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Journal of the Selva Andina Research Society

versión On-line ISSN 2072-9294

J. Selva Andina Res. Soc. vol.10 no.2 La Paz  2019

 

Articulo Original

 

Suelo impactado por 90000 ppm de aceite residual automotriz: bioestimulación y fitorremediación

 

Soil impacted by 90000 ppm of waste motor oil: biostimulation and phytoremediation

 

 

Ignacio-De la Cruz Juan Luis, Márquez-Benavides Liliana, Rico-Cerda José Luis, Saucedo-Martínez Blanca Celeste, Sánchez-Yáñez Juan Manuel*

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Rio C.P. 58000, Morelia, Mich., México. Laboratorio de Microbiología Ambiental, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Ed-B3 CU.

*Dirección de contacto: Juan Manuel Sanchéz-Yáñez

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Rio C.P. 58000, Morelia, Mich., México. Laboratorio de Microbiología Ambiental, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Ed-B3 CU.

E-mail address: syanez@umich.mx

Historial del artículo.

Recibido febrero 2019.
Devuelto mayo 2019
Aceptado junio, 2019.
Disponible en línea, agosto 2019.

 

 


Resumen

En México un suelo impactado por 90000 ppm de aceite residual automotriz (ARA), excede la máxima concentración permitida de 4400 ppm según la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2003 (NOM-138) y que le causa infertilidad. Una alternativa solución es la por bioestimulación (BIS) integral con un detergente, una solución mineral, con H2O2 fuente O2, un extracto fúngico crudo con una lacasa que hidroliza aromáticos del ARA, luego con Phaseolus vulgarís o abono verde. Estas acciones se concluyen por fitorremediación (FITO) mediante Cicer aretinum. Los objetivos de esta investigación fueron: i) BIS de un suelo impactado por 90000 ppm de ARA, ii) FITO mediante C. aretinum con Micromonospora echinospora y Penicillium chrysogenum para decrecer el ARA a valor inferior al máximo aceptado de la NOM-138. En suelo la variable-respuesta de la BIS fue la concentración inicial y final de ARA por Soxhlet, en la FITO se registró la fenología y biomasa de C. aretinum a plántula. Los datos experimentales se analizaron por ANOVA/Tukey HSD P<0.05%. Los resultados muestran que la BIS y FITO en suelo impactado por 90000 ppm de ARA, lo decrecieron hasta 1200 ppm, valor numérico estadísticamente distinto comparado con suelo con 79000 ppm de ARA sin BIS ni FITO o control negativo. Se concluye que en suelo impactado por una relativa alta concentración de ARA la BIS y FITO fue estrategia integral suficiente para recupera acorde con la NOM-138.

Palabras clave: Suelo, ARA, bioestimulación, fitorremediación, C. arietinum, M. echinospora, P. chrysogenum, mineralización, coometabolismo, NOM-138.


Abstract

In México any soil polluted by 90000 ppm waste motor oil (WMO), this concentration is over the maximun acepted of 4400 ppm by regulation law called as a NOM-138-SEMARNAT / SSA1-2003 (NOM-138), 9000 ppm of WMO is causing soils fertility decreasing. An alternative solution is biostimulation (BIS) by detergent following by mineral solution then. Subsequently the BIS by H2O2 as a supplier of O2 and a crude fungi extract containing lacease able to hydrolyze aromatic of WMO, then by Phaseolus vulgarís as a green manure to reduce WMO; concluding by phytoremediation (PHYTO) with Cicer aretinum The objectives of this research were: i) BIS of soil contaminated by 90000 ppm of WMO ii) PHYTO by C. aretinum with Micromonospora echinospora and Penicillium chrysogenumlo decrease WMO at lower concentration valué than the máximum accepted by NOM-138. In sense at soil's, variable-response of BIS was initial and final concentration of WMO by Soxhlet, at the PHYTO, phenology and biomass of C. aretinum were taken at seedling. The experimental data were analyzed by ANOVA/Tukey HSD P <0.05%. Results showed that BIS and PHYTO of soil impacted by 90000 ppm of WMO decreased until 1200 ppm numerical valué statistically different compared to 79000 ppm of soil polluted by WMO, without BIS and either PHYTO or negative control. Those results showed that BIS and PHYTO are an effective technique for recovering soil polluting by relative high level of WMO according to NOM-138.

Key words: Soil, WMO, biostimulation, phytoremediation, C. arietinum, M. echinospora, P. chrysogenum, mineralization, coometabolism, NOM-138..


