Evaluación de la fitotoxicidad de un lixiviado de Relleno Sanitario sobre Phaseolus vulgaris L y supervivencia de microorganismos de importancia sanitaria
Evaluation of the phytotoxicity of Landfill leachate on Phaseolus vulgaris L and survival of microorganisms of public health importance
García-Ortiz Vanessa Ruby1,2, Márquez-Benavidez Liliana2,, Sánchez-Yáñez Juan Manuel1*
1Laboratorio de Microbiología Ambiental. Instituto de Investigaciones Químico Biológicas. Universidad Michoacana de San Nicolás Hidalgo, F J Mujica S/N, Felicitas del Rio, 58000, Morelia, Mich, México.
2Laboratorio Medio Ambiente y Manejo de Residuos Sólidos, Instituto de Investigaciones Agropecuarias y Forestales, Universidad Michoacana de San Nicolás Hidalgo, F J Mujica S/N, Felicitas del Rio, 58000, Morelia, Mich, México.
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Rio C.P. 58000, Morelia, Mich, México.
E-mail address : syanez@umich.mx
Historial del artículo.
Recibido marzo, 2015.
Devuelto mayo 2015
Aceptado julio, 2015
Disponible en línea, agosto, 2015.
En relleno sanitario la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos genera un lixiviado (LX), mezcla química inorgánica e orgánica contaminante ambiental para definir el Índice de Contaminación de Lixiviado (ICL), el cual apoyado en modelo vegetal daría certeza del efecto negativo del LX. Además incluir la detección de microorganismos patógenos humanos (MPH) y bacterias mesófilas aerobias totales (BMAT) diferentes a coliformes fecales y totales tendría valor sanitario. Los objetivos del trabajo fueron: i) analizar la fitotoxicidad de un LX en Phaseolus vulgaris, ii) detectar la existencia en el LX de MPH y BMAT. Con un bioensayo "in vitro" en cajas Petri y en Jarra de Leonard con semillas de P. vulgaris tratadas con LX a distintas concentraciones. Las variables respuesta del bioensayo fueron: porcentaje de germinación, fenología: altura de planta y longitud de raíz y biomasa: peso freso y seco aéreo y radical y la detección de los MPH y BMAT. Los datos experimentales se analizaron por Tukey p<0.05. Los resultados indicaron una inhibición y/o estimulación del crecimiento P. vulgaris en función de la composición química y dilución del LX, por el efecto toxico de sus metales pesados y alcalinidad extrema que evitaron la supervivencia de los MPH, pero no de las BMAT. Se concluye que un bioensayo con P. vulgaris define el grado de beneficio o toxicidad de un LX, y da validez al ICL. Mientras que es necesario investigar la importancia de BMHT en LX y su potencial de contaminación biológica ambiental.
Palabras clave:
Lixiviado, bioensayo vegetal, alcalinidad, supervivencia microbiana.
Abstract
In landfill, the organic fraction of municipal solid waste generated leachate (LE), a chemical inorganic and organic mix an environmental pollutant to determine by Leachate Pollution Index (LPI). A bioassay could give certainty to its negative effect. To include pathogenic human microorganisms (PHM) and mesophilic total aerobic bacteria (MTAB) different than fecal and total coliforms would have health value. The objectives of this research were i) analyzed the phytotoxicity of leachate on Phaseolus vulgaris and ii) to detect in LE the existence of HPM and MATB. A bioassay "in vitro" was made in Petri dishes and Leonard jars using seeds P. vulgaris treated by diluted leachate. The response variables of bioassay were: germination percentage, phenotype: plant height and root length, biomass total: fresh and dry weight of root and plant. Including HPM and MATB detection. Experimental data was analyzed by Tukey p<0.05. The results indicated that LE caused inhibition and/or stimulation on P. vulgaris; Leachate´s phytoxicity was depending on its chemical composition and level dilution, this suggests that toxic effect is due its heavy metals and extreme alkalinity, killing HPM in leachate but not MATB. A bioassay P. vulgaris is useful to define degree of benefical and/or toxicity of LE, and validate LPI. While is important to know the role of HPM in LE and potential environmental biological contamination.
