estudio de características físico-químicas y · pdf filequímico y...
TRANSCRIPT
1
ESTUDIO DE CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS Y
GRUPOS DE MICROORGANISMOS DURANTE EL PROCESO
DE COMPOSTAJE CON Y SIN ADICIÓN DE ROCA FOSFÓRICA
Propuesta Tesis Doctoral
Estudiante
Doctorado en Ciencias Agrarias
DIEGO ANDRÉS OSPINA LOAIZA
Director
ÓSCAR JULIÁN SÁNCHEZ TORO, M.Sc., Ph.D.
Grupo de Investigación en Alimentos y Agroindustria
Co-directora
SANDRA MONTOYA BARRETO, M.Sc., Ph.D.
Grupo de Investigación en Alimentos y Agroindustria
Doctorado en Ciencias Agrarias
Facultad de Ciencias Agropecuarias
Universidad de Caldas
Manizales 2014
2
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 3
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................... 4
3. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 6
4. OBJETIVOS ................................................................................................................................ 7
4.1 Objetivo general .................................................................................................................. 7
4.2 Objetivo específicos ........................................................................................................... 7
5. MATERIALES Y MÉTODOS................................................................................................. 8
5.1 Caracterización físico-química del proceso de compostaje ................................ 9
5.1.3 Determinaciones químicas .......................................................................................... 10
5.1.4 Determinaciones físicas ............................................................................................... 10
5.1.5 Inocuidad del compost maduro .................................................................................. 11
5.2 Identificación por metagenómica de grupos y familias de bacterias durante el proceso de compostaje en pilas con y sin adición de roca fosfórica ................. 12
5.4 Aislamiento de bacterias cultivables solubilizadoras de fósforo en pilas de compost con y sin adición de material fosforado ......................................................... 12
5.5 Análisis estadístico .......................................................................................................... 13
6. RESULTADOS ESPERADOS ............................................................................................... 15
6.1 Generación de nuevo conocimiento ........................................................................... 15
6.2 Fortalecimiento de la comunidad científica colombiana ................................... 15
6.3 Divulgación ......................................................................................................................... 15
7. IMPACTOS ................................................................................................................................ 16
8. PRESUPUESTO ........................................................................................................................ 17
9. CRONOGRAMA ...................................................................................................................... 18
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 19
3
1. INTRODUCCIÓN
El rápido incremento de la población humana en los últimos años y el aumento de las
actividades socio-económicas han generado serios problemas ambientales, como la
contaminación de suelos, aire, ríos entre otros (Shilev et al., 2007). Esta intensificación se da
a todo nivel, pero principalmente en el sector agrícola. Esto ha llevado a un incremento en el
uso de fertilizantes químicos para mejorar la producción agrícola en los últimos años (Solari,
2002). Por lo anterior, se ha llegado a generar desgaste y pérdida del equilibrio físico-
químico y microbiológico del suelo. Asimismo, para obtener buenas cosechas de los suelos
desgastados se ha debido aumentar la utilización de fertilizantes químicos, lo que genera un
impacto ambiental negativo y además contribuye al desequilibrio del suelo (Frioni y De los
Santos, 1998; White y Brown, 2010; Altomare y Tringovska, 2011).
Por otra parte, producto del desarrollo de las actividades humanas se ha incrementado
la generación de residuos forestales, mineros, industriales, urbanos y agropecuarios. Siendo
de interés los orgánicos putrescibles como los son desechos vegetales, jardinería, limpieza de
bosques y estiércol de animales entre otros (O`Keefe et al., 1996; Sharma et al., 1997). Las
formas convencionales de tratar los residuos son: la incineración y disposición en los rellenos
sanitarios. La disposición de basuras sin selección en rellenos sanitarios genera impacto
ambiental negativo, debido a que utiliza áreas verdes que podrían tener otra utilidad (campo
para actividades agrícolas), produce contaminación de fuentes hídricas con lixiviados y
contaminación aérea con los gases de la putrefacción (Shilev et al., 2007; Jaramillo y Zapata,
2008).
Actualmente los residuos orgánicos putrescibles son utilizados en la producción de
biogás y en menor medida en la elaboración de compostaje, generando productos de valor
que pueden retornar a la cadena productiva en el sector agrícola y agroindustrial (Kulcu y
Yaldiz, 2004; Jaramillo y Zapata, 2008).
El compostaje es un proceso biológico aeróbico, mediado por microorganismos
donde los residuos de materia orgánica putrescible se transforman en compuestos más
estables similares al humus, llamado like-humic (Zapata, 2009).
Para el proceso de compostaje las principales materias primas utilizadas son residuos
de la agricultura, agroindustrias entre otros que sean orgánicos putrescibles
leky y Benedek, 2010). Con el producto obtenido de la transformación de los residuos se
contribuye a mejorar las características físico-químicas y microbiológicas de los suelos
(Shilev et al., 2007).
Por lo anterior para recuperar, sostener y estabilizar la productividad de los sistemas
agrícolas, se deben utilizar bioinsumos tipo compost que ayuden a la fertilidad y
laborabilidad de los suelos (Madrid et al., 2000). Asimismo el proceso de compostaje se
presenta como una alternativa para el aprovechamiento de los residuos orgánicos putrescibles
(Sharma et al., 1997).
Este proyecto contribuirá a generar conocimiento sobre las características físicas y
químicas del compost suplementado con fósforo y las familias o grupos de bacterias que
están presentes durante el proceso de compostaje. Asimismo, se estará contribuyendo
información para posteriores estudios encaminados al desarrollo de bioinsumos tipo compost
suplementados con fósforo.
4
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El compostaje es un proceso que es considerado como una alternativa para el
aprovechamiento de los residuos orgánicos generados por las diferentes actividades
socioeconómicas humanas (Kulcu y Yaldiz, 2004). También se conoce que el compost
contribuye a mejorar las características físicas, químicas y microbiológicas de los suelos (De
Bertoldi et al., 1983; Shilev et al., 2007). Según Fagnano et al. (2011) y García et al. (2012)
por evaluaciones agronómicas identificaron que el compost no aporta nutrientes como el
nitrógeno, fósforo y potasio en el balance y concentración adecuada para el crecimiento y
desarrollo de las plantas. Lo anterior, ha generado que los agricultores no utilicen el compost
o reserven su uso para aplicarlo en etapas menos criticas del crecimiento y producción de las
plantas (García et al., 2012). Esto conlleva a la disminución de la demanda del producto en el
mercado, disminuyendo así su producción.
Por lo tanto, es evidente la necesidad de realizar estudios encaminados al desarrollo y
comprensión del proceso de compostaje suplementado con nutrientes como nitrógeno,
fosforo y potasio. Basado en lo anterior, se han desarrollado algunos estudios donde se
muestra que los fertilizantes químicos no son una alternativa para suplementar el compost, ya
que no se observa diferencia entre el compost suplementado con fertilizante químico y el
compost sin fertilizante (García et al., 2012). En el caso del fósforo, se han realizado trabajos
con adición de roca fosfórica al compost pero sin presentar cambios en el fósforo disponible
al final del proceso de compostaje (Leal y Madrid, 2013). Lo anterior se podría explicar por
la ausencia o baja concentración de microorganismos que solubilicen el fósforo. De allí la
necesidad de identificar diferentes tipos de microorganismos que contribuyan al proceso de
transformación de la materia orgánica, así como la solubilización de fósforo presente en las
materias primas del compost. Por lo tanto, es necesario identificar los microorganismos
presentes durante el proceso de compostaje haciendo uso de herramientas como la
metagenómica que permitan conocer la dinámica poblacional, de los grupos de bacterias
durante el proceso de compostaje. Asimismo, es importante identificar cuales son las
bacterias solubilizadoras de fósforo que se encuentren en el compost con y sin adición de
material fosforado, que a su vez sean cultivables en medios solidos basados en agar o en
medios de fermentación. Por otra parte, hoy en día existe la dificultad de identificar mediante
técnicas de cultivo convencionales la población de bacterias solubilizadoras de fósforo
presentes en el proceso de compostaje, puesto que muchos de estos microorganismos no
crecen en medios de cultivo convencionales. Lo anterior, ha dificultado el aislamiento e
identificación la totalidad de bacterias solubilizadoras de fósforo presentes en el compost. Es
así como el desarrollo de técnicas de metagenómica han permitido conocer las poblaciones
bacterianas en el compost. Pero esta metodología posee una limitante, ya que permite
identificar las bacterias mediante su material genético, pero no la recupera impidiendo la
utilización de estos organismos en futuros procesos.
Por otra parte, en la literatura disponible consultada no se han encontrado trabajos
donde se realice compost suplementado con fósforo y se determinen las variables físicas y
químicas más relevantes de este proceso. Implicando esto el desconocimiento del
comportamiento del compost suplementado con fósforo. Se requiere, entonces realizar
estudios exploratorios encaminados a conocer más sobre el proceso de compostaje, así como
sobre las trasformaciones de los diferentes compuestos fosforados durante el mismo. A pesar
de los estudios realizados sobre el compostaje en el mundo, no se han encontrado
5
investigaciones que aporten perfiles en el tiempo tanto de diferentes variables físico-
químicas, como de la dinámica de las diferentes formas de fósforo (fósforo total, soluble e
insoluble), de compuestos nitrogenados (nitritos, nitrógeno amoniacal), y de los
microorganismos relacionados. Esta información es definitiva para el futuro desarrollo de
procesos de obtención de bioinsumos tipo compost con suplementación de nutrientes que
sean efectivos para fines de fertilización, restauración de suelos y para el aumento de la
productividad de los cultivos de importancia económica.
Considerando lo expuesto anteriormente la presente tesis doctoral está orientada a
responder las siguientes preguntas de investigación.
¿Cuales son las características físico-químicas que presenta el compost con y sin adición de
material fosforado durante el proceso de compostaje?
¿Cuales son los grupos de bacterias que están presentes durante el proceso de compostaje?
¿Cuáles son las bacterias cultivables presentes durante el proceso de compostaje de residuos
orgánicos putrescibles con capacidad de solubilizar fósforo?
Y por lo tanto, las hipótesis formuladas para la presente propuesta de tesis doctoral son las
siguientes:
Es posible identificar los grupos y familias de bacterias presentes durante el proceso de
compostaje de residuos orgánicos putrescibles mediante el uso de técnicas de
metagenómica.
La adición de roca fosfórica a los residuos orgánicos putrescibles provoca un cambio en
la dinámica de los grupos de bacterias presentes en el proceso de compostaje.
La revisión bibliográfica (marco teórico y antecedentes) de la presente tesis doctoral,
se relaciona en el Anexo I.
6
3. JUSTIFICACIÓN
Conociendo la necesidad de desarrollar insumos agrícolas menos contaminantes, que
no dependan del petróleo para su producción, se requiere de investigación y desarrollo en
bioinsumos tipo compost suplementados con nutrientes. La presente propuesta se orienta a
estudiar el comportamiento del proceso de compostaje con adición de material fosforado, así
como de las bacterias presentes en él. Además, es necesario realizar el aislamiento de
bacterias solubilizadoras de fósforo en pilas de compost con y sin material fosforado, puesto
que estas contribuyen a la obtención de fósforo en formas disponibles para las plantas. Con
lo anterior se estaría avanzando en el conocimiento sobre el compost suplementado con
nutrientes, para el posterior desarrollo de un bioinsumo tipo compost suplementado con
fósforo. Para ello es necesario generar el conocimiento y la tecnología que permita
suplementar el compost con fósforo. Por lo tanto, se requiere realizar estudios que evidencien
el comportamiento del proceso de compostaje con adición de material fosforado. Igualmente
se deben hacer trabajos que permitan identificar las bacterias solubilizadoras de fósforo del
compost.
Por lo anterior, la presente propuesta de tesis doctoral contribuirá al conocimiento del
proceso de compostaje como proceso de fermentación en estado sólido que contiene la
integración de los grupos de microorganismos en el proceso y su interrelación con la
composición química y condiciones medio ambientales. Asimismo, se busca obtener como
expresión de ese proceso la identificación de los parámetros más relevantes, para desarrollar
el proceso de compostaje suplementado o no con fósforo hacia la obtención de los
bioinsumos agrícolas suplementados con nutrientes requeridos para el crecimiento de las
plantas.
Este proyecto permitirá el desarrollo y la exploración de posibles soluciones
biotecnológicas para la obtención de productos de valor agregado a partir de mezclas de
residuos orgánicos putrescibles y material lignocelulósico.
Asimismo, con los resultados de este trabajo se estará avanzando en el conocimiento
del compost suplementado con fósforo, así como la comprensión de los grupos microbianos
presentes durante el mismo. Además, este estudio contribuirá hacia el futuro desarrollo de
bioinsumos agrícola tipo compost que aportan materia orgánica al suelo y nutrientes para las
plantas.
7
4. OBJETIVOS
4.1 Objetivo general
Determinar las características físico-químicas y grupos de microorganismos durante el
proceso de compostaje de residuos orgánicos putrescibles con y sin adición de fósforo.
4.2 Objetivo específicos
Caracterizar en el tiempo el proceso de compostaje de residuos orgánicos putrescibles
física y químicamente con y sin adición de fósforo.
Identificar grupos de bacterias durante el proceso de compostaje con y sin adición de
fosforo por medio de técnicas de metagenómica.
Aislar e identificar por lo menos una bacteria cultivable solubilizadora de fósforo de las
pilas de compost con y sin adición de fósforo.
8
5. MATERIALES Y MÉTODOS
El presente trabajo de investigación se desarrollará en tres etapas, según se ilustra en
el esquema de la Figura 1. En primer lugar, se determinarán las características físico-
químicas del proceso de compostaje; luego se identificarán las bacterias principales presentes
en las pilas de compost, mediante técnicas de metagenómica con y sin adición de material
fosforado en diferentes períodos de tiempos; finalmente, se aislará e identificará mediante
pruebas de microbiología clásica y reacción en cadena de la polimerasa por lo menos una
bacteria las bacteria solubilizadora de fósforo en tres momentos del proceso de compostaje.
Para este proyecto, el proceso de compostaje se desarrollará en la Planta de
Bioprocesos de la Universidad de Caldas, ubicada en inmediaciones del parque industrial
Juanchito en Manizales, kilómetro 11 vía al Magdalena medio, a una altura de 2280 msnm,
con una precipitación anual de 1800 mm, humedad relativa del 78% y una temperatura
promedio de 17,5ºC (Universidad de Caldas, 2014).
Figura 1. Representación esquemática de la metodología a
emplear en la propuesta de tesis doctoral.
