Nota de Investigación

Phaseolus vulgaris en el tratamiento de suelo un agrícola contaminado por hidrocarburos

Phaseolus vulgaris in the treatment of agricultural soil contaminated by hydrocarbons

Marques-Benavides Liliana¹ , Modesto-Sánchez Diana¹ , Saucedo-Martínez Blanca Celeste¹, Rico-Cerda José Luis² , Bribiesca-Rodríguez Lilian³ y Sánchez-Yáñez Juan Manuel¹*

¹Universidad 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: +52 44 33 22 3500 Ext 4240 ]]> ²Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Instituto de Investigaciones Químico Biológicas. Catálisis Química. Facultad de Ingeniería Química. Francisco J. Mujica S/N Felicitas del Rio. Edificio M, Gral. Francisco J. Múgica s/n. Felicitas del Río, 58070 Morelia. Mich., México. Tel: +52 443 316 7176.
³Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Facultad de Químico Farmacobiología. Tzintzuntzan 173, Matamoros, 58240 Morelia. Mich., México. Michoacán, México. Tel: +52 443 314 2152.

*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 35 000 Ext 4240

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

J. Selva Andina Res. Soc. 2020; 11(2):94-102.

ID del artículo: 141/JSARS/2020

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

Resumen

En suelo la contaminación por una mezcla de hidrocarburos como el aceite residual automotriz (ARA), inhibe la mineralización de la materia orgánica y causa perdida de su fertilidad. Una alternativa de solución es el enriquecimiento del suelo y plantas que lo eliminen a una cantidad inferior de 4400 ppm, valor máximo aceptado por la regulación en México conocida como NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2003. El objetivo de este trabajo fue el tratamiento de suelo contaminado por 35000 ppm ARA con P. vulgaris inoculado con A. vinelandii y P. polymyxa para decrecer el ARA a un valor menor al máximo aceptado de la NOM-138. Las variables respuestas para determinar la recuperación del suelo en este ensayo fueron a) la concentración inicial y final de ARA por Soxhlet, y en b) P. vulgaris: el porcentaje (%) de germinación, en la fenología: altura de planta, longitud de raíz, y la biomasa: peso fresco y seco, aéreo y radical a plántula y prefloración. Los datos experimentales fueron analizados por Tukey 0.05%. Los resultados indican que el enriquecimiento del suelo, facilito que P. vulgaris con A. vinelandii y P. polymyxa a prefloración, decrecieran el ARA a 1152 ppm, valor menor al máximo aceptado por la NOM-138 para la recuperación de la fertilidad de ese suelo

Palabras clave: Suelo, hidrocarburos, bioestimulación, fitorremediación, rhizobacteria.

Abstract

A soil polluted by waste motor oil (WMO) is inhibiting organic matter mineralization and caused losing its fertility. An alternative solution is to enrich soil and a plant to eliminate WMO at concentration value lower than 4400 ppm, maximum value accepted by the Mexican environmental regulation called NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2003 (NOM-138). The objective of this research was to treat a soil polluted by 35,000 ppm of WMO with Phaseolus vulgaris inoculated with Azotobacter vinelandii and Paenibacillus polymyxa to reduce the WMO´s concentration at lower value than the maximum accepted by the NOM-138. The variable responses for recovering soil ‘fertility of this experiment was a) the initial and final concentration of WMO by Soxhlet, and b) for P. vulgaris the percentage (%) of germination, the phenology: height of plant, length of root; and biomass: aereal and radical fresh/dry weight at seedlings and reflooring stages. Experimental data were analyzed by Tukey 0.05%. Results showed that soil enriched to facilitate that P. vulgaris with A. vinelandii and P. polymyxa at e-flowering, could reducing ARA until 1152 ppm, lower concentration than the maximum allowed by NOM-138 for recovering soil´s fertility.

Keywords: Soil, hydrocarbons, biostimulation, phytoremediation, rhizobacteria.

