Suelo, recurso clave para la soberanía alimentaria y calidad del ambiente

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1 Suelo, recurso clave para la soberanía alimentaria y calidad del ambiente XX CONGRESO VENEZOLANO DE LA CIENCIA DEL SUELO San Juan de Los Morros, 25 al 29 de noviembre de EVALUACIÓN DE LA CAPACIDAD FITORREMEDIADORA DE PANICUM MAXIMUM EN UN SUELO DE SABANA CONTAMINADO CON UN HIDROCARBURO DE PETROLEO EXTRAPESADO Gabriela Navas Armas 1*, Ismael Hernández-Valencia 2 y Carmen Infante 3 1 : Escuela de Biología, UCV. 2 : Instituto de Zoología y Ecología Tropical, UCV, 3 : Postgrado de Geoquímica, UCV * Autor de contacto: gabrielanavas.a@gmail.com RESUMEN Con la finalidad de evaluar la capacidad fitorremediadora de Panicum maximum, una especie de altamente productiva y adaptada a las condiciones de sabana bien drenadas, se realizaron ensayos de umbráculo en donde se estudió la disminución en el contenido de aceites y grasas y los cambios en indicadores de actividad microbiológica en suelos contaminados con hidrocarburo de petróleo extrapesado (concentración 5%) en presencia y ausencia de la especie. Los resultados mostraron que luego de 120 días en presencia de P. maximum, el contenido de crudo disminuyó un 16,92%, asociado principalmente a una disminución en el contenido de compuestos aromáticos. Por su parte, la actividad microbiológica fue diferente durante el período del ensayo entre los suelos contaminados con plantas y sin plantas, siendo el contenido de carbono microbiano y la actividad de la enzima deshidrogenasa mayor en los suelos contaminados y con plantas. PALABRAS CLAVE: contaminación, compuestos orgánicos, fitodegradación INTRODUCCIÓN Debido a que la contaminación por petróleo es uno de los problemas ambientales más preocupantes por sus efectos adversos en los ecosistemas, la remediación de suelos contaminados es un asunto de interés global y desde finales del siglo pasado se han desarrollado diversas tecnologías para recuperar suelos contaminados con petróleo, que van desde técnicas de ingeniería hasta manipulaciones de procesos biológicos. Entre las técnicas biológicas de limpieza, la fitorremediación puede ser un procedimiento promisorio para la recuperación de suelos contaminados con petróleo. La fitorremediación se basa en el uso de plantas y su microbiota asociada para remover, retener o reducir los contaminantes presentes en el ambiente y opera mediante diversos procesos que involucra distintas partes de la planta (Cunningham et al., 1996). El objetivo del presente estudio fue evaluar la capacidad fitorremediadora de Panicum maximun sobre un suelo de sabana contaminado con hidrocarburo de petróleo extrapesado al 5%. Esta especie fue escogida ya que es una planta adaptada a ambientes tropicales, de rápido crecimiento y establecimiento; sus semillas se expenden comercialmente y por lo tanto pueden conseguirse en suficiente cantidad y sus requerimientos agronómicos son conocidos. Adicionalmente, sus propágulos son colonizadores de ambientes perturbados, lo que permite suponer que resisten condiciones de contaminación con petróleo. MATERIALES Y MÉTODOS Para evaluar el efecto de Panicum maximun sobre la concentración del contaminante en el suelo, en 5 envases cilíndricos de PVC de 30 cm de alto y 10 cm de diámetro, se depositó una mezcla de 2,5

2 kg constituida por 85% de suelo, 5% de petróleo extrapesado y 10% de cáscara de arroz utilizado, para posteriormente sembrar una planta de P. maximum de aproximadamente 30 cm de alto por envase. El suelo utilizado correspondió al horizonte A de un Typic haplustox franco arenoso, fuertemente ácido y pobre en nutrimentos, mientras que el crudo utilizado presentaba una densidad API de 9. Como control se establecieron igual número de envases con la mezcla de suelo-crudocáscara de arroz, pero sin plantas. Ambos tratamientos fueron fertilizados con N:P:K: (15:15:15) y sulfato de amonio, los cuales responden a una relación C:N:P de 100:2:0,2, similar a la utilizada por Hutchinson et al. (2001). La fertilización se incorporó un 50% (1,772 g de N:P:K y 4,264 g de sulfato de amonio) al inicio del ensayo, 25% (0,886 g de N:P:K y 2,132 g de sulfato de amonio) a los 30 días y a los 60 días. Los envases fueron regados cada 5 días manteniendo el suelo a 50% de su capacidad de campo. Se colectaron muestras de suelo al inicio, 15, 30, 60 y 120 días de iniciado el ensayo. Con