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Aplicación de la tecnología de compostaje sobre residuos animales para la producción de abonos orgánicos de calidad Dra. Mª Pilar Bernal Profesor de Investigación Centro de Edafología y Biología Aplicada del Segura. CEBAS-CSIC, Murcia, España Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales Guadalajara, Mexico. 12-13 Mayo 2011

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Aplicación de la tecnología de compostaje sobre residuos animales para la producción de abonos orgánicos de calidad

Dra. Mª Pilar BernalProfesor de InvestigaciónCentro de Edafología y Biología Aplicada del

Segura. CEBAS-CSIC, Murcia, España

Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales Guadalajara, Mexico. 12-13 Mayo 2011

Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011

Compostaje

Un proceso biooxidativo controladodesarrollado sobre un material sólido que implica la mineralización y humificación parcial de la materia orgánica, que lleva a la formación de un producto final estable, libre de toxicidad y patógenos, con ciertas propiedades húmicas: Compost.

Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011

Esquema general del proceso

Compost

Residuo

Oxigeno

Metabolismo microbianoCalor + H2O + CO2

H2O + CO2 + NH3

Reducción masa

Estiércol vacuno: 20-40 %Estiércol de ave: 32 %Estiércol porcino: 21 % p.s.

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Etapas del compostaje

Composting time

Tem

pera

ture

ºC

10

30

50

70

9

7

pH

5Volteo

Mesofila Termofila Enfriamiento MadurezFases

Degr

adac

ión

de c

ompu

esto

s so

lubl

es =

cal

or

Bact

eria

s +

hong

osBacterias + actinomicetos

Degradación polímerosbacterias + hongos

Formación del humus

Biooxidativa

Tiempo de compostajeTiempo de compostaje

Tem

per

atura

Tem

per

atura

ººCC

Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011

microbes

COMPOST

Oxygen

microbesSoluble OM

Proteins, Hemicellu-

lose

ORGANICMATTER

Lignin

Ash

Cellu-lose

Moisture

dead

Esquema del proceso

Breakdown products

CO2

H2O

New microbes

Energy

Heat

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Composición de la mezcla inicial

Control del proceso

Factores de control

C/N: 25-35

Área superficial para el crecimiento microbiano

Asegura condiciones aerobias. Espacio poroso 35-50 %

Para el desarrollo microbiano y eliminar patógenos. 40-65 ºC

Para optimizar eficacia. 15-20 %

Velocidad de descomposición. 40-60%

Balance de nutrientesTamaño de partículaPorosidadHumedadTemperaturaConcentración O2

Compost

Compost es el producto estabilizado e higienizado del compostaje, que ha pasado por una etapa inicial rápida de descomposición y que está en proceso de humificación, es beneficioso para el crecimiento vegetal y tiene unas ciertas características húmicas en su materia orgánica.

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Compostaje de estiércol

Elimina patógenos y semillasEstabilización microbianaReducción de volumen y humedadEliminación y control de oloresFácil almacenamiento, transporte y usoCalidad como fertilizante y/o sustratoBeneficioso para la fertilidad del suelo

Coste de instalación y mantenimiento Requiere estructurante Precisa de áreas grandes de operación y almacenamientoPara purines: separación previa

DesventajasVentajas

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Composición de estiércol y purín

Materia seca C-orgánico N-total N-NH4 pH Estiércol líquido/purín (g/kg peso fresco) Vacuno Porcino Avícola

15-123 4,9-152 10-367

3,8-36 1,0-65 11-112

2,0-7,0 0,6-7,8 2,0-21

1,0-4,9 0,3-6,6 1,9-9,4

7,1-8,4 6,7-8,9 7,9-8,8

Estiércol sólido (g/kg peso fresco) Vacuno Porcino Avícola

140-300 150-330 220-700

65-126 42-132

103-597

4,2-8,1 3,5-11 10-58

0,3-2,0 0,5-6,0 2,4-18

8,6 8,1 7,6

Conditiones para compostaje: Humedad 50-60 % C/N 25-35pH 5.5-8.0

C/N 5.4 – 15.5Bajo

Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales “Guadalajara, México, 13 Mayo 2011

