Introducción
El proceso de extracción de minerales realizado a nivel mundial y en México practicado por más de 500 años, ha dejado una gran cantidad de sitios contaminados por residuos llamados jales que son definidos por la Norma Oficial Mexicana NOM-141-SEMARNAT-2003 (SEMARNAT, 2004) como el resultado de las operaciones primarias de extracción de minerales que son acumulaciones de roca extraída en trabajos de explotación, pero que contienen porcentaje de mineral aprovechable (Barbosa Gay & González, 2014) y terreros que son definidos por la Norma Oficial Mexicana NOM-157-SEMARNAT-2009 como Residuos conformados por apilamiento de material mineral de baja ley que no pasaron por el proceso de extracción (SEMARNAT, 2011).
Estos residuos llegan a presentar Elementos Potencialmente Tóxicos (EPT), representados por metales y metaloides (Montes Rocha, 2016), que al encontrarse a la intemperie generan un proceso químico denominado Drenaje Acido de Mina (DAM), el cual consiste en el contacto de minerales como carbón, sulfuros metálicos, hierro y uranio, con moléculas de oxígeno y agua, lo que provoca la lixiviación de estos, aumentando su pH (Aduvire, 2006). Esto genera problemas de salud y ambientales por lo que la estabilización de estos sitios puede ser mediante procesos de biorremediación o fitorremediación. Esta última técnica aprovecha la capacidad de ciertas plantas para absorber, acumular, metabolizar, volatilizar o estabilizar contaminantes presentes en el suelo, aire, agua o sedimentos (Delgadillo-López, et al., 2011).
Otra estrategia para facilitar el establecimiento de la vegetación es agregar materia orgánica, ya que esta estabiliza y une a las partículas del suelo en agregados estructurales, mejorado la capacidad del suelo para almacenar y permitir el flujo de agua y aire, proporciona nutrientes, incrementa la capacidad de intercambio catiónico y disminuye la posibilidad de compactación, técnica conocida como remediación inducida (Carrillo-González, 2017).
De la misma forma, la adición de microorganismos simbióticos, ayuda al establecimiento de vegetación. Dentro de estos se encuentran los hongos micorrízicos: arbusculares, ericoides y ectomicorrízicos ya que son capaces de inmovilizar de forma efectiva los metales al unirlos con la pared celular de las hifas (Vital Vilchis, 2019), siendo esta estrategia viable para la recuperación de sitios contaminados por residuos de minería.
El sitio de estudio pertenece al municipio de Mineral de Angangueo, en el Estado de Michoacán en donde se ha desarrollado la actividad minera desde el periodo colonial, por lo que, en estudios realizados por Ruiz et al., (com. Pers.) en cuerpos de agua cercanos a un terrero y un jal de 150 y 100 años de antigüedad respectivamente, se encontraron altos niveles de EPT (As, Fe, Zn y Mg). Por lo tanto, se considera que los EPT pueden estar presentes en los diferentes ambientes relacionados a la actividad minera, en este sentido se han considerado estrategias de recuperación y/o retención de los contaminantes con vegetación que pueda servir como barrera o como especies acumuladoras para disminuir las concentraciones de EPT en el suelo, Aramburu et al. (2009), aporta un listado de especies nativas con potencial para ser usadas en procesos de biorremediación y Liu et al. (2000) han hecho estudios de plantas para fitorremediación como Zea maíz, en ambos casos analizando la presencia de interacciones simbióticas que favorecen este proceso. Arbutus xalapensis Kunth (Ericaceae), es una especie nativa que establece relaciones simbióticas y es capaz de crecer en suelos con altas concentraciones de metales pesados (Díaz Armendáriz, 2018). Estas plantas desarrollan raíces laterales especializadas de diámetro estrecho, con una anatomía simple, con un cilindro vascular rodeado de una o dos filas de células corticales y una capa epidérmica, la asociación implica la colonización de las células epidérmicas por hifas fúngicas seguida de la formación de una hifa ramificada en cada célula colonizada (Peterson et al., 2004).
