, Ignacio-De la Cruz Juan Luis , Sánchez-Yáñez Juan Manuel *Artículo Original
Impacto del aceite residual automotriz en un suelo: remediación por bioestimulación
Soil polluted by waste motor oil: remediation by biostimulation
Pasaye-Anaya Lizbeth, Márquez-Benavides Liliana , Ignacio-De la Cruz Juan Luis , Sánchez-Yáñez Juan Manuel *
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. ]]>
Instituto de Investigaciones Químico Biológicas.*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 44 33 22 3500 ext. 4240
Juan Manuel Sánchez-Yáñez
E-mail address: syanez@umich.mx
ID del artículo: 139/JSARS/2020
Historial del artículo.
Recibido abril 2020.
Devuelto mayo 2020.
Aceptado junio 2020.
Disponible en línea, agosto 2020.
Resumen
]]> La contaminación del suelo por aceite residual automotriz (ARA) que es una mezcla de hidrocarburos (HC), que impide la actividad microbiana del reciclaje de elementos necesarios para la vida y afecta negativamente su fertilidad. La bioestimulación (BIS) es una estrategia para eliminar el ARA a un nivel que permite la recuperación de su fertilidad a un valor inferior al máximo de 4400 ppm de la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 (NOM-138). El objetivo de este trabajo fue la BIS un suelo impactado por 17000 ppm de ARA por enriquecimiento independiente: con solución mineral (SM), lombricomposta (LC) y P. vulgaris o abono verde (AV). La recuperación del suelo se determinó mediante la: liberación de CO2 por oxidación del ARA, por la población bacteriana oxidante de ARA (BOARA) y la concentración de ARA por Soxhlet, los datos experimentales se analizaron con Tukey-error estándar. Los resultados revelaron que la BIS de suelo impactado por 17000 ppm de ARA con la SM lo decreció hasta 4386 ppm, en tanto que con la LC lo disminuyo a 3766 ppm en 6 meses, ambos valores numéricos inferiores al máximo aceptado por la NOM-13, estadísticamente diferentes con los 8596 ppm en suelo bioestimulado mediante P. vulgaris o AV y los 16000 ppm de ARA en el suelo sin bioestimular o control negativo. Se concluye que la BIS, es específica acorde a la complejidad de los HC como el ARA, que se eliminó con la SM y la LC según la NOM-138 para la recuperación de la fertilidad del suelo.Palabras clave: Suelo, ARA, bioestimulación, población microbiana, mineralización, NOM-138.
Abstract
Soil impacted by waste motor oil (WMO) inhibits microbial activity for recycling the basic elements of life an affecting negatively its fertility. Biostimulation is a way to recover soil by eliminating WMO at a value lower than 4400 ppm permitted by an environmental rule called NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012. The aim of this research was the biostimulation of soil polluted by WMO in different in depending ways with the mineral solution (MS), or vermicompost (VC) with Phaseolus vulgaris o green manure (GM). Recovering soil was determined by the production of CO2 from WMO´s oxidation, by measuring the WMO oxidizing bacterial population (WMOOB) and WMO´s concentration by Soxhlet; experimental data were analyzed with standard Tukey-error. The results showed that biostimulation of soil impacted by 17000 ppm of WMO with MS decreased it until 4386 ppm, but better biostimulation with VC which reducing WMO until 3766 ppm in 6 months, both values lower than the maximum accepted by the NOM 138, and statistically different compared to soil BIS by P. vulgaris or GM with 8596 ppm of WMO and the 17000 ppm of WMO from soil non-BIS or negative control. This concludes that biostimulation could be specific depending on hydrocarbon´s complex as WMO was eliminated by MS and VC according to NOM-138 for recovering soil´s fertility
Keywords: Soil, WMO, biostimulation, microbial population, mineralization, NOM-138.
