Chemical and microbiological evaluation of cucumber (Cucumis sativus L.) using wastewaters irrigation

Gustavo Morillo, Ramón Monsalve, Jean Mendoza, Daisy Isea, Ismenia Araujo, Luis Vargas y Nancy Angulo

Centro de Investigación del Agua. Facultad de Ingeniería. Lagunas de oxidacción. Ciudad Universitaria. Universidad del Zulia. Maracaibo 4011, Venezuela. Telfs: 0261-7597194, 7597182. gmorillo@luz.edu.ve.

Abstract

It was carried out and performed a research with the purpose to demostrate the possibility of reusing wastewaters, after they were treated by the system of stabilization ponds at Center of Investigation of Water (CIA) of the Faculty of Engineering of University of Zulia, in the hydroponic cultivation of cucumber (Cucumis sativus L). Three treatments were performed: potable water with nutritious solution; residual water from the system B of stabilization ponds and residual water from the system B with nutritious solution, preparing six repetitions by treatment. Every fifteen days was carried out a complete renovation of the used waters; it was evaluated to the water and fruits: total nitrogen, total phosphorus, heavy metals, pH, electric conductivity; as well as total and fecal coliforms. The results demonstrated that significant differences do not exist among the treatments with nutritious solution elaborated with potable water or wastewater; they produced a good microbiological quality fruits and similar chemical and physical properties in both treatments. These results allow concluding that the treated residual waters from the system were appropriated for the elaboration of nutritious solutions in hydroponics cultivations.  

Key words:  Wastewater, hydroponics, Cucumis, nitrogen, phosphorus, coliforms.

Evaluación química y microbiológica del pepino (Cucumis sativus L.) cultivado con aguas residuales 

Resumen

Se realizó un ensayo a escala piloto con la finalidad de comprobar la posibilidad de reutilizar las aguas residuales domésticas, después de ser tratadas en el sistema de lagunas de estabilización del Centro de Investigación del Agua (CIA) en la Facultad de Ingeniería de la Universidad del Zulia, en la producción de cultivos hidropónicos de pepino (Cucumis sativus L.). Se aplicaron tres tratamientos: agua potable con solución nutritiva; agua residual tratada proveniente del sistema B y agua residual del sistema B con solución nutritiva; cada uno con seis repeticiones. Cada quince días se realizó una renovación completa de las aguas utilizadas. En aguas y frutos se evaluó el nitrógeno total, fósforo total, metales, pH, conductividad eléctrica, coliformes totales y fecales. Los resultados demostraron que no hubo diferencias significativas entre los tratamientos con solución nutritiva elaborada con agua potable o agua residual; se obtuvo una calidad microbiológica y físico-química del fruto similar en ambos tratamientos. El tratamiento B presentó plantas achaparradas, con síntomas evidentes de deficiencias de nutrientes y ausencia de frutos, por lo que se concluye que las aguas residuales tratadas de este sistema son adecuadas para la elaboración de soluciones nutritivas para cultivos hidropónicos. 

Palabras clave:  Aguas residuales, hidroponía, Cucumis, nitrógeno, fósforo, coliformes.

Recibido el 20 de Noviembre de 2007 En forma revisada el 01 de Diciembre de 2008 

Introducción

El agua es el recurso natural de mayor consumo en el planeta, y la necesidad de su uso racional abre una gama de posibilidades a través de las cuales se plantean múltiples opciones y soluciones; una de ellas está enfocada en el uso de la hidroponía como técnica de cultivo que permite, además de la administración eficiente del agua utilizada, brindar la posibilidad de obtener cultivos de alta calidad disminuyendo el impacto que al ambiente generan las descargas de aguas residuales.

