Introducción

El término zeolita proviene de las palabras griegas zein (hierve) y lithos (piedra) que significa “piedra que hierve”, fue designado por el suizo Cronstedt en 1756. El término se aplica a un grupo de aluminosilicatos con estructura porosa, que presenta alta capacidad de retención de humedad y de intercambio catiónico, su origen es ígneo por enfriamiento de lava basáltica (^{Ming y Mumpton, 1989}; ^{Carlino, 1998} y ^{Qian et al., 2001}). La zeolita clinoptilolita se clasifica así, cuando la relación [Na + K] > [Ca] y tiene una relación Si:Al de alrededor de 4.5 a 5 (^{Ming y Mumpton, 1989}). Las zeolitas tienen alta capacidad de intercambio catiónico. Entre los cationes adsorbidos se encuentran: Na⁺, K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺, los cuales, excepto Na⁺, podrían ser aprovechados por las plantas cuando se emplea como sustrato en cultivos hidropónicos (^{Stamatakis et al., 2001}). Sin embargo, el Na intercambiable de la zeolita puede ser reemplazado por otros cationes: NH₄ ⁺, K⁺, Ca²⁺ o Mg²⁺ (Harland, 44 1999; ^{Broschat, 2001} y Urbina et al., 2006). La clinoptilolita tiene una gran estabilidad estructural, que ofrece la posibilidad para reutilizarla sin reducir el rendimiento, lo cual no se ha visto con otros sustratos hidropónicos (^{Harland, 1999}). En México se han encontrado yacimientos de zeolitas en varios estados, siendo los más importantes los de Oaxaca, constituidos por las zeolitas mordenita y clinoptilolita (^{Ostroumov et al., 2005}). ^{Fakhri et al. (1995)} indicaron que estos materiales podrían ser usados localmente con éxito en cultivos hidropónicos. ^{Stamatakis et al. (2001)} indicaron que el uso de zeolita como sustrato en hidroponía no ha sido desarrollado a gran escala, esto se debe probablemente a que su uso principal ha sido en distintas actividades industriales como la construcción, en el tratamiento de aguas y en la elaboración de cosméticos (^{Bosch y Schifter, 1998}). En México no se le ha dado la debida importancia a este recurso; mientras que en otros países como Cuba, Estados Unidos y Australia se puede conseguir con cierta facilidad para su uso como sustrato en cultivos hidropónicos (^{Rivero y Rodríguez, 1988}; ^{Steinberg et al., 2000}; ^{Stamatakis et al., 2001} y ^{Ostroumov et al., 2005}). Esto, quizá porque aún no se tiene conocimiento suficiente sobre su manejo y posibilidades de uso.

El éxito de los cultivos hidropónicos requiere entre otros aspectos el estudio, acondicionamiento y evaluación de las propiedades físicas y químicas de aquellos materiales factibles de ser usados como sustrato, así como de la evaluación del comportamiento de las plantas en el sustrato (^{Luque, 1981} y ^{Terés et al., 1995}). En ese sentido ^{Maloupa et al. (1992)} indicaron que el tamaño y distribución de las partículas alteran las propiedades físicas del sustrato, las que a su vez modifican las relaciones agua-aire y por lo tanto el crecimiento de la planta. Lo anterior se respalda con otros estudios como el de ^{Cervelli y Farina (1994)} quienes usaron zeolita con tamaño de partícula comprendido entre 3 a 5 mm en la producción de cultivos ornamentales; el de ^{Maloupa et al. (1992)} que cultivaron gerbera en hidroponía, en partículas de 0.2 a 4 mm y por último el de ^{Issa et al. (2001)} quienes usaron zeolita de 0.8 a 2 mm en la producción hidropónica de gerbera. En cuanto a la solución nutritiva universal de Steiner se requiere determinar experimentalmente, el potencial osmótico adecuado de dicha solución para cada cultivo y época climática (^{Steiner, 1984}). Las especies vegetales no responden similarmente a una relación particular de suministro de NH₄ ⁺-N/N total y a un cierto pH en la zona de la raíz, algunas plantas absorben preferentemente N-NO₃ ^-, en cambio otras NH₄ ⁺-N, o una mezcla de ambas fuentes nitrogenadas para obtener mayores rendimientos (^{Bugarín et al., 1998a} y ^{Preciado et al., 2001}). Por otra parte, el suministro de una pequeña cantidad de nitrógeno en forma de NH₄ ⁺, ha llegado a ser una práctica común en hidroponía que permite la regulación del pH en la zona de la raíz de la planta (^{Lea- Cox et al., 1999}; ^{Bar-Tal et al., 2001} y ^{Savvas et al., 2003}).

