UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA VICERECTORADO ACADEMICO DEPARTAMENTO: CIENCIA Y TECNOLOGIA

Caracterización Físico-Química de compost en dos tiempos del proceso de compostaje

Trabajo de Merito como requisito parcial para ascender a la categoría de Agregado

Autor: Feraida Castro

Puerto Ordaz, Enero de 2008

CONTENIDO

Lista de cuadros .................................................................................................... i Lista de figuras ...................................................................................................... ii RESUMEN .............................................................................................................. iii INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 4 EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ................................................................... 6 Planteamiento del problema ............................................................................... 6 Justificación del problema .................................................................................. 7 Objetivos ...................................................................................................... 8 Objetivo general........................................................................................... 8 Objetivos específicos ................................................................................... 8 MARCO TEORICO ................................................................................................. 9 MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO. ................................................................ 9 Constituyentes de la materia orgánica del suelo ................................................ 9 Alteración de material vegetal ............................................................................ 10 Autolisis de las células........................................................................................ 11 Síntesis microbiana ............................................................................................ 11 Función de la materia orgánica en el suelo ........................................................ 12 CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LAS ENMIENDAS ORGÁNICAS. .......................................................................................................... 13 Descripción de enmiendas orgánicas comúnmente usadas .............................. 13 Enmiendas vegetales ......................................................................................... 14 Enmienda de animales ....................................................................................... 14 Madures y calidad de las enmiendas orgánicas ................................................ 14 MICROBIOLOGÍA DEL SUELO .............................................................................. 17 Actividad biológica del suelo............................................................................... 18 Carbono de biomasa microbiana........................................................................ 20 Respiración microbiana ...................................................................................... 21 EL PROCESO DE COMPOSTAJE ......................................................................... 22

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE COMPOSTAJE ................... 24 MATERIALES Y MÉTODOS................................................................................... 27 Selección y Preparación de Muestras ................................................................ 27 pH ....................................................................................................................... 28 Conductividad eléctrica....................................................................................... 28 Respiración microbiana ...................................................................................... 28 Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) ........................................................ 28 Contenido de materia orgánica........................................................................... 28 Contenido de fósforo .......................................................................................... 29 RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................. 30 pH ....................................................................................................................... 30 Conductividad eléctrica....................................................................................... 31 Respiración microbiana ...................................................................................... 32 Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) ........................................................ 32 Contenido de materia orgánica y respiración microbiana................................... 32 Contenido de fósforo .......................................................................................... 34 CONCLUSIONES.................................................................................................... 36 RECOMENDACIONES. .......................................................................................... 37 BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 38

Lista de cuadros

16 Cuadro 1. Parámetros y propiedades a evaluar para determinar la calidad de una enmienda orgánica (Mathur et al., 1993; Soto y Muñoz, 2002). 18 Cuadro 2. Distribución de los microorganismos en un suelo en miles por gramos (Alexander, 1980) 19 Cuadro 3. Actividades realizadas por los microorganismos del suelo (Kennedy y Papendick,1995.; Paul y Clark, 1996) 23 Cuadro 4. Condiciones ideales para el desarrollo del proceso de compostaje. (Guerrero y Monsalve, 2006) 30 Cuadro 5. Parámetros físico-químicos de los compost en dos tiempos del compostaje (pH, H, CE, CIC).

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Lista de figuras

Figura 1. Biodegradación del material orgánico en el suelo (Fuente: Carrillo, 2003)

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Figura 2. Porcentaje de carbono microbiano en la masa del suelo (Fuente: Carrillo, 2003)

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33 Figura 3. % de Carbono y Materia organica evaluado en dos tiempos del compostaje Figura 4. Producción de CO2 expresado en miligramos de Carbono (C-CO2).

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Figura 5. Disponibilidad de fósforo en compost en dos tiempos del compostaje

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ii

RESUMEN

Se determinaron las características físico-químicas del compost producto de la degradación de Residuos Vegetales. El compostaje estaba ubicado en los terrenos del instituto de Investigaciones Agropecuarias de la Facultad de

Ciencias

Forestales y Ambientales de la Universidad de los Andes. Las muestras usadas corresponden a: Compost 1(C1) y Compost 2(C2), con seis y tres compostaje, ambos procedentes principalmente de residuos

meses del

vegetales. Se

caracterizaron mediante la medición de pH, conductividad eléctrica(CE), % de humedad, respiración basal, capacidad de intercambio catiónico, determinación de carbono y fósforo, obteniéndose que C1(6,52 a 6,76) arrojo valores mas alto de pH con respecto al C2(4,92 a 5,18), una humedad superior en C1(31,66%), con respecto al C2(13,25%), CE (mS/cm) con resultados de C1 3,93 y C2 1,09; un porcentaje de materia orgánica de C1 11,88 % y C2 13,87 y unas concentraciones de Fósforo (mg/Kg) de C1 8,02 y 19,75. El C1 presento las características teóricas de un compost para ser utilizado como un abono orgánico en las prácticas agrícolas.

