to be selected with care to favor
the development of the macrophyte
roots, as well as their colonization by
biolms. Tanner and Headley (2011)
consider preserving depressions at the
top of the polymer matrix, to receive
the growth medium, which can be sand,
sphagnum peat, compost neutralized
with limestone, etc. The removal of
pollutants in the APIs is carried out
through various mechanisms, such
as absorption of nutrients and heavy
metals, development of biolms
(Martínez-Peña and López-Candela,
2018), release of extracellular
enzymes, sedimentation and binding
of pollutants, as well as an increase in
the occulation of suspended matter
(Tharp et al., 2019).
Phytoremedial characteristics
of Vetiver grass
Vetiver grass (C. zizanioides
(L.) Roberty) formerly classied as
Vetiveria zizanioides (Srivastava
et al., 2008) is a perennial herb of
the Poaceae family, native to India
and widely cultivated in tropical
and subtropical regions of the
world (Singh, 2017). It is a species
adaptable to a wide range of climatic
208
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Fonseca et al. ISSN 2477-9407
biopelículas (Martínez-Peña y López-
Candela, 2018), liberación de enzimas
extracelulares, sedimentación y unión
de contaminantes, así como aumento
de la oculación de materia en
suspensión (Tharp et al., 2019).
Características torremediadoras
del pasto Vetiver
El pasto Vetiver (Chrysopogon
zizanioides (L.) Roberty) anteriormente
clasicado como Vetiveria zizanioides
(Srivastava et al., 2008) es una hierba
perenne de la familia Poaceae, nativa
de la India y ampliamente cultivada en
las regiones tropicales y subtropicales
del mundo (Singh, 2017). Es una
especie adaptable a una extensa gama
de condiciones climáticas, fácil de
cultivar, no tiene potencial para
convertirse en maleza y tiene gran
capacidad de acumular metales pesados
(Lara y Navarro, 2017). Esta xeróta
tiene la capacidad de sobrevivir bajo
largas inundaciones, desarrollarse en
ambientes hidropónicos y adaptarse a
condiciones
extremas de temperatura
en el rango de -22 °C a 60 °C (Truong,
2003). Los contaminantes captados
por pasto Vetiver, principalmente
se acumulan en las raíces y muy
poco se transloca a los brotes (Singh,
2017). El As es un elemento no
esencial para las plantas, interere
con su actividad siológica, biológica,
inhibe el crecimiento y le causa
estrés considerable (Praveen et al.,
2019); mientras que pasto Vetiver se
adapta a estas condiciones. La raíz
de este pasto, es el órgano principal
de entrada y acumulación de As,
en la cual hay un transporte radial
que se sugiere fundamentalmente
es apoplástico y que encuentra un
conditions, easy to grow, has no
potential to become a weed and has
a great capacity to accumulate heavy
metals (Lara and Navarro, 2017).
This xerophyte has the ability to
survive under long oods, develop
in hydroponic environments and
adapt to extreme temperature
conditions in the range of -22 °C to
60 °C (Truong, 2003). The pollutants
captured by Vetiver grass, mainly
accumulate in the roots and very
little is translocated to the shoots
(Singh, 2017). As is a non-essential
element for plants, it interferes with
their physiological and biological
activity, inhibits growth and causes
considerable stress (Praveen et
al., 2019); whereas Vetiver grass
adapts to these conditions. The root
of this grass is the main organ of
entry and accumulation of As, in
which there is a radial transport
that is fundamentally suggested to
be apoplastic and that nds a rst
important diffusion and regulation
lter in the endodermis (Ravenscroft
et al., 2009). Plants such as Vetiver
grass translocate a small fraction of
metals from roots to shoots through
the xylem with the transpiration
stream (Van der Ent et al., 2013).