9
5.1 Caracterización físico-química del proceso de compostaje
El compostaje es un proceso dinámico donde ocurren cambios constantes. Por lo
tanto, se hará un seguimiento en el tiempo a escala industrial de pilas de compost con y sin
adición de material fosforado; para este seguimiento se determinarán diferentes parámetros
físico-químicos. Para ello se tomarán muestras semanalmente durante todo el proceso (ver
sección 5.1.2) a fin de determinar las variables como carbono, nitrógeno, fósforo, humedad y
pH. Asimismo, el seguimiento de la humedad y la temperatura permitirá valorar globalmente
si el proceso de descomposición se realiza adecuadamente. Con la caracterización físico-
química realizada en diferentes momentos, se obtendrá las curvas en el tiempo que
representan los cambios que ocurren durante el proceso, evidenciado así el comportamiento
del mismo con y sin adición de roca fosfórica. Los resultados que se obtendrán servirán
como línea base para continuar con los siguientes objetivos del proyecto.
5.1.1 Formulación del compost
Para el proceso de compostaje se utilizarán como materias primas los residuos
orgánicos sólidos putrescibles generados en las cafeterías de la Universidad de Caldas, así
como restos de poda, hojas secas, cascarilla de café y bovinaza. Las formulaciones del
compost se realizan en base de materia seca como se muestra en la Tabla. 1, con esta
información se calculará la relación carbono/nitrógeno. Para calcular la cantidad de carbono
total de la masa inicial del compost, se tendrá en cuenta el porcentaje de cenizas de la
mezcla.
Antes de llevar a cabo la formulación, se realizarán análisis para identificar la
concentración de carbono, nitrógeno, fósforo y humedad de los materiales que se van a
utilizar. Al compost se le adicionará carbonato de calcio para aumentar el pH mejorando las
condiciones para el crecimiento de bacterias transformadoras de carbono. Para este trabajo se
elaborarán pilas de compost con y sin adición de roca fosfórica a un porcentaje del 5-10% en
base de materia húmeda.
El compost se elaborará en pilas de 2 m de ancho por 6 m de profundidad y 1,8-2 m
de altura para una masa aproximada de 8 a 9 toneladas. El proceso de compostaje se realiza
con un 70-75% de humedad en la pila. El compost se aireará mediante la realización de un
volteo manual semanal.
Tabla. 1 Formulación de la materia prima para el compostaje
Materiales % Participación en base seca %Nitrógeno Putrescible 20-25 0,8-1,5
Pasto 30 0,5
Cascarilla de café 20 0,03
Hojarasca 19 0,05
Bovinaza 8-10 1,5-1,8
CaCO3 1-2 0
Roca fosfórica 5-10 0
Total 100 -
10
5.1.2 Toma de muestras
La toma de las muestras para los análisis físico-químicos y microbiológicos se
realizará como se describe a continuación. En el caso de los análisis físico-químicos y
metagenómicos, la toma de la muestra se realizará semanalmente durante todo el proceso de
compostaje que dura 16 semanas. Para ello la pila de compost se distribuirá en secciones
iguales y luego, con ayuda de un tubo con punta, se tomarán las muestras desde la parte
superior hasta la parte inferior de la pila. Posteriormente se mezclarán las muestras tomadas
de cada una de las secciones para los análisis posteriores.
En el caso de la toma de las muestras para el aislamiento de bacterias solubilizadoras
de fósforo, se aplicará el método anterior con la diferencia de que solo se tomarán tres
muestras en diferentes períodos de tiempo durante el proceso de compostaje (al principio del
proceso, en un punto intermedio representativo y al final del proceso).
5.1.3 Determinaciones químicas
Las variables químicas que se evaluarán cada semana durante el proceso de
compostaje (16 semanas) serán: materia seca, carbono total, azúcares reductores, nitrógeno
total, nitrógeno amoniacal, nitritos, fósforo total, fósforo soluble e insoluble y pH (ver Tabla
2).
La determinación del pH del compost se realizará diluyendo las muestras con agua y
cuantificando posteriormente el pH con ayuda del potenciómetro (Bernal et al., 1998;
Albuja, 2009; Altieri y Esposito, 2010). La cuantificación del carbono total se hará mediante
el método gravimétrico (pérdida al fuego), se asumiendo como masa de carbono total el 58%
de los volátiles; los resultados se expresarán en porcentaje de materia seca (Albuja, 2009). La
cuantificación de azúcares reductores se realizara por la técnica del ácido dinitrosalicílico,
DNS (Miller, 1958). La determinación de nitrógeno total se realizará por el método de
Kjeldhal, el nitrógeno nítrico por titulación como lo describe la Norma técnica Colombiana
208 de 1967 (Norma Técnica Colombiana, 1967), el nitrógeno amoniacal por destilación del
amoniaco en ácido bórico y titulación con HCl como indica la Norma Técnica Colombiana
211 de 2008 (Norma Técnica Colombiana, 2008). La determinación del fósforo total se
realizará mediante el método colorimétrico; el resultado se expresará en partes por millón
(ppm) (Albuja, 2009; Khalil et al., 2011; Kalemelawa et al., 2012). El fósforo asimilable se
determinará mediante extracción con ácido cítrico como se describe en la Norma Técnica
Colombiana 234 de 1996 (Norma Técnica Colombiana, 1996).
5.1.4 Determinaciones físicas
Los parámetros físicos a evaluar se dividen principalmente en dos, aquéllos que son
esenciales para el proceso como la humedad, temperatura y granulometría; y aquéllos que
están más relacionados con las características adecuadas que debe poseer el compostaje para
su aplicación como lo son: conductividad eléctrica, tamaño de partícula y retención de agua.
Para el análisis de humedad se utilizará el método gravimétrico haciendo uso de una
balanza con desecador (Albuja, 2009). También se realizará un registro de la temperatura con
11
termómetro digital durante todo el proceso de compostaje (la temperatura se tomará 2 veces
en semana). La granulometría se trabajará triturando el compost con molino y luego se
pasará por un tamiz de 2 mm para uniformizar el tamaño de las partículas (Madrid et al.,
2000). Además, se determinará la capacidad de retención de agua como se describe en la
Norma Técnica Colombiana 5167 de 2004 (Norma Técnica Colombiana, 2004). Se evaluará
la conductividad eléctrica mediante el uso de conductímetro (conductímetro A+/- 0.1 us/cm)
y se expresará en deci-siemens/cm (dS/cm); se realizará diluyendo las muestras (1:10) p/v
con agua cuantificando posteriormente con el conductímetro (Madrid et al., 2000; Norma
Técnica Colombiana, 2004; Altieri y Esposito, 2010) (ver Tabla 2).
Adicionalmente, se realizará el análisis mediante microscopia electrónica para
determinar el tamaño medio de los poros del compost. Se determinará por metodología
semicuantitativa, la presencia de metales, ya que el equipo de microscopía (Quanta 250
FEI) posee sistema analítico de Rayos X EDAX (modelo GENESIS APEX2i), para hacer
análisis químico a nivel superficial. Por otra parte, por microscopia electrónica se
identificarán también las formas y tamaños de los microorganismos predominantes en el
compost. Las muestras se trabajarán en el microscopio de barrido electrónico (SEM, por sus
siglas en ingles) de la Universidad de Caldas.
Tabla 2. Variables físico-químicas de determinar
Variable Método Referencia pH Potenciómetro Bernal et al. (1998)
Carbono total Gravimetría (cenizas) Albuja (2009)
Azucares reductores DNS (Miller, 1958)
Nitrógeno total Kjedhal Altieri y Esposito (2010)
Nitrógeno amoniacal Destilación Norma Técnica Colombiana (2008)
Nitrógeno nítrico Destilación Norma Técnica Colombiana (1967)
Fósforo total Colorimetría Norma Técnica Colombiana (1996)
Fosforo soluble Colorimetría Norma Técnica Colombiana (1996)
Fosforo insoluble Colorimetría Norma Técnica Colombiana (1996)
Humedad Balanza con desecador Norma Técnica Colombiana (2004)
Temperatura Termómetro NA
Granulometría Tamiz de 2mm Madrid et al. (2000)
Retención de agua filtrado Norma Técnica Colombiana (2004)
Microscopia electrónica SEM NA
NA: no aplica
5.1.5 Inocuidad del compost maduro
Al finalizar el proceso de compostaje se realizarán las determinaciones para identificar
los materiales sólidos contaminantes del compost como lo son piedras, vidrio, plástico y
adicionalmente se evaluará el número máximo de patógenos. Para identificar estos agentes
contaminantes se aplicarán las técnicas descritas en la Norma Técnica Colombiana (Norma
Técnica Colombiana, 2004). En la norma se establecen límites de aceptados de patógenos.
Para algunos casos es permitido un número determinado de bacterias y el resultado se
expresa en unidades formadoras de colonias por gramo (UFC/g), para otros microorganismos
como Salmonella spp. se debe reportar presencia o ausencia. La determinación de los
12
macrocontaminantes se realizará con la ayuda de un tamiz como la describe la Norma
Técnica Colombiana 5167 (Norma Técnica Colombiana, 2004). Los análisis bromatológicos
tomados en cuenta para esta sección, serán los realizados en la última toma de muestra
cuando finalice el proceso de compostaje.
5.2 Identificación por metagenómica de grupos y familias de bacterias durante el
proceso de compostaje en pilas con y sin adición de roca fosfórica
Para este objetivo se elaborarán dos pilas de compostaje constituido por residuos sólidos
orgánicos putrescibles (ver sección 5.1.1): una pila con adición de material fosforado y otra
sin la adición de roca fosfórica. Posteriormente se tomarán muestras cada semana durante
todo el proceso, que puede tardar 16 semanas en las condiciones de la Planta de Bioprocesos
de la Universidad de Caldas, según estudios realizados por el grupo de Alimentos y
Agroindustria de la misma Universidad. Luego se realizará la identificación de los grupos y
familias de bacterias presentes en el proceso mediante una técnica metagenómica. Para ello,
se realizará la extracción de ADN del compost mediante el uso de un kit comercial
(PowerSoil DNA isolation kit, MO BIO Laboratories Inc. USA) (Karadag et al., 2013).
Primero se toma la muestra, se le retiran las partículas grandes como hojas, ramas entre
otros. Luego esta muestra se resuspende en la solución tampón recomendada por el
fabricante. Después se realiza la extracción siguiendo las recomendaciones del proveedor.
Luego de las extracciones se realiza la cuantificación y determinación de pureza de las
muestras mediante espectrofotometría en el equipo NanoDrop ND2000 (Thermo Scientific
USA). Posteriormente se enviarán las muestras a secuenciar a la compañía Macrogen
(Corea del sur) delimitando que la secuenciación se realice solo para bacterias. Con las
secuencias obtenidas se realizará la comparación de secuencias haciendo uso de la
herramienta BLAST (Basic Local Alignmnet Search Tool) que se encuentra en la página web
del National Center of Biotechnology Information (NCBI) de EUA o en otros bancos de
genes disponibles. Estas comparaciones permitirán la identificación de los grupos y familias
de bacterias presentes en las muestras, por ejemplo bacterias fijadoras de nitrógeno, bacterias
solubilizadoras de fósforo y bacterias nitrificantes, entre otras. Con esta metodología se pretende identificar el grupo o familias de bacterias que se
encuentran durante el proceso de compostaje con y sin adición de roca fosfórica. Además,
también se podrán evidenciar los cambios de las poblaciones bacterianas durante el tiempo
en el proceso (perfil en el tiempo). Asimismo se determinará la relación entre las bacterias
presente y los cambios en las variables físico-químicas. Con lo anterior, se podrá establecer
los grupos y familias de bacterias y su rol en el proceso de transformación.
5.4 Aislamiento de bacterias cultivables solubilizadoras de fósforo en pilas de
compost con y sin adición de material fosforado
Para este objetivo se realizarán aislamientos e identificación de al menos una bacteria
solubilizadora de fósforo. Para ello se tomarán muestras de cada una de las pilas de compost
con y sin adición de fósforo en tres diferentes períodos de tiempo durante el proceso de
13
compostaje (ver sección 5.1.2), se diluirán en agua destilada estéril (dilución madre), y luego
se harán las diluciones seriadas pertinentes. Cada una de estas diluciones se sembrarán en
agar por la técnica de siembra de superficie, después se contarán las colonias y se
multiplicarán por la dilución y se obtendrán unidades formadoras de colonias por gramo
(UFC/g). La metodología descrita anteriormente se desarrollará en medios selectivos que
permitirán el aislamiento de las bacterias por su funcionalidad. La funcionalidad hace
referencia principalmente al rol que cumple algún microorganismo dentro del proceso de
compostaje; por ejemplo las bacterias solubilizadoras de fósforo, pueden ser aisladas por su
funcionalidad de generar ácidos que solubilizan fósforo (Khan et al., 2007). Para este caso se
utilizará el medio NBRIP (National Botanical Research Institute`s Phosphate) que permite el
aislamiento de bacterias solubilizadoras de fósforo (Nautiyal, 1999; Fernández et al., 2005).
Por otra parte a los microorganismos aislados se les determinará el índice de solubilización
de fósforo, a fin de seleccionar los mejores solubilizadores, de acuerdo con la metodología
descrita por Paul y Sinha (2013). Con el desarrollo de esta metodología se pueden aislar las
bacterias cultivables que estén presentes en el proceso de compostaje, que contribuyan a la
solubilización de fósforo. Asimismo, la o las bacterias aisladas que se identifiquen como
solubilizadoras de fósforo se les hará coloración de Gram e identificará con pruebas
bioquímicas empleando el kit BBL Crystal (Becton Dickinson and Company).
Posteriormente se procederá a realizar la identificación de las bacterias mediante el uso
de la reacción en cadena de la polimerasa. Primero se hará la extracción de ADN con el kit
comercial (Qiagen DNeasy Plant Mini Kit Qiagen, Valencia, CA). Luego de las extracciones
se efectúa la cuantificación y determinación de pureza de las muestras mediante
espectrofotometría en el equipo NanoDrop ND2000 (Thermo Scientific USA). Después se
realizará la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), amplificando una región del ARN
ribosomal 16S con los primers fD1 (5-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3) and rP2 (3-
ACGGCTACCTTGTTACGACTT-5) y se aplicarán las condiciones de amplificación
descritas por Gupta et al. (2012). Luego estas muestras se enviarán a secuenciar a la
compañía Macrogen (Corea del sur). Posteriormente se realizarán los análisis de
secuencias en diferentes herramientas como BLAST (Basic Local Alignmnet Search Tool)
que se encuentra en la página web del National Center of Biotechnology Information (NCBI)
de EUA o en otros bancos de genes disponibles.
