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Revista Chapingo serie ciencias forestales y del ambiente
versão On-line ISSN 2007-4018versão impressa ISSN 2007-3828
Rev. Chapingo ser. cienc. for. ambient vol.27 no.2 Chapingo Mai./Ago. 2021 Epub 26-Jan-2024
https://doi.org/10.5154/r.rchscfa.2020.05.033
Artículo científico
Daños químico-mecánicos causados por el hongo de pudrición café Gloeophyllum trabeum (Pers.) Murrill en madera de Pinus pseudostrobus Lindl.
1 Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera. Gral. Francisco J. Múgica s/n, Ciudad Universitaria. C. P. 58030. Morelia, Michoacán, México.
Introducción:
La madera es propensa a ser utilizada como fuente de carbono por especies de hongos que la dañan. La durabilidad de la madera ha sido categorizada de acuerdo con la pérdida de peso sin considerar la disminución de las propiedades fisicoquímicas y mecánicas inherentes.
Objetivo:
Evaluar cómo afecta la pérdida de peso a las propiedades fisicoquímicas y mecánicas de la madera de Pinus pseudostrobus Lindl. expuesta al hongo de pudrición café Gloeophyllum trabeum (Pers.) Murrill.
Materiales y métodos:
Piezas de madera aserrada de P. pseudostrobus se inocularon con 50 mL de G. trabeum (106 UFC∙mL-1). Periódicamente (cero, tres, seis y nueve meses), y con la ayuda de una máquina universal de ensayo, se analizó la compresión paralela, la flexión estática (FE) y la compresión perpendicular a la fibra (CPF); además, se cuantificó la holocelulosa, celulosa y lignina.
Resultados y discusión:
Después de nueve meses de interacción con G. trabeum, las piezas de madera fueron resistentes a la degradación, considerando únicamente la pérdida de peso. No obstante, las propiedades químico-mecánicas mostraron que el hongo produjo adelgazamiento y ruptura de las células del tejido ocasionando disminución significativa de FE (100 a 56 N∙mm-2) y CPF (42.2 a 20.2 N∙mm-2), lo cual redujo su resistencia a los esfuerzos mecánicos.
Conclusiones:
La madera expuesta a la degradación por hongos está afectada significativamente en sus propiedades mecánicas, inhabilitándola para la construcción. Los daños no se reflejan en la estética del material, lo cual es alarmante, ya que el usuario común de la madera de pino no podría notar el problema.
Palabras clave: propiedades mecánicas; madera aserrada; degradación; hongos xilófagos; holocelulosa
Abstract
Introduction:
Wood is susceptible to be used as a carbon source by fungal species damaging the wood. Its durability has been categorized according to its weight loss, without taking into account the decrease in the inherent physicochemical and mechanical properties.
Objective:
To evaluate how how weight loss affects the physicochemical and mechanical properties of Pinus pseudostrobus Lindl. wood exposed to brown-rot fungi Gloeophyllum trabeum (Pers.) Murrill.
Materials and methods:
Sawn timber pieces of P. pseudostrobus were inoculated with 50 mL of G. trabeum (106 UFC∙mL-1). Periodically (zero, three, six and nine months) and with the help of a universal testing machine, parallel compression (PC), static bending (SB) and perpendicular compression to the grain (CPG) were evaluated, and holocellulose, cellulose and lignin were quantified.
Results and discussion:
After nine months of interaction with G. trabeum, the pieces of wood were resistant to degradation, taking into account only weight loss. However, the chemical-mechanical properties evaluated showed that the fungus produced thinning and rupture of the tissue cells causing significant decrease in SB (100 to 56 N∙mm-2) and CPG (42.2 to 20.2 N∙mm-2), which reduced its resistance to mechanical stress.
Conclusions:
Wood exposed to fungal degradation is significantly affected in its mechanical properties, disqualifying it for construction. The damage is not reflected in the aesthetics of the material, which is surprising, since the common user of pine wood would not be able to notice the problem.
