Durabilidad de la madera de Prosopis laevigata y efecto de sus extractos en hongos que degradan la madera

Durability of wood of Prosopis laevigata and the effect of its extractives on wood-decaying fungus

Artemio Carrillo-Parra¹, František Hapla², Carsten Mai² y Fortunato Garza-Ocañas¹

¹ Facultad de Ciencias Forestales, Universidad Autónoma de Nuevo León, Carr. Nal. Km. 145 C.P. 67700. Linares, Nuevo León, México. C.e.: arte_carr@hotmail.com

Manuscrito recibido el 23 de junio de 2009
Aceptado el 04 de mayo de 2010

Resumen

Se determinó la durabilidad natural de la madera de Prosopis laevigata de cuatro sitios del Noreste de México mediante a) microcosmos terrestres (Pre-norma Europea 807) en un suelo tipo vertisol durante 32 semanas y b) en condiciones de laboratorio (Norma Europea 113 modificada) al exponer la madera a los hongos Coniophora puteana, Irpex lacteus, Pleurotus ostreatus y Trametes versicolor durante 16 semanas. La durabilidad natural fue cuantificada como pérdida de masa y pérdida de módulo de elasticidad dinámico (MOE_din). Adicionalmente, se determinó el efecto en el crecimiento de los hongos C. puteana y T. versicolor producido por los extractos de la madera de P. laevigata obtenidos por agua caliente, etanol y acetona en concentraciones de 100 partes por millón (ppm), 1 000 ppm, 5 000 ppm y 10 000 ppm. Los resultados indican que P. laevigata es altamente resistente en el microcosmos terrestre, con pérdidas en masa de (9 ± 2)% a (17 ± 5)% y MOE_din de (20 ± 4)% a (39 ± 11)%. En el segundo método, la pérdida en masa producida por los cuatro hongos fue de (0,7 ± 0,5)% a (2,6 ± 3,2)% y clasificada según la Norma Europea 350-1 como clase 1 (muy durable). La pérdida del MOE_din fue de (3,8 ± 4,2)% a (19,9 ± 5,6)%. Los extractos de P. laevigata obtenidos con agua caliente en concentración de 10 000 ppm mostraron el mayor porcentaje de inhibición al reducir el crecimiento de C. puteana (83 ± 8)% y (93 ± 6)% para T. versicolor.

Palabras clave: Durabilidad natural, extractos, Prosopis laevigata, pudrición.

Abstract

Keywords: Natural durability, extractives, Prosopis laevigata, decay.

INTRODUCCIÓN

El género Prosopis comprende alrededor de 44 especies y se encuentra ampliamente distribuido en zonas áridas y semiáridas del mundo en condiciones de suelo pobre (Burkart, 1976; Alden, 1995; Juárez et al., 2002). Se localizan en África, Asia y América (Pasiecznik et al., 2001). En Norteamérica existe el complejo denominado México-Texano donde se desarrollan diez especies en forma natural; Sudamérica, principalmente en Argentina y en los países vecinos, se considera el centro de dispersión del continente Americano del género Prosopis (Burkart, 1976; INE, 1994).

La madera de Prosopis se utiliza principalmente para la producción de carbón, por su alta densidad y la forma irregular en que se desarrollan los fustes. En menor escala se utiliza para la producción de muebles, mangos para herramientas y duelas (Pasiecznik et al., 2001).

En estudios de durabilidad natural, se ha clasificado la madera de algunas especies de Prosopis como durables (Wolf y Perales, 1985). Durabilidad natural de la madera es entendida como la resistencia que presentan algunas especies contra el deterioro ambiental que se puede manifestar como pudrición (Balaban et al., 2003). La durabilidad, el color, el olor, la permeabilidad y la reducción en contracción e hinchamiento de cada especie maderera, se atribuye a la presencia de los extractos (Hillis, 1968; Hillis, 1987; Reyes-Chilpa et al., 1998; Aloui et al., 2004; Gutiérrez et al., 2006). Los extractos son compuestos químicos que constituyen de 2% a 10% del peso seco en especies de clima templado y hasta 20% en maderas de clima tropical (Fengel y Wegener, 1989; Mantanis et al., 1995) y pueden inducir la durabilidad en la madera.

