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INTRODUCCIÓN
Debido a su alta capacidad reactiva y a no producir residuales peligrosos, los tratamientos con ozono han resultado amistosos con el ambiente y económicamente factibles1,2 y se ha recomendado su empleo en el tratamiento de productos alimenticios con diversos objetivos. A pesar de haber sido un contaminante ambiental que ha causado grandes pérdidas a la agricultura,3,4 las plantas han sido capaces de asimilar pequeñas cantidades de ozono y emplearlas en su beneficio. El ozono en medios acuosos u orgánicos ha producido las especies reactivas de oxígeno EROs (superóxido O2-), peróxido de hidrógeno (H2O2) e hidroxilo (OH-),5,6,7 entre otras, las cuales han participado en varias rutas metabólicas.8,9 Las EROs pueden provocar daños irreversibles, pero también pueden tener efectos beneficiosos.7,10
El presente trabajo pretende recoger las experiencias cubanas en aplicaciones de ozono al tratamiento de material de propagación vegetal de granos, viandas y gramíneas. En segundo lugar, en la obtención de aguas con calidad de riego a partir de aguas residuales y la validación de sus efectos en plantas y sustratos. Así como en el beneficio poscosecha de frutas y vegetales.
MÉTODOS
Aplicaciones del ozono al material de propagación
Frijol común, garbanzo, sorgo
Con el objetivo de determinar los efectos sobre la germinación de las semillas frijol común11 y la morfología de las plántulas de Phaseolus vulgaris L. variedades BAT-304 y Delicias-264, garbanzo12 (Cicer arietinum L.) y sorgo (Sorghum bicolor L.) variedad UDG-1113 se aplicó un flujo de aire de 2 L min-1 con concentración de ozono de 40 mg m−3 proveniente generador marca Etron a semillas de las especies vegetales mencionadas durante 8, 16, 24, 48 y 72 h. Se colocaron, sobre placas de Petri, 35 g de semillas de frijol común y garbanzo y 20 g de semillas de sorgo.
Los ensayos de germinación se realizaron en bandejas de polietileno de 247 orificios. Se usó como sustrato una mezcla de suelo con humus de lombriz (3:1), una semilla por cada orificio. A los 14 días después de la siembra (dds) se contabilizaron las semillas germinadas. Se evaluó la longitud del tallo y de la raíz.
Papa y caña de azúcar
Para evaluar el efecto del ozono en la germinación de semillas de papa y caña de azúcar se diseñaron dos instalaciones distintas,14 así como la eficacia del ozono en el control de la pudrición blanda de semilla de papa. Se empleó un ozonizador AQOZO-LAB (Cuba).
Las semillas de papa cv. Russet Burbank se trataron aplicando ozono gaseoso a 100, 300 y 600 mg m-3 durante 45 min.14 Las semillas tratadas y el grupo control se almacenaron durante 3 meses a temperatura y humedad relativa no controladas. Para el estudio, se seleccionaron al azar 10 semillas (unidades) de cada grupo. Para cada unidad de muestreo se determinaron las siguientes variables: peso y alargamiento del brote apical a los 0, 1, 2 y 3 meses y semanalmente el número de brotes. Para evaluar el efecto del tratamiento con ozono sobre el control de la pudrición blanda se aplicó la metodología descrita en Valdés Herrera et. al.14.
Para determinar los efectos sobre la germinación se seleccionaron tallos de 5 variedades de caña de azúcar (Saccharum officinarum L.) de 9 meses y se aplicó lo descrito en Valdés Herrera et. al. (14 La concentración se monitorizó con un sensor (tipo ZOE 2-4P) conectado a un dispositivo de medición y control (D1C Dulcometer, ProMinent, EE. UU.).
Explantes de malanga y ñame para la micropropoagación
Para determinar el efecto del ozono en la propagación in vitro de Dioscorea sp.15) y de la malanga (Colocasia esculenta L.)16 y el saneamiento de enfermedades asociadas a potyvirus17 se probó la inmersión de segmentos nodales en agua ozonizada en un reactor diseñado y construido al efecto (figura 1). Se utilizó el equipo generador de ozono AQOZO AF-201 (figura 1) con alimentación de oxígeno comprimido a un flujo de 5,0 L min-1. En cada caso se emplearon 24 explantes por tratamiento y 4 réplicas. La concentración del ozono se midió de forma similar al acápite anterior.