Keywords: mechanical properties; sawn wood; degradation; xylophagous fungi; holocellulose
Introducción
Los hongos son organismos eucariotas con agregación unicelular y multicelular; son heterótrofos con estructura y funcionalidad diversas. Sus más de 1.5 millones de especies impactan en muchas formas a los ecosistemas naturales y artificiales. Dentro de la amplia variedad fúngica, los xilófagos utilizan los principales componentes estructurales de la madera y los metabolizan (Hiscox, O'Leary, & Boddy, 2018; Hunt et al., 2018). Se han reconocido dos grupos principales de hongos xilófagos: los incluidos en la división Basidiomycota y los pertenecientes al grupo Ascomycota. Los organismos que pueden causar deterioro son los hongos de pudrición blanca, pudrición blanda y pudrición café (Krah et al., 2018). Estos últimos son los más agresivos y son causados por organismos basidiomicetos; por ejemplo, G. trabeum, Laetiporus portentosus (Berk.) y Fomitopsis lilacinogilva (Berk.) que degradan la celulosa y la hemicelulosa sin producir cambios graves en la lignina (Aguiar, Gavioli, & Ferraz, 2013).
La madera es susceptible a la biodegradación por hongos, especialmente, cuando se utiliza en un entorno de humedad ambiental alta (Ramage et al., 2017), dando lugar a la descomposición (Johnston, Boddy, & Weightman, 2016). La pudrición de la madera es un problema común en entornos urbanos, causando riesgos humanos por un deterioro progresivo de las paredes celulares que reduce la durabilidad del material (Daniel, 2016; Terho, Hantula, & Hallaksela, 2007). El daño es causado por enzimas y metabolitos de bajo peso molecular que actúan como precursores y coagentes de degradación enzimática, disminuyendo las propiedades mecánicas (Daniel, 2016). Las enzimas que degradan la celulosa y la hemicelulosa de la pared celular pertenecen predominantemente a las hidrolasas. La celulosa es hidrolizada por las celulasas, la celulosa 1,4-β-cellobiosidasa y la β-glucosidasa. El xilano y el manano de la hemicelulosa son degradados por la endo-1,4-β-xilanasa y la endo-1,4-β-manosidasa, respectivamente, le siguen la xilano 1,4-β-xilosidasa y la β-manosidasa y otras enzimas que actúan sobre las cadenas laterales. La lignina es degradada por las oxidorreductasas, la lignina peroxidasa y la manganeso peroxidasa (Álvarez, Reyes‐Sosa, & Díez, 2016; Dashtban, Schraft, Syed, & Qin, 2010; Witomski, Olek, & Bonarski, 2016).
El uso global de la madera como material de construcción se estima con base en la producción mundial de madera aserrada, que fue de 468 millones de m3 en 2016 (Mantau et al., 2019; Proskurina, Junginger, Heinimö, Tekinel, & Vakkilainen, 2019). Durante las últimas décadas, las especies de madera blanda, como la de pino, han sido las más utilizadas en el sector industrial, ya sea en interiores, molduras, revestimientos, carpintería arquitectónica y otras aplicaciones (Ramage et al., 2017). Para estimar la durabilidad y resistencia de la madera, las pruebas utilizadas se basan en la pérdida de peso del material (Arantes & Goodell, 2014); sin embargo, no se ha evaluado la interacción entre la madera y los organismos xilófagos en relación con los daños mecánicos o la degradación química que se producen en el material lignocelulósico. El daño causado a los componentes estructurales de la madera podría ser perjudicial y reflejarse significativamente en las propiedades mecánicas, comprometiendo su integridad (Ortiz, Jamet, Herrera, Vindigni, & Pereira, 2011).
Por esta razón, el objetivo de este estudio fue determinar cómo afecta la pérdida de peso a las propiedades químicas y mecánicas de la madera de Pinus pseudostrobus Lindl. expuesta al hongo de pudrición café G. trabeum.
Materiales y métodos
Preparación del material
La madera aserrada de P. pseudostrobus se recolectó en un bosque natural con manejo forestal en San Miguel del Monte, Morelia, Michoacán, México (longitud: -101.134 167, latitud: 19.620 278, altitud: 2 140 m).
De acuerdo con la Organización Internacional de Normalización (ISO, 1975), las muestras para las pruebas de interacción madera-hongo fueron 135 piezas de madera (P. pseudostrobus) con las dimensiones siguientes: 45 piezas de 20 mm × 20 mm × 60 mm (compresión paralela [CP]; ISO 3345), 45 piezas de 20 mm × 20 mm × 50 mm (compresión perpendicular a la fibra [CPF]; ISO 3132) y 45 piezas de 20 mm × 20 mm × 300 mm (flexión estática [FE]; ISO 3133).