Introducción

En un suelo agrícola de México y el mundo, uno de los contaminantes derivados del petróleo es el aceite empleado en la lubricación y refrigeración de los automotores, que al perder sus propiedades debe reemplazarse, el resultado es conocido como aceite residual automotriz (ARA), compuesto por hidrocarburos alifáticos, aromáticos, bifenilos policlorados. Para la disposición final adecuada del ARA, en México existe la regulación ambiental conocida como ley general de equilibrio ecológico y protección al ambiente¹, “que obliga, a que él ARA se recicle y/o confinarse” para prevenir la contaminación de suelo por algún derrame accidental o deliberado^2,3. Mientras que la regulacion en Mexico que determina la maxima concentracion de mezclas de hidroacrburos como el ARA, en el suelo del tipo agricola es la NOM-138-/SSA1-2003⁴ cuyo límite máximo es de 4400 ppm. Esta concentración del ARA causa cambios negativos drásticos en las propiedades fisicoquímicas del suelo, pues bloquea el intercambio de gases, acidifica al pH, lo que inhibe la mineralización de la materia orgánica (MO), con la consecuente pérdida de fertilidad del suelo^5-7. Por lo anterior, una alternativa de solución, es enriquecer el suelo con un abono orgánico animal del tipo de la lombricomposta (LC) que contiene sales de nitrógeno (N), fosforo (P) y un complejo fertilizante mineral de N, P con otros macros y micronutrientes^8,9, para la posterior siembra de una leguminosa que eliminan los hidrocarburos¹⁰ con géneros y especies de bacterias que ayudan a la planta en la eliminación de esos hidrocarburos^11,12. Al respecto existe evidencia en la literatura de que plantas y microorganismos pueden emplearse en la recupe racion de suelo agricola impactado negativamente con mezclas de hidrocarburos^13-18. Con base en lo anterior los objetivos de esta investigación fueron usar Phaseolus vulgaris inoculado con Azotobacter vinelandii y Paenibacillus polymyxa en suelo contaminado artificialmente por 35000 ppm de ARA para decrecerlo a un valor inferior al máximo permisible de la NOM-138.

Materiales y métodos

El experimento de 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), las condiciones micro climáticas promedio fueron temperatura de 23.2 °C, luminosidad de 450 µmol•m^-2•s^-1 y humedad relativa de 67%.

Se usó un suelo laterítico con pH 6.64, textura arcilla 40.56 %, arena 0.76 %, limo 37.8 %, capacidad de campo 30.08 %, MO 2.57 %, capacidad de intercambio catiónico 4.61 mg/100 g. Este suelo se tamizó con malla de No. 20, se solarizó 48 h a 70 °C, que evita plagas y enfermedades. Luego se contaminó artificialmente con 35000 ppm de ARA, disuelto en 0.1% (p/v) de detergente comercial la CORONA^(MR)17. En la primera etapa el suelo en las jarras de Leonard¹⁹ se enriqueció por 5 días con LC obtenido por donación de la Facultad de Biología de la UMSNH, Morelia, Michoacán, México; la LC de bovino tenía la siguiente composición química: nitrógeno total 1.7 %, MO 34.9%, fosforo (P) 0.24%, magnesio (Mg) 0.49%, potasio (K) 0.63%, calcio (Ca) 0.63, pH 7.2, luego de 15 días, el suelo contaminado artificialmente con ARA se enriqueció con un fertilizante mineral (FEMI) con la siguiente composición (g/L): NH₄NO₃ 10.0, K₂HPO₄ 2.5, KH₂PO₄ 2.0, MgSO₄ 1.0, NaCl 0.1, CaCl₂ 0.1, FeSO₄ trazas y 10.0 mL/L de una solución de oligoelementos (g/L): H₃BO₃ 2.86, ZnSO₄•7H₂O, 0.22 MgCl₂•7H₂O 1.81, pH ajustado 7.0¹⁹. Al cumplirse 30 días del enriquecimiento con la LC y el FEMI en el suelo se sembraron semillas de P. vulgaris proporcionadas por la Secretaria de Agricultura Ganadería y Desarrollo Rural Pesca y Alimentación (SAGDRPA) de México. El invernadero donde se realizó el experimento tiene las siguientes dimensiones: 8 m x 4 m 32 m². Estas semillas se inocularon con 1.0 mL de A. vinelandii y P. polymyxa ambas cepas fueron aisladas de las raíces de una Opuntia sp, hoy son parte de la colección del laboratorio de Microbiología Ambiental del IIQB-UMSNH. Ambos géneros y especies se prepararon en relación 1:1 (v/v) en una concentración bacteriana de 1.5x10⁸ unidades formadoras de colonias (UFC)/ mL^19,20, durante el experimento en el suelo se controló la humedad al 80% de la capacidad de campo⁹. Las variables respuesta del experimento en P. vulgaris fueron: el porcentaje de germinación (%) a los 11 días, la fenología: altura de plántula (AP), longitud radical (LR), y biomasa: peso fresco y seco, aéreo y radical (PFA, PFR, PSA, PSR), cuando P. vulgaris alcanzó el nivel de planta y prefloración a los19 y 33 días para determinar la concentración de ARA por Soxhlet¹³, todos los datos experimentales se analizaron estadísticamente por ANNOVA Tukey p<0.05%²¹