Por lo anterior el objetivo del presente estudio es evaluar la supervivencia y crecimiento de Arbutus xalapensis simbióticos sobre residuos mineros enmendados con materia orgánica, así como conocer el porcentaje de colonización micorrízicas y diversidad de morfotipos micorrízicos, para implementarse en fitorremediación.
Materiales y métodos
Ubicación del Área de Estudio
Se tomaron muestras de un jal minero de 100 años y un terrero de 150 años en el municipio de Mineral de Angangueo, Michoacán. El cual se localiza al oriente del Estado de Michoacán en las coordenadas 19°37’00” de latitud norte y en los 100°17’00” de longitud oeste a una altura de 2,580 msnm (Fig. 1) (INEGI, 2016).
Descripción del Área de Estudio
Estudios históricos realizados en el área muestran que la explotación Minera en el sitio inicio desde el periodo prehispánico, hasta el año 1992 (Servicio Geológico Mexicano, 2018), generando grandes cantidades de residuos, depositados en presas de jales y terreros, estos con las características de no contar con cobertura vegetal, lo que provoca la movilidad de los EPT.
Los análisis realizados a los cuerpos de agua cercanos arrojaron la presencia de elementos como Arsénico (As) con un promedio de 1.68 mg/l, Hierro (Fe) con 313.33 g/l, Zinc (Zn) 80 mg/l y Magnesio (Mg) con 35 m/l, algunos por arriba de los límites permisibles por las normas oficiales en México (Tabla 1).
Nombre | pH | SO4 | As | Fe | Zn | Mg |
---|---|---|---|---|---|---|
Rio Carrillo (parte superior) | 7.14 | 19.61 | 1.32 | 0.16 | nd | nd |
Rio Carrillo (parte inferior) | 7.11 | 19.61 | 1.27 | 0.07 | nd | nd |
Lixiviados del jal Carrillo | 2.48 | 5278 | 2.44 | 940 | 240 | 105 |
Limites permisible en ríos | 6.5-8 | 100 | 0.2 | 1 | 10 | 0.1 |
Los niveles marcados en rojo sobrepasan las concentraciones permisibles en Norma Oficial Mexicana PROY-NOM-001-SEMARNAT-2017 que establece los límites permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en cuerpos receptores propiedad de la nación. nd (no detectado). |
Tratamientos, Diseño y Unidad Experimental
Se seleccionó a la especie vegetal A. xalapensis al ser capaz de crecer en suelos con altas concentraciones de metales pesados (Díaz Armendáriz, 2018), es un árbol de 10 a 20 metros de altura, perennifolio, de importancia ecológica y económica y que ha sido poco estudiada y con problemas de amenaza (Norma Oficial Mexicana NOM-059-ECOL-2001) (SEMARNAT, 2002). Se distribuye en México en por los estados de Chihuahua, Nuevo León, Durango, Sinaloa, Jalisco, Oaxaca, Michoacán, San Luis Potosí, Guanajuato, Hidalgo, Puebla, Tlaxcala y Veracruz. Forma parte del matorral xerófilo y de bosques de Quercus y Coníferas.
