Bioestimulación de suelo impactado con 45000 ppm de aceite residual automotriz y Fitorremediación con Zea mays y Burkholderia cepacia y/o Rhizobium etli
Biostimulation of soil impacted by 45000 ppm waste motor oil and Phytoremediation with Zea mays by Burkholderia cepacia and Rhizobium elti
Saucedo-Martínez Blanca Celeste1, Montaño-Arias Noé Manuel2, Márquez-Benavides Liliana3, Sánchez-Yáñez Juan Manuel1*
1Microbiología Ambiental. 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.
2Area Botánica. Departamento de Biología. División de Ciencias Biológicas y de la Salud. Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa 09340, Ciudad de México. 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
El suelo contaminado con 45000 ppm de aceite residual automotriz (ARA), es una relativa alta concentración de una mezcla de HC alifáticos y aromáticos que inhiben la mineralización de la materia orgánica y disminuyen la fertilidad. Esta concentración es alta acorde con la regulación mexicana: NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 (NOM-138) porque supera los 4400 ppm/Kg de suelo, que es límite máximo permitido en ese ambiente. Los objetivos de este trabajo fueron i) Bioestimulación (BS) de suelo contaminado con 45000 ppm de ARA con lombricomposta y composta bovina al 3 %; ii) Fitorremediación (FR) con Zea mays potenciada con Burkholderia cepacia y Rhizobium etli y reducción de la concentración de ARA, a valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138. El suelo con 45000 ppm de ARA la BS con lombricomposta y composta bovina al 3 %; con la variable-respuesta concentración inicial y final del ARA de la BS. Luego la FR mediante Z. mays potenciado con B. cepacia y R. etli géneros de bacterias promotoras de crecimiento vegetal (BPCV), se usaron la fenología: altura de la planta y longitud de la raíz, y la biomasa: peso fresco aéreo y peso seco aéreo y radical. Los datos experimentales se analizaron por ANOVA y Tukey. Los resultados mostraron que la BS de suelo con 45000 ppm de ARA, lo disminuyo a 21000 ppm; por la FR mediante Z. mays inoculado con B. cepacia/R. etli lo redujeron a 1822.5 ppm; valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138. Se concluye que la BS suelo contaminado por una relativa elevada concentración de ARA y ulterior FR por Z. mays y los géneros de BPCV son una alternativa ecológica de remediación, mejor que la aplicación individual de cada una.
Palabras clave: Suelo, abonos, Zea mays, bacterias promotoras crecimiento vegetal.
Abstract
Soil contaminated with 45000 ppm of waste motor oil (WMO) is a relatively high concentration of a mixture of aliphatic and aromatic hydrocarbons (HC), inhibits mineralization of organic matter and its fertility. This WMO´ concentration is high according to mexican regulation: NOM-138-SEMARNAT/ SSA1-2012 (NOM-138) related to when it exceeds 4400 ppm/Kg of soil. The aims of the study were: i) BS of contaminated soil by 45000 ppm of WMO with vermicompost and bovine compost 3%, and ii) PR using Zea mays inoculated with B. cepacia and R. etli at value below the maximum allowable by NOM-138. The main response variable of the trial was initial and final concentration of WMO after BS. In PR by Z. mays and PGPB to reduce remaining WMO, were phenological response variables as: plant height and root length and biomass: aerial and root fresh and dry weight. Experimental data were analyzed by ANOVA and Tukey. Results showed that the BS of soil by 45000 ppm of WMO was reduced to 21000 ppm; subsequent FR sowing Z. mays inoculated by B. cepacia decreased to 1822.5 ppm, value below the maximum allowable by NOM-138. BS of contaminated soil by relatively high concentration of WMO and later FR sowing Z. mays and PGPR. Both are an alternative in its remediation that to apply each one alone.
Key words: Soil, manure, Zea mays, plant growth promoting bacteria.
