Características estructurales de ácidos húmicos y su efecto en el cultivo de Tagetes erecta L. en un suelo afectado por sales

Structural characteristics of humic acids and their effect on Tagetes erecta L. in a Salts Affected Soil

Martha E. González–Salgado^1†, Norma E. García–Calderón¹ y Gonzalo Almendros²

¹ Laboratorio de Edafología, Facultad de Ciencias. Universidad Nacional Autónoma de México. †Autor responsable: (mgsalgado@yohoo.com).

² Centro de Ciencias Medioambientales. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Serrano 115 B. 28006 Madrid, España.

Recibido: febrero de 2007.
Aceptado: junio de 2009.

RESUMEN

Los ácidos húmicos (AH) extraídos de la composta y del suelo de chinampa de 4 tratamientos seleccionados de las parcelas donde se estableció un cultivo de zempasúchil (Tagetes erecta L.), se caracterizaron con el objetivo de explicar su efecto mejorador a través de su análisis por espectroscopía visible, espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y por electroforesis. En el suelo de cada uno de los tratamientos se obtuvieron las curvas de mineralización del carbono como un índice para estimar la estabilidad de la materia orgánica. Los resultados mostraron que la mayor condensación de la materia orgánica del suelo (MOS) correspondió al tratamiento control, seguidos por el tratamiento AH (240 mg kg^–1), tratamiento con composta (120 mg kg^–1) y tratamiento con ácido láctico (3.4 L m^–2). Los espectros FTIR indicaron la presencia de formas poco alteradas de lignina, típicas en los AH de la composta, en los AH aislados de los suelos en que se obtuvieron altos rendimientos de la cosecha. En estos suelos, también dominaron características indicativas de AH poco evolucionados, de reciente formación, provenientes de la alteración sencilla de macromoléculas vegetales. La electroforesis mostró que los AH del suelo del tratamiento que produjo mayores rendimientos (H2C1M1) presentaron elevada movilidad iónica y en la espectroscopía visible, bajo grado de aromaticidad. Los espectros de los AH de los suelos mejorados indicaron bajo contenido en grupos funcionales oxigenados y presencia de proteína asociada, que explicarían los altos coeficientes de mineralización observados en las curvas respirométricas, que indican el aporte de materiales prehúmicos de rápida evolución como un índice de su efecto mejorador en el desarrollo del zempasúchil.

Palabras clave: antrosoles, composta, mineralización del C, espectroscopia, rehabilitación.

SUMMARY

Humic acids (HA) isolated from the soil commonly known as Chinampa soil of 4 selected treatments and from the compost of plots that were cultivated with zempasuchil (Tagetes erecta L.) were characterized through visible spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and electrophoresis in an attempt to explain their positive effect on the plant yield. Carbon mineralization curves were obtained from the soil of each one the selected treatments as an index of organic matter stability. Results showed that the highest structural condensation of soil organic matter (SOM) was found in the control soil, followed by the treatments with HA (240 mg kg^–1), compost (120 mg kg^–1) and lactic acid (3.4 L m^–2). The FTIR spectra indicated the presence of little altered forms of lignin, typical of the HAs isolated from the compost and also from the treated soils that produced the best plant yields. In these soils, the presence of indicative features of recently formed, immature HAs originating from the direct alteration of plant macromolecules was predominant. Electrophoresis showed that HA of the treatment resulting in the best yield (H2C1M1) had high ionic mobility, and the visible spectra showed a low degree of aromaticity. AH spectra from the amended soils showed a low content in functional oxygen groups and the presence of associated proteins, which could explain the high mineralization coefficients recorded in the respirometric curves. This suggests the improvement of the soil through readily biodegradable pre–humic material as an index of the amelioration in the production of zempasuchil.

INTRODUCCIÓN

En la época prehispánica, los habitantes del área lacustre de la cuenca endorreica de México establecieron la zona chinampera de Xochimilco–Tláhuac a partir de técnicas tradicionales, formando suelos de origen antrópico con alta productividad. En la actualidad el riego de las chinampas con aguas residuales ricas en bases, que se concentran por capilaridad al evaporarse en los suelos, ha favorecido su contaminación salina o sódica salina, dando lugar a costras salinas, baja permeabilidad y acumulación de sales solubles hasta de 20 a 30 g kg^–1 (García, 1988; Huez et al., 1989; Sánchez et al., 2003), que se traducen en disminución en la producción de los cultivos. Por tal motivo, se ha propuesto el empleo de mejoradores orgánicos para incrementar la producción y la rehabilitación edáfica en cultivos redituables de la zona.

