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Journal of the Selva Andina Research Society

versão On-line ISSN 2072-9294

J. Selva Andina Res. Soc. vol.7 no.2 La Paz  2016

 

ARTÍCULO ORIGINAL

 

Bioestimulación de suelo contaminado con 10000 ppm de aceite residual automotriz y fitorremediación con Cicer arietinum  potenciado con Bacillus cereus y Rhizobium etli

 

Biostimulation of soil polluted 10000 ppm of waste motor oil and phytoremediation with Cicer arietinum improved by Bacillus cereus/Rhizobium etli

 

 

Juárez-Cisneros Gladys1, Hernández-Escareño Jaime Jesús2, Nevárez-Moorillión Guadalupe Virginia3, Sánchez-Yáñez Juan Manuel1*

1Microbiología Ambiental. Ed B-3, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Rio, CP 58000, Morelia, Michoacán, México.
2Microbiologia y Micología Veterinaria Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia, Universidad Autónoma de Nuevo León, Ex. Hacienda Escobedo, N. L. México.
3Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Chihuahua, Chihuahua, Chih, México.

*Dirección de contacto: Laboratorio de Microbiología Ambiental del Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas (IIQB) de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH).
Edif. B-3 Ciudad Universitaria, Av. Francisco J. Mujica S/N Col. Felicitas del Río, Morelia Mich., 58040 México. Tel. +52 (443) 3223500 ext. 4240.

Juan Manuel Sánchez-Yáñez
E-mail address :syanez@umich.mx

Historial del artículo.

Recibido enero, 2016.
Devuelto mayo 2016
Aceptado julio, 2016.
Disponible en línea, agosto, 2016.

 

 


Resumen

La contaminación de suelo con aceite residual automotriz (ARA) disminuye su productividad. Una alternativa para su eliminación es la bioestimulación (BS) con un abono animal y posterior fitorremediación (FR) con una leguminosa potenciada con bacterias promotoras de crecimiento vegetal (BPCV), para reducirlo a nivel inferior al límite máximo permisible de 4400 ppm de acuerdo con la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 (NOM-138). Los objetivos de este trabajo fueron: i) bioestimulación de un suelo contaminado con 10000 ppm de ARA con lombricomposta y ii) ulterior Fitorremediación con Cicer arietinum y Bacillus cereus /Rhizobium etli. En la BS del suelo la variable respuesta fue la concentración del ARA, mientras en la FR la fenología y biomasa de C. arietinum y la concentración del ARA remanente. Los resultados mostraron que en suelo la BS con lombricomposta al 3% en 3 meses el ARA se redujo a 1370 ppm. En tanto que la FR con C. arietinum y R. etli, redujo el ARA  hasta 30 ppm ambos valores inferiores al máximo permitido por la NOM-138. Lo anterior apoya que en suelo contaminado con ARA, la mejor opción de biorrestauración, es la estrategia integral BS y FR potenciada con géneros de BPCV.

Palabras clave: ARA, mineral, fitodegradación, BPCV, mineralización.


Abstract

Soil pollution by waste motor oil (WMO) is reducing its productivity. An alternative for removing WMO from soil is by biostimulation (BIS) applying animal manure and then phytoremediation (PR) by legume improving with plant growth promoting bacteria (PGPB) to reduce WMO concentration at level below 4400 ppm limit permit for the NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 (NOM-138). The aims of this research were: i) to analyze soil biostimulation polluted by 10000 ppm of WMO applying vermicompost, then subsequent soil phytoremediation with Cicer arietinum inoculated by Bacillus cereus and/or Rhizobium etli. In soil after applying BS by VC was measured WMO soil concentration and ii) for PR was regarded phenology and biomass of C. arietinum and WMO concentration remaining at the end of this step. The results showed that soil biostimulated by VC, WMO was reduced at 1370 ppm, subsequent PR sowing C. arietinum with R. etli, WMR was reduced at 30 ppm concentration both values below to maximum value accepted by NOM-138. Those data indicate that in soil polluted by WMO the best way to biorecovery soil was to integrate strategy BS/PR the last one improved by genus of PGPB.

