INTRODUCCIÓN

El suelo puede describirse por sus características físicas, químicas y biológicas, que hacen de éste un recurso sea muy complejo y dinámico. Cada una de estas características pueden verse afectadas por factores como el clima, el relieve, la roca madre, el tiempo, los organismos y la actividad antrópica (^{Minasny y Hartemink 2011}). Un claro ejemplo de este último factor es la dispersión de contaminantes como los hidrocarburos. Si bien es común escuchar de derrames originados en tuberías o instalaciones de la industria petrolera, la contaminación del suelo con hidrocarburos puede ocurrir por derrames naturales, es decir, que son liberados por formaciones geológicas subterráneas hasta la superficie de la tierra, sin la intervención humana (^{Barois et al. 2018}).

Un derrame de hidrocarburos en suelo agrícola puede tener efectos negativos en sus propiedades físicas, químicas y biológicas, como textura, densidad aparente (DA), densidad real (DR), conductividad eléctrica (CE), capacidad de intercambio catiónico (CIC), pH, materia orgánica (MO) y actividad microbiana, además de características como la porosidad y la aireación del suelo (^{Álvarez-Jiménez et al. 2019}, ^{Ahmad et al. 2020}, ^{Ali et al. 2020}, ^{Ergozhin et al. 2020}). Todos estos cambios pueden disminuir la fertilidad de los suelos (^{Abdul-Ameer 2019}).

Debido a que las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo pueden variar en cada sitio, las consecuencias de un derrame de hidrocarburos en un suelo agrícola no pueden generalizarse. La composición, extensión y dispersión del contaminante también afectarán de forma diferente. En cada caso será necesario realizar un diagnóstico para entender la magnitud de los efectos negativos y las posibles técnicas de remediación (^{Morales-Bautista et al. 2019}).

El efecto de los hidrocarburos sobre la fertilidad del suelo puede variar no sólo por las características de éste, sino también por las especies vegetales que se consideren cultivar. En este sentido, el uso de semillas es la base para evaluar el efecto letal o toxicidad ante los derrames por hidrocarburos (^{Pernía et al. 2018}). Se conocen plantas que no sólo son tolerantes a los hidrocarburos, sino que cuentan con la capacidad de absorberlos y, en algunos casos, en conjunto con la rizobiota, tienen la capacidad de metabolizar y extraer del suelo algunos de sus compuestos. Por ejemplo, se ha señalado que el maíz (Zea mays) y la calabaza (Cucurbita pepo) son especies que pueden mitigar la toxicidad de los hidrocarburos (^{Hernández et al. 2022}, ^{Ortega-Ramírez et al. 2023}).

En la localidad de Poza Azul de los Reyes, del municipio de Tihuatlán, Veracruz, México, existe un derrame de hidrocarburos natural. No hay alguna tubería cercana de la industria petrolera que pudiera explicar la constante emisión del contaminante, el cual de acuerdo con los propietarios del predio, ha sido persistente durante más de cuatro décadas. Recientemente (en 2023) se hizo una solicitud a la Agencia de Seguridad de Energía y Ambiente (ASEA) del gobierno de México para ubicar este derrame con las coordenadas correspondientes (20º 37’ 55.50” N y -97º 40’ 05.34" W). La respuesta a esta solicitud fue que no existe información alguna sobre las características del derrame ni en el mapa de la Comisión Nacional de Hidrocarburos. Sin embargo, al visitar el lugar el derrame es claramente visible, ya que está expuesto a cielo abierto y se extiende sobre una parcela de uso agrícola en la que se cultiva, principalmente, maíz (Z. mays), naranja (Citrus sinensis) y frijol (Phaseolus vulgaris).

