Artículo Original

Recuperación de un suelo contaminado por una mezcla de hidrocarburos

Recovering of soil polluted by hydrocarbons mixing

Rico-Cerda José Luis , Ignacio-De la Cruz Juan Luis , Mondragón-Reynel Perla Guadalupe, Sánchez-Yáñez Juan Manuel*

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. ]]> Instituto de Investigaciones Químico Biológicas.
Laboratorio de Microbiología Ambiental.
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

*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 4433 22 3500 ext. 4240

Juan Manuel Sánchez-Yáñez
E-mail address: syanez@umich.mx

ID del artículo: 140/JSARS/2020

Historial del artículo.
Recibido febrero 2020.
Devuelto mayo 2020.
Aceptado junio 2020.
Disponible en línea, agosto 2020.

Resumen

Palabras clave: Suelo, ARA, bioestimulación, NOM-138, S. vulgare, hongos.

Abstract

In Mexico, a soil poor in nitrogen (N) polluted by 100000 ppm of waste motor oil (WMO) is an environmental problem also because is drastically affecting soil´s proprieties related with mineralization of organic matter and lost its fertility since exceeding the maximum accepted limit of 4400 ppm of the Mexican environmental rule called NOM-138-SEMARNAT-2012 (NOM-138). An ecological alternative to solve it is to treat for eliminating WMO and to recover its fertility. Therefore, the aims of this research were: a) bioremediation of soil polluted by 100000 ppm of WMO b) phytoremediation by Sorghum vulgare with Aspergillus niger and Penicillium chrysogenum to decrease WMO´s concentration at lower value of 4400 ppm accepted by the NOM-138. In that sense the variable response to measure soil´s recovering was: a) WMO´s concentration with Soxhlet, after bioremediation and phytoremediation b) while at phytoremediation the phenology and biomass at seedling stage of S. vulgare with A. niger and P. chrysogenum. All experimental data were validated by ANOVA/Tukey HSD P<0.05%. Results showed that bioremediation and phytoremediation decreased WMO until 3400 ppm, numerical value lower than the maximum established by NOM-138, both processing were efficient to recover for cropping aim. In 120 days regarding as a short period of time.

Keywords: Soil, WMO, biostimulation, NOM-138, S. vulgare, Fungy

Introducción

En la actualidad, algunos derivados del petróleo como los aceites usados en la lubricación y refrigeración de automotores, generan productos que contaminan el ambiental como el aceite residual automotriz (ARA), una combinación de hidrocarburos alifáticos, aromáticos, policíclicos¹. En México el ARA, según la Ley General de Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente² un residuo tóxico ambiental. Mientras que para determinar el daño por el ARA en el suelo existe la norma mexicana³ conocida como NOM-138-SEMARNAT-2012 (NOM-138), la que establece el límite máximo de concentración permisible, en especial para un suelo agrícola de 4400 ppm, cantidad que impide la mineralización de la materia orgánica (MO), evita el intercambio de gases, que en consecuencia decrecen o anulan la producción agrícola⁴, dada la fitotoxicidad de aromáticos del ARA. La literatura reporta que un suelo impactado por ARA se reduce por métodos químicos, que son rápidos, de un alto valor económico, pero que causan un daño colateral al dejar residuos tóxicos para la vida animal y/o vegetal^5,6. Una alternativa de solución ecológica, es la biorremediación (BIO) la que al enriquecer el suelo con minerales básicos de N (nitrógeno), P (fosforo), K (potasio) reequilibran la relación carbono: nitrógeno (C:N) provocado por el exceso de carbono del ARA, para eliminarlo en un tiempo relativamente largo u corto⁷, esta velocidad es dependiente de la complejidad y concentración de los hidrocarburos que contiene, en especial cuando el suelo es pobre en N, por lo que es necesario enriquecerlo con un abono animal, como la lombricomposta (LC), que además del alto contenido en minerales esenciales, incorpora microorganismos que favorezcan la oxidación del ARA, por este tipo de BIO, es importante una adecuada demanda de O₂ (oxigeno) que asegure la constante eliminación del ARA, sin causar cambios drásticos de pH, pues la neutralidad acelera la oxidación del ARA⁸.

En un suelo contaminado por 100000 ppm de ARA, la BIO es insuficiente para disminuirlo a un valor menor de 4400 ppm, que permita la recuperación agrícola de acuerdo con la NOM-138³, en consecuencia, es indispensable la fitorremediación (FITO), con plantas cuyo sistema radical tolere la fitotoxicidad a los hidrocarburos y facilite la oxidación del ARA^9-12. Así como se reporta para otros productos derivados del petróleo, fundamentalmente porque estos vegetales pueden mejorar la capacidad de eliminación de esos hidrocarburos, principalmente cuando se inoculan con microorganismos que naturalmente hidrolizan a los aromáticos. En suelo impactado por una relativa elevada concentración de hidrocarburos^, para que, al oxidarlos, sea posible la recuperación de la fertilidad para la producción agrícola, de acuerdo con alguna regulación ambiental vigente³. En relación a mejorar la capacidad de una planta para mineralizar los hidrocarburos del suelo, se reporta que géneros y especies de hongos como Aspergillus niger y Penicillium chrysogenum que no solo estimulan el crecimiento del sistema radical vegetal^1,9,13, sino también metabolizan hidrocarburos similares a los detectados en el ARA y los consumen hasta disminuirlos a un valor que facilite la recuperación del suelo útil en la producción agricola^14-17. Con base en esta información los objetivos de esta investigación fueron: i) biorremediación de suelo contaminado por 100000 ppm de ARA, ii) fitorremediación con Sorghum vulgare inoculado con A. niger y P. chrysogenum para disminuir el ARA a un valor inferior al máximo de la NOM-138 como evidencia de su recuperación.

