ACCION:

• Estudiar y analizar el comportamiento de metales pesados en ambientes

Naturales

• Evaluar metodologías para remediación de contaminantes combinados (metales y/o hidrocarburos) con bacterias y/o consorcios microbianos
• Evaluar el efecto de contaminantes ambientales en las comunidades biológicas de micorrizas y edafofauna
• Evaluar la presencia de altas concentraciones metales pesados en especies de interés y su relación con el estado de micorrización

INDICADOR:

1. Cuencas de la Amazonia monitoreadas para metales pesados (cumplido):

5 cuencas monitoreadas en peces: Rio Amazonas (Leticia), rio Putumayo (Puerto Leguízamo), Rio Caquetá (Florencia, La Tagua), Rio Guaviare (San José del Guaviare), rio Inírida (Pto Inírida), rio Vaupés (Mitú)

Cuantificacion de Hg en matrices agua, sedimento y suelos: a. rio Amazonas (Leticia-Quebrada y lagos de Yahuarcaca y río Amazonas), b. rio Putumayo (Tarapacá-río Cotuhé, Lago Tipisca, Caño Pupuña y río Putumayo), c. Río Caquetá (tramo Puerto Zabalo-Los Monos) d. rio Taraira (Caño Amarillal, Rojo y Telecom – Río Taraira. Matriz suelo): e. Río Caquetá (Pedrera).

2. Visor de cuantificación de Mercurio total en peces online (cumplido):

mapa publicado en SIATAC y manual del usuario (https://sinchi.maps.arcgis.com/apps/webappviewer/index.html?id=e81f7df67fec43119dc2fbeb80a9d3e0)

3. Piloto de remediación con bacterias y/o consorcios microbianos evaluados (cumplido):

Desarrollo de una estrategia de biorremediación de suelos, mediante la coaplicación de un biochar con un consorcio conformado por bacterias reductoras de Hg (BRHg). Se pre-seleccionaron 10 cepas de acuerdo a los siguientes criterios: i) capacidad reductora de Hg, ii) uso de fuentes de carbono, iii) actividad antagonica, iv) patogenicidad y v) capacidad de crecimiento en suelo. Se generó dos biochar a partir de la biomasa aérea de la yuca (Manihot aipi) y semillas de asaí (Euterpe precatoria) con diferentes temperaturas de pirólisis y tiempos de residencia, y fueron evaluados de acuerdo a rendimiento, pH, densidad, porosidad, porcentaje de remoción de Hg y toxicidad a las bacterias. Con los biochar producidos se lograron porcentajes de remoción de Hg mayores al 80%, y se observaron las mejores caracteristicas en el biochar de yuca producido a 600°C y un tiempo de residencia de 120 minutos, y el biochar de asaí producido a 500°C  y 60 minutos de residencia.

4. Fichas técnicas publicadas de bacterias con capacidad de transformación y/o inmovilización de contaminantes combinado (cumplido):

Se cuenta con 15 Fichas técnicas de bacterias con capacidad de transformación y/o inmovilización de metales pesados (Hg). En estas fichas se consigna toda la información relacionada con las BRHg de COLMIS (Colección de microorganismos del I. Sinchi). Se incluyen los datos de depósito en la colección, origen del microorganismo, identificación taxonómica, características morfológicas, pruebas de resistencia a Hg, presencia del gen merA/otros genes del operón, pruebas de resistencia a antibióticos, entre otros. Las secuencias del gen marcador taxonómico de estas cepas (16S rRNA) se encuentra publicado en el SIB – Colombia y se visualiza mediante el siguiente enlace: DOI: https://doi.org/10.15472/qfnt6t.

5. Numero de zonas contaminadas evaluadas(cumplido):

Tarapacá, Taraira, Puerto Zabalo – Los Monos (zonas evaluadas para THg y MeHg), Serranía de la Lindosa, Leticia, La Pedrera (Zonas evaluadas para THg).

