Bioestimulación de suelo impactado por aceite residual automotriz, y fitorremediación mediante Phaseolus vulgaris con Micromonospora echinospora y Streptomyces griseus

Biostimulation of soil impacted by waste residual oil and phytoremediation by phytoremediation by Phaseolus vulgaris with Micromonospora echinospora and Streptomyces griseus

Rodríguez-Higareda Alejandra¹, Saucedo-Martínez Blanca Celeste¹, Márquez-Benavides Liliana¹ Maya-Cortes Cecilia², Rico-Cerda José³, Sánchez-Yáñez Juan Manuel¹*

¹Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Laboratorio de Microbiología Ambiental, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Ed-B3 C.U. Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Rio C.P. 58000, Morelia, Mich., México. Tel:+52 443 316 7176.

²Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Facultad de Químico Farmacobiologia. Tzintzuntzan 173, Matamoros, 58240 Morelia, Mich., México. Tel+52 443 314 2152.

*Dirección de contacto: Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Francisco J. Mujica S/N, Col. Felicitas del Rio C.P. 58000, Morelia, Mich, México. Laboratorio de Microbiología Ambiental, Instituto de Investigaciones Químico Biológicas, Ed-B3 C.U.

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

Historial del artículo.

Recibido septiembre, 2018.
Devuelto noviembre 2018
Aceptado enero, 2019.
Disponible en línea, febrero, 2019.

Resumen

El suelo impactado por 85000 ppm de aceite residual automotriz (ARA), mezcla de hidrocarburos alifáticos y aromáticos, concentración que de acuerdo con la NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2003 (NOM-138), supera el límite máximo permitido de 4400 ppm, en consecuencia, cualquier valor superior inhibe la mineralización de la materia orgánica causando perdida de la fertilidad del suelo. Una alternativa de solución para este problema, puede ser la bioestimulación (BIS) y la fitorremediación (FITO) que reducen el ARA a un valor inferior al máximo establecido por esta noma. Los objetivos de esta investigación fueron: i) BIS de suelo contaminado por 85000 ppm de ARA, ii) FITO mediante P. vulgaris con M. echinospora y/o S. griseus en el decremento del ARA a valor menor máximo reconocido por la NOM-138. En la BIS, la variable-respuesta fue la concentración inicial y final de ARA, en la FITO se sembró P. vulgaris mediante la fenología: altura de planta, longitud radical, biomasa: peso fresco/seco aéreo y radical de la plántula. Los datos experimentales se analizaron por ANOVA/Tukey HSDP<0.05% con el programa estadístico Statgraphics Centurión. Los resultados indicaron que la BIS del suelo por 85000 de ARA la decreció hasta 29000 ppm en 150 días, en la FITO mediante P. vulgaris con M. echinospora M. echinospora y/o S. griseus la disminuyeron hasta 1492 ppm en 180 días. Se concluye que la BIS/FITO del suelo contaminado por una relativa alta concentración de ARA, fue la alternativa para solucionar este problema ambiental.

Palabras clave: Suelo, ARA, solución mineral, P. vulgaris, M. echinospora, S. griseus, NOM-138.

Abstract

Soil impacted by 85000 ppm of waste residual oil (WRO), mixture of aliphatic and aromatic hydrocarbons, and a concentration that according to NOM-138-SEMARNAT/SSA1-2003 (NOM-138) exceeds the máximum limit of 4400 ppm, consequently, any higher valué inhibits mineralization of organic matter and causes loss of soil fertility. An alternative solution for this problem may be biostimulation (BIS) and phytoremediation (PHYTO) that reduce the WRO to a valué lowerthan the máximum established for this nom. The aims ofthis work were: a) BIS of soil impacted by 85000 ppm of WRO, b) PHYTO by P. vulgaris with M. echinospora and/or S. griseus in the decrease of the WRO to the lowest máximum valué recognized by NOM-138. In the BIS, the variable-response was the initial and final concentration of WRO during the PHYTOP. vulgaris was planted through the phenology: plant height and root length; and biomass: fresh and dry aerial and radical weight to seedling. The experimental data were analyzed by ANOVA/Tukey HSDP <0.05% with the statistical program Statgraphics Centurión. The results indicated that the BIS of the soil by 85000 of WRO decreased it to 29000 ppm in 150 days, in the PHYTO by P. vulgaris with M. echinospora and/or S. griseus decreased it to 1492 ppm in 180 days. It is concluded that the BIS/PHYTO soil contaminated by a relatively high concentration of ARA, it was the altemative to solve this environmental problem.

Key words: Soil, WRO, mineral solution, P. vulgaris, M. echinospora, S. griseus, NOM-138.

