EVALUACIÓN DE MEZCLAS COMPOST INMADURO/SUELO DE

MORAVIA, Y FUENTES DE NUTRIENTES PARA LA DEGRADACIÓN DE LOS

PESTICIDAS: CLORPIRIFOS, MALATIÓN Y METIL PARATIÓN

PRESENTADO POR:

SERGIO AUGUSTO UPEGUI SOSA LILIANA ROCÍO BOTEROIngeniero Ambiental – U. de M. M . Sc. BiologíaEstudiante Maestría en Ingeniería Urbana Directora de Tesis

UNIVERSIDAD DE MEDELLÍN - MEDELLÍN, 2010

Origen y financiación del proyecto

“Aislamiento y evaluación de microorganismos potencialmente útiles para la degradación de Metil paratión en suelos contaminados y el efecto cruzado de degradación sobre Malatión y Clorpirifos”.

Pesticidas

Los pesticidas son productos químicos, naturales o sintéticos utilizados para combatir organismos plaga.

Representan un grupo heterogéneo de compuestos, cuyos mecanismos y espectros de acción dependen de la fórmula química del principio activo.

Pesticidas OrganofosforadosEsteres y aminas derivados principalmente del ácido

fósforico.Son usados principalmente como insecticidas, aunque

algunos de ellos presentan actividad nematicida, fungicida o herbicida.

Movilidad de los Pesticidas en el Ambiente

Afecciones causadas sobre la salud y el medio ambiente

Uso pesticidas

Afecciones al medio ambiente

Suelo y

Agua

Diversidad microbiana

Animales y Plant

as

Afecciones a la salud humana

Efectos agudos

Efectos Crónicos

Disposición Inadecuada de Pesticidas

En Colombia, para el año 2006 se tenían calculadas 500 toneladas de pesticidas obsoletos, almacenados en condiciones inadecuadas o dispuestos en entierros ilegales.

Los pesticidas obsoletos que se encuentran en Colombia, son en su mayoría de tipo organofosforado.

No hay capacidad tecnológica en los países en vías de desarrollo para la disposición final adecuada de estos pesticidas. (Sánchez et al., 2006; Vallejos, 2003).

Desventajas del Tratamiento Convencional

Generación de residuos peligrosos.

Generación de gases tóxicos.

Generación de pasivos ambientales.

Transporte del material a tratar.

Elevado consumo de energía e

insumos.

Biorremediación

Uso de microorganismos y sus enzimas para la degradación de sustancias químicas peligrosas presentes en suelo, sedimentos, agua u otros medios contaminados

(Saval, 1998).

Ventajas de la Biorremediación

Bajo costo de ejecución.

Fácil implementación.

Operación bajo condiciones ambientales.

Amigable con los ecosistemas.

Menor gasto de energía.

Degradación Cruzada

¿Qué es la degradación cruzada?Habilidad adquirida por los microorganismos para metabolizar compuestos con estructuras químicas relativamente similares (Kearney & Kellogg, 1985).

Clorpirifos Metil paratión

Malatión

Importancia del estudio de la degradación cruzada

La degradación cruzada puede causar alteración en la persistencia de un insecticida organofosforado en aquellos suelos donde se aplican otros organofosforados para el control de insectos rizófagos ó nematodos.

Por otro lado, esta habilidad puede resultar útil si lo que se busca es implementar un sistema biológico de tratamiento para este tipo de compuestos.

VARIABLES DE ESTUDIO Matrices

Mezclas de las Matrices

Nutrientes

Matrices seleccionadas

COMPOST INMADURO

Aumento de poblaciones microbianas - Liberación de nutrientes.

Estimulación de la actividad metabólica y diversidad enzimática en suelos con alto grado de contaminación. (EPA, 1997)

SUELO DE MORAVIA

Exposición prolongada a gran diversidad de sustancias químicas y condiciones tóxicas.

Diversidad enzimática con potencialidades de degradación de compuestos complejos. (U.S. Department of

Environmental Quality, 1998)

Efecto de las mezclas

Las mezclas Compost Inmaduro:Suelo de Moravia generan matrices con variaciones en la disponibilidad y tipo de nutrientes.

Regulando la presencia y tamaño de las comunidades microbianas en cada mezcla.

Generando diversas alternativas para la degradación de los compuestos orgánicos presentes en éstas.

Efecto de los nutrientes en la biodegradación

FERTILIZANTE

Los procesos de degradación microbiana están orientados a la reproducción de los microorganismos, y éstos requieren que los constituyentes químicos se encuentren biodisponibles para su asimilación (Maroto & Rogel, 2000).