En Venezuela, existen áreas con condiciones edafoclimáticas en las cuales la explotación agrícola tradicional sería poco práctica, existiendo igualmente zonas donde por seguridad nacional se hace necesario el establecimiento de poblados a los cuales se les debe asegurar el suministro alimentario, como territorios federales y zonas fronterizas; dando cabida a la aplicación de la técnica de hidroponía como metodología aplicable en estas condiciones [1]. La hidroponía igualmente es una alternativa que asegura la producción de cosechas rápidas y con un uso más eficiente de los recursos [2], lo que permite explorar mercados de consumo y asegurar suministro de alimentos hasta ahora no cubiertos por la agricultura tradicional. La utilización en esta técnica de las aguas residuales tratadas, ofrece grandes ventajas desde el punto de vista del uso racional del agua, dado que ofrece las ventajas de no representar para su establecimiento un consumo de agua potable, recurso que en muchas zonas del país resulta escaso, con lo que la hidroponía no representaría un factor de conflicto con la distribución del recurso hídrico, además de aprovechar las aguas residuales, ricas en elementos nutrientes, que en la mayoría de los casos representa un problema de manejo ambiental [2]. Sin embargo, se debe prestar especial atención a la composición de estas aguas; para valorar la calidad de las aguas residuales aplicadas a los cultivos hidropónicos, se emplean una serie de criterios como el contenido de sales y elementos potencialmente fitotóxicos; pero, además, hay que tomar en cuenta el contenido de microorganismos fitopatógenos y la concentración de metales pesados, nutrientes y compuestos orgánicos [1, 3].

Por tal razón se evaluó la factibilidad del uso del agua residual tratada, en el cultivo hidropónico del pepino (Cucumis sativus L.), siendo una cucurbitacea adaptada al clima seco de la planicie de Maracaibo, resistente a plagas y cuyo fruto representa un alimento de alto costo y gran valor nutritivo para la población; lo anterior permite continuar la línea de investigación del Centro de Investigación del Agua (CIA) de la Facultad de Ingeniería, Universidad del Zulia, sobre la evaluación de cultivos utilizando aguas residuales.

Parte Experimental 

Se utilizaron semillas certificadas de pepino, Cucumis sativus L., variedad Poinsett 76, las cuales fueron germinadas en placas de Petri de 10cm de diámetro aproximadamente, utilizando como soporte papel absorbente tipo toallín (1 hoja por placa). Se colocaron 24 placas contentivas de 10 semillas cada una, para un total de 240 semillas; 12 placas fueron regadas con 25mL diarios de agua potable, y las otras doce, con agua residual tratada, proveniente de la serie de lagunas de maduración del CIA, Maracaibo, Estado Zulia. Para esta investigación, de las tres series de lagunas existentes en el CIA (Series A, B y C) se seleccionó la serie B, la cual está integrada por tres lagunas, una facultativa seguida por dos de maduración en paralelo. Tanto el agua potable como la del sistema B fueron caracterizadas microbiológica y físico-químicamente, tomando en cuenta los parámetros contemplados en el decreto 883 para descarga de aguas residuales de la República de Venezuela [4]. Las semillas fueron sometidas a un período de iluminación de 10 horas diarias con lámparas fluorescentes de doble tubo de 1,5m de longitud y 40 watts de potencia cada una. Se evaluó el porcentaje de germinación para cada tratamiento. Para la siguiente etapa fueron escogidas las plántulas que presentaron mayor altura, fortaleza del tallo y mejor desarrollo de los cotiledones y raíces.

Se diseñó un sistema hidropónico denominado “raíz flotante o en solución” [1]. Se dispuso de las 60 plántulas seleccionadas, utilizando 20 plántulas por tratamiento, las cuales fueron colocadas en recipientes de vidrio previamente forrados para evitar la penetración de luz, en éstos se adicionó un volumen de solución nutritiva de 100 mL preparada según la fórmula número 2, propuesta por Hoagland y Arnon, citado por Bravo [1]. Estos recipientes fueron colocados bajo condiciones de umbráculo, que protegía las plántulas durante las horas de alta intensidad solar y facilitaba el contacto, en horas en las que la radiación del sol permitiera su fortalecimiento sin causar daños en su estructura y normal desarrollo. Fue aplicado un sistema de aireación manual tres veces al día, utilizando para ello una jeringa de 20 cm³. Esta etapa tuvo una duración de 15 días. 