Preparación del inóculo
El hongo G. trabeum (donado por el Departamento de Madera, Celulosa y Papel de la Universidad de Guadalajara) se cultivó en medio agar papa dextrosa (PDA por sus siglas en inglés) en placas de Petri y se incubó en la oscuridad a 32 °C durante siete días (QUINCY LAB, Mod QL-12-140E). Al final del periodo de incubación se recuperó la biomasa total del micelio añadiendo 10 mL de agua destilada estéril y posteriormente se ajustó a un volumen final de 1 L con 106 UFC∙mL-1 (leído a 530 nm en un espectrofotómetro Thermo Scientific, modelo Multiskan GO).
Análisis de interacción madera-hongo
La prueba de durabilidad de las piezas de madera (probetas de madera) con G. trabeum se hizo con una variación del sistema conocido como prueba suelo-bloque (Green, Jones, Nicholas, Schimleck, & Shmulsky, 2011). Para ello, se utilizaron contenedores de 20 L que contenían un sustrato (50 % de tierra forestal de pino-roble y 50 % de vermiculita de grado hortícola ACCIMINTM) previamente esterilizado en autoclave (AESA Mod CV-300) con 15 lb de presión y 120 °C durante 30 min.
Las probetas de madera esterilizada se separaron según las medidas requeridas para las pruebas de CP y FE, y se cubrieron con el sustrato. Previamente se inoculó una alícuota de 50 mL de G. trabeum (106 UFC∙mL-1 [530 nm]) en cada una de las probetas de madera (vaciando el contenido sobre las piezas). El tratamiento testigo estaba libre de G. trabeum. El bioensayo se mantuvo hasta nueve meses en un cuarto oscuro, a una temperatura de 20 ± 2 °C (promedio) y 70 ± 5 % de humedad del sustrato.
Las probetas de madera se estudiaron a los cero, tres, seis y nueve meses. El material se acondicionó nuevamente para realizar las pruebas mecánicas, químicas y microscópicas. Las piezas se limpiaron cuidadosamente y se colocaron a temperatura ambiente (18 ± 2 °C) hasta conseguir peso constante (equipo HONGZUANMT, modelo HZ-2003), realizando mediciones cada 24 h. Los datos se reportaron como porcentaje de pérdida de peso, según la norma del American Society for Testing and Materials (ASTM, 2005).
Ensayo mecánico
Los ensayos mecánicos se realizaron en cada uno de los periodos establecidos (cero, tres, seis y nueve meses). La CP y la CPF se evaluaron utilizando una máquina universal de ensayos mecánicos SHIMADZU SEISAKUSHO (Japón, modelo 70133) de 10 t de capacidad, donde se aplicó una fuerza constante a una velocidad de compresión de 3 mm∙min-1 hasta lograr el fallo de la pieza. La CP se calculó a través de la relación entre la carga máxima aplicada y el área de la sección transversal de la pieza con la fórmula de la norma ISO 3345 (ISO, 1975):
donde,
σ = compresión paralela
Pmax = capacidad de carga máxima (N)
b y h = anchura y altura, respectivamente (mm).
La CPF se realizó según la norma ISO 3132 (ISO, 1975), donde el límite de proporcionalidad (R) en compresión perpendicular se calculó como el cociente entre la carga máxima aplicada y el área longitudinal de la pieza de madera:
donde,
R = límite de proporcionalidad
Pmax = capacidad de carga máxima (N)
b y l = anchura y longitud, respectivamente (mm).
El ensayo de flexión estática (FE) se hizo según la norma ISO 3133 (ISO, 1975), donde se aplicó una carga constante en el centro colocando el sensor de la madera sobre dos soportes, dejando un espacio de 25 cm entre ellos. El cálculo se realizó mediante la fórmula siguiente:
donde,
MOR = módulo de rotura
Pmax = capacidad de carga máxima (N)
L = longitud entre los centros del soporte (mm)
b y h = anchura y longitud, respectivamente (mm)
donde,
MOE = módulo de elasticidad
ΔF = diferencia de fuerzas en campo elástico
Δd = deformación en intervalo F.