 

 

Introducción

En México, en suelo el derrame accidental o provocado de aceite residual automotriz (ARA) causa un daño ambiental, es una mezcla de hidrocarburos (HICO) alifáticos, aromáticos y policíclicos, tóxicos para la vida1,2, por lo que Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección Ambiental (LGEEPA) lo clasifica como un residuo peligroso3. Un suelo impactado por 90000 ppm de ARA, es una concentración relativamente alta acorde con la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-20034, que establece como va lor máximo permitido de 4400 ppm dividido en la fracción: ligera de 200 ppm, en la mediana de 1200 ppm y en la pesada de 3000 ppm. En suelo 90000 ppm de ARA forma una capa hidrofóbica que impide el intercambio de agua y O2 (oxigeno), desequilibra la relación C:N (carbono: nitrógeno) asociada con el reciclaje de los ciclos biogeoquímicos necesarios para la continuidad de la vida, e inhibe la actividad de la microbiota heterotrófica oxidante del ARA, lo que causa la infertilidad del suelo.5 Una alternativa de solución para resolver este problema es la remediación química, mediante agentes oxidantes fuertes Ca(ClO)2 o KClO4, con la desventaja de que causan un efecto colateral negativo al ambiente, y tienen un alto valor económico.6 Mientras que una alternativa ecológica es la biorremediacion7, por una bioestimulación (BIS) integral y secuencia primero con un detergente (DEGE) que emulsifique el ARA a través de los poros del suelo8, a continuación con una solución mineral (SOMI) que enriquece el suelo con minerales de NH4NO3, K2HPO4 y KH2PO49, para equilibrar la relación C:N, provocado por el exceso de ARA, lo que induce la actividad de la microbiota autóctona heterotrófica que mineraliza el ARA6,10, en el suelo si la humedad se mantiene al 80% de la capacidad de campo, se facilita el intercambio de agua y gases, para la eliminación del ARA11, pues la BIS es aerobia, por lo que es necesario aplicar el H2O2 (peróxido de hidrogeno) como fuente de O2 (oxigeno)12, y acelerar la mineralización del ARA. Mientras que la BIS puede ser mejorada con un extracto fúngico crudo (EXFUCU) que contiene la lacasa para la hidrólisis y degradación de los aromáticos del ARA13, en el suelo una forma de asegurar la continua BIS de esta compleja mezcla de HICO, es mediante la siembra de Phaseolus vulgaris como abono verde (AVE), que lo enriquezca con compuestos orgánicos de N: péptidos, aminoácidos y urea lo que mantiene el equilibrio de la relación C:N, con compuestos orgánicos C sencillos derivados de la degradación del AVE en la celobiosa y glucosa en el coometabolismo del ARA14,15, finalmente de biorremediación puede concluir mediante la fitorremediación (FITO), con Cicer arietinum17 un especie vegetal que tolere y degrade el ARA16, C. arietinum se potencia en la rizosfera con géneros de microorganismos promotores de crecimiento vegetal como: Micromo-nospora echinospora y Penicillium chrysogenum, ambos capaces de utilizar la fracción aromática del ARA como fuente de C y energía.18 Con base a lo anterior los objetivos de esta investigación fueron: i) BIS de un suelo impactado por 90000 ppm de ARA, y ii) FITO mediante C. arietinum con M. echinospora y P. chrysogenum para minimizar el ARA a valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138.

 

Materiales y métodos

Esta investigación se realizó en el invernadero del Laboratorio de Microbiología Ambiental, del Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), Morelia, Mich, México. El invernadero tenía una la temperatura promedio de 23.2 °C, una luminosidad de 450 µmol.m-2s-1, una humedad relativa de 67%. Para este ensayo se utilizó un suelo no estéril colectado de un sitio ubicado a los 19° 39' 27" de latitud norte 100° 19' 59" de longitud oeste, con una altitud de 1820 msnm de clima templado, en un terreno agrícola denominado "La cajita" perteneciente a la Tenencia Zapata del municipio de Morelia, sobre el km 5 de la carretera Morelia-Pátzcuaro, Mich, México.

El suelo se solarizó a 70 °C/48 h y tamizó con malla del No. 20 para minimizar el problema de plagas y enfermedades. Este suelo se contaminó con 90000 ppm de ARA proveniente de un taller mecánico automotriz de la ciudad de Morelia, Mich, México.

