Artículo de método

Diseño de humedales construidos a escala mesoscópica para el tratamiento de aguas residuales

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DOI:

10.3791/68195

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2 de mayo de 2025

 ,  , 
1Natural Resources Canada, Canadian Forest Service

* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

Los sistemas de tratamiento de humedales construidos se han utilizado durante décadas para tratar aguas residuales, pero su aplicación para tratar las aguas afectadas por el proceso de arenas bituminosas es relativamente nueva. Para explorar este potencial, se esboza un diseño de mesocosmos de flujo superficial y métodos experimentales. Este enfoque tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión de los parámetros clave de diseño y mejorar la eficacia del tratamiento.

Resumen

El agua afectada por el proceso de arenas bituminosas (OSPW), un subproducto de la extracción de betún a través de la minería a cielo abierto en Alberta, Canadá, contiene varios componentes preocupantes, incluidos los compuestos de fracción de ácido nafténico (NAFC). Estos compuestos orgánicos son particularmente preocupantes debido a su toxicidad y persistencia en el medio ambiente. Los sistemas construidos de tratamiento de humedales (CWTS, por sus siglas en inglés) utilizan plantas y sus microbios asociados para atenuar los contaminantes en las aguas residuales. Los CWTS a escala de campo se han presentado como una posible opción de tratamiento a gran escala para la OSPW, específicamente para la degradación de los NAFC. Con el fin de optimizar el uso de CWTS para el tratamiento a gran escala de NAFC en OSPW, es esencial profundizar nuestra comprensión de los diversos parámetros de diseño y explorar formas de mejorar la eficacia.

Los experimentos a escala del mesocosmos sirven como un valioso intermediario, cerrando la brecha entre los ensayos de campo complejos y los entornos de laboratorio controlados. Los mesocosmos proporcionan un entorno controlado y replicable para estudiar los efectos de diversos parámetros como el sustrato, las especies de plantas, la temperatura y el tiempo de retención, al tiempo que incorporan complejidades ecológicas en su diseño. Trabajos publicados y anteriores han demostrado que este método es exitoso en la evaluación de los impactos de diferentes parámetros en la eficacia de CWTS para atenuar los NAFC en OSPW. Este protocolo describe el diseño y la configuración de un mesocosmos de humedales de flujo superficial, junto con el enfoque experimental para el tratamiento de NAFC en OSPW. Este método se puede adaptar para tratar otras aguas residuales en diversas ubicaciones geográficas.

Introducción

La región de arenas bituminosas en el norte de Alberta, Canadá, contiene las terceras reservas de petróleo más grandes del mundo, produciendo más de 3 millones de barriles de petróleo crudo al día1. Sin embargo, la extracción de betún de la minería a cielo abierto genera volúmenes sustanciales de relaves y arenas bituminosas afectadas por el proceso (OSPW) como subproductos. Debido a la política de descarga cero de Alberta, estos subproductos se almacenan en estanques de relaves en toda la región de arenas bituminosas explotables. A partir de 2023, se estima que existen 391,1Mm3 de OSPW como agua libre en los estanques de relaves y no incluye el agua de poros que se seguirá liberando durante el asentamiento de relaves2. OSPW contiene <5% de sólidos y se caracteriza por niveles elevados de sales, metales traza y contaminantes orgánicos3.

Varias clases principales de contaminantes están presentes en OSPW, incluidos los compuestos de fracción de ácido nafténico (NAFC), hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos), fenoles y metales pesados 3,4. Los NAFC son compuestos orgánicos en el betún que se solubilizan y concentran durante el proceso de extracción y se identifican sistemáticamente como la principal fuente de toxicidad aguda por OSPW 5,6. Los OSPW plantean varios desafíos ambientales y económicos debido al volumen, la complejidad y la toxicidad de la mezcla. El desarrollo de tecnologías de tratamiento rentables, pasivas y escalables para OSPW es fundamental, ya que los métodos convencionales, como la oxidación química y la filtración, siguen siendo limitados en su viabilidad para aplicaciones a gran escala. Los sistemas construidos de tratamiento de humedales (CWTS, por sus siglas en inglés) son sistemas de tratamiento de agua de baja energía, rentables y sostenibles que se basan en el uso de plantas y sus microbios asociados para atenuar los contaminantes en las aguas residuales; han surgido como una alternativa prometedora para el tratamiento de la OSPW 7,8,9,10,11,12.

Los CWTS son humedales diseñados para replicar las funciones de filtrado de los humedales naturales. Originalmente diseñado para tratar aguas pluviales y aguas residuales municipales, los CWTS se utilizan ahora para una amplia gama de aplicaciones, incluidos los residuos agrícolas, el drenaje ácido de minas, las aguas residuales industriales y otros esfuerzos de remediación13. Estos sistemas tienen tres componentes básicos: sustrato, agua y vegetación. Los CWTS pueden diseñarse como sistemas de flujo superficial o subsuperficial, con movimiento de agua configurado para fluir horizontal o verticalmente13,14. Las plantas hidrófitas de humedales son ampliamente utilizadas en CWTS debido a su adaptación a condiciones de suelo persistentemente saturadas. En general, CWTS suele utilizar especies de plantas emergentes como Typha sp. (espadañas), Juncus sp. (juncos) y Carex sp. (juncias).