El objetivo de la presente investigación fue evaluar el efecto de la granulometría de la zeolita clinoptilolita (proveniente de Oaxaca) y potencial osmótico y concentración de NH₄ ⁺ en la solución nutritiva universal de Steiner sobre el crecimiento de Gerbera jamesonii en hidroponía.

Materiales y métodos

La presente investigación se dividió en tres etapas: la primera consistió en caracterizar la zeolita natural molida y cribada en dos granulometrías contrastantes, en cuanto a sus propiedades físicas. En la segunda etapa a dichas granulometrías se les adicionó K⁺, Ca²⁺ y Mg²⁺ y se hicieron las determinaciones químicas correspondientes. En la tercera etapa las zeolitas molidas y “cargadas” de cationes, se utilizaron como sustratos en el cultivo hidropónico de gerbera. La primera etapa tuvo el propósito de caracterizar físicamente la zeolita, inclusive términos estadísticos. La segunda etapa permitió definir el grado de adsorción de los cationes por las zeolitas, también inclusive estadísticamente. Para la tercera etapa, de interpretación de los resultados del crecimiento hidropónico de la gerbera, se consideró que la discusión correspondiente podría ser enriquecida con los resultados de las dos primeras etapas.

Se utilizó como sustrato zeolita clinoptilolita, molida y tamizada (en la mina) en dos granulometrías: fina (1 a 4 mm) y gruesa (4 a 9 mm), proveniente de la mina del municipio Etla, estado de Oaxaca, su color en seco es gris claro y verde olivo en húmedo (Tabla Munsell: 5 y 7/2 y 5 y 5/3, respectivamente). Se realizaron las determinaciones siguientes: densidad aparente, densidad real, porosidad, punto de marchitamiento permanente, agua a saturación y capacidad de campo, las cuales se utilizan principalmente para definir la capacidad de almacenamiento de agua del sustrato. La densidad aparente se determinó por el método de la probeta, la densidad real por el método del picnómetro, la porosidad se calculó a partir de las dos densidades (^{Coras, 1989}). Agua a saturación y agua a capacidad de campo se determinaron por el método de la columna (^{Ansorena, 1994}); el punto de marchitamiento permanente se determinó por el método biológico del girasol (^{Coras, 1989}).

Las zeolitas fina y gruesa se trataron consecutivamente con KCl, Ca(NO₃)₂ y MgSO₄ para fijar los cationes en los sitios de intercambio de acuerdo con ^{Urbina et al. (2006)}. A las zeolitas “cargadas” y en sus dos granulometrías se les determinó su contenido de cationes intercambiables (K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ y NH₄ ⁺), el anión intercambiable NO₃ ^- y la capacidad de intercambio catiónico (CIC). El método para determinar el porcentaje de cationes intercambiables (K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺ y NH₄ ⁺) y la CIC, consistió en su extracción mediante acetato de amonio a pH 7; su cuantificación se realizó mediante el espectrofotómetro de inducción de plasma acoplada (ICP-AES marca Varian). Los contenidos de NH₄ ⁺ y NO₃ ^- se determinaron mediante arrastre de vapor. Los resultados de las propiedades físicas, cationes intercambiables, capacidad de intercambio catiónico y NO₃ ^- se analizaron estadísticamente mediante un diseño completamente al azar con cinco repeticiones.

El experimento se realizó en un invernadero con cubierta de polietileno, localizado en Montecillo, Edo. México a partir del 24 de junio de 2005. Se establecieron plántulas de Gerbera jamesonii cv. Passion (doble rojo), en un sistema hidropónico cerrado con rehúso de la solución nutritiva, el cual estuvo constituido por dos contenedores de plástico, uno para el sustrato (contenedor A) y otro para la solución nutritiva (contenedor B). En el contenedor A se insertó verticalmente una manguera de PVC de 2.5 cm de diámetro, con perforaciones a todo lo largo de la misma; al contenedor B se le insertó en su base una manguera de ±1.5 cm de diámetro. Para proporcionar el riego con la solución, la manguera del contenedor B se insertaba en la manguera de PVC y se elevaba el contenedor B sobre el nivel del contenedor A; para drenar la solución el contenedor B se colocaba por debajo del contenedor A.