Este suelo se bioestimuló al inicio con un DEGE (La Corona®) al 0.5% (p/v), de acuerdo al diseño especificado en la Tabla 1, luego 1.0 Kg del suelo se colocó en la parte superior de la jarra de Leonard, mientras que el agua o la SOMI, se agregó en la parte inferior señalad en la figura 1, ambas partes se conectaron por una tira de algodón 20 cm de largo para facilitar el movimiento del líquido al suelo por capilaridad.19

En la BIS secuencial del suelo impactado por 90000 ppm de ARA se aplicaron 18.0 mL de una SOMI cada 3 días/mes, con la siguiente composición química (g/L): NH4NO3 10, K2HPO4 2.5, KH2PO4 2.0, MgSO4 1.0, NaCl 0.1, CaCl2 0.1, FeSO4 trazas y 10.0 mL de solución de microelementos (g/L): H3BO3 2.86, ZnSO4 7H2O 0.22, MgCl2 7H2O 1.81, pH 6.8-7.0.17 Mientras que en la BIS se agregó 5.0 mL de H2O2 al 3%, cada 3 días/mes, seguida de una BIS con 10.0 mL de un EXFUCU, aplicado una vez por semana/30 días. Para obtener el EXFUCU se reprodujo P. chrysogenum en un medio de cultivo con lignina residual de paja de trigo (LIREPATO) de la siguiente manera: 100 g de paja de trigo seca, molida y tamizada en una malla de 0.0841 mm, se trató con CH3-COOH al 10%/30 min en proporción 1:2 (p/v), que se neutralizó con NaOH al 10%, luego se sometió a autoclave a 120 °C/60 min, posteriormente se lavó con agua destilada a pH 7.0 y se secó a 70 °C/24 h. Para la generación del EXFUCU se usaron 12.5 mL de P. chrysogenum que se inocularon en un matraz de 500 mL con 250 mL de caldo LIREPATO con las siguiente composición química (g/L): LIREPATO 10.0, peptona de caseína 5.0, extracto de levadura 1.3, K2HPO4 0.17, KH2PO4 2.61, MgSO4 1.5, NaCl 0.9, CuSO4 0.05.0, 2.5 mL del DEGE (la Corona®) al 10% (p/v), y 1.0 mL/L de una solución de oligoelementos, ajustado a pH 5.5 esterilizado a 121 °C/20min; después del periodo de incubación a 30°C/12 días, P. chrysogenum se filtró y centrifugó para eliminar el micelio y obtener el EXFUCU libre del hongo, aplicado para bioestimular el suelo.13 Luego se sembró semillas de P. vulgaris en jarras de Leonard en suelo sin ARA hasta el nivel de plántula, para barbechar e incorporarlo como AVE en el suelo impactado por ARA/30 días.11 Al finalizar la BIS integral después de 120 días, se determinó la concentración de ARA por Soxhlet.20,21 Mientras en la FITO se utilizó C. arietinum potenciado con M. echinospora y/o P. chrysogenum géneros de microorganismos promotores de crecimiento vegetal (MPCV). M. echinospora se cultivó en agar hueso de aguacate (AHA) cuya com posición fue (g/L): hueso de aguacate 10.0, peptona de caseína 5.0, extracto de levadura 1.3. K2HPO4 0.17, KH2PO4 2.61, MgSO4 1.5, NaCl 0.9, CuSO4 0.05, azul de bromotimol 10% (p/v) 10 ppm, solución detergente 10% 2.5 mL, 1.0 mL de antifúngico Tecto® 60 al 10%, solución de oligoelementos 1.0 mL, agar bacteriológico 18.0, pH ajustado a 7.5, el actinomiceto se incubó a 30 °C/48h. En tanto que P. chrysogenum se reprodujo en agar Sabouraud (ASA) con la siguiente composición (g/L): glucosa 25.0, peptona especial 10.0, extracto de levadura 1.0, agar bacteriológico 18.0, pH ajustado a 5.5, el hongo e incubó 30 °C/48h.