Se probaron un total de 4 tratamientos y dos controles con diferentes condiciones: sin materia orgánica y con materia orgánica (T1 y T2) con 35 repeticiones cada uno (Tabla 2). Usando lombricomposta como materia orgánica, sobre residuos mineros de Jal (100 años) y Terrero (150 años). El experimento bajo condiciones de invernadero duro 6 meses, con base al trabajo realizado por Ríos (2019). Para establecer los tratamientos se usaron como unidades experimentales 210 árboles de la especie A. xalapensis, de 6 meses de edad propagados sobre suelo rizosférico, que permitió el establecimiento de la micorriza misma que fue constatada al tomar muestras de las raíces de cada árbol, estos fueron colocados en macetas de 2 kg aproximadamente, con una base de papel filtro llenados en las siguientes proporciones:
Tratamiento | Condición |
---|---|
T1 | Suelo = control 1 |
T2 | Suelo + MO control 2 |
T3 | Terraplén de 150 años + suelo + agrolita |
T4 | Jal de 100 años + suelo + agrolita |
T5 | Terraplén de 150 años + suelo + MO |
T6 | Jal de 100 años + Suelo + MO |
C=control; S+MO=Suelo+ Materia orgánica; T150+S+A=Terraplén 150 años+Suelo+Agrolita; 100+S+A= Jal 100 años+Suelo+Agrolita; T150+S+MO= Terraplén 150 años, Materia Orgánica, Suelo; 100+MO+S=Jal 100 años Materia Orgánica+Suelo.
Tratamientos con materia orgánica: 1/3 de suelo rizosférico, 2/3 de sustrato (jal de mina/terrero) y 100 g de enmienda orgánica (lombricomposta). Tratamientos con agrolita: 1/3 de suelo, 1/3 de sustrato (jal de mina/terrero) y 1/3 de agrolita. Los elementos que se utilizaron como sustrato no fueron esterilizados para simular las condiciones de revegetación que dan sobre los jales.
Evaluación de supervivencia y crecimiento
Para realizar la evaluación de la supervivencia y crecimiento se contabilizaron y midieron desde la base del sustrato el total de árboles por tratamiento y se les asignó un número consecutivo al iniciar el experimento, registrándolos en una base de datos. Al finalizar el tiempo de evaluación, se contabilizaron y midieron nuevamente, y se ignoraron los individuos muertos, para obtener el porcentaje de supervivencia final. Se realizó un análisis estadístico ANOVA y prueba de Tukey usando el software Statistica 7 a la variable de Crecimiento, para observar si se presentaron diferencias significativas en los tratamientos.
Crecimiento total y biomasa
Para el análisis de crecimiento total se contabilizaron 35 individuos en los diferentes tratamientos (210 individuos en total) y para la cuantificación de la biomasa, se tomó una muestra al azar de tres individuos por tratamiento, teniendo un total de 18 individuos los cuales fueron desenterrados y lavados para retirar todo el sustrato, se tomaron las medidas total, aérea y subterránea de las plantas, mientras que para la biomasa se obtuvo el peso total, y se separó la parte aérea de la parte subterránea, la cual se pesó por separado para obtener el peso fresco. A continuación, se registraron las medidas y pesos totales y separados en una base de datos, posterior a obtener el porcentaje de colonización, biomasa aérea y subterránea se colocó en la estufa de secado a 60 °C por tres días y se registró peso seco. Finalmente, para obtener el porcentaje de perdida de biomasa.
BSA: Biomasa Seca Aérea
BSS: Biomasa Seca Subterránea
PTF: Peso Total Fresco
PTS: Peso Total Seco
Evaluación de porcentaje de colonización
Para realizar la evaluación de colonización se tomó la parte subterránea (raíces) de las plantas usadas para crecimiento total y biomasa. Se utilizó el método de intersección de cuadrantes propuesto por (SEMARNAT, 2007), que consiste en realizar el conteo de las raíces colonizadas, cortando la raíz en segmentos y colocando estas en una caja de Petri, con cuadrícula de un centímetro cuadrado. Posteriormente, se realizó la observación en microscopio estereoscópico, examinando las raíces, evaluando las intersecciones en un sentido vertical y horizontal. Finalmente, se observó toda la longitud de la raíz y se cuantifico la presencia de estructuras micorrízicas, se contaron las raíces observadas, separando las colonizadas y no colonizadas, realizando el conteo en cada centímetro cuadrado, siguiendo la metodología antes descrita. Con los datos obtenidos, se realizó el cálculo de la longitud radical colonizada para obtener el porcentaje de micorrización, de acuerdo con la siguiente formula (SEMARNAT, 2007):
Caracterización de morfotipos erocoides
Después de obtener el porcentaje de colonización, cada una de las cajas Petri con presencia de micorrizas fueron aisladas e individualizadas mismas que se fijaron en Navashin y etanol al 70% para su preservación y posterior caracterización. Se contabilizaron los ápices modificados por el hongo en cada raíz y fueron retirados de la plántula, para ser clasificados en morfotipos tomando como base la clasificación propuesta por Díaz Armendáriz (2018), Agerer (1987), con la clave DEEMY (Rambold & Agerer, 1997). Esta clasificación se hizo de acuerdo con características morfológicas y anatómicas para morfotipos ericoide, entre las que se encuentran dimensiones, tipo de ramificación, forma del ápice, textura o superficie del manto, tipos de red de Hartig y tipos de manto. Posteriormente se clasificaron y realizaron microfotografías empleando un microscopio estereoscópico de columna marca Leica M125, con el programa Leica aplication suite v4.
