2012, Vol. 8

Núm. 1

Revista Latinoamericana de

Recursos Naturales UNA REVISTA MULTIDISCIPLINAR

Instituto Tecnológico de Sonora ISSN: 1870-0667

Villaseñor-López et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 1-8, 2012

Evaluación del crecimiento de Cedrela odorata L. En las condiciones del Valle del Yaqui, Sonora, México. , R.E. Cabanillas-Beltrán1, L.M. Tamayo-Esquer1, J.A. FernándezBocardo1 Y. García-Quintana2, P. Alvarez-Olivera2, M. Bonilla-Vichot2.

O.A. Villaseñor-López 1

1*

Instituto Tecnológico de Sonora. Calle 5 de Febrero 818 Sur. Col. Centro. Cd. Obregón, Sonora, México. 2 Universidad Pinar del Río. Calle Martí final 270 esq. 27 de Noviembre. Pinar del Río, Cuba.

Evaluation of the growth of Cedrela odorata L. under the terms of the Yaqui Valley, Mexico. Abstract This work was conducted in the Yaqui Valley, Sonora, Mexico, in order to evaluate on the growth of Cedrela odorata L., as an alternative to the sustainability and diversification of the Yaqui Valley. We used germplasm from CATIE genebanks, Costa Rica. During 4 months the seedlings were maintained under nursery conditions. We established two experimental plots (3x3 m), one in Isleta de Hornos with alluvial soil and other in Cett 910 with compacted clay soil. We marked and prepared the plots, as well as installed a drip irrigation system. The base diameter and total height were measured from 2009 until the beginning of 2011. The results indicate that high temperatures influence the growth of Cedrela odorata in nursery stage, reaching a mean height of 54 cm after 4 months. Moreover, it was shown that climatic variations between 2009 and 2010 influenced the growth of the species. The warmest temperatures of the first year favored the growth in height and diameter,: plants in Isleta de Hornos, with alluvial soil, showed the best growth. The study recognizes the ecological amplitude of the species, showing, in the Yaqui Valley, a better development between maximum and minimum temperatures of 40°C and 20°C respectively, at constant humidity conditions. The species tolerates temperature of -2 °C for six continuous hours in three days. However, meristems were damaged when temperatures reached -5ºC. Key words Temperature, plantations, soil, growth. Resumen Este trabajo se realizó en el Valle del Yaqui, Sonora, México, con el objetivo de evaluar el crecimiento de Cedrela odorata L. Las plantaciones de esta especie pueden resultar una alternativa para la sostenibilidad y diversificación productiva del Valle del Yaqui. Se utilizó germoplasma procedente del CATIE, Costa Rica. Durante cuatro meses se mantuvieron las plántulas en condiciones de vivero, tras los cuales, se llevó a cabo el transplante de las mismas. Se establecieron dos parcelas experimentales (3x3 m), una en Isleta de Hornos con suelo aluvial y otra en el Cett 910 con suelo barrial compactado. Se realizó la preparación y marcación del terreno y se instaló un sistema de riego por goteo. Se midieron los diámetros a la base y la altura total de las plantas desde principios de 2009 hasta 2011. Los resultados indican que las altas temperaturas favorecen el crecimiento de Cedrela odorata L. en fase de vivero. Durante dicha fase, las condiciones fueron favorables y las plántulas alcanzaron una altura de 54 cm promedio. Por otra parte se infiere que las variaciones de temperatura entre el 2009 y 2010 pueden haber influido en el crecimiento de la especie, resultando el primer año más cálido, lo cual favoreció el crecimiento en altura y diámetro, siendo Isleta de Hornos con suelo de aluvión, el de mejor crecimiento. En el estudio se reconoce la amplitud ecológica de la especie, mostrando para las condiciones climáticas del Valle del Yaqui un mejor desarrollo entre los rangos de temperatura máximas de 40°C y mínimas de 20°C en condiciones de humedad disponible para la planta. La especie toleró condiciones de temperatura de -2°C durante seis horas continuas en tres días. Sin embargo, los meristemas *Autores de correspondencia Email: Tel: (52) 644 4100900 Ext. 2124. E-mail: [email protected]

1

Villaseñor-López et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 1-8, 2012

apicales sufrieron daños cuando las temperaturas alcanzaron los -5 ºC. Palabras clave: temperatura, plantaciones, suelo, crecimiento. Introducción Materiales y método Existe una creciente necesidad de revertir los procesos de degradación de los recursos en zonas forestales mexicanas. Las plantaciones no deben sustituir la regeneración natural de los bosques, pero pueden contribuir al aumento de la producción de madera comercial por unidad de superficie. Sin embargo, es de vital importancia el conocimiento de los sistemas de regeneración, la silvicultura, la biodiversidad y las posibilidades de mejora genética de las principales especies forestales con interés comercial para poder llevar a cabo una gestión sostenible. Las plantaciones forestales requieren que dichas especies se adapten a las condiciones climáticas de la región y ofrezcan suficiente rendimiento para poder abastecer las necesidades del sector, ayudando a su vez a la disminución de la pobreza en la población local. La política forestal mexicana responde a la urgencia de revertir el proceso de degradación de los recursos forestales y, al mismo tiempo, alentar su aprovechamiento, incrementar su potencial y propiciar la participación activa de los propietarios o poseedores de los terrenos en que se encuentran dichos recursos, así como de los inversionistas (Ley Forestal mexicana, 1997). Esta ley considera que los recursos forestales tienen la capacidad de generar una serie muy amplia de bienes y servicios ambientales, que satisfacen directa e indirectamente necesidades humanas vitales. El Valle del Yaqui (Sonora, México), con una extensión de aproximadamente 450,000 hectáreas, tiene 221,000 hectáreas de agricultura bajo riego por gravedad, de las cuales el 58% son ejidales y el 42% de propiedad privada. El sector privado está representado por 4,645 propietarios y el sector social por 19,616 ejidatario. Actualmente la diversificación productiva del Valle del Yaqui es una de las líneas de acción de los diferentes niveles de gobierno. Debido a la creciente degradación del Valle, se está promoviendo la investigación agropecuaria y la utilización de especies con posibilidades de adaptación con fines productivos. Este trabajo presenta como objetivo evaluar el crecimiento de Cedrela odorata L. en dos tipos de suelo en las condiciones del Valle del Yaqui.

El trabajo se realizó con recursos de Fundación Produce Sonora A.C. (2008-2011) en el Valle del Yaqui, ubicado en el sur del Estado de Sonora, México, entre la Sierra Madre Occidental y el Mar de Cortés. Al norte se encuentra Ciudad Obregón y al sur limita con el Valle del río Mayo; entre los paralelos 27°10' y 27°50' latitud norte, y los meridianos 109°55' y 110°36', siendo una de las principales regiones agrícolas de México (Figura 1). Para el desarrollo del mismo se obtuvieron semillas de Cedrela odorata L., procedentes del banco de germoplasma del CATIE en Costa Rica. Se realizaron diferentes tratamientos pregerminativos con el fin de romper el letargo, acelerar y uniformar la germinación. Las semillas fueron sembradas en condiciones de vivero, malla antiáfidos y malla sombra corrediza al 50%. Se emplearon contenedores especiales para latifoliadas BCC de 265 ml, de 28 cavidades por contenedor rígido de 15 cm de profundidad. El sustrato, de textura media, estaba compuesto por peatmoss (33%), agrolita (33%), vermiculita (33%) y osmocote (1%) en una proporción de 17-7-12 de nitrógeno, fósforo y potasio respectivamente. Se diseñó un programa de fertilización (Iniciador: 425-36, Desarrollador: 20-10-20, Finalizador: 20-2020) así como un programa fitosanitario (Fungicidas: Previcur, Deroxal, Agrigen, Insecticidas: Rescate, Siegepro), aplicando riego una vez por día durante los cuatro meses de permanencia en vivero, para obtener un mayor crecimiento. Durante los cuatro meses de permanencia en vivero se realizaron mediciones mensuales de altura total de las plantas con cinta métrica. En Agosto 2009 se trasplantaron un total de 49 árboles en dos parcelas experimentales (3x3m) (25 árboles en la parcela uno y 24 en la parcela dos). Se establecieron 2 parcelas piloto idénticas en el 2008 para comparar los resultados de crecimiento durante el primer año. Las parcelas del CETT 910 se caracterizan por tener suelo barrial compactado, mientras que en la Isleta de Hornos tienen suelo de aluvión. Para la preparación del terreno se eliminó el pie de arado con el fin de romper la capa superficial endurecida

2

Villaseñor-López et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 1-8, 2012

Figura 1. Ubicación geográfica del Valle del Yaqui.

del suelo agrícola y facilitar la penetración de las raíces y el agua (Álvarez, 2005). Se utilizó el desbroce mecanizado por trituración para favorecer la incorporación de los residuos al suelo con tratamientos puntuales de la vegetación herbácea. La fertilización se realizó con aplicación nitrogenada y potásica fraccionada a lo largo de la vida de la masa con una programación de fertirrigación en invierno (10-40-10) y verano (2020-20). Se instaló un sistema de riego por goteo para regar las plántulas durante los meses más calurosos con el fin de evitar la defoliación y favorecer el

crecimiento con 2 riegos semanales de 24hr con un volumen de 192 litros por sesión de riego en cada árbol (Ortiz et al. 2010). Las intervenciones silviculturales fueron podas mecánicas, de acuerdo a las necesidades de la plantación. Se realizaron mediciones de altura con cinta métrica y diámetro (a 10 cm de la base) con calibrador vernier en ambas parcelas en el 2009 (medidas mensuales), 2010 (agosto y diciembre) y 2011 (enero). Se obtuvieron datos climáticos de temperaturas promedios, máximas y mínimas registradas en el año a partir de la Estación meteorológica Block 910

3

Villaseñor-López et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 1-8, 2012

CIANO, ubicada dentro de la zona del Valle del Yaqui. Para el procesamiento estadístico se realizó un análisis de varianza de clasificación simple y pruebas de rangos múltiples de Duncan a un 95% de confiabilidad con las variables altura y diámetro.

Los resultados manifiestan un crecimiento favorable durante la fase de vivero, mostrando diferencias significativas (p=0.01) entre cada uno de los meses. Entre los meses de abril y junio se obtuvo una altura media de 27cm. Rodríguez y García (2006), en un estudio de producción de plantas de calidad de Cedrela odorata L. obtuvieron valores inferiores de los que se presentan en este trabajo (40 cm de altura promedio a los cuatro meses). Las variaciones de temperatura constituyen un aspecto importante a considerar en cualquier programa de reforestación. En la figura 3, se muestran los valores mínimos, máximos y promedios de temperatura registrados en el Valle del Yaqui durante el 2009 y 2010 donde se aprecian fluctuaciones entre los valores máximos y mínimos. Las temperaturas en el 2009 fueron superiores a las de 2010. Las temperaturas más bajas se reportaron entre los meses de noviembre y abril (Tmin 2.6°C a 7°C) y las más altas entre los meses de mayo y octubre (Tmax 39°C a 41.5°C). En las figuras 4 y 5, se muestra el comportamiento promedio de la altura y diámetro de los árboles en el tiempo. Los resultados muestran un período prolongado sin incrementos en altura en la etapa inicial de la plantación (agosto-marzo), correspondiendo los meses de noviembre a marzo

Resultados y discusión Durante la etapa de vivero, las plántulas no presentaron problemas de plagas o enfermedades. Esto es debido al aislamiento por medio de mallas antiáfidos y un plan de manejo fitosanitario. En la figura 2 se muestra la altura promedio y desviación estándar de Cedrela odorata L. para los cuatro primeros meses de vida (abril-julio 2009). Al cuarto mes, las plántulas alcanzaron alturas promedio de 54 cm, por lo que las condiciones medioambientales del Valle del Yaqui parecen favorecer el crecimiento en vivero de esta especie. Los resultados obtenidos por Da Mata (2009) y Márquez et al. (2005), en condiciones de trópico húmedo bajo condiciones de vivero controlado, lograron crecimientos en altura de 20 cm en 6 meses, lo que demuestra la alta productividad de la especie en las condiciones climáticas del Valle del Yaqui.

Figura 2. Comportamiento de altura promedio de Cedrela odorata L. en vivero. En las barras letras desiguales difieren significativamente para la prueba de Duncan P≥ 0.05.

4

Villaseñor-López et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 1-8, 2012

Figura 3. Temperaturas medias, mínimas y máximas mensuales para la región del Valle del Yaqui, Sonora, México, durante 2009 y 2010.