iii

INTRODUCCIÓN

El crecimiento de la población ha sido acelerado en los últimos años, este crecimiento ha generado un aumento en la producción de residuos sólidos, registrándose un crecimiento exponencial de estos con respecto al de la población. Casi todos los residuos orgánicos, tanto animales como vegetales, pueden ser transformados en compost. En la comunidad se pueden generar en los mercados como consecuencia de los desechos como pieles de frutas o restos de verduras, despojos de animales, alimentos que se han echado a perder, restos de comida no consumida, etc. En jardinerías comunes se producen hojas secas, restos de poda, restos de plantas, etc. Este uso de los residuos es muy beneficioso para el medio, ya que se trata de una transformación natural y que, además de dar un destino a los residuos, proporciona un abono. El Compostaje es una forma de tratamiento para los residuos orgánicos, que tiene como meta transformar estos residuos en un producto útil, aplicable a la tierra como abono que fertiliza a las tierras de cultivo. Este producto recibe el nombre de compost. Al parecer, la incorporación de estos residuos orgánicos en los diferentes cultivos ha desempeñado un rol importante, en tal sentido Casanova (2005) indicó que estos son una fuente de nutrimentos como N, P, S, K y microelementos importantes para el desarrollo de las plantas, mejora las propiedades fisicoquímicas como la estabilidad de los agregados, resistencia a la erosión, la capacidad de intercambio catiónico, capacidad amortiguadora y actividad biológicas del suelo. Otra razón, por la que se ha fomentado aun más el uso de compost orgánicos, es la necesidad de reducir el uso descontrolado de los fertilizantes químicos para mejorar los rendimientos en la producción agrícola, su elevado costo de producción hoy día

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y la creciente contaminación ambiental, ha determinado la urgente necesidad de desarrollar alternativas que minimicen el impacto negativo

de estos sobre el

ambiente. Dado el creciente uso de los abonos orgánicos se hace necesario evaluar una serie de criterios que permitan determinar la calidad de los compost, por lo que en la presente investigación se comparan las características físico-químicas en dos etapas del compostaje, para el logro de este objetivo se

determinaron los

parámetros: pH, conductividad eléctrica, % de humedad, respiración basal, capacidad de intercambio catiónico (CIC), determinación de carbono y

fósforo

disponible de los diferentes compost. Permitiendo así comprobar y sustentar la influencia de los criterios teóricos con miras al desarrollo de una agricultura orgánica, ecológica y sustentable.

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EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN Planteamiento del problema La materia orgánica ocasiona serios problemas. Si es acumulada y almacenada inadecuadamente forma un hábitat de vectores transmisores de enfermedades, causando malos olores y contribuyendo con la contaminación; por tal razón es necesario poner en marcha una propuesta de gestión de estos residuos. En Venezuela, al igual que en otros países emergentes, es todavía incipiente el conocimiento de los desechos sólidos como un sector especifico, para el cual es necesario establecer políticas de gestión, así como objetivos y metas a corto mediano y largo plazo, para lograr un manejo integral de los desechos o residuos en general, especialmente a los de origen municipal En los residuos sólidos municipales, de un mercado publico se encuentran residuos vegetales, residuos de comida, papeles de todo tipo, caja de cartón, envases plásticos, latas de hierro y aluminio, botellas de vidrio, fibras de empacar. En estudio realizado por en CIDIAT (2002), se estimo para el área metropolitana de Mérida, una tasa per-cápita de productos de residuos sólidos municipales de 0,82 kg/hab/día, y una tasa per-cápita domestica 0,62 kg/día (75%). En el mismo estudio se estimo que el 50% de la tasa per-cápita de producción de residuos sólidos domésticos está representado en residuos de alimentos (0,31 Kg/hab/día). De acuerdo a los datos, el promedio de residuos vegetales por día es de 405,5 kg generados en el mercado principal del estado Mérida, siendo esto suficiente para la creación del proyecto de bio-tratamiento de residuos orgánicos generados en esta ciudad. El compostaje, se presenta como alternativa de uso de los desechos orgánicos, proceso por el cual los desechos sólidos (materia orgánica) con estiércol y cal son tratados y se descomponen dando como resultado un abono orgánico (compost), que permite mantener la fertilidad de las tierras de cultivo con excelentes resultados

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para utilizar en tierras agrícolas, bosques y jardines. En el proceso del compostaje intervienen varios factores como, la naturaleza del sustrato, el sistema utilizado, los factores propios del proceso (temperatura, pH, aireación, humedad) y el tiempo del compostaje. Estos factores deben ser seguidos durante el mismo si se quiere alcanzar un producto bien estabilizado y con suficiente garantía de calidad, el descuido de estaos factores puede arrojar un producto de baja calidad que, llamados compost. El tiempo de compostaje influye en las propiedades del material generado durante el proceso de compostaje, en cuanto a los desperdicios vegetales procedentes del mercado principal de Mérida, ¿El tiempo de 90 días del proceso de compostaje, teóricamente garantizaran compost de calidad para uso agrícola? ¿Serán suficiente 3 meses de compostaje, para que estos desperdicios obtengan las características de compost optimo? ¿Serán diferentes las características del producto de compostaje de residuos vegetales en 3 meses con respecto a seis meses del proceso? ¿Cuál de estos tiempos presentaran características más óptimas para ser catalogado como un compost maduró? El presente trabajo trata sobre la caracterización de algunas propiedades físicas y químicas del producto generado en dos etapas del compostaje de residuos vegetales procedente del mercado principal de Mérida,