The roots act as a barrier against
heavy metal translocation and may
be a potential tolerance mechanism
operating in the roots. Singh et
al. (2017), when investigating the
accumulation, translocation and
tolerance of As in Vetiver grass
seedlings, these did not experience
signicant toxicity after exposure to
different concentrations of As (from
0.75 ppm to 15 ppm) after 7 days;
209
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primer ltro importante de difusión
y regulación en la endodermis
(Ravenscroft et al., 2009). Las plantas
como el pasto Vetiver translocan una
pequeña fracción de metales desde las
raíces a los brotes a través del xilema
con la corriente de transpiración (Van
der Ent et al., 2013). Las raíces actúan
como barrera contra la translocación
de metales pesados y puede ser un
mecanismo de tolerancia potencial
que opera en las raíces. Singh et al.
(2017), al investigar la acumulación,
translocación y tolerancia de As en
plántulas del pasto Vetiver, estas no
experimentaron toxicidad signicativa
tras la exposición a diferentes
concentraciones de As (desde 0,75
ppm hasta 15 ppm) después de 7 días;
sin embargo, observan un aumento de
toxicidad después de 14 días.
Islas otantes articiales (IFA)
con pasto Vetiver
El pasto Vetiver se cultiva en
cuerpos de agua contaminados,
utilizando matrices otantes, como
una balsa de bambú o tubos de PVC
(Roongtanakiat et al., 2007). El pasto
se transplanta a las matrices otantes
después de aproximadamente 3 meses
de adaptación con 30 cm de raíz.
Cuando se instala en el agua, se deben
podar las hojas a 20-30 cm, aplicar té
de estiércol u otro fertilizante al agua
y mantenerlas hasta que alcancen
unos 40 cm de raíz (Lara y Navarro,
2017). Después de 15 días, es posible
evaluar la ecacia en la remoción de
arsénico con pasto Vetiver a diferentes
biomasas (5 kg, 10 kg, 15 kg, 20 kg,
25 kg) obteniendo remoción de hasta
el 40% para arsénico (Smolcz et al.,
2015). Los parámetros: pH, turbidez,
however, they observe an increase in
toxicity after 14 days.
Articial oating islands (IFA)
with Vetiver grass
Vetiver grass is grown in
contaminated bodies of water, using
oating matrices, such as a bamboo
raft or PVC pipes (Roongtanakiat et al.,
2007). The grass is transplanted to the
oating matrices after approximately
3 months of adaptation with 30 cm of
roots. When it is installed in water, the
leaves should be pruned to 20-30 cm,
manure tea or other fertilizer applied
to the water and kept until they reach
about 40 cm from the roots (Lara and
Navarro, 2017). After 15 days, it is
possible to evaluate the efciency in
the removal of arsenic with Vetiver
grass at different biomasses (5 kg,
10 kg, 15 kg, 20 kg, 25 kg) obtaining
removal of up to 40 % for arsenic
(Smolcz et al., 2015). The parameters:
pH, turbidity, alkalinity, OD, fecal
coliforms (Mathew et al., 2016), DBO
5
,
suspended solid DQO, color removal
(Charoenlarp et al., 2016) and mainly
As (Singh et al., 2017) in various types
of efuents, they are regulated by the
processes that occur at their roots. In
this sense, due to their high tolerance
towards various types of pollutants,
the IFAs with Vetiver grass are
installed in rivers to improve water
quality; for example, Kusin et al.
(2019) through the implementation of
this system, veried a 14 % increase
in the water quality index (WQI) in
polluted rivers. The application of this
technology for As shows 40 % removal
efciency under controlled conditions
(Smolcz et al., 2015); while in the eld,
the remediation efciency varies from
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alcalinidad, OD, coliformes fecales
(Mathew et al., 2016), DBO
5
, DQO
sólidos suspendidos, remoción de
color (Charoenlarp et al., 2016) y
principalemente As (Singh et al.,
2017) en varios tipos de euentes,
son regulados por los procesos que
ocurren en sus raíces. En este sentido,
debido a su alta tolerancia hacia
varios tipos de contaminantes las IFA
con pasto Vetiver se instalan en ríos
para mejorar la calidad de agua; por
ejemplo, Kusin et al. (2019) resulting
in 14 % increase of the overall WQI. It
was proposed that treatment system
performance for FVI can be reected
by the number of pontoons (FVIs
mediante la implementación de este
sistema, vericaron un incremento
del 14 % en el índice de calidad de
agua (WQI) en ríos contaminados.