Key words: WMO, minerals, phytodegradation, PGPB, mineralization.


 

 

Introducción

La contaminación del suelo por hidrocarburos (HC) del petróleo como el aceite residual automotriz (ARA). El ARA es una mezcla de moléculas insolubles de HC: alifáticos, aromáticos, policíclicos, y metales pesados que en el suelo inhiben la mineralización de la materia orgánica, impiden el intercambio gaseoso y causan un efecto negativo en la vida microbiana y vegetal (Vallejo et al. 2005, Benavides et al. 2006, Delgadillo et al. 2011). En México el ARA es considerado un residuo peligrosos por tanto un problema económico ambiental, según Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección Ambiental (LGEEPA, 1998) y en el caso de las mezclas de HC en el suelo, la NOM-138-SEMAR NAT/ SSA1-2012 (NOM-138) establece que el límite má-ximo total es de 4400 ppm/Kg. En suelo contaminado con ARA una alternativa de solución ecológica para reducir la concentración de esta mezcla a un nivel inferior al máximo de la NOM-138; son la bio estimulación (BS) y la fitorremediación (FR) ambas estratégicas biológicas de limpieza ambiental. Al respecto en suelo para eliminar el impacto negativo de mezclas de HC, análogos a los del ARA, indican que una sola estrategia no es suficiente para que la concentración final remanente se inferior al máximo permitido por la NOM-138. Ese es el caso de Larenas & Viana (2005) reportaron la FR de un suelo contaminado con 55000 ppm de HC del petróleo mediante Tithonia tubaeformis, que decreció apenas en un 51%  equivalente a 25250 ppm valor muy superior al límite máximo aceptado por la NOM-138. En tanto Sangabriel et al. (2006), reportaron la fitorremediación de un suelo contaminado con 50000 ppm de combustóleo con 3 gramíneas: un híbrido de Brachiaria brizantha, con Panicum máximum y Phaseolus coccineus. Los resultados mostraron que la FR de ese suelo con estas plantas disminuyó el total del combustóleo a valores de entre 30-40% en 90 días, concentraciones todavía altas en referencia al valor máximo aceptado por la NOM-138. No obstante lo anterior indica que ciertos géneros plantas tienen capacidad para fitodegradar HC, siempre y cuando se potencien o mejoren con BP CV que ayuden a acelerar y reducir la concentración final de esos HC a un valor menor al máximo permitido por la NOM-138. Una opción para lograr la remediación de suelo impactado con ARA o HC aná logos, es la BS con un abono animal como la lombricomposta (LC), que lo enriquece con materia orgánica de fácil degradación y minerales básicos para inducir a las poblaciones nativas microbianas aerobias heterotróficas, a la eliminación parcial del ARA y posteriormente por FR mediante C. arietinum  (Larenas & Viana 2005, Maldonado-Chávez et al. 2010, Gogoz et al. 2010). Mientras que la capacidad de C. arietinum para mineralizar HC puede ser potenciada con Bacillus cereus y Rhizobium etli géneros de bacterias promotoras de crecimiento vegetal (BPCV), ampliamente conocidas por convertir exudados radicales en sustancias promotoras de crecimiento vegetal (SPCV); además de que están reportadas como oxidantes HC aromáticos análogos a los detectados en el ARA, mediante estas acciones facilitan la mineralización de esta mezcla de HC en la rizosfera de C. arietinum (Mrozik 2003, Simarro et al. 2013, González-Paredes et al. 2013). Con base en lo anterior los objetivos de esta investigación fueron: i) la bioestimulación de un suelo contaminado por 10000 ppm de ARA con lombricomposta y posterior ii) fitorremediación  mediante Cicer arietinum potenciada con B. cereus/R. etli pa-ra disminuir el ARA a una concentración inferior al máximo valor permisible de la NOM-138-SEMAR NAT/SS-2003.

