Biorecuperación y fitorremediación de suelo impactado por aceite residual automotriz
Biorestauration and phytoremediation of soil impacted by waste residual oil
Alonso-Bravo Jennifer Nayeli1, Montaño-Arias Noé Manuel2, Santoyo-Pizano Gustavo1, Márquez-Benavides Liliana3, Saucedo-Martinez Blanca Celeste1, Sánchez-Yáñez Juan Manuel1*
1Microbiología Ambiental. Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas, Medio Ambiente y Manejo de Residuos.
2Departamento de Biología (Área de Botánica). División de Ciencias Biologicas y de la Salud, Universidad Autonoma Metropolitana-Ixtapalapa. Ciudad de México. ]]>
*Dirección de contacto: Microbiología Ambiental, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Ciudad Universitaria, Col FJ Mujica S/N, Felicitas del Rio, 58000, Morelia,
Juan Manuel Sánchez-Yáñez. E-mail address : syanez@umich.mx
Historial del artículo.
Recibido agosto, 2017.
Devuelto noviembre 2017
Aceptado diciembre, 2017.
Disponible en línea, febrero, 2018.
En suelo el derrame de 75000 ppm de aceite residual automotriz (ARA) una mezcla de hidrocarburos alifáticos, aromáticos y poli cíclicos, derivado de automóviles, es una concentración relativamente alta acorde con la regulación ambiental en México, relacionada con este tipo de contaminación, denominada NOM-138 SEMARNAT/SS-2003 (NOM-138), la que establece en suelo el límite máximo permitido de 4400 ppm, cualquier concentración superior, causa además pérdida de fertilidad. Los objetivos de esta investigación fueron: a) bioestimulación (BIS) de suelo impactado por 75000 ppm de ARA con solución mineral (SOMI) y Vicia sativa o abono verde (AVE) y b) Fitorremediación (FITO) mediante Sorghum bicolor potenciado con Burkholderia vietnamiensis y Penicillium chrysogenum para decrecer el ARA a valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138.
Los resultados señalaron que la BIS con SOMI y V. sativa redujeron el ARA de 75000 a 36700 ppm, mientras que la FITO mediante S. bicolor con B. vietnamiensis y P. chrysogenum lo disminuyeron de 36700 a 790 ppm, valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138. Lo anterior indica que en suelo la BIS con SOMI y V. sativa o AVE, lo enriquecieron con minerales N (nitrógeno) P (fosforo), principales limitantes nutricionales de la microbiota heterotrófica aerobia nativa, para mineralizar parcialmente el ARA, y concluir con la FITO mediante S. bicolor tratado con B. vietnamiensis/P. chrysogenum para su biorecuperación y decrecerlo a valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138.
Palabras clave: Suelo, ARA, solución mineral, Vicia sativa, S. vulgare, B. vietnamiensis, P. chrysogenum, NOM-138.
Abstract
In soil spill by 75000 ppm of waste motor oil (WMO) a mix of hydrocarbons (HICO) aliphatic, aromatic is relatively high according to Mexican regulation NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 (NOM-138) which indicate that in soil the maximum limit accepted is 4400 ppm of HICO. WMO is an environmental problem because it´s causes lost soil´s fertility. The objectives of this research were a) biostimulation (BIS) of soil by 75000 ppm of WMO by mineral solution (MISO) and Vicia sativa as green manure (GEMA), b) phytoremediation (PHYTO) with Sorghum bicolor potencies by B. cepacia and P. chrysogenum for reducing WMO at concentration level value below the maximum accepted by the NOM-138. The results showed that BIS with MISO and V. sativa as GEMA reduced WMO from 75000 to 36700 ppm. Then PYTHO by S. bicolor potencies with B. vietnamiensis and P. chrysogenum decreased WMO from 36700 ppm to 790 ppm concentration value below to maximum accepted by NOM-138.
Those results indicated that enrichment by MISO and GEMA induced WHO partial mineralization by heterotrophic aerobic native microorganisms, then PYTHO by S. bicolor and B. cepacia/P. chrysogenum completed its biorestauration by decreasing WMO level at below the highest accepted the Mexican environmental regulation NOM-138.
Key words: Soil, WMO, mineral solution, V. sativa, S. vulgare, B. vietnamiensis, P. chrysogenum, NOM-138.