6. Numero de clones de cacao (Theobroma cacao y cacaos amazónicos), Copoazu (Theobroma grandiflorum) y maraco (Theobroma bicolor) evaluados (cumplido):

Se tomaron muestras de raíces y suelo rizosferico de cacao (Theobroma cacao) en cuatro localidades del municipio de Puerto Nariño para establecer las concentraciones de mercurio total y estimar el porcentaje de colonización micorrizal en raíz.

ANALISIS DE LOGROS

Evaluación de mercurio en aguas, sedimentos, suelos aluviales y su interacción con las comunidades bacterianas en tres localidades de la Amazonia Colombiana afectadas por minería de oro.

En la Amazonia, la extracción de oro artesanal se realiza utilizando mercurio (Hg) para amalgamar el oro, el Hg tiene efectos tóxicos en los ecosistemas, la salud humana y la de los organismos de diferentes niveles biológicos. Debido a esta problemática desde el año 2016, el Instituto Sinchi ha realizado el monitoreo de las concentraciones de Hg en el ambiente, y se han detectado altas concentraciones de Hg especialmente en suelos de bosque inundable (0,02-43 ppm, n=30), en comparación a los sedimentos (0,01-10 ppm, n=73) y las aguas superficiales (0,0001-0,01 ppm, n= 50) de 3 sitios muestreados de la región amazónica colombiana: Tarapacá (Amazonas), Taraira (Vaupés) y Puerto Sábalo los Monos (Caquetá). En Taraira, donde se ha realizado por más de 20 años la extracción de oro tipo socavón (Rubiano, 2014), se encontraron las concentraciones más altas de Hg en las tres matrices evaluadas (Cardona et al., 2022). En Puerto Sábalo-Los Monos, también se superaron los límites recomendados de Hg en suelos (0,1 mg Hg Kg^-1; De Vries et al. (1998) y Zarcinas et al. (2004)) y aguas superficiales (0,001 mg Hg L^-1, decreto 1594 de 1984) (Escobar et al., 2023)

El Hg en el ambiente forma complejos que determinan su movilidad y biodisponibilidad, por lo que la extracción secuencial (SEP) permite evaluar la distribución de las fracciones químicas de este metal y determinar los riesgos sobre el ambiente y su potencial de biomagnificación (Gutiérrez-Mosquera et al., 2020; Dong et al., 2019; Rezende et al., 2018), incluso es más relevante que la determinación de mercurio total en suelos y sedimentos (Gutiérrez-Mosquera et al., 2020). Las fracciones se dividen en altamente móvil (F1/Hg-a), potencialmente móvil (F3/Hg-o) e inmóvil (F4/Hg-e+F5/Hg-S). Este análisis se realizó con sedimentos y suelos de Taraira y Tarapacá con niveles altos de Hg. En general se observó que el Hg evaluado en los suelos de bosque del Caño Pupuña en Tarapacá CP-FS-1 (97,5%) y del Caño Amarillal en Taraira CAu-FS-1 (45,3%) presentaron los mayores porcentajes de F4 (fracción inmóvil). La fracción inmóvil se correlacionó positivamente con los porcentajes de limo y arcillas (Pearson r= 0.697 y 0.778, P<0.005). Lo que significa que la mayor parte del Hg detectado se encuentra unido a sulfuros y está fuertemente ligado a la superficie de las partículas del suelo, haciéndolo no biodisponible (Matsumoto & Liu, 2020; Gutiérrez-Mosquera et al., 2020; Rezende et al., 2018). Sin embargo, la fracción de Hg altamente móvil o biodisponible, que representa un riesgo potencial para la metilación del Hg en ecosistemas acuáticos (Huang et al., 2020, Matsumoto & Liu, 2020), fue detectada en 6 de las 8 muestras de suelo (CAu-FS-1) y sedimento (CAu-SS-0, CAu-SS-1 y CAu-SS-2) del Caño Amarilla alto, en la localidad de Taraira. Esta fracción de Hg biodisponible presentó una fuerte correlación con las concentraciones de MeHg y %CO (Pearson r = -0.852 and 0.885, P < 0.005, respectivamente), debido posiblemente a la alta afinidad de las formas iónicas del Hg por los grupos funcionales de la materia orgánica.