5.5 Análisis estadístico
La metodología para analizar los objetivos uno y dos será a través de un diseño
experimental factorial a dos vías, donde el primer factor es el tiempo de compostaje (con 16
niveles es decir, una muestra por semana). El segundo factor corresponde a la adición de
nutrientes con los siguientes dos niveles: compost sin adición de fósforo; compost con
adición de fósforo. Se tomarán cuatro repeticiones por tratamiento para un total de 32 tratamientos. Las
variables de respuesta serán las siguientes: temperatura, humedad, pH, carbono total,
azúcares reductores, nitrógeno amoniacal, nitrógeno nítrico, fósforo total, fósforo asimilable
y fósforo insoluble. La cantidad de materia prima para la formulación del medio permanece
constante. El análisis de los datos obtenidos del diseño experimental se realizará mediante el
análisis de varianza (ANOVA) para definir si existen diferencias significativas entre las
14
diferentes medias de los tratamientos. Se empleará el software Statgraphics v. 5.0. Asimismo se desarrollará un análisis de componentes principales que permite la
identificación de las asociaciones de carácter múltiple entre las diferentes variables para el
compost sin fósforo y con la adición de material fosforado. Posteriormente se llevará a cabo
el análisis de clasificación automática para determinar grupos con características similares.
Estos análisis se realizaran con el paquete estadístico SPAD.
15
6. RESULTADOS ESPERADOS
6.1 Generación de nuevo conocimiento
Protocolos para el aislamiento de los microorganismos del proceso de compostaje, al
igual que para la determinación de diferentes parámetros físicos y químicos del proceso.
Documentos sobre los perfiles en el tiempo de diferentes especies químicas y
comunidades microbianas del proceso de compostaje de residuos orgánicos putrescibles con
y sin adición de roca fosfórica.
Un estudio que contribuirá al conocimiento del proceso de compostaje con y sin
adición de roca fosfórica. Siendo este un punto de partida para el desarrollo de compost
suplementado.
Documentos de investigación aplicada para el aislamiento de microorganismos
ambientales solubilizadores de fósforo de importancia agrícola. Además podría ser el punto
de partida para diferentes líneas de investigación en el aprovechamiento de residuos
orgánicos y en la búsqueda y selección de microorganismos de interés agroindustrial.
6.2 Fortalecimiento de la comunidad científica colombiana
Mediante la realización del presente se contribuirá a la consolidación de las
actividades investigativas de la Planta de Bioprocesos de la Universidad de Caldas, así como
al desarrollo de la línea de investigación en Desarrollo Agroindustrial del Grupo de
Investigación en Alimentos y Agroindustria de la misma Universidad.
6.3 Divulgación
Divulgación científica de al menos un artículo aceptado para una revista internacional
o nacional tipo A, al menos dos artículos aceptados para publicación en revistas nacionales
indexadas.
Participación en al menos dos eventos científicos nacionales o internacionales.
16
7. IMPACTOS
Este trabajo contribuirá a desarrollar metodologías que ayuden a la generación de un
bioinsumo agrícola elaborado con residuos orgánicos putrescibles y suplementado con
nutrientes para este caso el fósforo.
Esta investigación permitirá desarrollar elementos que reduzcan impacto ambiental de
los residuos orgánicos putrescibles generados en las ciudades. Asimismo, se pretende sentar
las bases sobre la suplementación del compost con nutrientes.
Con el conocimiento generado en este estudio se establecerán las bases para el futuro
desarrollo de un bioinsumo agrícola tipo compost suplementado con fósforo.
Este estudio contribuirá a la formación de un investigador a nivel de doctorado.
Con este trabajo se contribuirá a fortalecer las investigaciones orientadas hacia el
aprovechamiento de residuos y a la implementación de tecnologías que permitan integrar
estos desechos a cadenas productivas.
17
8. PRESUPUESTO
Rubro
Fuentes
Total
Universidad de
Caldas
(Planta de
Bioprocesos)
(Recurrente)
Universidad de
Caldas
(Solicitado)
Sistema General
de Regalías
Director y codirector 51600000 51600000
Estudiante matriculas 56.000.000 56000000
Estudiante apoyo económico 85.932.000 85.932.000
Análisis de laboratorio 5.000.000 5000000
Equipos 100.000.000 100.000.000
Materiales y reactivos 30.000.000 30000000
Software 2.000.000 2.000.000
Pasantía 5.000.000 3.000.000 8000000
Total 153.600.000 5.000.000 179.932.000 338.532.000
Participación en
porcentaje 45,37% 1,48% 53,15% 100,00%
18
9. CRONOGRAMA
Actividad Semestre
1 2 3 4 5
Revisión bibliográfica xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx
Consecución de materiales xxxxxx
Puesta a punto de las técnicas xxxxxx xx
Determinación características físico-químicas. xxxxxx
Identificación de grupos de bacterias del compost con y sin adición de fósforo xxxxxx
Análisis bioinformático xxx xxxxxx
Aislamiento de bacterias solubilizadoras de fósforo xxxxxx
Identificación mediante microbiología clásica xxxx
Identificación bacteriana mediante reacción en cadena de la polimerasa xxxx
Obtención de bacterias solubilizadoras de fósforo xxx
Divulgación de resultados xxxxxx xxxxxx Xxxxxx
Elaboración del informe final Xxxxxx
19
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Albuja M.B. (2009). Evaluación de parámetros físico químicos y microbiológico del abono
obtenido de los desechos orgánicos del mercado mayorista de la ciudad de Ibarra;
elaborado mediante dos metodologias de Inoculacion de bacterias microcompostic:
P.E compost y compostaje convencional.pregrado. Pontificia Universidad Católica
del Ecuador: Ibarra. 122 p.
Altieri R., Esposito A. (2010). Evaluation of the fertilizing effect of olive mill waste
compost in short-term crops. International Biodeterioration & Biodegradation, 64:
124-128.
Altomare C., Tringovska I. (2011). Beneficial Soil Microorganisms, an Ecological
Alternative for Soil Fertility Management., in Genetics, Biofuels and Local Farming
SystemsSpringer Netherlands. 161-214.
Bernal M.P., Sánchez M.A., Paredes C., Roig A. (1998). Carbon mineralization from
organic wastes at different composting stages during their incubation with soil.
Agriculture, Ecosystems and Environment, 69: 175-189.
De Bertoldi M., Vallini G., Pera A. (1983). The Biology of Composting: A review. Waste
Management & Research, 1: 157-176.
Fagnano M., Adamob P., Zampellab M., Fiorentinoa N. (2011). Environmental and
agronomic impact of fertilization with composted organic fraction from municipal
solid waste: A case study in the region of Naples, Italy. Agriculture, Ecosystems
and Environment 141: 100-107.
Fernández L.A., Zabala P., Gomez M.A., Sagardoy M.A. (2005). Bacterias Solubilizadoras
de Fosfato Inorganico Aisladas del Suelo de la Region de Sojera. Ciencia del Suelo
(Argentina), 23: 31-37.
Frioni L., De los Santos C. (1998). Biotrasformación Aerobia de Residuos Organicos
Solidos. Agrociencia, 2(1): 1-11.
leky G., Benedek S. (2010). Composting to Recycle Biowaste. En: Sociology, Organic
Farming, Climate Change and Soil Science. Sustainable Agriculture Reviews.
Lichtfouse E. (Ed.). Springer Netherlands. pp. 319-346.
García A., Angulo J., Martínez M.M., Gutiérrez V. (2012). Effect of phosphate -
solubilizing bacteria and compost on the nutritional characteristics of the oil palm
crop (Elaeis guineensis Jacq.) in Casanare, Colombia. Agronomía Colombiana
30(2): 274-281.
Gupta M., Kiran S., Gulati A., Singh B., Tewari R. (2012). Isolation and identification of
phosphate solubilizing bacteria able to enhance the growth and aloin-A biosynthesis
of Aloe barbadensis Miller. Microbial Research, 167: 358-363.
Jaramillo G., Zapata L.M. (2008). Aprovechamiento de los Residuos Orgánicos en
Colombia.Especialización. Facutad de Ingenierias Posgrado en Ambiental,
Universidad de Antioquia: Medellin 116 p.
Kalemelawa F., Nishihara E., Endo T., Ahmad Z., Yeasmin R., Tenywa M.M., Yamamoto
S. (2012). An evaluation of aerobic and anaerobic composting of banana peels
treated with different inoculums for soil nutrient replenishment. Bioresource
Technology, 126: 375-382.
20
Karadag D., Özkaya B., Ölmez E., Nissilä M.E., Çakmakçı M., Yıldız S., Puhakka J.A.
(2013). Profiling of bacterial community in a full-scale aerobic composting plant.
International Biodeterioration & Biodegradation 77: 85-90.
Khalil A.I., Hassouna M.S., El-Ashqar H.M.A., Fawzi M. (2011). Changes in physical,
chemical and microbial parameters during the composting of municipal sewage
sludge. World Journal Microbiology and Biotechnology, 27: 2359–2369.
Khan M.S., Zaidi A., Wani P.A. (2007). Role of phosphate-solubilizing microorganisms in
sustainable agriculture – A review. Agronomy Sustainable Development, 27: 29-43.
Kulcu R., Yaldiz O. (2004). Determination of aeration rate and kinetics of composting
some agricultural wastes. Bioresource Technology, 93(1): 49-57.
Leal N., Madrid C. (2013). Compostaje de Residuos Orgánicos Mezclados co Roca
Fosfórica. Agronomia Tropical, 48: 335-357.
Madrid C., Quevedo V., Andrade E. (2000). Estudio de la biotransformación aeróbica de
los desechos lignocelulósicos pergamino de café (Coffen arabica L.) y tallos de
pasto guinea (Panicum maximum). Revista de la Facutultad de Agronomia (LUZ),
17: 505-517.
Miller G.L. (1958). Use of DinitrosaIicyIic Acid Reagent for Determination of Reducing
Sugar. Analytical Chemistry, 31(3): 426-428.
Norma Técnica Colombiana. (1967). Método cuantitativo de determinación del nitrógeno
nítrico NTC208. ICONTEC. 1-5 p.
Norma Técnica Colombiana. (1996). Método de ensayo para la determinación cuantitativa
del fósforo NTC234. ICONTEC. 1-9 p.
Norma Técnica Colombiana. (2004). Productos para la Industria Agrícola Productos
Orgánicos Usados como Abonos o Fertilizantes y Enmienda de Suelo NTC5167. 32
p.
Norma Técnica Colombiana. (2008). Metodo cuantitativo para determinar el nitrógeno
amoniacal por destilación NTC211. ICONTEC. 1-8 p.
O`Keefe D.M., Owens J.M., Chynoweth D.P. (1996). Anaerobic Composting of Crab-
Pickig Wastes for by Product Recovery Bioresource Technology 58: 265-272.
Paul D., Sinha S.N. (2013). Phosphate solubilizing activity of some bacterial strains
isolated from jute mill effluent exposed water of river ganga. Indian Journal of
Fundamental and Applied Life Sciences, 3(3): 39-45.
Sharma V., Canditelli M., Fortuna F., Cornacchia G. (1997). Processing of Urban and
Agro-Industrial Residues by Aerobic Composting. Energy Conversion and
Management, 38: 453-478.
Shilev S., Naydenov M., Vancheva V., Aladjadjiyan A. (2007). Composting of Food and
Agricultural Wastes. En: Utilization of By-Products and Treatment of Wastes in the
food Industry. Springer US: Plovdiv. pp. 283-301.
Solari L. (2002). Nitrógeno biológico en pasturas y cultivos. Saber hacer Uruguay
Universidad de Caldas. (2014). Sistemas de Granjas. Universidad de Caldas. Disponible
en: http://www.ucaldas.edu.co/portal/?s=sistema+de+granjas+&x=0&y=0. [Visitada
en Marzo de 2014].
White P.J., Brown P.H. (2010). Plant nutrition for sustainable development and global
health. Annals of Botany, 105: 1073-1080.
Zapata R.D. (2009). Materia Orgánica, Biología del Suelo y Productividad Agrícola. En: El
compostaje y los índices para evaluar su estabilidad. Sociedad Colombiana de la
Ciencia del Suelo. Armenia pp. 33-42.
1
ANEXO I
Marco teórico y antecedentes
DIEGO ANDRÉS OSPINA LOAIZA
Director: ÓSCAR JULIÁN SÁNCHEZ, PhD.
Universidad de Caldas
Facultad de Ciencias Agropecuarias
Doctorado en Ciencias Agrarias.
Manizales
2014
2
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 4
2. MATERIAS PRIMAS ................................................................................................................ 5
2.1 Residuos agrícolas ................................................................................................................. 5
2.2 Residuos pecuarios ................................................................................................................ 6
2.3 Residuos agroindustriales ................................................................................................... 8
2.4 Residuos sólidos urbanos ..................................................................................................... 8
2.5 Otros residuos ........................................................................................................................ 9
3. MICROORGANISMOS DEL COMPOSTAJE ................................................................ 15
3.1 Bacterias ............................................................................................................................... 15
3.1.1 Actinobacterias ............................................................................................................. 16
3.2 Hongos .............................................................................................................................. 18
3.3 Otros microorganismos ................................................................................................... 20
3.3.1 Arqueas .......................................................................................................................... 20
3.3.2 Parásitos ........................................................................................................................ 20
3.3.3 Virus ............................................................................................................................... 21
3.4 Otros organismos ............................................................................................................... 21
3.5 Identificación de microorganismos del compost ......................................................... 21
4. BIOPROCESO DEL COMPOSTAJE................................................................................. 23
4.1 Fundamento del proceso ................................................................................................... 23
4.1.1 Mineralización de la materia orgánica .................................................................... 24
4.1.2 Humificación ................................................................................................................ 25
4.1.3 Variables de operación del compostaje ................................................................... 26
4.1.3.1 Temperatura ........................................................................................................................... 26
4.1.3.2 pH ............................................................................................................................................... 27
4.1.3.3 Humedad .................................................................................................................................. 27
4.1.3.4 Nutrientes ................................................................................................................................ 27
4.1.3.5 Oxígeno .................................................................................................................................... 28
4.1.3.6 Tamaño de partícula .......................................................................................................... 28
4.2. Modelamiento del compostaje ........................................................................................ 29
4.3 Sistemas de cultivo para el compostaje ........................................................................ 31
3
4.3.1 Tipos de sistemas de compostaje ............................................................................... 32
4.3.2 Sistemas a nivel de laboratorio .................................................................................. 37
4.3.3 Sistemas piloto .............................................................................................................. 37
4.3.4 Sistemas a nivel comercial ......................................................................................... 38
5. COMPOST ................................................................................................................................. 39
5.1 Mercado de los abonos orgánicos ................................................................................... 40
5.2 Normativa para los abonos orgánicos en Colombia ................................................... 41
5.3 Calidad del compost .......................................................................................................... 41
5.3.1 Macrocontaminantes.................................................................................................. 41
5.3.2 Niveles de patógenos ................................................................................................... 42
5.3.3 Humedad ....................................................................................................................... 42
5.3.4 Relación carbono nitrógeno ..................................................................................... 42
5.3.5 La conductividad eléctrica ......................................................................................... 43
5.3.6 Amoniaco y nitrato .................................................................................................... 43
5.3.7 pH ................................................................................................................................... 43
5.3.8 Tamaño de partícula ................................................................................................... 43
5.3.9 Materia orgánica ......................................................................................................... 44
5.4 Evaluación de la aplicación de compost en cultivos ................................................... 44
5.4 Adición de nutrientes al compost .................................................................................. 48
5.4.1 Nitrógeno ....................................................................................................................... 48
5.4.1.2 Conservación del nitrógeno presente en el proceso de compostaje ................. 49
5.4.2 Adición de fósforo ....................................................................................................... 51
5.4.2.1 Bacterias solubilizadoras de fósforo ........................................................................... 52
5.4.2.3 Suplementación con fósforo ............................................................................................. 54
5.4.3 Adicción de potasio ..................................................................................................... 55
6 ASPECTOS AMBIENTALES ................................................................................................ 56
6.1 Emisiones del proceso de compostaje ............................................................................ 56
7.2 Beneficios .............................................................................................................................. 56
8. CONCLUSIONES ................................................................................................................ 57
9. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 58
4
1. INTRODUCCIÓN
El rápido incremento de la población humana en los últimos años y la intensificación
de las actividades como: producción, consumo de alimentos, aumento en el número de
animales de empleo entre otros, ha generado problemas ambientales como la contaminación
de suelos, aire y ríos etc. (Shilev et al., 2007).