CWTS emplea varios mecanismos para el tratamiento del agua. Los sólidos suspendidos pueden adsorber contaminantes y asentarse, formando un lecho de sedimentos que promueve el crecimiento de las plantas. Además, las plantas pueden transferir o transformar contaminantes disueltos a través de una combinación de mecanismos bióticos y abióticos. Los mecanismos abióticos incluyen filtración, sedimentación, precipitación, sorción, oxidación/reducción química, complejación, fotodegradación y volatilización. Los procesos bióticos involucran biotransformación (microbiana o mediada por plantas), fitoacumulación y fitoestabilización13,14. Los CWTS ofrecen ventajas significativas como sistemas autosostenibles que suelen ser más eficientes con el tiempo14. Estos sistemas son versátiles y capaces de tratar múltiples contaminantes simultáneamente, a la vez que son ambientalmente sostenibles y públicamente aceptables. Además, sus bajos costos operativos y de capital en comparación con los métodos de tratamiento convencionales los hacen adecuados para el manejo de grandes volúmenes de aguas residuales, como OSPW. Sin embargo, la complejidad de los diversos procesos abióticos y bióticos que ocurren simultáneamente en OSPW requiere un diseño cuidadoso para optimizar el CWTS para obtener la máxima eficacia del tratamiento. Una comprensión clara de los objetivos del tratamiento, combinada con pruebas sistemáticas en el laboratorio a escala de laboratorio, piloto y de demostración, es esencial para optimizar el sistema y predecir el éxito de la implementación a gran escala14.

Los experimentos a escala piloto, a menudo llamados experimentos de mesocosmos, generalmente se llevan a cabo utilizando tinas o tanques que simulan celdas de tratamiento individuales. Los mesocosmos se pueden llevar a cabo en interiores o exteriores como un experimento basado en el campo. Los mesocosmos son sistemas parcialmente cerrados que ofrecen una mayor complejidad ecológica que los experimentos a escala de laboratorio, al tiempo que mantienen un control y una replicación suficientes para evaluar los impactos de los parámetros de diseño individuales en la eliminación de contaminantes. Los estudios a escala del mesocosmos son necesarios para confirmar los mecanismos de tratamiento y descubrir complicaciones a menor escala, donde se pueden implementar correcciones y ajustes en el diseño14. Este protocolo describe la configuración y operación de un CWTS de flujo superficial horizontal a escala de mesocosmos interior, proporcionando un marco práctico para el diseño de estudios CWTS, especialmente para la atenuación de NAFC en OSPW.

Protocolo

1. Construcción del mesocosmos

NOTA: Consulte la Tabla de Materiales para obtener una lista completa de los materiales necesarios para la construcción del mesocosmos y la Figura 1 para obtener un esquema de la construcción del mesocosmos.

  1. Retire la parte superior del tanque de polietileno (129,5 cm x 30,0 cm) si es necesario.
  2. Prepare orificios de drenaje; taladre dos orificios (Partes # 1 y # 2) en el mismo lado del tanque de polipropileno. Coloque un accesorio de mamparo de PVC (Parte # 3) en ambos orificios con las roscas macho hacia afuera. Selle el borde exterior del accesorio de mamparo con un sellador impermeable.
    1. Orificio de drenaje de agua del suelo (Parte # 2): colóquelo en la base de la esquina del tanque, asegurándose de que haya suficiente espacio para el accesorio del mamparo.
    2. Orificio de drenaje de agua superficial (Parte # 1): colóquelo por encima de la altura del nivel del suelo, cerca del centro del tanque.
  3. Coloque una arandela de manguera (Parte # 4) con una pantalla de filtro (Parte # 5) en el interior del accesorio de mamparo y asegúrela con sellador.
  4. Instale la tubería de drenaje interno:
    1. Para el orificio de drenaje de agua superficial (Parte # 1), primero conecte el adaptador macho de PVC (Parte # 10) al accesorio de mamparo (Parte # 3) seguido del codo de PVC de 90 ° (Parte # 11).
    2. Inserte un trozo de tubo de PVC (Pieza # 12) cortado para que coincida con la altura del nivel de agua deseado con el codo de 90 °.
  5. Instalación de tuberías de drenaje externas. A lo largo de los siguientes pasos, use anillos de engarce para asegurar PEX a los accesorios.
    1. Envuelva la cinta de teflón alrededor de las roscas del adaptador de latón PEX de 3/4 de pulgada x MPT de 3/4 de pulgada (Parte # 6) y conéctelo a los accesorios del mamparo (Parte # 3).
    2. Corte dos longitudes iguales de PEX de 3/4 de pulgada (Parte # 7) y conéctelas a los adaptadores de latón MPT (Parte # 6).
    3. Agregue un accesorio de codo de expansión de plástico a la tubería PEX (Parte # 7), mirando hacia abajo para el orificio de drenaje de agua superficial y mirando hacia el centro del tanque para el orificio de drenaje del suelo.
    4. Para el orificio de drenaje del suelo (Parte # 2), conecte una tubería PEX al codo, seguida de una válvula de bola, otro segmento PEX y una T de expansión de plástico. Ajuste las longitudes de PEX para alinear la parte superior de la T de expansión con la tubería de drenaje de agua superficial.
    5. Para el orificio de drenaje de agua superficial, conecte una tubería PEX al codo de expansión de plástico, conectándolo a la T de expansión.
    6. Una vez que el sistema esté conectado, agregue otra pieza de PEX (Parte # 7) a la T de expansión de plástico, terminando con un codo de expansión de plástico orientado hacia abajo.
    7. Agregue otra pieza de PEX (Parte # 7) a la parte inferior del accesorio de codo de expansión de plástico para asegurarse de que el agua se drene hacia el tanque de reserva.
  6. Aumentar la integridad estructural del mesocosmos:
    1. Construya un marco (Parte # 13, 129.5 cm de largo x 37.0 cm de ancho) con piezas de madera de 2 pulgadas x 4 pulgadas.
    2. Asegure el marco con tornillos para madera.
    3. Coloque el marco en el mesocosmos, asegurándose de que no se asiente sobre los accesorios de plomería.
    4. Envuelva el exterior del mesocosmos en papel de aluminio para reducir la luz que ingresa al suelo desde los lados del mesocosmos.

