Journal of the Selva Andina Research Society
versão On-line ISSN 2072-9294
J. Selva Andina Res. Soc. vol.11 no.2 La Paz 2020
https://doi.org/10.36610/j.jsars.2020.110200075
Artículo Original
Recuperación de un suelo contaminado por una mezcla de hidrocarburos
Recovering of soil polluted by hydrocarbons mixing
Rico-Cerda José Luis , Ignacio-De la Cruz Juan Luis
, Mondragón-Reynel Perla Guadalupe, Sánchez-Yáñez Juan Manuel*
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
Instituto de Investigaciones Químico Biológicas.
Laboratorio de Microbiología Ambiental.
Edif. B-3, Ciudad Universitaria.
Francisco J. Mujica S/N Felicitas del Rio.
C.P. 58000. Morelia.
Michoacán, México.
Tel:+0052 44 33 22 3500 ext. 4240
*Dirección de contacto: Laboratorio de Microbiología Ambiental. Instituto de Investigaciones Químico Biológicas. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Edif. B-3, Ciudad Universitaria. Francisco J. Mujica S/N Felicitas del Rio. C.P. 58000. Morelia. Michoacán, México. Tel: +0052 4433 22 3500 ext. 4240
Juan Manuel Sánchez-Yáñez
E-mail address: syanez@umich.mx
J. Selva Andina Res. Soc. 2020; 11(2):75-83.
ID del artículo: 140/JSARS/2020
Historial del artículo.
Recibido febrero 2020.
Devuelto mayo 2020.
Aceptado junio 2020.
Disponible en línea, agosto 2020.
Resumen
En México, un suelo agrícola pobre en nitrógeno (N) contaminado por un derivado de hidrocarburos como el aceite residual automotriz (ARA), con una relativa alta concentración de 100000 ppm, es un problema ambiental, pero también porque afecta drásticamente las propiedades del suelo asociadas con la mineralización de la materia orgánica y la pérdida de fertilidad, ya que sobrepasa el límite máximo aceptado de 4400 ppm de la norma mexicana llamada, NOM-138-SEMARNAT-2012 (NOM-138). Una alternativa de solución es tratarlo con acciones ecológicas para eliminar el ARA y recuperar esa fertilidad. Por lo que los objetivos de esta investigación fueron: i) biorremediación de suelo contaminado por 100000 ppm de ARA ii) fitorremediación mediante Sorghum vulgare con Aspergillus niger y Penicillium chrysogenum para decrecer el ARA a un valor inferior a 4400 ppm de la NOM-138. Para ello la recuperación de suelo se realizó mediante la variable-respuesta: desaparición del ARA por Soxhlet al inicio y después de la biorremediación y al final de la fitorremediación con S. vulgare con la fenología y biomasa a plántula. Todos los datos experimentales se validaron por ANOVA/Tukey HSD P<0.05%. Los resultados indicaron que la biorremediación y la fitorremediación del suelo contaminado por 100000 ppm de ARA, la decrecieron hasta 3400 ppm, valor inferior al máximo establecido por la NOM-138, suficiente para la recuperación del suelo en la producción agrícola, en 120 días un periodo de tiempo relativamente corto.
Palabras clave: Suelo, ARA, bioestimulación, NOM-138, S. vulgare, hongos.
Abstract
In Mexico, a soil poor in nitrogen (N) polluted by 100000 ppm of waste motor oil (WMO) is an environmental problem also because is drastically affecting soil´s proprieties related with mineralization of organic matter and lost its fertility since exceeding the maximum accepted limit of 4400 ppm of the Mexican environmental rule called NOM-138-SEMARNAT-2012 (NOM-138). An ecological alternative to solve it is to treat for eliminating WMO and to recover its fertility. Therefore, the aims of this research were: a) bioremediation of soil polluted by 100000 ppm of WMO b) phytoremediation by Sorghum vulgare with Aspergillus niger and Penicillium chrysogenum to decrease WMO´s concentration at lower value of 4400 ppm accepted by the NOM-138. In that sense the variable response to measure soil´s recovering was: a) WMO´s concentration with Soxhlet, after bioremediation and phytoremediation b) while at phytoremediation the phenology and biomass at seedling stage of S. vulgare with A. niger and P. chrysogenum. All experimental data were validated by ANOVA/Tukey HSD P<0.05%. Results showed that bioremediation and phytoremediation decreased WMO until 3400 ppm, numerical value lower than the maximum established by NOM-138, both processing were efficient to recover for cropping aim. In 120 days regarding as a short period of time.