]]> Introducción
El suelo contaminado por productos derivados del petróleo, como el aceite residual automotriz (ARA) es un problema mundial al igual que en México. El ARA es una mezcla de moléculas insolubles de hidrocarburos (HICO) alifáticos, aromáticos y policíclicos generado por el ciclo de lubricación de automotores (Dua et al. 2002), el ARA según ley ambiental, conocida como Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección Ambiental (LGEEPA 2014), se clasifica como un residuo peligroso, mientras que la regulación mexicana denominada NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2012 (NOM-138), en suelo establece que la máxima concentración permitida es de 4400 ppm. En consecuencia 75000 ppm de ARA, es una relativamente alta, que normalmente se elimina por aplicación de métodos químicos con agentes oxidantes fuertes con la desventaja de que dejan residuos tóxicos. En el suelo, una alternativa de solución para este problema es la biorremediación por bioestimulación (BIS) secuencial, complementaria y acumulativa a base de compuestos inorgánicos de N (nitrógeno) y P (fósforo) limitantes nutricionales de la actividad de la microbiota heterotrófica aeróbica que permite la mineralización del ARA, en tanto que posteriormente la incorporación de Vicia sativa como abono verde con compuestos orgánicos de C ( carbono) N y P de fácil degradación que restauran la relación C:N para equilibrar el exceso de ARA y el P aceleran la oxidación de esta mezcla de HICO (Domínguez-Rosado et al. 2004), se concluye con la fitorremediación (FITO) con Sorghum vulgare tolerante a este tipo de HICO (Smith et al. 1998, Graham et al. 1999) potenciado con Burkholderia vietnamiensis y Penicillium chrysogenum, microorganismos promotores de crecimiento vegetal (MIPROCEVE), que además tienen capacidad de oxidar algunos de los HICO aromáticos del ARA, normalmente se aplica solo la BIS o la FITO, pero no necesariamente ambas, especial si los vegetales sembrados se inoculan con MIPROCEVE. Con la base en lo anterior los objetivos de esta investigación fueron: i) BIS de suelo impactado por 75000 ppm de ARA con solución mineral y Vicia sativa o abono verde, ii) FITO mediante S. bicolor potenciado con B. vietnamiensis y P. chrysogenum para decrecer el ARA a valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138.
Materiales y métodos
Este experimento se realizó en un suelo franco-arenoso, pobre en materia orgánica, de tipo lateritico que se tamizo, solarizó (para reducir plagas y enfermedades vegetales) y contaminó con 75000 ppm de ARA, proveniente de un taller automotriz. El suelo se colocó en el sistema hidropónico de jarras de Leonard. El ensayo se estableció bajo un diseño experimental completamente al azar con 6 tratamientos y 6 repeticiones, que se dividió en dos fases, en la primera, el suelo impactado por 75000 ppm de ARA, se bioestimuló mediante SOMI: con la siguiente composición (g/L): 10 de NH4NO3, 2.5 de K2HPO4, 2.0 de KH2PO4, 1.0 de MgSO4, 0.1 de NaCl, 0.1 de CaCl2, trazas de FeSO4, ajustado a pH de 6.5, además de 10.0 mL de solución de oligoelementos con la composición (g/L): 2.86 de H3BO3, 0.22 de ZnSO47H2O, 1.81 de MnCl27H2O, 0.09 de K2MnO4, el pH se ajustó a 6.8 (Sánchez-Yáñez, 2007) y que también se usó para alimentar al suelo sin contaminar o control relativo, en todos los casos la humedad del suelo se mantuvo al 80% de capacidad de campo por 14 semanas con agua potable.
En la segunda etapa de la BIS del suelo, se sembraron 10 semillas de V. sativa en 30 macetas con suelo sin ARA, cuando esta leguminosa llegó a plántula, se barbechó e incorporó en las jarras de Leonard por 30 días y se determinó la concentración de ARA por Soxhlet (NMX-F-089-S-1978). En la segunda fase se realizó la FITO para eliminar el ARA remanente de la BIS, en las jarras de Leonard (Figura 1), donde se sembraron semillas de S. bicolor inoculadas con 600 x106 UFC de B. vietnamiensis/1.0 mL de NaCl 0.85%, (la cepa de B. vietnamiensis se aisló de Zea mays var mexicana ó teocintle), se utilizó detergente al 0.01% (La Corona MR) por cada 20 semillas, luego cuando S. bicolor alcanzó el nivel de plántula se inoculó en la raíz con 3.0 mL de una suspensión de P. chrysogenum (hongo endófito aislado de Z. mays var mexicana) a una concentración de 1x106 UFC de propagulos/planta. El S. bicolor se alimentó con la SOMI, que al llegar a etapa de floración se cuantificó la concentración del ARA por Soxhlet (Aurand et al. 1987, García-González et al. 2005).
Análisis estadístico de los resultados. Los datos experimentales fueron analizados por Tukey al 0.05% (Hernández-Valencia & Mager 2003, Ferrera-Cerrato et al. 2007).
Resultados
]]> En la Tabla 1, se muestra en suelo la concentración de 75000 ppm de ARA, así como la concentración N total después de la BIS con la SOMI/14 semanas, posteriormente la siguiente BIS fue la incorporación de V. sativa como AVE/4 semanas, en consecuencia, el ARA se redujo de 75000 a 36700 ppm, mientras que se detectó una concentración de 0.74% de N total, valor numérico estadísticamente diferente al 0.62% en suelo usado como CR sin contaminar por ARA.La Tabla 2, muestra la BIS secuencial, complementaria y acumulativa del suelo contaminado por 75000 ppm de ARA: primero con la SOMI, luego con V. sativa o AVE, para continuar con la FITO mediante S. bicolor potenciado con B. vietnamiensis y P. chrysogenum a nivel de floración, ahí el ARA decreció de 36700 ppm hasta 790 ppm, comparado con el suelo empleado como control negativo (CN), donde la atenuación natural no cambió la concentración del ARA durante las 32 semanas de duración del ensayo.