]]> Introducción
La contaminación del suelo por hidrocarburos (HC) provenientes del petróleo, como el aceite residual automotriz (ARA) una mezcla de moléculas insolubles de HC alifáticos, aromáticos, y algunos policíclicos. El ARA es considerado un residuo peligroso según las regulaciones mexicanas como la; Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección Ambiental (LGEEPA), siendo un problema de contaminación en el mundo y México. El ARA por la inadecuada disposición final causa un impacto ambiental negativo, cuando es vertido en ese ambiente (Izinyon & Seghosime 2013). En el suelo el ARA por su propiedad química de insolubilidad, forma en la superficie una película impermeable que impide el intercambio gaseoso e inhibe los ciclos biogeoquímicos que sustentan la vida y la producción agrícola (Pardo et al. 2004). Una opción ecológica de solución al problema es la bioestimulación (BS) de suelo contaminado con hidrocarburos (HC) del petróleo con minerales esenciales que lo enriquecen e induce a la microbiota autóctona a su mineralización (Maldonado-Chávez et al. 2010), y la posterior fitorremediación (FR) de ese suelo para reducir el ARA remanente, a un nivel menor a la concentración máxima aceptada por norma oficial mexicana NOM-138-SEMAR NAT/SSA1-2012 (NOM-138); mediante la inoculación de Zea mays con Burkholderia cepacia y Rhizobium etli ambos géneros de bacterias promotoras de crecimiento vegetal- (BPCV); capaces de convertir los exudados radicales en sustancias promotoras de crecimiento vegetal (SPCV), y que además oxidan algunos HC alifáticos y/o aromáticos del ARA (González-Paredes et al. 2013).
En suelo la NOM-138 establece los límites máximos permisibles de las diversas fracciones de HC para señalar si existe o no contaminación, así de la ligera es de 200 ppm, de la mediana de 1200 ppm y de la pesada 3000 ppm en total 4400 ppm. Investigaciones en suelo contaminado por derivados del petróleo análogos al ARA, reportan que la BS y FR aplicadas independiente han sido insuficientes en la concentración a valor inferior al máximo permisible según la NOM-138 e incluso cuando la FR se basa en un planta tolerante a la acción fitotóxicas de los HC del ARA a los encontrados en el ARA (Larenas-Parada & De Viana 2005), A pesar de que la FR puede ser mejorada con BPCV de la rizosfera por su capacidad de oxidar HC (Maldonado-Chávez et al. 2010). Mientras que existen pocos o ningún reporte sobre la BS de un suelo contaminado con 45000 ppm una concentración relativamente alta de ARA que en combinación con la FR ya sido potenciada con BPCV, y que lo hayan reducido a un valor por debajo del máximo establecido por la NOM-138.
En general la literatura relacionada con la remediación de suelo contaminado con mezclas de HC similares al ARA. Normalmente no hacen mención a ninguna norma ambiental local, nacional o internacional utilizada como referencia, que demuestre que el problema se solucionó: tal como lo reportan Larenas-Parada & De Viana (2005), que aplicaron la FR en un suelo impactado con 55000 ppm de HC de petróleo con Tithonia tubaeformi. Los resultados re-velaron que T. tubeformi los decreció a 26950 ppm, valor insuficiente para su remediación de acuerdo con la máxima concentración aceptada por la NOM-138M. Mientras que Sangrabriel et al. (2006) fitorremediaron un suelo con 50000 ppm de combustóleo, con tres gramíneas: Brachiaria híbrido, Brachiaria brizantha y Panicum maximum y tres leguminosas: Clitoria ternatea, Phaseolus coccineus, Cicer arietinum. Los resultados indicaron que después de 90 días la FR con el B. híbrido lo disminuyo a 16935 ppm, en tanto que P. máximum a 15195 ppm, mientras que P. coccineus hasta 19455 ppm. En este suelo todos estos valores de concentración del combustóleo remanente, fueron superiores al límite máximo permitido por la NOM-138. En contraste con la información sobre suelo impactado con mezclas de HC y que lograron decrecerlo a una concentración inferior a la máxima aceptada por la NOM-138; como el reporte de Ferrera-Cerrato et al. (2007) que evaluaron la FR de suelo contaminado con 50000 ppm de combustóleo, mediante P. coccineus y fertilización inorgánica. Los resultados mostraron que la FR con P. coccineus lo disminuyó a 3467 ppm del combustóleo, cantidad menor a la máxima permisible indicada por la NOM-138. Con base a lo anterior y por la escasa información sobre la BS de suelo con una concentración relativamente alta de ARA y en especial de la FR con una gramínea inoculada con géneros de BPCV. Los objetivos de este trabajo fueron: i) la bioestimulación de un suelo contaminado con 45000 ppm de ARA con lombricomposta y composta bovina al 3 %, y ii) fitorremediación mediante Zea mays inoculado con Burkholderia cepacia y Rhizobium etli para reducir el ARA a concentración menor a la máxima permisible según la NOM-138.