Resultados
Supervivencia y Crecimiento
Los tratamientos mostraron que de los 210 individuos sólo sobrevivieron 114 individuos en los 6 tratamientos y los tratamientos que generaron mejores resultados después de 6 meses fueron los tratamientos T3 y T4, teniendo un total de 32 y 33 individuos vivos lo que representa 91 y 94 %, respectivamente. Mientras que el tratamiento de T6 presento un total de 7 individuos vivos lo que representa el 20 % de supervivencia siendo este el tratamiento con menor número de individuos vivos (Fig. 2). Comparados con los tratamientos T1 y T2 que presentaron 26 y 16 individuos vivos lo que representa el 74 y 45 % de supervivencia. Observando que presentaron un menor porcentaje de supervivencia los tratamientos con MO.
Para crecimiento se encontraron diferencias significativas, (F=7.27; p=0.000005), teniendo que los tratamientos T4 y T5 presentaron los valores más altos, teniendo una altura promedio de 15.78 y 16.60 cm respectivamente con una tasa de crecimiento promedio de 2.63 y 2.76 cm al mes individualmente.
Siendo similares a los controles T1 y T2 que presentaron una altura promedio de 14 y 15 cm teniendo una tasa de crecimiento de 2.4 y 2.5 cm al mes respectivamente. Mientras tanto el tratamiento T3 mostro el crecimiento más bajo con 7.63 cm y una tasa de crecimiento de 1.27 cm al mes (Fig. 3).
Análisis para la muestra destructiva crecimiento Total
El análisis estadístico realizado a la muestra destructiva indica que no existe diferencia significativa entre los tratamientos. Encontrando que los valores más altos en cuanto a crecimiento total se presentaron en los tratamientos T4 y T5 teniendo un crecimiento promedio de 48 y 52 cm, respectivamente. Presentando una distribución de crecimiento, para la parte aérea de 26 y 27.7 cm, mientras que para la parte subterránea de 22.67 y 24.83 cm, respectivamente, teniendo una diferencia de crecimientos de 3. 33 y 3.4 cm, siendo una diferencia baja, lo que indica que el crecimiento se distribuyó casi de manera equitativa (Fig. 4).
Biomasa
En términos de biomasa total los tratamientos con los valores más altos fueron T3 y T6 teniendo un promedio de biomasa seca de 7.3 y 5.4 g individualmente. Presentaron así un porcentaje de perdida de biomasa de 72 y 77.5% respectivamente, siendo estos los tratamientos que presentaron menor perdida de biomasa, similarmente a los controles T1 y T2, que perdieron el 81% y 75%, no habiendo diferencias significativas (Tabla 3).
Porcentaje de colonización y caracterización de morfotipos micorrízicos ericoides
Los resultados obtenidos para porcentaje de colonización muestran que no existen diferencias significativas, encontrando que los tratamientos con mayor porcentaje fueron T1 y T2 con 49.33 y 44.96% respectivamente (Tabla 4).