 

Materiales y métodos

El experimento se realizó en invernadero con un diseño experimental de bloques al azar de 9 tratamientos y 5 repeticiones. Para el ensayo se usó un suelo ubicado a los 19º 39’ 27’’ de latitud norte 100º 19’ 59’’ de longitud oeste, con una altitud de 1820 msnm clima templado en un terreno agrícola denominado “La cajita’’ en la Tenencia Zapata del municipio de Morelia, Mich., México sobre el km 5 de la carretera Morelia-Pátzcuaro, México. El suelo fue clasificado como lateritico sódico degradado y compacto, con un historial agrícola de 20 años de un sistema de cultivo intensivo cereal-cereal (maíz-trigo y maíz-cebada), de textura arcillosa, con un contenido de materia orgánica de 1.5% y nitrógeno (N) orgánico de 39 Kg/ha, es decir pobre para ambas propiedades químicas, con un pH 6.7 ligeramente acido. Entonces el suelo se contamino con 10000 ppm de ARA proveniente de un taller mecánico, disuelto en un detergente comercial al 0.1%. Finalmente la concentración del ARA en el suelo se mido por el método de Soxhlet.

Este suelo se colocó en un sistema hidropónico de jarras de Leonard mostrado en la Figura 1 (García-González et al. 2005), el experimento se realizó en dos etapas: fase1 BS de suelo contaminado con 10000 ppm de ARA con LC al 3 y 6% (p/p) en tanto que la humedad se conservó a capacidad de campo con agua potable, después de 30 días se colectaron 15.0 g y cuantificó la concentración del ARA por Soxhlet (García-Hernández et al. 2007).

En la fase 2 luego de la BS del suelo contaminado con el ARA. Posteriormente se aplicó la FR para minimizar el ARA remanente con C. arietinum potenciado con B. cereus/R. etli, ambas BPCV fueron aisladas de raíces de Zea mays sp., mexicana. Por ello B. cereus se cultivó en caldo nutritivo (g/L): peptona de carne 8.0, extracto de carne 4.0 pH ajustado a 7.0 (BioxonR) y Rhizobium etli en caldo extracto de levadura manitol Rojo Congo (g/L): Manitol 10.0, K2HPO4 0.5, MgSO4  0.2, rojo congo solución 1:400 10.0 mL, NaCl 0.1, extracto de levadura 10.0, agar (solo para el sólido) 18.0, agua destilada 1000 mL, pH 7.0 ± (Sánchez-Yáñez 2007). Se aplicaron 40 x 105 UFC de cada uno/semilla de C. arietinum que se sembró en el suelo previamente bioestimulado con la LC. C. arietinum se alimentó con una solución mineral (SM) (g/L): NH4Cl 12.0, KH2-PO4 3.0, K2HPO4 3.5, MgSO4 1.5, CaCl2 0.1, FeSO4 0.5 mL, una solución de oligoelementos 1.5 mL/L, el pH se ajustó a 6.4-6.7 (García-Hernández et al., 2007) Durante la FR del suelo impactado con ARA se midió la fenología y biomasa de C. arietinum a floración, de nuevo determino la concentración del ARA por Soxhlet (Vásquez et al. 2010). Todos datos experimentales se analizaron por ANOVA y Tukey con α =0.05 software JMP ver.6.0 (Walpole et al. 2007).

 

Resultados 

En la figura 2 se muestra el peso fresco aéreo (PFA) y peso fresco radical (PFR) del C. arietinum en el suelo bioestimulado previamente con LC al 6% en T2 (sin inocular con BPCV) y T5 potenciado con R. etli para disminuir el ARA remanente.

En ambos casos se registró el mayor PFA y PFR comparado con las mismas variables-respuesta en el C. arietinum crecido en este suelo sin ARA alimentado con una solución mineral o control relativo (CR). En esta figura en el suelo codificado como: T1, T3 y T4 el PFA y el PFR de C. arietinum registraron valores numéricos que fueron estadísticamente iguales a los homólogos en el C. arietinum (CR). En el suelo con ARA la BS con la LC, se indujo su degradación parcial mientras con la siembra de C. arietinum se intentó reducir el ARA remanente a valor menor al máximo permitido por la NOM-138.