Se aplicaron tres tratamientos: APSN: agua potable con solución nutritiva; BSN (testigo): agua residual tratada proveniente de la segunda laguna de maduración de la serie B con solución nutritiva y B: agua residual tratada proveniente de la segunda laguna de maduración de la serie B. La solución nutritiva utilizada para el desarrollo del sistema hidropónico fue la formulada por Hoagland y Arnon Nº 2 en 1950 [1]. Las plantas obtenidas que se observaron más saludables y con mayor crecimiento fueron transferidas a un sistema hidropónico definitivo. Se utilizaron 6 recipientes de plástico, por tratamiento para un total de 18 recipientes de 4 L de capacidad cada uno, forrados con una cubierta negra de polietileno, para evitar el paso de la luz, lo cual, además de brindarle oscuridad a las raíces, evitó la reproducción de algas. Sobre esta cubierta negra se colocó una de color blanco para evitar el sobrecalentamiento de la solución nutritiva y del sistema en general. Se tomó medida al final del ensayo de altura de las plantas en cada tratamiento. 

Los análisis físico-químicos realizados al agua residual tratada, agua potable, área foliar y frutos de las plantas de pepino fueron: nitrógeno total Kjeldahl, utilizando la metodología micro-Kjeldahl 4500-NH₃-E [5], fósforo total por el método colorimétrico de molibdato-vanadato 4500 P-C [5, 6] y metales mediante la técnica instrumental de Espectrofotometría de Absorción Atómica, excepto para el sodio y potasio, los cuales se evaluaron utilizando la técnica de Espectrofotometría de Emisión Atómica, utilizando para ello un espectofotómetro marca Termo Fisher S2AA System; los análisis microbiológicos realizados al agua residual tratada, agua potable y frutos de pepinos fueron coliformes totales y fecales, siguiendo la metodología de fermentación en tubos múltiples 9221 y las normas COVENIN 1104:1996 [6, 7, 8]. Los análisis físico-químicos y microbiológicos fueron realizados cada dos semanas. La temperatura, pH y conductividad eléctrica se determinó tres veces por semana [2, 3]. El pH se ajustó permanentemente entre 5,5 a 6,5. El volumen inicial de 4 L se midió cada vez que se realizaba ajuste del pH y se complementó periódicamente con agua destilada si existían pérdidas del volumen por consumo de la planta o evaporación; para ello, se determinó el nivel del agua en cada envase al inicio y al momento de medir el pH se reponía el volumen guiándose por el nivel predeterminado [1, 3]. 

 Las determinaciones de parámetros físicos y químicos, ya mencionados, en aguas, área foliar y frutos de pepino se realizó siguiendo la metodología propuesta por el Standard Methods [5]. Para el análisis microbiológico se utilizó la técnica de fermentación en tubos múltiples 9221 [6, 7, 8]. El análisis del fruto se realizó al final del ensayo aplicándose la norma COVENIN 1104 [6, 7, 8]. 

Resultados y Discusión 

Análisis microbiológicos del agua de cultivo: Los resultados obtenidos en esta investigación demostraron que el efluente de las lagunas de estabilización del CIA de LUZ presentaron valores de densidad poblacional de coliformes totales y termotolerantes dentro de los límites permisibles para aguas destinadas al uso agrícola (Tabla 1), según la normativa legal vigente establecida en gaceta oficial de la República de Venezuela en 1995 [4]. Cárdenas y col. [9] demostraron que las lagunas de estabilización del CIA de LUZ son eficientes en la remoción de microorganismos coliformes totales y fecales, y que el agua residual tratada en dichas lagunas, desde el punto de vista microbiológico es apta para ser utilizada con fines de riego. Méndez, [10], determinó los indicadores de contaminación fecal, Salmonella y Shigella, señalando que los efluentes de las lagunas de estabilización de LUZ se encuentran aptos para riego de cultivos que comúnmente se consumen crudos, para riego de jardines y parques públicos, en concordancia con lo dispuesto por la normativa de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación [11].