las muestras obtenidas se realizaron las determinaciones de: a) Actividad de la enzima deshidrogenasa (Casida et al. 1964); b) carbono de la biomasa microbiana (Vance et al. 1987); c) contenido de aceites y grasas por el método EPA 3540 (EPA, 1986), empleando como agente extractante diclorometano; d) fraccionamiento del hidrocarburo para determinar el contenido de saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos (SARA), de acuerdo al método 5520 (APHA, 1992); y e) la respiración basal (Alef y Nannipieri 1995). Las pruebas estadísticas realizadas fueron un análisis de varianza dos vías y la prueba a posteriori Fisher LSD con un nivel de significancia del 0,05 empleando el software Statistica 8.0. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 1 muestra los cambios en el contenido de aceites y grasas en el tiempo. El valor inicial de crudo (3,745%) disminuyó en promedio a 3,11% en el suelo con P. maximum y 3,38% en el control al finalizar el estudio (120 días), siendo estadísticamente diferentes entre sí y respecto al inicio del ensayo. Este resultado muestra el efecto de la planta para incrementar la actividad microbiana del suelo y promover una reducción mayor del contenido de petróleo en el suelo. Durante el tiempo del ensayo, no se logró la meta establecida por la legislación venezolana en materia de limpieza de suelos contaminados con hidrocarburos de petróleo que es del 1% (República de Venezuela 1998, Decreto 2635, Artículo 50). En consecuencia, es necesario realizar estos ensayos por mas tiempo para saber si se alcanza esta meta. Figura 1: Variación en el contenido de aceites y grasas del hidrocarburo de petróleo extrapesado en el suelo con Panicum maximum vs. suelo sin plantas (Letras minúsculas iguales indican que no hay diferencias dentro de cada tratamiento para cada tiempo; Letras mayúsculas iguales indican que no hay diferencias entre tratamientos para cada tiempo). Los resultados indican una rápida disminución inicial que se asocia a la volatilización y degradación de los compuestos más lábiles como son los saturados y aromáticos luego la tasa de degradación disminuye, ya que aumenta la proporción de compuestos de alto peso molecular como las resinas y

3 asfaltenos, cuya resistencia a la biodegradación es mayor (Simonich y Hites, 1994, McMillen et al. 2004). La figura 2 muestra la distribución de las distintas fracciones de hidrocarburos de petróleo, saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos (SARA) contenidas en el suelo con P. maximum y el control. En general se observó que la concentración de aromáticos y saturados fue significativamente menor que las cantidades de resinas y asfaltenos, tal como se esperaba para un crudo extrapesado. Figura 2: Variación en el contenido de cada una de las fracciones (SARA) del hidrocarburo de petróleo extrapesado en el suelo con Panicum maximum vs. suelo sin plantas (Las letras iguales indican que no hay diferencia dentro de cada fracción en el tiempo). En cuanto a las variaciones en las diferentes fracciones del petróleo al final del ensayo, no se observaron diferencias significativas entre los tratamientos con y sin plantas. Por otra parte, la disminución en el tiempo del contenido total de aceites y grasas para ambos tratamientos fue producto de la reducción en el contenido de compuestos aromáticos (Figura 2), ya que el resto de las fracciones (saturados, resinas y asfaltenos) no mostraron cambios a los 120 días respecto a la concentración que tenían al inicio del ensayo. La pérdida obtenida de aromáticos fue del 67,42% para el suelo con P. maximum y 65,34% para el control. En lo que respecta a la respiración basal (Figura 3), al inicio del experimento fue de 43 mg CO2. kg - 1.día -1 para ambos tratamientos, disminuyendo progresivamente hasta 30 mg CO2. kg -1.día -1. La media de los valores obtenidos para el suelo con P. maximum a los 120 días es menor y significativamente diferente que los días 15 y 30 del mismo tratamiento, lo que puede estar indicando que la actividad de los microorganismos tiende a disminuir una vez que la concentración del hidrocarburo de petróleo extrapesado añadido ha disminuido. No se observaron diferencias significativas entre los tratamientos con y sin plantas. Lo que sugiere que la respiración basal no fue un buen indicador de la actividad microbiana por su baja sensibilidad ante los cambios entre tratamientos y tiempos.