Introducción

El aceite residual automotriz (ARA), una mezcla de hidrocarburos (HICO) alifáticos, aromáticos y policíclicos, productos derivados de la combustión interna de automotores y maquinaria industrial. En México se considera que el ARA causa un problema ambiental cuando contamina el suelo en concentraciones relativamente altas como 85000 ppm, que la Ley General de Equilibro Ecológico y Protección Ambiental (LGEEPA) lo clasifica como un residuo peligroso.¹ Mientras que la NOM-138-SEMARNAT/SS (NOM-138) referente a la contaminación por HICO similares al ARA, estableciendo en el suelo como límite máximo permisible 4400 ppm² valor total que incluye: la fracción ligera con 200 ppm, mediana de 1200 ppm y pesada con 3000 ppm. Con 85000 ppm provoca daño ambiental, primero por la insolubilidad del ARA, que inhibe el intercambio gaseoso con la atmósfera, y segundo porque evita la mineralización de la materia orgánica indispensable para la vida microbiana del suelo, lo que causa la pérdida de productividad vegetal³. En el suelo una alternativa de solución para la eliminación del ARA a valores inferiores al máximo establecido por esta noma, es la bioestimulación (BIS), una estrategia que maneja diversas acciones químico biológicas y que se inicia con la aplicación de un detergente (DEGE) que solubiliza los HICO del ARA, seguida de una solución mineral (SOMI) que restablece el balance de la relación C (carbono): N (nitrógeno)del suelo, por el exceso del ARA, mientras que otras acciones complementarias son: la necesaria adición

Materiales y métodos

Esta investigación se realizó en un invernadero bajo las siguientes condiciones microclimáticas promedio: temperatura de 23.2 °C, luminosidad de 450 (mol.m^-2s^-1 y humedad relativa del 67%. Se usó suelo agrícola perteneciente a un sitio ubicado a los 19° 39' 27" de latitud norte 100° 19' 59" de longitud oeste, con una altitud de 1820 msnm de clima templado en un terreno agrícola denominado "La cajita" sobre el km 5 de la carretera Morelia-Pátz cuaro de la Tenencia Zapata del municipio de Morelia, Mich, México. El suelo se solarizó por 24 h para reducir y/o eliminar plagas y enfermedades, se tamizó con una malla del No. 20 y contaminó con 85000 ppm de ARA proveniente de un taller mecánico automotriz de la ciudad de Morelia, de acuerdo con lo señalado en la literatura⁵, para ello el ARA se emulsifico en agua con el detergente la "Corona®" al 0.5 % (p/v), finalmente 1 Kg de este suelo se colocó en la parte superior de la Jarra de Leonard Figura 1. Mientras que el recipiente soporte se llenó con SOMI y/o agua en función del diseño experimental planteado⁷.

El ensayo se inició con: i) BIS secuencial del suelo impactado por ARA, con el DEGE la "Corona®" al 0.5 % (p/v), se complementó con SOMI con composición química (g/L): NH₄NO₃ 10, K₂HPO₄ 2.5, KH₂PO₄ 2.0, MgSO₄ 1.0, NaCl 0.1, CaCl₂ 0.1, Fe-SO₄ trazas y 10.0 ml/L de solución de microelementos (g/L): H₃BO₃ 2.86, ZnSO₄. 7H₂O 0.22, MgCl₂. 7H₂O 1.81, ajustada a pH 6.8-7.0, se adicionó H₂O₂ al 0.5%. Para la generación del EXFUC se usaron 12.5 mL P. chrysogenum que se sembraron en matraz de 500 mL, con 250 mL de caldo lignina residual de paja de trigo (LIREPATO) cuyo contenido fue (g/L): LIREPATO 10.0, peptona de caseína 5.0, extracto de levadura 1.3, K₂HPO₄ 0.17, KH₂PO₄ 2.61, MgSO₄ 1.5, NaCl 0.9, CuSO₄ 0.05.0, 2.5 mL del detergente la Corona® al 10% (p/v), y 1.0 mL/L de una solución de oligoelementos, ajustado a pH a 5.5 que esterilizó a 121 °C/20min⁴. El matraz con P. chrysogenum se incubó a 30 °C/12 días, luego el medio de cultivo se filtró y centrifugo para eliminar el hongo, posteriormente se usaron 100 mL de EXFUC/Kg de suelo impactado por el ARA, cada semana hasta iniciar la FITO.⁸ En tanto que en el suelo la humedad se controló al 80 % de la capacidad de campo, que permitió la BIS secuencial, complementaria y acumulativa que redujo el ARA. Para la siguiente fase, la FITO mediante P. vulgans con M. echinospora y/o S. griseus (aislados de nodulos de Medicago spp. en el Laboratorio de Microbiología Ambiental del Instituto de Investigaciones Químico Biológicas (IIQB) de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (UMSNH) se cultivaron en agar avena (AA) con la siguiente composición (g/L): avena 30.0, MgSO₄.7H₂O 1.0, PO₄H₂K 1.5, Tecto al 10% 1.0, Agar 18.0, pH 6.8, se incubaron a 30 °C/72 h. Para inocular P. vulgaris con los actinomicetos se realizó la siguiente operación: por cada 20 semillas de P. vulgaris (obtenidos del Laboratorio de Microbiología ambiental del IIQB-UMSN H) se inocularon con 1.0 mL de cada género de acti nomiceto crecido en agar AA, a una concentración celular por cuenta viable (CVP) en placa, por dilución de cada uno en detergente al 10% que se diluyó en 99.0 mL de NaCl 0.85%, para asegurar la homogenización y ajustarse a una densidad celular de 1.5x10⁸ UFC/g, de M. echinospora y S. griseus mezclados en una relación 1:1 (v/v)⁵ y realizar el diseño experimental (Tabla 1) de bloques al azar con 3 controles: suelo sin ARA irrigado solo con agua o control absoluto (CA), el suelo con ARA sin bioestimular, ni fitorremediar o control negativo (CN), el suelo sin ARA alimentado con la SOMI o control relativo (CR), y los 4 tratamientos para la fase de FITO a) suelo con ARA bioestimulado y fitorremediado con P. vulgaris sin inocular con M. echinospora y/o S. griseus, b) P. vulgaris con M. echinospora sembrado en suelo con ARA c) P. vulgaris con S. griseus en suelo con ARA d) P. vulgaris inoculado con M. echinospora y S. griseus en suelo con ARA.