Key words:
Leacheate, plant bioassay, alkalinity, microbial survival.
]]> Introducción
En México la disposición legal y final de los residuos sólidos urbanos (RSU) derivados de la actividad doméstica y comercial son los rellenos sanitarios (RESA) según la NOM-083-SEMARNAT 2003, en donde la degradación anaeróbica de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (RSU) genera un líquido contaminante llamado lixiviado (LX) (Colmenares & Santos 2007), cuyos ácidos como el acético, el láctico y el fórmico disuelven los metales pesados de las aleaciones en los RSU, en consecuencia en exceso se generan sales minerales y NH4 (amonio) que son tóxicos para la vida (Sánchez-Yáñez et al. 2006). En general un LX se considera de riesgo ambiental negativo, el cual puede ser estimado por el Índice de Contaminación de Lixiviado (ICL) con base en sus propiedades fisicoquímicas (Guerrero-Rodríguez et al. 2014), mostradas en la tabla 1, aunque éstas no necesariamente indican con precisión el daño del LX para la vida animal o vegetal. Una opción adecuada para evaluar con certeza el impacto de un LX, podría ser bioensayos con plantas que pronostiquen con seguridad el posible efecto negativo en el ciclo de vida vegetal (Thomas et al. 1986). Con base a lo anterior se reportó que un LX fue fitotóxico a Lemna minor por su alto valor de salinidad y alcalinidad, consecuencia de la elevada concentración de NH4. Al igual que otro LX tuvo un toxicidad en el crecimiento de Brassica chinensis, Lolium perenne, Salix amygdalina, Lactuca sativa, Lepidium sativum, y Phaseolus vulgaris al inhibir la germinación de sus semillas y sano crecimiento (Clément & Bouvet 1993, Cheng & Chu 2006)
Otro aspecto de un LX que tendría importancia sanitaria complementaria para evaluar su riesgo para la salud humana y el ambiente es la recuperación de microorganismos patógenos humanos (MPH) oportunistas, así como de las bacterias mesófilas aerobias totales (BMAT) indicadoras de la concentración de oxigeno (O2) y agentes químicos biocidas y no solo los entéricos específicos señalados en la NOM-112-SSA1-1994 como los coliformes fecales totales. De acuerdo con normas establecidas para el análisis de un LX se realiza la caracterización fisicoquímica, mientras en relación al aspecto microbiológico solo se detectan los coliformes fecales y totales. Sin embargo dado que los MPH y las BMAT son comunes en los desechos hospitalarios y/o de rastros por su inadecuada disposición final lo que permite que ambos tipos microbianos sean depositados en un RESA (Flores-Tena et al. 2007). Por lo anterior los objetivos de este trabajo fueron: i) analizar la fitotoxicidad de un LX de un RESA en Phaseolus vulgaris L, ii) demostrar en el LX la existencia de MPH y BMAT diferentes a los coliformes totales y fecales.
Materiales y métodos
Esta investigación se realizó en el Laboratorio de Microbiología Ambiental del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo en Morelia, Michoacán México.
El LX fue proporcionado por el Instituto Tecnológico de Toluca obtenido del RESA en el municipio de Zinacantepec Estado de México, México. Situado en el ejido de San Luis Mextepec en el km 11.5 de la carretera Toluca-Zitácuaro, Zinacantepec se localiza en la porción occidental del valle de Toluca a los 19º17'00" de latitud norte y a los 99º44'00" de longitud oeste del meridiano de Greenwich. Limita al norte con Almoloya de Juárez, al sur con Texcaltitlán, al este con Toluca y Calimaya, al oeste con Temascaltepec y Amanalco de Becerra, al sureste con Villa Guerrero y Coatepec Harinas. Del LX de Toluca se obtuvo una sub muestra simple de la descarga correspondiente a la fosa de la celda 1 del RESA en estudio y se utilizó un camión tipo pipa como recipiente de muestreo (propiedad de la empresa), que colectó la muestra mediante bombeo de la laguna de lixiviados de la celda. Se colectaron 20 L de LX, transportado y almacenado en garrafas de plástico a 4° C. La toma de muestra del LX se realizó en base a los lineamientos de la norma NMX-AA-003-1980.