Por otro lado, se realizaron correlaciones entre las variables fisicoquímicas (incluida la concentración de Hg) y la diversidad bacteriana de muestras de agua, sedimento y suelo de Taraira, Tarapacá y Puerto Sábalo – Los Monos, con el fin de determinar cuáles de estas variables influyen sobre la composición microbiana. Para el caso de las muestras tomadas en las localidades de Tarapacá y Taraira, las variables asociadas a textura en suelos y sedimentos (% de arena, limo y arcilla) son las responsables de la segregación de las muestras por localidad; mientras que variables como potencial de oxido-reducción (ORP),  solidos suspendidos totales (SST), Oxígeno disuelto (O₂) y carbono orgánico total (COrg T) son las que segregan las muestras por tipo de matriz (agua, sedimentos y suelos), mientras que las concentraciones de Hg y MeHg no influyeron sobre la ordenación de las muestras con base a la composición de la comunidad bacteriana (Cardona et al., 2023). Sin embargo, el análisis diferencial de las unidades taxonómicas operativas (OTUs) mostró el enriquecimiento en las muestras con alta concentración de mercurio de Tarapacá y Taraira de las clases:  Pedosphaerae, Acidobacteriia, Alphaproteobacteria y Solibacter en aguas, sedimentos y suelos de bosque; Actinobacteria solo en suelos, DA052 solo en sedimentos, y Clostridia, Planctomycetia, Spirochaetes y TK17 solo en aguas, lo que significa una adaptabilidad de estos grupos microbianos a la presencia de Hg. Respecto a la abundancia de genes funcionales en las muestras de Taraira y Tarapacá, se observó que los genes asociados a la metilación del Hg (hgcA y dsrA) fueron más abundantes en los sedimentos profundos, mientras el gen merA, que brinda capacidad de resistencia al Hg debido a que este gen produce la enzima que le permite a los microorganismos reducir el Hg inorgánico (Hg⁺²) a Hg⁰ gaseoso, fue más abundante en las aguas tomadas en la localidad de Taraira (Cardona et al., 2023).

En las muestras de Puerto Sábalo los Monos se encontró que la riqueza bacteriana observada disminuyó en los suelos de bosque a medida que la concentración de Hg aumentaba (Escobar et al., 2023). Se ha demostrado que en suelos con exposición crónica a la contaminación por Hg, los microorganismos sensibles se ven afectados por su toxicidad, lo que permite el dominio de los grupos resistentes (Bernhoft, 2012). Los análisis  estadísticos mostraron que los suelos de bosque se agruparon en la categoría High level of Hg (H-Hg), este grupo se caracterizó por presentar concentraciones altas de Hg (0.14±0.03 mg Kg^-1) y MeHg (0.004±0.0005 mg Kg^-1), una textura de suelo franca, pH bajo (3,94±0,39) y los mayores porcentajes de carbono orgánico oxidable %COO (5,52± 2,72 %), sodio Na²⁺ (62,67±3,7 mg Kg^-1) y potasio K²⁺ (137,77±48,67 mg Kg^-1). Se sabe que estas características son determinantes en la sorción, movilidad y biodisponibilidad del Hg en suelos y sedimentos (Gruba et al., 2014), por ejemplo, altos contenidos de carbono orgánico disminuyen la biodisponibilidad del Hg por la formación de complejos húmicos (Feyte et al. 2010); por otro lado el pH influye en la adsorción del Hg porque afecta tanto la especiación del metal como la carga superficial, facilitando la formación de complejos entre el Hg y la materia orgánica (Gu et al. 2011). Respecto a la abundancia de los genes funcionales se encontró que el gen merA,  fue también significativamente mayor en las muestras que conforman el grupo H-Hg. Adicionalmente, se identificaron filotipos, que  aumentaron su abundancia relativa en concentraciones más altas de Hg, como es el caso de  Alphaproteobacteria, Acidobacteriia, Ktedonobacteria, y Actinobacteria. El aumento de Alphaproteobacteria y Acidobacteria, puede explicarse debido a que la mayoría de representantes de bacterias resistentes a Hg portadoras del operon mer, pertenecen a los phyla Proteobacteria, Actinobacteria y Firmicutes (Lal & Lal 2010). Por otro lado, se ha reportado que el phylum Acidobacteria y la clase Ktedonobacteria, tiene representantes con la capacidad de vivir en ambientes ácidos, pobres en nutrientes y contaminados con metales (Harichová et al., 2012; Hemmat-Jou et al., 2018).