Tratamiento | Crecimiento total (cm) | Biomasa fresca (g) | Biomasa seca (g) | No. TIPS |
---|---|---|---|---|
C | 51.13 ± 3.16 | 23 ± 4.9 | 4.3 ± 0.9 | 214.50 ± 52.50 |
S+ MO | 53.7 ± 5.86 | 22 ± 5.0 | 5.4 ± 1.7 | 272.66 ± 15.21 |
T150+S+A | 47.2 ± 4.00 | 27 ± 7.0 | 7.3 ± 2.4 | 333.00 ± 118.97 |
100+S+A | 48.7 ± 8.25 | 23 ± 5.7 | 5.1 ± 1.3 | 256.66 ± 111.83 |
T150+S+MO | 52.5 ± 2.22 | 18 ± 1.1 | 4.1 ± 0.4 | 295.33 ± 55.18 |
100+MO+S | 43.3 ± 6.00 | 24 ± 8.2 | 5.4 ± 1.8 | 358.00 ± 78.83 |
C=control, S+MO=Suelo+ Materia orgánica, T150+S+A=Terraplén 150 años+Suelo+Agrolita, 100+S+A= Jal 100 años+Suelo+Agrolita, T150+S+MO= Terraplén 150 años Materia Orgánica Suelo, 100+MO+S=Jal 100 años Materia Orgánica +Suelo.
Finalmente, se identificaron 6 morfotipos (Fig. 5) de 6 tratamientos estos se describieron con base a Agerer (1987) y con la clave DEEMY (Rambold & Agerer, 1997) y corroborado con el trabajo de Díaz Armendáriz (2018) que estudio las micorrizas de A. xalapensis sobre suelos volcánicos. Además, se aplicó KOH al 10%, reactivo que reacciona con las paredes celulares del manto que genera el hongo en los ápices de las raíces para comprobar la presencia de la simbiosis (Fig. 6).
Discusión
El estudio mostró que la fitorremediación es una alternativa viable para tratar suelos contaminados con metales, metaloides y compuestos orgánicos. Durante la última década, numerosos estudios han demostrado su potencial para remediar suelos. No obstante, para superar algunas de sus limitaciones es importante continuar realizando investigaciones. Con este trabajo se genera información sobre el efecto de residuos mineros sobre A. xalapensis, inoculado con micorrizas de tipo ericoide y se contribuyó con datos para poder emplear esta especie en procesos de fitorremediación.
Los resultados presentan variaciones en relación a la supervivencia, siendo los tratamientos con MO los que presentaron los resultados más bajos, así como cambios en la coloración de hojas (Fig. 7), lo que indica que la adición de materia orgánica a jales de temporalidad reciente (100 años) no es viable, ya que de acuerdo a Carrillo-González (2017), en algunos casos aumenta la disponibilidad de elementos potencialmente tóxicos, ampliando las posibilidades de ser absorbidos en mayor cantidad por la planta, además de acrecentar los niveles de pH en el suelo o sustrato, coincidiendo con Asati et al., (2016) y Ríos Esparza (2019), quienes mencionan que la adición de enmiendas orgánicas aumenta la disponibilidad de Zn reportando un aumento de 500 mg/kg en los tratamientos con enmiendas, y a sus vez indican que la fitotoxicidad causada por Zn está caracterizada por la disminución del crecimiento y la aparición de un color rojo violáceo y marrón necrótica en las hojas inferiores de la planta siendo estas características encontradas en diferentes individuos como se muestra en la Fig. 7.
Se observó que la presencia de micorrizas de tipo ericoide favorecieron la supervivencia de los individuos colocados sobre tratamientos con residuos de mina que presentaban altas concentraciones de Zn, Fe, As y Mg, aumentando las posibilidades de crecimiento, a excepción del tratamiento T3 que tuvo un crecimiento bajo, pero con el mayor porcentaje de supervivencia, teniendo que la presencia de esta interacción es favorable para la supervivencia de las plantas sobre residuos mineros, esto con base en lo reportado por Márquez et al. (2005), la supervivencia de Erica andevalensi sobre residuos mineros, y que la presencia de la interacción simbiótica, genera que los metales se acumulen en las raíces, y en algunos casos como el Zn sean translocados hacia las hojas de las plantas, teniendo como similitud que E. andevalensis pertenece a la misma familia botánica que A. xalapensis.