Figura 4. Comportamiento de altura promedio mensual para la especie Cedrela odorata L. en dos tipos de suelo de la región del Valle del Yaqui, Sonora, México, durante 2009 y 2010.

donde la planta se encuentra en reposo vegetativo debido al descenso de temperatura, sin embargo en los meses de abril a octubre se observa un incremento considerable en altura, lo cual pudiera deberse a un aumento en la temperatura que favorece el crecimiento sostenido de la especie, inclusive entre los meses de julio y agosto donde se registraron temperaturas máximas de 42°C y

mínimas de 22°C, lo cual indica que la especie responde bien a estos límites de temperatura, siempre y cuando se le garanticen sus necesidades hídricas. En relación al diámetro de los árboles, el comportamiento del diámetro reflejó resultados similares a los registrados en la altura, aunque el tiempo sin crecimiento es más corto (Figura 5). Autores como Beard (1942), refieren que las

5

Villaseñor-López et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 1-8, 2012

Figura 5. Comportamiento del diámetro en la base promedio mensual para la especie Cedrela odorata L. en dos tipos de suelo de la región del Valle del Yaqui, Sonora, México, durante el 2010.

condiciones óptimas para el desarrollo de Cedrela odorata L. oscilan entre los 23°C y 32°C en los meses de calor, lo que demuestra entonces, la gran capacidad de adaptación de la especie y su crecimiento en las condiciones semiáridas del sur de Sonora con sistemas de riego presurizados. Betancourt (1987) y Bascopé (1957) refieren que la especie en condiciones naturales toleran temperaturas de 5°C, sin embargo en el sur de Sonora toleró condiciones de temperatura de -2°C, no siendo así para -5°C manifestando daños en su meristema apical. Manzanilla et al. (2001) reportan que se han encontrado algunos ejemplares en condiciones extremas entre los 28° latitud sur con presencia de algunas heladas, lo que ratifica la tolerancia a condiciones extremas descritas en el 2001. En relación a los sitios, el mayor valor se presentó en el sitio Isleta de Hornos con suelo de aluvión, alcanzando una altura máxima promedio de 3.23 m y diámetro en la base de 7.2 cm en el primer año. Así mismo, los árboles alcanzaron 2.35 m de altura y 6.5 cm de diámetro en el Cett 910 que presenta suelo barrial compactado. En las figuras 6a y 6b se presentan los diagramas de cajas, donde se muestran las diferencias significativas entre ambos tipos de suelo tanto para la variable altura como para el diámetro. Esta diferencia obedece probablemente a las mejores

condiciones de profundidad y textura del suelo. Los resultados obtenidos por Sanchez et al. (2003), en el estado de Veracruz fueron de 1.08 metros de crecimiento, y un diámetro de 1.2 cm anual promedio. Cintron (1981), refiere que en Centroamérica bajo condiciones favorables, se lograron crecimientos de hasta 3 metros y diámetros de 4 cm. Estos estudios con menores resultados en el crecimiento de la especie en estudio, demuestra el potencial que existe para el establecimiento de la especie en el sur de Sonora; específicamente en suelos profundos clase I (aluvión). En la figura 7, se muestra comparativamente el incremento total en altura y diámetro de los árboles para los dos sitios en condiciones climáticas que corresponden a los años 2009 y 2010. Aquí se observa que el incremento en los crecimientos fue menor en 2010 (Villaseñor et al), lo cual pudiera deberse a las condiciones de temperaturas menos cálidas que se presentaron en el 2009. Betancourt (1987), reporta que para la especie en estudio con un buen suelo y adecuada iluminación se obtiene un crecimiento entre 1.3 y 1.8 metros de altura y 1.3 a 1.6 cm de diámetro durante los primeros años. Para enero de 2011, los árbolesa con dos años de crecimiento, alcanzaron 4.20 m en altura y 5.3 cm de diámetro (DAP), en el sitio conocido como Isleta de Hornos y cuyo suelo es de tipo aluvión, mientras que para el Cett 910 con suelo de barrial

6

Villaseñor-López et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 1-8, 2012

a

b

Figura 6. a) Valores medios de altura y b) Valores medios de diámetro, por sitio de siembra. En las barras letras desiguales difieren significativamente para la prueba de Duncan P≥ 0.05.

Figura 7. Comparación del incremento de altura y diámetro de la especie Cedrela odorata L. entre el período del 2009 y 2010 en los sitios, Isleta de Hornos y CETT 910.

compactado, el crecimiento fue de 2.87 m de altura y 3.2 cm de diámetro (DAP), observándose un crecimiento considerable en altura y diámetro en el sitio Isleta de Hornos. Es importante resaltar que durante el estudio, no se registró presencia de Hypsipyla grandella, contrario al caso de Tamaulipas (Ramírez, 2005) y el resto

del continente (Withmore, 1974). Se presume que las bajas temperaturas invernales y la alta contaminación de plaguicidas hacen difícil la presencia de este insecto que afecta a la gran parte de las plantaciones forestales de esta especie. Finalmente, es válido señalar que en febrero de 2011 se presentó un fenómeno atípico en la región,

7

Villaseñor-López et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 1-8, 2012

Beard, J. S. 1942. Summary of silvicultural experience with Cedar in Trinidad. Caribbean forester 3(3):91-102. Cintron, B. B. 1981. Cedrela odorata L. In: Silvics of North America. Hardwood. Agricultural Handbook 654. Washington D.C. USDA. Vol. 2. pp250-257. Da mata, A. 2009. Evaluación de la calidad de la planta de Cedrela odorata L. cultivada en vivero mediante diferentes métodos. Trabajo de diploma. Facultad Forestal y Agronomía. Universidad Pinar del Río, Cuba p 56. Fundación Produce Sonora. 2011. Informe final de actividades del proyecto de especies maderables de interés económico en suelos agrícolas del sur de Sonora. México. Ley Forestal Mexicana. 22 de Diciembre de 1997. Diario oficial de la Federación. Art 1: I-III-IV-V-VI. Manzanilla, B. H., Martinez, D. M. y Martínez, M. A. 2001. Monografías de especies nativas promisorias para el establecimiento de plantaciones forestales comerciales en Jalisco cedro y rosa morada. Documento Técnico. No. 30. FIPRODEFO. Guadalajara, Jal. México. p. 51-73. Márquez, R. J.; Xotla, V.U.; González, T.J.E. 2005. Estudio de germinación y crecimiento inicial de plántulas de Cedrela odorata L. Foresta Veracruzana, año/vol. 7, número 002. Universidad Veracruzana, Xalapa, México. pp45-53. Ortíz, E.J.E., Ramírez, D.J.M., Valdez, G.B., Félix, V.P. 2010. Monitoreo de la Humedad del suelo y Programa de Riego en Naranja (Citrus sinensis) bajo Riego por Goteo en el Valle del Yaqui, Sonora. Inifap, México. Ortiz., M. I.; 2001. Anual Report, Sistemas de teledetección para salvar los ecosistemas. México. CYMMIT. Ramírez, G.C. 2005. Evaluación del crecimiento de una plantación comercial de cedro rojo (Cedrela odorata L.) manejada intensivamente en el sur de Tamaulipas. Chapingo, México. Rodríguez, S. B.; García, C. X. 2006. Producción de planta de calidad para plantaciones exitosas de cedro. INIFAP. México. Sanchez, V. M.; Salazar, G. J. G.; Vargas, H. J. J.; Lopez, U. J.; Jasso, M. J. 2003. Parámetros genéticos y respuesta a la selección en características de crecimiento de Cedrela odorata L. Revista Fitotecnia Mexicana, enero-marzo, año/vol. 26, número 001. Sociedad Mexicana de Fitogenética, A. C. Chapingo, México pp19-27. Withmore, J. L. 1974. Studies on the shootborer Hypsipyla grandela (Zeller) Lep. Pyralidae. Centro Agronómico Tropical de investigación y Enseñanza. Turrialba, Costa Rica. p21. Villaseñor, L.O.; Cabanillas, B.R.; 2010. Establecimiento de plantaciones forestales comerciales con sistema de riego por goteo en suelos agrícolas del Valle del yaqui, México. Vol. 20. Revista Forestal Baracoa, Cuba.

al registrarse una helada tardía con temperaturas mínimas en el sitio Isleta de Hornos de -5°C y de 2°C en el Cett 910. En el Cett 910 los individuos no sufrieron daños en su sistema foliar, sin embargo en Isleta de Hornos a -5°C se presentaron daños en el meristema apical que afectaron el desarrollo deseado para una plantación forestal comercial. Betancourt (1987), refiere que Cedrela odorata L. tolera temperaturas máximas absolutas superiores a 36°C y mínimas por debajo de 5°C. Por su parte Bascopé et al (1957), plantean que la especie posee una amplitud ecológica considerable con respecto al macro clima y tipos de suelo. Sin embargo no existen reportes hasta este momento en la literatura de tolerancia de la especie a temperaturas por debajo de cero grados. Conclusiones Se demostró que la especie Cedrela odorata L. manifiesta un comportamiento favorable en fase de vivero. Se reconoce la amplitud ecológica de la especie, mostrando para las condiciones climáticas del Valle del Yaqui un mejor desarrollo entre los límites de temperatura máximas de 40°C y mínimas de 20°C. Los sitios de estudio resultaron significativamente diferentes, siendo Isleta de Hornos con suelo de aluvión, el de mejor crecimiento. Se demuestra que ésta especie registra un rápido crecimiento cuando tiene humedad disponible, lo que hace posible su establecimiento en programas de reforestación comercial para zonas agrícolas en el sur del estado de Sonora. Bibliografía Alvarez, O. P.; Varona, T. J. C. 2005. Silvicultura. Habana, Cuba. pp152-178. Betancourt, B.A. 1987. Silvicultura especial de árboles maderables tropicales. Editorial científico técnico. Cd. de la Habana, Cuba. pp92-109. Bascopé, F. 1957. El género Cedrela en América. IFLAIC, No. 2 p26.

8

Meza-Escalante et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 9-14, 2012

Evaluación de un proceso desnitrificante en continuo con un consorcio halotolerante. 1*

1

2

2

E.R. Meza-Escalante , G.E. Dévora-Isiordia , M.I. Estrada-Alvarado , M.Y. Soto-Padilla y

F.J. Cervantes-Carrillo3. 1

Departamento de Ciencias del Agua y Medio Ambiente, Instituto Tecnológico de Sonora. Av. 5 de Febrero 818 sur. Cd. Obregón, Sonora, 85000 México. 2 Departamento de Biotecnología y Ciencias Alimentarias, Instituto Tecnológico de Sonora. 3 División de Ciencias Ambientales, Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, San Luis Potosí, México.

Evaluation of denitrifying process in continuous with halotolerant consortium. Abstract Among the biological processes used for the treatment of effluent with nitrogen compounds, is the denitrifying process, which is highly selective for the removal of nitrate coupled to the oxidation of organic matter, including compounds know as recalcitrant, obtaining high percentages removal of substrates; additionally, coupled to the problem of discharges with high content of nitrogen compounds, are watercontainig high concentrations of salts, therefore the aim of this work involves looking for microorganisms capable of carrying out the denitrifying continuous process in conditions of salinity. To achieve this, different microorganisms were isolated on selective medium, which were taken from sediments in the Bay of sea salt (San Ignacio Rio Muerto, Sonora). There were isolated 21 strains, which were characterized morphologically and biochemically, proving that some of them are capable of reducing nitrate. To assess the ability of halotolerant microorganisms isolated to conducting denitrifying process, a upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor under continuously denitrifying conditions was operated, fed with acetate, adjusting the nitrate in a stoichiometric ratio C/N of 1.1 with hydraulic residence time (HRT) of 2 d. The loading rate was 78.1 ± 9.4 mg C-acetate/l.d and 82.8 ± 6.8 mg N-NO3-/l.d showing the complete oxidation of acetate coupled to denitrification, consumption efficiencies obtained during the operation were 100% for the carbon compound and nitrate. Key words Denitrification, salinity, UASB reactor. Resumen Dentro de los procesos biológicos utilizados para el tratamiento de efluentes con compuestos nitrogenados, se encuentra el proceso desnitrificante, el cual es altamente selectivo para la eliminación de nitratos acoplado a la oxidación de materia orgánica, incluyendo a los compuestos conocidos como recalcitrantes, obteniendo elevados porcentajes de eliminación de sustratos; además, aunado al problema de descargas con altos contenidos de compuestos nitrogenados, se encuentran las aguas con elevadas concentraciones de sales, por lo que el objetivo de este trabajo implica buscar microorganismos que sean capaces de llevar el proceso desnitrificante en continuo bajo condiciones de salinidad. Para conseguir este fin, se aislaron diferentes microorganismos en medios selectivos, los cuales fueron tomados de sedimentos procedentes de la salina de Bahía de lobos (San Ignacio Río Muerto, Sonora). Se lograron aislar 21 cepas, las cuales se caraterizaron morfológicamente y bioquímicamente, resultando que algunas de ellas presentaron capacidad nitrato reductora. Para evaluar la capacidad de los microorganismos halotolerantes aislados de llevar a cabo el proceso desnitrificante, se arrancó un reactor de lechos de lodo de flujo ascendente (UASB) en continuo bajo *Autores de correspondencia Email: [email protected]

9

Meza-Escalante et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 9-14, 2012

condiciones desnitrificantes, alimentado con acetato, ajustando el nitrato en una relación estequiómetrica C/N de 1.1 con un tiempo de residencia hidráulico (TRH) de 2 d. La velocidad de carga fue de 78.1 ± 9.4 mg Cacetato/l.d y 82.8 ± 6.8 mg N-NO3-/l.d, observándose la oxidación completa del acetato acoplada a la desnitrificación, obteniendo durante la operación eficiencias de consumo de 100% para el compuesto carbonado y para el nitrato. Palabras clave: Desnitrificación, salinidad, reactor UASB.

características bioquímicas y metabólicas que les permiten vivir en hábitats poco comunes, resultando ser microorganismos muy útiles para el desarrollo de nuevos procesos biotecnológicos. (Margesin & Schinner, 2001; Van den Burg, 2003). Dentro de los extremófilos hay microorganismos que viven y se reproducen en ambientes de elevada temperatura, como las fuentes termales (organismos termófilos). Otros por el contrario, se desarrollan en ambientes fríos, próximos al punto de congelación del agua (psicrófilos). Los hay aquellos que toleran valores extremos de pH, tanto bajos (acidófilos) como altos (alcalófilos) y también existen los que sobreviven en ambientes de gran salinidad (halófilos) (Podar & Reysenbach, 2006). La importancia de los extremófilos se basa en diversos aspectos. De manera particular, las bacterias halófilas moderadas y las halotolerantes han alcanzado recientemente, un gran interés en el campo de la degradación de los residuos tóxicos y constituyen una importante alternativa a los tratamientos microbiológicos convencionales en aquellos casos en los que éstos sean ineficaces, como los procesos industriales que generan aguas residuales salinas. Esto sucede, por ejemplo, en la producción de diversas sustancias químicas como los pesticidas, determinados productos farmacéuticos, industrias de fabricación y manufactura de conservas de productos marinos y vegetales, y los procesos de extracción de petróleo y gas (Castillo et al., 1995; Ramírez et al., 2004). La ecología y diversidad de los microorganismos halófilos es muy variada; muchos de estos microorganismos han sido aislados de hábitats que presentan alta salinidad, ubicados en diferentes puntos geográficos del planeta. (Ventosa et al., 1995). Estas bacterias son fáciles de cultivar y presentan escasos requerimientos nutricionales; su tolerancia a elevadas concentraciones de sales reduce al mínimo el riesgo de contaminación en el laboratorio; además, son útiles en la biodegradación de residuos (Ramírez et al., 2004).