La madera de especies como Tectona grandis, Chamaecyparis nootkatensis, Thuja plicata, presentan una alta resistencia al deterioro causado por insectos y hongos; debido a la presencia de compuestos químicos como las tectoquinonas y quinonas (Haupt et al., 2003; Taylor et al., 2006; Thulasidas y Bhat, 2007).

El uso de P. laevigata se puede ampliar si se analiza detalladamente su durabilidad natural, característica que ha sido poco estudiada (Donoso et al., 1984; Rodríguez y Maldonado, 1996; Ríos et al., 2001; Géardin et al., 2004). Esto posibilitaría su uso en condiciones a la intemperie como recubrimientos de pisos, ventanas y muebles de jardín donde se requiere alta durabilidad (Folliott y Thames, 1983; INE, 1994; Meraz et al., 1998; Giménez et al., 2000).

Por lo tanto, determinar la durabilidad natural de la madera de P. laevigata, la eficiencia de sus extractos en inhibir el crecimiento de hongos degradadores de la madera, identificar y finalmente utilizar los compuestos químicos que producen esta resistencia en maderas con baja resistencia, son líneas de investigación que incrementarían la utilización de esta especie.

OBJETIVOS

Los objetivos de esta investigación son:

1) determinar y clasificar la durabilidad natural de la madera de P. laevigata proveniente de cuatro sitios al ser expuesta a microcosmos terrestres y en laboratorio a los hongos C. puteana, I. lacteus, P. ostreatus y T. versicolor,
2) establecer, en condiciones de laboratorio, el efecto de los extractos de la madera de P. laevigata en el crecimiento de los hongos C. puteana y T. versicolor, degradadores de la madera.

METODOLOGÍA

La durabilidad natural de la madera de P. laevigata fue determinada con probetas provenientes de 12 árboles extraídos en el estado de Nuevo León, de los sitios Rancho Saltilleros municipio de China, Rancho San Lorenzo, municipio de General Terán, Ejido La Reforma, municipio de Linares y Ejido Santa Gertrudis, municipio de Dr. Arroyo. De cada sitio se obtuvo información relacionada con las condiciones ambientales, incluyendo temperatura, precipitación y localización geográfica (Tabla 1). En forma adicional y para cumplir con los requisitos de las normas empleadas, se usaron probetas testigo de la madera de albura de Pinus sylvestris y Fagus sylvatica.

La durabilidad en microcosmos terrestre se determinó siguiendo la Pre-norma Europea 807 (ENV 807, 2001). El procedimiento consistió en seleccionar de cada sitio 20 probetas con dimensiones de 100 mm x 10 mm x 5 mm en dirección longitudinal, radial y tangencial, respectivamente, de madera de P. laevigata; además, se utilizaron 20 probetas de madera de P. sylvestris y 20 de F. sylvatica las cuales sirvieron como especies testigo. Las 120 probetas fueron colocadas al azar en dos recipientes de plástico (32 cm x 40 cm x 22 cm) conteniendo microcosmos terrestre. Cada probeta se colocó a 2 cm de distancia y se enterraron 8 cm. El suelo se mantuvo a un contenido de humedad en un rango de 20% a 60% de su máxima capacidad de campo durante 32 semanas. La durabilidad natural se cuantificó como el grado de deterioro de la madera mediante la pérdida de masa y la pérdida del módulo de elasticidad dinámico MOE_din, los procedimientos se detallan a continuación:

Pérdida de masa

Este procedimiento consistió en determinar la reducción de masa de las probetas de madera expuestas a microcosmos terrestres, al obtener la diferencia en porciento de la masa de madera en condición seca al inicio del experimento y la masa encontrada después de 32 semanas. La pérdida de masa fue determinada mediante la siguiente fórmula:

Donde:

P.M = Pérdida de masa (%)

M_i = masa anhidra de la probeta al inicio del ensayo (g)

M_f = masa anhidra de la probeta al final del ensayo (g)