4 Figura 3: Variación de la respiración basal en el suelo con Panicum maximum vs. suelo sin plantas (Letras minúsculas iguales indican que no hay diferencias dentro de cada tratamiento para cada tiempo; Letras mayúsculas iguales indican que no hay diferencias entre tratamientos para cada tiempo). En la figura 4 se observan los cambios en el contenido de carbono de la biomasa microbiana en el suelo en el tiempo obtenidas para cada tratamiento, parámetro que constituye un indicador sensible a la contaminación del suelo (Alef y Nannipieri, 1995). El suelo con P. maximum mostró un incremento desde el inicio hasta los 60 días del ensayo, lo que sugiere que la presencia de la planta favoreció la actividad de los microorganismos en este período. Por su parte, el control no mostró cambios significativos en el contenido de carbono microbiano. Figura 4: Variación del carbono de la biomasa microbiana en el suelo con Panicum maximum vs. suelo sin plantas (Letras minúsculas iguales indican que no hay diferencias dentro de cada tratamiento para cada tiempo; Letras mayúsculas iguales indican que no hay diferencias entre tratamientos para cada tiempo). Con los datos obtenidos se calculó el coeficiente metabólico (qco2), que se refiere a la tasa de respiración de los microorganismos por unidad de biomasa e indica la eficiencia en la adquisición de carbono orgánico y la intensidad de la mineralización del carbono (Dilly et al, 1997). Los resultados (Figura 5) indican que al inicio los microorganismos presentan una alta tasa de emisión de dióxido de carbono por masa de C microbiano y posteriormente decae en el tiempo, excepto en el tratamiento control que se observa un nuevo pico a los 60 días. Para los días 60 y 120 el qco2 fue menor en el tratamiento con plantas, lo que pudiera sugerir una condición ambiental menos estresante, asociada a la disminución del contenido de aceites y grasas (Figura 1).

5 Figura 5: Variación del coeficiente metabólico en el suelo con Panicum maximum vs. suelo sin plantas (Letras minúsculas iguales indican que no hay diferencias dentro de cada tratamiento para cada tiempo; Letras mayúsculas iguales indican que no hay diferencias entre tratamientos para cada tiempo). La actividad de la enzima deshidrogenasa para el tratamiento con plantas mostró un incremento en el tiempo, lo que sugiere que los compuestos orgánicos biodisponibles del contaminante favorecieron el desarrollo de los microorganismos en presencia de la planta, lo que ocasionó un aumento de la actividad de la enzima. Posteriormente, a partir del día 60, el sustrato carbonado disminuyó al ser metabolizado y dominaron las formas recalcitrantes del hidrocarburo, disminuyendo la actividad de la enzima deshidrogenasa (Margesin y Schinner, 1997). Por su parte, el control no mostró un aumento significativo de la actividad de la enzima. Adicionalmente, la actividad de la enzima deshidrogenasa en el tratamiento con P. maximum tuvo la tendencia a ser mayor que en el control siendo estadísticamente diferentes en el día 60, indicando que efectivamente, la presencia de la planta contribuye a la estimulación de los microorganismos del suelo (Cunninghan y col., 1996). Figura 6: Variación de la actividad de la enzima deshidrogenasa en el suelo con Panicum maximum vs. suelo sin plantas (Letras minúsculas iguales indican que no hay diferencias dentro de cada tratamiento para cada tiempo; Letras mayúsculas iguales indican que no hay diferencias entre tratamientos para cada tiempo). Se debe considerar que no se encontró correlación lineal entre éste parámetro y el carbono de la biomasa microbiana, ni la respiración basal, así como tampoco entre estos últimos. Lo que sugiere la importancia de evaluar numerosos indicadores de la actividad microbiana, como por ejemplo, actividades de enzimas indicadoras de contaminación (ureasa, β-glucosidasa, etc.), contaje de