Por otra parte, en relación con posibles afectaciones a la salud, no existen reportes de problemas graves, ya que el derrame se ubica a una distancia de 3 km de la población más cercana. Es importante destacar que existe contaminación de un cuerpo de agua intermitente de orden 1 y nivel 3. En época de lluvias el derrame se expande hacia este cuerpo de agua a 270 m del sitio del derrame a causa de la pendiente del lugar en que se ubica (155.56º). Este suelo contaminado no ha sido documentado ni estudiado previamente. Además, la orografía del lugar promueve la dispersión del contaminante. Debido a lo anterior, en este trabajo se evaluó el impacto del derrame persistente de hidrocarburos sobre la fertilidad del suelo destinado a fines agrícolas.

MATERIALES Y MÉTODOS

El sitio de estudio se encuentra en la localidad Poza Azul de los Reyes en el municipio de Tihuatlán, Veracruz, México, en las coordenadas 20º37’55.50” N y 97º40’05.34” W, a 127 msnm (Fig. 1) y con una pendiente de vertimiento de 155.56º. La actividad económica principal es la agricultura de naranja (C. sinensis). El clima es cálido y húmedo con lluvias en verano, con una temperatura promedio de 24-26 ºC. El rango de precipitación pluvial es de 1100-1300 mm (^{CEIEG 2023}).

Fig. 1 Localización geográfica y puntos de muestreo del área de estudio: Poza Azul de los Reyes, Tihuatlán, Veracruz, México. 

El trabajo consistió en un muestreo del suelo del área de estudio para determinar el contenido de hidrocarburos totales de petróleo (HTP) y las características físicas y químicas del suelo: textura, capacidad de campo (CC), DR, DA, salinidad, pH, CIC, porosidad, CE, MO y nitrógeno. Asimismo, se recolectaron muestras de suelo para realizar ensayos ex situ e in situ de germinación y crecimiento de tres cultivos: Arachis hypogaea (cacahuate), Z. mays (maíz) y Cucurbita argyrosperma (pipián).

RESULTADOS

Parámetros físicos y químicos

La cuantificación de los HTP para cada punto se observa en el cuadro II. De acuerdo con los valores de referencia de la NOM-138-SEMARNAT-SSA1-2012 (^{SEMARNAT 2013}), todas las muestras de los puntos A, B y C superaron el límite máximo permitido, con excepción del punto testigo. Estos resultados corresponden al estado visible del suelo en el lugar, que presenta manchas de aceite y desprende un fuerte olor a petróleo.

Los parámetros físicos y químicos (Cuadro II y Fig. 2) presentaron valores similares entre los diferentes puntos. Se trata de un suelo arcilloso con pH neutro que va de 6.8 a 7.3 (p > 0.05). La DA tiene un comportamiento similar; por el contrario, la DR mostró disminución en la muestra con el mayor contenido de HTP, lo cual se esperaba (p = 0.009). Esto concuerda con lo indicado por ^{Martínez y López (2001)} y ^{Álvarez-Jiménez et al. (2019)}.

Fig. 2 Parámetros físicos y químicos correlacionados con la concentración de hidrocarburos totales de petróleo (HTP). 

De acuerdo con ^{Álvarez-Jiménez et al. (2019)}, el porcentaje de porosidad es medianamente reducido en los puntos A (0-30 cm) y B (30-60 cm), y notablemente reducido en el punto B (0-30 cm). Los suelos con menor contaminación presentaron mayor porosidad, en concordancia con la correlación negativa entre este parámetro (Fig. 2) y la concentración de HTP (p = 0.024). La CC también se vio afectada por el derrame, mostrando valores menores a concentraciones altas de HTP (p = 0.038). Algunos autores como ^{Martínez y López (2001)} y ^{Álvarez-Jiménez et al. (2019)}, también observaron este efecto.

La MO fue el único parámetro que se correlacionó positivamente con la concentración de HTP (p = 0.022), un resultado común en determinaciones de este tipo, ya que la determinación se realiza al medir el carbono oxidable del suelo.