Análisis químico de la madera expuesta a Gloeophyllum trabeum
Las probetas utilizadas en los ensayos mecánicos (CP, FE y CPF) también se utilizaron para calcular el porcentaje de los principales componentes estructurales. En cada uno de los periodos establecidos, se analizaron 15 g de madera molida anhidra para una extracción sucesiva a reflujo en equipo Soxhlet (KIMAXR, modelo 24027 45/50) con 150 mL de los disolventes siguientes: ciclohexano, acetona, metanol y agua caliente. La extracción duró seis horas para cada disolvente. Los disolventes se recuperaron en un evaporador rotatorio (BÜCHI, R-200) aplicando vacío. El extracto obtenido se colocó en un desecador (PHARMA GLASS, Mod 3120-250) hasta lograr peso constante. El rendimiento del extracto se calculó según Mejía-Díaz y Rutiaga-Quiñones (2007). Las muestras libres de compuestos extraíbles se utilizaron para las determinaciones derivadas de holocelulosa, celulosa y lignina.
Identificación de la holocelulosa
De acuerdo con Bernabé-Santiago, Ávila-Calderón, y Rutiaga-Quiñones (2013), y Cárdenas-Gutiérrez et al. (2018), 32 mL de agua destilada se mezclaron con 1.0 g de madera triturada extraíble, 0.3 g de clorito sódico y dos gotas de ácido acético glacial en un vaso de precipitados. La muestra se sometió a baño térmico en agua a 75 °C. La adición de clorito sódico y ácido acético se repitió cada hora durante cuatro horas. Después de la cloración, la solución se filtró y se lavó con agua destilada a temperatura ambiente; posteriormente, se añadieron 10 mL de acetona y el residuo se colocó en una estufa de secado (ECOSHEL, Mod HV-20) a 40 °C hasta obtener peso constante, haciendo mediciones cada 24 h. El contenido de holocelulosa se calculó dividiendo el peso del residuo anhidro por el peso de la madera anhidra libre de extraíbles.
Identificación de la celulosa
Un gramo de madera anhidra libre de extracciones se mezcló con 10 mL de NaOH al 17.5 % a temperatura ambiente. La mezcla se incubó durante cinco minutos y luego se añadieron 5 mL de NaOH al 17.5 % para dejarla reposar durante cinco minutos. Este último procedimiento se repitió para dejarlo reposar 30 minutos, luego se añadieron 33 mL de agua destilada al producto generado, dejándolo reposar durante una hora. A continuación, la solución se filtró y se lavó con 35 mL de NaOH al 8.3 %, agua destilada y ácido acético al 10 % dejándolo reposar durante tres minutos. Posteriormente, la reacción se neutralizó con agua destilada (aproximadamente 250 mL) y, finalmente, se dejó reposar en una estufa durante 12 h a 103 °C para su pesaje posterior (ASTM, 1977).
Identificación de la lignina
Un gramo de madera anhidra libre extraíble se mezcló, mediante agitación, con 50 mL de ácido sulfúrico al 72 % y 5 mL de ácido bromhídrico al 40 %, para dejarlo reposar durante dos horas. A continuación, se añadieron 200 mL de agua destilada y la mezcla se hirvió durante 5 min. Finalmente, la mezcla se filtró en un embudo Büchner para lavar las muestras hasta eliminar los residuos de ácido. El producto se secó en una estufa a 103 °C hasta peso constante. El contenido de lignina se calculó dividiendo el peso de la muestra anhidra por el peso de la madera molida anhidra libre de extractos, de acuerdo con Cárdenas-Gutiérrez et al. (2018).
Análisis de madera por espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR)
De las probetas de madera utilizadas en los ensayos mecánicos, se seleccionaron muestras tanto del tratamiento testigo como del tratamiento de inoculación de hongos a los nueve meses. Las muestras se acondicionaron hasta un tamaño de partícula de 425 µm (polvo de madera) en un molino de pulverización (MICRONTM, modelo K20F, México) (Chen et al., 2010; Traoré, Kaal, & Cortizas, 2016). El análisis FTIR se realizó en un equipo espectrómetro Thermo Scientific (modelo Nicolet iS10-Waltham, MA, EE.UU.). Mediante la técnica ATR (Attenuated Total Reflection), los datos se expresaron en números de onda (cm-1) para los principales máximos de absorción, el polvo de la madera entró en contacto con el cristal ATR y la onda evanescente pudo ser absorbida por el polvo (Durmaz, Özgenç, Boyacı, Yıldız, & Erişir, 2016). La radiación atenuada resultante produjo un espectro ATR que es similar a un espectro de absorción convencional. El espectro se obtuvo utilizando 50 escaneos en el rango de 4 000 cm-1 a 400 cm-1 con una resolución de 4 cm-1; la magnitud del espectro se normalizó en 600 cm-1 a 1 800 cm-1.