El bioensayo del LX en P. vulgaris se realizó mediante un diseño experimental con 8 tratamientos y 5 repeticiones con 4 semillas de P. vulgaris y las variedades: Bayo, Flor de Junio, Negro y Peruano equivalente a una densidad de siembra de 80000 plantas por hectárea recomendado para la región centro de México (Osuna-Ceja et al. 2012). Estas semillas que se trataron con el LX diluido con agua destilada al 6.25, 12.5, 25, 50, 75 y 100% éste último sin diluir; además se comparó con el mismo P. vulgaris usado como control relativo (CR) alimentado con una solución mineral y P. vulgaris irrigado solo con agua potable como control absoluto (CA).
En un segundo bioensayo con P. vulgaris var. Flor de Junio en jarras de Leonard (figura 1) se trató con el LX diluido con agua destilada: 25, 50, 75 y 100% este último sin diluir, hasta el nivel de plántula y floración. La evaluación de las variables respuesta fueron basadas en su fenología: altura de planta y longitud de raíz y su biomasa: peso fresco aéreo (PFA) y radical (PFR); peso seco aéreo (PSA) y seco radical (PSR) (García-González et al. 2005) Los datos experimentales se analizaron por Tukey p<0.05.
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Mientras que el análisis microbiológico del LX se realizó para detectar: Pseudomonas aureginosa (Sánchez-Yáñez 2007), hongos y levaduras, bacterias mesófilas aerobias totales, coliformes totales y fecales y Vibrio cholerae de acuerdo con las normas vigentes en México NOM-111-SSA1-1994, NOM-092-SSA1-1994, NOM-112-SSA1-1994 y Norma ISO 21872-1: 2007.
Resultados
Efecto fitotóxico del lixiviado en la germinación de Phaseolus vulgaris L. variedades: Bayo, Flor de Junio, Negro y Peruano.
En la tabla 2 se muestra el porcentaje de germinación que se usó como variable respuesta del efecto del LX en P. vulgaris así como en la aparición del embrión y la reducción de la longitud del primordio del tallo y raíz por la fitotoxicidad de sus metales y alcalinidad extrema cuando el LX se aplicó concentrado al 100%.
Efecto fitotóxico del lixiviado de en la fenotipia y biomasa de Phaseolus vulgaris variedades: Flor de Junio, Bayo, Negro y Peruano.
]]> En el tabla 3 se muestra que el LX desde el 25 al 100% fue fitotóxico para el crecimiento de P. vulgaris var. Flor de Junio a nivel de su primordio de raíz. Los valores numéricos registrados en P. vulgaris var. Flor de junio tratado con el LX diluido fueron estadísticamente diferentes comparados con los valores de P. vulgaris var. Flor de junio del CR. El LX fue fitotóxico para P. vulgaris var. Flor de junio en concentración del 6.25% en su PFA con 1.04 mg, valor numérico con diferencia estadística con el PSA y el PSR En P. vulgaris var. Flor de junio sus valores numéricos de la biomasa en respuesta al LX mostraron una diferencia estadística significativa comparados con los valores de 1.49 mg del PFA de P. vulgaris var. Flor de junio usado como CR, aunque en este caso el LX fue fitotóxico solo a partir del 75% (Figura 2).
Los valores numéricos de este ensayo de P. vulgaris con el LX tuvieron una diferencia estadística comparados con los mismos parámetros de P. vulgaris usado como CR alimentado con una solución mineral (Figura 3).
El LX fue fitotóxico para P. vulgaris var. Bayo a partir de la dilución al 6.25% en su altura del primordio del tallo con 11.50 cm, valor con diferencia estadística comparado con el mismo valor del primordio del tallo de P. vulgaris var. Bayo usado como CA con 17.01 cm. El LX diluido al 50% fue fitotóxico para P. vulgaris var. Bayo pues le causó una disminución en la longitud de su primordio de raíz con 3.35 cm, valor que comparado con de la longitud del primordio de raíz de P. vulgaris var. Bayo usado como CR fue de 13.81 cm; en tanto que el LX diluido al 75% fue fitotóxico para esta variedad en su PFA con 0.70 mg y en el PFR con 0.18 mg, dado que estos valores fueron estadísticamente diferentes inferiores comparados con el PFA de 1.62 mg y en su PFR con 0.45 mg P. vulgaris var. Bayo usado como CR. El LX concentrado al 100% fue fitotóxico para P. vulgaris var. Bayo (figura 4) al inhibir por completo la germinación comparado con P. vulgaris var. Bayo CR (Figura 5).