En un trabajo previo se estableció un diseño experimental trifactorial con distribución completamente al azar, para mejorar un suelo salino–sódico sometiéndolo a lixiviación controlada y tratamientos orgánicos: i) composta (C) obtenida a partir de residuos de eucalipto y estiércol de conejo, ii) AH extraídos de dicha composta y iii) un mejorador orgánico (M): ácido láctico industrial consiguiendo disminuir el efecto de la salinidad, sodicidad y elevar la productividad de parcelas cultivadas con zempasúchil en un Antrosol térrico salino sódico (González et al., 2000).

Se propusieron como mejoradores los AH extraídos de esos tratamientos, por ser macromoléculas con intensa coloración oscura, de naturaleza coloidal y alta resistencia a la descomposición microbiana (Schnitzer y Khan, 1972). Su residencia media en el suelo de décadas hasta varios cientos de años y su caracterización molecular aporta datos de interés acerca de la calidad, estabilidad, fertilidad potencial y actividad fisicoquímica en los suelos (Schnitzer y Schuppli, 1989; Piccolo y Camiri, 1990; Stevenson, 1994). Los AH alcanzan tamaños moleculares de hasta 10⁶ Da, forman un sistema polidisperso con constituyentes mayoritarios aromáticos 20–60% y estructuras alquílicas lineales o ramificadas 10–40% (Almendros, 1994; Senesi et al., 1989). Los AH presentan carácter anfifílico y grupos funcionales carboxilos, hidroxilos fenólicos, alcohólicos y quinonas e interaccionan con la matriz mineral favoreciendo los procesos edáficos (Almendros, 1994; Schnitzer, 1978; Stevenson, 1994).

Con objeto de establecer posibles relaciones funcionales entre la estructura y el efecto de los AH aislados de la composta y del Antrosol térrico salino sódico, se comparon las características estructurales de los AH con la respuesta del zempasúchil a diferentes enmiendas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se utilizó material seleccionado de un experimento previo que se llevó a cabo en un Antrosol térrico salino sódico de Tláhuac (WRB, 1999), en un área de 700 m², a 19°16'06" latitud norte y 99° 00' 16" de longitud oeste, basado en un diseño experimental trifactorial, en parcelas al azar de 1.5 x 1.5 m separadas por franjas de 50 cm con cuatro repeticiones; cultivando zempasúchil (Tagetes erecta L.), resistente a la salinidad, para investigar el efecto de mejoradores con dosis que incrementaron la producción (Cuadro 1) (González et al. , 2000).

Se tomaron muestras de la capa arable del suelo de cada una de las repeticiones de cada tratamiento y del control. Se secaron al aire y se tamizaron por apertura 2 mm (malla 10). El carbono oxidable se valoró por el método de Walkley y Black (Jackson, 1982) y el nitrógeno por el método de Kjeldahl modificado (Page, 1982).

Mineralización del C de los suelos

El proceso de mineralización del C en condiciones de laboratorio se basó en la incubación aeróbica en matraces Erlenmeyer de 250 mL de 25 g de suelo homogeneizado a 2 mm, a una humedad de 75% de la capacidad de campo, manteniéndolos en una cámara de cultivo a 30°C. El desprendimiento de CO₂ de las muestras de suelo se midió conectando el tubo de salida a un analizador de gas Carmograph–12 (Wösthoff), mientras el tubo de entrada al matraz se conectó a una columna de cal sodada para permitir la renovación de la atmósfera del matraz mediante aire libre de CO₂. Las mediciones se realizaron durante 19 días. La actividad respiratoria de los suelos se expresó en mg C 100 g de suelo ^–1 (Almendros et al., 1990).