Fig. 1 Reactor empleado para el tratamiento de explantes de Dioscorea sp. y Colocasia sp. con ozono disuelto en agua.
Para la desinfección de los segmentos nodales de Dioscorea sp. se aplicó la metodología descrita en Cabrera y González.17 Para determinar el efecto sobre el saneamiento, a partir de plantas de Dioscorea cv. Guinea positivas a potyvirus se aplicó la metodología descrita en González Ramírez et. al.18 Todos los diagnósticos se realizaron mediante ACP-ELISA. Se determinaron los porcentajes de saneamiento y eficiencia de cada tratamiento.
Para determinar el efecto sobre la micropropagación de plantas de Colocasia sp. cv. NIVIT MC-2012,19 explantes del mismo según metodología descrita en Basail Pérez et. al.19 se determinaron los porcentajes de brotación y de contaminación microbiana, así como los índices de multiplicación y el número total de plántulas in vitro hasta el cuarto subcultivo.
Desinfección de frascos y locales de cultivo in vitro
Los frascos empleados en los sistemas de inmersión temporal se lavaron con detergentes, previo a los tratamientos con ozono. Se aplicó la metodología de tratamiento y evaluación descrita en González Ramírez et. al.20 En el cuarto de cultivo la descarga del gas se efectuó en 8 puntos de control ambiental distribuidos en los 60 m3 del mismo. Se aplicó la metodología de tratamiento y evaluación descrita en González y Cabrera.21
Aplicaciones del ozono en el riego agrícola
Recuperación de aguas residuales domésticas
Se evaluaron procesos de coagulación-floculación, filtración y ozonización en el tratamiento del agua residual municipal para su reutilización en el riego agrícola. Se evaluaron 3 coagulantes: sulfato de aluminio, sulfato férrico y policloruro de aluminio. Se aplicaron 2 concentraciones de ozono en el gas (20 y 40 mg L-1), 2 flujos de gas (30 y 60 L h-1) y 2 tiempos de contacto (15 y 30 min).22
Las muestras fueron sometidas a análisis microbiológicos con siembra, aislamiento e identificación de microorganismos. Además, se realizó el análisis de coliformes totales y fecales para la determinación del número más probable de unidades formadoras de colonias. A la vez, se determinó la presencia de micro- y macroelementos en el agua tratada.
Validación del efecto en posturas de papaya y en los sustratos empleados
Se evaluó el efecto de 3 calidades de aguas en el riego (agua de rio, agua ozonizada y aguas residuales municipales tratadas con ozono22) a posturas de Carica papaya L. var. Maradol roja en 2 sustratos diferentes: suelo Pardo carbonatado + materia orgánica (50:50) y suelo Ferralítico. En cada uno de estos fue dividido en 3 grupos (30 plantas/grupo) sometidos a riego controlado (60-70 mL) con aguas de diferentes características.
Se caracterizó el desarrollo morfoagronómico de las posturas de papaya y agroquímicamente, el sustrato empleado23,24) en el momento del trasplante.
Aplicaciones durante la poscosecha
Desinfección de tomates
Tomates maduros (Lycopersicon esculentum Mill.) cultivar FA-180 fueron inoculados con Escherichia coli ATCC 25922 y posteriormente lavados con agua ozonizada bajo 2 sistemas de agitación durante 15 y 30 min a concentraciones de ozono disuelto de 0,5 y 1,0 mg L-1 y se evaluó la concentración del microorganismo en los tomates tratados y no tratados.25
Beneficio poscosecha de la papaya
Se evaluó la efectividad de la aplicación de tratamientos con ozono en el control del crecimiento de hongos patógenos, así como su efecto en la vida de anaquel durante la poscosecha de C. papaya var Maradol roja.26 Con los frutos se llevaron a cabo 3 experimentos, bajo diferentes esquemas de tratamiento en la fase gaseosa y en la fase líquida. Se emplearon concentraciones de ozono en el gas entre 500 mg m-3 y 1000 mg m-3 y concentración de ozono disuelto de 1 mg L-1. Los frutos se almacenaron durante 10 días a temperatura y humedad relativa no controladas.