Materiales y métodos
El experimento se realizó en invernadero donde las condiciones microclimáticos promedio fueron: temperatura de 23.2 °C, luminosidad de 450 µmol∙m-2∙s-1 y humedad relativa de 67 %. En este ensayo se usó suelo ubicado a los 19° 39’ 27” de latitud norte 100° 19’ 59” de longitud oeste, con una altitud de 1820 msnm, clima templado en un terreno agrícola denominado “La cajita” de la Tenencia Zapata del municipio de Morelia, Mich, México sobre el km 5 de la carretera Morelia-Pátzcuaro, México.
El suelo se clasificó como laterítico de textura franco arenosa, pobre en materia orgánica con 1.5 %, N orgánico de 39 Kg·ha-1 y de pH 6.7 ligeramente ácido. Para evitar el problema de plagas y enfermedades el suelo se solarizó a 70 °C/48 h, posteriormente se tamizó con una malla del No. 20 y contaminó con 45000 ppm de ARA proveniente de un taller mecánico automotriz de Morelia, Mich, México. El ARA se solubilizo con un detergente comercial al 0.1% (p/v). Entonces un 1 kg suelo de ese se colocó en la parte superior de la jarra de Leonard (Figura 1) y en la inferior una solución mineral (SM) (García-González et al. 2005).
En la primera fase se realizó la BS del suelo con 45000 ppm de ARA por la LC y la CB al 3 % /7 semanas, ahí en el suelo la humedad se ajustó al 80 % de la capacidad de campo. La principal variable respuesta del experimento fue la concentración de ARA por Soxhlet al inicio y final de la BS y la FR. En el suelo con 45000 ppm de ARA bioestimulado con la LC y la CB, donde hubo la mayor reducción de esta mezcla de HC, se fitorremedió por Z. mays con la combinación R. etli y B. cepacia o individualmente para decrecer el ARA a un nivel inferior al máximo permisible aceptado por la NOM-1381. Durante la FR del suelo con Z. mays, está alimentada con una solución mineral (SM): (g/L): NH4Cl 12.0, KH2PO4 3.0, K2HPO4 3.5, MgSO4 1.5, CaCl2 0.1, FeSO4 0.5mL y una solución de oligoelementos, 1.5 mL/L, el pH se ajustó a 6.4-6.7 (Leal-Castillo 2003). Mientras que variables respuestas de la FR del suelo con ARA, mediante Z. mays fueron: el porcentaje de germinación a los 11 días; la fenología a nivel de plántula, floración y madurez fisiológica. En ese caso midió la altura de la planta (AP); la longitud de la raíz. (LR) y biomasa aérea y radical: peso fresco (PF) total y peso seco (PS) total del Z. mays (Amador & Boshchini 2000). La FR del suelo en cada estadio fisiológico de Z. mays, se comparó con el crecimiento de la misma gramínea en suelo sin ARA irrigado solo con agua (CA); así como con Z. mays cultivado en suelo sin ARA, alimentado con la SM, sin las BPCV o control relativo (CR). Los datos experimentales fueron sometidos un análisis de varianza (ANOVA) por la prueba comparativa de medias de Tukey HSD P<0.05 % (Walpole & Myers 2007).