Extracción y purificación de los ácidos húmicos

Para la extracción y purificación de las fracciones orgánicas se aplicaron los métodos descritos por Dabin (1971), Duchaufour y Jacquin (1975). Se van pesando 16 g de suelo (calculados para obtener en el extracto 1 g de carbono orgánico) y se agregaron 150 mL de ácido fosfórico 2M, agitando 5 minutos y centrifugando a 3 500 g durante 5 min. El sobrenadante se decantó sobre papel filtro tarado. El tratamiento se repitió tres veces. La fracción retenida en el papel filtro, correspondiente a la materia orgánica libre, se lavó con H₂O destilada, se desecó a 40°C y se pesó. El residuo de esta primera separación (fracción pesada) fue sometido a tratamientos repetidos con Na₄P₂O₇ 0.1M (2 veces) y con NaOH 0.1M hasta la extracción total de las sustancias húmicas extraíbles. Se juntaron los extractos de los tratamientos sucesivos y se determinó su volumen. Para la cuantificación del contenido de C de los AH, se tomaron alícuotas de 50 mL del extracto. Del mismo extracto total (AH + AF) se separó una alícuota de 200 mL, la cual se acidificó con H₂SO₄ 1:1 v:v hasta pH 1.5. El extracto se dejó reposar una noche. Se centrifugó a 3 000 g obteniendo en el precipitado los AH, que se disolvieron a pH 12 (NaOH 0.5M) valorando el porcentaje de carbono por el método de Walkley y Black (Jackson, 1982). El contenido en C de AF se obtuvo por diferencia entre la concentración de AH y el contenido en C del extracto total anteriormente determinado.

Purificación de los AH

Los AH se purificaron, por redisolución en NaOH 1M, centrifugando la solución alcalina resultante a 12 000 g. Se decantaron los AH en solución y se acidificaron con HCl a pH 1.5, el precipitado se desmineralizó con la mezcla HCl–HF 1M durante 24 h repitiéndose tres veces el tratamiento. Los AH obtenidos se lavaron en tubo de diálisis (Visking ® Medicell # 6, 27/32) y se desecaron en cápsulas de porcelana a 40 °C (Almendros et al., 1982; Stevenson, 1994).

Caracterización espectroscópica de los AH

Electroforesis de los AH

Para el estudio de los AH por electroforesis se utilizó soporte de celulosa, una fuente de electroforesis Desaga y una cubeta Elphor. Añadiendo bórax (Na₂B₄O₇·10 H₂O, 9.54 g L^–1) como tampón. Se disolvieron 3 mg de cada muestra en NaOH 1M y se depositaron sobre tiras de papel Whatman #1 (Freifelder, 1991). En los electroforegramas se determinaron las áreas y la relación I/M (AH inmóviles/ AH móviles; Jambu, 1970; Jacquin et al., 1970).

Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR)

Los espectros FTIR de los AH se obtuvieron en un espectrofotómetro Bruker IFS28 con transformada de Fourier a partir de pastillas preparadas con 3 mg de muestra de AH y 200 mg de KBr. Para ello, los AH se homogeneizaron en un mortero de ágata, y se desecaron a 105°C durante 8 h. La frecuencia de adquisición de los espectros fue de 4000 a 400 cm^–1. Se realizaron mediciones de la intensidad de diferentes bandas correspondientes a los principales grupos funcionales de la molécula. Para facilitar el reconocimiento de patrones a partir de los espectros, se aplicó un procedimiento matemático para aumentar su resolución, basado en la sustracción digital del espectro original de un múltiplo positivo de su 2^a derivada (Rosenfeld y Avinash, 1982).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los tratamientos seleccionados para la caracterización fueron estadísticamente diferentes al control (Figura 1), donde el peso seco de Tagetes se presenta como el principal parámetro de productividad por su uso comercial como pigmentos.

Mineralización del C de los suelos

En la Figura 2 se muestra como el desprendimiento de CO₂ a mineralizado fue mayor en los tratamientos mejorados que en el control. Se considera que la cinética de la mineralización del C es un índice de la actividad biológica, la distinta forma de las curvas de mineralización está reflejando la progresiva liberación retardada de elementos originalmente inmovilizados en la materia orgánica. Es decir, al añadir las enmiendas orgánicas se incrementa y favorece la producción de CO₂, indicando una actividad biológica sostenida, que supera a partir del segundo día los valores registrados para el control (Almendros et al., 1982; Saviozzi et al., 1993; Álvarez y Álvarez, 2000; Riffaldi et al., 2000).

La aplicación del ácido láctico como mejorador con las diferentes dosis de composta incrementaron positivamente la actividad microbiana favoreciendo la rehabilitación del suelo tratado, principalmente tras la aplicación de la dosis doble de AH2 = 240 mg kg^–1, en su triple interacción (H2C1M1) 240 mg, 120 mg y 3.4 L m².