Discusión
En la Tabla 1, se muestra la BIS secuencial, complementaria y acumulativa del suelo contaminado por 75000 ppm de ARA, se sugiere que la SOMI lo enriqueció con sales de N para reequilibrar la relación de C:N, drásticamente modificada por el exceso de HICO del ARA, mientras que con el P, se complementó el suficiente para inducir a la microbiota nativa heterotrófica aerobia a oxidar parte la fracción alifática y la aromática del ARA, dado que la disminución del ARA es limitada por ausencia y disponibilidad de estos macroelementos, así como de los principales microelementos que son parte de la composición química de la SOMI (Graham et al. 1999, Gómez et al. 2009). La BIS del suelo mediante V. sativa incorporada como AVE, lo enriqueció indica que los compuestos orgánicos de C como glucosa y de N como proteínas de fácil degradación favorecieron a la microbiota heterotrófica aerobia nativa a coometabolizar algunos de los HICO aromáticos del ARA, lo que redujo la concentración total hasta 37700 ppm, a un valor numérico estadísticamente distinto al del suelo usado como CN impactado por 75000 ppm de ARA con apenas a 72000 ppm, estos valores numéricos sin diferencia estadística, lo que indica que por el exceso de HICO, la atenuación natural no tuvo ningún efecto (Vallejo et al. 2005). Además de que en la Tabla 1 se registró que en el suelo bioestimulado impactado por las 75000 ppm de ARA, la concentración del N total disponible fue 0.74%, nivel que hizo posible la relativa reducción del ARA a 36700 ppm. El valor numérico del N total de 0.74% tuvo diferencia estadística comparado con los 0.62% en el suelo contaminado por el ARA, usado como CN, pero sin BIS, lo que explica porque, por un lado el exceso de C derivado del elevado nivel del ARA provoco un drástico desequilibrio en la relación C:N, en tanto que los 0.62% del N total disponible, fue evidentemente insuficiente para que la atenuación natural pudiese disminuir esa alta cantidad de ARA (Gómez et al. 2009, Pérez-Armendáriz et al. 2011).
En la Tabla 2, fue evidente que en el suelo bioestimulado mediante la SOMI y el V. sativa o AVE, lo enriquecieron con los compuestos de N, para reestablecer el balance de la relación C/N, con lo que se favoreció la fitodegradación del ARA mediante S. bicolor a través del sistema radical (Asquith et al. 2012, Bahadure et al. 2013), mientras que su capacidad genética, se potenció con la inoculación con B. vietnamiensis y P. chrysogenum, para acelerar y mejorar la mineralización del ARA (Cunninghan et al. 1996). En tanto que se sugiere que las raíces de S. bicolor aumentaron su resistencia natural a la fitotoxicidad del ARA, en parte porque B. vietnamiensis como P. chrysogenum son MIPROCEVE, reportados en la literatura con capacidad de convertir los exudados radicales de S. bicolor, en sustancias promotoras de crecimiento vegetal que facilitan la absorción de minerales de N y P en condición de stress como la provocada por la contaminación por el ARA (Cunningham et al. 1996, Ferrera-Cerrato et al. 2007, Asiabadi et al. 2014) y responder positivamente al estrés a ciertos aromáticos fitotóxicos del ARA (Vallejo et al. 2005), puesto que ambos géneros están reportados como degradadores HICO aromáticos similares a los existentes en el ARA (Smith et al.1998). Lo anterior sugiere que el suelo impactado por el ARA remanente derivado de la BIS secuencial, complementaria y acumulativa, que hizo posible la FITO mediante S. bicolor que posee un sistema radical con penetración suficiente para mejorar eliminación de HICO (Ogedegbe et al. 2013, Osaigbovo et al. 2014), al facilitar la aireación, y la actividad oxidante de B. vietnamiensis y P. chrysogenum de la mezcla de HICO (Hernández-Valencia & Mager 2003, Pérez-Armendáriz et al. 2011, Efe & Okpali 2012), lo anterior en el suelo hizo posible decrecer el ARA a un valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138 de 790 ppm, para su reutilización con fines agrícolas, ya que este nivel de concentración es equivalente a lo detectado naturalmente en el suelo, con base en lo cual se biorestauro (Pérez-Armendáriz et al. 2011), sin riesgo de causar un daño ambiental secundario en comparación con los métodos físico-químicos que dejan residuos tóxicos y tienen un costo económico relativamente elevado.
Conflictos de intereses
Los participantes de esta investigación declaran que no existe conflicto de intereses relacionados con la planeación, ejecución, interpretación, así como aquellos que apoyaron y/o lo financiaron.
]]>Agradecimientos
Por el a apoyo a proyecto 2.7 (2018), Coordinación de la Investigación Científica-UMSNH, Morelia, Mich, México y BIONUTRA, CV de SA, Maravatio, Mich, México.
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