2. Configuración y mantenimiento del mesocosmos

  1. Cultiva plantas para el experimento a partir de semillas:
    1. Estratificar las semillas según sea necesario.
    2. Coloque las semillas en recipientes estándar de styroblock que contengan turba como caldo.
    3. Una vez que las plántulas hayan germinado, fertilice las plántulas 3 veces por semana con alimento vegetal soluble en agua (24-8-16).
    4. Deje que las plántulas crezcan durante un mínimo de 3 a 5 meses para asegurarse de que alcancen un tamaño óptimo para la respuesta al tratamiento.
      NOTA: El tiempo exacto dependerá del tamaño y tipo de especie. Este paso se puede omitir si las plántulas se compran en lugar de cultivarse.
  2. Coloque los mesocosmos en el invernadero:
    1. (Opcional) Refuerce las mesas de invernadero con madera contrachapada para soportar el peso de los mesocosmos.
    2. Distribuya los mesocosmos de manera uniforme a través de las mesas de la bahía del invernadero para garantizar la ubicación aleatoria de los tratamientos y minimizar las variaciones en las condiciones ambientales (Figura 2).
    3. Coloque la plomería para que cuelgue del borde de la mesa para un drenaje adecuado en el tanque de reserva (Figura 2).
  3. Configure el tanque de reserva:
    1. Coloque el tambor industrial de plástico abierto de 57 L debajo del relleno de drenaje.
    2. Instale una bomba de circulación de cabezal motriz sumergible entre el medio y el fondo del tanque para permitir una mezcla continua en el tanque. Asegure el cable de alimentación al exterior del tanque.
  4. Añadir y saturar el sustrato:
    1. Extienda el sustrato uniformemente en el mesocosmos y apisone el sustrato con una presión moderada hasta la altura deseada.
      NOTA: La altura del sustrato depende de los objetivos de investigación y de las especies vegetales.
    2. Sature completamente el sustrato con agua de ósmosis inversa (OI), mida el volumen de agua agregada; Esto es equivalente al volumen de agua de poros en el sustrato.
      NOTA: El agua de poro es el volumen de agua que se agrega cuando el sustrato está saturado, lo que se puede observar cuando el nivel del agua coincide con la parte superior del sustrato. Este proceso puede tardar hasta un día. El volumen de agua de los poros es importante para determinar la cantidad exacta de agua en el sistema y calcular el caudal.
  5. Determine el caudal:
    1. Seleccione un tiempo de retención basado en estudios previos y objetivos de estudio.
    2. Calcular el volumen total de agua en el mesocosmos.
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    3. Calcule el caudal.
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  6. Instale las bombas:
    1. Coloque una bomba entre dos mesocosmos adyacentes.
      NOTA: También se puede usar una bomba para un mesocosmos si es necesario.
    2. Conecte todas las bombas entre sí mediante un cable USB macho-macho, conectando la última bomba al controlador.
    3. Sumerja el tubo de la válvula en el depósito, asegurándolo o pesándolo para que permanezca en su lugar.
    4. Asegure el tubo de la válvula de salida a la esquina superior trasera del mesocosmos, asegurándose de que permanezca por encima de la línea de flotación.
    5. Envuelva el tubo en papel de aluminio para ayudar a prevenir el crecimiento de algas.
    6. Configure y calibre las bombas, la barra de potencia y el controlador de acuerdo con las instrucciones del fabricante15.
    7. Ajuste las bombas al caudal calculado.
  7. Plantar y aclimatar las especies vegetales:
    1. Ajuste la temperatura y las luces de cultivo LED a niveles óptimos para el crecimiento de las plantas mientras acondiciona las especies de plantas al mesocosmos.
    2. Plante de 6 a 12 especies de plantas individuales de manera uniforme para garantizar la misma biomasa por unidad de área en el mesocosmos.
      NOTA: El número de individuos puede cambiar dependiendo de los objetivos de la investigación y la fisiología de la especie (por ejemplo, a medida que Typha latifolia se une a las raíces, el número de individuos puede reducirse).
    3. Aumente gradualmente el nivel del agua de ósmosis inversa, manteniendo un nivel de agua durante 1-2 días, y reemplace la tubería de PVC (paso 1.4.2) según sea necesario para que coincida con el nivel del agua.
    4. Encienda las bombas con el caudal final deseado.
    5. Una vez que se alcance el nivel de agua deseado, ajuste la luz y la temperatura del invernadero a los entornos experimentales y permita que las plantas se aclimaten durante ~ 35 días.
  8. Drene y enjuague el sistema:
    1. Retire el tubo vertical de PVC y abra la válvula de bola para drenar el sistema por completo; Esto puede tardar hasta 2 días.
    2. Enjuague el sistema con OSPW y deje que se drene por completo, asegurándose de que la tubería de PVC permanezca cerrada y que la válvula de bola esté abierta. Asegúrese de que el OSPW utilizado durante el lavado no se utilice durante el experimento.
    3. Una vez enjuagada, cierre la válvula de bola y agregue el tubo de PVC para que coincida con el nivel de agua deseado.
  9. Agregue OSPW:
    1. Vierta con cuidado el OSPW en cada mesocosmos para evitar perturbar el sustrato o las plantas, llenando hasta alcanzar el nivel de agua deseado.
    2. Si usa varios lotes de agua, asegúrese de que las propiedades químicas sean consistentes o distribúyalo uniformemente en todos los mesocosmos.
    3. Llene el tanque de reserva con OSPW, dejando aproximadamente 5 cm de espacio desde la parte superior.
  10. Gestionar la evaporación:
    1. Vuelva a llenar el tanque de reserva con agua de ósmosis inversa según sea necesario, manteniendo el nivel del agua aproximadamente 5 cm por debajo de la parte superior.