Asimismo, las grandes compañías de textiles, industrias de alimentos y los hogares
entre otras, generan grandes cantidades de desechos. Los residuos generados son de
diferentes tipos: sólidos, líquidos y gaseosos. Dentro de los residuos sólidos se encuentran
los forestales, mineros, industriales, urbanos y agropecuarios. Estos dos últimos grupos son
de gran importancia y en especial los que son biodegradables, como lo son los residuos de
vegetales, jardinería, limpieza de bosques y estiércol de animales, entre otros (Jaramillo y
Zapata, 2008).
La incineración es la forma convencional de tratar los residuos junto con la
disposición final en rellenos sanitarios. Actualmente se realizan diferentes procesos para
transformar los distintos tipos de residuos sólidos y así regresarlos de nuevo a las cadenas
productivas. Algunos de estos procesos son el reciclaje, la incineración para obtención de
energía, la producción de biogás y la elaboración de compost. Estas dos (producción de
biogás y elaboración de compost) metodologías se presentan como una buena alternativa
para el manejo de los residuos, puesto que reduce en una gran medida el impacto ambiental
negativo que causa la disposición de los mismos. Además se generan productos que vuelven
a hacer parte de la cadena productiva (Kulcu y Yaldiz, 2004; Jaramillo y Zapata, 2008).
El compostaje es un proceso de descomposición aeróbica mediante el cual los
microorganismos transforman la materia orgánica en materiales más estables como las
sustancias precursoras del humus (Zapata, 2009). Esta transformación es realizada por
diferentes tipos de microorganismos que se encuentran presentes en el medio ambiente. El
producto obtenido de la descomposición de los residuos sirve como abono para las plantas y
es una alternativa sostenible y económica para los cultivos en Colombia.
El objetivo de esta revisión es presentar los principales aspectos científico-técnicos
del compostaje para ofrecer una mejor comprensión de este proceso de biodegradación.
Adicionalmente se pretende identificar las brechas del conocimiento sobre este proceso. Esta
información será base para proponer diferentes estrategias para desarrollar mejoras al
compostaje, y ofrecer alternativas más eficientes para el aprovechamiento de los residuos
orgánicos putrescibles, que contribuya al buen desarrollo de los cultivos de importancia
económica.
5
2. MATERIAS PRIMAS
El compostaje un proceso de descomposición mediado por microorganismos, el
mismo posee la capacidad de transformar diferentes tipos de moléculas complejas como
ácidos grasos, ligninas, celulosa, hemicelulosa, y convertirlos en materia orgánica estable
precursores del humus (Shilev et al., 2007). Esta capacidad de degradar diferentes materias
primas, permite que el compostaje se pueda elaborar de varios tipos de materia orgánica,
como lo son residuos agrícolas, pecuarios, agroindustriales y urbanos (ver Tabla 3). Los
residuos pecuarios son en su gran mayoría excretas de animales, con alto contenido de
nitrógeno. Por otra parte, los residuos agrícolas, agroindustriales y urbanos, algunos de estos
residuos son mayoritariamente de origen vegetal y están principalmente conformados por
lignina, celulosa y hemicelulosa que conforman el complejo lignocelulósico. Este complejo
es el material biológico más ampliamente distribuido en la naturaleza y se encuentra
presente en residuos abundantes como la paja y la madera, entre otros (Insam y De Bertoldi,
2007; Sánchez y Cardona, 2007). Por otra parte los residuos sólidos orgánicos pueden ser
clasificados de acuerdo a su fuente de origen (agrícola o pecuario etc.) o también por su
contenido lignocelulósico o concentración de nitrógeno (ver Tabla 4 y Tabla 5).
Considerando que las materias primas para realizar el proceso de compostaje se
encuentran ampliamente distribuidas en el mundo, es una tecnología que se puede aplicar en
diferentes regiones para disminuir el impacto ambiental de los residuos sólidos orgánicos
putrescibles.
Tabla 3. Residuos empleados como materias primas para el compostaje.
Agrícolas Pecuarios Urbanos Agroindustriales
Bagazos, hojas de
poda, paja de arroz,
cáscara de arroz
residuos de cereales
Estiércol y orina de
ganado, búfalo,
cabra, oveja, aves de
corral purines,
desperdicios de
animales, cadáveres
Lodos de aguas residuales*,
frutas verduras, residuos de
té, café, excrementos
humanos
Pescado, moluscos,
industria del vino,
industria azucarera,
suero de queso, restos
de animales,
fermentación, papel y
residuos celulósicos
*Lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales
* Residuos de fermentación.
Adaptado de Sharma et al. (1997).
2.1 Residuos agrícolas
Son todos aquellos residuos que están ligados a los procesos de producción agrícola
dentro de los campos de cultivo. Un ejemplo de estos son restos de cosecha, tallos, hojas,
fibras, cáscaras, bagazos, rastrojo, resto de podas y frutos entre otros (ver Tabla 4). Estos
residuos de origen vegetal están principalmente conformados por lignina, celulosa y
hemicelulosa que conforman el complejo lignocelulósico.
Como se mencionó anteriormente las materias primas para la elaboración del
compost son muy variadas. Por lo tanto se deben realizar ensayos para identificar las
mejores condiciones y materias primas adecuadas para este proceso. La selección y
6
estandarización de los materiales está relacionado con la disponibilidad de los residuos en la
región.
Existen diferentes estudios donde elaboran compost con residuos lignocelulósicos,
pero se ha podido observar que utilizar soló los residuos agrícolas no es suficiente para el
compostaje debido al bajo nivel de nitrógeno. De allí que se deba mezclar los residuos con
estiércol de animales ya que los excrementos son una fuente de nitrógeno. En la mayoría de
los casos se debe compostar los residuos lignocelulósicos con estiércol animal para mejorar
la relación carbono nitrógeno y así hacer que el proceso se desarrolle mejor (Madrid et al.,
2000; Kalemelawa et al., 2012).
Por otra parte, se desarrolló una evaluación de compost aerobio y anaerobio, los
investigadores identificaron que el proceso se lleva mejor cuando se realiza en condiciones
de aerobíosis (Kalemelawa et al., 2012). Un compostaje anaerobio es aquel al cual no se le
suministra oxígeno, este proceso es utilizado principalmente para la generación de biogás.
Por otra parte, se conoce que el compostaje anaerobio no es muy eficiente, puesto que sin un
buen suministro de oxígeno estos procesos de transformación son lentos, además ocurre
putrefacción y producción de malos olores (O`Keefe et al., 1996; Himanen y Hänninen,
2011; Kalemelawa et al., 2012).
Por lo tanto, el compostaje de residuos agrícolas se presenta como una buena
alternativa para los campesinos, puesto que ellos podrían elaborar sus propios abonos
orgánicos. De esta manera, se disminuyen los costos de la cosecha por la reducción de la
compra de abonos químicos que son muy costosos en los países en vías de desarrollo.
Tabla 4. Composición de algunos residuos lignocelulósicos (en base seca).
Materiales Celulosa (%) Hemicelulosa (%) Lignina (%)
Bagazo de caña 50 25 25
Madera dura 40-55 24-44 18-25
Madera blanda 45-50 25-35 25-35
Cubierta de nuez 25-30 25-30 30-40
Tusa de maíz 45 35 15
Pastos 25-40 35-50 11232
Papel 85-99 0 0-15
Paja de trigo 30 50 15
Basura surtida 60 20 20
Hojas 15-20 80-85 0
Hebras de semillas de algodón 80-95 5-20 0
Papel periódico 40-55 25-40 18-30
Papeles de desecho pulpas químicas 60-70 10-20 5-10
Pasto bermuda de variedad costera 25 35.7 6.4
Pasto pradera 45 31.4 12.0
Cascarilla de arroz* 25.89- 35.5 18.1 – 21.35 18.20 – 24.6
*Valores tomados de Valverde et al. (2007). Tomado de Sánchez y Cardona (2007).
2.2 Residuos pecuarios
Los residuos pecuarios son los que están directamente implicados en la cadena de
producción de animales. Entre estos residuos podemos encontrar principalmente
7
excrementos sólidos, líquidos, cadáveres y residuos de comida. Estos residuos son
generados principalmente por animales que viven en confinamiento como lo son los
porcinos, caprinos, bovinos, equinos y aves de corral, entre otros (ver Tabla 5).
Con el crecimiento de la población humana también se ha incrementado el número
de animales de consumo y con ellos, sus residuos. Estos residuos generan altas emisiones de
gas metano; además poseen un alto contenido de fósforo y nitrógeno que provocan la
eutrofización de aguas naturales, alterando el crecimiento y la diversificación de la vida
acuática (Imbeah, 1998).
Los excrementos de animales se han utilizado como abono de cultivos y zonas de
pastoreo, siendo este de aplicación directa sin ningún proceso de transformación, o algún
tipo de tratamiento. Estas prácticas puede traer consecuencias negativas para los sitios donde
se aplique, ya que los excrementos de animales contienen alta concentración de nitrógeno y
esto puede perjudicar los pasto o cultivos. Esto es debido que se genera un desequilibrio en
la materia orgánica y la relación carbono nitrógeno, lo que aumenta la demanda de oxígeno
por parte de los microorganismos, esta demanda de oxigeno disminuye el pH acidificando el
suelo (Vélez et al., 2008). Adicionalmente las deyecciones pueden llevar agentes patógenos
contaminantes como: bacterias, virus y parásitos (Vélez et al., 2008).
Desde principios de los años 80´s, para la elaboración de compostaje se utilizaron los
excrementos de animales, por su contenido de nutrientes y el aporte de microorganismos al
compost (Madrid et al., 2000; Shilev et al., 2007). El compostaje con excretas de animales
también se desarrolló para resolver el problemas de la disposición final de los mismos,
puesto que éstos generan problemas como malos olores, proliferación de diferentes tipos de
insectos y, en algunos casos, la contaminación de aguas (O`Keefe et al., 1996; Imbeah,
1998). De esta manera el compostaje de estos residuos reduce los olores y la proliferación de
insectos, (O`Keefe et al., 1996; Shammas y Wang, 2009).
Un ejemplo de las formas como se pueden utilizar el estiércol de porcinos y bovinos
es mediante el uso de las metodologías compostaje (aerobio) y la biometanización
(anaerobia)(O`Keefe et al., 1996; Vélez et al., 2008). El proceso de compostaje es
dependiente de oxígeno, el resultado que se obtiene es un abono natural sin patógenos. En la
biometanización se obtiene principalmente gas metano (energía) a través de estiércol de
animales con la interacción de bacterias metanogénicas (Vélez et al., 2008).
Por otra parte, el problema de la disposición de los residuos orgánicos a ha hecho que
los sectores público y privado se acerquen a las universidades y centros de investigación
para buscar soluciones eficientes de bajo costo. Un ejemplo de esto fue un trabajo
desarrollado con una empresa de crianza de pollos y cerdos, ellos compostaron el estiércol
para obtener un bioinsumo agrícola. El producto logrado cumplía con las características
adecuadas de un compost. Adicionalmente, la empresa obtuvo un producto del que puede
hacer uso ya sea llevándolo al mercado o fertilizado su propios cultivos (Morán y Naranjo,
2013).
En otro estudio los investigadores tomaron estiércol de cerdo, aserrín de pino, hojas
de té y residuos de hierbas. Los resultados mostraron que el ensayo realizado con el 30% de
estiércol de cerdo fue el adecuado para la obtención del bioinsumo con que contiene las
características físico-químicas y microbiológicas apropiadas para un compost (Zhang y He,
2006).
Otro tipo de residuos orgánicos generados en las granjas son los cadáveres de
animales. El número de animales muertos en las granjas ha ido aumentando, puesto que hoy
en día se tienen más animales por metro cuadrado que hace unos años atrás. Para aprovechar
los cadáveres de los cerdos y aves de corral se aplica el proceso de compostaje. Esta
metodología fue implementada ya que las utilizadas anteriormente eran incinerándolos,
enterrándolos o disponiendo estos en fosas, lo que generaba un impacto ambiental negativo.
8
Ya que incinerándolos se generan gases efecto invernadero, por otro lado algunos animales
desentierran los cadáveres, en el sistema de fosa se genera malos olores y lixiviados que
contaminan aguas subterráneas (McCaskey et al., 1996; Imbeah, 1998). En la Tabla 6 se
observa un resumen de algunos de estos estudios.
Se han realizado diferentes trabajos para el aprovechamiento de los residuos de
origen animal, generando un producto útil para las granjas. Sin embargo con el proceso de
compostaje aún no se alcanzan las concentraciones de macronutrientes (nitrógeno, fósforo y
potasio) necesarios para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Lo anterior se ha
evidenciado por evaluaciones agronómicas (García et al., 2012).