 

 

Inoculación de C. arietinum con M. echinospora y P. chrysogenum. Para ello primero se calculó la densidad del inoculo por cuenta viable en placa en AHA y ASA ajustada a una concentración de 1.5x108 unidades formadoras de propágulos (UFP) /mL de M. echinospora y P. chrysogenum en relación 1:111 y de igual densidad de manera individual, de acuerdo con el diseño especificado en la tabla 2, fig 2, luego aproximadamente un mes después de la siembra, cuando C. arietinum alcanzo el nivel de plántula, se midió la fenología: altura de planta (AP) y longitud radical (LR), y la biomasa: peso fresco y seco aéreo/radical (PFA/PFR)/(PSA/PSR). Mientras que en suelo la concentración final del ARA se midió por método de Soxhlet. Los datos experimentales se validaron por un análisis de varianza (ANOVA) y Tukey HSD al 0.5% con el paquete estadístico Statgraphics Centurión XVI.10

 

Resultados

En la Tabla 3, se detalla la BIS integral en suelo impactado por 90000 ppm de ARA mediante un DEGE, la SOMI, el H2O2, el EXFUCU y P. vulgaris o AVE, los que lo minimizaron hasta 65300 ppm en 120 días, valor numérico estadísticamente diferente en comparación con los 84000 ppm en suelo impactado por ARA sin bioestimular o control negativo.

 

En la Tabla 4, se presenta la fenología y la biomasa de C. arietinum potenciado con M. echinospora y P. chrysogenum a nivel de plántula al final de la FITO del suelo, cuando la concentración del ARA decreció hasta 1200 ppm, en ese punto C. arietinum alcanzó 45.2 cm de AP y 22.1 cm de LR, ambos valores numéricos sin diferencia estadística comparados con los 46.1 cm de AP y los 19.8 cm en LR de C. arietinum en suelo sin ARA, alimentado con la SOMI o CR que mostró el crecimiento sano de la leguminosa en un suelo no impactado por ARA y sin inocular con los microorganismos promotores de crecimiento vegetal, potenciado con M. echinospora y P. chrysogenum a plántula. Mientras que la concentración de 1200 ppm de ARA un nivel que ya no causo fitotoxicidad en la biomasa C. arietinuin cuando se potencio con P. chrysogenum registró 3.08 g de PFA y 0.86 g de PFR, ambos valores numéricos con diferencia estadística comparados con los 1.48 g de PFA y los 0.69 g de PFR, en C. arietinum en suelo sin ARA, alimentado con SOMI al 100% o CR. En tanto que en suelo fitorremediado por C. arietinum con M. echinospora y P. chrysogenum fue 0.42 g de PSA y 0.10 g de PSR, ambos valores numéricos estadísticamente diferentes comparados con los 0.47 g de PSA y los 0.09 g en PSR de C. arietinum en suelo sin ARA alimentado con la SOMI sin potenciar con los microorganismos promotores de crecimiento vegetal.

En la Tabla 5, se presenta en el suelo la concentración de ARA al final de la FITO mediante C. arietinum potenciado con M. echinospora y P. chrysogenum a nivel de plántula, donde se registró el máximo decremento del ARA 1200 ppm en 30 días, concentración que fue inferior al límite máximo aceptado por la NOM-138. Este valor numérico fue estadísticamente diferente comparado con los 79000 ppm en suelo impactado por ARA sin bioestimular ni fitorremediar o CN.

 

Discusión

En la Tabla 3, se presenta la BIS en suelo impactado por 90000 ppm de ARA con el DEGE, que lo emulsifico través de los poros del suelo, y lo hizo disponible al ataque microbiano8,22, seguida de una BIS en secuencia con una SOMI que lo enriqueció con minerales de NH4NO3, K2HPO4 y KH2PO4, para el reequilibrio de la relación C:N, lo que indujo a los microrganismos heterotróficos aerobios a oxidar el ARA, bajo una humedad del suelo del 80% de la capacidad de campo9, permitiendo el intercambio de agua y gases para acelerar el decremento de la concentración del ARA6,23, dada la compleja naturaleza química de los HICO de esta mezcla y los productos que se generan del ARA, se sugiere que la microbiota del suelo metabolizo los HICO por la ruta de la -oxidación24,25, por consiguiente fue necesaria durante la BIS con H2O2, como fuente de O2 (oxigeno) que aceleró la oxidación del ARA12 del tipo alifático, de bajo peso molecular, mientras que para degradar la aromática compleja, se aplicó la BIS con el EXFUCU que contenía lacasa13, enzima extracelular que hidrolizó, hasta generar ácidos alifáticos, que se metabolizaron por -oxidación decrecien do la concentración del ARA.24 Como producto de la BIS secuencial los HICO remanentes del ARA requieren que el suelo se mantenga una adecuada relación C:N, por lo que siguiente la BIS involucro la siembra de P. vulgaris o AVE (rico en compuestos de N orgánico sencillos), y ser disponible luego de ser incorporados al suelo, para enriquecer con N en forma de aminoácidos esenciales, péptidos y urea contribuyendo al balance de la relación C:N, al igual que C orgánico del tipo celobiosa y glucosa para inducir la degradación parcial de la fracción compleja del ARA mediante una acción coometabolica.26,27 Como resultado de la BIS secuencial en el suelo impactado por 90000 ppm de ARA, la concentración decreció apenas un 27.5% equivalente a 65300 ppm, comparado con el suelo con 90000 de ARA no bioestimulado o control negativo, así la elevada concentración de HICO impidió el intercambio de gases, provocando desbalance de la relación C:N e inhibió la posible mineralización del ARA.25,28