OECD International Workshop Livestock Waste Treatment Systems of the Future: a challenge to environmental quality, food safety and sustainability

Florence, South Carolina, 3 April 2008

Estructurantes

Materiales Humedad pH COT N-total C/N WHC

Caña de maíz

Paja de cebada

Residuo de algodón

Cascarilla arroz

Bagazo de sorgo

Orujo de uva

Corteza de pino

6,1

7,4

8,5

7,9

78,0

56,0

9,2

7,2

6,5

7,1

6,7

6,0

5,8

5,3

38,7

44,6

42,3

37,4

43,2

43,4

53,5

0,70

0,86

2,10

0,35

1,24

2,15

0,28

55,3

51,9

20,1

107

34,8

20,2

191

527

541

314

256

642

112

-

% peso seco

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Flujo de materia durante el compostaje

Estiércol Mezcla Fase activa Fase de madurez

Estructurante

Agua?

Compost reciclado

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Compost

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Tipo de estiércol Estructurante Proceso Mineralización MO(% pérdida)

Pérdida N (%)

Vacuno (carne) - Pila móvil COT: 45-62 19-43

Paja COT: 53 42Vacuno (carne)

VirutasPila móvil, 8

volteos COT: 35 12

Vacuno (carne) - Pila móvil COT: 67 46

Serrín / virutas MO: 67 5Vacuno (leche)

Paja de trigoPila móvil

MO: 67 nd

Serrín MO: 46-76 7-26Vacuno (leche)

Paja de trigoPila móvil

MO: 58-81 15-43

Vacuno (leche)Paja de trigo.

Aditivos: melaza, papel.

Sistema cerrado MO: 29-55 12-25

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Tipo de estiércol Estructurante Proceso Mineralización MO(% pérdida) Pérdida N (%)

Serrín MS: 10-18 24-33Gallinaza

Mazorca maízC/N

(20 y 25) MS: 16-24 23-33

Gallinaza Residuo de algodón

Pila estática Rutgers

MO: 53COT: 52 26

Gallinaza - Ventilación forzada MO: 9 58

Purín de cerdo + Gallinaza

Bagazo de sorgo

Pila estática Rutgers MO: 62 < 40

Pila móvil COT: 50-72 3-59Estiércol de cerdo

Caña de maíz parcialmente degradada Pila estática COT: 30-54 8-60

Estiércol de cerdo

Trozos de madera y

serrínPila móvil MO: 55

COT: 52 43

Compostaje vs aplicación a suelos

Compostaje Aplicación a suelo

Es necesario producir compost de alta calidad para superar los costes

de producción

Compost de alta calidad

Zonas de alta carga ganadera con exceso de producción de estiércolPermite “exportar” los nutrientes a áreas agrícolas deficitarias

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Calidad en función del uso

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Sustrato desemillero

Sustrato demacetas

Fertilizanteorgánico

Enmienda (mulch)

Crecimiento veg.

Nutrientes

pH y sales

Color/olor

Impurezas

Madurez

Granulometría

++

-

++

++

+

++

++

++

+

++

++

+

++

+

++

+

+

+

-

+

+

-

-

-

+

+

-

+

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Calidad -Fertilizante

Orden APA/863/2008

ClaseEnmienda orgánicaCompost de estiércol

A B C

Materia orgánica total (%) > 35 (>58,3 s.m.s)

Humedad (%) < 40

Relación C/N < 20

Impurezas: metales, vidrios o plásticos Ausente

Gravas y piedras Ausente

Metales pesados (mg/kg m.s.):

Cadmio 0,7 2 3

Cromo (total) 70 250 300

Cromo (VI) 0 0 0

Cobre 70 300 400

Mercurio 0,4 1,5 2,5

Níquel 25 90 100

Plomo 45 150 200

Zinc 200 500 1000

Microorganismos patógenos:

Salmonella sp Ausentes en 25 g

E. coli < 1000 NMP/g

Contenido en nutrientes a garantizar

Materia orgánica total C orgánico N total (si > 1%) N orgánico (si > 1%) N amoniacal (si > 1%) P2O5 (si > 1%) K2O (si > 1%) Ácidos húmicos Granulometría