La aplicación de está tecnología para
As evidencia 40 % de eciencia de
remoción en condiciones controladas
(Smolcz et al., 2015); mientras que en
campo, la eciencia de remediación
varía de 80 % en cinco días a 35 % en
quince días (Lara y Navarro, 2017).
Disposición nal del material
vegetal
La materia vegetal usada en
la torremediación, es el punto
de atención, debido a la posible
contaminación tóxica que puede
acumular. Varios autores han
propuesto usos posteriores de los
residuos vegetales de pasto Vetiver,
por ejemplo Wang et al. (2010),
mencionan que los brotes pueden ser
consumidos por animales de forma
segura o cosechados ya que muy poco
del As se translocan. Adicionalmente,
la raíz puede ser una fuente de
80 % in ve days to 35 % in fteen
days (Lara and Navarro, 2017).
Final disposal of plant material
The plant matter used in
phytoremediation is the point of
attention, due to the possible toxic
contamination that it can accumulate.
Several authors have proposed
subsequent uses of Vetiver grass
plant residues, for example Wang et
al. (2010), mention that the shoots
can be consumed by animals safely
or harvested since very little of the
As is translocated. Additionally, the
root can be a source of essential oils
(Roongtanakiat et al., 2007). Finally,
biomass can be used as fuel in a
pyrolysis system to produce energy
(Ladislas et al., 2015).
Mathematical model for the
evaluation of heavy metal removal
The mechanism of biosorption of
metals using living cells, for example:
Vetiver grass plant, rice, etc. It occurs
in two stages: during the rst stage,
metal ions are adsorbed by the surface
in the metal-electrophilic functional
group interaction exposed to the
cell exterior. In the second stage, in
the active biosorption process, the
selected species penetrate the cell
membrane (Ismail et al., 2014). The
mathematical modeling of the As
sorption processes in aqueous media
in living cells has been studied using
three groups of models: (1) Isotherm
method (Langmiur sorption isotherms,
Freundlich sorption isotherms,
Dubinin-Radushkevich sorption
isotherms R-D); (2) Thermodynamic
evaluation of the processes and (3)
Sorption kinetics corresponding to
pseudo rst and second order kinetic
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aceites esenciales (Roongtanakiat
et al., 2007). Finalmente la biomasa
puede usarse como combustible en
un sistema de pirólisis para producir
energía (Ladislas et al., 2015).
Modelo matemático para
evaluación de remoción de
metales pesados
El mecanismo de biosorción de
metales usando células vivas, por
ejemplo: la planta de pasto Vetiver,
arroz, etc. ocurre en dos etapas: durante
la primera etapa, los iones metálicos
son adsorbidos por la supercie en la
interacción metal - grupos funcionales
electrofílicos expuestos hacia el
exterior celular. En la segunda etapa,
en el proceso de biosorción activa, las
especies seleccionadas penetran en
la membrana celular (Ismail et al.,
2014). La modelación matemática
de los procesos de sorción de As en
medios acuosos en células vivas se
ha estudiado mediante tres grupos de
modelos: (1) Método de las isotermas
(isotermas de sorción de Langmiur,
isotermas de sorción Freundlich,
isotermas de sorción Dubinin
-Radushkevich R-D); (2) Evaluación
termodinámica de los procesos y (3)
Cinética de sorción que corresponde
a modelos cinéticos de pseudo primer
y segundo orden, transferencia de
masa, difusión intraparticular, modelo
de Richenberg, ecuación de Elovich
(Ranjan et al., 2009; Sahmoune, 2016).