Pérdida de MOE_din

El MOE_din se calculó en probetas a punto de saturación de la fibra, mediante la inducción de vibraciones producidas por el golpe de un pequeño martillo en el punto medio de la probeta. La señal se registró con un transductor colocado a un extremo de la probeta a una distancia de 0,224 veces su longitud, el cual captura las frecuencias y las envía hacia el equipo GrindoSonic (Lemmers, Belgium) que muestra los valores de frecuencia en kHz. Los valores fueron registrados al inicio del ensayo, y posteriormente en las semanas 8, 16, 24 y 32. La información obtenida fue utilizada en las siguientes fórmulas para determinar el MOE_din:

Donde:

MOE_din = Módulo de elasticidad dinámico (N/mm²)

I = Momento de inercia (mm⁴)

A = Área de sección transversal (mm²)

f = Frecuencia (kHz)

rho = Densidad (g/mm³)

l = Longitud de la probeta (mm)

m₁ = Constante (4,72)

a = grosor de la probeta (mm)

b = ancho de la probeta (mm)

Durabilidad de la madera de P. laevigata contra Basidiomycetes

La durabilidad natural de la madera de P. laevigata con respecto a la pudrición ocasionada por los hongos C. puteana, I. lacteus, P. ostreatus y T. versicolor, se determinó de acuerdo con la Norma Europea 113 modificada (EN 113, 1996). La modificación consistió en cambiar el tamaño de las probetas a 100 mm x 10 mm x 5 mm en dirección longitudinal, radial y tangencial respectivamente. Los porcentajes de pérdida de masa y la pérdida del MOE_din fueron utilizadas como indicadores de la durabilidad.

Para determinar la pérdida de masa y la pérdida del MOE_din producida por cada hongo en la madera de P. laevigata se utilizaron 9 probetas de P. laevigata por sitio; es decir, se utilizaron un total de 36 probetas de esta especie; como especie testigo se utilizaron 12 probetas de F. sylvatica y para conocer el grado de colonización o virulencia de cada hongo se seleccionaron 24 probetas de F. sylvatica. El efecto de lixiviación, que es el arrastre de compuestos producido en la madera por la humedad ambiental, se midió al colocar 12 probetas de la madera de P. laevigata de cada sitio y 12 probetas de F. sylvatica en el medio de cultivo.

La totalidad de las probetas se esterilizó en una autoclave (Tuttnauer Systec Tipo 5075 ELVC, Wettenberg, Alemania) durante 20 minutos, a una temperatura de 121 °C. Las probetas se colocaron en frascos de cultivo con 50 ml de malta-agar solidificado; posteriormente, en cada frasco se colocó un inóculo de 1 cm del hongo y ocho probetas de madera. De las ocho probetas de cada frasco, seis correspondían a P. laevigata, las cuales fueron seleccionadas al azar de los cuatro sitios y dos probetas de F. sylvatica. Los frascos con las muestras se incubaron en un cuarto de cultivo con ambiente controlado, por un periodo de 16 semanas, a una temperatura de 20 ± 2 °C y una humedad relativa (HR) de 65 ± 5%.

Al término del ensayo, se midió la pérdida de masa y la pérdida de MOE_din de las probetas con el equipo Grindo-Sonic (Lemmers, Belgium). Los valores obtenidos se ajustaron al restar la pérdida en masa que se ocasionó por el efecto de lixiviación de los compuestos de la madera y que no se le puede atribuir a la degradación del hongo.

Inhibición en el crecimiento de los hongos provocado por los extractos de la madera

Una vez obtenidos los extractivos, se diluyeron en acetona a concentraciones de 100 ppm, 1 000 ppm, 5 000 ppm y 10 000 ppm para facilitar la disolución y homogeneizar las condiciones en el manejo de todos los extractos. La mezcla se agitó con un mezclador Heidolph Tipo Mr 3003 (Heidolph Elektro GmbH, Kelheim, Alemania) por 10 minutos antes de ser colocados en el medio de cultivo. Para preparar el medio de cultivo se utilizaron 20 ml de maltaagar en cajas Petri de 90 mm de diámetro.