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Calidad –Sustrato Real Decreto 865/2010

Sustratos de cultivoClase A Clase B

Materia orgánica total (%) > 20

Salmonella spp Ausentes en 25 g producto elaborado

Listeria monocytogenes Ausentes en 1 g materia bruta

E. coli < 1000 NMP/g

Enterococcaceae Entre 104 y 105 NMP/g producto elaborado

Clostridium perfrigens Entre 102 y 103 NMP/g producto elaborado

Cadmio (mg/kg) 0,7 2

Cobre (mg/kg) 70 300

Níquel (mg/kg) 25 90

Plomo (mg/kg) 45 150

Cinc (mg/kg) 200 500

Mercurio (mg/kg) 0,4 1,5

Cromo (total) (mg/kg) 70 250

Cromo (VI) (mg/kg) 0,5 0,5

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Calidad

Material extraño (vidrio, metal, plástico)Higienización (patógenos, semillas)MO (humificación) y NutrientesEstabilidadMadurezHumedad, etc.

Material inicialDesarrollo del procesoCondiciones de almacenamiento

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Calidad: Material extrañoImpurezas (> 2 mm) < 0,5 %Gravas y piedras (> 5 mm) < 5 %Metales pesados:

EU Spain UK Canada Elements Class 1 Class 2 Class A Class B Class C Category A Category B*

As Cd Co Cr Cu Hg Mo Ni Pb Se Zn

NS 0.7 NS 100 100 0.5 NS 50

100 NS 200

NS 1.5 NS 150 150 1.0 NS 75 150 NS 400

NS 0.7 NS 70 70 0.4 NS 25 45 NS 200

NS 2

NS 250 300 1.5 NS 90

150 NS 500

NS 3

NS 300 400 2.5 NS 100 200 NS

1000

NS 1.5 NS 100 200 1.0 NS 50

200 NS 400

13 3

34 210 100 0.8

5 62

150 2

700

75 20

150 1060

757 5

20 180 500

14 1850

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Calidad: Higienización

Desarrollo de temperaturas

Patógenos

Compostaje en pilas: T ≥ 55 ºC, 2 semanas y 5 volteosT ≥ 65 ºC, 1 semana y 2 volteos

Compostaje cerrado: T ≥ 60 ºC, 1 semana

Salmonella spp.: ausente en 25 g compostE. coli < 1000 NMP/g compostClostridium perfrigens: ausente en 1 g compost

Alto contenido de nutrientes

Alto grado de humificación

Alto grado de madurez

Reducir pérdidas

Alargar la fase madurez

Controlar los índices de

madurez

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Calidad: MO y nutrientes

Estrategias

Pérdidas de N

NH3-volatilización

Desnitrificación

Lixiviación NO3

Aumentar la eficiencia del sistema:

Selección de las mezclasAdecuado manejo del proceso

Asegurar condiciones aerobias

Controlar lixiviados

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2

22

Compuestos orgánicos de N complejos

Compuestos orgánicosde N de bajo PM NH4

+

Urea yÁcido urico

NO2- NO3

-

N2ON2

1

1

1NH3

3 3

54

44

4

Lixiviación

Volatilización

Fracción orgánica

Fracción inorgánica

Desnitrificación

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Reacciones de N en compostaje

Evolución del nitrógeno

Weeks of composting0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Nitr

ogen

(%)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Inor

gani

c-N

(%)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

NH4-N

NO3-N

Total-N

Organic-N

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Pérdida de NH3

NH4+

(absorbido)NH4

+

(disolución)NH3

(disolución)

NH3(adsorbido)

NH3(gas en compost)

NH3(gas en atmosfera)

N del estiércol

Mineralización / Inmovilización

EstructuranteEstructurante

pHpH

AireaciAireacióónn

Evolución de la temperatura

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Semanas de compostaje

°C

Mezcla 4 Mezcla 5 Mezcla 6

Tem

pera

tura

8 9 10 1176543210

Sin estructuranteEstructurantePila estática

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Pérdidas de N

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Semanas de compostaje

Mezcla 4 Mezcla 5 Mezcla 6

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EstructurantePila estática

%

Sin estructurante

OECD International Workshop Livestock Waste Treatment Systems of the Future: a challenge to environmental quality, food safety and sustainability

Florence, South Carolina, 3 April 2008 OECD International Workshop Livestock Waste Treatment Systems of the Future: a challenge to environmental quality, food safety and sustainability

Florence, South Carolina, 3 April 2007

Sistemas estáticos

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Grado de humificación

La humificación de la MO durante el compostaje lleva a la formación de ácidos húmicos,

aumentando el peso molecular (polimerización), sus características aromáticas, concentración de

O, N y de grupos funcionales.