Keywords: Soil, WMO, biostimulation, NOM-138, S. vulgare, Fungy
Introducción
En la actualidad, algunos derivados del petróleo como los aceites usados en la lubricación y refrigeración de automotores, generan productos que contaminan el ambiental como el aceite residual automotriz (ARA), una combinación de hidrocarburos alifáticos, aromáticos, policíclicos1. En México el ARA, según la Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente2 un residuo tóxico ambiental. Mientras que para determinar el daño por el ARA en el suelo existe la norma mexicana3 conocida como NOM-138-SEMARNAT-2012 (NOM-138), la que establece el límite máximo de concentración permisible, en especial para un suelo agrícola de 4400 ppm, cantidad que impide la mineralización de la materia orgánica (MO), evita el intercambio de gases, que en consecuencia decrecen o anulan la producción agrícola4, dada la fitotoxicidad de aromáticos del ARA. La literatura reporta que un suelo impactado por ARA se reduce por métodos químicos, que son rápidos, de un alto valor económico, pero que causan un daño colateral al dejar residuos tóxicos para la vida animal y/o vegetal5,6. Una alternativa de solución ecológica, es la biorremediación (BIO) la que al enriquecer el suelo con minerales básicos de N (nitrógeno), P (fosforo), K (potasio) reequilibran la relación carbono: nitrógeno (C:N) provocado por el exceso de carbono del ARA, para eliminarlo en un tiempo relativamente largo u corto7, esta velocidad es dependiente de la complejidad y concentración de los hidrocarburos que contiene, en especial cuando el suelo es pobre en N, por lo que es necesario enriquecerlo con un abono animal, como la lombricomposta (LC), que además del alto contenido en minerales esenciales, incorpora microorganismos que favorezcan la oxidación del ARA, por este tipo de BIO, es importante una adecuada demanda de O2 (oxigeno) que asegure la constante eliminación del ARA, sin causar cambios drásticos de pH, pues la neutralidad acelera la oxidación del ARA8.
En un suelo contaminado por 100000 ppm de ARA, la BIO es insuficiente para disminuirlo a un valor menor de 4400 ppm, que permita la recuperación agrícola de acuerdo con la NOM-1383, en consecuencia, es indispensable la fitorremediación (FITO), con plantas cuyo sistema radical tolere la fitotoxicidad a los hidrocarburos y facilite la oxidación del ARA9-12. Así como se reporta para otros productos derivados del petróleo, fundamentalmente porque estos vegetales pueden mejorar la capacidad de eliminación de esos hidrocarburos, principalmente cuando se inoculan con microorganismos que naturalmente hidrolizan a los aromáticos. En suelo impactado por una relativa elevada concentración de hidrocarburos, para que, al oxidarlos, sea posible la recuperación de la fertilidad para la producción agrícola, de acuerdo con alguna regulación ambiental vigente3. En relación a mejorar la capacidad de una planta para mineralizar los hidrocarburos del suelo, se reporta que géneros y especies de hongos como Aspergillus niger y Penicillium chrysogenum que no solo estimulan el crecimiento del sistema radical vegetal1,9,13, sino también metabolizan hidrocarburos similares a los detectados en el ARA y los consumen hasta disminuirlos a un valor que facilite la recuperación del suelo útil en la producción agricola14-17. Con base en esta información los objetivos de esta investigación fueron: i) biorremediación de suelo contaminado por 100000 ppm de ARA, ii) fitorremediación con Sorghum vulgare inoculado con A. niger y P. chrysogenum para disminuir el ARA a un valor inferior al máximo de la NOM-138 como evidencia de su recuperación.