Introducción
El aceite residual automotriz (ARA), es el producto del uso de aceites en la lubricación y refrigeración en vehículos automotores, el ARA es una mezcla compleja de hidrocarburos (HC) alifáticos, aromáticos1,2. En México el ARA según la norma ambiental conocida como Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección Ambiental3, lo clasifica como residuo peligroso por lo que obliga a la disposición final: el reciclaje, reusó y/o confinamiento, en violación a esta ley algunos talleres de cambio de aceite lo vierten al suelo y al drenaje municipal, con el evidente daño ambiental, en la vida humana, animal y vegetal4,6. En suelo el ARA es insoluble, forma una película impermeable que impide el intercambio gaseoso con la atmósfera7, e inhibe la actividad microbiana heterotrófica aerobia (AMHA) nativa que participa en los ciclos biogeoquímicos de la vida, en el reciclaje de la materia orgánica (MO), en consecuencia causa la perdida de la fertilidad del suelo8. Una solución ecológica es la bioestimulación (BIS)9,10, independiente al enriquecer el suelo con minerales esenciales de N (nitrógeno), P (fosforo) y K (potasio), que inducen la AMHA a eliminar el ARA a un valor inferior al máximo de 4400, dividida en: 200 ppm de la fracción ligera, 1200 ppm de la mediana, y 3000 ppm de la norma mexicana llamada NOM-138-SEMAR NAT/SSA1-2012 (NOM-138)11,14 que establece 4400 como el valor máximo aceptado para indicar que está contaminado por el ARA. En la literatura, la BIS de suelo impactado como el ARA se reporta por la reducción de la concentración, sin consideración de alguna regulación ambiental equivalente a la NOM-13814. Un ejemplo de lo anterior es la investigación de Vallejo et al.15, que reportaron la BIS de un suelo contaminado por 20000 ppm de petróleo con sales inorgánicas simples (SIS), con NH4NO3 y K2HPO4 y otro fertilizan te inorgánico (FIC) de sales en relación equilibrada de N:P:K (15:15:15) denominado Fergon® durante 125 días. Los resultados exhibieron que el suelo bioestimulado con SIS, lo decreció hasta 12000 ppm, comparado con el FIC que lo disminuyo hasta 13200 ppm, ambos valores numéricos superiores al límite máximo permitido por la NOM-13814, lo que apoya la necesidad de una BIS que haga posible la mayor eliminación del ARA a un valor menor al máximo de la NOM-13814 para una recuperación efectiva de la fertilidad del suelo. Con base en lo anterior el objetivo de esta investigación fue la BIS de un suelo impactado por 17000 ppm de ARA mediante 3 formas separadas, con: solución mineral (SM), lombricomposta (LC) y Phaseolus vulgaris o abono verde (AV).
]]> 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), Morelia, Mich., México. Las condiciones micro climáticas en ese invernadero fueron: temperatura 23.2 ºC, luminosidad 450 µmol•m-2•s-1 y humedad relativa 67%. El suelo que se utilizó en este experimento se colectó de la Tenencia Zapata del municipio de Morelia, Michoacán, México, ubicado detrás de una gasolinera y utilizado para la producción de maíz. El suelo se clasificó como franco arenoso, con una capacidad de intercambio catiónico media, rico en MO (4±0.08%), pH ligeramente alcalino (7.2±0.06)16, el suelo se solarizo a 70 °C/48 h, luego se pasó a través de una criba de 2 mm de luz, para contaminarse artificialmente con 17000 ppm de ARA disuelto en detergente comercial “La Corona” cuyo principio activo fue alquil bencen sulfonato o ABS (0.5 mL de detergente líquido por 99.5 mL de ARA), el ARA se obtuvo de un taller mecánico automotriz de la ciudad de Morelia, Mich, México. Posteriormente se pesó 2.5 kg del suelo con ARA que se colocaron en la parte superior de la jarra de Leonard, mientras que el agua o la SM se agregó en la parte inferior, ambas partes se conectaron por una tira de algodón 15 cm de largo para el movimiento del líquido al suelo por capilaridad.