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). Bajo las siguientes condiciones micro climáticas: temperatura de 23.2 °C, luminosidad de 450 µmol m^-2 s^-1, humedad relativa de 67%. Se utilizó, un suelo agrícola colectado en una zona a los 19° 37’ 10” de latitud norte y 101° 16’ 41.00” de longitud oeste, con una altitud de 2013 msnm, con un clima templado de un lugar llamado “Uruapilla” del municipio de Morelia, Michoacán, México, en la carretera Morelia-Pátzcuaro, Michoacán. Mientras que el ARA se colecto de un taller de cambio de aceites de Morelia, Michoacán, México.

En la tabla 1, se detallan las propiedades fisicoquímicas del suelo agrícola sin contaminar por el ARA¹⁸, con un pH de 6.02 ligeramente ácido, con bajo contenido en MO 0.58 %, una pobre concentración de N total de 0.11%, una alta capacidad de intercambio iónico de 26.64 C×mol⁽⁺⁾ Kg^-1 o salino, con una composición de la textura: arcilla de 50 %, limo 7 % y arena 43 %, por lo que el suelo se clasificó como arcilloso, este suelo se tamizó con una malla del No. 20, solarizó por 48 h y redujo el problema de plagas y enfermedades, posteriormente se contamino con el ARA, y comenzó la BIO del suelo al disolver los 100000 ppm de ARA en el detergente comercial “La Corona” al 0.5 % (p/v). Entonces 1.0 kg de este suelo contaminado con el ARA, se colocó en la parte superior de la jarra de Leonard, en la inferior se depositó agua o solución mineral (SM), ambas partes se conectaron por una tira algodón, para el movimiento del líquido por capilaridad (figura 1).

Figura 1. Diagrama de jarra de Leonard¹³

El experimento se dividió en i) la BIO de suelo por 100000 ppm de ARA, acorde a tabla 2, ii) la FITO del suelo mediante S. vulgare con A. niger y/o P. chrysogenum, de acuerdo con la tabla 3. Con un diseño experimental de bloques al azar de seis tratamientos y seis repeticiones: el suelo sin ARA irrigado solo con agua o control absoluto (CA), suelo alimentado con una solución mineral referido como control relativo (CN), suelo con ARA sin bioestimulación ni FITO o control negativo (CN), y el suelo con ARA, bioestimulado y fitorremediado.

En la primer fase, el suelo con 100000 ppm de ARA se disolvió en el detergente comercial “La Corona” al 0.5 % y una LC al 3 % por 30 días, después se bioestimuló con una SM con la siguiente composición (g×L^-1): NH₄NO₃ 10.0, K₂HPO₄ 2.5, KH₂PO₄ 2.0, MgSO₄ 0.5, NaCl 0.1, CaCl₂ 0.1, FeSO₄  001 y 1.0 mL/L de una solución de microelementos (g×L^-1): H₃BO₃ 2.86, ZnSO₄ 7H₂O 0.22, MgCl₂.7H₂O 1.8, ajustado a pH 6.8¹⁹, se bioestimuló con la SM, y simultáneamente con el H₂O₂ al 0.05 % por 72 h por un mes, en tanto que para facilitar el intercambio de gases la humedad se ajustó al 80 % de la capacidad de campo del suelo agrícola. La variable-respuesta de la recuperación del suelo fue el ARA detectado por Soxhlet al inicio y final de la BIO y de la FITO¹⁵.

En la segunda fase, el suelo contaminado por 100000 ppm de ARA después de la bioestimulación se fitorremedió de acuerdo con la tabla 3 mediante la siembra de S. vulgare obtenido de la Secretaria de Agricultura Ganadería y Desarrollo Rural Pesca y Alimentación del gobierno de México. S. vulgare se trató con A. niger y/o P. chrysogenum, ambos hongos se aislaron de madera en descomposición por su capacidad de degradar lignina, e identificaron molecularmente como las especies señaladas²⁰, para inocularse en las semillas de S. vulgare. Se reprodujeron en agar hueso de aguacate con la siguiente composición (g×L^-1): hueso de aguacate 10, peptona caseína 5, extracto de levadura 1.3, K₂HPO₄ 0.17, KH₂PO₄ 2.61, MgSO₄ 1.5, NaCl 0.9, CuSO₄ 0.05, azul de bromotimol 10 ppm, 2.5 mL solución detergente al 10% 1.0 mL solución de oligoelementos, agar 18.0 g, el pH ajustado a 5.5. Las semillas de S. vulgare se desinfectaron con NaOCl al 0.2 %/5 min, se lavaron 6 veces con agua destilada estéril, después por cada 10 semillas de S. vulgare se inocularon con 1.0 mL de A. niger y/o P. chrysogenum equivalente a 1 x 10⁶ Unidades formadoras de propágulos (UFP)/1 mL¹⁹ para sembrarse en el suelo agrícola artificialmente contaminado por ARA, 60 días después, se midió la fenología: altura de planta (AP) y longitud radical (LR), y la biomasa: peso fresco aéreo y radical (PFA/PFR) y el peso seco aéreo y radical (PSA/PSR)¹⁹. Los datos experimentales se validaron con ANOVA/Tukey HSD P<0.05 % con el programa estadístico Statgraphics Centurion²¹.