FÓSFORO

Es un nutriente de importancia crítica, ya que interviene en la formación de compuestos energéticos dentro de la célula (ácidos nucleicos, ATP, fosfolipidos de la membrana celular), que luego se utilizan en los procesos de degradación y reproducción (Vidali, 2001).

Objetivo General

Evaluar el efecto del compost, suelo de un antiguo basurero y fuentes de nutrientes sobre la capacidad de degradación cruzada de tres plaguicidas organofosforados Clorpirifos, Metil Paratión y Malatión.

Objetivos Específicos

Caracterizar física y químicamente las matrices recolectadas.

Establecer el método para la extracción y la cuantificación de

los pesticidas.

Evaluar el efecto de las mezclas Compost:Suelo sobre la

cinética de degradación de los plaguicidas.

Evaluar el efecto del enriquecimiento con fósforo sobre la

cinética de degradación de los plaguicidas.

Evaluar el efecto de la adición de fertilizante sobre la cinética

de degradación de los plaguicidas.

Evaluar el efecto cruzado en los diferentes ensayos

realizados.

METODOLOGÍA

Obtención y caracterización de las matrices.

Extracción y cuantificación de los pesticidas.

Ensayo biodegradación.

Evaluación de la actividad microbiana.

Análisis Estadístico de Resultados.

Obtención del Suelo

Preparación del Compost

Proporción: 50:50 Activación microbiana: 5 días.

Caracterización de Matrices

PARÁMETROS EVALUADOS

pH (NTC 5167)

% Humedad (NTC 5167)

Densidad Aparente (NTC 5167)

Máxima Capacidad de Retención de Humedad (Arias, 2004)

% Carbono Orgánico (%C.O.)- % Materia Orgánica (%M.O.) (Walkley and Black , 1934).

Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)(NTC 5167)

Fósforo Total Disponible (Motta, 1990)

Cuantificación de los Pesticidas

•Cromatógrafo de gases, Agilent Technologies, modelo 6850. Acoplado con inyector automático modelo 7683B.•Columna HP-1•Detector µ-ECD•Programación del horno:•Temp. Inicial 100º C•Temp. Final 290º C

Características

del Equipo

Cuantificación de los Pesticidas

TR = 6.39, 7.13 y 7.40 minutos

Curva de Calibración

0 100 200 300 400 500 6000

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

Concentracion (µg/L)

Are

a (

Hz *

s) Cc = (Ac – 3829.46)/120.586

R2 = 0.99969

CMP = (AMP – 1643.83)/78.3523R2=0.99960

CM = (AM – 275.454)/47.3384R2=0.99898

Establecimiento del método extractivo

Proceso de Extracción

10 g Matriz

Adición de pesticidas2 mL Sln Pesticidas

Extracción

Cuantificación (CG)

% Recuperación

Cada una de las mezclas. Esterilizadas con calor

húmedo (121º C, 15 lb, 20 minutos)

Evaluado a los 0, 7, 15 y 30 días

(Mosquera, 2007; Castañeda, 2005; Goncalves et al., 2005)

Ensayos de biodegradación: Mezclas

Procedimiento

10 g Matriz

Adición de pesticidas

Cultivo

Extracción

Cuantificación

Mezclas (C:S): 100:0, 75:25, 50:50, 25:75,

0:100

30 días a 25ºC, oscuridad y cámara húmeda

Muestreo: 0, 1, 3, 5, 7, 15, 30 d

Ensayos de biodegradación: Adición de nutrientes

Procedimiento

10 g Matriz

Adición de pesticidas

(2 mL solución)

Cultivo

Extracción

Cuantificación (CG)

Mezcla 25:75 Compost:Suelo

Enriquecida con fósforo (K2HPO4) o fertilizante

Muestreo: 0, 1, 3, 5, 7, 15, 30 d

Ensayos de Biodegradación

Ensayos de mineralización

Ensayo

20 g Matriz

Adición de Pesticidas(4 mL solución)

Captura del CO2 liberado

Control

Todos los tratamientos.(Mezclas, Fósforo,

Fertilizante)

Medición de CO2 liberado

Cultivo

10 mL de NaOH 0.8 N

Titulación con HCl 0.4 N

Concentración inicial en las matrices

PESTICIDA CONCENTRACIÓN (mg * Kg-1)

Clorpirifos 130

Metil Paratión 30

Malatión 20

NUTRIENTE CONCENTRACIÓN (mg * Kg-1)

Fósforo (K2HPO4) 400

Fertilizante 100

RESULTADOS Y ANÁLISIS

Caracterización de las Matrices

Siglas: Hum. = humedad, Dap = Densidad Aparente, MCRH = Máxima Capacidad de Retención de Humedad, M.O. = Materia Orgánica, C.O. = Carbono Orgánico, CIC = Capacidad de Intercambio Cationico.