Análisis microscópico
Se utilizaron muestras de los tratamientos testigo (libres de G. trabeum) y de nueve meses de exposición al hongo. La probeta de madera tuvo dimensiones de 2 cm2 y con un microtomo deslizante (Leitz WETZLAR 440473, Alemania) se realizaron cortes transversales de 20 µm de grosor. Las secciones se prepararon de acuerdo con Bari et al. (2015) utilizando tinte de safranina durante 12 horas. Finalmente, las muestras se colocaron en un portaobjetos para ser observadas en un microscopio óptico Zeigen ZEINF139A (10x y 40x).
Resultados y discusión
Daños de Gloeophyllum trabeum en madera
El hongo G. trabeum degradó la madera de pino a un ritmo diferente, dependiendo del tamaño del sustrato (madera CP y FE). A los tres meses de exposición fúngica, la pérdida de peso de la madera fue de 5 % (FE y CPF) y de 4.8 % (CP), mientras que a los nueve meses, fue de 8.5 % (FE) y de 4.5 % (CP) (Cuadro 1). La probeta de madera no presentó daños superficiales en los tiempos cero, tres y seis meses (Figura 1).
La versatilidad fisiológica de G. trabeum para nutrir las hemicelulosas es interesante. En las primeras etapas de crecimiento del hongo, las hemicelulosas se despolimerizan más rápidamente que la celulosa. Cuando se utiliza madera de pino como sustrato, la despolimerización de celulosa es alta en las microfibrillas, debido a la eliminación de la hemicelulosa, aumentando la hidrólisis enzimática celulósica (Monrroy, Ortega, Ramírez, Baeza, & Freer, 2011).
Si bien, los datos mostraron pérdida de peso poco llamativa en las muestras, en FE, al cabo de tres meses hubo disminución significativa de 14 % de resistencia en módulo de rotura (MOR), llegando a 44 % al cabo de nueve meses, lo que corresponde a la reducción de 100 N∙mm-2 hasta 56 N∙mm-2 (Cuadro 1). Esto indica que, a pesar de la baja pérdida de peso en la probeta de madera de pino (8.5 %), la disminución de la resistencia fue significativa al ser sometida a un esfuerzo. El MOE, que representa el comportamiento elástico de la madera de pino, se vio afectado por la degradación fúngica, disminuyendo 54.7 % respecto a la madera utilizada en el tratamiento testigo.
Es interesante observar que aunque la pérdida de peso en la CP fue escasa (4.5 %), esta fue suficiente para que el hongo debilitara la resistencia de la madera de pino (Cuadro 1b). Las pérdidas de MOR en la madera de pino fueron 16.7 %, 21.7 % y 35 % a los tres, seis y nueve meses de exposición fúngica, respectivamente, las cuales mostraron disminución de 60 N∙mm-2 a 39 N∙mm-2. La baja pérdida de peso y la disminución de MOR se asocian a la deslignificación que la madera de pino sufre debido a la degradación fúngica. El límite proporcional (R) en compresión perpendicular fue el más afectado con una disminución de 42.5 %, 49.1 % y 52.2 % para tres, seis y nueve meses, respectivamente, donde el valor de resistencia del testigo de madera de pino es la referencia (Cuadro 1).
Cuadro 1 Pérdida de peso, flexión estática, compresión paralela y compresión perpendicular a la fibra en madera de Pinus pseudostrobus, después de cero, tres, seis y nueve meses de exposición a hongos Gloeophyllum trabeum.
| Tiempo (meses) | Pérdida de peso(%) | MOR (N∙mm-2) | MOE (N∙mm-2) | |
|---|---|---|---|---|
| Flexión estática | ||||
| 0 | 0 | 100.0 ± 14.0 a | 9 412 | |
| 3 | 5.0 ± 0.3 a | 86.1 ± 16.0 b | 9 361 | |
| 6 | 6.5 ± 1.0 b | 81.7 ± 8.5 b | 7 871 | |
| 9 | 8.5 ± 8.4 b | 56.2 ± 26.3 b | 5 156 | |
| Comprensión paralela | ||||
| 0 | 0 | 60.0 ± 5.0 a | ||
| 3 | 4.8 ± 1.2 a | 50.0 ± 4.5 b | ||
| 6 | 7.3 ± 2.7 b | 47.0 ± 2.2 b | ||
| 9 | 4.5 ± 1.1 a | 39.8 ± 2.0 b | ||
| Comprensión perpendicular a la fibra | ||||
| 0 | 0 | 42.2 ± 8.0 a | ||
| 3 | 5.0 ± 0.3 a | 24.3 ± 6.0 b | ||
| 6 | 6.5 ± 1.0 b | 21.5 ± 4.6 b | ||
| 9 | 8.5 ± 8.4 b | 20.2 ± 4.0 b | ||
± Desviación estándar. MOR: módulo de ruptura, MOE: módulo de elasticidad. Cero corresponde al tratamiento testigo (madera no deteriorada). Los valores con letras diferentes muestran diferencias significativas de acuerdo con la prueba de separación de medias de Duncan (P < 0.05).