Después del trasplante se colocó una malla para sombra al 70% durante dos semanas principalmente para disminuir la radiación. Durante el invierno se colocó una doble cubierta de polietileno dentro del invernadero para disminuir la pérdida de calor. En el invernadero se tuvo una temperatura mínima promedio de 15 °C y una máxima promedio de 26 °C con una humedad relativa de 70%.

Las plantas cultivadas en el tezontle en un principio se regaron con la solución nutritiva al potencial osmótico (PO) de -54 kPa, pero no hubo la respuesta esperada, por lo que cambió a -72 kPa.

Se evaluaron 3 potenciales osmóticos de la solución nutritiva universal de Steiner (^{Steiner, 1984}): -36, -54 y - 72 kPa, 3 concentraciones de amonio: 0, 7.5 y 15% del total de cationes en mmol_c L^-1 (Cuadro 1) y dos granulometrías de zeolita (fina 1 a 4 mm y gruesa 4 a 9 mm); de tal manera que se integró un diseño factorial completo 3 × 3 × 2 con tres repeticiones; se utilizó como testigo tezontle con granulometría de 4 a 9 mm, la distribución de los tratamientos fue completamente al azar.

^† Concentración definitiva de amonio después de realizar los ajustes correspondientes por potencial osmótico (PO); ^‡ Concentración de amonio propuesta, en porcentaje con respecto al total de cationes en mmol_c L^-1. La concentración de los micronutrimentos de las soluciones nutritivas fue 4, 0.865, 1.6, 0.023 y 0.011 mg L^-1 de Fe, B, Mn, Zn y Cu, respectivamente. El pH de las soluciones nutritivas se ajustó diariamente antes del riego a 5.5±0.3 con H₂SO₄ (1N) o NaOH (1N).

Cuadro 1 Composición química de las soluciones nutritivas, con base en la solución nutritiva universal de Steiner. 

Se evaluaron las variables de crecimiento: diámetro de capítulo, longitud del pedúnculo, diámetro de pedúnculo, peso fresco de la flor, peso fresco del capítulo, peso fresco del pedúnculo (PFP), peso seco de la flor, peso seco del capítulo y peso seco del pedúnculo. La interpretación estadística de las características físicas y químicas de los sustratos, y de las variables del crecimiento de la flor se hizo mediante un análisis de varianza (^{SAS Institute, 1985}). La comparación de medias de los efectos principales se realizó con la con la prueba de Tukey (P ≤ 0.05). La comparación de medias de las interacciones significativas, se hizo con la prueba de Scheffé (P ≤ 0.05) recomendada por ^{Martínez (1996)}. También se comparó el efecto del testigo con la media correspondiente del diseño factorial.

Resultados y discusión

En el Cuadro 2 se presentan los efectos principales: granulometría del sustrato, potencial osmótico y concentración de amonio de la solución nutritiva y sus correspondientes interacciones. En cuanto a granulometría no hubo efectos significativos en las variables de crecimiento de la flor, esto se puede deber a que no existieron diferencias significativas entre las propiedades físicas de la zeolita fina y la zeolita gruesa, la excepción, fueron los valores de la variable agua a saturación (Cuadro 3). El agua a saturación es un estado temporal de humedad de dichos sustratos, por lo que no afectó a dichas variables. Esta determinación tiene su utilidad práctica en la determinación de cuanta agua (solución nutritiva) se requiere para humedecer totalmente el sustrato (^{Penningsfeld y Kurzmann, 1975}). Maloupa et al. (1993) estudiaron la respuesta del cultivo hidropónico de gerbera en 5 sustratos: lana de roca, perlita, zeolita, una arcilla regional y una arena de río; encontraron que los materiales resultaron con propiedades muy diferentes entre sí, al punto de producir diversos efectos en el crecimiento y desarrollo del cultivo y por lo tanto, dichos investigadores recomiendan que se dé un manejo específico a cada uno de los sustratos; entre las propiedades físicas más importantes de la zeolita destacaron a la porosidad y al agua fácilmente aprovechable.