como una evaluación

teórica de la variación de estas características en dos tiempos del proceso del compostaje. Justificación del problema El empleo creciente de fertilizantes químicos en los cultivos hace que se detenga la actividad microbiana, perjudicándose el nicho ecológico. Los fertilizantes son utilizados, principalmente, para obtener mayores producciones y secundariamente para aumentar la calidad de cultivo. Este uso indiscriminado de

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fertilizantes sintéticos es factor principal de la contaminación del suelo, perjudicial para la microfauna existente en el suelo. El compostaje es una forma de tratamiento para los residuos orgánicos, que tiene por finalidad convertir estos residuos en un producto beneficioso (compost) aplicable a la tierra como abono orgánico sólido en el contenido nutricional. Se utiliza frecuentemente como mejorador del suelo en la agricultura, jardinería, huerto y obra pública. Además, la demanda por recuperar suelos degradados o con deficiencia de materia orgánica se ha incrementado en los últimos años, en este contexto el uso de enmiendas orgánicas o abonos orgánicos es una de las mejores alternativa a utilizar. Por otra parte, se debe mantener y reponer el contenido de materia orgánica en los suelos bajo actividad agrícola. Al realizar este tratamiento, con la materia orgánica (compostaje), se contribuye en la aplicación de usos a los desechos y residuos agroindustriales, municipales y domiciliarios orgánicos. Objetivos Objetivo general Comparar las características físico-químicas del producto generado en dos tiempos de compostaje de elaboración artesanal con el fin de evaluar teóricamente su calidad Objetivos específicos •

Caracterizar las propiedades pH, CE, CIC, H, P, Materia Orgánica y Respiración microbiana de las muestras de compost en dos tiempos diferentes de compostaje.

•

Comparar la calidad teórica del producto generado en dos tiempos del compostaje, según las propiedades físico-química caracterizadas.

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MARCO TEORICO

MATERIA ORGÁNICA DEL SUELO. La materia orgánica del suelo está constituida por un conjunto de sustancias que poseen carbono en su composición, donde

la producción de las formas más

estables, es el resultado de una serie de reacciones físicas, químicas y biológicas que conducen al denominado

“humus”. Dicha materia orgánica tiene una

composición muy compleja, heterogénea y generalmente asociada con los constituyentes minerales del suelo. Constituyentes de la materia orgánica del suelo La materia orgánica del suelo consiste en un complejo sistema de sustancias en un estado dinámico permanente, producido por la incorporación al suelo de residuos orgánicos principalmente de origen vegetal y animal (en menor escala) a su continua transformación bajo la acción de factores biológicos, químicos y físicos. Esto explica, en parte, que la materia orgánica esté formada por los residuos orgánicos recién incorporados, por dichos residuos en diferentes estados de descomposición, producto del metabolismo de los microorganismo que utilizan estos residuos como sustrato, productos secundarios de síntesis en forma de plasma celular y sustancias húmicas. La materia orgánica se puede dividir en dos grandes grupos de sustancias: las sustancias no húmicas y las húmicas. La primera forma parte de los materiales orgánicos del suelo que aún no se han descompuesto, así como de ciertos productos de descomposición y productos de resíntesis de células bacterianas, de bajo peso molecular y con características fisicoquímicas bien definidas. Entre ellos se tienen; aldehídos, ésteres, azucares, alcoholes, resinas, ceras, ácidos orgánicos, aminoácidos, proteínas y otros compuestos sintetizados por organismos vivos, los

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cuales se caracterizan por presentar grupos funcionales ricos en oxigeno (Casanova, 2005). En cuanto a las sustancias húmicas, constituyen la mayor parte de la materia orgánica del suelo (85 – 90%). El humus, es materia orgánica estable constituida por sustancias sintetizadas por las células y ciertos productos intermedios y finales de dicha síntesis. Esta composición no es estable sino dinámica y por lo tanto es mejor considerar al humus, más que como un grupo de sustancias como un estado de materia orgánica, que tendrá características particulares, dependiendo de las variables de su formación (Stevenson, 1994). En este sentido, el humus se puede considerar como un grupo de sustancias en gran parte de naturaleza lignoproteica, de color marrón oscuro, de estructura polimérica tridimensional

de carácter acido, de peso molecular elevado y de

carácter aromático. Con capacidad de formar coloides con grandes áreas superficiales externas e internas, poco soluble en agua, aunque una parte del mismo puede estar en suspensión coloidal en agua pura (Stevenson, 1994). Se disuelve parcialmente en disoluciones alcalinas y algunos constituyentes del mismo pueden disolverse en disoluciones acidas. El humus posee cierto grado de resistencia a posteriores degradaciones en el suelo y sus principales constituyentes son los ácidos fúlvicos, ácidos húmicos