Con estas muestras se realizó el aislamiento de cepas resistentes a Hg, con diferentes metodologías, a partir de medios sólidos y/o líquidos suplementados con 10 – 80 mg HgCl L^-1, logrando así el aislamiento de 100 bacterias y 10 levaduras. De acuerdo con la secuenciación del gen RNAr 16S, se identificaron los géneros: Achromobacter, Acidovorax, Acinetobacter, Bacillus, Brevundimonas, Burkholderia, Enterococcus, Lysinibacillus, Microbacterium, Paenibacillus, Pantoea, Pseudarthrobacter, Pseudomonas, Psychrobacillus, Ralstonia, Serratia, Shewanella, Staphylococcus y Stenotrophomonas. Adicionalmente, con el marcador ITS (18S-5S) se identificaron las levaduras Rhodotorula, Yarrowia, Aureobasidium, Rhodococcus y Cryptococcus. También, se comprobó la presencia del gen merA en 24 de las cepas evaluadas.

Teniendo en cuenta que la contaminación con Hg se está acumulando en los suelos de inundación, y debido a su alta toxicidad, se propuso evaluar la biorremediación de estos suelos, mediante la coaplicación de un biochar con un consorcio conformado por bacterias reductoras de Hg (BRHg) de la colección de microorganismos resistentes a Hg del I. Sinchi. Desde el año 2021, se ha llevado a cabo la evaluación de 10 cepas seleccionadas con alta capacidad de resistencia a Hg (³40 mg HgCl₂ L^-1): Acinetobacter seifertii 7C,  Serratia marcescens 20C, Pseudomonas vancouverensis TP21, Leclercia adecarbo 22C, Shewanella xiamenensis 23C, Acinetobacter junii 27C, Pseudomonas sp. TP30, Bacillus cereus TR63, Pseudomonas libanensis TP94 y Burkholderia contaminans TR100. A estas cepas se les ha evaluado su capacidad reductora de Hg, uso de fuentes de carbono, actividad antagónica, patogenicidad, capacidad de crecimiento en suelo, además de la evaluación de sus genomas. A partir de los genomas se obtuvo información sobre los operones mer de 7 cepas, identificando los genes asociados a la reducción del Hg (merA) y a la demetilación (merB), reforzando su potencial uso en biorremediación de Hg. Los resultados a la fecha indican que, de las 10 cepas pre-seleccionadas, solo 4 cumplirían con los requisitos para conformar el consorcio resistente a Hg: Acinetobacter seifertii 7C, Serratia marcescens 20C, Bacillus cereus TR63 y Burkholderia contaminans TR100. Por otro lado, el biochar que es producido a partir de la pirólisis de materiales orgánicos, fue generado a partir de la biomasa aérea de la yuca (Manihot aipi) y semillas de asaí (Euterpe precatoria) con diferentes temperaturas de pirólisis y tiempos de residencia, y fueron evaluados de acuerdo a rendimiento, pH, densidad, porosidad, porcentaje de remoción de Hg y toxicidad a las bacterias. Con los biochar producidos se lograron porcentajes de remoción de Hg mayores al 80%, y se observaron las mejores caracteristicas en el biochar de yuca producido a 600°C y un tiempo de residencia de 120 minutos, y el biochar de asaí producido a 500°C  y 60 minutos de residencia. Los resultados obtenidos durante la presente vigencia confirma la presencia de Hg en ambientes naturales y su efecto negativo en las comunidades microbianas, seleccionando microorganismos que pueden resistir Hg. Por lo que se hace necesario continuar la investigación del uso y aplicación de estos microorganismos y emmiendas de biochar producidos a partir de materia prima de la región como alternativa de biorremediación de Hg en suelos.