Análisis físico-químico: En el agua residual tratada utilizada en esta investigación, los valores de pH, cloruros, nitrógeno y fósforo también se encontraron dentro de los intervalos permisibles (Tabla 1) para aguas destinadas a descargas a cuerpos de agua [4]. Los contenidos de nitrógeno y fósforo fueron aprovechados por las plantas de pepino [12, 13]; sin embargo, al comparar las cantidades de los macroelementos en el agua residual tratada con las concentraciones en la solución nutritiva, fue necesario adicionar a la primera dichos elementos hasta alcanzar la concentración adecuada para igualar la composición del agua residual a lo recomendado para la solución nutritiva. El agua potable utilizada estaba libre de microorganismos coliformes y los valores de nitrógeno y fósforo de estas aguas fueron bajos en comparación con los del agua residual utilizada [14].

Sistema hidropónico: dentro de las variables de control del sistema hidropónico, el valor del pH se mantuvo en un intervalo entre 5,5 y 6,5; ajustándolo periódicamente con soluciones amortiguadoras (NaOH 1N y HCl 1N), las cuales se agregaron en gotas hasta alcanzar el pH indicado. Se observó una tendencia al aumento del pH sobre el límite superior (6,5) en los tratamientos APSN y BSN. Bravo, [1] señaló que el aumento del pH en la solución nutritiva de cultivos hidropónicos se debe a procesos de absorción activa de aniones, donde estos últimos normalmente fueron intercambiados por iones OH^- o iones HCO₃^- del interior del tejido de las plantas, durante su proceso de absorción [14]. Esta absorción activa se vio promovida por la presencia y concentración en la formulación de la solución nutritiva utilizada, de los aniones de NO₃^- y PO₄^-3 los cuales fueron los macroelementos mayormente absorbidos por las plantas. En el tratamiento B se observó una tendencia hacia la disminución del pH por debajo del límite inferior (5,5) influenciado por la absorción activa de cationes y las pequeñas concentraciones de los mismos en el agua residual tratada. Los cationes para ser absorbidos normalmente son intercambiados por iones H⁺ provenientes del tejido de las plantas, siendo el resultado neto una disminución del pH del medio [15].  

Análisis nutricional del área foliar de las plantas de pepino: Se pudo observar que no existe mucha variabilidad respecto a los valores de los macroelementos presentes en el área foliar de las plantas de pepino de los tratamientos APSN y BSN (Tabla 2); el contenido de nitrógeno en el área foliar de las plantas del tratamiento BSN fue 1,5% menor que en el tratamiento APSN; mientras que, en el tratamiento APSN, el fósforo se encontró un 7% menos que en plantas del tratamiento BSN. De igual manera, las cantidades de potasio y magnesio presentes en el área foliar de las plantas del tratamiento BSN reflejaron que éstos fueron en un 4,2% y 11,2% respectivamente, menores que en APSN; mientras que la relación respecto al calcio indicó que este elemento fue absorbido en forma equitativa en ambos tratamientos, presentando apenas una diferencia del 1%. Estos resultados permiten inferir tanto en los tratamientos APSN y BSN existió un comportamiento similar en cuanto a la absorción de nutrientes y se obtuvieron plantas sanas y vigorosas con un buen desarrollo vegetativo y sin síntomas de deficiencias nutricionales [16, 17].

Comparando los resultados tanto para macro como microelementos, se observó una diferencia apreciable entre los tratamientos APSN y BSN con respecto al B. En relación al nitrógeno, se evidenció una alta diferencia de este elemento en el área foliar de las plantas del tratamiento B, este elemento en el área foliar de las plantas de los tratamientos APSN o BSN fue 170% mayor que en el tratamiento B; esto justifica el menor crecimiento observado en las plantas, (3,44m en APSN; 3,25 m en BSN y 1,19 m en B). Esta diferencia en la concentración de macroelementos se evidenció en la Figura 1 y las mismas pudieron presentarse debido principalmente a la poca cantidad de nitrógeno presente en el agua utilizada en el tratamiento B, puesto que dicha agua (agua residual tratada) presentó un déficit de este elemento en más del 90%, comparado con la cantidad de nitrógeno presente en la solución nutritiva preparada bajo la formulación propuesta por Hoagland y Arnon Nº 2 [1, 17].