En la figura 3 se muestra el peso seco aéreo (PSA) y peso seco radical (PSR) de C. arietinum sembrado para  fitorremediar ese suelo con ARA; sin o con previa BS con LC. En esta figura se registró que la BS del suelo con ARA mediante LC al 3 o 6%, antes de la siembra de C. arietinum para concluir su FR, decreció la concentración del ARA, con un crecimiento sano, pues en el valor del PSA como en el PSR no hubo diferencia estadística basado en las mismas variables respuesta; a lo registrado en C. arietinum cultivado en el suelo sin ARA, alimentado con una SM no inocular con las BPCV.

La figura 4 muestra la BS del suelo contaminado con 10000 ppm de ARA con LC al 6% o 3% y su subsecuente FR con C. arietinum potenciada con B. cereus y/o R. etli. En ese suelo solo bioestimulado con LC al 3% sin fitorremediar, el decremento del ARA fue mínimo, en contraste con este suelo bioestimulado con LC al 6% (TA) que lo disminuyo a 7000 ppm. En tanto que en el mismo suelo solo bioestimulado con LC al 3%, sin fitorremediar (TB) el ARA decreció a 8630 ppm. En contraste con lo registrado en este suelo contaminado con ARA sin bioestimular (CN), donde la concentración original de 10000 ppm no cambió por efecto de la atenuación natural. Distinto a lo registrado en el mismo suelo codificado como T3, ahí la acción secuencial de la BS y la posterior FR con C. arietinum potenciada con B. cereus/R. etli facilitaron la reducción del ARA a una concentración muy por debajo de la máxima permitido en la NOM-138-SEMARNAT/ SS-2003 de 4400 a 30 ppm que prácticamente, es una cantidad que se podría detectarse en un suelo no contaminado con mezclas de HC como el ARA.

En el mismo suelo codificado como T1 contaminado por ARA, bioestimulado con LC al 3% y fitorremediado mediante C. arietinum potenciado con B. cereus y R. etli, el ARA restante fue de 180 ppm; lo anterior señala que la integración secuencial BS/FR acortó a 3 meses el tiempo de biorestauración;  en comparación con solo aplicar una de las 2 estrategias de manera independiente, que fueron insuficientes para resolver el problema de contaminación por ARA.

 

Discusión

El resultado mostrado en la figura 2 apoya que para resolver el problema de un suelo impactado con ARA, la BS con la LC al 6 % lo enriqueció con sales minerales esenciales en la mineralización parcial del ARA y además suplió la demanda nutricional de C. arietinum, mientras que la inoculación con R. etli facilito que en sus raíces hubiese una conversión de exudados en sustancias promotoras del crecimiento vegetal (SPCV); para darle tolerancia a los HC del ARA, mientras que esta especie de Rhizobium  tiene la capacidad de degradar algunos HC aromáticos similares a los encontrados en el ARA (Lindström et al. 2003). Este hecho apoya la conveniencia de aplicar la FR del suelo mediante C. arietinum inoculado con B. cereus y R. etli para decrecer el ARA, que incluso contribuyen a contrarrestar la fitotoxicidad del ARA, en consecuencia C. arietinum mostro un crecimiento similar al registrado cuando la misma leguminosa se siembro en el suelo sin ARA (Peña-Castro et al. 2006).

Lo mostrado en la figura 3 indica que en el suelo el enriquecimiento mediante la LC, en concentración elevada con compuestos de N orgánico e inorgánico, al igual que con la materia orgánica de fácil degradación y otros minerales como los PO4-3 (fosfatos), indujeron a la población nativa microbiana aerobia heterotrófica a mineralizar el ARA. Simultáneamente la LC suplió parcialmente la demanda nutricional de C. arietinum, en tanto que B. cereus y R. etli por la conversión de sus exudados de raíces en SPCV, favoreció un sano crecimiento a pesar de la fitotoxicidad del ARA, para que C. arietinium haya disminuido la concentración de la mezcla a un valor inferior al máximo permisible por la NOM-138. También se muestra que en el suelo con ARA donde se cultivó el C. arietinum sin bioestimular con LC, inoculada solo con R. etli (T5) se registró una reducción del PSA por la fitotoxicidad del ARA. Lo anterior sugiere que en suelo con ARA, algunas de sus propiedades físicas como la hidrofobicidad y viscosidad formaron películas que se adhiereron a las raíces de C. arietinum, e impidieron el intercambio gaseoso con la atmosfera, lo que provoco una condición anaeróbica en la interface raíz/suelo, que a su vez causó lisis de sus membranas y en consecuencia la inhibición del crecimiento (Vidali 2001, Peña-Castro et al. 2006, Delgadillo-López et al. 2011); comparado con el PSA de C. arietinum (CR) cultivado en suelo sin ARA.