3. Muestreo

  1. Medidas de especies vegetales:
    1. En cada ciclo de tiempo de retención, mida la salud de la planta y las métricas de crecimiento16. Las métricas de salud de las plantas incluyen signos visibles de estrés, como clorosis y daños causados por insectos, mientras que las métricas de crecimiento de las plantas incluyen la mortalidad, la altura y el porcentaje de cobertura.
    2. Al final del experimento, tome muestras de biomasa vegetal aérea y química de tejidos vegetales si lo desea.
      NOTA: Los intervalos de seguimiento y las mediciones utilizadas se recomiendan para estudiar el efecto de los CFNA en la sanidad de las plantas y pueden diferir en función de los objetivos experimentales.
  2. Medidas del sustrato:
    1. Caracterización de referencia: Antes de agregar sustratos a cada mesocosmos, mida un conjunto de parámetros (por ejemplo, pH, conductividad eléctrica (CE), potencial de oxidación-reducción (ORP), aniones/cationes principales, nutrientes, NFC y cualquier otro contaminante relevante).
    2. Durante el primer ciclo de retención, recoja muestras de sustrato de cada mesocosmos para obtener una línea de base para la química general. Recoja muestras de sustrato de lugares aleatorios en cada mesocosmos.
    3. En cada ciclo de tiempo de retención, mida el ORP del sustrato con una sonda de ORP adecuada.
    4. Al final del experimento, recoja muestras de sustrato de cada mesocosmos y mida los mismos parámetros que en la caracterización de referencia (por ejemplo, pH, EC, ORP, aniones/cationes principales, nutrientes, NAFC y cualquier otro contaminante relevante).
  3. Mediciones de agua:
    1. Caracterización de referencia: antes de agregar el OSPW a cada mesocosmos, mida un conjunto de parámetros (por ejemplo, pH, EC, ORP, aniones/cationes principales, nutrientes, NAFC y cualquier otro contaminante relevante).
    2. Después de que comience el experimento, tome muestras iniciales de OSPW de cada mesocosmos después de varios días (fin del ciclo de retención 1) para permitir que el sedimento dentro del OSPW se asiente y para que el OSPW llene el espacio de agua de poro. Recoja las muestras de OSPW de la parte frontal de cada mesocosmos.
    3. En cada ciclo de tiempo de retención, mida el oxígeno disuelto (OD), el ORP, el pH, la EC y la temperatura utilizando el instrumento de referencia.
    4. Al final del experimento, recoja las muestras finales de agua para medir la química general, mida un conjunto de parámetros (por ejemplo, OD, pH, EC, ORP, aniones/cationes principales, nutrientes, NAFC y cualquier otro contaminante relevante).

