Efectos de la adición de enmiendas orgánicas y combinación con la fitoextracción mediante el uso de dos especies vegetales (brassica napus y sinapis alba), en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de suelos mineros de españa
- Autores: Eliana Marcela Cárdenas Aguiar
- Directores de la Tesis: Gabriel Gascó Guerrero (dir. tes.), Ana Méndez Lázaro (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Antonio Saa Requejo (presid.), César Plaza de Carlos (secret.), Patricia Almendros (voc.), Joan J. Manyà Cervelló (voc.), Claudio Zaccone (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Agroingeniería por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
La contaminación del suelo se reconoce como la ausencia de productividad del mismo debido a sustancias tóxicas que sobrepasan los límites de autodepuración. La presencia de metales en los suelos se origina naturalmente por el aporte del material parental, no obstante, las concentraciones posiblemente tóxicas son aquellas que provienen de actividades humanas como la minería metálica. Los metales son persistentes y no biodegradables, por lo cual las técnicas para tratarlos son la contención, confinamiento y descontaminación. La presente tesis doctoral se fundamenta en el uso de dos técnicas de descontaminación: adición de enmiendas y fitoextracción.
Las enmiendas se definen como cualquier materia que mejora las propiedades del suelo, específicamente las enmiendas orgánicas son aquellas que puedan mantener o aumentar el contenido de materia orgánica del suelo y mejorar las propiedades del mismo. De acuerdo a esta perspectiva los residuos se convierten en una opción viable cumpliendo la función como enmienda y a la vez valorizando los desechos de actividades agrícolas y ganaderas. Existen diversas materias primas que pueden ser consideradas (restos vegetales, madera, desechos de cosechas, residuos ganaderos), pero son los residuos ganaderos los de especial interés debido al alto contenido en nutrientes y de carbono orgánico. Comúnmente el estiércol de animales se ha adicionado a los suelos sin ningún tipo de tratamiento térmico, sin embargo, se presentan ciertas desventajas como la presencia de patógenos, producción de gases de efecto invernadero, generación de malos olores e incluso dificultades en el almacenamiento y transporte.
La producción de materiales como el biochar y el hidrochar permiten solventar las desventajas previamente descritas para los residuos ganaderos, reconociendo estos como materiales carbonosos producto del tratamiento térmico de la biomasa. El biochar es el resultado del proceso de pirólisis a altas temperaturas en ausencia o limitada cantidad de oxigeno mientras que el hidrochar se fabrica por carbonización hidrotermal, aplicando presión autógena, bajas temperaturas y permite el uso de biomasa húmeda. Actualmente se reconoce la mejora de la calidad del suelo tras la adición de biochar, debido a la liberación lenta de nutrientes, mayor retención de agua, incremento en la biomasa microbiana, etc. El hidrochar por su parte, es un producto reciente que igualmente se le confieren propiedades esenciales para la remediación de suelos.
La fitoextracción se fundamenta en el uso de las plantas para acumular los metales en la biomasa cosechable y las especies acumuladoras se caracterizan por ser resistentes a elevadas concentraciones de metales, sin embargo, pueden presentar tasas lentas de crecimiento, así como baja producción de hojas, tallos y raíces. Por tal razón se plantea que la combinación de dicha técnica con suelos enmendados con residuos ganaderos, biochares e hidrochares puede llegar a potencializar los resultados, teniendo como finalidad maximizar la reducción de los metales presentes en los suelos.
El objetivo general de la presente tesis doctoral es: analizar los efectos de la adición de enmiendas y de su combinación con la técnica de fitoextracción (Brassica napus y Sinapis alba) en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de suelos mineros de España así como en la extracción de metales en los suelos seleccionados. Para ello se plantean los siguientes objetivos específicos: 1. Determinar las propiedades fisicoquímicas de las enmiendas orgánicas.
2. Determinar las propiedades fisicoquímicas de los suelos.
3. Evaluar el efecto de la adición de enmiendas y su combinación con la fitoextracción en el pH, conductividad eléctrica y propiedades biológicas de los suelos.
4. Evaluar el efecto de la adición de enmiendas y de su combinación con la fitoextracción en el contenido en metales de los suelos. 5. Analizar la capacidad de fitoextracción y producción de biomasa de Brassica napus y Sinapis alba en los suelos testigos y enmendados.