Esta investigación se realizó bajo un diseño experimental de 5 tratamientos y 4 repeticiones cada uno de acuerdo con la tabla 1, para bioestimular el suelo se sembró e incorporó al suelo P. vulgaris o AV, mientras la LC se obtuvo de Eisenia foetida L proporcionada por la Facultad de Biología de la UMS NH, Morelia Mich., cuya composición química se muestra en la tabla 2, y una SM con la siguiente composición (g/L): K2HPO4 10.0, KH2PO4 8.0, MgSO4 6.0, NH4(NO3)2 15.0, CaCO3 1.0, KCl 2.0, ZnSO4 0.5, CuSO4 0.5, FeSO4 0.2.
| Tabla 1. Diseño experimental de la bioestimulación independiente de un suelo impactado por 17000 ppm de aceite residual automotriz con: solución mineral, lombricomposta y P. vulgaris o abono verde |
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| (+) = se agregó; (-)= no se agregó. ARA aceite residual mineral, SM solución mineral, LC lombricomposta. |
| Tabla 2. Composición química de la lombricomposta de E. foetida en la bioestimulación de suelo impactado por 17000 ppm de aceite residual automotriz |
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Resultados
En la figura 1, la densidad población de bacteria oxidante del ARA (BOARA) inducida por la BIS, con la LC 78x108 UFC/g de suelo seco (SS), en tanto con P. vulgaris o AV se registró 74x108 UFC/g de SS. En tanto que la BIS de SM 24x108 UFC g/ de SS, estos valores numéricos, el suelo con ARA sin bioestimular usado como CN, se registraron 30x108 UFC/g de SS, comparado con el suelo sin ARA, o CA, irrigado solo con agua con 16 x108 UFC/g de SS.
| Figura 1. Bioestimulación independiente un suelo impactado por 17000 ppm de aceite residual automotriz con solución mineral, lombricomposta y P. vulgaris o abono verde sobre la densidad bacteriana oxidante de ARA |
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| UFC = Unidades Formadoras de Colonias, suelo BS = suelo + ARA + bioestimulación, SM = solución mineral, LC = lombricomposta, AV = abono verde, CN = control negativo (suelo + ARA), CA = control absoluto (suelo + solo agua) |
En la figura 2, la BIS independiente del suelo contaminado por 17000 ppm de ARA con una SM que registró 0.36 mg de CO2 100/g de SS, con P. vulgaris o AV 0.35 mg CO2 100/g y 0.33 mg CO2 100/g SS, en comparación con el mínimo valor de 0.02 mg CO2 100/g de SS sin ARA o CA, y el suelo contaminado por ARA sin bioestimular o CN, que registro 0.05 mg CO2 100/g de SS.
| ]]> Figura 2. Comparativo de la eliminación del aceite residual automotriz en suelo por bioestimulación independiente con una solución mineral, una lombricomposta y con P. vulgaris o AV medido por la producción de CO2 |
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| Suelo BS = (suelo + ARA + bioestimulación), SM = solución mineral, LC = lombricomposta, AV = abono verde, CN = control negativo (suelo + ARA), CA = control absoluto (suelo + agua) |
En la tabla 3, después de 6 meses, se observa una disminución hasta 4386 ppm, con LC, con el máximo decremento de 3766, ambos niveles del ARA fueron menores al límite máximo permisible por la NOM-138. Mediante P. vulgaris o AV, hubo una reducción hasta 8596 ppm de ARA, en comparación con el suelo impactado por el ARA, sin bioestimular o CN, que registró la mínima disminución de 17000 a 16000 ppm de ARA.