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Figura 1: Esquema del diseño del mesocosmos y configuración experimental. (A) Esquema de la construcción del mesocosmos y los componentes requeridos. (B) Ejemplo de configuración experimental, incluida la adición de sustrato y plantas, junto con la ubicación del depósito. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2: Ejemplo de diseño del mesocosmos y del embalse. (A) Diseño de mesocosmos y tanques de reserva en el invernadero sin papel de aluminio. (B) Diseño que muestra mesocosmos y tanques de reserva con papel de aluminio envuelto alrededor de los mesocosmos para limitar la penetración de la luz, con una bomba por cada dos mesocosmos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados

El éxito de este protocolo de humedales construidos en el mesocosmos se demuestra por el robusto crecimiento y desarrollo de las especies de plantas, el monitoreo continuo de los parámetros ambientales y la eliminación eficiente de contaminantes a lo largo del tiempo. Los datos recogidos por Trepanier et al.17 ilustran la eficacia del método y los resultados esperados. El estudio evaluó la capacidad de Carex aquatilis, un junco de agua que se encuentra comúnmente en los humedales boreales, para reducir las NAFC en OSPW. Comparó el rendimiento de los mesocosmos con C. aquatilis con los que no tienen plantas, utilizando OSPW o agua de proceso fabricada en laboratorio. Los mesocosmos se construyeron con un sustrato de 10 cm de relaves de arena gruesa (CST) estratificado con 10 cm de mezcla mineral de turba (PMM) y 25 cm de OSPW superponiendo los sustratos. Antes del experimento, las plantas se cultivaron durante 3 meses a una altura promedio de 83 cm y luego se trasplantaron al sistema. Se adicionó agua de ósmosisinversa (Figura 3) para aclimatar las plantas al mesocosmos, y los sistemas se mantuvieron a 20 o C durante 32 días.

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Figura 3: Especies de plantación y adición de agua de ósmosis inversa. (A) Adición del sustrato manipulado y un ejemplo de plantación de especies en el sustrato. (B) Distribución uniforme de las especies vegetales a través del mesocosmos. (C) Adición de agua de ósmosis inversa al mesocosmos para el período de aclimatación de la planta. Abreviatura: RO = ósmosis inversa. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Las plantas demostraron un crecimiento robusto a lo largo del experimento, con aumentos notables en altura y cobertura (Figura 4). La Figura 5 ilustra aún más el crecimiento constante de C. aquatilis, alcanzando alturas de aproximadamente 150 cm en el día 40 antes de estabilizarse. Esto estuvo dentro del rango de crecimiento esperado de 20-155 cm para C. aquatilis. La supervivencia de las plantas fue alta, del 98%, con un 99% de tejido vegetal vivo al final del experimento. Sin embargo, la mayoría de las plantas mostraron signos de clorosis, necrosis y/o moteado, y en algunos casos, hojas deformes y arrugadas17. El monitoreo rutinario de la salud de las plantas es vital para la identificación de problemas potenciales, como las infestaciones de plagas.

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Figura 4: Fotos del crecimiento de las plantas al inicio y al final del experimento. Una foto de ejemplo del crecimiento y la salud de Carex aquatilis desde el día 0 hasta el día 78. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 5: Altura de la planta a lo largo del tiempo en el mesocosmos que contiene Carex aquatilis. Altura media de la planta para Carex aquatilis en mesocosmos (n = 48). El día 0 es cuando se agregó OSPW al sistema. El período de aclimatación de la planta se refiere al período en que los mesocosmos contenían agua de ósmosis inversa antes de la adición de OSPW. Las barras de error indican una desviación estándar de la media. Esta figura fue adaptada de Trepanier et al.17. Abreviaturas: RO = ósmosis inversa; OSPW = arenas bituminosas afectadas por el proceso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Los parámetros ambientales clave, como el oxígeno disuelto del agua y el sustrato redox, se monitorearon de manera rutinaria para garantizar un rendimiento óptimo del sistema, ya que mantener niveles adecuados de oxígeno es fundamental para la salud de las plantas y la eliminación efectiva de contaminantes en CWTS. Los valores redox del sustrato fluctuaron a lo largo del experimento, con mesocosmos no plantados que permanecieron en condiciones de oxidación entre 50 mV y 100 mV, mientras que los mesocosmos que contenían C. aquatilis ocasionalmente se acercaron a 0 mV. El OSPW mantuvo los niveles de OD > 5 ppm durante todo el experimento, y el OD fue mayor en general en los mesocosmos sin plantas, particularmente al final del experimento (Figura 6). Un OD de 8 ppm a menudo se considera ideal para el crecimiento de las plantas; sin embargo, un valor de OD superior a 5 ppm es aceptable. El monitoreo de rutina permite la identificación de disminuciones ocasionales en el OD, lo que puede provocar verificaciones del sistema, como la verificación de la funcionalidad de la bomba, para garantizar un funcionamiento constante.

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Figura 6: Mediciones de oxígeno disuelto y redox en el suelo dentro de los mesocosmos. (A) Oxígeno disuelto en OSPW y (B) potencial redox del suelo para mesocosmos con Carex aquatilis y tratamientos no plantados solo con OSPW. Los puntos de datos representan promedios de cuatro mesocosmos replicados (n = 4), con barras de error que indican un error estándar de la media. Abreviatura: OSPW = aguas afectadas por el proceso de arenas bituminosas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El objetivo principal del estudio fue evaluar el potencial de atenuación de NAFC a partir de OSPW utilizando un mesocosmos CWTS. La Figura 7 ilustra una disminución gradual en las concentraciones de NAFC a lo largo del experimento, lo que demuestra la efectividad del sistema. La presencia de C. aquatilis mejoró la remoción de NAFC, logrando una reducción del 76% en NAFCs durante 82 días (72,1 mg/L inicial a 17,1 mg/L final), en comparación con el 8,5% en el tratamiento testigo no plantado durante 82 días (64,5 mg/L inicial a 59,0 mg/L final)17. La reducción exitosa en la concentración de NAFC, junto con el crecimiento saludable de las plantas y las condiciones ambientales favorables, confirman que la configuración del mesocosmos está funcionando de manera efectiva. Estos resultados demuestran la capacidad del sistema para simular humedales artificiales y proporcionan información valiosa sobre el papel del CWTS en la reducción de la toxicidad de la OSPW.