y la humana. Así mismo, pequeñas

cantidades de compuestos de tipo proteico o peptídico, polisacáridos, ácidos nucleídos y lípidos están invariablemente unidas al humus (MacCarthy, 2001). Existe cuatro teorías que intentan explicar el proceso de formación del humus (Stevenson, 1994), las cuales se resumen a continuación: Alteración de material vegetal: sugiere que las fracciones vegetales con mayor resistencia a la degradación sufre alteraciones superficiales por efecto del ataque microbiano, originando las sustancias húmicas del suelo, altamente influenciadas por la naturaleza del material degradado, esta teoría dice que son los ácidos

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húmicos (AH) los primeros en aparecer y que los ácidos fúlvicos (AF) son producto de la degradación. Polimerización química: dice que la degradación del material vegetal ocurre por efecto del metabolismo microbiano, originando sustancias tales como polifenoles, los cuales son oxidados a quinonas y tras un proceso de polimerización con compuestos aminos, formaran las sustancias húmicas. Autolisis de las células: en esta teoría se considera que la lignina no es el material orgánico original, en su lugar considera la celulosa y hemicelulosa. Síntesis microbiana: se basa en que solo los microorganismos

degradan el

material orgánico, sintetizando compuestos como azúcares y aminas los cuales son liberados al medio y al morir las células microbianas serán los componentes primarios en el proceso de humificación. En cualquiera de las teorías, las sustancias húmicas (SH), presentan características que dependen del material de origen. Una vez establecidos los posibles mecanismos de formación de las SH, se puede definir a los ácidos húmicos como; la materia orgánica oscura que puede ser extraída del suelo por disolución alcalina y otros reactivos insolubles en ácidos diluidos. Mientras que los ácidos fúlvicos (AF) es una fracción de materia orgánica coloreada, soluble en medio ácido y alcalino (Stevenson, 1994). En los últimos años se le ha dado especial atención a la materia orgánica, debido a los efectos que esta ejerce sobre los suelos y el rendimiento de los cultivos, de alguna manera se ha regresado a otras décadas donde el uso de residuos orgánicos era común. Esto también ha permitido que el uso de materiales compostados en la agricultura se incremente, así como su estudio, aplicación y control.

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Función de la materia orgánica en el suelo La materia orgánica es un indicador de la calidad del suelo, tanto en el área agrícola como ambiental, con funciones tales como secuestro del carbono y calidad del aire (Robert, 2002). La materia orgánica del suelo es el principal determinante de la actividad biológica. La cantidad, diversidad, y actividad de la fauna del suelo y de los microorganismos están directamente relacionadas con la materia orgánica. Del mismo modo, ésta tiene gran influencia sobre las propiedades físicas y químicas del suelo. Sequi (1978) plantea que la materia orgánica es un factor determinante de la dinámica de la estructura del suelo y puede ser referida a partir de los factores que la determinan, entre los cuales los más importantes son: la textura del suelo, y la agregación de componentes texturales por la actividad biológica. La presencia de coloides inorgánicos facilita la formación y estabilización de agregados y la actividad microbiana, por medio de moléculas complejas tales como las sustancias húmicas. Recientemente Evangelou y Marsi (2001), demostraron que la formación de complejos metálicos con las sustancias húmicas y su estabilidad están influenciadas por el tamaño del metal, el peso molecular de las sustancias húmicas y el pH del medio. Finalmente, la materia orgánica presenta un efecto significativo sobre la disponibilidad de nutrientes, mejorando significativamente la fertilidad del suelo, gracias al aporte de N, P, S y los micronutrientes de Fe, Zn, Cu, Mn y B, mejora la capacidad amortiguadora del suelo e incrementa la capacidad de intercambio catiónico (CIC), entre otras, así mismo, esta es requerida como fuente de energía, especialmente para las bacterias fijadoras de N2, además de intervenir en la fijación de N2 y sus transformaciones químicas (Stevenson, 1994).

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CARACTERÍSTICAS Y CLASIFICACIÓN DE LAS ENMIENDAS ORGÁNICAS. El aumento de la sensibilidad de los sistemas ambientales especialmente el suelo, agua y aire, debido al desarrollo industrial y el crecimiento demográfico, ha incrementado la demanda en la producción agrícola y por otra parte, ha aumentado la producción y acumulación de los materiales de desechos en las zonas urbanas y rurales. En este sentido, se requiere disponer de una alternativa de manejo de los desechos que sea económicamente rentable, que permita reintegrarlo a su lugar de origen sin generar desequilibrio ambiental. Por esta razón; ha surgido como alternativa el reciclaje; El cual es un proceso en el que los productos desechados son reprocesados y luego dispuestos en medio ambiente de acuerdo a sus características y propiedades. En el caso de los desechos orgánicos (animal o vegetal) el tratamiento que permite la incorporación de estos al medio ambiente, especialmente el suelo, es el compostaje. El compostaje, es el proceso biológico de descomposición de desechos orgánicos con la participación de microorganismos, bajo condiciones controladas en medio aeróbico, hasta la formación de un producto estable y rico en sustancias similares al humus del suelo. Descripción de enmiendas orgánicas comúnmente usadas Entre los grupos de enmienda orgánica, es un material producido a partir de residuos animales o vegetales con características físico-química y biológicas particulares y que pueden ser aplicados al suelo. Existe otro tipo de enmienda orgánica que tienen su origen en los desechos de las ciudades, comunidades, industrias que tratan sus aguas servidas en plantas depuradoras, en lo que origina un residuo solido, fino con características particulares que debe ser previamente compostado antes de aplicárselo al suelo.