Materiales y métodos
Esta investigación se realizó en el invernadero del laboratorio de Microbiología Ambiental del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas (IIQB) de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH). Bajo las siguientes condiciones micro climáticas: temperatura de 23.2 °C, luminosidad de 450 µmol m-2 s-1, humedad relativa de 67%. Se utilizó, un suelo agrícola colectado en una zona a los 19° 37 10 de latitud norte y 101° 16 41.00 de longitud oeste, con una altitud de 2013 msnm, con un clima templado de un lugar llamado Uruapilla del municipio de Morelia, Michoacán, México, en la carretera Morelia-Pátzcuaro, Michoacán. Mientras que el ARA se colecto de un taller de cambio de aceites de Morelia, Michoacán, México.
Tabla 1. Propiedades fisicoquímicas del suelo agrícola sin contaminar artificialmente por aceite residual automotriz |
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+Ar: arena, L: limo, AC: arcilla, *para suelos de origen volcánico, **calculada a partir de DA y DR |
En la tabla 1, se detallan las propiedades fisicoquímicas del suelo agrícola sin contaminar por el ARA18, con un pH de 6.02 ligeramente ácido, con bajo contenido en MO 0.58 %, una pobre concentración de N total de 0.11%, una alta capacidad de intercambio iónico de 26.64 C×mol(+) Kg-1 o salino, con una composición de la textura: arcilla de 50 %, limo 7 % y arena 43 %, por lo que el suelo se clasificó como arcilloso, este suelo se tamizó con una malla del No. 20, solarizó por 48 h y redujo el problema de plagas y enfermedades, posteriormente se contamino con el ARA, y comenzó la BIO del suelo al disolver los 100000 ppm de ARA en el detergente comercial La Corona al 0.5 % (p/v). Entonces 1.0 kg de este suelo contaminado con el ARA, se colocó en la parte superior de la jarra de Leonard, en la inferior se depositó agua o solución mineral (SM), ambas partes se conectaron por una tira algodón, para el movimiento del líquido por capilaridad (figura 1).
Figura 1. Diagrama de jarra de Leonard13
El experimento se dividió en i) la BIO de suelo por 100000 ppm de ARA, acorde a tabla 2, ii) la FITO del suelo mediante S. vulgare con A. niger y/o P. chrysogenum, de acuerdo con la tabla 3. Con un diseño experimental de bloques al azar de seis tratamientos y seis repeticiones: el suelo sin ARA irrigado solo con agua o control absoluto (CA), suelo alimentado con una solución mineral referido como control relativo (CN), suelo con ARA sin bioestimulación ni FITO o control negativo (CN), y el suelo con ARA, bioestimulado y fitorremediado.
Tabla 2. Diseño experimental de la biorremediación del suelo agrícola contaminado a por 100000 ppm de aceite residual automotriz |
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*n = 6; agregado (+); no agregado (-). LC lombricomposta, SM solución mineral |
Tabla 3. Diseño experimental para la fitorremediación de un suelo impactado por aceite residual automotriz remanente de la bioestimulación |
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*n = 6; agregado (+); no agregado (-), ARA aceite residual automotriz |
En la primer fase, el suelo con 100000 ppm de ARA se disolvió en el detergente comercial La Corona al 0.5 % y una LC al 3 % por 30 días, después se bioestimuló con una SM con la siguiente composición (g×L-1): NH₄NO₃ 10.0, K2HPO4 2.5, KH2PO4 2.0, MgSO₄ 0.5, NaCl 0.1, CaCl2 0.1, FeSO4 001 y 1.0 mL/L de una solución de microelementos (g×L-1): H₃BO₃ 2.86, ZnSO4 7H₂O 0.22, MgCl₂.7H₂O 1.8, ajustado a pH 6.819, se bioestimuló con la SM, y simultáneamente con el H2O2 al 0.05 % por 72 h por un mes, en tanto que para facilitar el intercambio de gases la humedad se ajustó al 80 % de la capacidad de campo del suelo agrícola. La variable-respuesta de la recuperación del suelo fue el ARA detectado por Soxhlet al inicio y final de la BIO y de la FITO15.