La determinación de parámetros como CE, salinidad y CIC están relacionados entre sí; por tanto, mostraron comportamientos similares con un patrón estable en todos los suelos observados. En el caso particular de la CIC todos los suelos presentan valores muy bajos, lo que indica un déficit de cationes minerales primarios, es decir, suelos poco fértiles, con baja disponibilidad de nutrientes (^{Álvarez-Jiménez et al. 2019}). El efecto en la CIC puede ser muy variable dependiendo del tipo de suelo, siendo mayor el valor de este parámetro en suelos orgánicos y suelos arcillosos o limosos (^{Adams et al. 2008}). La reducción de la CIC se provoca cuando los hidrocarburos se incorporan a las arcillas. Por ejemplo, en suelos con gran contenido de arcilla expandible el efecto negativo en la fertilidad puede ser menor (^{Álvarez-Coronel 2021}). De acuerdo con la normatividad, los valores obtenidos de nitrógeno total se interpretan como muy bajos, lo que coincide con la CIC, indicando nuevamente la presencia de suelos poco nutritivos (^{SEMARNAT 2002}).

Ensayo de fertilidad ex situ

El ensayo de fertilidad ex situ se realizó observando la germinación de las semillas de maíz, pipián y cacahuate en los suelos contaminados (Fig. 3). Las diferentes concentraciones de HTP en el suelo afectaron el tiempo de germinación. En general, todas las semillas presentaron un retraso en la germinación a concentraciones muy altas de HTP (p < 0.001). Las semillas de pipián mostraron mayor resistencia: germinaron en seis días y sólo aumentó el tiempo de germinación a 10 días en el suelo con la mayor concentración de HTP. Las semillas de maíz tuvieron un comportamiento similar, al elevarse el tiempo de germinación de 4 a 10 días en el suelo con valores superiores a 42 347 mg/kg de HTP. Las semillas de cacahuate fueron las que más tardaron en germinar (20 días, p < 0.001) en el punto más contaminado.

Fig. 3 Tiempo de germinación en días de las semillas de cacahuate, maíz y pipián en suelo contaminado con hidrocarburos de petróleo en distintas concentraciones (ensayo ex situ). 

El porcentaje de germinación de los tres cultivos tuvo un comportamiento similar (Fig. 4), ya que disminuyó por las altas concentraciones del contaminante en los tres cultivos (p < 0.001). El pipián fue el menos afectado (p < 0.001) en comparación con el maíz y el cacahuate, no así para el segundo punto de concentración de HTP, donde se observó alrededor del 50 % de germinación en 10 días.

Fig. 4 Porcentaje de germinación de las semillas de cacahuate, maíz y pipián en suelo contaminado con hidrocarburos de petróleo en distintas concentraciones (ensayo ex situ). 

Se determinó también la altura de las plantas (Fig. 5), encontrándose que a los 10 días aquellas que fueron cultivadas en suelos con menor concentración de HTP alcanzaron mayor altura en comparación con las que crecieron en suelo contaminado (p < 0.001) y 20 días (p < 0.001), en los tres cultivos. El cacahuate fue el único cultivo que se mantuvo viable hasta el día 30; aunque las altas concentraciones del contaminante afectaron su altura máxima, presentó crecimiento constante en todos los suelos (p > 0.05).

Fig. 5 Crecimiento (cm) de los cultivos de cacahuate, maíz y pipián a los 10, 20 y 30 días posteriores a la germinación, en suelos contaminados con distintas concentraciones de hidrocarburos totales de petróleo (HTP; mg/kg) (ensayo ex situ). A los 30 días para el maíz y el pipián la totalidad de las plantas estaban muertas. 

Ensayo de fertilidad in situ

Para el ensayo in situ se determinaron los mismos parámetros que para el ensayo ex situ. El tiempo de germinación de los tres cultivos (Fig. 6) presentó mayor variabilidad, lo cual es predecible, ya que no se cuenta con ningún control sobre las variables climáticas y las interacciones ecológicas del entorno. El maíz germinó únicamente en el sitio testigo (10.5 ± 7.8 d), el cacahuate sólo en el punto C y C’ (14.5 ± 5 d), lugar de menor concentración de hidrocarburos, y se observó nuevamente que el pipián tuvo aparentemente mayor resistencia, en comparación con los otros cultivos, alcanzando un promedio general de 10.5 ± 5.9 d de germinación en cinco puntos. Dado el bajo número de germinación, una comparación estadística sería poco confiable.