RESULTADOS
Aplicaciones del ozono al material de propagación
Frijol común, garbanzo, sorgo
El efecto del ozono sobre la velocidad de germinación y el porcentaje de germinación fue diferente para las variedades. En la BAT-304 a las 72 h de iniciado el experimento el porcentaje en todos los tratamientos fue del 100 %, lo cual fue muestra que el tiempo de exposición al ozono no afectó la germinación de las semillas.13 En la variedad Delicias-264 los tratamientos no obtuvieron el 100 % de germinación, no obstante, de germinación fueron similares en los diferentes tratamientos. Las semillas expuestas durante 72 h al ozono tuvieron un 96,66 % de germinación.
El tratamiento con ozono estimuló la germinación de la semilla garbanzo. Al aumentar el período de exposición al ozono aumentó el porcentaje de germinación en los tratamientos, aunque estos no alcanzaron el 100 % de germinación.14 Al comparar longitud de las raíces y de los tallos de las plántulas no existieron diferencias significativas entre los tratamientos.
El porcentaje de germinación fue inferior al 100 % en todos los tratamientos evaluados incluyendo el control. En el tratamiento con ozono por 72 h la germinación fue del 87 %, superior al control en el que se obtuvo el 84 %.
Papa y caña de azúcar
La dosis de ozono de 20 mg kg-1 h-1 durante 45 min permitió una mejor conservación de las semillas de papa cv. Red Scarlet sin que se apreciaran efectos negativos sobre ninguno de los parámetros morfoagronómicos evaluados.16 Pudo establecerse; además un control sobre la pudrición blanda causada por Erwinia sp. cuya incidencia se redujo al 5,2 % con diferencias significativas sobre los grupos no tratados con ozono.
La inmersión en agua ozonizada 2,0 mg L-1 durante 30 min favoreció la desinfección de las semillas de caña y la germinación de las yemas en las 5 variedades de caña empleadas.16
Explantes de ñame y malanga para la micropropoagación
La inmersión de los segmentos nodales en agua ozonizada resultó eficaz en el proceso de desinfección debido a que el ozono actuó directamente o indirectamente sobre el material vegetal a través de la acción de las EROs.9 La aplicación de ozono disuelto en agua permitió que los explantes de Dioscorea cultivar Guinea brotaran más rápidamente los desinfectados con el hipoclorito de sodio.17
De acuerdo a nuestro conocimiento, esta investigación constituyó el primer informe de la aplicación de ozono para el saneamiento de los virus en Dioscorea spp.
Con la inmersión en agua ozonizada 2 mg L-1 durante 15 min, se logró un 100 % de plantas producidas in vitro regeneradas en la etapa de iniciación, se eliminaron las pérdidas por contaminación y se obtuvieron plántulas de mayor calidad, por lo que aumentó el coeficiente de multiplicación en los posteriores subcultivos.18,27 La desinfección aplicada permitió elevar en más de 3 veces la cantidad de material vegetal producido, aumentando la eficiencia económica del proceso.
Los tratamientos de desinfección con ozono disuelto en agua ofrecieron mejores resultados -sin diferencias estadísticas entre ellos- que el tratamiento control con hipoclorito de sodio. El diámetro de los pseudotallos resultó superior en los tratamientos con 2 mg L-1 de ozono disuelto en agua. Esto redundó en el aumento de la calidad de las plantas producidas in vitro y, por tanto, en el aumento de los coeficientes de multiplicación.19
Desinfección de frascos y locales de cultivo in vitro
Con concentraciones entre 20-25 mg L-1 de ozono con tiempos de tratamiento entre 25-30 min se logró una correcta desinfección de los frascos de cultivo. No aparecieron contaminaciones visibles durante las 72 h posteriores al tratamiento ni durante el período (30 días) de crecimiento del mismo. Los materiales vegetales de ñame (Dioscorea spp.), malanga (Xanthosoma spp.) y plátano (Musa spp.) mostraron una respuesta biológica satisfactoria. Luego de la aplicación de 0,8-1g m-3 de ozono durante 12 h no se observaron unidades formadoras de colonias por placa en los muestreos ambientales en las cámaras de cultivo. Se pudo constatar la efectividad del ozono frente a un amplio rango de microorganismos sobre los que actuó con rapidez.21
Aplicaciones del ozono en el riego agrícola
Recuperación de aguas residuales domésticas
La tabla 1 muestra la caracterización bioquímica y mineral del agua residual doméstica recuperada mediante tratamiento físico-químico que incluyó ozonización.