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Figura 7: Concentración de NAFC a lo largo del tiempo en el mesocosmos. Concentración de compuestos de la fracción de ácido nafténico en mesocosmos con Carex aquatilis y tratamientos no plantados solo con OSPW. Los puntos de datos representan promedios de cuatro mesocosmos replicados (n = 4), con barras de error que indican un error estándar de la media. Las diferencias de letras entre medias indican una diferencia significativa (P < 0,05). Esta figura fue adaptada de Trepanier et al.17. Abreviaturas: OSPW = aguas afectadas por el proceso de arenas bituminosas; NAFC = compuestos de la fracción de ácido nafténico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

Los CWTS se han utilizado como tratamiento pasivo y rentable para muchas aguas residuales13; sin embargo, son un método relativamente nuevo para tratar la OSPW para la atenuación de NAFC 7,8,9,10,11,12,17,18. Utilizando los métodos descritos en este documento, la eficacia de CWTS se puede mejorar mediante la evaluación de varios parámetros de diseño.

Los mesocosmos se ensamblan como se muestra en la Figura 1, asegurando que se instale la tubería de drenaje adecuada. Para evitar posibles problemas de flujo o tiempos de retención desiguales causados por la obstrucción del sustrato en las salidas, se coloca una arandela de manguera con una pantalla de filtro en el tapón de drenaje inferior y el orificio de drenaje superior se coloca por encima del nivel del sustrato. Si se producen obstrucciones a pesar de estas medidas, se podría usar una barrena de drenaje o presión de aire para eliminar las obstrucciones.

Los mesocosmos se colocan sobre mesas de invernadero reforzadas con madera contrachapada, con cubos de depósito colocados en los extremos de las mesas para la recirculación del agua. El agua circula a través del sistema utilizando el flujo por gravedad, entrando por la manguera de entrada y saliendo por el extremo del orificio de drenaje superficial antes de regresar al depósito. El tiempo de retención (días) se eligió con base en estudios previos de humedales construidos7. Las bombas de circulación sumergibles se utilizan para garantizar la mezcla continua del depósito. Las bombas dosificadoras se utilizan para facilitar el movimiento del agua entre el mesocosmos y el embalse. Es posible conectar una bomba dosificadora a dos mesocosmos. Las bombas deben configurarse en función de objetivos experimentales para lograr el caudal y el tiempo de retención deseados.

Después de la construcción del mesocosmos, el sustrato se empaqueta uniformemente en el mesocosmos, las plantas se trasplantan y se agrega agua de ósmosis inversa. El agua de ósmosis inversa se utiliza inicialmente durante un período de aclimatación de la planta, para garantizar un sistema que funcione bien con plantas sanas antes de iniciar el experimento. Después del período de aclimatación, los mesocosmos se drenan, se enjuagan con OSPW al 100% durante 24 h para asegurar el reemplazo del agua de los poros y luego se vuelven a llenar con OSPW antes de comenzar el experimento.

Las mediciones clave que deben completarse incluyen las métricas de salud y crecimiento de la planta, los parámetros químicos del sustrato y el agua, y las concentraciones del contaminante objetivo. Las mediciones rutinarias de los parámetros del agua y el sustrato se toman una vez por ciclo para garantizar que el mesocosmos funcione como se espera. Se recomienda medir los parámetros de calidad del agua, incluidos OD, ORP, pH y conductividad, una vez por ciclo utilizando un instrumento multiparamétrico YSI Professional Plus. El ORP del suelo y el oxígeno disuelto del agua son parámetros clave que se deben monitorear para garantizar que los mesocosmos mantengan las condiciones aeróbicas.

El método descrito es altamente adaptable y puede modificarse en función de los objetivos del tratamiento. Las principales modificaciones del tratamiento incluyen, entre otras, especies de plantas, uso de múltiples especies de plantas, tiempo de retención, condiciones ambientales, composición y profundidad del sustrato y adición de fertilizantes. Las especies de plantas deben elegirse en función de las características que mejoren la supervivencia de las plantas y la eficacia de la fitorremediación. La elección de especies de plantas nativas de humedales adaptadas al clima local mejorará la probabilidad de crecimiento y supervivencia exitosos 11,13,14. Las especies de plantas que son adecuadas para su uso en CWTS incluyen aquellas que desarrollan raíces profundas y anchas, rizomas fuertes, crecimiento rápido, transporte suficiente de oxígeno y tienen mecanismos para contrarrestar los efectos de la salinidad 17,19,20. A menudo se recomienda evitar plantar mezclas de especies vegetales, ya que el aumento de la diversidad vegetal puede conducir a una disminución de la certeza en la eficacia del CWTS. Especialmente si una planta se vuelve dominante, es difícil modelar cómo se comportará el CWTS14. Las especies de plantas seleccionadas también influirán en la evapotranspiración, que podría tener un efecto en la concentración de sal y otros contaminantes.