Introducción Poca cantidad del agua del planeta es directamente utilizable para las actividades humanas, ya que la mayor parte está en forma salina o congelada. Según Vitousek et al. (1997), el hombre actual utiliza más de la mitad del agua fresca disponible y alrededor del 70% de ésta, se aplica en la agricultura. Así mismo, las prácticas agrícolas han originado la introducción masiva de nitrógeno en suelos y aguas, causando deterioros y desequilibrio para el ambiente (Smil, 1997; Richardson, 2000). Aunado a la descarga de compuestos nitrogenados al ambiente, se encuentran otros compuestos de gran importancia por sus implicaciones ambientales, como los compuestos orgánicos, de difícil oxidación, conocidos como recalcitrantes. La desnitrificación puede ser definida como un proceso respiratorio en el cual el nitrato es reducido a nitrógeno molecular, ligado a la oxidación de materia orgánica, incluyendo a los compuestos considerados recalcitrantes, hasta CO2, así como la oxidación de compuestos azufrados reducidos (S2-, S2O32-, S0) a sulfato. La eficiencia de eliminación de nitrato, así como el rendimiento de conversión a N2 en el proceso de oxidación, puede ser muy alta y alcanzar valores cercanos al 100% (Sierra-Alvarez et al., 2005; Cardoso et al., 2006, Meza-Escalante et al., 2008). Los procesos fisicoquímicos para la reducción de nitrato pueden alcanzar también eficiencias altas, pero con un alto costo de operación y el requerimiento de disposición final de desechos, por lo que no representan una solución efectiva, ya que sólo trasladan el problema de un lugar a otro (Mateju et al., 1992; Reyes-Avila et al., 2004). Durante las últimas décadas se ha demostrado que las comunidades microbianas pueden encontrarse en diversas condiciones adversas, como temperatura, pH y salinidad, entre otras. Los microorganismos que habitan estos ambientes extremos son llamados extremófilos, y poseen

10

Meza-Escalante et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 9-14, 2012

Hamoda et al. (1995), afirman que el tratamiento de las aguas residuales salobres mediante el uso de lodos activados puede mejorarse mediante la selección progresiva de microorganismos halófilos, aplicando un período previo de aclimatación con salinidad en el agua, pudiendo alcanzar una remoción similar a la de lodos activados convencionales de aguas dulces. Por otra parte, Méndez-Gómez et al. (2008) encontraron que al aumentar la salinidad en el agua residual se produjo una reducción en la cantidad de lodos activados, reportando que al aumentar el período de adaptación de 1 a 3 meses, se logra conservar la eficiencia en la degradación, por lo que se puede aprovechar la condición de este tipo de microorganismos de estar presentes comúnmente a lo largo de las costas. Por otro lado, se ha encontrado que los microorganismos de suelos salinos, como los presentes en el lago de Texcoco, pueden inmovilizar una gran concentración de nitrato (NO3-) en presencia de sustratos que se descomponen fácilmente produciendo nitrito (NO2-) y amonio (NH4+), en el suelo del mismo lago (Vega-Jarquín, 2003), por lo que es interesante evaluar si este tipo de microorganismos extraídos de diferentes sedimentos pueden llevar a cabo el proceso desnitrificante para el tratamiento de aguas residuales con compuestos carbonados y posteriormente, de manera simultánea con compuestos azufrados, en condiciones de salinidad elevada. Cabe señalar que bajo este escenario, se podrían tratar aguas residuales con altos niveles de compuestos nitrogenados y alto contenido de sales como el caso de la industria petroquímica; así como biorremediar sitios como lagunas costeras o lagos salinos.

las muestras se recolectaron en los siguientes 10 cm de profundidad. Las muestras fueron guardadas en condiciones asépticas a una temperatura de -4°C, para su posterior análisis siguiendo la metodología reportada por Valenzuela-Encinas et al. (2009). Aislamiento Se prepararon tres medios selectivos para aislar microorganismos salinos, mismos que se reportan en la literatura, bajo condiciones similares a las del presente estudio; Halovivax, Natronobacter y Marine broth. Se utilizó la técnica de dilución y siembra en placa para el aislamiento de los microorganismos, incubándose por 3 días a 37 °C. Las colonias observadas posteriormente de su incubación se resembraron en el mismo medio de cultivo para obtener la cepa pura (Michael et al., 1993). Medio de crecimiento Los microorganismos aislados crecieron y se conservaron en medio Agar Marine (DIFCO) y Marine Broth (DIFCO). El crecimiento se llevó a cabo a una temperatura de 37 ºC durante 3 días de incubación, a una salinidad del 2 %. Diseño del medio del cultivo para el bioreactor Se puso en marcha un reactor desnitrificante tipo lecho de lodos de flujo ascendente (UASB) de 1.6 l. El influente se constituyó de 2 medios de cultivo (uno con la fuente de N y la fuente de C y el otro con el medio marino), buscando no provocar un stress fuerte al consorcio microbiano, de tal manera que inhibiera su crecimiento. La composición de la fuente de carbono y nitrógeno alimentada al reactor fue (g/l): CH3COONa (1.16), NaNO3 (1.92), KH2PO4 (0.6), K2HPO4 (1.6), MgCl2•6H2O (0.2) y 2 ml/l de la solución de elementos traza, cuya composición ha sido descrita previamente por Meza-Escalante et al., (2008). Para identificar si el reactor se encontraba en régimen estacionario, se realizaron mediciones de los compuestos carbonados (medidos como DQO) y nitrogenados (NO3-, NO2-) en el influente y efluente del reactor respectivamente, para calcular las velocidades de carga y descarga de carbono y nitrógeno con respecto al tiempo.

Materiales y método Sitio de muestreo La zona de muestreo se ubica en Bahía de lobos (San Ignacio Río Muerto, Sonora), el cual se localiza en latitud: 27°24’47’’, longitud: 110° 14’48’’ al suroeste del estado de Sonora. Muestreo Se llevó a cabo tomando dos muestras distintas en las orillas de la salina de Bahía de lobos (San Ignacio Río Muerto, Sonora). Se descartaron los primeros 5 cm de profundidad, con la ayuda de una pala; ya que se logró distinguir sólo sal, por lo que

Métodos de medición Antes de realizar los análisis las muestras fueron filtradas a través de una membrana de nylon de 0.45

11

Meza-Escalante et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 9-14, 2012

µm. Los iones NO3- y NO2- fueron cuantificados por el método de reducción de nitrato a través de una columna de cadmio cuperizado. La materia orgánica fue determinada por el método estándar para determinación de DQO (método HACH). El carbono orgánico total y el carbono inorgánico se determinaron en un analizador de carbono orgánico total. Los sólidos suspendidos volátiles fueron analizados por el método estándar (APHA). Para el análisis del proceso desnitrificante se determinaron variables de respuesta como eficiencias de consumo de sustratos, así como las velocidades específicas de consumo.

Resultados y discusión Obtención y caracterización de las cepas Se obtuvieron 21 cepas aisladas de suelos salinos con características morfológicas distintas, realizando un estudio sobre sus propiedades bioquímicas mostradas en tabla 1. Como se puede observar, las cepas M25, M23E, M25Z M25A, M23C y H14A presentaron actividad nitrato reductasa, por lo que éstas pueden utilizarse en la degradación de residuos tóxicos en un proceso desnitrificante, presentándose por otra parte, una leve actividad nitrato reductasa en las cepas M13E y M23A.

Tabla 1. Características morfológicas y bioquímicas de las cepas aisladas de muestras de sedimentos procedentes de Bahía de Lobos. Nombre

Forma celular

Tinción gram.

Hidrólisis del almidón

Hidrólisis de la caseína

Catalasa

Oxidasa

Gelatina

Caldo nutritivo

Tween 80

Nitrato Reductasa

M14B

Cocoide

+

*

-

-

-

+

-

-

-

M13B

Cocoide

+

-

-

+

+

+

-

-

-

M14A

Bacilar

+

-

-

-

+

-

-

*

-

M23D

Cocoide

+

-

-

-

-

-

-

+

-

N25Y

Cocoide

+

-

+

+

-

+

-

+

-

M13E

Bacilar

+

+

+

+

-

+

-

-

*

H14C

Cocoide

+

-

-

+

-

-

-

*

-

M25

Bacilar

-

+

+

-

+

-

-

+

+

M13D

Cocoide

+

*

-

+

+

-

-

-

-

M23E

Cocoide

+

*

-

+

+

+

-

-

+

M23B

Cocoide

-

-

+

+

-

+

-

-

-

M25Z

Cocoide

+

-

+

-

+

+

-

+

+

H14B

Cocoide

-

-

-

-

-

+

-

-

-

M23A

Cocoide

+

-

-

-

-

-

-

-

*

M23C

Bacilar

+

-

+

-

-

+

-

-

+

H14A

Cocoide

+

*

+

-

-

+

-

-

+

M14C

Bacilar

+

*

-

-

-

+

-

*

-

N25Z

Cocoide

+

+

+

+

+

+

-

-

-

M25A

Cocoide

+

+

-

+

+

+

-

-

+

(*) + levemente

12

Meza-Escalante et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 9-14, 2012

Reactor en continuo El reactor contaba con un dispositivo para la recolección del biogás formado, el cual consistió de una columna de solución salina saturada. El reactor se inoculó con un consorcio elaborado con las 21 cepas microbianas aisladas procedentes de los suelos salinos de la zona de Bahía de Lobos (San Ignacio Río Muerto, Sonora), midiendo la concentración de biomasa, expresada como sólidos suspendidos volátiles (SSV), obteniendo una concentración final de 4.9 g SSV/L. El reactor desnitrificante se alimentó a una relación estequiométrica teórica C/N de 1.1, con acetato como fuente de carbono. Cada medio (marino y fuente de carbono y nitrógeno) se alimentó al reactor a través de una bomba peristáltica obteniendo una concentración al 1% de salinidad y un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 2 días. Durante la operación del reactor, se obtuvieron velocidades de carga de 82.8 ± 6.8 mg N-NO3-/l.d y 78.1 ± 9.4 mg C-acetato/l.d. Como se observa en la figura 1, no hubo presencia de NO3- ni NO2- en el efluente del reactor, obteniendo una eficiencia de consumo de nitrato (ENO3-) del 100 %. La eficiencia en el consumo de los compuestos carbonados, medidos como DQO, fue del 92%. A pesar de no cuantificar el N 2 producido, se puede inferir cómo ocurrió el proceso desnitrificante en base a los datos experimentales

obtenidos; las altas eficiencias de consumo de acetato y nitrato, la presencia despreciable de NO3y NO2- en el sistema, sugieren que la mayoría del nitrato consumido fue reducido a N2 y que el consorcio utilizado como inóculo en el reactor UASB, llevó a cabo el proceso desnitrificante. Conclusiones Los microorganismos aislados en la zona de Bahía de lobos (Sonora), son caracterizados como microorganismos halotolerantes debido a su crecimiento en condiciones de alta y baja concentración de salinidad. Estos microorganismos actualmente constituyen una alternativa importante en la degradación de residuos tóxicos, mostrando la capacidad de llevar el proceso desnitrificante mediante e consumo de la materia orgánica utilizada (acetato), obteniendo una eficiencia de consumo de sustratos del 100%. Agradecimientos Agradecemos el apoyo al PROMEP (103.5/09/4028) por el financiamiento para la realización de la presente investigación, además al Ing. Rafael Angulo del laboratorio de Ecodesarrollo del ITSON por su apoyo en el desarrollo de las técnicas de laboratorio.

Figura 1. Perfil de los compuestos nitrogenados del reactor desnitrificante en continuo.

13

Meza-Escalante et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 9-14, 2012

Razo-Flores, E., Iniestra-González, M., Field, J.A., Olguín-Lora, P. and Puig-Grajales, L. 2003. Biodegradation of mixtures of phenolic compounds in an upward-flow anaerobic sludge blanket reactor. Journal of Environmental Engineering. November: 999-1006. Ramírez, N., Sandoval, A.H., Serrano, J.A. (2004). Las bacterias halófilas y sus aplicaciones biotecnológicas. Rev. Soc. Ven. Microbiol. 24:1-2. Richardson David J. 2000. Bacterial respiration: a fexible process for a changing environment. Microbiology. 146:551-571. Reyes-Avila, J., Razo-Flores, E. and Gómez, J. 2004. Simultaneous biological removal of nitrogen, carbon and sulfur by denitrification. Water Research. 38:3313-3321. Sierra-Alvarez, R., Guerrero, F., Rowlette, P., Freeman, S. and Field, J.A. 2005. Comparison of chemo-, hetero- and mixotrophic denitrification in laboratory-scale UASBs. Water Science and Technology. 52(1-2):337-342. Smil, V. 1997. Global population and the nitrogen cycle. Scientific American. 277(1): 76-81. Van den Burg B. 2003. Extremophiles as a source for novel enzymes. Curr Opin Microbiol. 6(3):213-218. Valenzuela-Encinas, C., Neria-Gonzales, I., AlcántaraHernández, R., Estrada-Alvarado, I., Zavala-Díaz de la Serna, J., Dendooven, L., Marsch,R. 2009. Changes in the bacterial populations of the highly alkaline saline soil of the former lake Texcoco (Mexico) following flooding. Extremophiles. DOI 10.1007/s00792-009-0244-4 Ventosa A., Nieto J.J., Oren A. 1995. Biology of moderatly halophilic aerobic of halophilic microorganisms. World J microb Biotechnol. 11: 85-94. Vega-Jarquín, C., García-Mendoza, M., Jablonowski, N., LunaGuido, M & Dendooven, L. 2003. Rapad inmobilization of applied nitrógeno in saline-alkaline soils. Plant and Soil. 256: 379-388. Vitousek, P.M., Mooney, H.A., Lubchenco, J., Melillo, J.M. 1997. Human domination of earth´s ecosystems. Science. 5325:494-499.

