Producción de un biofertilizante / bioestimulante mediante un proceso biológico / enzimático a partir de subproductos orgánicos: valorización agronómica y ambiental de lodos de depuradora y plumas de matadero
- Autores: Bruno Rodríguez Morgado
- Directores de la Tesis: Juan Parrado Rubio (dir. tes.), Manuel Tejada Moral (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Número de páginas: 280
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Bautista Palomas (presid.), Isidoro A. Gómez Parrales (secret.), M. Pérez (voc.), José Antonio Pascual Valero (voc.), C. Aragón Cruz (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Recursos Naturales y Medioambiente por la Universidad de Sevilla
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
En la sociedad industrializada actual existen infinidad de sub-productos de origen orgánico que tradicionalmente han sido considerados directamente como residuos, o como mucho, se consideran materias de bajo valor añadido. En muchos casos estos sub-productos ocasionan graves problemas medioambientales debido a la falta de una legislación adecuada que obligue a la correcta gestión de estos materiales o a la ausencia de alternativas ecológicamente amigables.
Dos de estos sub-productos de origen orgánico constituyen las materias de partida de este trabajo. Por una parte están los lodos de depuradora, que si bien no pueden ser considerados como sub-productos de ninguna industria específica, dados el elevado volumen que se genera de ellos y su origen totalmente antropogénico, pueden ser considerados como un sub-producto de la actividad humana. Dependiendo del tipo de tratamiento que se haya realizado en las aguas residuales de partida, es posible obtener lodos con propiedades y características distintas, lo que aumenta la variabilidad de lodos existentes. Por otra parte están las plumas de ave, originadas en la industria avícola y caracterizadas por estar formadas mayoritariamente por la proteína queratina y grasas en mayor o menor medida. En ambos casos, su habitual gestión consiste en su eliminación por diversos medios, como puede ser la incineración o el almacenamiento en vertederos.
Una alternativa a los procesos de eliminación cada vez más instaurada es el reaprovechamiento como materias primas para otros procesos, aunque el valor de los productos obtenidos es relativamente bajo (ya sea económica o cualitativamente). Estos procesos de revalorización son en el caso de los lodos de depuradora el compostaje y la metanización, y en el caso de las plumas la producción de aminoácidos de uso agrícola y en menor medida el compostaje.
Aunque estos procesos de reaprovechamiento suponen un importante avance con respecto a los procesos tradicionales de eliminación, no están exentos de problemas. En el caso del compostaje, los tiempos de procesamiento son relativamente altos, la relación C/N del producto final es muy alta, el nivel de control sobre el proceso es muy bajo, si en la materia de partida existen compuestos tóxicos como los metales pesados, estos permanecen en el producto final, etc. Con respecto a la metanización, el principal problema son los rendimientos relativamente bajos y la existencia de un efluente o digestato de características similares a los lodos de depuradora que deber ser gestionado correctamente. En cuanto a los procesos de obtención de aminoácidos de uso agrícola, los procesos actuales son altamente agresivos, empleando altas temperaturas y presiones (con el consiguiente coste energético) y reactivos peligrosos tanto para el ser humano como ara el medio ambiente, como son ácidos y bases concentradas. Además, este tipo de procesamiento provoca diversas modificaciones en ciertos aminoácidos que disminuyen el valor nutricional del producto, o en casos más extremos, resultan perjudiciales tanto para plantas como para microorganismos.
En el presente trabajo se propone el uso de tecnologías biológicas como alternativas para revalorizar estos sub-productos y transformarlos en otros de alto valor añadido. Estas tecnologías se resumen en el uso de enzimas hidrolíticas o bien en el uso de microorganismos completos.
El proceso de hidrólisis enzimática consiste en usar enzimas capaces de digerir y disgregar alguna de las macromoléculas presentes en las materias primas a fin de obtener fragmentos de ellas o incluso los monómeros constituyentes. Para ello, los sub-productos orgánicos se disponen en un biorreactor donde se controlan diversos parámetros como son pH, temperatura, agitación, concentración de sustrato, concentración de enzima, etc. Una vez que las condiciones se han establecido y tras un tiempo previamente determinado, se obtiene un producto que puede ser usado tal cual (producto hidrolizado), o bien puede sufrir una serie de procesos a fin de separar las distintas fracciones y obtener un producto final de características adecuadas para su uso final. En general, estas características finales son una alta solubilidad en agua y bajo peso molecular que permita su fácil asimilación tanto por plantas como por microorganismos, y un bajo contenido en agua para su correcta conservación.
En el caso de los procesos fermentativos, en vez de emplear una enzima, se usan microorganismos completos que producirán una batería de enzimas extracelulares que serán las encargadas de romper los componentes macromoleculares de las materias de partida. Uno de estos microorganismos con gran uso industrial para la obtención de enzimas y la digestión “in situ” es la bacteria Bacillus licheniformis. Esta bacteria, en presencia de un sustrato inductor es capaz de excretar al medio las enzimas necesarias para digerir dicho sustrato y poder asimilar los nutrientes que lo constituye, garantizando así su supervivencia.
Después de utilizar ambas tecnologías sobre ambos sub-productos, hemos obtenido una serie de productos caracterizados en general por tener un alto contenido en péptidos de bajo peso molecular y aminoácidos libres, ser completamente solubles (si se realiza el proceso de separación) y tener un alto potencial como bioestimulantes edáficos y vegetales.
Los estudios de bioestimulación tanto en suelos han revelado que estos productos son capaces de inducir una rápida respuesta por parte de los microorganismos del suelo, los cuales se desarrollan de forma explosiva en un plazo de tiempo relativamente corto. Como parte de esta respuesta, los microorganismos excretan una serie de enzimas destinadas a la adquisición de nutrientes como son el carbono o el fósforo. Sin embargo, no se produce una inducción en la producción de enzimas implicadas en la adquisición de nitrógeno, ya que este elemento es aportado por los propios productos. Aun así, se observaron diferencias entre los distintos productos, siendo los de mayor contenido en péptidos de bajo peso molecular y aminoácidos libres los que presentaban mayores niveles de estimulación.
Cuando los productos bioestimulantes fueron aplicados en cultivos comerciales (como maíz), se observó cómo se producía un aumento de los nutrientes existentes en la planta, lo cual se traducía en un incremento del contenido en proteínas del grano y de los rendimientos generales del cultivo, como son la producción total, el tamaño y número de granos, etc. Sin embargo, para que se diese este efecto la aplicación debía ser foliar, no observándose estos efectos cuando la aplicación era radicular.
Por otra parte, y en vista a los resultados obtenidos en los ensayos de bioestimulación, se pasó a comprobar la capacidad de estos productos de mejorar los procesos de biorremediación de suelos contaminados con tóxicos como son los hidrocarburos aromáticos policíclicos o diversos plaguicidas. En todos los casos estudiados, se observó como la aplicación de estos productos bioestimulantes era capaz de revertir el efecto inhibitorio causado por el agente contaminante, alcanzando valores de actividad microbiana, que si bien no alcanzaban los encontrados en suelos no contaminados, superaban con creces los obtenidos en suelos contaminados sin tratar. Como consecuencia de este incremento de la actividad microbiana en general, se observó una mayor tasa de biodegradación de los xenobióticos, los cuales eran en general completamente eliminados. Sin embargo, la magnitud de este efecto dependía de las características del producto, y más concretamente, de la proporción de péptidos de bajo peso molecular y aminoácidos libres.