2.3 Residuos agroindustriales
Son aquellos residuos que se generan en plantas procesadoras de alimentos, centrales
de sacrificio, industrias de aceites, industrias de papel y trilladoras de café, entre otras. Los
residuos agroindustriales son de gran variedad, se pueden encontrar, desde vegetales, frutas,
hasta restos y cuerpos de animales, entre otros (ver Tabla 3).
Con el crecimiento de la población humana también ha aumentado el número de
empresas y establecimientos de comida generando más residuos. Estos residuos son
depositados en rellenos sanitarios causando un impacto ambiental negativo, puesto que
producen lixiviados que poseen un alto contenido de material orgánico altamente
contaminante.
Algunas empresas conscientes del daño ambiental generado por sus residuos, han
decidido aprovecharlos y generar productos que disminuyan el impacto, además de
reintegrar un producto de desecho a la cadena productiva (Vélez et al., 2008).
En Colombia se realiza compost con diferentes materia primas que provienen de
empresas agroindustriales de diferentes regiones del país. En Bogotá se utilizan los residuos
de las flores, en los llanos orientales residuos de palma de africana, en el Putumayo y
Casanare cortezas de árboles, en el eje cafetero residuos del procesamiento del café y en el
Valle del Cauca se utilizan los residuos de las industrias azucareras y en Medellín residuos
de frutas. Estas empresas utilizan el bioinsumo resultante para suplementar sus cultivos,
pero ahora también buscan comercializar dichos productos a nivel nacional e internacional
(Yepes et al., 2008; Salamanca, 2012).
Como se puede observar el proceso de compostaje sirve para el aprovechamiento de
los residuos sólidos orgánicos putrescibles, y generar un abono orgánico. Con esta
tecnología se reintegran materiales de desechos, para generar el compost que podría ayudar
a disminuir el costo en la producción agrícola. Estos residuos son un potencial para generar
precursores de sustancias húmicas, en especial los materiales que poseen un alto contenido
de lignina.
2.4 Residuos sólidos urbanos
Son los que se generan en espacios urbanizados derivados del consumo y realización
de actividades domésticas, servicios de hotelería y restaurantes, al igual que de oficinas,
lodos de plantas de tratamientos de aguas residuales, y residuos de poda de parques y
jardines (Jaramillo y Zapata, 2008).
Hoy por hoy existe una problemática sobre cómo se deben procesar los lodos de las
plantas de aguas residuales. En diferentes partes del mundo se desarrollan estudios para
determinar, la forma más eficiente de realizar el manejo de los lodos de aguas residuales de
las plantas de tratamiento. Para esto se han desarrollado trabajos donde se elaboran compost
9
en anaerobiosis y aerobíosis, y posteriormente se comparan para identificar cuál de estos
procesos es el que ofrece las mejores características (ver Tabla 6) (Angelidaki y Ahring,
1997; Himanen y Hänninen, 2011).
2.5 Otros residuos
Para aprovechar los desechos y generar un producto de valor de agregado, se han
desarrollado diferentes tecnologías para utilizar los residuos. Uno de esos avances
tecnológicos llevó a investigadores a desarrollar un baño para utilizar los excrementos
humanos aplicando el principio del compostaje aeróbico y los microorganismos para la
estabilización de la materia orgánica. Esta propuesta aún se encuentra en fase de
investigación, pero promete ser una alternativa viable para los baños, principalmente en
espacios públicos (López et al., 2005).
También se han desarrollado estudios de degradabilidad de diferentes elementos.
Para este trabajo se utilizaron polímeros de origen natural que se comportan como plásticos
para realizar compostaje. Estos polímeros son policaprolactona (PCL), ácido poliláctico
(PLA). Los investigadores determinaron que los materiales compuestos por PLA y PCL se
pueden utilizar en el proceso de compostaje. Hoy en día estos polímeros no representan
grandes volúmenes de residuos, pero para un futuro podrían ser una opción para remplazar
los plásticos, con la diferencia que estos polímeros pueden degradados (Pradhan et al.,
2010).
Ipek et al. (2002) determinaron que el compostaje podía eliminar la radiación,
puesto que se observó reducción en la β-radiación en el compostaje aeróbico.
La Posidonia oceanica que es tipo de pasto marino que afecta las costas del
mediterráneo. Los investigadores aprovechando este recurso y elaboraron compost
utilizándola como materia prima (Saidi et al., 2009).
Colón et al. (2013) utilizaron los pañales de los bebes usados, puesto que estos
contiene materia orgánica que se puede aprovechar para la elaboración de compost. En la
Tabla 6 se presentan algunos estudios con diferentes tipos de materias primas.
En los ejemplos anteriormente presentados se observa como esta tecnología del
compostaje es flexible y se puede adaptar con diferentes materias primas. Lo que podría
representar una oportunidad para incrementar el uso de esta metodología en países en vía de
desarrollo.
Tabla 5. Residuos con alto contenido de nitrógeno.
Materiales Carbono-Orgánico (%) Nitrógeno (%)
Estiércol de cerdos 55,62* 2,53*
Deyecciones de vaca 13,5 1,30
Estiércol de aves de corral 15,1 2,21
Excrementos de conejos 16,7 1,04
Estiércol de rata de caña 20,9 1,95
Lodos de lago 8,12* 0,33*
* Son valores tomados de Zhang y He (2006).Adaptado de Adeniyan et al. (2011).
12
Tabla 6. Compostaje de diferentes materias primas.
Tipo de residuos Materiales Observaciones Referencia
Agrícolas
Desechos de café Pergamino, frutas y hortalizas, y
tallos de pasto guinea (Panicum maximum). Los ensayos
fueron suplementados con estiércol de conejo.
Se utilizaron diferentes combinaciones de cáscara de
banano, estiércol de vaca, gallinaza y lombrices.
Se mezclaron paja de arroz y estiércol de vaca, esto en
diferentes proporciones, 75/25, 80/20, 85/15
respectivamente.
El café con excretas de conejo obtuvo una mayor
concentración de carbono, nitrógeno que los
otros compost.
El compostaje que dio mejores resultados fue
aquel que se desarrolló en aerobíosis y con
gallinaza
La mejor proporción paja estiércol fue 75/25.
Madrid et al. (2000)
Kalemelawa et al. (2012)
Liu et al. (2011)
Pecuarios
Porcinaza 40% y pollinaza 60%.
Cadáveres de cerdos.
Se obtuvo un compost de buenas características.
Y se reintegró un desecho a la cadena productiva.
El compostaje se elaboró con un sistema por
capas con compost maduro. Se obtuvo un
compost de buena calidad; no hay producción de
olores y además ocurre la eliminación de
bacterias patógenas.
Morán y Naranjo (2013)
McCaskey et al. (1996)
Urbanos
Residuos de cocina, lodos aerobios y lodos anaerobios.
Residuos orgánicos del basurero municipal de Estambul
(Turquía).
Aguas residuales de molinos de aceites de oliva, residuos
domésticos y lodos de aguas residuales
La mineralización y la liberación dióxido de
carbono fue superior en compost anaerobio
La amonificación y
nitrificación fueron mayores en el compost
aeróbico
Se realizó un perfil de los microorganismos
presentes en las diferentes fases del compostaje.
Se identificó que el estiércol ayuda a degradar las
aguas almazara oliva, que son difíciles de
descomponer
Himanen y Hänninen (2011)
Karadag et al. (2013)
Angelidaki y Ahring (1997)
13
Agroindustriales
Bagazo de caña, cascara de naranja paja de trigo
Paja de arroz, vermiculita, aserrín, basura de papel y estiércol
de ganado.
Estiércol cerdo, aserrín de pino, mezclados en diferentes
proporciones. Todas las mezclas contenían 5 % de
residuos de té y 5% de residuos de hierbas.
Las mezclas utilizadas fueron aserrín 14%, cascarilla
arroz 22%, porcinaza 14%, gallinaza 10% y residuos de
palmitos.
Residuos de betabel, residuos de uvas, pajas y lodos
Aguas residuales de molinos de aceites de oliva, residuos
domésticos y lodos de aguas residuales
Realizaron prueba de fitotoxicidad a los
materiales compostados mediante la técnica de
germinación
Se describió la relación entre el contenido de
quinona, la reducción de la masa y el consumo de
oxígeno en el compostaje.
El compost obtenido con las mejores
características fue el que tenía con el 30% de
estiércol cerdo.
Sistema silo hiperventilado (cilindro de malla y
un sistema para recolección de lixiviados)
Este estudio indica que la radiactividad beta
podría ser reducida por el compostaje aeróbico
Se identificó que el estiércol ayuda a degradar las
aguas almazara oliva, que son difíciles de
descomponer
López (2011)
Tang y Katayama (2005)
Zhang y He (2006)
Yañez et al. ( 2007 )
Ipek et al. (2002)
Angelidaki y Ahring (1997)
Otros residuos Estiércol humano
Pañales de bebes usados y residuos orgánicos del relleno
sanitario municipal
Posidonia oceanica mezclada con residuos vegetales
Bio-baño basado en el principio de compostaje
aerobio. Estiércol donde se almacena el en un
biorreactor.
Se identificó que los pañales pueden ser
compostados. Asimismo se determinó la ausencia
de microorganismos patógenos.
Aprovechamiento de P. oceanica para generar un
producto de utilidad.
López et al. (2005)
Colón et al. (2013)
Saidi et al. (2009)
15
3. MICROORGANISMOS DEL COMPOSTAJE
El compostaje es realizado por una gran variedad de microorganismos. Los
microorganismos, de acuerdo con sus características fisiológicas, se desarrollan y prevalecen
encuentran en diferentes fases del proceso. En los primeros días de compostaje se
encuentran poblaciones microbianas de tipo mesófilo con crecimiento entre 15 y 35 ºC.
Posteriormente se desarrollan los microorganismos termófilos (45-65ºC) y luego que el
compost se enfría, reaparecen los mesófilos (ver Figura 2).
Las bacterias predominan en el estadio temprano del compostaje. Los hongos están
presentes durante todo el proceso siempre que la humedad esté por debajo de 35% y las
temperaturas no sean mayor a 60ºC (Bernal et al., 2009) (ver Tabla 7 y Figura 2). Cuando
la pila de compost alcanza temperaturas de 60-65ºC, estará realizando una autoesterilización
donde se eliminan los microorganismos patógenos que pueden afectar plantas y animales
(Insam y De Bertoldi, 2007; Neklyudov et al., 2008; Vélez et al., 2008; Bernal et al., 2009).
Los microorganismos que se encuentran en el compostaje son principalmente
descomponedores, saprófitos o también llamados quimioorganótrofos. Los
quimioorganótrofos son organismos que obtienen la energía a partir de compuestos
orgánicos. De hecho, todos los compuestos orgánicos naturales y gran parte de los sintéticos
pueden ser desdoblados por el metabolismo de uno o varios microorganismos. La energía se
obtiene por oxidación del compuesto concreto y se conserva en la célula como ATP
(Madigan et al., 2009).
Tabla 7. Distribución de la población microbiana durante el proceso de compostaje.
Microorganismo Tipo de
crecimiento
Fase mesófila
<40ºC
Fase termófila 40-
70ºC
Fase Mesófila <40ºC
(enfriamiento)
Bacterias Mesófilo 108 106 1011
Termófilo 104 109 107
Actinobacterias Termófilo 104 108 105
Hongos Mesófilo 106 103 105
Termófilo 103 107 106
Adaptado de leky y Benedek (2010).
3.1 Bacterias
Las bacterias son los primeros microorganismos que actúan sobre el compostaje. Por
su crecimiento rápido aprovechan los nutrientes de fácil disponibilidad como sacarosa,
glucosa, almidones y carbohidratos, entre otros.
La acción combinada de enzimas ayuda a las bacterias a estar presentes durante las
diferentes fases del proceso de compostaje, desde la fase mesófila, hasta la fase de
maduración (Insam y De Bertoldi, 2007; Neklyudov et al., 2008).
Principalmente las bacterias que se encuentran en el compostaje son las que
naturalmente crea los suelos, y son descomponedoras o quimioorganotróficas. Dentro del
grupo de los quimioorganótrofos encontradas durante el compostaje se cuentan géneros de
16
bacterias clave como Pseudomonas, Burkholderia, Zymomonas, Xanthomonas, las bacterias
aerobias fijadoras de nitrógeno entre otras (Madigan et al., 2009). En el compostaje también
se pueden encontrar bacterias quimiolitótrofas como es el grupo de las nitrosoficantes,
encargadas de la nitrificación; los géneros más representativos son Nitrosomonas y
Nitrospira. Se han encontrado múltiples familias y especies de bacterias asociadas al
proceso del compostaje, donde cada una se localiza en diferentes fases del proceso (ver
Tabla 7).
Para el sector agroindustrial es importante conocer el tipo de bacterias que llevan a
cabo la transformación en el compostaje, puesto que algunos de estos microorganismos
pueden ser de utilidad en diferentes procesos agrícolas.
3.1.1 Actinobacterias
Las actinobacterias forman parte de un gran grupo de bacterias Gram positivas
filamentosas que cuentan con, filamentos ramificados. Estos microorganismos están
ampliamente distribuidos en el mundo en diferentes pisos térmicos y climas, tanto en tierra
como en el agua, además son responsables del olor característico del suelo. Se ha observado
que hay cambios poblacionales de acuerdo con las estaciones climáticas (Takizawa et al.,
1993; Xu et al., 1996; Gonzalez, 2009).
Las actinobacterias tiene un crecimiento ramificado formando una red llamada
micelio, análogo al de los hongos filamentosos (Madigan et al., 2009). Estos
microorganismos juegan un rol importante en la descomposición de la materia orgánica,
puesto que poseen la capacidad, junto con los hongos, de degradar polímeros resistentes
como lo son ácidos grasos, lignina, celulosa y hemicelulosa, entre otros (Bernal et al., 2009).
Por otra parte, las actinobacterias toleran temperaturas y pH más elevados que los hongos
(Tuomela et al., 2000). Asimismo, este grupo de bacterias produce una gran variedad de
metabolitos como antibióticos, promotores del crecimiento, herbicidas e insecticidas que
ayudan a la salud de las plantas (Crawford et al., 1993; Janso y Carter, 2010). Por lo
anteriormente mencionado las actinobacterias son importantes en la rizosfera. Por las
características mencionadas, las actinobacterias son de gran interés como agentes biológicos
para el control de diferentes patógenos de plantas (Crawford et al., 1993; Takizawa et al.,
1993). El interés de las actinobacterias en el compostaje radica principalmente en su
capacidad de degradar material orgánico.