Bibliografía Castillo, P., Bezanilla, J., Amieva, J., Jácome, A. & Tejero, I. 1995. Depuración de agua residual con salinidad variable empleando un proceso de biodiscos (RBC). Ingeniería del Agua. 2(1): 25-30. Cardoso, R.B., Sierra-Alvarez, R., Rowlette, P., Razo, F.E., Gómez, J. and Field, J.A. 2006. Sulfide oxidation under chemolithoautotrophic denitrifying conditions. Biotechnology and Bioengineering. 95(6):1148-1157. Hamoda, M.F., Al-Aattar, I.M.S. 1995. Effects of high sodium chloride concentrations on activated slugde treatment, Wat. Sci. Tech. 31: 61-72. Margesin R., Schinner F. 2001. Potential of halotolerant and halophilic microorganisms for biotechnology. Extremophiles. 5:73-83. Mateju, V., Cizinská, S., Krejeí, J. and Janoch, T. 1992. Biological water denitrification- A review. Enzyme Microb. Technol. 14:170-183. Méndez-Gómez, E., Contreras-Bustos, R., Delgado-Álvarez, C. y Ramírez-Alvarado, J. A. 2008. Factibilidad de tratamiento de las aguas residuales salobres. Memorias del VII Congreso Internacional, XII Congreso Nacional, III Congreso Regional de Ciencias Ambientales. Sonora, México. Meza-Escalante, E.R., Texier, A.-C., Cuervo-López, F., Gómez, J. and Cervantes, F.J. 2008. Inhibition of sulfide on the simultaneous removal of nitrate and p-cresol by denitrifying sludge. Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 83(3):372-377. Michael, Reid, Chan. Microbiología. Editorial Mc Graw Hill, México, Marzo 1993 4ª edición (2ª edición en español). Podar, M. & Reysenbach, A.L. (2006). New opportunities revealed by biotechnological explorations of extremophiles. Current Opinion in Biotechnology. 17: 250-255. Puig-Grajales, L., Rodríguez-Nava, O. and Razo-Flores, E. 2003. Simultaneous biodegradation of a phenol and 3,4dimethylphenol mixture under denitrifying conditions. Water Science and Technology. 48(6):171-178.

14

Rosabal-Carbonell et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 15-20, 2012

Evaluación de la demanda química de oxígeno en aguas de la provincia de Granma, Cuba. Y. Rosabal-Carbonell1, L. Chang-Huerta2*, N. Perez-Aballe1 y J.A. Morales-León2 1

Empresa Nacional de Análisis y Servicios Técnicos ENAST. Laboratorios de Recursos Hidráulicos Granma. Cuba. 2 Facultad de Ciencias Técnicas. Universidad de Granma. Bayamo, Cuba.

Evaluation of chemical oxygen demand in water in the province of Granma, Cuba. Abstract The chemical demand of oxygen (CDO) is one of the main parameters in the quality control of waters; however, it is not applied in the province of Granma, Cuba. With regard to it, an initial study was carried out for its implementation, where three points were investigated in clean waters and four in residual waters. Three samples were taken and ten replicas were carried out in the determination of CDO. The results indicated that in clean waters the CDO is above the maximum permissible average limit for the water dedicated to the human, and adjusted consumption to the range in the case of the one used for the watering. In three of the four places where the samples were taken the oxidation lagoons it is contributed to a high grade of contamination to the receiving bodies. Key words: Chemical demand of oxygen (CDO), waste waters, contamination. Resumen La demanda química de oxígeno (DQO) es uno de los principales parámetros en el control de calidad de las aguas; sin embargo, no se aplica en la provincia de Granma, Cuba. Con respecto a ello, fue realizado un estudio inicial para su implementación, donde se investigaron tres puntos en aguas limpias y cuatro en aguas residuales. De cada uno se tomaron tres muestras y se realizaron diez réplicas en la determinación de DQO. Los resultados indican que en aguas limpias la DQO se encuentra por encima del límite máximo permisible promedio para la destinada al consumo humano, y ajustada al rango en el caso de la utilizada para el riego. En tres de los cuatro lugares muestreados las lagunas de oxidación aportan un alto grado de contaminación a los cuerpos receptores. Palabras clave: Demanda química de oxígeno (DQO), aguas residuales, contaminación.

*Autores de correspondencia Email: [email protected]

15

Rosabal-Carbonell et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 15-20, 2012

evaluación del estado de las aguas y de sus posibles usos, lo que posibilita adoptar medidas para asegurar la calidad (Pérez et al., 1999). El nivel de contaminación de las aguas residuales, en especial la generada por residuos industriales, no se mide, habitualmente, a través de parámetros globales: Demandas de oxígeno, demanda biológica de oxígeno (DBO) y demanda química de oxígeno (DQO), entre otros (Ongley et al., 1997). La DQO es uno de los parámetros más efectivos en el control de la calidad del agua; constituye la cantidad de oxidante químico que se necesita para poder oxidar los materiales contenidos en el agua y se expresa en mg de O2/l. Cuantifica la cantidad de materia orgánica total susceptible de oxidación química (biodegradable y no biodegradable) que hay en una muestra líquida y se utiliza para establecer un nivel de contaminación (Banach et al. 2009). Sin embargo, la DQO no se aplica en la provincia de Granma para la determinación de la carga contaminante de las aguas, por tanto es necesario realizar un estudio para su implementación en el territorio.

Introducción El agua es una sustancia con un gran número de propiedades únicas que la hacen muy importante en el medio ambiente. Es evidente que juega un papel fundamental para la vida en la Tierra (Campos et al., 2009). El potencial hidráulico de la provincia de Granma, en el sudeste de Cuba, es 4 499 hm3 cada año, correspondiendo 3 895 hm3 a aguas superficiales y 604 hm3 a aguas subterráneas. Con el desarrollo hidráulico alcanzado ha sido posible aprovechar, desde la década de los años 1960, un volumen de 1 120.7 hm3 para distintos usos: 87.5 % se destina al riego de los cultivos de arroz, caña de azúcar, cultivos varios, cítricos, frutales, granos y tabaco; el 11 % para el abasto a la población y las instalaciones pecuarias y el 1.5 % para la crianza de peces. La provincia cuenta con 2 425.6 m3 de agua por habitante. El promedio del consumo de agua potable en el territorio es de 133 m3 por habitante cada año. El 72 % de las cuencas hidrográficas granmenses no sobrepasa los 100 km2 y la longitud de las corrientes superficiales no alcanza los 36 km (Quintana, 2005). El fenómeno de la contaminación de las aguas se ha convertido en un problema cada vez más complejo debido al tipo y diversidad de los contaminantes, además los sistemas convencionales de evaluación se fundamentan en indicadores que no reflejan la calidad del agua con la exactitud requerida (Pérez et al., 2002). La contaminación del agua procedente de fuentes difusas es el resultado de un amplio grupo de actividades humanas, donde los contaminantes no tienen un punto preciso de ingreso en los cursos de agua que los reciben, es decir, pueden introducirse en cualquier punto del ciclo hidrológico (Nickson et al., 2005). Las aguas superficiales pueden contaminarse durante el proceso de escorrentía desde las cuencas hidrográficas; los arroyos y ríos por el vertido de aguas residuales y las aguas subterráneas por infiltraciones y contaminación subterránea. El arrastre de los contaminantes en el subsuelo termina agregándolos en aguas superficiales, costeras y subterráneas, por lo que son más difíciles de identificar, medir y controlar (Jonge et al., 2002). El manejo y control de la calidad de las aguas constituyen problemas asociados a la contaminación ambiental, requieren el uso de métodos confiables para dar respuestas rápidas y eficaces a la

Materiales y método Para los análisis de DQO se utilizaron muestras de aguas limpias de tres localidades de la provincia de Granma, Cuba, Potabilizadora de Santa Isabel, Embalse “Paso Malo” y Río Arroyón. De igual manera se tomaron muestras de aguas residuales de origen industrial procedentes de dos Empresas Azucareras “I” y “II” de los municipios Río Cauto y Bayamo, una Empresa Porcina de Manzanillo y un Laboratorio Farmacéutico de Bayamo. La toma y procesamiento de los diferentes tipos de muestras de agua se realizó según las metodologías establecidas en las normas ISO 5667-1 (1980), NC 93-02 (1986), ISO 5667-2 (1991), ISO 5667-3 (1994), ISO 5667-9 (1994), NC 27 (1999), EQS (2002). De cada punto de muestreo se tomaron tres muestras y se les realizaron diez réplicas según NC 27 (1999) y EQS (2002). Durante la realización de los análisis, las muestras se mantuvieron a una temperatura de 25 ºC y humedad relativa del 45 %. Para el análisis utilizaron los materiales y equipos disponibles en el Laboratorio de Control de la Calidad del Agua perteneciente a la Empresa Nacional de Análisis y Servicios Técnicos de la Unidad Empresarial de Base Granma. La preparación de las disoluciones para los ensayos

16

Rosabal-Carbonell et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 15-20, 2012

químicos y el desarrollo de la técnica instrumental para la determinación de DQO se ejecutaron según APHA (1997). Los valores procesados corresponden a las medias de cada uno de los puntos muestreados. Se utilizó el paquete estadístico STATGRAPHICS Plus versión 8.0.

límites permisibles para el vertimiento de las aguas residuales al cuerpo receptor (≤ 700 mg/l). Los residuales azucarados de la Empresa Azucarera “II” que se caracterizan por contener levaduras del género Saccharomyces, presentaron valores medios en la entrada de la laguna de oxidación de 29147.7333 mg/l y en la salida 77738.1000 mg/l (Tabla 2). Aquí la DQO estuvo por encima del límite máximo permisible promedio. En los residuales porcinos generados por la Empresa Porcina de Manzanillo que se incluyó en el estudio, los valores medios en la entrada de la laguna de oxidación es de 78300.1333 mg/l (Tabla 2), mayores que el límite máximo permisible promedio para el vertimiento de las aguas residuales. En la compañía farmacéutica, los valores medios de DQO a la salida del proceso fabril es de 2158.9333 mg/l y a la salida de la laguna de oxidación mostró valores de 40.6823 mg/l, encontrándose dentro de los rangos permisibles para el vertimiento de los residuales.

Resultados Aguas limpias No existen variaciones significativas de los valores de DQO, encontrándose dentro de los límites permisibles (menor de 300 mg/l) para las aguas limpias. La muestra tomada en la potabilizadora de Santa Isabel, el valor de DQO fue 10.4513mg/l. En el Río Arroyón presentó un valor de 21.2606 mg/l. En el embalse “Paso Malo”, el valor de DQO fue de 22.7213mg/l (Tabla 1). Aguas residuales El primer objeto de muestreo para aguas residuales fue la Empresa Azucarera “I”. Los resultados arrojaron que los valores medios en la entrada de la laguna de oxidación es de 35.7877 mg/l; en la laguna intermedia de 50.3323 mg/l y en la salida de la laguna de oxidación de 50.1163 mg/l (Tabla 2). Estos valores de DQO se encuentran dentro de los

Discusión APHA (1997) utiliza una disolución de dicromato de potasio cuya concentración molar en equivalentes es 0.5 mol/l en ácido sulfúrico al 50 %.

Tabla 1. Valores de Demanda Química de Oxígeno en aguas limpias Lugar de muestreo varianza S media

CV%

Potabilizadora Santa Isabel (potable)

10.4513

0.0023

0.0466

0.4418

Presa Paso Malo (riego)

22.7213

0.0057

0.0696

0.3156

Río Arroyón (riego)

21.2606

0.0033

0.0546

0.2539

: Media; S: Desviación estándar; CV%: Coeficiente de variación.

Tabla 2. Valores de Demanda Química de Oxígeno en aguas residuales. Lugar de muestreo Varianza S Media Emp. Azucarera “I”

Emp. Azucarera “II” Emp. Porcina Manzanillo Industria Farmacéutica

CV%

E.L.O.

35.7877

0.0253

0.1424

0.3929

L.O.Interm.

50.3323

0.0261

0.1458

0.2919

S.L.O. E. L. O.

50.1163 29147.7333

0.0438 28.4815

0.1845 4.6366

0.3696 0.0159

S. L. O.

77738.1000

7.3074

2.6665

0.0034

L.O

78300.1333

4.1444

1.9431

0.0025

2158.9333

3.4555

2.0544

0.0955

S. Planta

S. Residual 40.6823 0.1138 0.3332 0.8155 E.L.O.: Entrada de la laguna de oxidación; S.L.O.: Salida de la laguna de oxidación; L.O.Interm.: Laguna de oxidación intermedia; LO: Laguna de Oxidación.

17

Rosabal-Carbonell et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 15-20, 2012

Bajo estas condiciones, con sulfato de plata como catalizador, la mayoría de los compuestos son oxidados entre un 90 y 100 %. Este proceder, entonces, resulta adecuado para la determinación de la materia orgánica oxidable en las aguas, tanto limpias como residuales. Las determinaciones de DQO en aguas limpias, mediante este método, muestran que los valores obtenidos se encuentran por debajo del límite máximo permisible promedio según NC 93-11 (1986) y NC 27 (1999). Los valores correspondientes al %CV para cada muestra son bajos, siendo inferiores a 3 % como valor crítico establecido para los métodos espectrofotométricos (Noguez et al., 2009). Los valores de DQO de las muestras tomadas en el Río Arroyón y el Embalse “Paso Malo” no tienen semejanzas significativas. Sin embargo, las determinaciones en las muestras tomadas de la potabilizadora Santa Isabel son menores que en los puntos antes mencionados, con una diferencia de más de 10 mg/l, por lo tanto, las aguas del Embalse “Paso Malo” y del Río Arroyón tienen más contaminación por materia orgánica oxidable que la potabilizadora de Santa Isabel; pudiendo estar condicionada por la actividad humana sobre estos cuerpos receptores, además de la carga contaminante que adquiere de forma natural. La contaminación del agua, entonces, sería, la incorporación de materias extrañas, como microorganismos, productos químicos, residuos industriales y de otros tipos, o aguas residuales. Estas materias deterioran la calidad del agua y la hacen inútil para los usos pretendidos (Nahlik et. al. 2006). Llama la atención que los valores obtenidos se encuentran por encima del límite máximo permisible promedio para el agua destinada al consumo humano (≤ 7 mg/l), según las normas ISO 5667-9 (1994), NC 27 (1999) y EQS (2002). Teniendo en cuenta la NC 27 (1999) estas aguas se clasifican como clase A: Ríos, embalses y zonas hidrogeológicas que se utilizan para la captación de aguas destinadas al abasto público y uso industrial en la elaboración de alimentos. En esta norma se especifica que las descargas de aguas residuales no podrán producir una disminución del oxígeno disuelto en los cuerpos receptores superficiales a valores menores de 4 mg/l. Por otro lado, los valores correspondientes al %CV para cada muestra de aguas residuales son bajos (Tabla 2), siendo inferiores a 3% como valor crítico