Fig. 6 Tiempo de germinación en días para las semillas de cacahuate, maíz y pipián en el sitio contaminado con hidrocarburos en los distintos puntos muestreados. T: suelo testigo; A: suelo contaminado en el punto A; B: suelo contaminado en el punto B, y C: suelo contaminado en el punto C. Los sitios marcados con comilla (e.g., A’) indican la siembra realizada en una línea a 30 cm del punto original. 

Los puntos ubicados a 30 cm del flujo del hidrocarburo con menor contaminación (A’, B’ y C’), mostraron mayor frecuencia de germinación (p < 0.001) (Fig. 7). A la distancia de 30 cm fuera del flujo del derrame, el terreno presenta menor contaminación. El porcentaje de germinación de maíz y de cacahuate fue del 20 % en todos los casos, observándose germinación. Por su parte, el pipián alcanzó hasta 70 % de germinación y tuvo una mayor frecuencia de germinación (p < 0.001) en el suelo de menor contaminación.

Fig. 7 Porcentaje de germinación de las semillas de cacahuate, maíz y pipián en el sitio contaminado con hidrocarburos en los distintos puntos muestreados. T: suelo testigo; A: suelo contaminado en el punto A; B: suelo contaminado en el punto B, y C: suelo contaminado en el punto C. Los sitios marcados con comilla (e.g., A’) indican siembra realizada en una línea a 30 cm del punto original. 

Se midió la altura de las plantas durante los 35 días (Fig. 8). El maíz sobrevivió hasta el día 21, el pipián del punto C sobrevivió hasta el día 28 y el resto de los cultivos se mantuvieron viables los 35 días. El pipián mantuvo un crecimiento constante a lo largo de los días de observación, mientras que el cacahuate mostró menor crecimiento. Debido al bajo número de plantas que lograron germinar, no fue posible realizar un análisis más extenso de estos valores.

Fig. 8 Crecimiento (cm) de los cultivos de cacahuate, maíz y pipián a los 7, 14, 21, 28 y 35 días posteriores a la germinación, en el sitio contaminado con hidrocarburos en los distintos puntos muestreados. T: suelo testigo; A: suelo contaminado en el punto A; B: suelo contaminado en el punto B, y C: suelo contaminado en el punto C. Los sitios marcados con comilla (e.g., A’) indican siembra realizada en una línea a 30 cm del punto original. 

En general los resultados del ensayo in situ demuestran que en los puntos altamente contaminados A y B el suelo se deterioró claramente, volviéndose infértil.

DISCUSIÓN

La parcela agrícola estudiada presentó diferentes niveles de HTP a lo largo de todos los puntos de muestreo (Cuadro II). Esto se debe a que el derrame estudiado se encuentra expuesto en un terreno con pendiente pronunciada (155.56º), lo cual ocasiona que se distribuya ampliamente (Fig. 1). Su ubicación a cielo abierto propicia que la fracción ligera del petróleo se volatilice, por lo que es muy probable que en el suelo se concentren las fracciones más pesadas (^{Álvarez-Jiménez et al. 2019}).

Este derrame ha afectado las propiedades físicas y químicas del suelo (Fig. 2). El punto B, que tiene la concentración más alta de HTP, presenta una textura del suelo modificada (Cuadro II). En general se observó una porción menor de arcillas al aumentar el contaminante. Este efecto también se ha observado en otros estudios de suelos con altas concentraciones de HTP (^{Hernández-Acosta et al. 2006}, ^{Álvarez-Jiménez et al. 2019}).