En la figura 4 se muestra como la LC al 6% elevo excesivamente la concentración de minerales, lo que alteró el equilibrio osmótico en la solución del suelo, e inhibió a la microbiota nativa heterotrófica aerobia oxidante del ARA (Simarro et al. 2013). Lo que confirma que la BS del suelo con LC al 3% fue la adecuada para inducir a las poblaciones microbianas heterotróficas, a mineralizar la fracción ligera más ligera del ARA y la subsecuente FR mediante C. arietinum con ambos géneros de BPCV. Esta leguminosa se asoció con la fitodegradación de la fracción aromática del ARA, que además posee un sistema radical con capacidad de penetración para romper los agregados en el suelo formados por el ARA, de esta manera lo expuso al ambiente para que la microbiota degradadora de HC  lo haya mineralizado (Vallejo et al. 2005, Maldonado-Chávez et al. 2010 Rivera-Cruz et al. 2012). Mientras que en el suelo el movimiento de las raíces de C. arietinum permitió el flujo de agua y simultáneamente el intercambio de gases, y aceleró la FR (Yateen et al.1999, Delgadillo-López et al. 2011, Gargogoz et al. 2010). En esta figura también se observó un efecto positivo de la inoculación de R. etli en C. arietinum para mejorar la penetración de las raíces en la matriz del suelo y acelerar la eficaz mineralización del ARA, en combinación con la población aerobia heterotrófica oxidante de HC (Maldonado-Chávez et al. 2010 Vásquez et al. 2010). En el suelo la fitorremediación con C. arietinum potenciada con géneros de las BPCV favorecieron la oxidación del ARA a una mínima concentración de 600 ppm valor evidentemente inferior al máximo permisible señalado en la NOM-138, a pesar de que previamente no se bioestimuló con la LC. En el suelo este resultado también apoya que C. arietinum inoculado con B. cereus y R. etli tuvieron un efecto positivo en su crecimiento vegetal, debido a la síntesis de SPCV que aumentaron su capacidad de exploración y absorción mineral. Además de su conocida propiedad para mineralizar algunos de los HC para acelerar su biorestauración (Sangabriel et al. 2006; Delgadillo-López et al. 2011), en comparación con el mismo suelo (CN), donde sin la aplicación integral de la BS/FR, el problema de contaminación ambiental por el ARA no se resolvió acorde con la NOM-138 (González-Paredes et al. 2013). Con base en los resultados obtenidos en esta investigación, la mejor opción fue la bioestimulación de suelo contaminado con ARA con lombricomposta, seguido de la fitorremediación con C. arietinum potenciada con géneros de BPC; en especial cuando  C. arietinum se inoculo R. etli., para reducirla a un nivel inferior a la concentración máxima aceptada por la NOM-138-SEMARNAT/SS-2003 y conseguir su remediación. En comparación cuando estas estrategias se aplican independientemente, en contraste con la atenuación natural inútil para disminuir la concentración del ARA. Por lo anterior la bioestimulación seguida de la fitorremediación mejorada con BPCV son una opción viable para la restauración de suelo impactado con ARA.

 

Conflictos de intereses 

Los autores declaran que no tienen conflictos de interés con la presente investigación.

 

Agradecimientos 

Al proyecto 2.7 de la Coordinación de Investigación Científica de la UMSNH (2016), por el apoyo económico y beca CONACYT a la primera autora, a BIONUTRA, S, A de CV, Maravatio, Mich, México.

 

Literatura citada

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