establecido para los métodos espectrofotométricos según Noguez et al. (2009). Se observa que la DQO en las aguas residuales de la Empresa Azucarera “I” es menor en la entrada de la laguna de oxidación que en la laguna intermedia y en la salida; este hecho puede estar asociado a la saturación acumulada por los años de explotación, lo cual es visible a través de la gruesa capa de lodo que habitualmente se deposita en esta clase de objetos bajo la condición mencionada, o que entre los residuales generados por la industria se encuentren moléculas orgánicas complejas de difícil degradación. En este caso la DQO es inferior al límite máximo permisible promedio (≤ 700 mg/l) para la descarga a su cuerpo receptor y teniendo en cuenta la NC 27 (1999) el cuerpo receptor de estos residuales se clasificaría como C: Ríos, embalses, zonas hidrogeológicas de menor valor desde el punto de vista del uso, tales como, aguas de navegación, riego con aguas residuales, industrias poco exigentes con respecto a la calidad de las aguas a utilizar, riego de cultivos tolerantes a la salinidad y al contenido excesivo de nutrientes y otros parámetros, siempre que se cumpla con el principio de que las descargas de aguas residuales no podrán producir una disminución del oxígeno disuelto en el cuerpo receptor superficial de 2 mg/l. Los residuales azucarados con levaduras del género Saccharomyces, procedentes de la Empresa Azucarera “II”, presentan valores mayores al límite máximo permisible promedio para el vertimiento de estas aguas residuales según lo normado en Cuba (NC 27, 1999). Los valores determinados de DQO en las muestras tomadas a la entrada de la laguna de oxidación son menores que los de la salida de la misma, mostrando que no realiza su función debido a que se encuentra saturada con los desechos de la industria y está aportando una carga contaminante mayor al cuerpo receptor de estos residuales que los que está produciendo la propia instalación. Los residuales con Saccharomyces, producto de la fermentación de las mieles, aumentan los valores de la DQO al compararlos con los residuales azucarados que produce la Empresa Azucarera “I” y son mayores que los reportados por Obaya et al. (2004) en un estudio realizado en las aguas residuales de la Empresa Mielera “Heriberto Duquense” en Remedios, Villa Clara, Cuba. De acuerdo con la clasificación empleada para el vertimiento de los residuales al cuerpo receptor (NC 27, 1999), los residuales generados por la Empresa

18

Rosabal-Carbonell et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 15-20, 2012

Azucarera “II” son calificados como C. La DQO de los residuales generados por la Empresa Porcina de Manzanillo es la más alta comparada con las correspondientes a los otros cuatro puntos muestreados para las aguas residuales. En primera instancia, estos resultados coinciden con los reportes de García (2003) y ratifican que, efectivamente, los vertimientos de la industria cárnica generan múltiples problemas de contaminación del medio, debido a que presentan altos contenidos de materia orgánica, compuestos grasos, sólidos en suspensión y nutrientes (nitrógeno y fósforo). En segundo lugar, los valores de DQO excesivamente superiores a los establecidos en NC 27 (1999), -superando 100 veces el límite máximo permisible promedio (700 mg/l), incluso para otras normas también (EQS, 2002), y 10 veces el límite superior del estudio realizado por García (2003) en un matadero porcino español, son una consecuencia directa de la inexistencia de tratamiento previo de estos residuales antes de ser vertidos a las redes hidrográficas de la provincia de Granma, convirtiéndose en un serio problema de contaminación medioambiental a nivel local. A los efectos de la norma NC 27 (1999), el cuerpo receptor para estos residuales se clasifica como C. En el caso de la Industria Farmacéutica, los valores de DQO a la salida del proceso fabril fueron elevados, pues las determinaciones fueron realizadas en residuales sin tratamiento alguno. No obstante, fueron menores que los residuales producidos por las Empresas Azucareras incluidas en este estudio y la Empresa Porcina de Manzanillo. En la salida de la laguna de oxidación, los valores de DQO fueron mucho menores que los generados a la salida del proceso fabril, demostrando que la laguna de oxidación cumple su objetivo al degradar la mayor cantidad de materia orgánica oxidable posible. Es importante señalar que esta laguna de oxidación recibe una gran cantidad de residuales de medicamentos que incrementan los valores de DQO. El cuerpo receptor para estos residuales es de tipo C y los valores se encuentran por debajo del límite máximo permisible promedio (NC 27, 1999; EQS, 2002). La Industria Farmacéutica es la única entidad de las muestreadas que cumple con las medidas de protección del medio ambiente y con lo especificado en las normas citadas. El análisis estadístico realizado a las muestras de aguas limpias se determinó que el p-valor del test F

es inferior a 0.05 mostrando la existencia de diferencia estadísticamente significativa entre las medias estudiadas con un nivel de confianza del 95.0%. El valor de para aguas limpias fue: F=368.954 para p=0.000 La estadística para las muestras de aguas residuales el p-valor del test F es inferior a 0.05 mostrando que existe diferencia estadísticamente significativa entre las medias estudiadas con un 95% de confianza. El valor de para aguas residuales fue: F=2.78994 para un p=0.018. Conclusiones En los lugares muestreados para el agua limpia el parámetro DQO se encontró dentro del límite máximo permisible promedio para el riego y por encima para la destinada al consumo humano. Se determinó que en tres de los cuatro lugares muestreados las lagunas de oxidación aportan un alto nivel de contaminación a los cuerpos receptores. La DQO en las aguas residuales en la Empresa Azucarera “II” y la Empresa Porcina de Manzanillo se encuentra por encima del límite máximo permisible promedio que está normado. Bibliografía APHA, A. WWA,WPCF. 1997.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th ed. APHA. Washington. 1425-1435pp. Banach, Esteve, G., Cordón, Casero, S., Torrents y Gimeno, A. 2009. Estudio de la calidad ambiental de la Bahía de Cárdenas para un futuro Manejo Integrado de Zonas Costeras. Universitat de Girona, Universidad Camilo Cienfuegos de Matanzas. Gestverd Serveis Ambientals. (http://www.gestverd.com) Campos Medina E, Gómez Hinojos A M. 2009.Tratamiento de aguas residuales mediante irrigación gamma. Quivera. 1:1221 pp. EQS. 2002. Enviromental Quality Standards for Water Pollution. Japan. Ministry of the Environment. (http://www.env.go.jp/en/lar/regulation/wp.html) García Expósito, I. 2003. Departamento Técnico de Nilo Medio Ambiente, S.L., IBÉRICA: actualidad tecnológica. 469: 572575pp. Jonge, V.C., Elliott M, Orive E. 2002. Causes, historical development, effects and future challenges of a common environmental problem: eutrophication. Hydrobiologia 475:1-19pp. Nahlik A, Mitsch W. 2006. Tropical treatment wetlands dominate by free-floating macrophytes for water quality improvement in Costa Rica. Ecological Engineering. 28:146247pp Noguez, M., Norma, A., Rubio, M., Alejandro, Rojas, O., Irma, Chávez, C. y Ángel, E. 2009. Determinación del coeficiente

19

Rosabal-Carbonell et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 15-20, 2012

de partición y del pKa de la 4,4´-diaminodifenilsulfona a partir de datos de solubilidad, Revista Mexicana de Ciencias Farmacéuticas, 40: 12-18pp. Nickson, R.T., McArthur, J.M., Shrestha, B., Myint, T.O. y Lowry, D. 2005. Arsenic and other drinking water quality issues, Muzaffargarh District, Pakistan. Applied Geochemistry, 20: 55-68p. Norma ISO 5667-1. 1980. Muestreo de aguas. (http://www.nconline.cubaindustria.cu) Norma ISO 5667-3. 1994. Calidad de agua. Muestreo. Guía para la preservación y manipulación de muestra. (http://www.nconline.cubaindustria.cu) NC 27. 1999. Vertimiento de aguas residuales a las aguas terrestres y al alcantarillado. Especificaciones. (http://biblioteca.idict.villaclara.cu/UserFiles/File/Normateca /NC-27-99%20Vertimiento.pdf) Norma ISO 5667-9. 1994. Calidad de agua. Muestreo. Guía para el muestreo de aguas marinas. (http://www.nconline.cubaindustria.cu) Norma Cubana 93-02. 1986. Agua potable. Requisitos sanitarios y muestreo. (http://www.nconline.cubaindustria.cu) Norma ISO 5667-2. 1991. Técnicas de muestreo. (http://www.nconline.cubaindustria.cu)

Norma Cubana 93-11. 1986. Fuentes de abastecimiento de agua. Calidad y protección sanitaria. (http://www.nconline.cubaindustria.cu) Obaya Abreu, C. et al. 2004. Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA). Tecnología del agua. 249:78-85pp. Ongley, ED. 1997 Lucha contra la contaminación agrícola de los recursos hídricos. FAO. Center for Island Waters. Burlington, Canadá. 55-68pp. Pérez, NB, Creach, L, Marañón, A., Fernández, A., Guerra, H. y Díaz, I. 1999. Evaluación de la calidad de las aguas del río Los Guaos de la provincia de Santiago de Cuba. Revista Cubana de Química, 11: 25-35pp. Pérez, N., Marañón, A., López, C., Pérez, Y., González, A., Cascaret, D., Pelegrin, F. y Guerra, I. 2002. Contaminación de las aguas del río Cobre en la zona de la mina grande de El Cobre. Revista Cubana de Química, 14: 24-34pp. Quintana Valdés, E.O. y Álvarez Amargos, P.M. 2005. Análisis del índice de repetibilidad (IR) de la sequía en el período 1981-2000 en la provincia Granma. Tecnología Química, 9: 25-36pp.

20

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

Capacidad de retención de hidrocarburos empleando subproductos industriales , A. Tintos-Gómez 1, M. Patiño-Barragán 3, G. Hernández-Zárate 4, J.C. Chávez-Comparan 1, C. O. Pinzón-Guerrero 1, C. Gómez-Clavijo 1 y J. E. ZamoraCastro 5.

C. Lezama-Cervantes

1,2*

1

Facultad de Ciencias Marinas - Universidad de Colima. Km. 20carr. Manzanillo-B. de Navidad. Manzanillo, Col. C. P. 28860. México. 2 Colegio Julieta Fierro. Privada Limón 2B 54. B III. Valle de las Garzas. Manzanillo, Col. C. P. 28219. México. 3 Centro Universitario de Investigaciones Oceanológicas. Universidad de Colima. Manzanillo, Col. México. 4 Laboratorio de Investigación de Recursos Acuáticos. Instituto Tecnológico de Boca del Río Veracruz. México. 5 Departamento de Ciencias Básicas e Ingenierías. Universidad del Caribe. Cancún. Q. Roo. México.

Oil retention capacity of industrial by-products Abstract Crude oil derivatives have been responsible to relevant damage to environmental and public health. Recently, biotechnology has been explored the use of new materials that offer environmentally friendly technologies as a sustainable strategy that will enhance the conditions to mitigate contaminated sites. This study was performed to evaluate the potential useful of the natural sorbents for diesel fuel, motor oil SAE 20W-50, and cooking oil removal from water. Six types of sorbents were investigated: Palm sawdust, pine sawdust, banana extrude were tested as cellulosic type of sorbents; human hair, canine hair and chicken feathers were tested as chitinous sorbents. A statistical analysis (p < 0.05) showed that Pine and canine hair sorbents have the highest index sorption regarding to by-products sorbents. The overall assessment showed that chitinous sorbents present a superior sorption capacity than cellulosic materials. Both chitinous and cellulosic sorbents showed the best sorption efficiency (p ≤ 0.05) to motor oil, followed to cooking oil. The diesel fuel was the hydrocarbon that showed the lowest sorption potential (5.33, 4.02, and 3.39, respectively). A significant difference was observed (p ≤ 0.05) at the slurry index, followed the next order: pine dust ≤ chicken feathers ≤ Moss ≤ canine hair. On other hand, some by-products showed medium index sorption, however these always have a good retention levels. The results suggest that the use of by-products tested area feasible technology of low-cost, and environmentally safe to remediation of contaminated sites by oil derivates. Key words hydrocarbons, spills, spill cleanup. Resumen El petróleo y sus derivados pueden ocasionar daños al ambiente y a la salud pública. Para mitigar y restablecer estos ambientes, el hombre con la tecnología actual ha buscado materiales amigables con el ambiente. Por ello, este estudio evalúa el uso de materiales naturales para recuperar del agua; diesel, aceite de motor y aceite de girasol. Los materiales investigados son subproductos industriales como: aserrín de palma, aserrín de pino y extrusado de plátano como sorbentes de tipo celulósico y cabello humano, plumas de pollo y pelo canino como sorbentes quitinosos. El análisis estadístico de los resultados (p ≤ 0.05) mostró que el aserrín de pino y el cabello humano presentaron los índices de sorción más altos de los subproductos propuestos. En general se observó que los derivados de origen quitinoso presentaron una mayor capacidad de retención que los materiales celulósicos. Ambos materiales mostraron un índice de retención significativamente mayor (p ≤ 0.05) con relación al aceite de motor, seguido por el aceite de girasol, en contraste el diesel presentó el menor potencial de retención (5.33; 4.02 y 3.39, respectivamente). Los *Autores de correspondencia Email: [email protected], Tel-Fax. 3143311205 ext. 53223

21

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

materiales evaluados mostraron diferencias significativas (p ≤ 0.05) en el porcentaje de es escurrimiento, siguiendo el orden: aserrín de pino ≤ plumas de pollo ≤ musgo ≤ pelo canino. Algunos materiales a pesar de presentar un índice de retención intermedio, poseen una alta capacidad para evitar el escurrimiento del combustible. Los resultados sugieren que estos productos residuales representan una tecnología económica y segura para la biorremediación de sitios contaminados por hidrocarburos. Palabras clave: derrames de petróleo, limpieza de derrames, recuperación de petróleo.

y lirio acuático han sido probados exitosamente para remediar suelos y recuperar hidrocarburos del suelo (Ortiz et al., 2006 y García-Torres et al., 2011). El análisis de retención de los materiales propuestos fue desarrollado a partir de protocolos aplicados al proceso de sorción de hidrocarburos con modificaciones para probar su efectividad sobre compuestos del petróleo y aceite vegetal.