En la segunda fase, el suelo contaminado por 100000 ppm de ARA después de la bioestimulación se fitorremedió de acuerdo con la tabla 3 mediante la siembra de S. vulgare obtenido de la Secretaria de Agricultura Ganadería y Desarrollo Rural Pesca y Alimentación del gobierno de México. S. vulgare se trató con A. niger y/o P. chrysogenum, ambos hongos se aislaron de madera en descomposición por su capacidad de degradar lignina, e identificaron molecularmente como las especies señaladas20, para inocularse en las semillas de S. vulgare. Se reprodujeron en agar hueso de aguacate con la siguiente composición (g×L-1): hueso de aguacate 10, peptona caseína 5, extracto de levadura 1.3, K2HPO4 0.17, KH2PO4 2.61, MgSO4 1.5, NaCl 0.9, CuSO4 0.05, azul de bromotimol 10 ppm, 2.5 mL solución detergente al 10% 1.0 mL solución de oligoelementos, agar 18.0 g, el pH ajustado a 5.5. Las semillas de S. vulgare se desinfectaron con NaOCl al 0.2 %/5 min, se lavaron 6 veces con agua destilada estéril, después por cada 10 semillas de S. vulgare se inocularon con 1.0 mL de A. niger y/o P. chrysogenum equivalente a 1 x 106 Unidades formadoras de propágulos (UFP)/1 mL19 para sembrarse en el suelo agrícola artificialmente contaminado por ARA, 60 días después, se midió la fenología: altura de planta (AP) y longitud radical (LR), y la biomasa: peso fresco aéreo y radical (PFA/PFR) y el peso seco aéreo y radical (PSA/PSR)19. Los datos experimentales se validaron con ANOVA/Tukey HSD P<0.05 % con el programa estadístico Statgraphics Centurion21.
Resultados
En la tabla 4, la BIO redujo el ARA desde 100000 hasta 37620 ppm de ARA en 60 días, valor numérico estadísticamente distinto en relación con los 90000 ppm del ARA en suelo sin biorremediar o CN.
Tabla 4. En suelo concentración de aceite residual automotriz remanente de la biorremediación por 60 días |
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*n=6; **Biorremediación: detergente al 0.5%, lombricomposta al 3%. Solución mineral al 100% y H2O2 al 0.05%. ***Letras diferentes indican que son estadísticamente distintos según ANOVA/Tukey al 0.05%. |
En la tabla 5, se presenta la fenología de S. vulgare potenciada con A. niger y P. chrysogenum a los 60 días en suelo con 37620 ppm de ARA, se registraron 29.2 cm de AP, 17.0 cm de LR, ambos valores numéricos con diferencia estadística comparados con los 20.0 cm de AP y los 8.5 cm de LR de S. vulgare sin inocular irrigado solo con agua en suelo sin ARA referido como CA. Mientras que S. vulgare con A. niger y P. chrysogenum en suelo con ARA, registró 10.0 g de PFA y 5.0 g de PFR, ambos valores numéricos estadísticamente diferentes comparados con los 4.77 g de PFA y los 2.89 g de PFR de S. vulgare alimentada con una SM, en suelo sin ARA usado como CR. Respecto a la biomasa de S. vulgare con A. niger y P. chrysogenum en el suelo con ARA se registraron 2.2 g de PSA y 1.6 g de PSR, estos valores numéricos fueron estadísticamente distintos comparados con los 1.l4 g de PSA y los 1.31 g de PSR de S. vulgare alimentado con la SM o CR.
Tabla 5. Fenología y biomasa de Sorghum vulgare con A. niger y P. chrysogenum después de la fitorremediación de suelo con 37620 ppm de aceite residual automotriz, después de 60 días |
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*n=6. **Letras distintas señalan diferencia estadística según ANOVA/Tukey al 0.05%. AP altura de planta, LR longitud radical, PF peso fresco, PS peso seco |
En la tabla 6, se muestra en el suelo el decremento del ARA desde 37620 ppm hasta 3400 ppm por la actividad de S. vulgare con A niger y P. chrysogenum, este último valor fue estadísticamente diferente comparado con los 80000 ppm de ARA del suelo sin biorremediar y fitorremediar usado como CN.