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Enmiendas vegetales: son residuos de origen vegetal que cuando se incorporan al suelo, pasan a formar parte de su materia orgánica, ya sea temporal o permanente. Enmienda se puede clasificar en dos tipos; abono verde y residuos de cosecha. Los abonos verdes son materiales orgánicos de origen vegetal, que se caracterizan por ser incorporados al suelo antes de alcanzar la madurez. Su composición es muy variable y depende de la naturaleza de los materiales vegetales: especie, grado de desarrollo de las plantas, etc. Entre las principales especies utilizadas como abono verde se encuentra las leguminosas, debido a su capacidad para fijar nitrógeno y a su sistema radical, el cual concentra fosforo fácilmente disponible (Bin, 1983). Los residuos de cosecha son restos vegetales que son incorporados al suelo una vez finalizada la misma, lo que permite el reciclaje de nutrientes y pueden regular la erosión. La mayor parte de los residuos de cosecha provienen de cereales, los cuales poseen una elevada relación Carbono / Nitrógeno (C/N). Sin embargo, cuando son aplicados como abono, si contienen suficiente nitrógeno para suplir las necesidades de la micro biota del suelo, puede provocar la inmovilización del nitrógeno inorgánico del suelo o incluso producir la reducción de las cosechas. Efecto que se pueden evitar con la descomposición previa de dicho material. Enmienda de animales: son productos de la fermentación

de excremento de

origen animal. Existen numerosos tipos de enmienda animales según su origen, sin embargo suelen recibir distintos nombres dependiendo del proceso de fermentación. Los estiércoles son las enmiendas orgánicas más utilizadas en la agricultura. Madures y calidad de las enmiendas orgánicas Estabilidad, madures y calidad de una enmienda orgánica son características importantes a considerar por los productores consumidores de dichas enmiendas, en este sentido, la mayor o menor estabilidad de una enmienda orgánica está

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asociada a la actividad microbiana y la emisión de CO2 y CH4. Mientras que la madures está asociada a la ausencia de sustancias fitotóxicas para el crecimiento de las plantas. La estabilidad viene determinada por la actividad microbiana, la cual se puede evaluar a través del consumo de O2, de producción de CO2, y de ciertas variables tales como; parámetros de humificación, contenido de ATP, lignina, polifenoles, polisacáridos totales, capacidad de intercambios catiónico (CIC), pH, conductividad eléctrica (CE), etc., (Mathur, et al. 1993 y Levi-Minzi et al. 1986). Por último con el uso de las diferentes técnicas espectroscópicas tales como Infrarrojo (IR), Espectrometría de Masas, Resonancia Magnética Nuclear (RMN), Ultravioleta Visible (UV-Vis), etc.,

(Ciavatta et al, 2001), se pueden estudiar los diferentes

compuestos formados durante la maduración de un material orgánico a través de su estructura y su composición elemental. No existe un análisis especifico que permita evaluar la calidad y/o madures de una enmienda orgánica, por el contrario, se requiere de la combinación de varios análisis, de manera de conseguir una evaluación lo más completa posible. Sin embargo, hay algunos análisis como: humedad, pH, CE, CIC, relación C/N, entre otros, que no se pueden obviar, los cuales suministran suficiente información al momento de evaluar una enmienda orgánica (Levi-Minzi et al. 1986). La madures de una enmienda orgánica se puede definir como el grado de estabilidad de sus propiedades físicas, químicas y biológicas y es un factor determinante para su aplicación subsiguiente en la agricultura y el medio ambiente. En este sentido, la evaluación de la calidad y madures de una enmienda orgánica implica una serie de análisis químicos, físicos, microbiológico, bioensayo de plantas, análisis espectroscópicos y evaluaciones del grado de humificación (Rivero, 1999) La estabilidad y madures de la enmienda orgánica afecta de modo importante a su buena utilización en la agricultura. Esto es especialmente importante cuando dichos materiales no son aplicados con suficiente antelación a la siembra o cuando son embasados antes de alcanzar su madures optima.