Introducción A nivel mundial la actividad petrolera ha simbolizado prosperidad y oportunidad, pero también representa contaminación, debido a derrames tanto accidentales como imprudenciales. Las áreas de mayor afectación frecuentemente son las más susceptibles de la biosfera; ríos (superficiales y subterráneos), lagos, lagunas, mares y muy particularmente los humedales (Lushnikov et al., 2006). La industria petrolera afecta a estos ecosistemas desde la fase exploratoria y persiste a lo largo de todo el proceso productivo. También se impactan zonas agrícolas y habitacionales, lo que incide en la salud humana. Para mitigar una contingencia por derrame de hidrocarburos, el tiempo de reacción para contener y recuperar el material es el factor cardinal. En el ámbito terrestre en México (como en otros países), la respuesta operativa es rápida pero de acuerdo a Prince et al. (2003) el éxito de esta etapa depende también de la disponibilidad de materiales absorbentes y del equipo de recuperación, y a pesar de esto, la situación puede descontrolarse en derrames de magnitud considerable (IOSC, 2008). Los materiales empleados para la sorción de hidrocarburos son usualmente derivados orgánicos inertes como poliéster, poliestireno, polipropileno, rayón y nylon (Choi y Moreau, 1993), materiales que por su persistencia pueden representar un problema ambiental mayor (Zetterberg et al., 1999; Khan et al., 2004) que el mismo hidrocarburo. La mayoría de los materiales sorbentes a nivel industrial son productos de alto valor comercial, lo que limita su uso. En el presente trabajo se analiza la capacidad de retención de diversos sub-productos de bajo valor agregado, abundantes en la región de Colima (México) tales como el vástago de plátano y el aserrín de palma entre otros, comparando su efectividad con la espuma de poliéster (dacron) y musgo del género Sphagnum utilizados como controles. Subproductos de la caña de azúcar, coco

Materiales y método Derivados agroindustriales evaluados. Se probaron seis subproductos industriales con elevada disponibilidad en los municipios de Colima, Tecomán y Manzanillo (Colima, México), tres de ellos de origen celulósico: aserrín de pino (Pinus sp.) nombrado como Pin, aserrín de palma (Cocos nucifera) etiquetado como Palm, extrusado de vástago de plátano (Musa paradisiaca) llamado Ban, y tres de origen quitinoso; cabello humano (Hhair), pluma de pollo (Feath) y pelo canino (DogH). Como controles se utilizaron la espuma de poliéster (dacron; * TM Dupont) llamado Dac y el musgo del genero Sphagnum (*TM Simple Green) denominado como Moss. Estos últimos son industrialmente usados en la recuperación de hidrocarburos (Khan et al., 2004; Ortiz et al., 2006; Ibarra et al., 2010). Hidrocarburos seleccionados Para la prueba de sorción se utilizaron dos compuestos derivados del petróleo; diesel (gasoil o gasóleo), nombrado como Die y aceite de motor multigrado (clasificado como SAE 20W-50) denominado para este trabajo como MotO, ambos manufacturados por Petróleos Mexicanos (PEMEX), así como también aceite para cocinar nuevo (aceite de girasol), nombrado como Sunf. Caracterización de los insumos. Los materiales propuestos fueron colectados en las zonas industriales donde se produjeron entre los

22

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

meses de marzo y octubre de 2008. Se colocaron en bolsas herméticas y fueron transportadas vía terrestre al Laboratorio de Química de la Facultad de Ciencias Marinas UCOL (Manzanillo, Col., México). Con el propósito de eliminar la humedad, los materiales fueron tratados a 60 ºC por 24 horas y posteriormente fueron caracterizados en base a la: 1) flotabilidad, en una mezcla de aceite de motor: diesel: aceite de girasol (1:1:1); 2) flamabilidad (prueba ASTM-D1230 -para materiales textiles); 3) densidad (método gravimétrico-volumétrico); 4) clasificación granulométrica y 5) la disponibilidad, basada en la accesibilidad del recurso, capacidad de almacenaje en el sitio de producción y el costo asociado hasta su traslado al laboratorio. Los combustibles seleccionados (distribuidos por PEMEX) fueron analizados in vitro para determinar su densidad, mientras que la viscosidad y punto de combustión fueron extraídas de fichas técnicas (Die; HDSS PR-323 y MotO; API SM).

combustible (g) a 1 ó 15 min y ps; el peso del sorbente seco (g). Adicionalmente, todas las almohadillas fueron dejadas en reposo durante un periodo de 15 min, al término del cual nuevamente fueron pesadas. La diferencia gravimétrica refiere la pérdida por escurrimiento del sorbente que es expresada con la ecuación: E= (pi -piH) / pi x100, donde E; es el escurrimiento (%), pi; peso del sorbente impregnado de combustible (g) a 1 ó 15 min y piH; peso del sorbente (g) con combustible remanente al término de 15 min. Análisis estadístico. Para explorar la capacidad de retención de los materiales, se diseñó una matriz con 3 combustibles, 8 sorbetes, de 4 repeticiones y una vez que los datos acreditasen homogeneidad de varianza y normalidad o una transformación estándar (Zar, 1984), se analizó la variabilidad del índice de sorción de los subproductos mediante una ANDEVA uni-factorial (Yamane, 1999) y para análisis a posteriori se aplicó el discriminante múltiple de StudentNewman-Keuls. La capacidad de retención a diversos tiempos y entre los dos protocolos explorados, se ponderó a través del coeficiente de correlación (r) (Yamane, 1999; Miller and Miller, 2002). Estos análisis se realizaron con una confianza del 95% ( = 0.05), usando el software Statistical 5.5 (StatSoft, Inc. OK, USA.).

Fase experimental. La prueba de retención se basó en los protocolos ASTM F-726 y CAN/CSGB-183.2-4, que estiman la capacidad de sorción de los materiales a granel en un tiempo de 1 y 15 min. Como una modificación al método, los materiales de prueba se colocaron en el interior de una bolsa (almohada) elaborada de organza (textil sintético de poliéster/nylon, malla 140 ó 0.104 mm) a doble capa, de 15 cm de largo y 2 cm de diámetro, se pesaron vacíos y llenos de cada uno de los sorbentes a una precisión de 0.001 g. Se planteó que el peso del relleno no presentara una variación máxima de 0.5 g entre almohadillas del mismo material y que entre todos los materiales el peso del relleno oscilara alrededor de 8.0 ± 1.5 g. Para probar la capacidad de retención de las almohadillas, los combustibles fueron vertidos en contenedores rectangulares de 3.8 litros de capacidad, formando una capa de 4.5 ± 0.2 cm, sobre la cual se introdujeron las almohadillas por cuadruplicado (n = 4), dejándolas flotar sobre el combustible por 15.0 ± 0.3 min. Transcurrido este tiempo, las almohadillas fueron extraídas, puestas a escurrir por 15 segundos, se colocaron sobre papel aluminio (pre-pesado) y nuevamente fueron pesadas. La capacidad de retención se estimó a partir de la siguiente ecuación: CR = (pi – ps) / ps, donde CR; es la capacidad de retención (g combustible/g sorbente), pi; peso del sorbente impregnado de

Resultados y discusión Materiales probados como sorbentes. Las propiedades físicas de los sorbentes se reportan en la Tabla 1. Todos los materiales probados mostraron una flotabilidad superior al 92.8% en la mezcla de aceite de motor: diesel: aceite de girasol (1:1:1), lo cual sugiere la posibilidad de una aplicación aceptable en contingencias por hidrocarburos que acontecieren en aguas abiertas, de ocurrencia común (SAIC, 2003). Ninguno de los subproductos celulósicos probados resultaron flamables, en contraste a los derivados quitinosos y espuma de poliéster (Tabla 1), cuya flamabilidad resultó significativamente más alta (p ≤ 0.05). Sin embargo, la mayor velocidad de ignición fue registrada con el dacron (Dac). Esto revela un menor potencial ignífugo de las fibras vegetales propuestas, a diferencia de los materiales de naturaleza antropogénica empleados para este

23

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

Tabla 1. Características de subproductos industriales probados para retener hidrocarburos. Característica Material evaluado Flamabilidad Celulósicos Aserrín de palma (Palm)

*

Malla

‡

Densidad (g cm-3)

Disponibilidad

No

-18/+70

0.125

Muy alta

Aserrín de Pino (Pin)

No

-18/+70

0.139

Alta

Extrusado de vástago (Ban)

No

-18/+70

0.095

Muy alta

Quitinosos Cabello humano (Hhair)

Si

-

0.126

Media/ Baja

Cabello Canino (DogH)

Si

-

0.118

Media/ Baja

Plumas de pollo (Feath).

Si

-

0.158

Baja

Controles Polyester -Dacron (Dac)

Si

-

0.089

Alta

No

-18/+70

0.131

Baja/ Muy baja

-

-

Alta

Musgo - Sphagnum (Moss) Cubierta (almohadillas) Poliéster * ‡

Si

Prueba estándar para materiales textiles. Pasa la malla 18 (1.0 cm) pero se retiene en la 70 (0.211 cm).

propósito (Choi y Moreau, 1993; Khan et al., 2004). Los materiales sorbentes vegetales fueron seleccionados para pasar por una malla de 1.0 cm y ser retenidos en una malla de 0.21 cm (-18/+70), este proceso permitió homogenizar el área y volumen de contacto físico de cada material con los combustibles. Los materiales quitinosos así como del poliéster -por sus características físicas- fueron probados en su estado natural. La densidad de todos los materiales probados osciló entre 0.089 y 0.158 g cm-3 (Tabla 1), estos valores fueron consistentes registrando una variación máxima en las plumas de pollo con una variabilidad del 26.1% en peso, dispersión inevitable debida al tamaño heterogéneo de las plumas. La disponibilidad de los materiales resultó variable (Tabla 1), desde muy alta para los subproductos celulósicos; Palm y Pin, intermedia para los quitinosos; Hhair y DogH, a baja con Feath y muy baja con el control musgo. La totalidad de los derivados vegetales resultaron con una excelente disponibilidad a nivel regional (Colima, México), en contraparte la baja o muy baja disponibilidad de los materiales quitinosos fue la limitada capacidad o posibilidad de almacenar los subproductos. Muchos de los sorbetes comerciales utilizados en la sorción de hidrocarburos tienen un costo elevado (3M, SlickBar; Choi y Moreau, 1993; Khan et al., 2004) asociado a desarrollos tecnológicos patentados, o

tienen otras aplicaciones por lo cual su valor agregado es mayor, como en el caso del Sphagnum que es muy utilizado en hidroponía (Hebert y Hebert, 2008; Ibarra et al., 2010). Esto sugiere la factibilidad de industrializar algunos subproductos agroindustriales de bajo costo que permitan hacer frente a las contingencias que se presentan de manera cotidiana en regiones portuarias, donde se trasiegan y transportan hidrocarburos (Anónimo, 2009a; Anónimo 2009b). Combustibles de prueba. Los combustibles a partir de los cuales se evaluó la capacidad de retención presentan una densidad (Tabla 2) que es equiparable a hidrocarburos ligeros y medianos (SAIC, 2003), también los valores de la viscosidad corresponden a esta clasificación. Estas variables, así como la temperatura de combustión, son similares a los hidrocarburos que se transportan vía terrestre y marítima tanto en México como en otras naciones y son un buen ejemplo del nivel de riesgo ígneo que representan estos hidrocarburos. Fase experimental. La capacidad de retención en los materiales probados revela una tendencia general para recuperar combustibles tanto para 1 min como a 15 min y debido a que el protocolo (ASTM F-726) establece una condición estática, es común observar en periodos de 1 min valores de retención menores

24

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

Tabla 2. Parámetros específicos de los combustibles utilizados en la prueba de retención. Característica Combustible Densidad* (g·cm-3) Derivados fósiles Diesel (Die)

Viscosidad (cP)

Punto de Combustión (ºC)

0.843

3-4

96

Aceite de motor (AAut)

0.927

195-210

>294

Aceite Vegetal Aceite de cocina (Sunf)

0.912

165-175

>271

*

Evaluada a 25ºC.

que, a 5 min, lo cual indica un estado de subsaturación de los subproductos, esto es particularmente notable con el aceite de motor (AAut) y girasol (Sunf), en los cuales los subproductos Pin, DogH, Feath y Moss permanecen parcialmente saturados a 1 min, pero aumentan significativamente su capacidad de retención a 15 min en más del 27.8% (p ≤ 0.05). Esto coincide con SAIC (2003) al probar la sorción a 1 y 15 min con combustibles densos (3, 290 y 2050 cP), pero difiere de forma parcial con Ortiz et al., (2006) quienes señalan que materiales como fibra de caña, de coco y de lirio, se saturan en menos de 1 min. Lo anterior sugiere que algunos derivados vegetales pueden saturarse en poco tiempo (por su estructura y red filamentosa), sin embargo, el aserrín de pino (Pin) y el musgo (Moss) así como los subproductos de origen quitinoso (DogH, Feath y Hhair) requieren más tiempo. Por esta razón y para tener la certeza de medir una retención total en todos los materiales probados, se decidió analizar solamente los índices de retención a un tiempo de 15 min y desarrollar el protocolo estadístico para este periodo de tiempo (Tabla 3). Los índices de retención de los materiales probados se muestran en la Tabla 3. En promedio los subproductos celulósicos y quitinosos registran valores más altos de retención en el aceite de motor (MotO), seguido por el aceite de girasol (Sunf) y finalmente por el diesel (Die) (respectivamente 5.33, 4.02 y 3.39 g combustible/g de material), sin embargo solo los derivados quitinosos muestran valores estadísticamente altos en MotO (p ≤ 0.05, Tabla 3), mientras que en Die y Sunf, la retención de todos los subproductos probados fue similar. Esto sugiere que sustratos vegetales presentan una mayor retención de hidrocarburos pesados como el MotO que con los ligeros como Die. Esta observación es concordante con Teas et al., (2001),