El valor agronómico del compost es mayor cuando su MO alcanza un

alto grado de humificación.

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Evolución de la materia orgánica

Tiempo

(días)

CW

(%)

CW/Norg

CFA

(%)

CHA

(%)

CHA/ CFA HI CEC

(cmolc kg-1)

GI

(%)

0

21

35

49

105

2,27

2,02

1,88

1,66

1,12

1,17

0,71

0,59

0,54

0,34

3,75

3,80

3,73

3,11

2,57

7,18

7,42

7,79

7,75

7,90

1,91

1,95

2,09

2,49

3,07

16,4

18,6

22,6

21,5

22,2

53,5

95,3

109,9

100,7

124,4

77,8

65,4

n.d.

71,1

89,4

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Parametros de humificación

Relación de humificación: CEX/Corg x 100;Indice de humificación: CHA/ Corg x 100;Porcentaje de ácidos húmicos: CHA/ CEX x 100;Indice de polimerización : CHA/CFA.

Composición elemental y grupos funcionales,

Relación E4/E6,

Distribución del peso molecular,

Electroforesis & electroenfoque,

Pirolisis - cromatografia de gases-masas (GC-MS),

Análisis espectroscópico (IR, FT-IR, ESR, RMN, FTIR, NIRS, etc).

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Calidad: Madurez - Estabilidad

El requisito principal de un compost de calidad para poder ser usado en la

agricultura con seguridad, es su grado de estabilidad y madurez, que implica una

materia orgánica estable, la ausencia de compuestos fitotóxicos y de microorganismos

patógenos.

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Definiciones

Estabilidad se refiere a un estado específico o de descomposición o estado de la MO durante el compostaje, que está relacionado con el tipo de compuestos orgánicos que permanecen en el compost y de la actividad biológica resultante. Madurez es el grado o nivel de terminación del compostaje e implica una mejora de sus propiedades resultante de la “edad” o “curado” del producto.

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Criterios de madurez del compost

Físicos: color, olor, temperatura. Químicos: pH, características de MO en fase solida y liquida, C/N, formas de N, CCC, grado de humificación, etc.Biológicos: Actividad microbiana, fitotoxicidad.

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Criterios químicos (1)

Hidrosoluble:

Nitrificación:

Otros:

Corg/Norg 5-6Corg/total-N < 0.55Corg< 1.7

NH4-N < 400 µg g-1

NH4-N/NO3-N < 0.16

C/N < 12CEC >60 meq/100 gCEC/Corg>1.9

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Criterios químicos (2)

Humificación: CFA ≤ 12.5 g kg-1

CEX ≤ 60 g kg-1

CEX/CW ≥ 6.0

HI: (CHA/ Corg x 100) > 13 %PHA: (CHA/ CEX x 100) > 62 %CHA/CFA > 1.6

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Biológicos

Actividad microbiana

Fitotoxicidad Test de germinación: IG >50 %Test de crecimiento vegetal

RespiraciónBiomasa microbiana, actividades enzimáticas, ATP, N-mineralización, nitrificación

Compuestos biodegradables

Consumo O2

Producción CO2

Auto-calentamiento

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Actividad microbiana

Respiración:Producción de CO2 < 120 mg/kg/h; 1 mg C/g/d; 0,5 mg C/g MO/d

Consumo de O2 < 7 mg/g en 7 d.

Mineralización de C-orgánico < 30 % en 70 d.

Velocidad de mineralización lenta <0,35 % /d.

BOD5: 6 – 25 mg O2/ g de MO.