Interacciones del Hg con micorrizas y macrofauna edáfica 

Para estos estudio se tomaron muestras en la zona de la Pedrera, bajo río Caquetá y el alto río Amazonas en la rivera del municipio de Leticia, complejo lagunar de Yahuarcaca. La Pedrera ha sido un lugar con explotación de oro aluvial desde los años 70 y con periodos de explotación fuerte y de descanso del ecosistema. Por el contrario en la ribera del río Amazonas en Leticia, nunca ha habido explotación de oro aluvial en la zona. Las concentraciones  encontradas en el bajo río Caquetá estuvieron por debajo de las concentraciones reportadas como tóxicas para la vida (<0,1 mg Hg Kg-1; De Vries et al. (1998) y Zarcinas et al. (2004)), pero  en el río Amazonas y afluentes estuvieron por encima de las concentraciones reportadas como tóxicas (entre 1.14 y 0.22 mg Hg Kg-1). Este hallazgo puede ser interesante en la medida que no necesariamente zonas con tradición minera pueden presentar niveles altos de mercurio total en la Amazonia. Al comparar la composición de las comunidades biológicas de los suelos muestreados (hongos formadores de micorrizas arbusculares y macrofauna edáfica), encontramos que los hongos formadores de micorrizas arbusculares fueron capaces de esporular y mantener comunidades diversas en estos suelos. Por su parte, las comunidades de macrofauna no mostraron diferencias en abundancia, diversidad o riqueza entre los diferentes suelos, independientemente de su concentración de Hg. En este sentido, no fue posible establecer una línea base o grupos de suelo indicadores, que permitan evidenciar la afectación de los suelos por concentraciones de mercurio total tóxicas. Las siguientes investigaciones deben enfocarse en medir el mercurio biodisponible en el suelo y su relación con las comunidades biológicas del suelo, pues los resultados muestran que no es posible evidenciar una correlación de afectación cuantificando solo mercurio total.

Cuantificación de Hg en peces de la Amazonia Colombiana

El análisis de Hg, inicia en 2010 para agua y sedimento sobre algunos ecosistemas acuáticos en la cuenca del río Orteguaza y en 2013 en los ríos Amazonas, Putumayo, Caquetá, Inírida, Guaviare (San José del Guaviare y en Puerto Inírida), Atabapo y Orinoco. Los análisis de Hg en agua y sedimento, presentaron valores menores respecto a las disposiciones legales nacionales e internacionales (aguas superficiales 0,001 mg Hg L^-1, decreto 1594 de 1984).

De igual manera, se viene realizando un monitoreo para cuantificar la presencia de Hg en músculo de peces amazónicos en distintos lugares de la región, realizando colectas de especies de interés local, pertenecientes a distintos niveles tróficos: detritívoro, herbívoro, frugívoro y carnívoro. Los muestreos realizados por el Instituto Sinchi registran presencia de Hg en varias especies de peces, encontrando altas concentraciones en especies de niveles tróficos superiores, peces carnívoros y piscívoros (Agudelo et al., 2019).

Durante 2022, el Instituto logró colectar muestras de peces para 23 especies en las localidades de Inírida, Mitú, Guaviare, La Tagua, Leguízamo y Leticia. Algunas de las especies más importantes en la zona de estudio son: Mylossoma spp (palometa), Prochilodus nigricans (bocachico), Plagioscion squamosissimus (corvina), Pseudoplatystoma punctifer (pintadillo), Pseudoplatystoma orinocoense y P. metaense (pintadillo), Brachyplatystoma vaillanti (pirabutón), Brachyplatystoma platynemum (baboso), Brachyplatystoma rousseauxii (dorado), Brachyplatystoma juruense (apuy), Platymetichthys spp (tijereto), Pinirampus pirinampu (barbiplancho), Calophysus macropterus (mapurito), Pygocentrus nattereri (piraña), Leporinus spp (guaracú), Cichla spp (tucunare), Serrasalmus rhombeus (piraña) y Hoplias malabaricus (dormilón), entre otras.