Bayat et al., (2005) y Ortiz et al., (2006). Los bajos valores de retención de los subproductos vegetales registrados en este ensayo también se explican por su naturaleza hidrofílica o polar, la cual le impide saturarse de los combustibles probados, cuya específica conformación no polar (Beom-Goo et al., 1999) conduce a obtener valores de sorción exiguos. Lo contrario ocurre con los derivados quitinosos, que presentan una conformación de naturaleza similar a los combustibles, y registran una capacidad de sorción promedio más alta que los vegetales, como ocurre con el MotO, con valores de 6.05 g combustible/g de material, significante a todos los materiales probados (p ≤ 0.05). A pesar de lo anterior, el aserrín de pino muestra una retención consistente y estadísticamente superior en los combustibles Die y Sunf (4.56 y 7.72 respectivamente; p ≤ 0.05) e importante en MotO (5.65) aunque no significante (p > 0.05). Estos valores de retención pueden ser explicados a partir del hecho de que en muchos materiales el proceso de retención ocurre en base a una cinética dependiente principalmente de la estructura o arreglo del material (Ortiz et al., 2006) y que estos factores actúen de forma sinérgica en el Pin, aunado a lo anterior se agrega la naturaleza típica del aserrín de pino, que contiene residuos de aceites los cuales originan un material oleofílico (Choi y Moreau 1993; Beom-Goo et al., 1999) logrando una capacidad de retención superior. La capacidad de retención (CR) obtenida utilizando almohadillas (protocolo ASTM F-726 modificado) se muestra en la figura 1. Estos valores de la CR fueron muy consistentes comparados con a los obtenidos con los materiales a granel (r = 0.935), y a pesar de registrarse valores inferiores en las almohadillas, las diferencias no fueron

25

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

Tabla 3. Índice de retención promedio (±DE; n=4) de subproductos agroindustriales y controles probados en la retención de combustibles*. Capacidad de retención (CR) sobre: Material Aceite de motor (MotO)

Aceite de cocina (Sunf)

2.97 (0.28) b

3.58 (0.20) a

2.32 (0.35) a

4.56 (0.17)

c

5.65 (0.31)

c

6.81 (0.38) c

2.18 (0.27)

a

4.56 (0.13)

b

4.46 (0.22) b

4.23 (0.24) c

7.72 (0.21) d

3.93 (0.16) b

b

c

4.18 (0.32) b

Diesel (Die) Celulósicos Aserrín de palma (Palm) Aserrín de Pino (Pin) Extrusado de vástago (Ban) Quitinosos Cabello humano (Hhair) Cabello Canino (DogH)

3.28 (0.28)

Plumas de pollo(Feath).

3.14 (0.53) b

4.70 (0.34) b

2.40 (0.27) a

Controles Polyester -Dacron (Dac)

5.97 (0.54) d

8.60 (0.39) e

7.57 (0.53) d

5.46 (0.39) d

7.79 (0.37) d

6.59 (0.17) c

0.19 (0.07)

0.45 (0.10)

0.34 (0.09)

Musgo - Sphagnum (Moss) Cubierta (almohadillas) Poliéster‡

5.67 (0.15)

*

Los valores de la capacidad de retención por combustible (columna) que comparte letra superíndice no son significantes (P > 0.05). ‡ Textil sintético con una porosidad de 0.1mm (malla 140). No incluido para en el escrutinio estadístico.

Retenciòn (g combustible /g material)

10

8 6 4 2

0 Palm

Pin

Ban

Hhair

DogH

Feath

Dac

Moss

Material

Figura 1. Capacidad de retención de los subproductos y controles utilizados para la recuperación de diesel -Die (□), aceite de motor -MotO (■) y aceite de cocina - Sunf (■). Las líneas verticales encima del histograma indica la desviación estándar (n=4).

significativas (p > 0.05), estos índices representan entre el 76.3 y el 111.6 % de la capacidad de retención registrada con el protocolo ASTM F-726 (Tabla 3). Lo anterior indica que el protocolo propuesto (materiales empacados) es reproducible y permite valorar de forma axiomática la capacidad de retención, y por tanto puede constituir un modelo

apropiado para evaluar los sorbetes propuestos toda vez que mimetiza la aplicación de sorbentes como; almohadillas, “snakes” o “booms”, tal como ocurre en una contingencia real. Comparativamente, la retención de los materiales control superó a la mayoría de los sorbentes propuestos, como se observa al probar con Diesel: Dac y Moss > Pin y Hhair, para el aceite MotO: Dac

26

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

>Moss y Hhair y en el caso del aceite Sunf: Dac > Pin y Moss. (p ≤ 0.05; Tabla 3 y Fig.1). A pesar de estas diferencias significantes, los tres subproductos agroindustriales con mayor capacidad de retención en los tres combustibles probados representan entre el 53 y 90% de la capacidad del dacron, mientras que con respecto al musgo la relación oscila entre el 58 y 103% (Tabla 3; Fig. 1). Lo anterior indica que algunos residuos industriales, que representan un problema de manejo para su disposición y confinamiento, como el vástago de plátano (Ban), el cabello humano y el canino (Hhair y DogH) así como el aserrín de pino (Pin), puedan ser utilizados eficientemente en la recuperación de combustibles o derivados hidrofóbicos, logrando con ello conferir un valor agregado a estos subproductos, circunstancias similares a las propuestas por Choi y Moreau (1993), Khan et al., (2004) y Bayat et al., (2005). Los niveles de retención encontrados en este trabajo pueden reflejar índices comparativamente inferiores a los materiales control, no obstante estos índices de retención pudieran ser mejorados mediante tratamientos físicos o químicos como sugieren Teas et al., (2001), Ramos et al., (2004), Oliveira et al., (2005) y Ortiz et al., (2006) o bien mediante la integración de dos o más materiales. Por otro lado, el uso de estos materiales alternativos que resultan 100% biodegradables, puede coadyuvar en la reducción del impacto ambiental que representan los materiales sintéticos comúnmente usados en la

recuperación del petróleo y sus derivados (Choi y Moreau, 1993; Zetterberg et al., 1999; Khan et al., 2004). El manejo de las almohadillas utilizadas en el ensayo para evaluar la capacidad de retención, posibilitó también -una vez extraída la almohadillaestimar el escurrimiento del combustible al término de 15 min (Fig. 2), estos valores representan un indicador de la pérdida potencial de combustible durante el transporte o almacenaje de los unidades de recuperación, de la misma forma en que ocurriría durante el manejo, transporte o confinación de los materiales usados durante una contingencia. Una alta capacidad de retención o sorción de los materiales favorece el proceso de mitigación y limpieza de hidrocarburos, sin embargo el escurrimiento debe ser evaluado, en virtud de la incapacidad de algunos materiales para retener el combustible como se aprecia en la figura 2, con el Dac en diesel (Die) con una pérdida superior al 35% (en masa), el Hhair con Die y MotO (más del 29%), la fibra de vástago de plátano (APla y Ban) con una pérdida cercana al 30% en todos los combustibles y el Palm con el aceite de cocina (Sunf). Los subproductos que registraron el menor escurrimiento promedio con respecto a todos los materiales probados en los tres combustibles fueron Pin ≤ Feath y Moss ≤ DogH (p ≤ 0.05). Una posible explicación a estos valores proviene de su hidrofobicidad, observada desde la prueba de flotabilidad en agua, logrando estos subproductos

Escurrimiento ( %)

50 40 30

20 10 0 Palm

Pin

Ban

Hhair

DogH

Feath

Dac

Moss

Material Figura 2. Peso promedio de las almohadillas rellenas de subproductos y controles después de 15 min de haberse extraído del contenedor con combustible, revelan el peso perdido por escurrimiento sobre diesel -Die (□), aceite de motor -MotO (■) y aceite de cocina -Sunf (■). Las líneas verticales sobre el histograma indica la desviación estándar DE (n=4).

27

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

los índices más altos. Aunado a esto, el arreglo de las fibras en DogH y la configuración en el Pin y Moss, produce un efecto capilar específico, que permite retener más combustible durante un mayor tiempo (Choi y Moreau, 1993). Los resultados indican que los materiales celulósicos y quitinosos propuestos, a pesar de tener capacidad de retención menor a los controles, retienen por más tiempo el material combustible recuperado, en contraposición al dacron (poliéster). El aserrín de pino (Pin) supera en esta prueba tanto al musgo como al dacron (Fig. 2; P ≤ 0.05). Estos resultados coinciden con el trabajo de sorción dinámica de Khan et al., (2004) al probar poliéster y otros materiales. Lo anterior sugiere que en la selección de materiales sorbentes no solo la capacidad de retención /sorción debería ser considerada, sino también debe hacerse referencia a la pérdida por escurrimiento, la cual puede ocurrir durante el manejo del material sorbente durante la contención-recolección in situ o durante su eventual transporte a la zona de disposición (IOSC, 2008).

de este proyecto. Bibliografía Anónimo 2009a. Hemeroteca del Diario de Colima. Edición no. 18742 del 3 de Septiembre de 2009. p. B1. En: http://www1.ucol.mx/hemeroteca/ (Acceso en Febrero 1 de 2011). Anónimo 2009b. Archivo Histórico. Edición del 6 de Septiembre de 2009. Sección 7. En: http://www.ecosdelacosta.com.mx. (Acceso en Diciembre 8 de 2011). Bayat A, Aghamiri S., Moheb A. y Vakili-Nezhaad G. 2005. Oil Spill Cleanup from Sea Water by Sorbent Materials. Chemical Engineering & Technology. 28: 1525-1528. Beom-Goo L., Han J. S.y Rowell R. M. 1999. Oil sorption by lignocellulosic fibers. En: Kenaf Properties, Processing and Products. Mississippi State University, Ag & Bio Engineering. USA. P. 423-433. Choi H. M. y Moreau J. P. 1993. Oil sorption behavior of various sorbents studied by sorption capacity measurement and environmental scanning electron microscopy. Microscopy Research and Technique 25: 447-455. García-Torres R., Ríos-Leal E., Martínez-Toledo A., RamosMorales F. R., Cruz-Sánchez J. S y Cuevas-Díaz M. del C. 2011. Uso de cachaza y bagazo de caña de azúcar en la remoción de hidrocarburos en suelo contaminado. Rev. Int. Contam. Ambie. 27: 31-39. Herbert S. y Herbert M. 2008. Aquaponics in Australia. The Integration of Aquaculture and Hydroponics. Australia 150 pp. Ibarra J. T., Anderson C. B., Altamirano T. A., Rozzi R. y Bonacic C. 2010. Diversity and singularity of the avifauna in the austral peat bogs of the Cape Horn Biosphere Reserve, Chile. Cien. Inv. Agr. 37: 29-43. IOSC -International Oil Spill Conference. 2008. Guía Internacional Propuesta para la Evaluación de Planes y Preparativos para Respuesta a Derrames de Hidrocarburos. Informe Técnico IOSC-009. Washington, D.C. USA. 77 pp. Khan E., Virojnagud W. y Ratpukdi T. 2004. Use of biomass sorbents for oil removal from gas station runoff. Chemosphere 57: 681-689. Lushnikov S. V., Frank Y. A. y Vorobyov D. S. 2006. Oil decontamination of bottom sediments experimental work results. Earth Sci. Res. J. 10: 35-40 Miller J. y Miller J. 2002. Estadística y quimiometría para química analítica. Edit. Prentice- Hall. Madrid. 278 p. Oliveira K., Albala R., Ramos M., Pinto C., Freire M. y Valenzuela-Díaz F. 2005. Brazilean Organoclays as Nanostructured Sorbents of PetroleumDerived Hydrocarbons. Materials Research. 8: 77-80. Ortiz, D., Andrade F., Rodríguez G. y Montenegro L. 2006. Biomateriales sorbentes para la limpieza de derrames de hidrocarburos en suelos y cuerpos de agua. Revista Ingeniería e Investigación 26: 20-27 Prince R. C., Lessard R. R. y Clark J. R. 2003. Bioremediation of Marine Oil Spills. Oil Gas Sci.Technol.58: 463-468. Ramos M., Franco J., Pinto C., Valenzuela F. y Büchler P. 2004. Sorption of oil Pollution by Organoclays and a Coal/ Mineral Complex. Brazilian Journal of Chemical Engineering. 21: 239-245. SAIC -Science Applications International Corporation. 2003. Recoverit Sorbet Testing. Proy: SOR-01-059 Final report. Canada. 6 pp.

Conclusiones Los resultados indican que los derivados quitinosos presentan en términos generales una mayor capacidad de retención que los celulósicos y así mismo ambos registran un mayor índice de sorción hacia los combustibles de mayor densidad/ viscosidad como los aceites de motor y de cocina (MotO y Sunf). De los sorbentes probados, el aserrín de pino (Pin) y el cabello (Hhair) recuperan más combustible que el resto de materiales propuestos y el Pin presenta el menor índice de escurrimiento promedio de todos los materiales, incluyendo a los sorbentes comerciales (dacron y musgo). Seguramente el valor futuro de los subproductos utilizados permitiría su aplicación en la sorción de hidrocarburos, a pesar de su posible demanda industrial les asigne un cierto valor agregado. Agradecimientos Al programa Ramón Álvarez-Buylla de Aldana (convenios 638/08 y 627/09) que de forma concurrente patrocino la fase operativa de este trabajo y al personal de la Coordinación de Investigación Científica y de la Facultad de Ciencias Marinas que coadyuvaron en la ejecución

28

Lezama-Cervantes et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 21-29, 2012

Teas Ch., Kalligeros S., Zanikos F., Stournas S., Lois E. y Anastopoulos G. 2001. Investigation of the effectiveness of absorbent materials in oil spills clean up. Desalination. 140: 259-264. Yamane, T. 1999. Estadística. Edit. Harla. México. 771pp. Zetterberg, A., Fejes J., Anderson S. y Svenson A. 1999. Sorbents for oil and chemical spill development of methodology to assess environmental impact. International Oill Spill Conference. No. 464.5 pp. Zar, J. H. 1984. Biostatistical analysis. Prentice-Hall. USA. 718 pp.

29

M. S. Karlin et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 30-45, 2012

Relaciones entre propiedades de suelo, comunidades vegetales y receptividad ganadera en ambientes salinos (Salinas Grandes, Catamarca, Argentina). M. S. Karlin*, E. V. Buffa, U. O. Karlin, A. M. Contreras, R. O. Coirini y E. J. Ruiz Posse Facultad de Ciencias Agropecuarias, Universidad Nacional de Córdoba, Valparaíso S/N, Ciudad Universitaria, C.P. 5000, C.C. 509, Córdoba, Argentina. Tel: +54 (0351) 4334116 (Int. 505). Fax: +54 (0351) 4334118..