Resultados

En la tabla 4, la BIO redujo el ARA desde 100000 hasta 37620 ppm de ARA en 60 días, valor numérico estadísticamente distinto en relación con los 90000 ppm del ARA en suelo sin biorremediar o CN.

En la tabla 6, se muestra en el suelo el decremento del ARA desde 37620 ppm hasta 3400 ppm por la actividad de S. vulgare con A niger y P. chrysogenum, este último valor fue estadísticamente diferente comparado con los 80000 ppm de ARA del suelo sin biorremediar y fitorremediar usado como CN.

En la tabla 4, el suelo agrícola con 100000 ppm de ARA, comenzó la BIO con el detergente, que lo solubilizo, para facilitar que los microorganismos aerobios heterotróficos nativos realicen una reducción parcial de la concentracion^4,5,7,8, mientras que la BIO con la LC al enriquecer el suelo con urea permitió el equilibro de la relación C: N, para que los microorganismos del nativos pudieran oxidar parcialmente el ARA^22,23, de la misma forma que la SM con sales NH₄⁺, NO₃^- y PO₄^-3 aceleraron la mineralización del ARA^24,25, simultáneamente la BIO con el H₂O₂ suplió la demanda O₂ para optimizar la oxidación del ARA^14,26 por ello se controló la capacidad de campo del suelo al 80 %, que permitió el intercambio de gases y el decremento de la concentración del ARA^17,27 a un nivel suficiente para la siembra de S. vulgare inoculado con A. niger y P. chrysogenum, en la ruta para la recuperación del suelo de acuerdo con la NOM-138.

En comparación con el suelo con 100000 ppm de ARA, usado como CN, en el cual la atenuación natural fue insuficiente para eliminarlo, por el exceso de C del ARA que formo una película hidrofóbica del ARA e impidió el intercambio de gases como el O₂ mientras que la pobreza de minerales indispensables en la oxidación del ARA evito que esa concentración se redujera^25,26,28.

En la tabla 5, se presenta la fenología y biomasa del S. vulgare con A. niger y P. chrysogenum, sembrado en el suelo cuando la concentración del ARA se disminuyó hasta 37620 ppm. En donde indirectamente se registró un decremento del ARA por el sano crecimiento de S. vulgare en parte porque es naturalmente tolerante al estrés fitotóxico del ARA, y por el efecto positivo de A. niger y P. chrysogenum en la rizósfera de la planta, donde estos hongos pueden generar sustancias promotoras de crecimiento vegeta1^25,29, para mejorar la capacidad de absorción de mineral de la raíz y disminuir la concentración del ARA que lleve a la recuperación de la salud del suelo y permitir que se use en la producción agricola¹⁰, en evidente contraste con S. vulgare sin inocular con A. niger y P. chrysogenum sembrado en suelo contaminado por 86000 ppm de ARA sin biorremediar, donde la relativa alta concentración provocó la inhibición del sano crecimiento de S. vulgare¹¹.

En la tabla 6, se muestra la concentración del ARA suelo impactado por 37620 ppm de ARA remanente de la BIO, luego mediante la FITO con S. vulgare potenciado con A. niger y P. chrysogenum que estimularon el sano crecimiento de las raíces, sugiere la conversión de los exudados radicales en fitohormonas^11,17,30, que aumentaron la cantidad de los pelos radiculares, para ampliar el área de exploración y absorción mineral, y con ello aumentaron la tolerancia de S. vulgaris al ARA¹⁰. Además de que existe la evidencia de que tanto A. niger como P. chrysogenum tienen la capacidad de degradar aromáticos del ARA^12,14,20,31, y facilitaron la eliminación del ARA hasta una concentración de 3400 ppm, valor inferior al máximo establecido por la NOM-138, con lo que se logró la recuperación del suelo para su reutilización en la producción agrícola.

Fuente de financiamiento

Proyecto 2.7 (2020) de la Coordinación de la Investigación Científica – UMSNH. BIONUTRA, S.A. de C.V. Maravatío, Michoacán, México.

Conflictos de intereses

Agradecimientos

Al proyecto 2.7 (2020) de la Coordinación de la Investigación Científica-UMSNH. A BIONUTRA, S.A. de C.V. Maravatío, Michoacán, 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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Nota del Editor:

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