La evaluación de Hg en músculo de peces, permite indicar que para especies migratorias pertenecientes a un nivel trófico alto como los bagres del género Pseudoplatystoma, Brachyplatystoma y Calophysus y en peces de escama del género Hoplias, Cichla, Serrasalmus e Hydrolycus, es común la afectación por Hg. Pero contrario a lo evaluado en el año 2021, en la muestra realizada para Hoplias malabaricus (especie poco migratoria, carnívora y de amplia distribución geográfica en la región), se detecta una mayor afectación por bioacumulación de Hg frente a años anteriores, encontrando que el 62% de las muestras analizadas para esta especie presentaron valores superiores al límite permitido de (≤ 0.5 mg kg ^-1, WHO (2008). Los resultados obtenidos durante la presente vigencia ratifican afectación del recurso peces por bioacumulación de Hg a distintas concentraciones, con valores medios que superan el límite permitido para consumo humano, lo cual representa un riesgo grave tanto para el ecosistema como para la salud pública de la población residente en la Amazonia. Por lo que se hace necesario, entre otros, continuar el monitoreo e intensificar la colecta y análisis de muestras a lo largo del régimen hidrológico.

Sugerencias para el próximo PICIA sobre la investigación de Hg en ecosistemas amazónicos

Se recomienda seguir haciendo muestreos y monitoreos de Hg en la región amazónica, que además de incluir suelos, sedimentos y aguas, incluya también las fracciones de perifiton, fitoplancton, zooplancton,  macroinvertebrados y plantas acuáticas.  Esto con el fin de entender la biomagnificación a diferentes niveles tróficos. Por otro lado, se recomienda determinar las concentraciones background de Hg en suelos amazónicos, para lo cual es necesario tomar muestras de sitios donde no se reporte minería para evaluar el efecto del Hg natural y el Hg proveniente de otras actividades como la minería, la deforestación, entre otras, sobre los ecosistemas y los grupos biológicos de interés. También, para conocer el Hg biodisponible y el riesgo real que este conlleva en la biomagnificación, se recomienda continuar con la evaluación de la extracción secuencial de Hg.

Por otro lado, dada la importancia y el papel que cumplen los microorganismos (bacterias, algas, hongos) en el ciclo del Hg, se recomienda continuar con la evaluación de funciones bacterianas a nivel ecosistémico (reducción, demetilación y metilación) y la composición microbiana, como indicador del potencial de transformación del Hg en los ecosistemas, y también del impacto que tiene este metal en la diversidad y selección de grupos microbianos altamente resistentes. El conocimiento de los atributos funcionales de la comunidad microbiana permitirá seleccionar grupos potenciales para biorremediación. Finalmente, se recomienda realizar la evaluación de la aplicación de estos microorganismos como estrategia de biorremediación de Hg en diferentes matrices junto con enmiendas con biochar y/o fitoremediación/bioaumentación, que favorezcan y potencialicen el proceso de transformación de Hg, así como la recuperación de áreas degradadas.

Los hallazgos de mercurio en peces y matrices ambientales como aguas, sedimentos y suelos muestran la necesidad de continuar el monitoreo e intensificar la colecta y análisis de muestras a lo largo del régimen hidrológico. A su vez, es necesario determinar la dinámica ambiental de mercurio en los ambientes amazónicos, para conocer su transporte a través del agua, el aire y su acumulación en sedimentos, suelos y organismos acuáticos y terrestres. Igualmente, se deben abordar estudios regionales sobre la afectación de la Amazonia por contaminación con metales pesados, bien como resultado de actividades mineras, los vertimientos de otras actividades antrópicas o por la misma deforestación que se desarrolla de manera ilegal.