Para el caso del arroz y en general
para los procesos de biosorción, los
modelos cinéticos de pseudo segundo
orden y pseudo primer orden, modelan
mejor la biosorción de As (He y Chen,
2014; Ismail et al., 2014; Ranjan et al.,
2009; Sahmoune, 2016), generando
models, mass transfer, intraparticular
diffusion, Richenberg model, Elovich
equation (Ranjan et al., 2009;
Sahmoune, 2016). For the case of rice
and in general for the biosorption
processes, the kinetic models of
pseudo second order and pseudo rst
order, better model the biosorption of
As (He and Chen, 2014; Ismail et al.,
2014; Ranjan et al., 2009; Sahmoune,
2016), generating interest in the
implementation of the models in the
case of live cells of Vetiver grass.
Conclusions
Contamination by inorganic As, in
the form of arsenate As (V) in surface
waters, groundwater and sediments
is a problem worldwide, because
its presence not only comes from
anthropogenic sources but also from
natural sources.
The physiological characteristics
of Vetiver grass: fast growth, high
biomass production, distributed
and deep root system, make it an
excellent candidate to be applied as a
phytoremediate species of arsenic in
water, soils and sediments.
Vetiver grass works through
phytoltration mechanisms, adapts
to wetland conditions, withstands
extreme climatic conditions, is not an
invasive species, accumulates metals
in the roots and translocates small
amounts to the shoots. The plant
material used in phytoremediation
has potential for the manufacture of
biofuels by taking advantage of the
removed biomass.
Based on the literature reviewed,
it is concluded that Vetiver grass is an
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Fonseca et al. ISSN 2477-9407
interés en la implementación de los
modelos en el caso de células vivas de
pasto Vetiver.
Conclusiones
La contaminación por As inorgánico,
en forma de arseniato As (V) en
aguas superciales, subterráneas y
sedimentos es una problemática a nivel
mundial, debido a que su presencia no
solo proviene de fuentes antropogénicas
sino también de fuentes naturales.
Las características siológicas
del pasto Vetiver: crecimiento
rápido, alta producción de biomasa,
sistema radicular distribuido y
profundo, lo hacen un excelente
candidato para ser aplicado como
una especie toremediadora
de arsénico del agua, suelos y
sedimentos.
El pasto Vetiver trabaja por medio
de mecanismos de toltración, se
adapta a las condiciones de humedales,
soporta condiciones climáticas
extremas, no es una especie invasiva,
acumula metales en las raíces y
transloca pequeñas cantidades a los
brotes. El material vegetal utilizado
en la torremediación tiene potencial
para la fabricación de biocombustibles
mediante el aprovechamiento de la
biomasa removida.
Con base en la literatura revisada,
se concluye que el pasto Vetiver
es una alternativa ecaz en la
remoción de As y su efecto puede ser
amplicado al implementar un lecho
otante articial, desde el punto
de vista técnico y económico. Para
garantizar la efectividad de las IFA
con pasto Vetiver se debe cumplir con
criterios de otabilidad, durabilidad,
fácil instalación, resistencia a la
degradación ambiental, adaptación de
la planta y asequibilidad económica.
Los modelos cinéticos de pseudo
primer y pseudo segundo orden se
pueden considerar como métodos
potenciales para el análisis de la
biosorción de As con pasto Vetiver,
previa validación y podrán servir como
herramientas de diseño.
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effective alternative in the removal of
As and its effect can be amplied by
implementing an articial oating bed,
from the technical and economic point
of view. To guarantee the effectiveness
of the IFAs with Vetiver grass, the
criteria of buoyancy, durability,
easy installation, resistance to
environmental degradation, plant
adaptation and economic affordability
must be met.
The kinetic models of pseudo
rst and pseudo second order can be
considered as potential methods for
the analysis of the biosorption of As
with Vetiver grass, after validation
and may serve as design tools.
End of English Version
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