Esto da lugar a estudios reportados por (Molina & Trappe, 1982), quienes mencionan que hongos formadores de Ectomicorrizas son capaces de formar también micorrizas ericoides, siendo así que los reportaron como hongos generalistas, por tal motivo se deduce que al estar presentes individuos del género Pinus cercanos a los sitios de muestreo estos tenían la presencia de hongos micorrízicos lo que aumento la presencia de más Morfotipos de los originales.
Así, Barbachano García (2020) reporta que Ipomea tricolor Cav. presento un bajo desarrollo de longitud en sus tratamientos con jales provenientes de Angangueo, mientras tanto el alto crecimiento y la supervivencia de algunos tratamientos por la presencia de las micorrizas, considerando lo que plantean González-Chávez (2017), quienes hacen un análisis del uso de hongos micorrízicos arbusculares (HMA) en la fitorremediación de sitios contaminados con EPT, en donde mencionan, que estos interactúan con la planta modificando las condiciones para que estas se puedan establecer, crecer e incrementar su tolerancia y productividad en estos sitios.
Las micorrizas de tipo ericoides asociadas a A. xalapensis permitieron soportar las limitaciones de materia orgánica y la alta presencia de EPT, brindando protección a la planta, esto coincide con lo reportado por Rangel et al., (2014) quienes analizan el efecto de hongos micorrízicos arbusculares asociados a plantas leguminosas en la absorción de As, ellos reportan un retraso en la aparición de toxicidad por As, sin embargo este efecto fitoprotector varia en relación a la planta y la especie de HMA. Por ende, podemos argumentar que la presencia de Hongos micorrízicos ericoides considerados generalistas favorecen la supervivencia ya que al realizar cortes transversales a morfotipos y ser observadas al microscopio se lograron encontrar estructuras circulares posiblemente en donde se almacenaron EPT, los que nos da una de que es favorable la presencia y uso de la especie y la inoculación para la formación de estas micorrizas y su aplicación en la fitorremediación de zonas mineras con características similares.
Finalizando, Gutiérrez Alas (2015) encontró que las ectomicorrizas asociadas a Betula celtibérica Rothm, que crecen de manera natural en un sitio contaminado con metales pesados, presenta una amplia diversidad fúngica lo que favoreció el desarrollo de la especie, encontrando a las micorrizas en A. xalapensis presentan las mismas modificaciones en las raíces, por lo cual se piensa que esto ayuda a la especie a sobrevivir en sitios contaminados con EPT.
Conclusiones
La presencia de jales y terraplenes sin ningún tipo de manejo para su estabilización lleva un proceso muy lento de recuperación, siendo este a largo plazo, en este caso los sitios con temporalidades de 100 y 150 años que no presentaban ningún manejo presentaban muy poca y nula vegetación, por lo que se logró obtener una alta supervivencia de A. xalapensis en los tratamientos sin enmiendas orgánicas, mientras que los tratamientos con enmienda presentaron la menor supervivencia pudiéndose deber a que no se esterilizó el sustrato. Sin embargo, estos presentaron los crecimientos más altos, teniendo así que la adición de lombricomposta como enmienda orgánica a jales de 100 años con presencia de Zn, provoca una baja supervivencia, suponemos que con el cambio de pH se pudieran liberan en mayor cantidad los EPT, afectando en mayor proporción a la planta. Se encontró una gran diversidad de morfotipos de ericoides (Micorrizas), caracterizando un total de 6 morfotipos, siendo esto favorable para las plantas ya que la presencia de este tipo de asociaciones, ayudan a la supervivencia y crecimiento en sitios con presencia de EPT.