Los géneros de actinobacterias que han sido aislados en la fase termófila del
compostaje son Nocardia, Streptomyces, Thermoactinomyces y Micromonospora (Tuomela
et al., 2000) (ver tabla 6).
Como se puede observar los actinomicetos poseen diferentes características lo que
los hace atractivos objetos de investigación. Estos microorganismos son aislados en
diferentes fases del proceso de compostaje. El conocimiento de la fisiología de este grupo de
bacterias, permitirá lograr una mayor compresión de las transformaciones ocurridas durante
el compostaje, por lo que su aislamiento, identificación y cuantificación es crucial para el
estudio global de este proceso.
17
Tabla 8. Bacterias involucradas en el proceso de compostaje.
Grupo
filogenético
Género y especie Relevancia ecológica Fase de
aparición
Pro
teo
ba
cter
ia
Alf
a
Pseudomonas putida Patógeno
Pseudomonas sp.
Methylosinus
trichosporuim
Metanotrófica
Caulobacter spp. Mesófilo
Erythrobacter longus Mesófilo
Bet
a
Nitrosospira briensis Nitrificante
Nitrosomonas europaea Nitrificante
Nitrosolobus multiformis Nitrificante Medio
Achromobacter sp.* Meso/termo
Achromobacter
xylosoxidans*
Mesófilo
Acidovorax facilis* Mesófilo
Acidovorax sp.* Mesófilo
Alcaligenes faecalis* Meso/termo
Alcaligenes sp.* Mesófilo
Gam
a
Escherichia coli Potencial patógeno
Methylomonas methanica Metanotrófica
Azotobacter chroococcum Fijadora de nitrógeno Mesófilo
Salmonella sp. Patógena
Streptomyces rectus
Streptomyces thermofusus
Streptomyces violaceus-
ruber
Streptomyces
thermoviolaceus
Streptomyces sp.
Nocardia sp.
Microbispora bispora Termófilo
Actinomadura sp. Termófilo
Acinetobacter sp.* Meso/termo
Ba
cter
ias
Gra
m-p
osi
tiv
as
Fo
rmad
ore
s d
e en
do
spo
ras
baj
as e
n
GC
Bacillus
stearothermophilus
Muy común en el
compost
Termófilo
Bacillus
thermodenitrificans
Desnitrificante
Termófilo
Bacillus brevis
Bacillus circulans
18
Bacillus coagulans
Bacillus sphaericus
Bacillus subtilis
Bacillus licheniformis Potencial patógeno
Bacillus sp.
Clostridium thermocellum
Clostridium sp. Fijador de nitrógeno Anaerobio
Klebsiella sp. Fijador de nitrógeno
Act
ino
bac
teri
as
Saccharomonospora
viridis
Patógeno
Streptomyces
thermovulgaris
Patógeno
Actinobifida chromogena
Thermoactinomyces
vulgaris
Termófilo
Micropolyspora faeni
Pseudonocardia
thermophila
Thermomonospora curvata
Thermomonospora viridis
Thermomonospora
sacchari
Deinococcus/
Grupo térmico
Thermos sp. Termófilo
Hydrogenobacter
Adaptado de Insam y De Bertoldi (2007). * Datos tomados de Ryckeboer et al. (2003).
3.2 Hongos
Los hongos son un grupo de organismos muy diversos y extendidos dentro de los
cuales se encuentran los mohos y las levaduras. La mayoría de los hongos habitan el suelo y
se caracterizan por alimentarse de materia vegetal muerta; además los hongos cumplen una
importante función en la mineralización de carbono orgánico (Madigan et al., 2009).
Los hongos descomponedores son quimioorganótrofos y deben tener condiciones
adecuadas para el crecimiento, temperatura, fuentes de carbono, nitrógeno y un pH
adecuado. La mayoría de hongos crecen en pH ácidos con la excepción de los
basidiomicetos (Tuomela et al., 2000). Los hongos se alimentan mediante la secreción de
enzimas extracelulares que degradan compuestos orgánicos complejos como polisacáridos o
proteínas, convirtiéndolos en sus monómeros constituyentes. Estos monómeros, ya de menor
tamaño, son absorbidos por el hongo (Madigan et al., 2009). Estos organismos son
principalmente aerobios mesófilos (Madigan et al. leky y Benedek, 2010).
Los hongos son microorganismos que están presentes durante todo el proceso de
compostaje, pero su población disminuye cuando el compost alcanza niveles de temperatura
por encima de 60ºC leky y Benedek, 2010) (ver Tabla 7).
Estos organismos poseen la capacidad de degradar papel, madera, y materiales
derivados de éstos, utilizando la lignina y la celulosa como fuente de carbono y energía. La
lignina es descompuesta principalmente por ciertos basidiomicetos, denominados hongos de
la podredumbre de madera. Existen dos tipos de podredumbre, la podredumbre marrón que
ocurre cuando los hongos solo están degradando y haciendo uso de la celulosa, y la
podredumbre blanca ocurre cuando el organismo está descomponiendo lignina y celulosa
(Madigan et al., 2009).
19
Los hongos representan un interés industrial ya que poseen una gran batería de
enzimas que ayudan a la descomposición de polímeros resistentes como la lignina y
celulosa. Por lo tanto algunas de estas enzimas se pueden utilizar a nivel industrial para el
aprovechamiento de los residuos con contenido lignocelulósico.
También hay hongos, como Penicillium spp. que participan en la solubilización del
fósforo del suelo a través de la producción de ácidos orgánicos, tanto intracelulares como
extracelulares. Hongos como Trichoderma spp. pueden excretar vitaminas al medio, las
cuales son absorbidas por la planta e inducen resistencia sistémica (Zayed y Abdel-Motaal,
2005; Anastasi et al., 2005). Otros hongos que se encuentran en el compostaje se
desempeñan en diferentes procesos, como Ulocladium atrum que está relacionado con la
humificación (Pérez et al., 2010).
Por lo tanto los hongos son microorganismos indispensables para el proceso de
compostaje y para la buena salud de los suelos. En general durante el compostaje se puede
encontrar diferentes clases de hongos entre estos están basidiomicetos, y zigomicetos,
ascomicetos (Anastasi et al., 2005) (ver Tabla 9).
Tabla 9. Hongos encontrados en el proceso de compostaje.
Hongos
Filum Mesófilos Termófilos
Ascomicetos
Fusarium culmorum Aspergillus fumigatus
Fusarium roseum Humicola isolens
Stysanus stemonitis Dactylomyces crustaceous
Aspergillus niger Torula thermophila
Geotrichum candidum
Basidiomicetos Coprinus cinereus
Zigomicetos Mucor jansseni Mucor pusillus
Adaptado de Frioni y De los Santos (1998).
20
Figura 2. Curva de abundancia y comportamiento de los microorganismos en el proceso de
compostaje. Fuente: Ryckeboer et al. (2003).
3.3 Otros microorganismos
En el compostaje no solo se pueden encontrar microorganismos como hongos,
levaduras y bacterias, sino también arqueas, parásitos y virus (Insam y De Bertoldi, 2007;
Shilev et al., 2007).
3.3.1 Arqueas
Muchas arqueas son termófilas e hipertermófilas, puesto que se han aislado de
fuentes termales. Durante el compostaje solo se han aislado unas pocas arqueas utilizando
metagenómica. Una de las razones por las cuales es relativamente baja la abundancia de
arqueas en el compostaje, se debe a su carácter oligotróficas (crecen en ambientes con baja
concentración de nutrientes). Adicionalmente, debido a sus tiempos de generación más altos
que los de las bacterias, las hace inadecuadas para este proceso que exhibe condiciones que
cambian rápidamente (Insam y De Bertoldi, 2007).
3.3.2 Parásitos
Principalmente, los parásitos se encuentran en el compostaje en fase inicial sin
desempeñar algún tipo de proceso de descomposición, pero sí de depredación de los
microorganismos del compostaje. (Shilev et al., 2007). Por otra parte, pueden ser agentes
contaminantes que llegan al compostaje en materia orgánica contaminada. Los parásitos
mueren después de la fase termófila del compostaje, ya que estos organismos no poseen la
capacidad para sobrevivir a las altas temperaturas que se alcanzan durante el compostaje
(Vinneras et al., 2003; Insam y De Bertoldi, 2007).
Por lo tanto, por estas características, el compost es inocuo en cuanto a parásitos, lo
que no ocurre cuando se aplica estiércol fresco a los cultivos con fines de fertilización.
21
3.3.3 Virus
Los virus se pueden encontrar en el compostaje como agentes que infectan las
bacterias (bacteriófagos) o las células animales y vegetales presentes en los residuos
orgánicos (Madigan et al., 2009). Por lo tanto su presencia para el proceso de compostaje no
es relevante, ya que no contribuye a la descomposición de la materia orgánica. Sin embargo,
sí es importante su seguimiento ya que pueden infectar las bacterias que ayudan en dicho
proceso (Amossé et al., 2013). La gran mayoría de virus mueren en la fase termófila de
compostaje (Insam y De Bertoldi, 2007).
En este sentido, el compostaje podría ser una alternativa para eliminar los virus de un
cultivo, es decir, se toman las partes afectadas de las plantas infectadas y se genera un
compostaje con estas. Así se aprovecha esa materia orgánica y se elimina el virus por calor
evitando su diseminación.
3.4 Otros organismos
En el compostaje se crea un nicho ecológico para muchos organismos donde se
establecen cadenas tróficas, con consumidores primarios, secundarios y terciarios, los
consumidores primarios son aquellos que consumen los residuos orgánicos como bacterias,
hongos, actinomicetos, nematodos, caracoles, babosas, lombrices de tierra, milpiés,
cochinillas y gusanos blancos. Los consumidores primarios son depredados por los
consumidores secundarios como colémbolos (artrópodos diminutos), nematodos,
protozoarios, rotíferos y platelmintos de suelo. Finalmente, como consumidores terciaros y
máximos depredadores se encuentran cienpies, ácaros depredadores, hormigas, etc. (Shilev
et al. leky y Benedek, 2010).
3.5 Identificación de microorganismos del compost
Desde hace tiempo se identificó la dinámica de las poblaciones de microorganismos
presentes en el proceso de compostaje, por lo que se han publicado muchos estudios sobre
las comunidades microbianas que intervienen en este proceso (Bagstam, 1978; Insam y De
Bertoldi, 2007). Algunos trabajos se enfocan a determinar los cambios poblacionales de los
microorganismos durante el proceso de compostaje (Bagstam, 1978). Otros estudios se
centran en el aislamiento de los microorganismos de acuerdo con su grupo funcional
(proteolítico, amilolítico y solubilizadores de fósforo, entre otros) mediante técnicas de
cultivo en medios especializados (Pepe et al., 2013; Ryckeboer et al., 2003 ). De otro lado,
otros estudios realizan aislamientos de bacterias presentes en la fase termófila del compost
por su posible utilidad en la industria (Beffa et al., 1996). Con las técnicas de microbiología
clásica se determina el número de individuos de la población presentes en el compost (Papen
y von Berg, 1998). Existen técnicas de identificación donde se utiliza la cuantificación de
los ácidos grasos de bacterias (Ryckeboer et al., 2003 ). Otras metodologías utilizan pruebas
bioquímicas para la identificación de los microorganismos. Una de las mayores limitantes de
técnicas mencionadas es que dependen de los cultivos para llevarse a cabo. Como es
conocido que menos del 1% de microorganismos del suelo se pueden cultivar con técnicas
de microbiología convencional (Daniel, 2005), se deben aplicar nuevas metodologías para
identificar las poblaciones presentes en suelos y el compost (Daniel, 2005; Insam y De
Bertoldi, 2007). Por ello muchas técnicas utilizadas hoy en día no dependen del cultivo. Para
estudiar las poblaciones microbianas presentes en los suelos se han desarrollado diferentes
técnicas con distintas aproximaciones (Ryckeboer et al., 2003; Daniel, 2005).
22
De acuerdo con los recientes desarrollos en las técnicas de biología molecular, se han
podido identificar muchas otras especies presentes en el compost (Beffa et al., 1996). Con el
desarrollo de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), la secuenciación y la
metagenómica, se han llevado a cabo diferentes estudios para identificar la población
microbiana presente en el proceso de compostaje (Beffa et al., 1996; Heuer et al., 1997;
Ryckeboer et al., 2003; Daniel, 2005; Karadag et al., 2013). Asimismo se han podido
desarrollar estudios del cambio poblacional que ocurre durante el proceso de compostaje
(Ryckeboer et al., 2003; Insam y De Bertoldi, 2007; Tian et al., 2013). Para ello se utilizan
técnicas como Polimorfismo de Conformación de Cadena Simple (Single Strand
Conformation Polymorphism SSCP), y Electroforesis en gel con gradiente de
desnaturalización (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis DGGE) que permiten hacer
estudios de las comunidades microorganismos presentes en las muestras, haciendo uso de
cebadores o primers universales que amplifican una región especifica del ARN ribosomal
16S, se han aplicado otras técnicas como Polimorfismo de Longitud de Fragmentos de
Restricción Terminal (Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism T- RFLP ) para
la amplificación de genes de la región 16S en procariotas y de la región 18S del ADN
ribosomal en eucariotas (Ryckeboer et al., 2003; Insam y De Bertoldi, 2007; Chroni et al.,
2009).
Por otra parte, se han desarrollado técnicas más robustas como la metagenómica
permite realizar el análisis de genomas sin necesidad de cultivar los microorganismos. La
metagenómica es la aplicación de técnicas genómicas modernas que permiten el estudio de
comunidades microbianas directamente ambiente natural, sin necesidad de realizar
aislamiento y cultivo en el laboratorio (Chen y Pachter, 2005). El termino metagenómica fue
utilizado por primera vez por Handelsman en 1998 y subsecuentemente explicado por el
concepto estadístico de meta-análisis (proceso de combinar estadísticamente análisis
separados) (Rondon et al., 2000; Schloss y Handelsman, 2003). La metagenómica es muy
utilizada, para el estudio de comunidades microbianas presentes en ambientes como mares,
ríos y suelos, entre otros, ya que es sabido que solo aproximadamente el 1% de
microorganismos ambientales son cultivables (Rondon et al., 1999; Daniel, 2005; Steele y
Streit, 2005). Con esta metodología se puede aprovechar el 99% microorganismos que no
son cultivables, lo que hace posible la recuperación de genes que podrían tener una posible
aplicación biotecnológica o estar involucrado en una ruta metabólica de interés (Rondon et
al., 1999). Típicamente la metagenómica consiste en realizar un extracción de ADN del
ambiente que se requiera explorar, posteriormente se construye una librería y luego estos
constructos (vectores de clonación más el fragmento de AND foráneo) se envían a
secuenciar (Schloss y Handelsman, 2003; Chen y Pachter, 2005). Pero hoy en día con la
nueva generación de secuenciación permite secuenciar fragmentos más grandes y además lo
pueden hacer de novo, (no necesitan tener una secuencia de inicio), esto elimina la necesidad
de generar librerías, lo que genera economía de tiempo y recursos (Soleri et al., 2013).