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El LX fue fitotóxico para P. vulgaris var. Negro desde la dilución al 50% en su altura del primordio del tallo de 6.28 cm y su longitud del primordio de raíz con 3.87 cm (Figura 6), en ambos casos se observó una inhibición de su crecimiento en comparación con el primordio del tallo de 9.95 cm y en la longitud de la raíz de 14.4 cm en P. vulgaris var. Negro usado como CR (figura 7). P. vulgaris var. Negro fue sensible a la fitotoxicidad del LX a partir de su dilución del 75% en su PFA, y desde el 6.25% al 100% en su PFR; en tanto que el LX desde el 75 al 100% provocaron la disminución en su PSA, al igual que el LX desde la dilución del 50 al 100% en su PSR.
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El LX en P. vulgaris var. Peruano al 25% fue fitotóxico al inhibir la altura del primordio del tallo que registro 8.0 cm, al igual que en su longitud del primordio de raíz con 9.92 cm, estos valores mostraron una diferencia estadística, en comparación con los mismos valores de P. vulgaris var. Peruano usado como CA en su altura del primordio del tallo con 27.54 cm y su longitud del primordio de raíz con 17.83 cm. Mientras que el LX a partir del 50% inhibió totalmente la germinación de la semilla de P. vulgaris var. Peruano (Figura 8) valor con diferencia estadística en comparación con el valor de P. vulgaris var. Peruano utilizado como CA (Figura 9). El LX en P. vulgaris var. Peruano fue fitotóxico a partir de la dilución al 6.25% en su PFA con 1.79 mg y en su PFR con 0.22 mg, ambos valores tuvieron diferencia estadística comparados con los valores análogos de P. vulgaris var. Peruano en su PFA con 1.89 mg y con PFR de 0.3 mg.
Efecto fitotóxico del lixiviado de en Phaseolus vulgaris var. Flor de Junio a plántula y floración. El LX al 25, 50, 75 y 100% en P. vulgaris var. Flor de junio no causó daño en su altura con valores sin diferencia estadística en comparados con los correspondientes a la altura de P. vulgaris var. Flor de Junio usado como CR, aunque el LX a partir de la dilución al 75% fue fitotóxico para P. vulgaris var. Flor de junio en su longitud radical con 18.5 cm, valor con diferencia estadística en comparación con el valor de 28.3 cm de la longitud radical de P. vulgaris del CR. El LX tuvo un efecto positivo en el PFA de P. vulgaris var. Flor de Junio dado que el mismo valor del PFA de P. vulgaris del CR no fue estadísticamente diferente. Mientras que el LX a partir de la dilución al 50% fue fitotóxico para P. vulgaris en su PFR con 0.7 g, al igual que en su PSR con 0.04 g en comparado con el PFR de 1.9 g y el PSR con 0.1 g de P. vulgaris var. Flor de Junio usado como CR. Se registró un efecto positivo del LX en la fenología y biomasa de P. vulgaris var. Flor de Junio en la etapa de floración con las diluciones del LX al 25, 50, 75 y 100% en principio en su altura de planta, equivalente a la aplicación de un fertilizante químico en balance dado que los valores registrados en esta variable fenológica no mostraron diferencia estadística comparados con la fenología y biomasa de P. vulgaris var. Flor de Junio usado como CR (tabla 4).