Es importante asegurarse de que la evapotranspiración se tenga en cuenta en el sistema; asegurando que el nivel de OSPW se mantenga con agua de ósmosis inversa. El uso de agua municipal o no RO puede conducir a un aumento de otros componentes (por ejemplo, cloruro, calcio, fluoruro), lo que puede afectar los hallazgos del estudio del mesocosmos. Alterar el tiempo de retención puede ayudar con la aireación, asegurando que los diversos componentes y niveles dentro del mesocosmos no se vuelvan anaeróbicos, lo que podría provocar impactos en las comunidades microbianas y la salud de las plantas.

Los flujos de entrada pulsados o intermitentes se pueden utilizar para simular la dinámica natural de los humedales (es decir, eventos de tormenta y escorrentía estacional). Asegurar que las variables ambientales (temperatura, condiciones de luz y variaciones estacionales) sean similares a las del área de estudio es importante para extrapolar el trabajo a CWTS a gran escala, ya que reducirá el número de nuevas variables que impactarán el sistema y el análisis de cómo estas variables impactan la eficacia del CWTS en la atenuación de los NAFC. La elección de sustratos para los mesocosmos que se puedan utilizar en un CWTS a mayor escala ayudará a informar el diseño futuro y aumentará la eficacia del sistema de tratamiento. En la minería de arenas bituminosas, los relaves de arena gruesa y la mezcla de turba y minerales son sustratos y han sido probados previamente en estudios de mesocosmos para determinar el sustrato óptimo para mejorar la salud de las plantas, aumentar las comunidades microbianas beneficiosas y ayudar en la atenuación de NAFC17.

La principal limitación de este método es el tamaño y la profundidad restringidos del mesocosmos, lo que puede afectar el crecimiento de las raíces y hacer que las plantas se unan a las raíces. Estas limitaciones pueden superarse reduciendo la duración del experimento y/o el número de plantas individuales utilizadas. Si se utilizan varias especies en el mismo mesocosmos, podría haber efectos sinérgicos o aditivos de la competencia. En última instancia, el tamaño y la profundidad del mesocosmos pueden resultar en una duración más corta para el experimento, lo que limita la cantidad de datos recopilados. Los experimentos a largo plazo pueden examinar procesos como el ciclo de nutrientes, que ocurre cuando se agrega materia orgánica al sistema a través de la acumulación y descomposición lenta de los detritos de las plantas y los exudados de las raíces. Esto puede afectar a las comunidades microbianas y a la tasa de atenuación de los contaminantes. Además, el marco de tiempo experimental relativamente corto de este diseño de mesocosmos proporciona una retroalimentación rápida que se puede utilizar para mejorar futuros experimentos. Los nutrientes se pueden agregar al sistema mesocosmos; Sin embargo, el tipo y la cantidad de fertilizante agregado requieren un monitoreo exhaustivo para evitar la proliferación de algas.

Las condiciones en el invernadero están configuradas para crear un entorno de crecimiento óptimo; Los rangos de temperatura se establecen para reflejar adecuadamente las temperaturas estacionales de la región, con cambios graduales implementados para simular las fluctuaciones diurnas naturales. También se maneja que los niveles de humedad varíen dentro de un rango representativo del clima regional. Además, el invernadero está diseñado para recibir 25.000 lux, equivalentes a aproximadamente 200 W/m² de luz diurna ambiental, durante las horas de luz diurna designadas. Para garantizar una intensidad de luz constante, las luces LED se activan cuando los niveles de luz natural caen por debajo de este umbral. El uso de un invernadero también tiene sus limitaciones. Si bien proporciona un entorno controlado, los invernaderos también pueden presentar desafíos únicos, como infestaciones de plagas, efectos de invernadero y la creación de entornos antinaturales. Las infestaciones de plagas son particularmente comunes en entornos de invernadero y pueden afectar la salud y el crecimiento de las plantas. Para reducir el uso de insecticidas, los depredadores naturales o la eliminación física de plagas son excelentes alternativas. A pesar de estos desafíos, un invernadero sigue siendo el entorno óptimo para llevar a cabo un estudio piloto, ya que permite un control y un examen precisos de los parámetros individuales14.

Este método representa uno de los muchos enfoques para diseñar experimentos de mesocosmos. Los experimentos CWTS a escala piloto se pueden llevar a cabo al aire libre10,21 o en interiores 4,17. Los mesocosmos al aire libre están influenciados por factores ambientales multivariados, que pueden interactuar de maneras complejas e impredecibles. Estas interacciones dificultan el modelado de variables individuales o la elucidación de los mecanismos específicos que impulsan los resultados observados. Como resultado, se hace difícil determinar qué factores están contribuyendo al rendimiento del CWTS e identificar oportunidades para mejorar el diseño del sistema; sin embargo, replican más de cerca las condiciones CWTS a gran escala14. Por el contrario, los mesocosmos interiores proporcionan un entorno más controlado, minimizando los efectos de la naturaleza y otras influencias externas, lo que facilita la comprensión de los procesos y la identificación de parámetros de diseño que pueden mejorar el rendimiento.