Posteriormente, con las secuencias obtenidas con ambas metodologías mencionadas
anteriormente, se realiza la comparación de secuencias haciendo uso de la herramienta
BLAST (Basic Local Alignmnet Search Tool) del National Center of Biotechnology
Information y en otros bancos de genes disponibles. Estos análisis permitirá la identificación
de los grupos y familias de bacterias presentes en las muestras, asimismo también se pueden
realizar análisis para identificar los genes y funcionalidad (Schloss y Handelsman, 2003;
Steele y Streit, 2005).
En algunos casos para los estudios de genes funcionales, el fragmento de ADN a
estudiar es clonado en un vector de expresión y se introduce en una bacteria como E. coli
para su expresión (Rondon et al., 2000). En la actualidad con los avances en las técnicas de
secuenciación se pude realizar el análisis de funcionalidad in silico haciendo uso de
23
herramientas como metatranscriptómica y metaproteómica (Chistoserdova, 2010).
Por otra parte, utilizando la metagenómica se recuperan genes de interés que no se
podrían identificar haciendo uso metodologías basadas en PCR de un para la amplificación
de una región especifica, por ejemplo: con una PCR específica no se logra detectar un
transposón que podría ser de interés (Schloss y Handelsman, 2003). Por lo tanto, la
metagenómica permite descubrir nuevos biocatalizadores, agentes terapéuticos y otros
recursos biotecnológicos que se pueden utilizar (Steele y Streit, 2005). Asimismo con la
metagenómica se pueden realizar estudios para identificar poblaciones de microorganismos
en el compost e identificar genes involucrados en el proceso de transformación o de interés
(Martins et al., 2013).
Con las técnicas tanto de microbiología clásica como de biología molecular se ha
logrado identificar los microorganismos presentes en las diferentes fases del proceso de
compostaje. Algunos trabajos realizan la aproximación microbiológica para la obtención de
los microorganismos, otros estudios realizan la caracterización a nivel de biología
molecular, e identifican los microorganismos, pero no los pueden obtener para posteriores
estudios o trabajos. Por ende para lograr el aprovechamiento de estos microorganismos del
compost, se deben realizar técnicas de biología molecular y de microbiología clásica, para
tener una aproximación más cercana de los mismos.
4. BIOPROCESO DEL COMPOSTAJE
El compostaje es un proceso biológico aeróbico, mediado por microorganismos,
donde los residuos de materia orgánica sólida se transforman en compuestos más que son
precursores de sustancias húmicas (Zapata leky y Benedek, 2010). Las
principales materias primas utilizadas para el compostaje son residuos de la agricultura,
agroindustrias y otros que sean putrescibles leky y Benedek, 2010).
4.1 Fundamento del proceso
El proceso del compostaje consta de cuatro fases. Primero comienza con una
descomposición inicial que puede durar de 1 a 3 días, esta fase la realizan los
microorganismos mesófilos que crecen entre 15 y 35ºC, y que aprovechan rápidamente los
compuestos solubles y de fácil disponibilidad como azúcares, aminoácidos, lípidos, etc. Esta
fase es conocida como mesófila (ver Figura 3 ) (De Bertoldi et al., 1983; Insam y De
Bertoldi, 2007; Bernal et al., 2009).
En los procesos mencionados anteriormente ocurren reacciones exotérmicas que
incrementan la temperatura del compostaje, la cual puede llegar de 65 a 80 ºC haciendo que
la población de mesófilos sea menos competitivos y sea remplazada por los termófilos (De
Bertoldi et al., 1983; Insam y De Bertoldi, 2007). Esta fase es conocida como fase termófila
en donde ocurre la proliferación de microorganismos que poseen las enzimas que degradan
moléculas complejas como celulosa, lignocelulosa, hemicelulosa, ácidos grasos y proteínas
entre otras. Las bacterias aprovechan estas fuentes de energía para desarrollar todos sus
procesos metabólicos (Insam y De Bertoldi, 2007; Bernal et al., 2009). Asimismo, con el
24
aumento de la temperatura ocurre la destrucción de agentes patógenos y semillas que
pudieran germinar (Vinneras et al., 2003; Insam y De Bertoldi, 2007; Neklyudov et al.,
2008; Vélez et al., 2008).
En la fase termófila se requiere de mucha energía para mantener las altas
temperaturas del proceso. Una desventaja de las altas temperaturas es cuando estas pasan de
60ºC los hongos mueren, mientras continúa la actividad por parte de los actinomicetos.
Posteriormente, las fuentes de energía se agotan y la pila de compost vuelve a
obtener temperaturas entre los 15 y los 35ºC, permitiendo así que los mesófilos sean
competentes de nuevo y desplacen a los termófilos. En esta fase los mesófilos, haciendo uso
de sus enzimas, degradan los restos de azúcares, celulosa y hemicelulosa. Esta tercera fase
es conocida como fase de enfriamiento y una cuarta fase que es la maduración. En esta fase
de maduración es donde ocurre el proceso de humificación y se generan las huminas, ácidos
fúlvicos y ácidos húmicos (De Bertoldi et al., 1983; Sharma et al., 1997; Shilev et al., 2007;
Bernal et al., 2009; Zapata, 2009; Zeng, 2010). En la Figura 3 se puede observar las
diferentes fases del compostaje.
Figura 3. Variación de la temperatura durante las diferentes fases del compostaje de
acuerdo a la actividad de los microorganismos (1 fase mesófila, 2 fase termófila, 3 fase
mesófila o fase de enfriamiento, y 4 fase de maduración. Fuente: Shilev et al. (2007).
4.1.1 Mineralización de la materia orgánica
La mineralización de la materia orgánica es un proceso mediante el cual el carbono y
el nitrógeno son oxidados a dióxido de carbono (CO2) y nitratos (NO-3), respectivamente.
Estos elementos, en sus formas oxidadas, son más fácilmente asimilables por las plantas.
Este proceso es fundamental para la vida en la tierra. Además, con la descomposición del
amoniaco y otros ácidos orgánicos se evita que lleguen a las plantas sustancias que pueden
ser fitotóxicas (Busbya et al., 2007).
El proceso de mineralización depende de la materia orgánica utilizada. Por ejemplo
una materia orgánica fresca estimula el metabolismo microbiano y la síntesis de enzimas
que participan en el proceso. La descomposición biológica depende de la velocidad de
25
degradación de una amplia gama de compuestos que contiene carbono como hidratos de
carbono, aminoácidos, ácidos grasos, lignina, etc. (Bernal et al., 1998). La mineralización
también depende de los microorganismos allí presentes puesto que ellos determinan la
dinámica de la mineralización (Gillis y Price, 2011). Por otra parte se ha demostrado que la
cantidad de C/CO2 liberado al suelo depende del material utilizado y su contendido de
carbono soluble (carbohidratos, aminoácidos etc.) (Bernal et al., 1998).
También se conoce que por la concentración de carbono de fácil disposición la
mineralización se realiza en la fase mesófila (Bernal et al., 1998). La cuantificación de la
mineralización del carbono y el nitrógeno se utiliza como indicador de la madurez del
compost (Busbya et al., 2007).
Como aún no se conocen muchos detalles del proceso de mineralización, se deben
realizar más estudios encaminados a dilucidar a profundidad este proceso.
4.1.2 Humificación
El humus es material coloidal producto de la descomposición y transformación de
materiales orgánicos putrescibles.
Durante el compostaje se transforma la materia orgánica en dióxido de carbono,
vapor de agua, amoniaco, nutrientes inorgánicos y materia orgánica precursores de las
sustancias húmicas (Bernal et al., 1998; Gonzáles, 2009).
De la bioquímica del humus se conoce muy poco. Al respecto, se han presentado
diferentes rutas para este proceso. La primera ruta es formación de humus a partir de la
lignina; los microorganismos degradan la lignina, y cuando la descomponen de forma
incompleta se da origen al humus. En principio el producto inicial son las huminas las
cuales, por fragmentación y oxidación, dan lugar a los ácidos húmicos, que a su vez por
oxidación forman los ácidos fúlvicos. En la modificación de las ligninas se involucra la
pérdida de grupos metoxilicos ( OCH3) generando O-hidroxifenoles y la oxidación de
cadenas alifáticas laterales para la formación de grupos ( COOH). En esta ruta de formación
del humus, se toma como punto de partida los polímeros complejos con un alto grado de
condensación (Grant y Long, 1989; Mora, 2006; Gonzáles, 2009).
La segunda y tercera ruta propuesta es la del polifenol. En esta ruta utilizan
materiales orgánicos como la celulosa. En este caso los ácidos liberados durante el ataque
microbiano (este último de carácter enzimático) llevan a la conversión de quinonas, las
cuales se polimerizan en presencia de un compuesto amino, para finalmente obtener
moléculas tipo humus. Esta ruta posee una variante donde los polifenoles son sintetizados
por los microorganismos que utilizan el carbono procedentes de fuentes distintas a la lignina
(Gonzáles, 2009).
La cuarta y última ruta es la condensación de azúcares. Esta ruta se fundamenta en la
idea que los microorganismos del suelo producen azúcares y aminoácidos a partir de la
degradación enzimática de compuestos como celulosa y proteínas. La reducción de azúcares
y aminoácidos formados a partir del metabolismo microbiano experimenta una
polimerización no enzimática, que permite la formación de polímeros nitrogenados pardos,
similares a los que se producen durante la deshidratación de ciertos alimentos bajo
condiciones de temperatura moderada.
Aunque las reacciones mencionadas pueden avanzar de forma lenta, en condiciones
normales de temperatura, los eventos frecuentes de humedecimiento y secado facilitan la
unión de los azúcares con la parte mineral del suelo y su posterior condensación (Gonzáles,
2009). En la Figura 4 se observa una representación esquemática del proceso de formación
del humus.
Hasta ahora solo se tienen las hipótesis de cómo es la formación del humus, pero aún
no se conoce detalladamente como se desarrolla este proceso. Los avances tecnológicos en
26
las ciencias ómicas (genómica, proteómica, transcriptómica y metabolómica), tienen el
potencial de contribuir a la comprensión de cómo se desarrolla el proceso de formación del
humus.
Figura 4. Representación esquemática de las rutas que explican la formación del humus.
Fuente: Gonzáles (2009).
4.1.3 Variables de operación del compostaje
Por ser el compostaje un proceso realizado por microorganismos se deben tener en
cuenta los factores que afectan su crecimiento y desarrollo como la temperatura, el pH, el
oxígeno, la humedad y la disponibilidad de nutrientes (De Bertoldi et al., 1983; Zeng, 2010).
Para que el proceso de compostaje sea eficiente, se deben mantener unos requerimientos
ambientales mínimos y máximos (Shilev et al., 2007).
4.1.3.1 Temperatura
El compostaje en su fase termófila debe tener temperaturas de 50-65ºC que son las
determinadas como óptimas. Si la temperatura se incrementa, se aumenta la tasa de
evaporación del nitrógeno lo que perjudica para la relación carbono nitrógeno evitando que
el proceso se desarrolle adecuadamente.
El rango de temperaturas afecta varias fases del proceso de compostaje. Se ha
observado por datos experimentales que durante la digestión mesófila, la descomposición de
la mayoría de los componentes de los residuos es más rápida; este proceso se realiza a bajas
temperaturas de 15- 35ºC. Posteriormente, la temperatura sube a 60-65ºC, donde se lleva a
cabo la degradación de moléculas más complejas por parte de los microorganismos
termófilos. El régimen de altas temperaturas se detiene cuando la materia biodegradable se
consume. La digestión completa reduce la actividad microbiana, permitiendo así que el
compostaje adquiera valores de temperatura ambiente (ver Figura 5) (De Bertoldi et al.,
1983; Sharma et al., 1997; Imbeah, 1998; Shammas y Wang, 2009).
La temperatura es un factor crucial para la elaboración del compostaje, de allí que se
deba tener siempre un buen control de ella, para evitar perdida de nutrientes y/o muerte de
microorganismos.
27
4.1.3.2 pH
Las variables pH, alcalinidad y contenido de ácidos volátiles, están estrechamente
relacionados entre sí en el proceso de compostaje. El pH se debe regular frecuentemente y lo
deseable es mantenerlo entre 5,5 y 8,0 que es considerado el rango adecuado (De Bertoldi et
al., 1983; Shammas y Wang, 2009).
El pH cambia considerablemente durante las diferentes fases del proceso de
compostaje (ver Figura 5). Al principio, con la formación de dióxido de carbono y ácidos
orgánicos, los valores de pH son de 5-6, después el proceso progresa y se alcanzan valores
entre 8,0 y 8,5 debido a la descomposición de las proteínas, así como a la eliminación del
dióxido de carbono (De Bertoldi et al., 1983; Sharma et al., 1997; Shilev et al., 2007).
Por lo tanto, manteniendo los valores óptimos de pH para los microorganismos se
puede alcanzar una mayor efectividad en el proceso global del compostaje podría disminuir
el tiempo de la elaboración de compostaje y hacer así más efectivo el proceso.
4.1.3.3 Humedad
La humedad es uno de los parámetros más importantes a tener en cuenta en el
proceso de compostaje. De la humedad depende el desarrollo de todos los procesos
bioquímicos que se llevan a cabo durante la degradación de la materia orgánica además de la
vida de los microorganismos allí presentes. La humedad depende de factores como, el tipo
de sistema de compostaje utilizado, el estado físico de la materia prima, la mezcla realizada
y su porosidad (tamaño de partícula) (Shilev et al., 2007).
La literatura indica que el contenido inicial de humedad adecuado para una biomasa
que se somete compostaje normalmente debe estar alrededor de 65% (De Bertoldi et al.,
1983). Se conoce que los residuos densos deben tener una humedad menor con el fin de
compensar la falta de porosidad, lo cual es útil para la libre circulación del aire. En cualquier
caso, la humedad se debe mantener entre el 50 y el 65% (De Bertoldi et al., 1983; Shammas
y Wang, 2009).