En la Tabla 4 se señala la fenología y biomasa de la plántula de C. arietinum potenciado por M. echinos pora y P. chrysogenum, al final de FITO del suelo disminuyendo a 1200 ppm cuando del ARA, producto de la fitodegradacion de las raíces y capacidad de oxidación de M. echinospora y P. chryosgenum de la fracción aromática del ARA.29,30 Comparado con el crecimiento de C. arietinum sin inocular en suelo con ARA sin bioestimular, la semilla no germinó y/o murió por exceso de HICO, formando una película hidrofóbica y viscosa adherida a la semilla de C. arietinum, impidiendo la difusión de agua y O2, ahogando la semilla y por ende su muerte31, el decremento del ARA hasta 1200 ppm, permitió el sano crecimiento C. arietinum, lo que sugiere que la inoculación con M. echinospora y P. chrysogenum transformaron los exudados de la raíz en sustancias promotoras de crecimiento vegetal para mostrar un respuesta de la leguminosa similar a lo registrado cuando C. arietinum se sembró en suelo libre de ARA alimentado con la SOMI sin inocular32,33

Fue evidente que la inoculación de la semilla de C. arietinum con M. echinospora y P. chrysogenum facilitaron a la par con la fitodegradacion radical, la reducción de la concentración del ARA, desde 65300 ppm hasta 1200 ppm, valor numérico inferior al límite máximo aceptado por la NOM-138, aseguro la biorremediación del suelo. Comparado con el suelo impactado por ARA sin bioestimular ni fitorremediar, la microbiota nativa aerobia heterotrófica fue incapaz mineralizar ARA, causada por el desbalance de la relación C:N por exceso de HICO, algunos tóxicos o biocidas y pobreza de minerales que inhiben cualquier acción microbiana asociada con la eliminación del ARA.17,25

En la Tabla 5, se presenta que la BIS secuencia e integral en suelo impactado por 90000 ppm de ARA, lo enriqueció con compuestos orgánicos e inorgánicos de N como: NH4+, aminoácidos, nucleótidos, y urea etc., reequilibraron la relación C:N para inducir la degradación parcial del ARA, en tanto que la BIS con la SOMI, P. vulgaris o AVE, además del los compuestos de N, proporcionaron PO4-3 para decrecer el ARA2,9, minimizando hasta 65300 ppm, y facilitó la FITO mediante C. arietinum en el sistema radical realizando la fitodegradacion del ARA, potenciado con M. echinospora y P. chrysogenum, ambos géneros y especies con capacidad de oxidar HICO alifáticos y aromáticos al utilizarlos como fuente de C y energía, mientras que la concentración del ARA se redujo hasta 1200 ppm los MPCV convirtieron los exudados radicales de C. arietinum en fitohormonas del tipo auxinas y/o giberelinas33,34, que aumentaron su capacidad de absorción radical mineral de N, P y K aportados por la BIS. En tanto que el valor de 1200 ppm de ARA fue inferior al máximo acepado por la NOM-13818,25, para la confirmación de la biorremediación del suelo. En evidente contraste con el suelo impactado por el ARA sin bioestimular ni fitorremediar o control negativo, en el cual la atenuación natural fue insuficiente para evitar efecto negativo del ARA5,31 Se concluye que el suelo impactado por 90000 de ARA, una alternativa ecológica fue la BIS integral, seguida de una FITO con C. arietinuin potenciado con M. echinospora y P. chrysogenum, acciones que favorecieron a la mineralización del ARA hasta 1200 ppm en 150 días, valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138 y cuya concentración comparada con otras investigaciones, no fue posible estas acciones biológicos aplicados individualmente y que solo se lograría con los químicos de daño colateral ambiental.

 

Conflictos de intereses

Los autores aseguran que no existe ningún conflicto de intereses entre las instituciones participantes para la realización y publicación de este trabajo.

 

Agradecimientos

A Proyecto 2.7 (2019) de la CIC-UMSNH, a BIONUTRA S A de CV Maravatío, Mich, 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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