Los valores numéricos de los experimentos se analizaron mediante ANOVA/Tukey HSD P<0.05% con el programa estadístico Statgraphics Centurión.

Resultados

En Tabla 3 se reporta la fenología y biomasa de P. vulgaris potenciado mediante M. echinospora y S. griseus a nivel de plántula, durante la FITO de suelo impactado por 29000 ppm de ARA, ahí P. vulgaris con una altura de planta (AP) de 15.32 cm, una longitud radical (LR) de 14.25 cm, estos valores numéricos sin diferencia estadística comparados con los 15.67cm de AP y 15.25 cm de LR de P. vulgaris alimentado con solución mineral, sin potencíala con M. echinospora y S. griseus en suelo sin ARA o CR. Pero con diferencia estadística comparados con los valores de 13.15 cm de AP y 7.60 cm de LR de P. vulgaris sin potenciar con M. echinospora y S. griseus en suelo impactado por el ARA.

En tanto que P. vulgaris en suelo sin ARA o CR, registró un peso fresco aéreo (PFA) de 1.96, valor numérico sin diferencia estadística con los 1.86 g de PFA en P. vulgaris con la mezcla de M. echinospora/S. griseus en suelo impactado por el ARA, ambos valores numéricos de PFA fueron estadísticamente diferentes a los 1.30 g de PFA en P. vulgaris sin M. echinospora/S. griseus, en suelo impactado por ARA. Respecto al peso fresco radical (PFR) se registraron 1.18g en P. vulgaris con M. echinospora y S. griseus, cuyo e valor numérico fue estadísticamente diferente a los 0.89 g de PFR en P. vulgaris sin potenciar con estos actinomicetos, alimentado con una solución mineral sembrado en suelo sin impactar por el ARA o CR, respecto al peso seco aéreo (PSA) fue 0.19 g en P. vulgaris potenciado con M. echinospora y S. griseus sembrado en suelo impactado por el ARA, cuyo valor numérico no tuvo diferencia estadística con los 0.23 g de PSA de P. vulgaris alimentado con la solución mineral, sin potenciar mediante M. echinospora y S. griseus sembrado en suelo sin contaminar por el ARA, empleado como CR. Mientras que se registró 0.10 g de peso seco radical (PSR) en P. vulgaris potenciado con M. echinospora y S. griseus, sembrado en el suelo impactado por el ARA, este valor numérico fue estadísticamente diferente a los 0.06 g de PSR de P. vulgaris sin potenciar con M. echinospora y S. griseus sembrado en suelo no impactado por el ARA o CR.

En Tabla 4 los datos de suelo la concentración de ARA después de la FITO por P, vulgaris potenciado mediante M. echinospora y S. griseus, se detectó la mayor eliminación del ARA, de 29600 ppm hasta 1450 ppm, valor inferior al máximo permitido por la NOM-138, este valor numérico de concentración final del ARA, fue estadísticamente diferente al registrado en el suelo usado como CN, ahí la mezcla de HICO únicamente se redujo desde 85000 ppm hasta 59500 ppm derivado de la acción de la atenuación natural.