Resultados

En la tabla 2, se presenta la fenología de P. vulgaris con A. vinelandii y P. polymyxa, en el tratamiento del suelo con 35000 ppm de ARA que registró 53.191 cm de AP, valor numérico estadísticamente diferente en comparación con los 67.141 cm de P. vulgaris en el suelo sin contaminar con el ARA y alimentado con el FEMI, ambos valores numéricos sin diferencia estadística en relación con los 63.016 cm de P. vulgaris en el suelo sin ARA irrigada solo con agua, en tanto que la LR de P. vulgaris potenciado con A. vinelandii y P. polymyxa en el suelo con ARA se registró 26.033 cm valor numérico sin diferencia estadística comparado con los 20.941 cm y 25.8 cm de LR que se registraron de P. vulgaris en el suelo usado como CR y de la fenología de P. vulgaris en el suelo CA respectivamente.

En la tabla 3, se muestra la biomasa de P. vulgaris potenciado con A. vinelandii y P. polymyxa en el tratamiento del suelo contaminado que registró 2.957 g de PFA valor numérico sin diferencia estadística comparado con los 2.592 g de P. vulgaris en el suelo CR, en tanto que, el PFR de P. vulgaris inoculado con A. vinelandii y P. polymyxa en el suelo con ARA se registró 2.189 g un valor numérico sin diferencia estadística comparado con los 1.671 g de PFR de P. vulgaris en el suelo usado como CR, pero con diferencia estadística en comparación con los 1.251 g de PFR de P. vulgaris en el suelo CR. El PSA de P. vulgaris inoculado con A. vinelandii y P. polymyxa registró 0.355 g valor numérico sin diferencia estadística comparado con los 0.374 g de P. vulgaris en el suelo usado como CR, ambos valores numéricos tuvieron diferencia estadística en comparación con los 0.481 g de P. vulgaris en el suelo CA, mientras que el PSR de P. vulgaris inoculado con A. vinelandii y P. polymyxa que registró 0.194 g, valor numérico sin diferencia estadística comparado con los 0.208 g de P. vulgaris en el suelo CR, ambos valores numéricos fueron estadísticamente distintos comparados con los 0.118 g de P. vulgaris en el suelo usado como CA.

En la tabla 4, se presenta el efecto del enriquecimiento del suelo contaminado por ARA con la LC, y el FEMI para la posterior siembra de P. vulgaris inoculado con A. vinelandii y P. polymyxa. Ahí luego de los 19 días después de la siembra de P. vulgaris, la concentración de 35000 ppm de ARA, se redujo hasta 15895 ppm, valor numérico estadísticamente diferente comparado con los 34986 ppm de ARA en el suelo referido como CN, mientras que en el suelo luego de 24 días de la siembra, P. vulgaris inoculado con A. vinelandii y P. polymyxa a plántula, se registró un reducción del ARA hasta 2044 ppm concentración inferior al límite máximo de la NOM-138, este valor numérico fue estadísticamente diferente comparado con los 33832 ppm de ARA en el suelo contaminado con el ARA sin tratar por enriquecimiento ni con la siembra de P. vulgaris. En contraste 33 días después de la siembra de P. vulgaris con A. vinelandii y P. polymyxa se registró el máximo decremento del ARA hasta 1152 ppm, concentración menor a la máxima permisible por la NOM-138, lo que indica que el suelo se recuperó. Este valor de 1152 es un valor numérico estadísticamente diferente en comparación con los 29220 ppm de ARA en el suelo con ARA usado como CN.

Tabla 4. Concentración de aceite residual automotriz en suelo tratado con P. vulgaris e inoculado con A. vinelandii y P. polymyxa a nivel: plántula y prefloración

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* Valores con letra distinta tuvieron diferencia estadística (ANOVA Tukey p<0.05), += valores inferiores al máximo de la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2003

Discusión

En la tabla 1, se muestra la germinación de las semillas de P. vulgaris sugiere la acción benéfica de A. vinelandii y P. polymyxa que convirtieron los exudados de las semillas de P. vulgaris en fitohormonas que aceleraron y alcanzaron al 100% de germinación de las semillas de la leguminosa²², mientras esta reportado que esta clase de géneros y especies de bacterias benéficas para plantas tienen la capacidad para utilizar como fuente de carbono y energía algunos de los hidrocarburos del ARA, con lo que minimizaron o evitaron el efecto tóxico del ARA, que inhiben la germinación de las semillas, permitieron que no tuviesen problema para emerger a pesar de la contaminación por el ARA^14,16,18,23.