Resultados
Bioestimulación de suelo contaminado con 45000 ppm de aceite residual automotriz con lombricomposta, composta bovina y combinación de ambas. En la Tabla 2 muestran la BS del suelo con 45000 ppm de ARA con la LC y la CB ahí la combinación de ambos, lo redujo a 21000 ppm en 7 semanas. En el mismo suelo con ARA bioestimulado con la CB, lo decreció a 31000 ppm. En ese suelo bioestimulado solo con la LC, se disminuyó a 33700 ppm. Estos valores fueron estadísticamente diferentes comparados con el mismo suelo con los 45000 pm de ARA sin BS (CN), en donde la atenuación natural no cambio la concentración del ARA.
]]> Fitorremediación de un suelo contaminado con 21000 ppm de ARA remanente de la bioestimulación o biorremediación. En la Tabla 3 se muestran la BS de suelo con 45000 ppm de ARA con la mezcla de la LC y la CB por 2 meses, seguida de la FR mediante Z. mays potenciado con las BPCV a madurez fisiológica, con una AP de 128.5 cm en el suelo sin ARA (CR), valor superior a lo registrado en Z. mays de 85.3 cm en el suelo con ARA, bioestimulado con la combinación de LC/CB y fitorremediado mediante Z. mays con R. etli Mientras Z. mays registro 81.7 cm de AP en suelo con ARA bioestimulado con la CB, después con la LC, y fitorremedió mediante Z. mays con B. cepacia y R. etli. Mientras que Z. mays tuvo una LR de 61.3 cm, en suelo con 21000 de ARA, bioestimulado con la LC y la CB, luego fitorremediado por Z. mays con B. cepacia, este valor numérico fue estadísticamente diferente a los 27.3 cm de LR del Z. mays cultivado en suelo sin ARA o (CR) con un PFA de 91.65 g, ambos valores fueron estadísticamente diferentes, a los 27.41 g de PFA de Z. mays con B. cepacia y R. etli. Mientras Z. mays tuvo 19.6 g de PFA en suelo con ARA bioestimulado simultáneamente con ambos abonos (CB y LC), luego fitorremediado por Z. mays con R. etli registró (Tabla 3).
En tanto que Z. mays tuvo 17.95 g de PFR, en suelo con ARA bioestimulado con la mezcla de abonos y fitorremediado mediante Z. mays con B. cepacia y R. etli, este valor con diferencia estadística comparado con Z. mays registro 14.95 g del PFR inoculado con R. etli para fitorremediar el suelo previamente bioestimulado con ambos abonos. Mientras que Z. mays registró un PSA de 15.47 g cultivado en suelo sin ARA (CR), un valor con diferencia estadísticamente a Z. mays con 4.52 g de PSA inoculado con R. etli y B. cepacia. En comparación en Z. mays tuvo 2.05 g de PSA inoculado con B. cepacia, valor estadísticamente diferente a Z. mays que alcanzó 2.45 g de PSA con R etli, estos valores tuvieron diferencia estadística; en comparación con Z. mays que registro 2.31 g de PSR inoculado con B. cepacia y R. etli, este valor fue estadísticamente diferente a Z. mays con 12.65 g de PSR cultivado en suelo sin ARA, irrigado solo con agua (CA).