Otra aportación de interés de este estudio se encuentra en la primera fase del crecimiento fúngico, ya que no se visualizaron daños mecánicos y estéticos en las probetas de madera de pino, aunque presentaron ligera pérdida de peso en comparación con el tratamiento testigo. Por otra parte, se detectó baja degradación en la celulosa en las etapas de tres y seis meses de exposición a los hongos. Estos utilizan un sistema enzimático extracelular y superior (Hosseinpourpia & Mai, 2016; Krueger, Hofmann, Moeder, & Schlosser, 2015) que explica la despolimerización eficiente de los polisacáridos y polifenoles de la madera de pino. Por esta razón, se puede suponer que las probetas de madera de pino pierden resistencia al ser sometidas a FE y CPF, a pesar de la poca pérdida de peso y de la evaluación visual sin daños (tres y seis meses). Esta información es trascendental en la industria de la construcción, ya que las evaluaciones visuales se realizan en las estructuras de madera de pino, ignorando la exposición a G. trabeum y a otros organismos fúngicos de características similares, poniendo en riesgo la seguridad al verse comprometido el rendimiento mecánico del material.
Análisis químico de madera de pino biodegradada por Gloeophyllum trabeum
Los resultados de la composición química de la madera de P. pseudostrobus se muestran en el Cuadro 2. A tres meses de exposición fúngica, la hemicelulosa fue el componente estructural que disminuyó en mayor medida: 59.3 % para las piezas evaluadas en CP y 63.1 % para FE. Es importante destacar que, tras seis meses de exposición fúngica, las piezas de madera continuaron disminuyendo hasta 91.6 % (FE) y 63.1 % (CP), tomando como 100 % la madera de pino del valor testigo. Este resultado coincide con publicaciones anteriores, donde se demuestra que los hongos de pudrición café se alimentan principalmente de hemicelulosa, tal y como mencionan Hastrup et al. (2012). La hemicelulosa se incorpora a las microfibrillas de celulosa y en el proceso de degradación de esta, la hemicelulosa es el primer componente que se elimina. Teniendo en cuenta las características químicas, la celulosa disminuyó en menor proporción al cabo de seis meses: 4.4 % en FE y 9.7 % en CP. Al analizar las probetas de madera de pino después de nueve meses de exposición a los hongos, la disminución de hemicelulosa y celulosa no se detectó en el análisis químico, ya que la degradación se concentró en el extremo inferior de las probetas de madera de pino (Figura 1). Por lo tanto, para complementar esta información, los resultados derivados de la espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) mostraron reducción significativa de la hemicelulosa y la celulosa. Inicialmente, la lignina no tuvo pérdidas significativas en su valor porcentual, pero al cabo de nueve meses, disminuyó 43.4 % en el caso de la FE y 29.8 % en el caso de la CP en relación con el valor del testigo.
Cuadro 2 Análisis químico de madera de Pinus pseudostrobus expuesta a hongos Gloeophyllum trabeum.