Al solidificarse la mezcla de acetona con los solventes y el extracto de malta-agar, se aplicó el inóculo con un sacabocado de 10 mm de diámetro proveniente de los márgenes externos de las colonias activas en crecimiento de C. puteana (hongo de pudrición café) y T. versicolor (hongo de pudrición blanca). Para cada concentración de extracto y especie de hongo, se colocaron cinco repeticiones, obteniendo un total de 80 cajas Petri. Se prepararon adicionalmente 10 cajas Petri para cada hongo con medio de cultivo (malta-agar) a las cuales no se les aplicaron extractos (testigo). Para determinar la influencia de la acetona en el desarrollo de los hongos, se prepararon adicionalmente 5 cajas Petri para cada hongo y se les añadieron 10 ml de acetona.

Los cultivos se mantuvieron en una cámara de crecimiento a una temperatura de 20 ± 2 °C y un contenido de humedad del 65 ± 5%, hasta que el micelio del testigo alcanzó la orilla de la caja Petri. La inhibición del crecimiento se determinó de acuerdo con Géardin et al. (2004), donde el efecto se calcula con la siguiente fórmula:

Donde:

G₁ = Inhibición del crecimiento en porciento.

d₁ = Diámetro promedio del cultivo en presencia de extractos (mm).

d₀ = Diámetro promedio del cultivo testigo (mm).

Durabilidad natural de la madera en microcosmos terrestre (Pre-norma Europea 807)

Pérdida de masa

La madera de P. laevigata en contacto con microcosmos terrestre presentó una alta durabilidad contra los microorganismos degradadores de la madera, según se aprecia en la figura 1. La menor pérdida de masa se observó en los sitios China, General Terán y Linares con valores de 10 ± 1%, 9 ± 2% y 12 ± 1% respectivamente, mientras que en el sitio Dr. Arroyo, ubicado geográficamente más al norte, con rango de temperatura y precipitación más bajo que los tres sitios antes mencionados, la pérdida en masa fue mayor (17 ± 5%). Los valores de pérdida en masa presentados en los diferentes sitios fueron menores que los testigos P. sylvestris y F. sylvatica, cuyos valores fueron de 35 ± 7)% y 84 ± 10%, respectivamente.

Pérdida en MOE_din

La reducción en el MOE_din, resultado del deterioro producido en la estructura de la madera por los organismos presentes en el microcosmos terrestre, presentó los porcentajes más bajos en los sitios China, General Terán y Linares con 20 ± 4%, 22 ± 8% y 21 ± 7%, respectivamente (Figura 1). En el sitio Dr. Arroyo se observaron valores de MOE_din relativamente altos, con un promedio de 39 ± 11%, sin embargo, el MOE_din se consideró bajo al compararse con las especies testigo, P. sylvestris, cuya pérdida promedió 62 ± 15% y F. sylvatica, que tuvo un valor de 91 ± 13%.

La utilidad de usar la pérdida de MOE_din, como herramienta para la detección temprana de la degradación ocasionada por el microcosmos terrestre, se puede comprobar en la figura 2, al observar que ya para la semana 8, el testigo F. sylvatica mostró pérdida de MOE_din de 64 ± 20%, valor considerado alto. En P. sylvestris, la pérdida fue de 19 ± 6% y la menor pérdida se presentó en la madera de P. laevigata de los diferentes sitios con porcentajes de 3 ± 3% a 9 ± 6%.

En la semana 16, la pérdida de MOE_din observada en F. sylvatica fue de 79 ± 22%, para P. sylvestris fue de 40 ± 9%. Para P. laevigata, el sitio con mayor pérdida fue: Dr. Arroyo con 24 ± 10%, en los sitios China, General Terán y Linares, el porcentaje varió de 12 ± 6% a 14 ± 5%, valores que se consideran bajos en comparación con las especies testigo. Posteriormente, la pérdida de MOE_din aumentó paulatinamente, en la semana 32 la pérdida de los testigos P. sylvestris y F. sylvatica fue de 62 ± 15% y 91 ± 13%, respectivamente. El sitio Dr. Arroyo mostró la mayor pérdida para P. laevigata con 39 ± 11%, en los sitios China, Linares y General Terán, la pérdida fue de 20 ± 4%, 20 ± 7% y 22 ± 8%, respectivamente. La temprana detección de pérdida del MOE_din mostrada por este método y observada ya para la semana 16, se debe a que los microorganismos presentes en el microcosmos terrestre inician la degradación de algunos componentes de la madera como la celulosa que le proporciona estabilidad mecánica.