Fitorremediación de un suelo contaminado con 21000 ppm de ARA remanente con Zea mays inoculado con Burkholderia cepacia y Rhizobium etli por 4 meses. La BS de suelo contaminado con 45000 ppm de ARA con LC y CB, redujo la concentración a 21000 ppm: luego se fitorremedió mediante Z. mays inoculado con B. cepacia (Tabla 4) donde se registró la máxima eliminación del ARA de hasta 1822.5 ppm, valor de concentración inferior a la máxima permitida por la NOM-138, y cuyo valor estadístico fue diferente a la detectada en el mismo suelo contaminada con ARA bioestimulado con LC/CB y fitorremediado mediante Z. mays inoculado con B. cepacia y R. etli que lo disminuyó hasta 10350 ppm, seguida de la concentración registrada en el suelo fitorremediado con Z. mays y R. etli que lo redujo hasta 13500 ppm, ambos valores fueron estadísticamente diferentes en comparación al mismo suelo usado como CN, donde prácticamente la concentración del ARA, no cambio con un valor de 44900 ppm, puesto que no hubo ningún efecto de la atenuación natural, derivado del exceso de HC del ARA (Corona-Ramírez & Iturbide-Argüelles 2005).
Discusión
Los resultados de la Tabla 1 señalan la composición química de la CB y LC (SAGARPA 2007) con la que se enriqueció el suelo contaminado con ARA, mediante sales de N (nitrógeno) y P (fósforo), que estimularon a la microbiota nativa a la oxidación del ARA (Maldonado-Chávez et al. 2010). La Tabla 2 muestra que en el suelo el ARA remanente derivado de la BS con LC y CB fue fitotóxico en los primeros estadios del crecimiento en Z. mays (Sangabriel et al. 2006), aunque la combinación de ambos abonos fueron suficientes para suplir su demanda nutricional a madurez fisiológica, mejorada por la actividad promotora de crecimiento de B. cepacia al convertir los exudados radicales de Z. mays en SPCV (García-González et al. 2005). En la Tabla 3 se muestra que la biomasa de Z. mays inoculado con ambos géneros de BPCV, fue negativamente afectada por las propiedades fitotóxicas del ARA, como la hidrofobicidad y viscosidad con la que se generó una película que se adhirió a las raíces de Z. mays, e impidió el intercambio gaseoso, lo que a su vez provocó la lisis de las membranas de esas raíces, con la consecuente inhibición de su crecimiento (Gogosz et al. 2010). En la Tabla 4 se presenta la BS de suelo contaminado con 45000 ppm de ARA vía BS con LC y CB que lo enriquecieron con sales de N y P, para inducir a la población microbiana autóctona a oxidar los HC del ARA hasta 21000 ppm. Mientras que la FR mediante Z. mays inoculado con B. cepacia y R. etli mejoraron la condición nutricional en las raíces; aceleraron la remediación del suelo, al conseguir 1882.5 ppm un valor inferior al máximo permisible por la NOM-138 (Delgadillo-López et al. 2011). Por ello con base en lo anterior la FR de suelo tendría que intentarse con un planta parcialmente tolerante a la fitotoxicidad del ARA, ya que durante el proceso de eliminación de los HC, se provocan cambios en la condición física, química y biológica de la rizósfera que favorece la actividad oxidante de HC de B.cepacia y R. etli acelerando la eliminación del ARA (Davis et al. 2002, Pilon-Smits 2005, González-Paredes et al. 2013).
Los resultados de esta investigación apoyan que la integración de la bioestimulación del suelo impactado con una relativa alta concentración de 45000 ppm de ARA; por lombricomposta y composta bovina lo decrecieron a 21000 ppm, para que la posterior fitorremediación mediante Z. mays y B. cepacia disminuyeron a 1822.5 ppm, un valor inferior al máximo total permisible por la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012, por lo tanto de acuerdo con esta regulación mexicana, el suelo fue legalmente remediado.
]]>Conflictos de intereses
Los autores declaran que no existe ningún tipo de conflicto de interés relacionado con la planificación, realización y redacción de esta investigación entre las instituciones involucradas.
Agradecimientos
A la Coordinación de Investigación Científica-UMSNH proyecto 2.7 (2016), a BIONUTRA, S.A de CV, Maravatío, Mich, México por el apoyo económico, y al CONACYT por beca para la primera autora.
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