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A diferencia del agua y aire, los cuales poseen estándares de calidad, la calidad del suelo es difícil de definir y cuantificar. Esto es debido a que los criterios de calidad del suelo pueden variar según el uso a que se destine, las practicas de manejo que se utilicen, incluso los factores socio económicos y/o políticas (García, 2001). Sin embargo, para las enmiendas orgánicas se han adaptado algunas metodologías de análisis del suelo para su evaluación y ampliación, desarrollar nuevos métodos de análisis para enmiendas orgánicas, que permitirá a corto plazo

tener patrones

mínimos de calidad para dichas enmiendas, ya que la misma son moderadamente controlable y se pueden caracterizar y clasificar en cada lote de producción de acuerdo a su origen y propiedades. En el cuadro 1, se presentan algunos de los parámetros aplicables en la evaluación de las diferentes enmiendas orgánicas.

Cuadro 1. Parámetros y propiedades a evaluar para determinar la calidad de una enmienda orgánica (Mathur et al., 1993; Soto y Muñoz, 2002). Propiedad Parámetro Densidad Capacidad de retención de agua Física Porosidad Producción de calor Color pH Conductividad eléctrica Carbono orgánico total e hidrosoluble Fósforo total y orgánico Químicas Nitrógeno total y orgánico Metales mayoritarios totales e hidrosolubles Fraccionamiento de carbono orgánico Contenido de azucares Contenido de metales pesados Contenido de lignina y/o polifenoles Determinación de la relación E4/E6 Fitotoxicidad Biológica Desprendimiento de Co2 Carbono de biomasa microbiana Actividad enzimática

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MICROBIOLOGÍA DEL SUELO Los componentes del suelo: componentes coloidales, partículas minerales, materia orgánica, microorganismos, agua y aire, no son entidades separadas, estas interactúan constantemente unas con otras. Las reacciones que existen entre ellas conllevan a la formación de productos tales como óxidos de metálicos, formación de sustancia húmicas, estabilidad y actividad enzimática, transformaciones minerales, ciclos biogeoquímico (mineralización de la materia orgánica, nitrificación, fijación de nitrógeno y oxidación de metano, entre otros procesos) de C, N, P, y S, y la transformación de agentes contaminadores orgánicos e inorgánicos. (Huang et al, 2005). El metabolismo microbiano es importante para mantener el equilibrio de nutrientes en el suelo, y por ende el crecimiento y nutrición de la planta (Álvarez y Anzueto, 2004). Los microorganismos del suelo son los principales degradadores de materia orgánica, constituyen un depósito lábil de Carbono (C), Nitrógeno (N) (Bonde et al, 1988), y Fósforo (P) (Díaz-Raviña et al, 1993), y un excelente sistema de reciclaje de nutrientes (Álvarez y Anzueto, 2004). La dinámica del N del suelo se halla estrechamente ligada a la dinámica del C (Franzluebber et al, 1994). Los microorganismos están distribuidos en el suelo de manera irregular debido a la presencia de múltiples microambientes presentes en este; aquéllos favorables para el desarrollo microbiano se caracterizan por su limitada extensión en el tiempo y en el espacio. La distribución dispareja de los microorganismos, sigue la variación de concentración de los nutrientes (distribución vertical) y puede ser alterada por diversos factores tales como: la composición de la atmósfera del suelo, el pH, la humedad, la cantidad de minerales asimilables y la presencia de substancias antimicrobianas (Casanova, 2005). Las bacterias son los organismos más numerosos en el suelo (entre 106 y 107 bacterias g-1 de suelo), mientras que los hongos, aunque en menor proporción,

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debido a su mayor tamaño poseen una mayor biomasa total (Alexander, 1980 y Tate III, 1995). En el cuadro 2, se puede observar la distribución vertical de los microorganismos, y como desciende la concentración microbiana a medida que se desciende en el suelo. Cuadro 2. Distribución de los microorganismos en un suelo en miles por gramos (Alexander, 1980) Profundidad (cm)

Bacterias aerobias

Bacterias anaerobias

Actinomiceto

Hongos

Algas

03-08

7800

1950

2080

119

25

20-25

1800

379

245

50

5

35-40

472

98

49

14

0,5

65-75

10

1

5

6

0,1

135-145

1

0,4

3

Actividad biológica del suelo La actividad biológica es considerada como un índice de la fertilidad de los suelos (Skujins, 1976; Martinez et al, 2002). Varios son los métodos utilizados para cuantificar la misma, resultando de gran interés práctico la determinación de la biomasa microbiana, la respiración (Gili et al, 2004) y actividad enzimática (nitrogenasas, deshidrogenasa, fosfatasa ácida, ureasa y catalasa) (Cuadro 3). El porcentaje de carbono de la biomasa microbiana y la respiración basal se utilizan como un indicador de la cantidad y actividad de la biomasa microbiana existente en el suelo. Todas las actividades microbianas están catalizadas por enzimas, las cuales son específicas para un tipo de reacción y sustrato. La mayoría de las enzimas presentes en el suelo son producidas por microorganismos (Bacterias, hongos y actinomicetos). La forma más estable de las enzimas se presenta cuando se inmovilizan en coloides minerales (arcillas) u orgánicos (moléculas húmicas) ya que estos son más resistentes a la degradación y permanecen activas en el suelo por más tiempo. La determinación de la actividad enzimática en los suelos se realiza 18

de manera indirecta midiendo la producción o concentración de los productos de las reacciones metabólicas. Las mediciones directas de la enzima deben ser hechas In Vitro bajo condiciones específicas para cada enzima (García-Gil, 2001).