La DR disminuye de forma natural cuando los sólidos del suelo se impregnan de hidrocarburos con densidades menores a 1 g/cm³; sin embargo, factores como la intemperización del contaminante pueden provocar que las densidades no sean tan bajas debido al aumento en la repelencia al agua, que causa compactación del suelo y por tanto mayor densidad (^{Morales-Bautista et al. 2016}). Este comportamiento provoca disminución de la porosidad del suelo, al ocupar los hidrocarburos los espacios libres entre partículas; esto, a su vez, ocasiona pérdida de CC, debido a que el suelo tiene menor potencial de retención de agua. Sumado a la reducción de la porosidad, las características hidrofóbicas de los hidrocarburos, que evitan la infiltración del agua, afectan negativamente a la CC (^{Ahmad et al. 2020}, ^{Ali et al. 2020}). Todos estos aspectos son determinantes para la fertilidad del suelo, ya que de estos depende el paso de nutrientes, el desarrollo radicular, la infiltración del agua, el desplazamiento de sales, la incidencia de enfermedades y la actividad fotosintética (^{Wang et al. 2021}).

La DA no presenta variaciones importantes, ya que en su determinación se incluyen las partículas del suelo y el aire en el espacio poroso, lo cual permite que este parámetro se mantenga estable incluso con los hidrocarburos absorbidos en los sólidos (^{Weil y Brady 2017}). En todos los puntos, este parámetro presenta valores mayores a lo esperado para la textura del suelo, de acuerdo con la NOM-021-RECNAT-2000 (^{SEMARNAT 2002}). Los valores altos de DA están relacionados con baja porosidad y aireación, aspectos que impiden que las plantas extiendan sus raíces a mayor profundidad (^{Akpokodje et al. 2019}).

El pH, la CE, la salinidad y la CIC no fueron afectados por las altas concentraciones de HTP. Los valores bajos de salinidad y conductividad se han señalado como preferentes para la remediación de suelos de este tipo (^{Hernández-Acosta et al. 2006}, ^{Rodríguez-Aristizábal et al. 2022}). En el caso de los valores bajos de capacidad de intercambio catiónico, como ya se mencionó, estos indican suelos poco nutritivos, aspecto que afectará la fertilidad del suelo pero que no se debe a la presencia del contaminante (^{Álvarez-Jiménez et al. 2019}).

Se observaron valores bajos de nitrógeno, lo que corrobora el carácter poco nutritivo del suelo. Si bien este parámetro está relacionado normalmente con la MO, en este caso no se observó este comportamiento (^{Almazán-Castañeda et al. 2024}). La MO aumentó junto con la concentración de HTP, lo que se ha documentado en otros trabajos y era de esperarse por la cantidad de carbono oxidable en la mezcla de petróleo (^{Koshlaf y Ball 2017}, ^{Castro-Mancilla et al. 2019}); sin embargo, este carbono no está biodisponible para los cultivos.

Dado que el derrame de hidrocarburos ha modificado la fertilidad del suelo, se presumía que la germinación y el crecimiento de los cultivos se verían afectados negativamente, lo cual confirman los ensayos ex situ e in situ (^{Adams et al. 2008}, ^{Morales-Bautista et al. 2016}, ^{Álvarez-Jiménez et al. 2019}, ^{Álvarez-Coronel 2021}).

En el caso del análisis in situ, el factor ambiental afectó los resultados. Se esperaba una menor germinación en comparación con el ensayo ex situ, pero se considera atípico que la germinación se inhibiera por completo en algunos cultivos (Fig. 6). Los 35 días en los que se realizaron las observaciones (septiembre a octubre de 2023) presentaron temperaturas máximas posicionadas por arriba del P95 a nivel nacional, que equivale a 5 % más cálido de lo que se tiene registro, debido a la escasez de lluvia y temperaturas superiores a 45 ºC (^{SMN 2024}).

En el punto C (Fig. 7) crecieron tanto el cacahuate como el pipián. Esto puede deberse a la pendiente del terreno, que provoca una mayor escorrentía de agua, lo cual ayuda al suelo a retener humedad. Al contrario, en el punto testigo (suelo con menor concentración de HTP) se observó baja germinación de los cultivos de maíz y cacahuate, posiblemente por las altas temperaturas y baja captación de agua debida a la elevación del terreno. No se realizó riego para cumplir con el modelo de milpa de temporal, utilizado comúnmente en la región.