Tabla 6. En el suelo concentración de aceite residual automotriz posterior a la fitorremediación con Sorghum vulgare potenciado con Aspergillus niger y Penicillium chrysogenum a los 120 días |
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*n=6; **Letras diferentes son estadísticamente distintas al 0.05% según Tukey, + ARA aceite residual automotriz |
Discusión
En la tabla 4, el suelo agrícola con 100000 ppm de ARA, comenzó la BIO con el detergente, que lo solubilizo, para facilitar que los microorganismos aerobios heterotróficos nativos realicen una reducción parcial de la concentracion4,5,7,8, mientras que la BIO con la LC al enriquecer el suelo con urea permitió el equilibro de la relación C: N, para que los microorganismos del nativos pudieran oxidar parcialmente el ARA22,23, de la misma forma que la SM con sales NH4+, NO3- y PO4-3 aceleraron la mineralización del ARA24,25, simultáneamente la BIO con el H2O2 suplió la demanda O2 para optimizar la oxidación del ARA14,26 por ello se controló la capacidad de campo del suelo al 80 %, que permitió el intercambio de gases y el decremento de la concentración del ARA17,27 a un nivel suficiente para la siembra de S. vulgare inoculado con A. niger y P. chrysogenum, en la ruta para la recuperación del suelo de acuerdo con la NOM-138.
En comparación con el suelo con 100000 ppm de ARA, usado como CN, en el cual la atenuación natural fue insuficiente para eliminarlo, por el exceso de C del ARA que formo una película hidrofóbica del ARA e impidió el intercambio de gases como el O2 mientras que la pobreza de minerales indispensables en la oxidación del ARA evito que esa concentración se redujera25,26,28.
En la tabla 5, se presenta la fenología y biomasa del S. vulgare con A. niger y P. chrysogenum, sembrado en el suelo cuando la concentración del ARA se disminuyó hasta 37620 ppm. En donde indirectamente se registró un decremento del ARA por el sano crecimiento de S. vulgare en parte porque es naturalmente tolerante al estrés fitotóxico del ARA, y por el efecto positivo de A. niger y P. chrysogenum en la rizósfera de la planta, donde estos hongos pueden generar sustancias promotoras de crecimiento vegeta125,29, para mejorar la capacidad de absorción de mineral de la raíz y disminuir la concentración del ARA que lleve a la recuperación de la salud del suelo y permitir que se use en la producción agricola10, en evidente contraste con S. vulgare sin inocular con A. niger y P. chrysogenum sembrado en suelo contaminado por 86000 ppm de ARA sin biorremediar, donde la relativa alta concentración provocó la inhibición del sano crecimiento de S. vulgare11.
En la tabla 6, se muestra la concentración del ARA suelo impactado por 37620 ppm de ARA remanente de la BIO, luego mediante la FITO con S. vulgare potenciado con A. niger y P. chrysogenum que estimularon el sano crecimiento de las raíces, sugiere la conversión de los exudados radicales en fitohormonas11,17,30, que aumentaron la cantidad de los pelos radiculares, para ampliar el área de exploración y absorción mineral, y con ello aumentaron la tolerancia de S. vulgaris al ARA10. Además de que existe la evidencia de que tanto A. niger como P. chrysogenum tienen la capacidad de degradar aromáticos del ARA12,14,20,31, y facilitaron la eliminación del ARA hasta una concentración de 3400 ppm, valor inferior al máximo establecido por la NOM-138, con lo que se logró la recuperación del suelo para su reutilización en la producción agrícola.
Fuente de financiamiento
Proyecto 2.7 (2020) de la Coordinación de la Investigación Científica UMSNH. BIONUTRA, S.A. de C.V. Maravatío, Michoacán, México.
Conflictos de intereses
Los autores de este trabajo aseguramos que no existe conflicto de interés en la planeación, ejecución y redacción, en términos científicos, técnicos o de otra índole relacionada con este artículo.
Agradecimientos
Al proyecto 2.7 (2020) de la Coordinación de la Investigación Científica-UMSNH. A BIONUTRA, S.A. de C.V. Maravatío, Michoacán, México.
Aspectos éticos
La aprobación de la investigación por el Comité de Ética, de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo - México, siguió las pautas establecidas para este comité.
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Nota del Editor:
Journal of the Selva Andina Research Society (JSARS) se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales publicados en mapas y afiliaciones institucionales