Durabilidad de la madera de P. laevigata contra Basidiomycetes

Pérdida en masa

Las probetas de P. laevigata provenientes de cuatro sitios expuestas a los hongos: P. ostreatus, I. lacteus, C. puteana y T. versicolor, presentaron pérdidas en masa de 0,7 ± 0,5%, a 2,6 ± 3,2% después de restar 1,68% que corresponde a la pérdida de masa ocasionada por la lixiviación. Según la Norma Europea EN 113 considera válido un ensayo de degradación producida por hongos, cuando la pérdida de masa para la especie testigo de F. sylvatica es mayor a 12%.

El hongo P. ostreatus redujo la masa del testigo en 42 ± 7,5%, seguido por I. lacteus y T. versicolor con 50 ± 5,4% y 51 ± 20%, respectivamente. La mayor pérdida de masa la produjo C. puteana con 63 ± 2% (Figura 3). Por lo anterior, se puede inferir que la prueba realizada es válida, al observar que la infección de los hongos utilizados fue la adecuada.

La durabilidad mostrada por la madera de P. leavigata contra los cuatro hongos ensayados, se puede observar en la figura 3. Las mayores pérdidas en masa se presentaron en la localidad China al obtener valores de 2,1 ± 0,4%, 2.5 ± 0,3%, 2,3 ± 0,6% y 2,2 ± 0,3%, para los hongos C. puteana, I. lacteus, P. ostreatus y T. versicolor, respectivamente. En el sitio General Terán se observaron pérdidas de 1,6 ± 0,5%, 1,5 ± 0,6%, 1.6 ± 0,7% y 1,6 ± 0,4% para las mismas especies. En Linares el porcentaje de afectación fue de 1,1 ± 0,5%, 2,5 ± 3,2%, 1,2 ± 0,8% y 1,1 ± 0,4%. La menor pérdida en masa se presentó en el sitio de Dr. Arroyo con valores de 0,7 ± 0,6%, 1,4 ± 0,6%, 0,7 ± 0,5% y 0,9 ± 0,5% para las especies C. puteana, I. lacteus, P. oetreatus y T. versicolor, respectivamente.

Según la pérdida de masa y de acuerdo con el Sistema de Clasificación EN 350-1 (EN 350-1, 1994), la madera de P. laevigata es clasificada con una durabilidad clase 1 (madera de alta durabilidad con pérdida de masa < 5%) para todos los sitios estudiados.

La durabilidad natural de P. laevigata puede ser el resultado de la interacción de una serie de características intrínsecas de la especie como la presencia de compuestos fenólicos en los lúmenes, punteaduras y células del parénquima que pueden proporcionar una barrera física para el paso de los micelios de los hongos a través de las estructuras anatómicas de la madera.

Por otra parte, la presencia de los compuestos catequina (5,33%), epicatequina (0,51%) y taxifolina (0,05%) reportados por Carrillo et al.(2008), los primeros dos son conocidos como antioxidantes que pueden reducir la absorción de agua y por consecuencia la formación de una condición poco apropiada para el desarrollo del hongo. La taxifolina compuesto químico que también ha sido encontrado en la madera de los géneros Larix, Cedrusy Pseudotsuga(Eaton y Hale, 1993) y que fue considerado por Kennedy (1956) como un agente antifúngico.

Pérdida del MOE_din

Los resultados de analizar las probetas mediante la pérdida del MOE_din se encuentran en la figura 4. En esta se puede apreciar que el sitio General Terán mostró mayor reducción para todos los hongos. En la tabla 2, se destaca que el control F. sylvatica presenta valores altos de pérdida de MOE_din (67,6 ± 7,8)%, (87,2 ± 9,6)%, (80,0 ± 9,2)% y (78,3 ± 14,2) para los hongos C. puteana, I. lacteus, P. ostreatus y T. versicolor, respectivamente. En forma contraria, la madera de P. laevigata en todos los sitios y hongos presentó valores bajos. El sitio China mostró menor pudrición con un promedio de 3,8 ± 4,2% para todos los hongos, seguida por los sitios Dr. Arroyo con 5,0 ± 1,3 y Linares con 7,0 ± 5,2% y, finalmente, en el sitio General Terán con 19,9 ± 5,6%.