El valor del fósforo fue 45 % menor en el área foliar de las plantas del tratamiento B respecto a los obtenidos para las plantas de los tratamientos APSN y BSN. Al igual que el nitrógeno, la baja concentración de este elemento se evidenció en las plantas del tratamiento B a través de tallos cortos y delgados (3,44 m en APSN; 3,25 m en BSN y 1,19 m en B). Dicha agua presentó un 90% menos de fósforo respecto a la formulación de la solución nutritiva utilizada [3, 18]. 

De manera general, los valores de potasio, calcio y magnesio presentaron diferencias; siendo la cantidad de potasio en las plantas de los tratamientos APSN y BSN un 200% mayor que la encontrada en las plantas del tratamiento B, y 260% mayor para el magnesio; mientras que, para el calcio sólo fue 9% mayor.  

Sin embargo, para los elementos como nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, calcio y manganeso no se puede hablar de síntomas de deficiencia, ya que los valores encontrados en el tratamiento B de estos elementos fueron superiores a los reportados por la bibliografía como necesarios para las plantas de pepino [1], sólo que la mayor cantidad de estos elementos encontrados en los tratamientos APSN y BSN podrían asegurar una mayor disponibilidad de nutrientes para el crecimiento de las plantas de pepino [3, 19, 20].  

Los microelementos en el área foliar presentaron un comportamiento similar al de los macroelementos y mostraron pequeñas diferencias en los tratamientos APSN y BSN (Figura 2). Con concentraciones de microelementos comparables a las reportadas por otros investigadores [1, 3]. Las relaciones de los microelementos presentes en el área foliar en los tratamientos APSN y BSN fueron, para el manganeso, 21% mayor en APSN que en el tratamiento BSN; para el hierro, se encontró una concentración 12,4% mayor en las plantas del tratamiento APSN respecto a BSN; con relación al cobre, las plantas del tratamiento APSN presentaron una concentración de un 13% superior al encontrado en las plantas del tratamiento BSN. La absorción del zinc, en las plantas de ambos tratamientos presentó un comportamiento similar. El contenido de sodio en las plantas del tratamiento APSN fue 22% mayor que el encontrado para el tratamiento BSN. Estos resultados permiten afirmar que las diferencias fueron mínimas entre los tratamientos APSN y BSN, y las características morfológicas fueron similares en las plantas de dichos tratamientos.

Para el caso de hierro, cobre y zinc se observó, que en el tratamiento B, estos elementos se encontraron en concentraciones inferiores a las reportadas por investigaciones realizadas en plantas de pepino [1, 21], donde estas deficiencias, junto a la de otros microelementos no evaluados, pudieron ser determinantes en los síntomas de deficiencia y la baja tasa de crecimiento ausencia de producción de frutos observado en el tratamiento B. 

En general, el análisis de varianza mostró que existen diferencias altamente significativas (P<0,001) en la absorción de los elementos N, P, Mg, Fe y Zn. Por otra parte, hubo diferencias significativas (P<0,05) en la absorción de los nutrientes K, Mn, Cu y Na; únicamente en el caso del calcio no se observaron diferencias significativas, lo cual sugiere que fue absorbido de manera similar en las plantas de todos los tratamientos. Las diferencias significativas mostradas por el análisis de varianza fueron debido principalmente a las características presentes en las plantas del tratamiento B, las cuales se evidenciaron a través de síntomas típicos, causados por deficiencia de nutrientes en las plantas y corroborados en el análisis nutricional realizado a dichas plantas. 