Discusión
El bioensayo en P. vulgaris var. Bayo Flor de junio Negro y Peruano en las primeras etapas de su crecimiento fue útil para dar certeza al ICL en el riesgo para la vida humana y el ambiente con un valor de 19.30 (Márquez-Benavides & Sánchez-Yáñez 2014). El LX fue más fitotóxico para P. vulgaris a nivel de los estadios fisiológicos plántula y floración, lo que apoya que es conveniente considerar no solo el ICL, también es recomendable emplear otras herramientas más sensibles a los agentes contaminantes del LX que los convencionales métodos fisicoquímicos en su evaluación de riesgo de LX para el ambiente (Guerrero-Rodriguez et al. 2014). El bioensayo del LX en P. vulgaris var. Flor de Junio se realizó para determinar el daño en un sistema biológico. Este LX en P. vulgaris, mostró un efecto negativo y/o positivo, con base al nivel de dilución y composición química en específica del LX, y especialmente en las diversas variedades de P. vulgaris, dado que el LX afectó negativamente las primeras etapas de crecimiento de la leguminosa, lo que coincide con lo reportado por (Castillo 2004), que señaló que en un LX como parte de su composición química existen agentes fitotóxicos, como los metales pesados, causantes de la acción oligodinámica que bloquea la síntesis de proteínas involucradas en la terminación de la latencia de la semilla y que impide emergencia del embrión (Fiskesjo 1993, Ivanov et al. 2003, Floréz & Cotes 2006). Por ello cuando el LX se diluyó al máximo y empleo en P. vulgari en especial a floración, el efecto fue positivo equivalente al de un fertilizante mineral en balance, lo que sugiere que este LX contenía los elementos minerales básicos que P. vulgaris requiere para un sano crecimiento. Lo anterior apoya que el efecto positivo/negativo del LX registrado en P. vulgaris en las diferentes variedades, así como la ausencia de los MPH y la existencia de las BMAT; fue dependiente de la composición y concentración de los componentes químicos del LX. Lo que sugiere que el LX tiene un doble potencial: uno como una mezcla de minerales que en función de su concentración y del estadio fisiológico de las variedades de P. vulgaris les causó desde la inhibición de la germinación de la semilla, lo que cambio al diluir el LX y tratar P. vulgaris a floración tuvo un efecto positivo, similar al reportado cuando se emplea un fertilizante inorgánico en balance (Utria et al. 2008).
Mientras el análisis microbiológico de este especifico LX demostró que no había ningún MPH, lo que indica una actividad biocida de la concentración de sus metales pesados y de su elevada alcalinidad, como se ha sido reportado (Keswisck 1984, Lipták 1991, Tchobanoglous et al. 1993). En contraste con la concentración de BMAT de 292.5 UFC/mL que independientemente de que fue difícil establecer si eran o no parte original del LX desde el RESA; o que contaminaron el LX durante su colecta y análisis. Sin embargo este hecho mostro que en el LX, a pesar de la concentración de los elementos tóxicos y el pH alcalino extremo, es posible la supervivencia de las BMAT, lo que indica que existe el riesgo de que por medio del LX, estos agentes biológicos sean dispersados a la par con los MPH, cuando contaminan el agua o suelo (Flores-Tena et al. 2007, Ávila 2014). Por lo cual es indispensable investigar la importancia del LX, como un factor de selección de microorganismos de importancia sanitaria, con características fisiológicas y posiblemente genéticas tanto como los MPH, no necesariamente expuestos a esta clase de presión fisicoquímicas selectiva en el RESA y en el LX, lo que representa un serio peligro para la salud humana, si un LX contamina aguas superficiales o subterráneas asociadas con el consumo humano y riego agrícola.
Con base a lo anterior se concluye que un bioensayo es una herramienta complementaria al ICL dándole certeza, pues el bioensayo con plantas es un método biológico de mayor sensibilidad a la detección de agentes químicos del LX, que el uso exclusivo del análisis cualitativos y cuantitativos de sus componentes. En tanto que es indispensable analizar la diversidad y capacidad de supervivencia de las MPH y BMAT en LX, con base en su composición química, lo que permitiría predecir el riesgo de que el LX, no solo cause problema de contaminación ambiental química si no también microbiológica.
Conflictos de intereses
Esta investigación no tiene conflictos de interés en relación con quien la realice y la apoyó.
]]> Agradecimientos
Agradecimientos a los proyectos 2.7 y 5.15 (2015) de la CIC-UMSNH al CECTI-Michoacán, México por la beca tesis a la primera autora, a BIONUTRA, S.A. de C.V, Maravatio, Mich, México.
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