Tabla 1 Comparación de aguas residuales domésticas generadas en la comunidad del INIVIT, sin tratar y tratadas por el esquema de coagulación-floculación-filtración-ozonización
| Parámetro | Unidades | Aguas sin tratamiento | Aguas Tratadas | Normas de reuso | |
|---|---|---|---|---|---|
| EPA* | OMS** | ||||
| pH | - | 7,8 | 7,35 | 6-9 | - |
| Demanda química de oxígeno (DQO) | mg O2/ L | 380,2 | 95,1 | - | - |
| Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) | mg O2/ L | 190,4 | 16,2 | 30 | - |
| Sólidos suspendidos | mg/ L | 234,3 | 0 | 30 | - |
| UFC/ mL | 1,5 × 10 3 | 1 | - | - | |
| UFC/ mL | 1,0 × 10 3 | 0 | - | - | |
| Coliformes fecales | NMP/ 100 ml | 2,1 ×10 6 | 11 | 200 | 1000 |
| Nitrógeno total | mg/ L | 76,1 | 51,0 | - | - |
| Nitrato | mg/ L | 0,058 | 0,602 | - | - |
| Fósforo total | mg/ L | 9,69 | 1,98 | - | - |
| Carbono orgánico total | mg/ L | 176,41 | 119,0 | - | |
Normativas sobre la reutilización de aguas residuales para uso agrícola *Agencia de protección ambiental (EE. UU.)
**Organización Mundial de la Salud
Validación del efecto en posturas de papaya y en los sustratos empleados
El crecimiento de las posturas se puede visualizar en la figura 2. En el vivero de sustrato suelo Pardo con carbonato+MO, el grupo de plantas con mejor crecimiento resultó ser el regado con aguas residuales domésticas tratadas (51 % incremento en la altura), seguido por el de agua ozonizada (10 % incremento en la altura), acortando del tiempo de vivero en 8 y 3 días respectivamente con respecto al control.23,28
En el vivero de sustrato suelo Ferralítico rojo, el grupo de plantas con mejor crecimiento resultó ser el regado con aguas residuales domésticas (65,1 % incremento en la altura), los otros grupos no alcanzaron los valores óptimos para transplante. Las determinaciones de los distintos elementos químicos arrojaron como resultado que no mostraron diferencias notables entre los tratamientos con respecto al testigo.
Fig. 2 A) Posturas de fruta bomba al momento del transplante; B) Crecimiento de las posturas vs días después de la brotación.
Analizando los contenidos de potasio residuales (tabla 2) en los sustratos que fueron regados con agua de reuso y teniendo en cuenta que este tratamiento alcanzó incrementos de peso fresco por planta aproximadamente del 200 % con relación a los otros grupos, se evidenció un marcado aporte de este macroelemento en el agua residual en su forma asimilable, favorecido por estar disuelto en agua.24,29
Tabla 2 Determinaciones de elementos (mg g-1) en el sustrato al momento del trasplante. Suelo Pardo mullido carbonatado + MO (50:50)
| Control |
Tratamientos H2O ozonizada |
H2O reuso |
|
|---|---|---|---|
| Mat. Orgánica (mg/g suelo) | 5,26 | 5,21 | 5,64 |
| pH H2O | 7,6 | 7,6 | 7,5 |
| Potasio (mg/ml) | 2,5602 | 2,5481 | 2,6417 |
| Calcio (mg/ml) | 7,7532 | 8,1714 | 8,2966 |
| Magnesio (mg/ml) | 0,6864 | 0,7070 | 0,7160 |
| Sodio (mg/ml) | 0,4929 | 0,4132 | 0,5190 |
| Hierro (mg/ml) | 1,3775 | 1,4194 | 1,4288 |
| Manganeso (mg/ml) | 0,8885 | 0,8867 | 1,0333 |
| Cobre (mg/ml) | 0,0658 | 0,0607 | 0,0608 |
Aplicaciones durante la poscosecha
Desinfección de tomates
Los resultados de la inactivación indicaron que existieron diferencias significativas (p ≤ 0,05) entre las condiciones experimentales evaluadas durante el lavado con ozono. Los valores de inactivación de E. coli con el empleo del ozono fueron significativamente diferentes al resto de las condiciones del diseño experimental cuando se utilizó una concentración de ozono disuelto de 1 mg L- durante 15 y 30 min.25,30
Beneficio poscosecha de la papaya
Las frutas que fueron lavadas con agua solamente resultaron las primeras en cambiar de color mientras que las lavadas con agua ozonizada fueron las últimas en las que se manifestó este proceso. En el resto de los tratamientos no se observó diferencias significativas.26,31,32 Esta diferencia indicó un retardo en el proceso de maduración de las frutas. Este efecto puede deberse a la acción inhibitoria del ozono sobre el etileno. El efecto de conservación a largo plazo entre los lavados con agua ozonizada y con el fungicida comercial Amistar ha propuesto una alternativa al empleo de productos químicos importados en esta importante etapa del cultivo de la papaya.