La tesis doctoral se encuentra estructurada en cuatro capítulos siguiendo la organización y recolección de muestras del proyecto: “Tratamiento de suelos contaminados por metales mediante combinación de técnicas de fitorremediación con adición de biochar (CGL2014-58322-R) del programa Retos 2014”. La investigación se basa en el tratamiento de un total de siete suelos y residuos mineros productos de la extracción de Zn y Pb en diferentes áreas de España. Los suelos se enmendaron con nueve materiales diferentes y para los ensayos de fitoextracción se mantuvieron las especies Brassica napus (colza) y Sinapis alba (mostaza) durante todos los montajes de laboratorio. Las primeras muestras obtenidas durante el marco del proyecto corresponden a los suelos Gamonedo (Cantabria) y Portmán 1 (Murcia) y se enmendaron con estiércol de conejo y sus respectivos biochares (450 ºC y 600 ºC) e hidrochares (190 ºC y 240 ºC), resultando en el primer capítulo. Para el segundo capítulo, las siguientes muestras obtenidas fueron del área de Portmán (Murcia) catalogadas como suelo Portmán 2 y lodo 32, tratados con estiércol de conejo, biochares fabricados a partir de estiércol de conejo a 300 ºC y 600 ºC, además de las mezclas de cada uno de los biochares con el estiércol. En el tercer capítulo, se llevó a cabo la mezcla de los suelos con gallinaza y carbón vegetal, los suelos se obtuvieron del área de Riotinto, diferenciados en dos presas mineras y un suelo aledaño, etiquetadas como RI-II, RIII y RIIIS.
El capítulo cuatro se diferencia de los restantes, debido a que hace parte de una estancia de investigación en la Universidad de Edimburgo y se planteó con el fin de determinar la estabilidad del carbono asociado a los biochares e hidrochares. Uno de los beneficios que se atribuye a estas enmiendas es el secuestro de carbono en el suelo a largo plazo, pero dicha propiedad no se puede garantizar a menos que se reconozcan los materiales como estables. Con el fin de conocer el comportamiento de los biochares e hidrochares a través del tiempo, se efectuó un proceso de envejecimiento artificial, el cual consiste en acelerar la oxidación de los materiales que naturalmente se da en varios años. Posteriormente se efectuó el análisis elemental y termogravimétrico de las muestras.
El trabajo laboratorio comprende la caracterización inicial de las enmiendas y de los suelos. Las enmiendas utilizadas para el tratamiento de los suelos, se caracterizaron ampliamente determinando las propiedades fisicoquímicas, así como el análisis elemental, inmediato y termogravimétrico y el contenido en metales totales. Los suelos seleccionados también fueron caracterizados y una vez finalizados los montajes de fitoextracción se determinó: el pH y conductividad eléctrica (CE), actividades enzimáticas, biomasa microbiana, biomasa vegetal y concentración de metales totales en los suelos y en las plantas.
Los resultados mostraron el aumento del pH del suelo al agregar biochares en comparación con la adición de hidrochar, tal es el caso de los experimentos del capítulo I. Al cotejar los efectos en suelos enmendados con dos biochares producidos a diferentes temperaturas (Capitulo II), no se observan diferencias significativas. Por último, en los suelos ácidos de Riotinto, capitulo III, se evidencian los beneficios de adicionar enmiendas con pH alcalinos como el caso de la gallinaza y el carbón vegetal, incrementando el pH de los suelos a valores mayores a 7. La CE aumentó en todos los suelos tras la adición de las enmiendas, no obstante existen variaciones entre los tratamientos, siendo los suelos enmendados con biochares los de mayor CE. La presencia de las especies vegetales Brassica napus y Sinapis alba, no genera mayores variaciones en el pH y ni en la conductividad eléctrica del suelo.