Inhibición en el crecimiento de los hongos provocado por los extractos de la madera

Los hongos C. puteana y T. versicolor, causantes de la pudrición café y pudrición blanca, respectivamente, muestran una fuerte inhibición en su crecimiento al colocarlos en un medio de cultivo con extractos de la madera de P. laevigata. Como se puede apreciar en la figura 5, los extractos en una concentración de 10 000 ppm obtenidos de la solubilidad con agua caliente presentan porcentajes de inhibición del crecimiento de 83 ± 8% y 93 ± 6% para C. puteana y T. versicolor, respectivamente.

Algo similar ocurre con los extractos obtenidos de etanol como solvente y en concentración de 10 000 ppm. La inhibición en el crecimiento de C. puteana fue de 81 ± 3% a 93 ± 4% para T. versicolor. El efecto inhibitorio producido por extractos de etanol ya ha sido reportado por Sjöström (1981), Eaton y Hale (1993) y Velásquez et al. (2006), quienes coinciden al explicar que el efecto se debe a que el etanol tiene la capacidad de extraer compuestos cíclicos aromáticos, principalmente fenoles, polifenoles y lignina de bajo peso molecular, los cuales son sustancias con una fuerte influencia en la resistencia a la degradación de la madera (Eaton y Hale, 1993; Schultz y Nicholas, 1997; Singh y Kim, 1997).

Por otra parte, los extractos obtenidos utilizando acetona y en cualquiera de las cuatro concentraciones (100 ppm, 1 000 ppm, 5 000 ppm y 10 000 ppm) no mostraron inhibición del crecimiento para C. puteana, el rango fue de 4,4 ± 3,1% a 12,9 ± 15,5% y en T. versicolor la inhibición fue desde 3,4 ± 6,0% hasta 21,2 ± 7,2%. No se encontró inhibición en el crecimiento de los hongos al añadir 10 ml de acetona al medio de cultivo en los testigos, ya que el crecimiento de los hongos en estas cajas se presentó sin alteraciones; el uso de acetona como disolvente no estuvo influenciando los resultados reportados.

Géardin et al. (2004), reportaron en un estudio para determinar la inhibición en el crecimiento de hongos, 50% de inhibición en el crecimiento de los hongos al utilizar extractos de Prosopis africana obtenidos de la solubilidad con agua caliente y etanol en concentraciones de 1 000 ppm.

CONCLUSIONES

Se encontró que la madera de P. laevigata proveniente de los sitios China, General Terán, Linares y Dr. Arroyo es altamente durable, al ser expuesta por 32 semanas a un microcosmos terrestre, la pérdida en masa fue menor a 17%, y la mayor pérdida de MOE_din fue de 39%. De igual forma, la madera de P. laevigata fue altamente durable al exponerla según las condiciones establecidas en la Norma Europea (EN 113) al ataque de los hongos C. puteana, I. lacteus, P. ostreatus y T. versicolor, causantes de la pudrición de la madera. La pérdida de masa en promedio fue menor a 2,5% para todos los hongos y la pérdida de MOE_dyn fue menor a 19%. Por lo expuesto anteriormente y con base en la Norma Europea 350-1, la madera de Prosopis laevigata es clasificada con una durabilidad Clase 1 (muy durable).

Las diferentes condiciones ambientales y la ubicación geográfica en los sitios estudiados, no representó influencia en la durabilidad de las maderas, por lo tanto pueden ser utilizadas en condiciones similares.

Los extractos de P. laevigata obtenidos por medio de agua caliente y etanol como solventes y en concentración a 10 000 ppm, proporcionan un efecto inhibitorio en crecimiento superior a 81% para el hongo C. puteana y superior a 93% en T. versicolor. Los valores de inhibición dados por extractos obtenidos por acetona mostraron inhibiciones menores a 23% en todas las concentraciones.

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Nota

Este documento se debe citar como: Carrillo-Parra, A., F. Hapla, C. Mai y F. Garza-Ocañas. 2011. Durabilidad de la madera de Prosopis laevigata y efecto de sus extractos en hongos que degradan la madera. Madera y Bosques 17(1):7-21.