| Componente | Testigo (%, 0 meses) | 3 meses | 6 meses | 9 meses | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FE (%) | CP (%) | FE (%) | CP (%) | FE (%) | CP (%) | ||
| Inorgánico | 0.2 ± 0.0 a | 0.3 ± 0.1 b | 0.4 ± 0.2 b | 0.3 ± 0.1 b | 0.5 ± 0.0 b | 0.4 ± 0.0 b | 0.5 ± 0.2 b |
| Total extraíble | 2.7 ± 0.0 a | 1.9 ± 0.3 a | 2.6 ± 0.5 a | 2.3 ± 0.5 a | 2.4 ± 0.6 a | 3.1 ± 0.0 a | 3.7 ± 0.0 b |
| Lignina | 29.5 ± 3.0 a | 25.9 ± 0.8 a | 28.0 ± 0.3 a | 28.3 ± 0.8 a | 29.5 ± 1.0 a | 16.7 ± 0.2 b | 20.7 ± 2.0 b |
| Holocelulosa | 80.0 ± 0.0 a | 72.1 ± 0.0 b | 69.2 ± 0.0 b | 65.4 ± 0.0 b | 65.5 ± 0.0 b | 78.0 ± 0.0 a | 79.0 ± 0.0 a |
| α-celulosa | 67.2 ± 0.0 a | 67.0 ± 0.7 a | 63.3 ± 0.6 b | 64.3 ± 1.2 a | 60.7 ± 0.8 b | 65.0 ± 0.0 a | 67.0 ± 0.0 a |
| Hemicelulosa | 13 | 4.8 | 5.3 | 1.1 | 4.8 | 13 | 12 |
± Desviación estándar. Flexión estática (FE) y compresión paralela (CP) después de cero, tres, seis y nueve meses de exposición a los hongos de madera G. trabeum. Los valores con letras diferentes muestran diferencias significativas según la prueba de separación de medias de Duncan para comparaciones múltiples (P < 0.05).
Análisis de los componentes estructurales mediante espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier
En la Figura 2 se muestra el espectro FTIR del hongo de la madera de pino degradada durante nueve meses. El espectro mostró cambios interesantes, especialmente en los picos de absorbancia correspondientes a las vibraciones de los grupos de la pared celular a 1 800-800 cm-1. En estas bandas del espectro se encontraron señales correspondientes a la deformación C-H en la celulosa y hemicelulosa, grupo fenólico de la celulosa y C-O-C en los carbohidratos (Chow & Ting, 2019; Pandey & Pitman, 2003; Poletto, Zattera, & Santana, 2012).
Por otra parte, según el perfil de degradación que G. trabeum produjo, hubo cambios en los componentes de la madera. Los picos de absorbancia asignados a las bandas 1 732 y 894 cm-1 correspondieron a hemicelulosas y mostraron diferencias de intensidad, siendo menores en la madera de pino expuesta al hongo (Figura 2); las probetas de madera de pino sometidas a FE afectaron el porcentaje de reducción de MOR. Las bandas a 1 508, 1 423 y 1 266 cm-1, correspondientes a moléculas de lignina, aumentaron en la madera de pino degradada, debido al efecto de G. trabeum dejando residuos de lignina. Para la celulosa se asignaron las bandas en las regiones de 1 316 y 1 369 cm-1, donde se muestra pérdida de material, ya que la intensidad de la celulosa en la madera de pino degradada está por debajo del tratamiento testigo (Cuadro 3).
Los datos correspondientes a la lignina complementan el argumento anterior, debido a que la concentración en las piezas de madera no sufrió cambios considerables, hasta que a los nueve meses de exposición al hongo disminuyó significativamente 43.4 % (FE) y 29.8 % (CP) (Cuadro 2). El análisis de los componentes estructurales de la madera mediante FTIR permitió integrar la información vista anteriormente, ya que la madera sufrió pérdida importante de lignina y modificación química por parte del hongo. En la madera degradada se eliminó la celulosa y la hemicelulosa, pero se encontró un residuo de lignina modificada (Durmaz et al., 2016), lo que también se traduce en la disminución de las propiedades mecánicas del material tras nueve meses de exposición al hongo.
Figura 2 Análisis de espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier, donde se observan las bandas del espectro del tratamiento testigo (madera no deteriorada, línea púrpura) y de la madera descompuesta después de nueve meses (línea roja) de exposición a hongos Gloeophyllum trabeum.
Cuadro 3 El análisis de espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier muestra la posición e intensidad de los picos registrados entre las regiones (número de ondas) 1851-649 cm-1. Resultados de la madera testigo (madera no deteriorada) y madera descompuesta, tras nueve meses de exposición a hongos Gloeophyllum trabeum.