^† Sistema hidropónico cerrado sobre zeolita; ^‡ Granulometría (G) de zeolita fina: 1-4 mm y gruesa: 4-9 mm; ^§ Medias con la misma letra dentro de cada columna son iguales estadísticamente según Tukey (P ≤ 0.05). ^¶ Potencial osmótico de la solución nutritiva en kPa; ^# ns, ^* y ^**: no significativo (P ≤ 0.05), significativo y altamente significativo (P ≤ 0.01), según Scheffé ^†† Coeficiente de variación.

Cuadro 2 Efecto de los factores: granulometría del sustrato, potencial osmótico y concentración de NH₄ ⁺ de la solución nutritiva y sus interacciones, sobre variables de crecimiento de la flor de gerbera var. Passion cultivada en zeoponia^†. 

^† Diámetro de las partículas finas: 1-4 mm y de partículas gruesas: 4-9 mm. ^‡ Medias con la misma letra dentro de cada columna son iguales estadísticamente, según Tukey (P ≤ 0.05);

Cuadro 3 Análisis de varianza de las propiedades físicas de la zeolita natural fina y gruesa y el tezontle. 

No existieron efectos significativos en las variables de crecimiento de la flor debidos al potencial osmótico (PO) de la solución nutritiva (Cuadro 2). Al respecto, ^{Urbina et al. (2006)} estudiaron el efecto de tres granulometrías en la conductividad eléctrica (CE) del agua a saturación en muestras de zeolita clinoptilolita y de tezontle, las cuales después de ser molidas y cribadas, fueron lavadas con agua destilada hasta eliminar las sales solubles que pudieran contener. Las tres granulometrías fueron: 0.71 a 1.0, 1.01 a 2.0 y 2.01 a 3.36 mm. Las CE de las zeolitas fueron 0.20 (c), 0.23 (b) y 0.30 (a), respectivamente, con una media de 0.24 (a) dS m^-1, las primeras tres letras entre paréntesis señalan las diferencias estadísticas (P ≤ 0.05) de CE de las granulometrías dentro del sustrato y la última, la media del sustrato (zeolita). En la misma forma, las CE de las granulometrías dentro del tezontle fueron: 0.08 (a), 0.05 (b) y 0.05 (b) respectivamente, con una media de 0.06 (b) dS m^-1. Se observa que la media de CE de las granulometrías de las zeolitas, es cuatro veces la de la media de las granulometrías de tezontle, y esto, no se debió a la presencia de sales solubles en el agua a saturación de los sustratos.

Las diferencias estadísticas entre las CE de granulometrías de los tezontles, se debieron a los volúmenes de agua necesarios para saturar los tezontles. Entre los correspondientes volúmenes de agua de las zeolitas no hubo diferencias estadísticas significativas. Bohn et al. (1985), indican que en el proceso de determinación de la capacidad de intercambio catiónico, se lavan las muestras hasta dejarlas sin sales solubles y que con frecuencia se emplean soluciones de alcohol para mantener las muestras floculadas, esto no se hizo en el caso presente (^{Urbina et al., 2006}), lo cual explica la menor CE de la zeolita más fina, la más fracturada y por lo tanto, más expuesta a ser defloculada. Por otra parte, extrapolando los resultados de ^{Urbina et al. (2006)} al presente estudio, se infiere que la diferente CIC de las dos zeolitas, hizo que los volúmenes de agua utilizada para saturarlas, se comportaran como si tuvieran diferentes cantidades de sales en solución, anulando el efecto del diferente PO de las soluciones nutritivas. Lo cual explica el hecho de que no se encontraron diferencias estadísticamente significativas debidas a los PO de las soluciones nutritivas en las variables estudiadas (Cuadro 2).

De las variables estudiadas solamente fue afectada la longitud del pedúnculo (LP), con 7.5 % de amonio en la solución nutritiva, esta disminuyó (Cuadro 2). Sin amonio la LP fue mayor, esto coincide con lo señalado por ^{Lea-Cox et al. (1999)}; ^{Bar-Tal et al. (2001)} y ^{Savvas et al. (2003)}, quienes indican que las plantas, en general, responden positivamente a bajas concentraciones de amonio, cuando responden.