En Tabla 2 se reporta la BIS del suelo mediante un DEGE que eficazmente disolvió la mayor parte de los alifáticos del ARA^9,3 seguida de la BIS con la SOMI que aportó las sales esenciales de NH₄⁺ y NO₃^- para ajustar el desequilibrio C:N causado por el exceso de ARA, mientras que los PO₄⁺³ (fosfatos) solubles aceleraron la eliminación del ARA, apoyado por la BIS mediante el H₂O₂ que suplió el O₂ indispensable para la continua oxidación de esos HICO⁶, en tanto que la BIS mediante el EXFUC que contenía la lacasa se ha reportado puede ser útil en hidrólisis algunos de los aromáticos del ARA^4,5 y que posteriormente se mineralizaron en productos inocuos: CO₂ y H₂O. Para lograr las acciones integrales de la BIS, fue indispensable el ajuste de la humedad del suelo al 80% de la capacidad de campo, que facilitó la circulación del agua y gases a través de los poros del suelo, con la consecuente mineralización del ARA, cuyo proceso es estrictamente aeróbico. Lo que explica porque en un tiempo relativamente corto de 150 días la concentración, se redujo de 85000 ppm a 29000 ppm como resultado de la BIS secuencial, complementaria y acumulativa por las acciones de BIS que se señalaron previamente.^3,10

En la Tabla 3 se presenta la FITO del suelo contaminado por 29000 ppm de ARA, que se demostró por los valores de las variables respuesta en la fenología y biomasa de P. vulgaris que fue potenciado mediante la actividad benéfica de M. echinospora y S. griseus: lo que sugiere que ambos géneros de actinomicetos transformaron los exudados de la semilla y de las raíces en sustancias promotoras de crecimiento vegetal, que mejoraron la capacidad de tolerar algunos de los efectos fitotóxicos de los HICO del ARA.^5,11 Además de que la literatura reporta que tanto M. echinospora como S. griseus tienen capacidad genética para hidrolizar ciertos aromáticos^3,5 del ARA, para potenciar a P. vulgaris a la continua disminución de la concentración del ARA, a un valor inferior al máximo aceptado por la NOM-138¹² en contraste P. vulgaris sin potenciar con estos géneros de actinomicetos, o solo con un género como en el caso de M. echinospora, en comparación de la acción en combinación con S. griseus, que se explican porque el metabolismo de cada uno de los géneros de actinomicetos son diferentes en la oxidación de HICO, en consecuencia se complementan para consumir una mayor diversidad y cantidad de los HICO del ARA, en contraste cuando no se utilizan actinomicetos para mejorar la FITO, el ARA puede ser fitotóxico para P. vulgaris, pues la raíz es incapaz de oxidar el ARA para decrecer el ARA a una concentración inferior al máximo valor aceptado por la NOM-138, pues en ausencia de los actinomicetos u otros géneros y especies de microorganismos que oxidan HICO, la hidrofobicidad del ARA puede impedir la absorción de agua, así como el intercambio de gases en el sistema radical, lo que puede causar una inhibición del crecimiento de las raíces de P. vulgaris.¹³

En Tabla 4 la BIS de suelo impactado por 85000 ppm de ARA, mediante un DEGE que disuelve la mayor parte de la mezcla de HICO, con una SOMI que promovió su oxidación, apoyado por el H₂O₂ como un fuente mediata de O₂ y el EXFUC que contenía la lacasa una enzima extracelular fúngica altamente estable a las condiciones cambiantes físicas químicas y biológicas para hidrolizar y disminuir parte la fracción aromática del ARA, mientras haya un control de la humedad del suelo, para que la condición ambiental, sea la suficiente para que la microbiota autóctona heterotrófica aerobia haya decrecido el ARA hasta 29000 ppm, lo que facilitó la FITO mediante P. vulgaris potenciado con M. echinospora y S. griseus ya que ambos géneros y especies de actinomicetos tienen la capacidad de oxidar HICO y acelerar la mineralización del ARA^3,5,10, hasta una concentración de 1492 ppm puesto que al hacer el análisis de lo que redujo en la mezcla de HICO tanto la fracción alifática como aromática había decrecido a un valor inferior al mayor aceptado por la NOM-138 para considerar que el suelo fue biorremediado.^10,13

Con base a lo anterior se concluye la BIS secuencial, complementaria y con efecto acumulativo son necesarias para la solución de un problema de contaminación complejo, que no solo es dependiente de la concentración del ARA, sino también de aquellas propiedades fisicoquímicas del ese ambiente, que son determinantes para la eliminación eficaz y rápida de los HICO, del ARA se realice en un tiempo que permita la reutilización de ese suelo con fines de producción agrícola y/o recreativos, sin riesgo de causar algún daño en los seres vivos.

Conflictos de intereses

Los participantes en esta investigación aseguramos que no existe ningún problema de intereses relacionados con la planeación, ejecución y reporte de esta investigación que comprometa el valor de los resultados obtenidos o sus consecuencias en términos científicos, técnicos, o de cualquier otro tipo.

Agradecimientos

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.

Literatura Citada

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