| Tabla 3. Concentración de aceite residual automotriz en suelo antes y después de la bioestimulación independiente con una solución mineral, la lombricomposta y P. vulgaris o abono verde |
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| * Tukey: letras diferentes indica diferencia estadística significativa, p = 0.05, ++=valores inferiores al máximo aceptad por la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012. |
Discusión
]]> En la figura 1, fue evidente de que el ARA fue eliminado en parte por las BOARA cuando el suelo se bioestimuló con la SM que al enriquecerlo sales esenciales favoreció un valor de la población de 24x108 UFC g/de SS. En tanto que la BIS de la LC en suelo con ARA, se registró un decremento del ARA hasta 3766 ppm, valor por debajo de lo que establece la NOM-138, lo que apoya, la LC mediante la incorporación de compuestos orgánicos e inorgánicos mejoró la multiplicación acelerada de la microbiota heterotrófica aerobia oxidante del ARA. En tanto que la BIS con P. vulgaris como AV careció de los compuestos orgánicos suficientes para facilitar la suficiente eliminación del ARA25,26, mientras que en el suelo contaminado por ARA sin bioestimular, irrigado solamente con agua, donde la carencia de nutrientes esenciales, combinada con la elevada concentración de ARA, evitaron que la po blación nativa microbiana heterotrófica aeróbica pudiese eliminar esta mezcla de HC de 17000 a 16000 ppm27.En la figura 2, se muestra que la máxima producción de CO2 en suelo impactado por ARA se registró cuando se bioestimuló individualmente con la SM, que las sales para equilibrar la relación C:N (carbono: nitrógeno) causada por el exceso de ARA, lo que indica que la SM fue útil para la eliminación de esta mezcla de HC, para decrecer el ARA a un nivel menor al máximo aceptado por la NOM138, y con ello recuperar la fertilidad del suelo. En tanto que cuando la BIS con la LC al enriquecer el suelo con N mineral y orgánico (como la urea) al igual que la AMHA que elimina por mineralización el ARA, para disminuirlo hasta una concentración inferior al mayor valor reconocido por la NOM-138, con lo que también la productividad agrícola del suelo se restauró. Mientras que la BIS del suelo por la siembra e incorporación de P. vulgaris como AV que agrego al suelo compuestos orgánicos de N y C sencillos para facilitar la oxidación del ARA, aunque a un valor insuficiente para reducirlo a una concentración por debajo del máximo valor establecido por la NOM-13828,29. En evidente contraste con la cantidad de ARA remanente en el suelo sin bioestimular o CN en donde la menor generación de CO2, indica que el exceso de C del ARA y la ausencia de N suficiente para facilitar la eliminación del ARA, causo la inhibición de la AMHA que potencialmente podría oxidar el ARA30,31.
En la tabla 3, la concentración del ARA en el suelo cuando se bioestimuló con la SM, que aporto el N necesario como NH4NO3 hizo factible que el decremento del exceso del C de ARA32,33, así como la adecuada concentración de P, con las sales de: K2HPO4 y el KH2PO4 que indujeron la eliminación del ARA hasta 4386 ppm34,35, concentración que de acuerdo con la NOM-138 hizo posible que ese suelo sea nuevamente útil en la producción agrícola. La velocidad de eliminación del ARA por mineralización fue más evidente cuando el suelo se bioestimuló con la LC que adiciono microorganismos heterotróficos, urea y PO4-3 solubles para decrecer el ARA hasta 3766 ppm, concentración que de acuerdo con la NOM-138 no pone en riesgo el crecimiento sano vegetal36. En contraste con la concentración del ARA cuando el suelo se bioestimuló con P. vulgaris como AV, cuya concentración de compuestos de C y N indica que fueron insuficientes para disminuir el ARA a un valor por debajo de la máxima aceptada por la NOM-13837, lo que indica que no es apto para recomendarse para uso agrícola o recreativa. Mientras cuando un suelo se contamina artificial o accidentalmente con una concentración igual o equi valente a 17000 ppm de ARA, y no se realiza ninguna acción de biorremediación, se causará la infertilidad del suelo, así como la perdida de la vida microbiana que facilita el reciclaje de la MO, propiedad fundamental de un suelo sano38.
Se concluye, que es posible recuperar la fertilidad un suelo contaminado por ARA si se bioestimula adecuadamente con un complejo de compuestos orgánicos e inorgánicos de N, que induzcan a la AMHA nativa, para decrecer el ARA hasta un valor inferior al máximo permitido por la NOM-138, que, de acuerdo con esta regulación mexicana, el suelo es de nuevo apto para actividades agrícolas y/o recreativas.
Fuente de financiamiento y agradecimientos
Al proyecto 2.7 (2020) de la Coordinación General de la Investigación Científica – UMSNH. BIONUTRA, S.A. de C.V. Maravatío, Mich, México.
Conflictos de intereses
Los participantes de esta investigación aseguran que no existe conflicto de interés en relación a la planeación, ejecución y redacción de esta investigación términos científicos, técnicos o de cualquier otro tipo.
]]>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:
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