A nivel de actividades enzimáticas, la media geométrica de las actividades (GMea) resume el comportamiento general de las tres enzimas (Fosfomonoesterasa, β-glucosidasa y deshidrogenasa). En el capítulo I, se puede observar como la presencia de los hidrochares aumenta las enzimas del suelo como resultado de la degradabilidad de dichos materiales. En el capítulo II, para los dos suelos la adición del biochar producido a 600 ºC no tiene diferencias en el GMea con los suelos sin enmendar y en ciertos escenarios es incluso menor, lo cual se asoció a la temperatura de pirólisis y el comportamiento de las estructuras de carbono, encontrándose C lábil a bajas temperaturas y C menos disponible (estructuras aromáticas) a mayores temperaturas. En el capítulo III, las actividades enzimáticas incrementan considerablemente con la adición de la gallinaza, lo que se explica debido al bajo contenido de carbono orgánico de los suelos y que aumenta producto de nuevos aportes de C orgánico.
La biomasa microbiana se encuentra directamente relacionada con las actividades de las tres enzimas, por lo cual se evidencia el aumento de la microbiota asociada al suelo con los hidrochares y la gallinaza y la disminución con el biochar a 600 ºC, según los respectivos montajes previamente mencionados. Se reconoce que la biomasa es la medición de los microorganismos presentes en el suelo y la medición de las enzimas representa el sustrato disponible para el crecimiento de dicha biomasa. El comportamiento por ende también se encuentra asociado al carbono disponible en el suelo.
Según la normativa europea y los niveles genéricos de referencia determinados para los diferentes metales por las comunidades autónomas de España, los suelos se encuentran contaminados por As, Pb y Zn, en la mayoría de los casos. Los suelos enmendados en todos los casos reducen la cantidad del metal total presente en el suelo, sin embargo, los resultados con la presencia de las especies vegetales Brassica napus y Sinapis alba no son evidentes, por lo cual la capacidad de fitoextracción de las plantas se basa en los factores de bioconcentración, translocación, cantidad de metal extraído en cada parte del tejido vegetal y los porcentajes de extracción respecto a los suelos sin enmendar.
Los resultados de los factores de bioconcentración y translocación son puntuales en cada metal y dependen del tipo del suelo, pero a nivel general se puede establecer que los metales se acumulan en las raíces de las plantas y no existe un transporte de los mismos a la parte superior (hojas y tallos). En este apartado se destacan la presencia de síntomas de toxicidad por As en las plantas, lo que se corrobora con los niveles de extracción. Además, en los suelos de Riotinto se concluye que las propiedades y concentraciones de metales en los suelos inhiben la germinación de las especies, pero que la adición de la gallinaza y el carbón vegetal permiten el crecimiento.
En el capítulo IV, se estableció un menor contenido de C en los biochares e hidrochares posterior al envejecimiento, según el análisis elemental. De igual forma el %H y %N disminuyen en las enmiendas envejecidas. La relación H/C aumenta respecto a los biochares e hidrochares frescos y la relación C/N disminuye. El rango de la relación H/C deseado para el secuestro de C en suelos fluctúa entre ≤0.4 y ≤ 0.6, todas las muestras superan dicho límite. La estabilidad del C asociado a las enmiendas envejecidas no supera el 18%, exceptuando el caso del BEC600 con un 48.96%.
A lo largo del proyecto de investigación se utilizaron diferentes biochares, hidrochares y residuos ganaderos, demostrando la mejora en las propiedades del suelo como: mayor contenido de materia orgánica, pH, CE, biomasa vegetal y biomasa microbiana, incluso el estiércol de conejo y la gallinaza sin tratamiento térmico promovieron el crecimiento de las plantas y la reducción de los metales. De igual forma el uso de los hidrochares permite evidenciar el incremento en las propiedades biológicas de los suelos y genera información en un tema que actualmente se encuentra en desarrollo y del cual existen vacíos.
La mitigación del cambio climático y el secuestro de carbono son temáticas importantes ambientalmente. Asegurar la estabilidad de los materiales agregados al suelo hace parte del análisis del ciclo de vida de dichas enmiendas. Durante la presente tesis doctoral se han establecido los efectos en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de los suelos, así como la variación en el contenido en metales posterior a la adición de enmiendas, crecimiento de especies vegetales e incubación durante períodos de dos meses. No obstante, los efectos pueden fluctuar a través del tiempo, generando la necesidad de un análisis a largo plazo. Como primer acercamiento a este estudio se realizó el envejecimiento de los materiales, metodología novedosa, que artificialmente permiten simular el paso de incluso décadas.