Espectroscopia visible

Se ha presentado evidencia de que la intensidad del color de las sustancias húmicas está relacionada con su aromaticidad, y se incrementa con la madurez (Traina et al. , 1990). Los espectros visibles de los AH extraídos del suelo (Cuadro 2) muestran valores de extinción a 465 nm (E₄) para el Control (1.183) presentando valores más elevados, que los AH de la composta (1.102) utilizada como enmienda, indicando AH con mayor proporción de estructuras alifáticas en los AH de suelos mejorados con los diferentes tratamientos, que se refleja en los valores comparativamente más bajos de E₄ (1.165) H1C2M1, (0.917) H2C1M0 y (1.067) H2C1M1 (Schnitzer, 1978).

Electroforesis

La electroforesis (Cuadro 2) permite obtener una idea de la movilidad iónica que se encuentra relacionada con el peso molecular, que en el caso de los AH, en ocasiones es considerada un índice relacionado con la calidad de humificación (Jambu, 1970; Jacquin et al., 1970).

En la Figura 3, se aprecia la presencia de la proporción de macromoléculas poco evolucionadas de elevada movilidad electroforética en los AH extraídos de la composta en un 78%, que coincide con el elevado índice E4/E6 anteriormente indicado, que sugieren el bajo grado de humificación de los AHs de la composta, en contraste con sus valores para el suelo control y los tratamientos (Dorado et al. , 1972).

En efecto, las curvas densitométricas correspondientes a los electroforegramas de los AH muestran de dos a cuatro fracciones más o menos definidas, donde pueden distinguirse en el control (Figura 3a) sustancias de alto peso molecular (fracción inmóvil) y de peso molecular comparativamente reducido (fracción móvil), quedando una apreciable proporción de AH con valores de movilidad intermedia.

Espectroscopia IR

Los espectros FTIR de los AH extraídos de los suelos (control, y H1C2M1, H2C1M0, H2C1M1), no presentaron diferencias cualitativas sustanciales (Figura 4), en parte porque fueron extraídos de las parcelas del mismo suelo, a diferencia de los AH de la composta (Figura 4a). La comparación de los espectros sugiere diferencias en la intensidad de tres bandas características: 1720 cm^–1 (COOH), 1560 cm^–1 (N en forma de amidas; proteínas) y 1460 cm^–1 (grupos alifáticos en cadenas alquílicas) y del patrón característico de picos típicos de ligninas a 1510, 1460, 1420, 1270 y 1230 cm^–1, que en el caso (Figura 4b) sugieren AHs de origen reciente y relativamente biodegradables (Fengel y Wegener, 1984; Farmer y Morrison, 1960).

Los espectros IR también presentaron una intensa banda a 1660 cm^–1 correspondiente a proteínas, que coincide con la observación anterior. Las otras las bandas y sus intensidades se hacen patentes al aumentar la resolución del espectro a partir de la segunda derivada.

CONCLUSIONES

– El comportamiento de la materia orgánica del suelo, sugerido por las curvas de mineralización del C, mostró el aumento de la actividad biológica en los suelos mejorados por los distintos tratamientos.

– Los espectros visibles y la espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) de los ácidos húmicos (AH), extraídos de los suelos tratados con las enmiendas en su mayor parte procedentes de ligninas, mostraron un contenido relativamente bajo de compuestos aromáticos en comparación con el suelo original.

– La electroforesis y la espectroscopía FTIR también sugieren que los tratamientos H2C1M0 y H2C1M1 conducen a la acumulación en el suelo de AH poco evolucionados. Los tamaños moleculares elevados y la presencia de varios tipos de grupos reactivos, su alta biodegradabilidad y contenido en proteína, facilitarían la liberación progresiva de nutrimentos a la solución del suelo sugeridas por las cinéticas de mineralización del C en los experimentos de incubación. El conjunto de las características de los AH favorecieron la producción de las flores de zempasúchil en forma significativa.

A la Dirección General del Personal Académico de la Universidad Nacional Autónoma de México DGAPA, UNAM, por el apoyo económico para la estancia en el CSIC.

A la M. en C. Ma. del Socorro Galicia por su apoyo en el análisis de las sustancias húmicas. Laboratorio de Edafología Nicolás Aguilera UNAM.

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