Cuadro 3. Actividades realizadas por los microorganismos del suelo (Kennedy y Papendick,1995.; Paul y Clark, 1996) Actividad Función Disponibilidad de nutrientes Fijación biológica de nitrógeno. Asociación con hongos formadores de micorrizas. Producción de quelantes orgánicos. Reacciones de oxido reducción. Descomposición de residuos. Solubilización de fosfatos. Mineralización de nutrientes Control biológico Control de enfermedades de plagas. Control de poblaciones de nematodos, insectos y malezas. Biodegradación de Reducción de metales tóxicos a menos tóxicos. plaguicidas y contaminantes Utilización de plaguicidas como fuentes de nutrientes. Inactivación de plaguicidas. Formación de agregados Formación de humus. Producción de sustancias que segmentan partículas. Producción de hifas que unen partículas

La degradación de la materia orgánica por parte de los microorganismos del suelo se presenta de manera organizada y selectiva, la microbiota ejercen inicialmente su acción

de

descomposición

sobre

los

carbohidratos

sencillos

(azucares),

posteriormente sobre carbohidratos más complejos (almidones y celulosas), estos le aportan la energía suficiente para comenzar el proceso de degradación de otras biomoléculas (proteínas y grasas) y paulatinamente de toda la masa orgánica en descomposición, ver figura 1.

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Figura 1. Biodegradación del material orgánico en el suelo (Fuente: Carrillo, 2003)

Carbono de biomasa microbiana En cierta forma, los microorganismos presentes en el suelo (bacterias, hongos y actinomiceto) constituyen el 1 a 4% del carbono total de suelo, ellos determinan las propiedades físicas y químicas del suelo, y participan activamente en la descomposición de los residuos orgánicos, ciclo de nutrientes y flujo de energía dentro del ecosistema del suelo (Figura, 2) La precipitación, la temperatura, la textura del suelo, el ingreso de nitrógeno, la calidad y cantidad de biomasa vegetal que se incorpora y las modificaciones físicas provocadas al suelo por actividades agrarias, son prácticas de manejo de gran impacto sobre la biomasa microbiana, el cual puede considerarse como un indicador para estimar el pool de nutrientes disponibles para la planta (Anderson, 1982; García-Gil, 2001).

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Figura 2. Porcentaje de carbono microbiano en la masa del suelo (Fuente: Carrillo, 2003)

Respiración microbiana Uno de los principales productos de la actividad microbiana es el CO2. La respiración microbiana refleja la actividad de la microbiota del suelo. Dicha actividad puede evaluarse al medir el CO2 producido o el O2 consumido como resultado del metabolismo de bacterias, hongos y protozoarios incluyendo el intercambio de gases por metabolismo de organismos tanto aeróbicos como anaeróbicos (Anderson, 1982). Esta técnica da una indicación de la actividad degradadora por parte de la flora microbiana de la materia orgánica y de exudados del suelo. La disminución de la respiración microbiana, en suelos agrícolas de uso intensivo, se relaciona con la declinación de las reservas orgánicas totales, el aumento de acidez y la disminución de cationes básicos del suelo. Estos resultados muestran la importancia de fortalecer las prácticas de manejo que restituyan la cantidad y la

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calidad de las reservas orgánicas y cationes básicos del suelo para mejorar la actividad microbiana heterotrófica en suelos ácidos con uso agrícola intensivo. (Álvarez y Anzueto, 2004). Con este parámetro se pretende conocer el estado biológico del suelo a partir del C-CO2 desprendido en un tiempo determinado, índice de actividad microbiológica o como marcador de la contaminación de suelos (Nannipieri et al ,1982). Durante la respiración microbiana se pueden observar dos fases bien diferenciadas:

● Una de crecimiento de dicha actividad, que se ajusta a una ecuación exponencial del desarrollo de la población microbiana, porque la respiración es proporcional al número de microorganismos.

● Una de decrecimiento de la actividad, y que no es no proporcional al número de microorganismos, por causa de los factores limitantes, que pueden ser los nutrientes.

EL PROCESO DE COMPOSTAJE El compostaje es definido como la intervención humana dentro del proceso natural de descomposición de la materia orgánica con una combinación de condicionales ambientales apropiadas y un tiempo adecuado. Dicho de otra manera, es un proceso bioxidativo controlado, en el que intervienen numerosos y variados microorganismos, que requiere una humedad adecuada y substratos orgánicos heterogéneos en estado sólido, y que produce al final de los procesos de degradación, CO2, agua y minerales, así como una materia orgánica estabilizada, libre de fitotoxinas y dispuesta para su empleo en agricultura sin que provoque fenómenos adversos (García, 2000).