Soil properties, plant communities and carrying capacity relationships in saline areas (Salinas Grandes, Catamarca, Argentina). Abstract Saline areas are considered marginal for the development of agriculture due to high contents of soluble salts in the soils. However, they hold species of great productive potential. In this work the region of Salinas Grandes, Catamarca (Argentina) has been studied, where several communities of peasants are settled and make use of the local natural resources. Saline areas involve zones, where adapted plants form a physical barrier against wind and water, accumulating materials transported by these agents, modifying the edaphic conditions and allowing the settlement of plant species less adapted to high salt content. The decrease of salinity and the increase of the sandy topsoil thickness in the soils of Salinas Grandes would allow the settlement of new plant populations, increasing the plant diversity of communities and their productive potential. The main objective of this paper is to establish the relationships between main soil characteristics and plant cover, plant diversity and carrying capacity. Soil and vegetation were sampled defining five homogeneous zones. Key species were identified in order to define management units. Soil parameters are adequately related with those of vegetation (R2 between 0.51 y 0.95). The decrease of electrical conductivity and pH, and the increase of sandy topsoil thickness, modify plant communities, increasing plant cover, biodiversity and carrying capacity. The latter also relates positively with biodiversity. Electrical conductivity can be used to predict carrying capacity. Biodiversity can be used as preliminary indicator for carrying capacity. The analysis of floristic composition has proven to be a good differentiator of the units of environmental management, that for the study area were three: Salinas, Plains and Highlands. Key words: plant diversity, carrying capacity, plant cover, salinity, pH, topsoil. Resumen Las áreas salinas son consideradas marginales para el desarrollo de la producción agrícola debido a las altas concentraciones de sales solubles en el suelo. Sin embargo, albergan especies de gran potencial productivo. En este trabajo se estudia las Salinas Grandes, Catamarca (Argentina), región en la que se asientan numerosas comunidades de campesinos que utilizan los recursos naturales locales. Las áreas salinas presentan diferentes zonas en las cuales las plantas adaptadas forman barreras físicas frente al viento y al agua, acumulando materiales transportados por dichos agentes, modificando las condiciones edáficas y permitiendo la instalación de especies menos adaptadas a altos contenidos salinos. La disminución de la salinidad y el aumento en el espesor del horizonte arenoso superior en suelos de las Salinas Grandes permitiría la instalación de nuevas poblaciones vegetales, incrementando la diversidad de las comunidades vegetales y su potencial productivo. El objetivo propuesto es el de establecer las relaciones entre las características principales del suelo y la cobertura vegetal, la diversidad florística y la receptividad ganadera. Se muestrearon *Autores de correspondencia Email: [email protected]

30

M. S. Karlin et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 30-45, 2012

suelo y vegetación definiendo cinco zonas homogéneas. Se identificaron especies clave para definir unidades de manejo. Los parámetros del suelo se relacionan adecuadamente con los de vegetación (R 2 entre 0,51 y 0,95). La disminución de la conductividad eléctrica y pH, y el incremento del espesor del horizonte arenoso superficial afectan las comunidades vegetales, incrementando la cobertura vegetal, la diversidad y la receptividad ganadera. La receptividad ganadera también se relaciona positivamente con la diversidad. La conductividad eléctrica y la diversidad florística pueden ser utilizadas como indicadores preliminares de la receptividad ganadera. El análisis de la composición florística se ha mostrado como buen diferenciador de las unidades de gestión ambiental, que para la zona de estudio fueron tres: Salinas, Llanos y Altos. Palabras clave: diversidad florística, receptividad ganadera, cobertura vegetal, salinidad, pH, horizonte superficial.

de las plantas locales, y evaluaron la capacidad de algunas plantas para absorber agua del suelo. Recientemente, una clasificación ambiental más detallada de la zona ha sido realizada por Ruiz Posse et al. (2007) a modo de caracterización de este ecosistema. En Salinas Grandes, el uso de los recursos forrajeros consiste en un pastoreo extensivo rotativo a lo largo del año, a través de las diferentes zonas, de acuerdo con la cantidad y calidad de forraje (Cavanna et al., 2010). La delimitación de las tierras con alambrado reduce el área de pastoreo y el número de especies disponibles para los animales, lo que provoca el aumento de la presión ganadera y degradación del medio, reduciendo la cobertura vegetal, la diversidad florística y la receptividad ganadera. En base a esto, el objetivo del presente trabajo es el de establecer las relaciones entre las características principales del suelo y las de las comunidades vegetales, a través del estudio de: i) la estructura del sistema, mediante la evaluación de parámetros edáficos (conductividad electrica, pH y profundidad del horizonte superficial arenoso) y de las comunidades vegetales (cobertura, diversidad florística y receptividad ganadera); ii) la relación entre las variables edáficas y topográficas sobre las de la vegetación en la región de las Salinas Grandes. Por otra parte se pretende, a partir de la composición florística, definir áreas homogéneas para el estudio, evaluación y manejo de los recursos naturales.

Introducción Las áreas salinas son consideradas marginales para el desarrollo de la producción agrícola debido a las altas concentraciones de sales solubles en el suelo, afectando la capacidad de las especies vegetales para aprovechar el agua del suelo y reduciendo la disponibilidad de algunos nutrientes. Sin embargo, estas áreas albergan especies de gran potencial productivo, siendo algunas de ellas endémicas. La presencia de parches de vegetación en estos ecosistemas genera microambientes con características particulares en las que las especies vegetales usan los recursos diferencialmente (Whitford, 2002). En la República Argentina, las zonas salinas ocupan alrededor de 2,5 millones de hectáreas, de las cuales 20% corresponden a lagos salinos efímeros o permanentes (Cantero et al., 1998). En Salinas Grandes, Catamarca (Argentina), la vegetación se desarrolla en zonas con diferentes características edáficas, formando parches donde se desarrollan distintas comunidades vegetales (Ruiz Posse et al., 2007). En esta región se asientan numerosas comunidades de campesinos, quienes hacen uso de los recursos naturales. La vegetación local tiene una importancia fundamental desde el punto de vista ambiental, económico y cultural. La información disponible sobre el área de estudio y sobre el comportamiento de este tipo de sistemas es escasa (Cantero et al., 1998). Se han publicado algunos estudios sobre suelo y geomorfología (Dargám, 1995) donde se describen la taxonomía del suelo y las unidades geomorfológicas. Además, estudios de vegetación fueron hechos por Ragonese (1951) quien describe las comunidades, la riqueza florística, e identifica las especies endémicas. Sívori y Ragonese (1952) estudiaron los valores osmóticos

Materiales y método El área de estudio se ubica en la porción más austral de la Provincia de Catamarca (Argentina). Las coordenadas geográficas extremas son 29º16'17 " S – 65º03'25" W hacia el norte, 29º36'30" S –

31

M. S. Karlin et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 30-45, 2012

65º31'47" W hacia el oeste, 29º36'24" S – 64º50'55" W hacia el este, y 30º07'14" S – 65º24'43" W hacia el sur. Cubre un área de 400 000 hectáreas, que incluyen geoformas de playas, salinas y llanuras aluviales (Miró et al., 2005), desarrollándose entre 150 y 210 metros sobre el nivel del mar (msnm) (Ruiz Posse et al., 2007) (Figura 1).

escala 1:100.000 y SIG-250 del IGM. Se utilizaron imágenes satelitales Landsat 7 ETM + (path/row 230 80 y 230 81), correspondientes al 30 de enero de 2003. Mediante técnicas de análisis visual de la composición de color falso estándar (RGB 543) y el Índice de Vegetación Normalizado (IVN), y en base a la identificación del campo, se seleccionaron 42

Figura 1. Mapa ambiental de las Salinas Grandes.

La región presenta un clima continental, mesotérmico, semi-árido, con inviernos secos, altos rangos térmicos, oscilación de lluvias importante, y altas tasas de evapotranspiración. La temperatura media anual es de 20,5ºC (Dargám, 1995), mientras que los valores de precipitación anual varían entre 300 y 500 mm, y se concentran principalmente entre noviembre y marzo (Ruiz Posse et al., 2007). La evapotranspiración potencial anual es de 950 mm, lo que resulta en déficit de agua durante todo el año. Los vientos son relativamente frecuentes, soplando de noreste a suroeste y de este a oeste (Ragonese, 1951) durante los meses más secos, responsables de la formación de dunas. Varias zonas fueron identificadas de manera preliminar en el área de estudio a través de técnicas de teledetección, utilizando como base cartográfica cartas del Instituto Geográfico Militar (IGM) en

zonas de muestreo para ser utilizadas en la clasificación supervisada. Con el algoritmo de Mahalanobis se hizo una pre-clasificación con el fin de estimar las probabilidades, a priori, de cada clase para el clasificador de máxima similitud. La clasificación final se hizo con seis bandas de la imagen, además del IVN como grupo artificial. Finalmente, se obtuvo una imagen con cinco clases. Esta imagen permitió identificar unidades homogéneas y definir las zonas de muestreo. Se identificaron cinco unidades fisiográficas homogéneas. En terreno, se hicieron observaciones visuales de cada unidad fisiográfica, apoyadas por la cartografía básica. A través de la cartografía básica y observaciones de campo, estas unidades fueron identificadas y clasificadas definitivamente. Algunas se describen en Ruiz Posse et al. (2007) y

32

M. S. Karlin et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 30-45, 2012

fueron re-clasificadas para este trabajo. En base a la clasificación realizada por Ruiz Posse et al. (2007) y, como resultado de nuevos análisis de teledetección, observaciones fisiográficas, estudio de la vegetación (Tabla 1) y determinación de la salinidad del suelo (Figura 2), las unidades fisiográficas identificadas (se denominarán “zonas” en adelante) fueron re-clasificadas (Figura 1) en: 1. Bajos: Estas áreas presentan pendientes inferiores a 0.1%, siendo atravesadas por dunas vegetadas. En la playa, los materiales son depositados por agua de escorrentía y por acción del viento, formando zonas de transición, debido a la variación espacial en la concentración salina del suelo, espesor del horizonte superficial arenoso y clases texturales. Es posible identificar las siguientes zonas: Salina Vegetada (SV), Llanos Inundables (LI), y Monte Con Influencia Salina (MCIS). a. Salina Vegetada: Son llanuras con períodos prolongados de inundación (aproximadamente una semana después de una lluvia intensa), influenciadas por la presencia de una freática fluctuante a poca profundidad durante todo el año. La profundidad del agua subterránea varía entre 0.00 y 0.90 m (Dargám, 1995). En estas zonas se observan lodos arcillosos cubiertos por una fina costra de sal. Pueden observarse pequeños parches de vegetación en el centro de la cuenca, con especies de cierto valor forrajero (Cavanna et al., 2010). Los suelos dominantes (Soil Survey Staff, 2006) son Aquisalids cálcicos y Haplosalids gípsicos. Dominan en esta zona especies halófitas tales como Heterostachys ritteriana (Moq.) Ung.-Sternb. y Allenrolfea patagonica (Moq.) Kuntze. Ambas especies crecen juntas, formando comunidades arbustivas bajas y abiertas, con cobertura vegetal escasa. H. ritteriana es tolerante a muy altos contenidos de sal en el suelo y a inundaciones periódicas (Sívori y Ragonese, 1952), siendo la primera especie que aparece desde el centro de la cuenca. También es característica de estas zonas Distichlis acerosa (Griseb.) Speg., un importante pasto estolonífero consumido por el ganado vacuno, especialmente durante el invierno (Cavanna et al., 2010), cuando otras especies

forrajeras son escasas en los Altos. Esta especie aparece asociada a A. patagonica y H. ritteriana, como consecuencia de los materiales depositados por los procesos fluviales y eólicos, en forma de parches. b. Llanura Inundable: La profundidad del agua subterránea varía entre 1.30 y 3.36 m (Dargám, 1995). En esta zona se identificaron Haplosalids cálcicos, con contenidos salinos más bajos y con menor frecuencia de inundación que Salina Vegetada. Aparecen algunas especies forrajeras halófitas importantes, aumentando la receptividad ganadera. Atriplex argentina Speg., Cyclolepis genistoides D. Don y Maytenus vitis-idaea Griseb. son las especies dominantes. c. Monte Con Influencia Salina: Los suelos presentan una capa superficial franco-limosa a franco-arenosa debido a la acumulación de materiales provenientes de la cuenca, depositados sobre horizontes subsuperficiales de materiales más finos arcillo-limosos. La profundidad del agua subterránea varía entre 3.02 y 8.50 m (Dargám, 1995). Los suelos predominantes son, como en el caso anterior, Haplosalids cálcicos. Dominan Mimozyganthus carinatus (Griseb.) Burkart, Stetsonia coryne (SalmDyck) Britton y Rose, M. vitis idaea, A. argentina y Geoffroea decorticans (Gillies ex Hook. y Arn.). 2. Altos: Incluye las Dunas (D) y Monte con Escasa Influencia Salina (MEIS). Estas zonas muestran pendientes superiores al 1% debido a la influencia de las Sierras de Ancasti. No hay poblaciones vegetales dominantes y la composición de las especies depende del grado de disturbio. d. Dunas: Formadas por deposiciones de arena fina por efecto eólico, debido a procesos de deflación de la cuenca, siendo fijadas por la vegetación. La profundidad del agua subterránea varía entre 3.02 y 3.70 m (Dargám, 1995). Estas dunas son longitudinales y muchas de ellas están situadas en paralelo a la costa salina, con un ancho que varía de 30 a 50 m y alturas de hasta 2 m, formando cadenas elongadas en dirección NE-SW, coincidiendo con los

33

M. S. Karlin et al. / Revista Latinoamericana de Recursos Naturales 8 (1): 30-45, 2012

Tabla 1. Tabla fitosociológica sintética de las Salinas Grandes. SV: Salina Vegetada, LI: Llano Inundable, MCIS: Monte con Influencia Salina, MEIS: Monte con Escasa Influencia Salina, D: Duna. Las áreas bordeadas indican las especies representativas de cada zona. † Especies clave definidas por test ANOVA (LSD Fisher, p