DISCUSIÓN
Aplicaciones del ozono al material de propagación frijol común, garbanzo, sorgo
La exposición al ozono al que fueron sometidas las semillas no afectó la germinación de las mismas.15 Por otra parte, permitió la protección de las mismas al ataque de organismos fitopátogenos.
Papa y caña de azúcar
Los tratamientos con ozono han resultado ser más económicos y menos agresivos al medio ambiente que el empleo de químicos con estos objetivos.
Explantes de ñame y malanga para la micropropagación
Las EROs aumentan la capacidad de oxidación del ozono y amplían el rango de pH de acción del mismo.9,10 De acuerdo a nuestro conocimiento, esta investigación ha constituido el primer informe de la aplicación de ozono para el saneamiento de los virus en Dioscorea spp.
La combinación del efecto de desinfección y la estimulación al tejido vegetal del ozono disuelto en agua permitió aumentar en más de 3 veces durante el mismo tiempo (110 días), el número de explantes para su distribución, como material inicial, al sistema de biofábricas de Cuba.
Desinfección de frascos y locales de cultivo in vitro
Los materiales vegetales del ñame (Dioscorea spp.), la malanga (Xanthosoma spp.) y el plátano (Musa spp.) mostraron una respuesta biológica satisfactoria. Este método redujo el consumo de energía eléctrica y ofreció la posibilidad de emplear en los sistemas de cultivo semiautomatizados frascos de cultivo más baratos.20
Aplicaciones del ozono en el riego agrícola
Recuperación de aguas residuales domésticas
El agua obtenida cumplió las normas de calidad de agua de riego agrícola de la Organización Mundial de la Salud y de la Agencia Protectora del Ambiente de Estados Unidos. No contenía, prácticamente, ninguna contaminación por minerales pesados (tabla 1); además los contenidos de minerales de importancia agronómica como N-P-K han resultado importantes, por lo cual ha contribuido no solo a la nutrición de las plantas sino también al mejoramiento de los suelos.22,29
Validación del efecto en posturas de papaya y en los sustratos empleados
Los crecimientos del nivel de materia orgánica en los sustratos regados con agua recuperada, al culminar la etapa de vivero resultaron significativos, sobre todo si tenemos en cuenta que fueron precisamente las posturas regadas con esta agua las que más crecieron. Por tanto, mejoró las condiciones nutricionales del sustrato y favoreció el adecuado desarrollo de las raíces del cultivo a través del mejoramiento de las condiciones del suelo. No se observó disminución en ninguno de los macros o microelementos evaluados.
Aplicaciones durante la poscosecha
Conclusiones
Los tratamientos con ozono han favorecido la germinación y conservación de semillas botánicas, (frijol común, sorgo y garbanzo) y agámicas (papa y caña de azúcar). La inmersión en agua ozonizada de explantes de malanga y ñame ha redundado una mayor eficiencia durante su micropropagación. Se logró la desinfección de frascos y locales empleados durante la micropropagación mediante atmósferas ozonizadas. Se logró obtener agua de calidad para riego agrícola que; además, demostró aportes nutricionales a posturas de frutabomba y a los sustratos empleados. Se logró la conservación poscosecha de tomate y papaya sustituyendo fungicidas químicos contaminantes ambientales.