En la tabla 2, se presenta el crecimiento radical de P. vulgaris potenciado con A. vinelandii y P. polymyxa que decrecieron la concentración del ARA, en parte porque el sistema radical de P. vulgaris fue mayor cuando se potencio con A. vinelandii y P. polymyxa, lo que indica que ambas bacterias mediante conversión de los exudados de la raíz, en fitohormonas mejoraron la absorción del sistema radical de la leguminosa por las sales de N, el P y el K, del FEMI. Además de que contribuyeron a la eliminación del ARA, con lo que P. vulgaris tolero mas su toxicidad, pues el crecimiento de P. vulgaris con A. vinelandii y P. polymyxa en funcion de la fenologia y biomasa fue sano^{14,17,20,22,24}, incluso mejor en algunas variables que misma la legumi nosa crecida en el suelo sin contaminar por el ARA.

En la tabla 3 se muestra que los valores de la biomasa de P. vulgaris a nivel de las raíces inoculadas con A. vinelandii y P. polymyxa indirectamente hicieron evidente la fitodegradacion del ARA en las raíces de la leguminosa^5,13,14,18, además de que ambos géneros y especies bacterianas están reportadas como capaces de hidrolizar y eliminar hidrocarburos detectados en el ARA^{10,14,20,22,24}, lo que llevo al consecuente decremento de la concentración de esta mezcla. Al respecto Udom & Nuga²⁵ reportaron que en suelo contaminado por mezclas de hidrocarburos, sembrado con P. vulgaris se observó que genera un sistema radical denso y abundante, que fue mejor con la actividad benéfica de A. vinelandii y P. polymyxa al mantener una eficaz absorción minerales^19,20,25 mediante la conversión de los exudados de raíces de P. vulgaris en fitohormonas^13,19,22, de esa manera mayor tolerancia al estrés causado por el ARA^14-16, en consecuencia P. vulgaris generó una biomasa radical suficiente para la eliminación del ARA, que llevo a la recuperación del suelo, útil en la producción agricola^17,18,20,22, lo que se evidenció al detectarse una concentración de ARA, inferior a la mayor aceptada por la NOM-138.

En la tabla 4, se presenta el enriquecimiento del suelo con la LC y el FEMI que favorecieron la siembra de las semillas de P. vulgaris potenciado con A. vinelandii y P. polymyxa, con lo cual a los primeros 19 días, en especial a los 24 después de la siembra a nivel de planta se observó un decremento de la concentración del ARA, en parte por la fitodegradacion que se reporta, realizan las raíces de leguminosas cuando se siembran en un suelo impactado por hidrocarburos, esta acción de eliminación del ARA puede ser mejorada mediante A. vinelandii y P. polymyxa que se reportan hidrolizan algunos aromáticos que existen en el ARA^9,14,23,25. Por tanto al reducir en el suelo el ARA a un valor 1152 ppm, una concentración inferior a la máxima permisible de la NOM-138, apoyan la utilidad de inocular leguminosas con A. vinelandii y P. polymyxa para acelerar la relativa eficaz eliminación del ARA en la recuperación de ese suelo, con fines agrícolas o recreativos^12,15,18. Mientras que el pobre decremento de la concentración del ARA en el suelo control negativo, sin enriquecer con la LC y el FEMI, seguida de la siembra de P. vulgaris potenciado con A. vinelandii y P. polymyxa, indican que la atenuación natural fue insuficiente^16,26-28 para resolver un problema de contaminación de un suelo agrícola por la mezcla de los hidrocarburos del ARA. Los resultados de esta investigación apoyan que un suelo contaminado por 35000 ppm de ARA, requieren acciones de restitución de su fertilidad, mediante un tipo de LC y FEMI adecuados para facilitar la fitodegradacion de P. vulgaris potenciada por el  efecto benéfico de A. vinelandii y P. polymyxa que ademas contribuyen a la eliminacion del ARA, hasta a un valor inferior al máximo permisible de la NOM-138, que en México sanciona la  verdadera recuperación de un  suelo agrícola para su reutilización en la producción agrícola.

Fuente de financiamiento

Conflictos de intereses

Los autores declaran que no existe ningún tipo de conflicto de interés en la planificación, realización y redacción con las instituciones involucradas, así como las que apoyaron esta investigación.

Agradecimientos

Por el apoyo al proyecto 2.7 (2020) de la Coordinación de la Investigación Científica de la UMSNH, Morelia, Michoacán, a BIONUTRA, S.A de CV, Maravatío, Michoacán, México.

Aspectos éticos

La aprobación de la investigación por el Comité de Ética de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo en Morelia, Michoacán, México, sigue las pautas establecidas por este Comité.

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Nota del Editor:

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