Matriz pHHum. (%)

Dap (g/cm3)

MCRH (%)

M. O. (%)

C. O. (%)

CIC (meq/100g

)

Fósforo Total

(mg/Kg)

Suelo 7,5 39,48 0,93 77,7 8,22 3,54 24,86 76,54

Compost8,31

47,36 0,20 82,64 17,6 7,79 53,0 60,45

pH: Valores aptos para el crecimiento de microorganismos, principalmente bacterias (Donézar Díez de Ulzurrun, 1995).Humedad: 50,81% y 57,31% de la capacidad de campo. Condiciones aeróbicas del cultivo -valores inferiores al 85- (Department of Environmental Quality, 1998).Nutrientes: el compost es la matriz con mayor disponibilidad de nutrientes para el desarrollo microbiano (Hang, 2003; Müller, Núñez & Ramírez, 1998).

Extracción de los pesticidas desde las matrices

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

% R

ecu

pe

ració

n

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

Tiempo (días)0 5 10 15 20 25 30 35

0

20

40

60

80

100

100:0 (C:S) 75:25 (C:S)

50:50 (C:S)

-- Clorpirifos-- Metil Paratión-- Malatión

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

% R

ecu

pe

ració

n

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

25:75 (C:S)0:100 (C:S)

Tiempo (días)

Efecto de las mezclas C:S en la degradación de Clorpirifos, Malatión y Metil Paratión

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

Tiempo (días)

% R

eman

ente

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

Tiempo (días)%

Rem

anen

te

0 1 2 3 4 5 6 70

20

40

60

80

100

120

Tiempo (días)

% R

eman

ente Malatión

Metil Paratión

Clorpirifos

Matrices C:S

-- 100:0-- 75:25-- 50:50-- 25:75--0:100

0 5 10 15 20 25 30 350

102030405060708090

Tiempo (días)

Min

era

liza

ción

(mgC

O2/g

M.S

.)

Degradación cruzada en las mezclas C:S

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

% R

eman

ente

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

Tiempo (días)

-- Clorpirifos-- Metil Paratión-- Malatión

100:0 (C:S) 75:25 (C:S)

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

50:50 (C:S)

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

% R

eman

ente

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

Tiempo (días)

25:75 (C:S)0:100 (C:S)

Clorpirifos Metil Paratión

Malatión

Efecto de la adición de nutrientes en la degradación de Clorpirifos, Malatión y Metil Paratión

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

120

Tiempo (días)

% R

eman

ente

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

100

Tiempo (días)

% R

eman

ente

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

20

40

60

80

100

120

Tiempo (días)

% R

eman

ente

Clorpirifos

Metil Paratión

Malatión

-- Fósforo-- Fertilizante-- Control

25:75 (C:S) 25:75 (C:S)

25:75 (C:S)

0 5 10 15 20 25 30 350

10

20

30

40

50

60

70

Tiempo (días)

Min

era

lizació

n

(mg

CO

2)

CONCLUSIONES

Las matrices con mayor contenido de Suelo de Moravia, 25:75 y 0:100 (C:S) fueron las que presentaron mayor capacidad microbiana para la degradación de Malatión (90%), Metil Paratión (95%) y Clorpirifos (47%).

A medida que se aumenta la proporción de compost inmaduro en la mezcla, disminuye la degradación de Clorpirifos. Lo que genera un efecto negativo sobre la degradación cruzada.

La velocidad de degradación (capacidad enzimática) no se asoció directamente con la mineralización, siendo la micro-flora del Suelo de Moravia menos activa, pero más útil para la degradación de los pesticidas evaluados.

CONCLUSIONES

La adición de fósforo generó un efecto negativo en la capacidad de los microorganismos para degradar los pesticidas Clorpirifos y Metil Paratión.

La adición de fertilizante comercial no presentó efectos significativos en la velocidad de degradación de los pesticidas.

No se evidenciaron diferencias significativas en la mineralización de los tratamientos con fertilizante y fósforo.

RECOMENDACIONES

Identificar productos de degradación de los pesticidas, usando el suelo de Moravia, para determinar los mecanismos y rutas de degradación empleados por los microorganismos de esta matriz.

Igualmente, es necesaria la identificación de los microorganismos o poblaciones microbianas encargadas de degradar estos pesticidas, con el fin de evaluar alternativas de bioaumentación o su uso en otras técnicas para el tratamiento in situ de pesticidas organofosforados.

Agradecimientos

A mis padres y hermana.

A Liliana Botero.

A mis amigos.

Grupo GEMA.

Grupo GDCON.

Gustavo Peñuela y Aleida Ochoa.

Centro de Laboratorios U. de M.

Juan Guillermo Uribe y Vanessa González.

GRACIAS

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