En cuanto a la germinación, el cultivo más afectado fue el maíz de forma más drástica en el campo, donde sólo germinó en el punto testigo (Figs. 3 y 6). La germinación del maíz se ve afectada significativamente cuando la concentración de HTP es mayor de 10 000 mg/kg, lo cual reduce su germinación en un 50 % (^{Zand y Hoveidi 2018}). Esto contradice el trabajo de ^{Hernández et al. (2022)}, quienes señalan que el porcentaje de germinación se ve afectado a partir de los 45 000 mg/kg. Cabe mencionar que esta observación fue realizada en un proceso de fitorremediación. En relación con el porcentaje de germinación del maíz, ésta fue del 100 % en el suelo con menor concentración de HTP (Fig. 4), valor reportado en otros estudios (^{Marín-Velásquez 2016}, ^{Hernández et al. 2019}). Este comportamiento no se replicó en el ensayo in situ, donde los factores ambientales aunados al alto grado de contaminación lograron inhibir la germinación de este cultivo.

El cultivo de cacahuate también se vio afectado por la contaminación, disminuyendo el porcentaje de germinación ex situ (Fig. 4); no obstante, en el estudio in situ sólo germinó en dos puntos de baja contaminación. En el caso del cacahuate, hay reportes sobre el uso de esta planta en ensayos de fitorremediación por contaminación con HTP (^{Akpokodje et al. 2019}) y bioacumulación de metales pesados (^{Sameena y Puthur 2021}). El tiempo de germinación de este cultivo observado en otros casos es de 8 a 10 días (^{Bautista et al. 2005}), lo que fue superado en este estudio en la mayoría de los puntos con alta contaminación por hidrocarburos.

Respecto al pipián, no existen antecedentes del efecto de la contaminación con hidrocarburos sobre su germinación y crecimiento; sin embargo, hay estudios sobre especies de la misma familia (cucurbitáceas) que han sido utilizadas como prospectos para la fitorremediación de contaminación con hidrocarburos y metales pesados (^{Ortega-Ramírez et al. 2023}). En este contexto, no escapa a nuestro análisis la posibilidad de que el cultivo de pipián sea una especie tolerante a los hidrocarburos en altas concentraciones (> 50 000 mg/kg de HTP), debido a que logra hasta un 80 % de germinación, aunque decae (20 %) cuando la concentración es mayor (151 474 mg/kg de HTP) (Fig. 7). Aun así, continúo su crecimiento (Fig. 6).

Los datos obtenidos in situ sugieren que el pipián es una planta más resistente que el maíz y el cacahuate a los hidrocarburos y al clima extremo, lo cual resulta de interés. En este sentido, el pipián podría reunir las características necesarias para su implementación en la remediación de suelos contaminados con petróleo; sin embargo, esto genera preguntas sobre los mecanismos de su tolerancia. ¿Absorbe los compuestos, los volatiliza o de alguna forma ayuda al desarrollo de la microbiota en el suelo, lo cual mejora las condiciones de toxicidad? Por lo anterior es recomendable llevar a cabo más estudios con esta especie.

CONCLUSIONES

La concentración actual de los HTP en el sitio de estudio supera el límite máximo permisible de acuerdo con la normativa mexicana. La presencia de este contaminante ha afectado los parámetros físicos y químicos del suelo (proporción de arcilla, densidad real, porosidad, capacidad de campo y materia orgánica), lo que puede provocar el aumento del tiempo de germinación y la disminución del porcentaje de germinación en los tres cultivos. La presencia de hidrocarburos disminuye la fertilidad del suelo; por tanto, afecta la productividad o rendimiento de la producción agrícola. Este trabajo no tuvo como objeto de estudio la fitorremediación por transformación o acumulación de derivados del petróleo en los tejidos de los distintos cultivos; sin embargo, esta es una posibilidad que se debe seguir estudiando, principalmente con relación al cultivo de pipián (C. argyrosperma).