Los diseños de CWTS suelen presentar un flujo superficial horizontal 4,10,17,18 o un flujo subsuperficial vertical 18. El método descrito aquí representa un diseño de mesocosmos de flujo superficial horizontal. Mientras que los sistemas de flujo vertical dependen de la gravedad para facilitar el movimiento vertical del agua, ofreciendo una mejor oxigenación y requiriendo menos espacio, los sistemas de flujo horizontal mantienen condiciones más estables10 y mejoran el potencial de fitorremediación22. Los mesocosmos ofrecen ventajas significativas para el desarrollo de CWTS al probar componentes integrales y mejorar la eficiencia para futuras aplicaciones a gran escala, lo que permite la replicabilidad y el control del entorno circundante, y permite el aislamiento y la medición de parámetros experimentales individuales, al tiempo que rastrea los cambios bióticos y las vías de disipación química.

Divulgaciones

Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.

Agradecimientos

El financiamiento para esta investigación fue proporcionado por el Proyecto de Investigación Aplicada a Gran Escala de Genome Canada (LSARP, subvención # 18207) y el programa de financiamiento de Efectos Acumulativos del Servicio Forestal Canadiense. Nos gustaría agradecer a Imperial Oil Ltd. por suministrar los materiales utilizados en esta investigación. También nos gustaría agradecer a todos los que ayudaron en los experimentos: Ian J. Vander Meulen, Jason M.E. Ahad, Sara Correa-García, Simon Morvan, Marie-Josée Bergeron, Dilini Atugala, Lisa Gieg, John V. Headley, Étienne Yergeau y Christine Martineau. También nos gustaría agradecer a Douglas Muench por el diseño experimental y mesocósmico. También nos gustaría agradecer al personal del Centro Forestal del Norte y a los estudiantes de verano que ayudaron durante los experimentos. Nos gustaría reconocer que nuestra investigación se llevó a cabo en el territorio del Tratado 6 y las fuentes de materiales para estos experimentos se recolectaron del territorio del Tratado 8. Reconocemos y honramos a las Primeras Naciones, los Métis y los Inuit que vivieron, se reunieron y viajaron por estas tierras.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Madera de 2 pulgadas x 4 pulgadas x 12 piesCualquier proveedorN/A
Válvula de bola PEX de latón de 3/4 de pulgadaCualquier proveedorN/A
Anillo de engarce PEX de cobre de 3/4 de pulgada para tubería PEXCualquier proveedorN/A
3/4 de pulgada IPEX Schedule 40 PVC 90° Codo de calle de soldaduraCualquier proveedorN/A
Barra PEX de 3/4 de pulgada BlancaCualquier proveedorN/APara el exterior del mesocosmos
Adaptador de latón PEX de 3/4 de pulgada x MPT de 3/4 de pulgadaCualquier proveedorN/A
Codo de expansión de plástico de 3/4 de pulgada para PEXCualquier proveedorN/A
Camiseta de expansión de plástico de 3/4 de pulgada para PEXCualquier proveedorN/A
Conector de Adaptador de Tanque de Agua para Montaje de Mamparo de PVC de 3/4 de pulgadaCualquier ProveedorN/A
Codo de PVC de 3/4 de pulgada Schedule 40 / 90 GradosCualquier ProveedorN/A
Adaptador Macho de PVC de 3/4 de pulgada Schedule 40 Cualquier proveedorN/A
PVC blanco de 3/4 de pulgadaCualquier proveedorN/APara el interior del mesocosmos
Tornillos para madera de 4 pulgadasCualquier proveedorN/A
Papel de aluminio Cualquier proveedorN/A
Bomba de circulación de cabezal de potencia sumergible para acuariosCualquier proveedorN/AAspiradora o
lavadora de mangueraCualquier proveedorN/A
Alimento para plantas soluble en agua MiracleGrowN/AFórmula 24-8-16
Controlador de acuario Neptune Apex A3 y barra de potenciaSistemas NeptuneN/A
Bomba dosificadora de accionamiento silencioso Neptune Apex DOSNeptuneN/A
Cable AquaBus Neptune - 15 pies macho/machoNeptune SystemsN/A
Neptune DOS DDR Tubing Neptune SystemsN/A
Tambor industrial de plástico de tapa abiertaCualquier proveedorN/A57 L
Placa de PetriCualquier proveedorN/Ade estratificación de semillas
Cualquier proveedorN/A
Tanque de polipropileno D& M Plásticos Inc.RW101650,8 cm de altura y tiempos; 33,0 cm de ancho y tiempos; 129,5 cm de longitud; 248,1 L
de sellador impermeable multiusos de silicona (grado de acuario)Cualquier proveedorN/A
Contenedores de bloques de poliestireno estándar (415A) Cualquier proveedorN/A
Cinta de teflónCualquier proveedorN/A
YSI Professional Plus Instrumento multiparamétricoYSI Inc.6050000
magnética Sistemas Para turba

Referencias

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