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Actividad enzimática:Deshidrogenasa < 35 µg TPF/g

Respiración: criterio de calidad

UE: 2º Borrador “Tratamiento Biologico de Biorresiduos”AT4: < 10 mg O2/g dmDRI: < 1000 mg O2/kg VS/h

UK Composting Association (mg CO2/g VS/d):>20, activo y altamente inestable <6 semanas; 16.0-19.9, muy inmaduro e inestable con 6-8 semanas; 12.0-15.5, inmaduro e inestable con 8-10 semanas; 8-11.9, madurando y estabilizando con 10-14 semanas; 6.0-7.9, maduro y relativamente estable con14-20 semanas; <6.0, muy estable y maduro con >20 semanas de compostaje.

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Actividad microbiana

Fitotoxicidad Test de germinación: IG >50 %Test de crecimiento vegetal

RespiraciónBiomasa microbiana, actividades enzimáticas, ATP, N-mineralización, nitrificación

Compuestos biodegradables

Biológicos

Fitotoxicidad: test de germinación

Composting time (days)0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280

Ger

min

atio

n in

dex

(%)

0

20

40

60

80

100

OMSW + cotton wasteOMSW + cotton waste + ureaOMSW + grape stalk + ureaOMSW + olive leaves

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Fitotoxicidad: test de crecimiento

0 2 1 4 90

1

2

3

4

5

6

7

8

9Fr

esh

wei

ght

0 2 1 4 9 días

Suelo

Suelo + C. inmaduro

Suelo + C. Maduro

Peso fresco

Eficacia fertilizante de N

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

I I 21 I 49 T A M M 21 M 49

Treatments

N e

ffici

ency

(%)

11+21+2+3

Cosechas

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Compost:I: inicialT: termófiloA: fase activaM: maduro

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Mineralización-N - madurez

Time (days)

0 10 20 30 40 50 60 70

N-m

iner

alis

atio

n (%

of t

otal

-N)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30Raw wasteBiooxidative compostMature compost

InmaduroPoco maduroMaduro

Madurez : CCQC

Estabilidad Very stable Rating stable Less stable Specific Oxygen uptake rate CO2 evolution rate Dewar Self-Heating test Headspace CO2 (Solvita) Biologically available C

mg O2/g OM/d mg CO2-C/g OM/d Dewar index % CO2 (code) mg CO2-C/g OC/d

<12 <2 V ≤0.5 (7-8) <2

12-36 2-8 IV 1-2 (5-6) 2-4

>36 >8 III, II, I 4-20 (1-4) >4

Madurez Very mature Rating mature Immature NH4-N NH4-N/NO3-N Seedling emergence Seedling vigor In-vitro germination index NH3 (Solvita) Volatile fatty acids

mg/kg dw - % of control % of control % of control mg NH3-N (code) mmol/g dw

<75 <0.5 >90 >95 >90 0.02 (5) <200

75-500 0.5-3.0 80-90 85-95 80-90 0.1 (4) 200-1000

>500 >3.0 <80 <85 <80 0.3-3 (3-1) >1000

C/N < 25 y al menos uno de los parámetros de cada grupo

Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011

Evaluación de la madurez (CCQC)

Muy maduro Maduro Inmaduro

Muy estable Muy maduro

Estable Maduro

Poco estable Inmaduro

Muy maduro: Para sustrato de cultivo sin suelo, macetas y semillero, alternativo a la turba.Maduro: uso agrícola en general, viñedo, cultivos hortícolas, fertilizante orgánico.Inmaduro: aplicación al suelo en barbecho, inóculo de compost.

Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales “Guadalajara, México, 13 Mayo 2011

ConclusionesEl compostaje de residuos de animales es una tecnología adecuada pata producir compost de alta calidad, que proporcione un valor añadido al estiércol.Es necesario utilizar un agente estructuranteadecuado y controlar el proceso para obtener un compost con alto contenido en nutrientes. La evaluación de la madurez del compost es necesario para garantizar la calidad del compost para usos específicos.

Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011

!Muchas gracias!¿Preguntas?

Seminario “Mitigación del cambio climático a través de la nutrición animal y el manejo de residuales”Guadalajara, México, 13 Mayo 2011