6 microorganismos y su caracterización, entre otros, para lograr una estimación confiable del comportamiento de la comunidad microbiana. CONCLUSIONES El uso de Panicum máximum incrementó la biodegradación del petróleo pesado al 5% en el suelo de sabana bajo estudio respecto al suelo contaminado y sin planta. En 120 días la disminución fue de 16,92% para el tratamiento con Panicum máximum y 9,7% para el tratamiento sin Panicum maximum. Tanto para los tratamientos con o sin plantas, la disminución en el contenido de aceites y grasas fue producto de la reducción en el contenido de compuestos aromáticos, ya que el resto de las fracciones (saturados, resinas y asfaltenos) no mostraron cambios a los 120 días respecto a la concentración que tenían al inicio del ensayo. El carbono de la biomasa microbiana y la actividad de la enzima deshidrogenasa fueron superiores en el tratamiento con plantas, hecho que sugiere que la presencia de plantas fomenta la actividad microbiana. Sin embargo, la respiración basal no mostró diferencias significativas entre tratamientos debido a su alta variabilidad BIBLIOGRAFÍA ALEF, K. y P. NANNIPIERI (1995). Methods in Applied Soil Microbiology and Biochemestry. Academic Press. Harcourt Brace & Company, Publishers. Londres, Inglaterra. APHA Standard Methods for the examination of water and wastewaters. APHA, AWWS, WEF. Washington DC. CASIDA, L. Jr., D. KLEIN y T. SANTORO Soil dehydrogenase activity. Soil Sci. 98: CUNNINGHAM, S.D., T. A. ANDERSON, A. P. SCHWAB, y F. C. HSU (1996). Phytoremediation of soils contaminated with organic pollutants. Advances in Agronomy, 56: DILLY, O., B. MOGGE, W. L. KUTSH, L. KAPPEN, y J. MUNCH (1997). Microbial characteristics and emission of carbon dioxide and nitous oxide of arable and grassland soils. Biogeochemistry 39: EPA Test Methods for Evaluating Solid Waste. Method Soxhlet Extraction. EPA SW-846. USEPA. Washington D.C. HUTCHINSON, S. L., M. K BANKS, A. P. SCHWAB (2001). Bioremediation and Biodegradation. Phytoremediation of aged petroleum sludge: effect of inorganic fertilizer. J. Environ. Qual. 30: INFANTE, C., F. MORALES, E. U. EHRMANN, I. HERNÁNDEZ-VALENCIA y N. LEON (2010). Hydrocarbons bioremediation and phytoremediation in tropicals soils: Venezuelan study case. Trends in bioremediation and phytoremediation. 2010: MARGESIN, R. y F. SCHINNER (1997). Bioremediation of diesel-oil-contaminated alpine soils at low temperatures. Appl. Microbiol.Biotechnol. 47: McMILLEN, S., R. SMART y R. BERNIER (2004). Seventh SPE International Conference on Health, Safety, and Environment in Oil and Gas Exploration and Production. Alberta, Canada, 29. Citado en Infante y col REPÚBLICA DE VENEZUELA (1998). Normas para el control de la recuperación de materiales peligrosos y el manejo de los desechos peligrosos. Decreto 2635, Gaceta Oficial Extraordinaria Nº 5245 del 3 de Agosto de SIMONICH, S. L., Y R. A. HITES (1994). Importance of vegetation in removing polycyclic aromatic hydrocarbons from the atmosphere. Nature 370: STATSOFT. Statistica Version 6.0 for Windows. Tulsa. OK VANCE, E. D., P. C. BROOKES, D. S. JENKINSON (1987). An Extraction method of measuring soil microbial biomass C. Soil Biol. Biochem. 19 (6):