| Madera testigo | Madera descompuesta | Atribución | Referencias | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Posición (cm-1) | Intensidad | Posición (cm-1) | Intensidad | ||
| 894.73 | 0.0260 | -- | -- | Celulosa y hemicelulosa | |
| 1 264.49 | 0.0379 | 1 266.04 | 0.0578 | Lignina | Pandey and Pitman (2003) |
| 1 316.38 | 0.0275 | -- | -- | Celulosa y hemicelulosa | Durmaz, Özgenç, Boyacı, Yıldız, and Erişir (2016) |
| 1 367.96 | 0.0285 | 1 369.84 | 0.0252 | Celulosa y hemicelulosa | Chow and Ting (2019) |
| 1 423.10 | 0.0285 | 1 421.66 | 0.0341 | Lignina y hemicelulosa | Bari et al. (2015); Poletto, Zattera, and Santana (2012) |
| 1 508.35 | 0.0253 | 1 507.78 | 0.0451 | Lignina | Curling, Clausen, and Winandy (2002) |
| 1 732.11 | 0.0250 | -- | -- | Xilano en hemicelulosa | Curling, Clausen, and Winandy (2001); Chow and Ting (2019) |
Internalización del micelio de Gloeophyllum trabeum en madera de pino
La Figura 3 muestra la evaluación microscópica de los daños producidos por el hongo G. trabeum en la madera de pino tras seis y nueve meses de exposición. La madera de pino expuesta al hongo durante seis meses solo sufrió adelgazamiento de las paredes celulares sin romperlas (Figura 3b), lo cual se debe a la pérdida de hemicelulosas, reducción de lignina y masas de celulosa, coincidiendo con los datos obtenidos en el análisis químico (Cuadro 2). La disminución de los principales polímeros de la pared celular de la madera degradada (nueve meses) se pudo observar en la rotura y deformación causada por el hongo (presencia de hifas en el corte de la madera) (Figura 3c). Esto repercute directamente en la reducción de la resistencia a los esfuerzos mecánicos, especialmente en la madera de pino sometida a FE.
Figura 3 Análisis microscópico en madera de Pinus pseudostrobus expuesta a hongos Gloeophyllum trabeum. Cortes transversales: a) tratamiento testigo (madera no deteriorada), b) seis meses de exposición y c) nueve meses de exposición. Las imágenes (40x) muestran la colonización y el adelgazamiento (flechas rojas) de las paredes en las células traqueidas.
Los mecanismos de desarrollo y degradación de G. trabeum se reflejan en el adelgazamiento y rotura de las células del tejido vegetal (traqueidas) (Donaldson, Radotić, Kalauzi, Djikanović, & Jeremić, 2010). Esto repercute directamente en las propiedades mecánicas del material. Otra aportación interesante de este trabajo es que el material lignocelulósico sometido a un esfuerzo mecánico reduce sus propiedades mecánicas, ya que la FE y la CPF sufrieron las mayores pérdidas debido al hongo. Después de nueve meses de exposición existe un ataque fúngico considerable en las estructuras de madera de pino; informes anteriores indican que, en condiciones óptimas de crecimiento, los hongos de pudrición café causan reducción similar de la resistencia en etapas tempranas (una relación de 50 % de reducción de resistencia por 7 % de pérdida de masa [Witomski et al., 2016]). Esto demuestra que los daños causados por G. trabeum en madera de pino (por ejemplo, P. pseudostrobus), que está ampliamente distribuida por todo el mundo, no tienen impacto significativo en su durabilidad, y dichos daños no se reflejan en la estética del material, lo cual es alarmante, ya que el usuario común de la madera de pino no podría notar el problema.
Finalmente, es importante mencionar que el comportamiento del hongo depende del tamaño de la madera expuesta, ya que aquellas con dimensiones mayores sufrieron mayor pérdida de peso. Esta reducción permitió clasificar la madera como altamente resistente a la degradación por G. trabeum a los nueve meses de interacción con el hongo, pero con repercusiones en la integridad del material para su uso en estructuras de madera.
Conclusiones
Después de nueve meses, la degradación de la madera de Pinus pseudostrobus en contacto con el hongo Gloeophyllum trabeum fue mínima si solo se considera el peso. No obstante, las propiedades químicas y mecánicas mostraron que el hongo provoca baja resistencia a los esfuerzos mecánicos disminuyendo la flexión estática (100 a 56 N∙mm-2 [módulo de rotura]) y la compresión perpendicular a la fibra (42.2 a 20.2 N∙mm-2 [límite de proporcionalidad]). Por lo tanto, estos parámetros deben considerarse al evaluar la madera en contacto con algún hongo xilófago. La madera de P. pseudostrobus que ha sido expuesta a la degradación por hongos se ve significativamente comprometida con sus propiedades mecánicas, inhabilitándola para la construcción.
Agradecimientos
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) y a la Coordinación de Investigación Científica de nuestra universidad (UMSNH), RVR†.
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Recibido: 06 de Mayo de 2020; Aprobado: 04 de Febrero de 2021
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