Dado que el compostaje es un proceso

predominantemente aerobio, las prácticas de manejo deben crear condiciones óptimas para el establecimiento y desarrollo de los microorganismos que intervienen en él.

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Según Guerrero y

Monsalve

(2006),

los condicionantes que favorecen el

crecimiento de los microorganismos aerobios son: Relación Carbono/Nitrógeno, Humedad, Temperatura, Oxígeno, pH, Tamaño de la partícula, Tamaño del montón y Tiempo, cuyos valores ideales se resumen en el cuadro 4.

Cuadro 4. Condiciones ideales para el desarrollo del proceso de compostaje. (Guerrero y Monsalve, 2006)

Parámetro Relación C/N

Rango Aceptable 20/1 – 40/1

Condición Óptima 25/1 – 30/1

Humedad

40 – 65%

50 – 60%

Temperatura Volteo

55 – 75º C Cada semana 5.5 – 9.0

65 – 70º C Depende de Tº y humedad 6.5 – 8.0

0.3 – 5 cm

0.5 - 1 cm

0.8 -1.2 m ≈

0.8 m

2 – 3 meses

1 – 2 meses

pH Tamaño de la partícula Tamaño del montón Tiempo

Fuente Page, Miller y Farellpoe, 1995; Soto y Melendez, 2003. Page, Miller y Farellpoe, 1995;; Soto y Melendez, 2003. Soto y Melendez, 2003. Röben, 2002; García, 2000; Romero, 2000 Page, Miller y Farellpoe, 1995; Soto y Melendez, 2003. Soto y Melendez, 2003. Cogger, Sullivan y Kropf, 2001; Dickerson, 2003; Röben, 2002 Cogger, Sullivan y Kropf, 2001; Page, Miller y Farellpoe, 1995; Soto y Melendez, 2003.

Los parámetros anteriormente descritos, ofrecen una idea de la necesidad de realizar una estandarización de los procesos de compostaje, entendiéndose ésta como la identificación de las actividades que se deben llevar cabo para obtener un producto (compost) de buena calidad, lo que implica la realización de análisis químicos, físicos y bacteriológicos de los residuos a ser tratados, además de la evaluación de la calidad del compost obtenido al final del proceso.

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FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO DE COMPOSTAJE Los principios teóricos sobre los que se soporta el compostaje son simples, estos deben ser seguidos durante el mismo si se quiere alcanzar un producto bien estabilizado y con suficiente garantía de calidad. Puesto que en el proceso de compostaje es fundamentalmente biológico, todos los factores que influyen, directa o indirectamente, en el metabolismo microbiano lo afectan, estando a su vez influenciados por las condiciones ambientales, tipo de residuo a tratar y el tipo de técnica de compostaje empleada. Entre los factores más importantes se resaltan: La temperatura debe ser controlada en cualquier operación de compostaje paraasegurar un óptimo desarrollo de actividades de los microorganismos, sin embargo la temperatura es solo una manifestación de la energía obtenida por el calor producido por la oxidación metabolica de la materia orgánica realizada por los microbios (Stoffela y Kahn, 2005). Se consideran óptimas las temperaturas del intervalo 35-55 ºC para conseguir la eliminación de patógenos, parásitos y semillas de malas hierbas. A temperaturas muy altas, muchos microorganismos interesantes para el proceso mueren y otros no actúan al estar esporados. Según Wiley (1957. Citado por Stoffela y Kahn, 2005), el contenido de humedad de un compost es un factor crítico para conseguir un optimo compostaje. En el proceso de compostaje es importante que la humedad alcance unos niveles óptimos del 40-60 %. Si el contenido en humedad es mayor, el agua ocupará todos los poros y por lo tanto el proceso se volvería anaeróbico, es decir se produciría una putrefacción de la materia orgánica. Si la humedad es excesivamente baja se disminuye la actividad de los microorganismos y el proceso es más lento. El contenido de humedad dependerá de las materias primas empleadas. Para materiales fibrosos o residuos forestales gruesos la humedad máxima permisible es del 75-85 % mientras que para material vegetal fresco, ésta oscila entre 50-60%.

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Se ha considerado al pH como un parámetro indicativo de la evolución del proceso de compostaje. En los primeros momentos del proceso desciende el pH, debido a la producción de ácidos orgánicos. Sin embargo, conforme avanza el proceso de compostaje el pH llega a la neutralidad según aquellos ácidos se convierten en metano y en CO2. El pH final es ligeramente alcalino (Goyal et al. 2005). El pH Influye en el proceso debido a su acción sobre microorganismos. En general los hongos toleran un margen de pH entre 5-8, mientras que las bacterias tienen menor capacidad de tolerancia (pH= 6-7,5) (Hoitink et al. 1991) El compostaje es un proceso aeróbico, por lo que la presencia de oxígeno es esencial. La concentración de oxígeno dependerá del tipo de material, textura, humedad, frecuencia de volteo y de la presencia o ausencia de aireación forzada (Costa et al.1991) El carbono y el nitrógeno son los dos constituyentes básicos de la materia orgánica. El carbono proporciona la fuente primaria de energía y el