Análisis microbiológico de los frutos de pepino: las pruebas microbiológicas realizadas a los frutos de pepino de los tratamientos APSN y BSN demostraron la ausencia de coliformes totales y fecales, lo cual era de esperarse, ya que las aguas utilizadas como base para la preparación de la solución nutritiva, presentaron niveles de coliformes por debajo de los valores establecidos por la normativa legal vigente, lo que disminuye el riesgo de contaminación de los frutos [4]. 

 Análisis nutricional de los frutos de pepino: Las cantidades de nitrógeno presentes en los frutos del tratamiento APSN fue 10% mayor que la cantidad de este elemento en los frutos del tratamiento BSN. Estas cantidades representaron 3,36% y 3,04% del contenido de nitrógeno presente en la materia seca de los frutos de los tratamientos APSN y BSN, respectivamente (Figura 3). Esta diferencia permite inferir que la absorción de nitrógeno fue similar en los frutos de ambos tratamientos.

Tomando en cuenta las características morfológicas de los frutos y comparando dichos resultados con otras investigaciones realizadas en condiciones agroecológicas similares [1, 3] se observó que el contenido de nitrógeno encontrado en los frutos fue similar a los reportados para la planta de pepino.  

Los valores obtenidos en el análisis de composición para P, Ca, K y Mg en el fruto presentaron mínima variabilidad en un tratamiento respecto al otro; así, desde el punto de vista nutricional, no existieron diferencias entre los tratamientos APSN y BSN, lo que sugiere que el uso del agua residual tratada no alteró el proceso de asimilación de nutrientes, cosechándose frutos de excelente calidad nutricional en base a la comparación con los valores estándares de estos elementos en frutos de pepino (fósforo 200 mg/Kg; calcio 140 mg/Kg; potasio 1440 mg/Kg y magnesio 110 mg/Kg) [1, 3, 21]. En la Figura 4, se corrobora la mínima variabilidad de microelementos de los tratamientos APSN y BSN. Dichos valores también fueron comparados con los obtenidos en investigaciones realizadas para determinar la composición nutricional del pepino, mostrando gran similitud, [1, 3] y en concentraciones superiores a las reportadas como adecuadas para frutos de pepino: 0,33 mg/Kg cobre; 0,76 mg/Kg manganeso; 2,6 mg/Kg hierro y 2 mg/Kg zinc [21].

Además de los análisis realizados para determinar macroelementos y microelementos en el fruto de pepino, se realizaron análisis para la determinación de metales pesados evaluando la presencia de aluminio, cobalto, níquel, plomo, cromo, cadmio y vanadio; obteniéndose como resultado que en ninguno de los casos fue detectada la presencia de dichos metales en los frutos evaluados. Esto es explicado, ya que el análisis del agua residual tratada dio como resultado la ausencia de los mencionados metales. Otras investigaciones realizadas reportaron resultados similares para metales estudiando el agua residual del mismo sistema [22, 23, 24].  

Conclusiones 

• Las aguas residuales tratadas en las lagunas de estabilización del CIA-LUZ presentan excelentes características fisico-químicas y microbiológicas para ser reutilizadas en el desarrollo de cultivos hidropónicos de pepino, ya que los indicadores de contaminación en el agua se presentaron en concentraciones inferiores a las permitidas por la reglamentación ambiental vigente.

• Los frutos obtenidos utilizando agua residual tratada fueron nutricional y microbiológicamente aptos para el consumo humano.

• Los niveles de nitrógeno y fósforo presentes en el agua residual tratada no cubren las necesidades nutricionales de las plantas de pepino cultivadas en un sistema hidropónico de raíz flotante, por lo que se hace necesario suplementar los requerimientos de la planta.

• El cultivo hidropónico del pepino utilizando agua residual tratada generó frutos exentos de contaminación microbiológica y de excelente calidad nutricional.

Agradecimiento

Los autores quieren expresar su agradecimiento al Consejo Superior de Desarrollo Científico y Humanistico (CONDES) por el financiamiento y apoyo para la realización de la investigación. 

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