La LP fue significativa por el efecto de la interacción G × PO (Cuadro 2), de los contrastes estudiados, solamente se manifestó en el siguiente: dentro del PO -54 kPa, entre la LP de la zeolita fina y la de la zeolita gruesa, ésta última fue mayor (Figura 1). Dentro de los PO -0.36 y -0.72 kPa, los contrastes correspondientes entre las dos zeolitas no fueron significativos y si lo fueron los PO de -54 kPa. Una respuesta similar fue encontrada por ^{Steiner (1973)}, ^{Bugarín et at. (1998a)}, ^{Bugarín et at. (1998b)} y ^{Parra et al. (2004)} y ^{Parra et al. (2009)}, quienes explicaron sus resultados, dichas explicaciones constituyen la base de la discusión siguiente. Con el PO más grande (-0.36 kPa) (la solución nutritiva más diluida) se favorece la absorción de algunos nutrimentos mediante el mecanismo de flujo de masas, tales como el calcio y el magnesio y se limita la absorción de nutrimentos mediante difusión tales como el fósforo, lo contrario ocurre con el PO más pequeño (-0.72 kPa). Estos efectos, señalan dichos investigadores, producen frecuentemente desbalances nutrimentales hasta el grado de constituir deficiencias o toxicidades nutrimentales. A causa de lo anterior, en ambos casos, con el PO menor y el mayor, no hubo diferencia significativa entre ambas zeolitas. Con el PO: -54 kPa los efectos antes indicados de absorción de nutrimentos mediante flujo de masas y difusión, debidos al PO de la solución, no se dieron, sin embargo, el mayor contenido de alguno, o algunos de los cationes siguientes: calcio, magnesio, potasio o amonio en la zeolita fina con respecto a la gruesa (Cuadro 4), pudo ser la causa de la diferencia significativa entre sus correspondientes LP (Figura 1). Cabe señalar que la planta pudo absorber parte de estos nutrimentos (cationes) por intercepción de la raíz con la zeolita, lo cual coincide con lo señalado por ^{Stamatakis et al. (2001)} y ^{Urbina et al. (2006)}.

Figura 1 Interacción granulométrica de la zeolita por potencial osmótico de la variable longitud de pedúnculo. 

^† Diámetro de las partículas finas: 1 - 4 mm y de las partículas gruesas: 4 - 9 mm. ^‡ Medias con la misma letra dentro de cada columna son iguales estadísticamente, según Tukey (P ≤ 0.05). CV = coeficiente de variación.

Cuadro 4 Cationes y aniones intercambiables en las zeolitas fina y gruesa tratadas consecutivamente con soluciones de KCl, Ca (NO₃)₂ y MgSO₄. 

Crecimiento de Gerbera en Tezontle

Los valores correspondientes a las variables de crecimiento de la flor obtenidos en tezontle no fueron estadísticamente diferentes al compararlos con los obtenidos en zeolita (Cuadro 5).

^† Medias con la misma letra, dentro de cada columna, son iguales estadísticamente según prueba de Scheffé (P ≤ 0.05). ^‡ Tezontle con partículas comprendidas entre 1-4 mm.

Cuadro 5 Comparación de la media diseño factorial con la del tezontle de las variables de crecimiento. 

En el cultivo hidropónico de diversas especies se utiliza el tezontle como sustrato, debido al buen zeolita podría usarse como un sustrato alternativo equiparable al tezontle para el cultivo de gerbera. La zeolita se localiza en diversas minas en varios estados de México; entre ellos Chihuahua, Guanajuato, Guerrero, Hidalgo, Jalisco, Michoacán, Oaxaca, Puebla, San Luis Potosí, Sinaloa, Sonora, Tlaxcala y Veracruz.

Tomando en cuenta que hubo necesidad de usar una solución más concentrada para las plantas cultivadas en tezontle, sería recomendable determinar en investigaciones futuras, cual es el potencial osmótico de la solución nutritiva que requieren esas plantas, para compararlas en forma apropiada con la respuesta de las plantas cultivadas en zeolita.

Conclusiones

- Al evaluar a la zeolita clinoptilolita para su posible uso en un sistema hidropónico de circuito cerrado para el cultivo de gerbera, se encontró que las características de crecimiento de la flor fueron similares en ambos sustratos: zeolita y tezontle.

- Ni la granulometría de la zeolita, ni el potencial osmótico, ni la concentración de amonio de la solución nutritiva, evaluados como efectos simples o sus interacciones, afectaron a las variables de crecimiento de la flor, la única excepción fue el efecto de la concentración de amonio en longitud de pedúnculo, la adición mínima de amonio tuvo efecto negativo sobre esta variable.

- La zeolita fina retuvo mayor cantidad de cationes (K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ y NH₄ ⁺).