Los valores de humedad más bajos reducen la actividad microbiana de manera
significativa, mientras que valores muy elevados pueden generar putrefacción, puesto que
evita la circulación de aire produciendo un cambio en el ambiente y en la microbiota del
compostaje generando así un producto no deseado (Sharma et al., 1997; Shammas y Wang,
2009).
Utilizando los valores adecuados de humedad se garantiza que los microorganismos
allí presentes estén desarrollando adecuadamente el proceso de transformación, además esto
influye en la obtención de un buen compost y la reducción de los tiempos de su elaboración.
4.1.3.4 Nutrientes
Tanto el carbono como el nitrógeno son elementos que requieren los
microorganismos para poder desarrollar sus procesos metabólicos. Los microorganismos
utilizan treinta partes en peso de carbono por una parte de nitrógeno. Por lo tanto, para que
el compostaje sea eficiente se recomienda una relación de C/N de 30:1 (Shilev et al., 2007;
Shammas y Wang, 2009). Por otra parte, durante el proceso de compostaje la relación C/N
disminuye gradualmente desde 30:1 hasta 15:1 o 10:1 en el producto final, esto es debido a
que dos tercios del carbono de los compuestos orgánicos consumidos por los
microorganismo es convertido en dióxido de carbono (Shilev et al., 2007).
28
4.1.3.5 Oxígeno
El suministro de oxígeno se realiza generalmente mediante aireación, el oxígeno es
un factor importante para que los microorganismos desarrollen la transformación
adecuadamente, lo cual influye para que el proceso sea rápido y eficiente.
La atmósfera contiene 21% de oxígeno, los microorganismos aeróbicos pueden
sobrevivir a concentraciones tan bajas como 5% (Shilev et al., 2007). En este sentido las
concentraciones adecuadas de oxígeno en una masa de compostaje se encuentran entre 5 y
15% del volumen. A flujo de aire muy elevado el compost no alcanza las temperaturas
óptimas. Por otra parte las concentraciones por encima del 5% generan las condiciones
aerobias (Frioni y De los Santos, 1998; Shammas y Wang, 2009).
4.1.3.6 Tamaño de partícula
El tamaño de partícula es un factor importante en el proceso de compostaje, puesto
que de este tamaño depende la interacción de los microorganismos para realizar la acción de
descomposición, influyendo también en parámetros como la humedad y la aireación.
Una materia orgánica que sea compacta impedirá el intercambio de gases de los
microorganismos, al igual que ayudará a conservar altos niveles de humedad lo que dificulta
el proceso de degradación. Unas partículas demasiado grandes ayudan a la rápida
evaporación del agua lo cual tampoco es deseable.
El tamaño de partícula recomendado es de 25 a 75 mm. Cuando las materias
orgánicas poseen un tamaño de partícula muy pequeño, se deben adicionar materiales como
paja y aserrín (Zhang y He, 2006; Shilev et al., 2007). Por ejemplo, para el tratamiento de
los lodos de aguas residuales se adiciona materia vegetal como paja para incrementar la
aireación y así mejorar la actividad microbiana (Frioni y De los Santos, 1998).
Para llevar a cabo el proceso del compostaje a nivel industrial, se debe someter la
materia orgánica a reducción de tamaño para acelerar el proceso de compostaje.
Considerando conocido que la velocidad de oxidación biológica está directamente
relacionada con la cantidad de superficie expuesta al agente reactivo. Un tamaño de
partícula adecuado ayuda a la rápida degradación biológica, pero se debe tener en cuenta un
límite inferior de tamaño de partículas (De Bertoldi et al., 1983).
Por lo tanto, la mezcla de algunos tipos de residuos como aserrines, pajas y
cascarillas ayudan a mejorar las condiciones del compostaje puesto que le adiciona volumen
y genera espacios intersticiales por donde circula el aire contribuyendo así a para que el
proceso de compostaje se desarrolle adecuadamente.
29
Figura 5. Cambios de pH, temperatura durante las diferentes fases del proceso de
compostaje. Fuente: Zapata (2009).
4.2. Modelamiento del compostaje
El compostaje es una transformación bioquímica donde la materia orgánica es
degradada y estabilizada, mediante microorganismos (Bongochgetsakul y Ishida, 2008;
Giusti y Marsili, 2010). El modelamiento del compostaje se realiza para conocer cómo se
desarrolla esta transformación y para tratar de predecir su comportamiento. Para esto se
deben tener en cuenta las variables claves que indican la transformación de la materia
orgánica. Por lo tanto el modelamiento se puede realizar empleando variables como carbono
total, carbono orgánico, carbono inorgánico, nitrógeno total, nitrógeno orgánico y nitrógeno
inorgánico. Determinando estos factores y con herramientas de diferentes software, se
pueden desarrollar modelos que permitan evidenciar el comportamiento del proceso.
Uno de los problemas frecuentes con el proceso de compostaje se presenta cuando
éste se lleva a escalas grandes y comienza a fallar. De allí la necesidad de modelarlo para
conocer su funcionamiento y en algunos casos realizar procesos de optimización
(Bongochgetsakul y Ishida, 2008; Giusti y Marsili, 2010).
Para realizar el modelamiento de un proceso como el compostaje, se debe tener en
cuenta que la transformación la desarrollan los microorganismos. Por lo tanto el modelo
debe incluir la actividad biológica, la cual se puede formular con base en la estequiometría y
un modelo medioambiental dependiente el crecimiento de los microorganismos
(Bongochgetsakul y Ishida, 2008). La ecuación estequiométrica para el compostaje
evidencia la relación entre el sustrato, el oxígeno y la biomasa celular así:(Bongochgetsakul
y Ishida, 2008).
(s) Calor ( G) (x)
CaHbOcNd +0,5 (ny +2s+r-c)O2 nCwHxOyNz+ sCO2 + rH2O+(d nz)NH3 (1) Sustrato Oxígeno Biomasa Carbohidratos Agua Amonio
Por otra parte el crecimiento de los microorganismos representado mediante la
concentración celular, X, en la ecuación estequiométrica cambia según el entorno de
30
crecimiento determinado por las expresiones cinéticas de cada fase de desarrollo celular (ver
Figura 6).
Donde X representa la densidad celular por unidad de compost volumen (en kg/m3), es la
velocidad especifica de crecimiento celular dependiente del ambiente (en s-1) y específica
para la tasa de crecimiento y d es la tasa de muerte (S-1
); Los dos parámetros numéricos y
son introducidos para controlar términos del crecimiento de la ecuación en ambos lados.
Ambos parámetros presentan valores de la unidad cero en la fase de crecimiento
correspondiente. Esto le da la ventaja al modelo en la definición de la fase de crecimiento
basado en el cambio de las condiciones ambientales. En la fase de latencia (lag) y son
cero. En la fase exponencial sólo es la unidad, y en la fase de muerte sólo es la unidad
(Bongochgetsakul y Ishida, 2008).
Figura 6. Curva típica de crecimiento de microorganismos por lotes. Tomado de
Bongochgetsakul y Ishida (2008).
Muchos factores importantes influyen en el proceso de compostaje. Algunos de ellos
han sido identificados y juegan un papel importante en el control del crecimiento
microbiano: temperatura, disponibilidad de agua, concentración de oxígeno, concentración
de sustrato, e inhibidores (Shammas y Wang, 2009). Teniendo en cuenta que estos cinco
factores, afectan la tasa de crecimiento se puede aplicar la siguiente precisión para la
velocidad específica de crecimiento celular ( ) en forma del producto de estos factores:
(2)
donde, T(T) es dependiente de la temperatura (en s-1)
la temperatura dependiente de la
tasa máxima crecimiento especifico s-1
, fO2 es el factor de reducción de oxígeno, fH2O es el
factor de disponibilidad y reducción de agua, fS es el factor de reducción del sustrato, fI es el
factor de reducción del inhibidor, T es la temperatura,(en K), es el volumen de agua
contenida (en m3/m
3) , O2 es la concentración de oxígeno (en m
3/m
3), S es la concentración
de sustrato esta (kg/m3) e I es la concentración del inhibidor (en kg/m
3). Las ecuaciones
desarrolladas para este sistema se encuentran descritas en el trabajo realizado por
Bongochgetsakul y Ishida (2008).
Por otra parte el concepto de cinética enzimática es aplicable para la evaluación del
proceso de compostaje. El modelo propuesto para la evaluación del compostaje se basa en la
ecuación de Michaelis-Menten, teniendo en cuenta la interacción enzima sustrato
(Agamuthu et al., 1999). Para este caso la evaluación de la cinética se lleva a cabo con la
31
determinación de la relación carbono nitrógeno C/N. Como el proceso de compostaje es
realizado por microorganismos, se asume que la relación de la población de
microorganismos está directamente relacionada con la concentración de enzimas (Agamuthu
et al., 1999).
Asimismo durante el crecimiento, la velocidad específica de crecimiento está
relacionada con la concentración de sustrato limitante del crecimiento mediante la ecuación
de Monod, que es una expresión homologa a la de Michaelis-Menten (Monod, 1949; Doran,
1998; Agamuthu et al., 1999; Trejos et al., 2008). Muchos de los modelos para el
compostaje terminan siendo una variación de la ecuación de Monod:
(3)
donde μmax la velocidad máxima específica de crecimiento y ks es la constante de
semisaturación del sustrato (Monod, 1949).
Por otro lado algunos investigadores realizan el modelamiento del proceso de
compostaje basado solo en la temperatura, puesto que este es una variable que ayuda a
identificar las diferentes fases del proceso (Giusti y Marsili, 2010). Bari y Koenig (2012)
desarrollaron un modelo matemático para evidenciar cómo es afectado el proceso de
compostaje con aireación forzada en un sistema cerrado. Los resultados sugieren que el
modelo podría ser utilizado de manera eficiente para analizar el compostaje en condiciones
ambientales y de funcionamiento variables.
Un modelo propuesto por Fontenelle et al. (2011) incorpora tres poblaciones
microbianas (levaduras, bacterias y hongos) que metabolizan material compuesto de
azúcares, almidones, celulosa y hemicelulosa para producir compost y calor. El sistema
emplea aireación forzada y un biorreactor estático cilíndrico. Los investigadores
concluyeron que con la incorporación de variables físicas y microbiológicas al modelo, se
obtuvo una buena herramienta predictiva para la degradación del sustrato durante el proceso
de compostaje.
4.3 Sistemas de cultivo para el compostaje
El compostaje comprende un proceso de fermentación en estado sólido, por lo que el
tipo de sistema de cultivo juega un papel fundamental, por la eficiencia de la transformación
de los residuos orgánicos en el compost. Este proceso es desarrollado por microorganismos
que crecen, se reproducen en la materia orgánica y ayudan a su descomposición, lo que
permite que el proceso sea flexible y se pueda adaptar a diferentes circunstancias como las
distintas materias primas y los diferentes sistemas de compostaje. Existen principalmente
tres tipos de compostaje: el compostaje realizado con ayuda de lombrices o
vermicompostaje, el compostaje aerobio y el compostaje anaerobio (ver Tabla 10)
(Weblanatural; O`Keefe et al., 1996; Madrid et al., 2000; Majlessi et al., 2012). El
vermicompostaje es realizado con residuos de materia orgánica en presencia de oxígeno y
con la adición de lombrices (Eudrilus eugeniae, Eisenia fetida y Perionyx excavatus)
(Pattnaik y Reddy, 2009). El vermicompostaje es un proceso no termófilo y bio-oxidativo
que involucra las lombrices y microbios asociados. El papel de las lombrices es importante
en cuanto a la recuperación del carbono, en la formación del suelo, la degradación de la
celulosa y la acumulación del humus (Pathma y Sakthivel, 2012). Es conocido que las
lombrices y las bacterias trabajan en asociación; las lombrices ayudan a aumentar la
superficie de reacción de los sustratos y las bacterias ayudan a la transformación del
32
carbono, el nitrógeno y el incremento de nutrientes (Pattnaik y Reddy, 2009; Pathma y
Sakthivel, 2012). Como el vermicompost es un proceso donde no se aumentan las
temperaturas, es difícil la eliminación de los agentes patógenos.
El compostaje aerobio es aquel que realiza la transformación de la materia orgánica
con la ayuda de microorganismos (bacterias hongos y levaduras) en presencia de oxígeno,
alcanzando temperaturas mayores a 60ºC lo que elimina patógenos
leky y Benedek, 2010). Este tipo de compostaje es el más utilizado, puesto que la
transformación de materia orgánica se realiza en un menor tiempo y por poseer fase
termófila, elimina patógenos. Por sus características el compostaje aeróbico es el más
utilizado y ha sido llevado a escala industrial.
El compostaje anaerobio es aquel que realiza la descomposición de algunos tipos de
materia orgánica, sin la presencia de oxígeno. Este proceso se utiliza en el tratamiento de
excretas de animales, además se aprovecha para la generación de biogás. La denominación
más utilizada para este tipo de compostaje es la digestión anaerobia. Este tipo de tratamiento
posee la ventaja de no necesitar agentes que le adicionen volumen y además no se tiene que
oxigenar (O`Keefe et al., 1996).
En este escrito se tratará sobre en el compostaje aerobio ya que es un proceso más
eficiente en cuanto a transformación y eliminación de agentes patógenos.
4.3.1 Tipos de sistemas de compostaje
Existen diferentes sistemas para el desarrollo del proceso de compostaje, los sistemas
más utilizados son los de pilas estáticas, hileras y pilas con volteo, además de los reactores
(ver Tabla 10). Existen variantes de los sistemas mencionados basados en el principio de
mantener las características físico-químicas adecuadas para el crecimiento de los
microorganismos leky y Benedek, 2010).
El sistema de pilas o hileras estáticas es un método en el que se provee al compost de
aire u oxígeno mediante un sistema de suministro (ver Figura 7). El método de pilas con
volteo realiza una rotación periódica de las pilas o hileras de compostaje; los volteos pueden
hacerse de forma manual o mecánica. Los reactores se utilizan principalmente para
desarrollar experimentos a nivel de laboratorio. Este sistema se realiza en recipientes
cerrados, con suministro de aire y un sistema electrónico que permite controlar los diferentes
parámetros físico-químicos del proceso de compostaje (López et al. leky y
Benedek, 2010) (ver Figura 7).
33
Figura 7. Esquema de algunos tipos de sistemas de compostaje. a) Método de compostaje
pila estática con suministro de aire. b) Método de biorreactor escala de laboratorio (6
reactores acoplados) C) Método de reactor escala industrial. Fuente: leky y Benedek
(2010) y Lashermes et al. (2012).
(a)
(b)
(c)
34
Tabla 10. Sistemas de cultivo para compostaje.
Tipo de sistema Características del sistema Dimensiones Materia prima Referencia
Pila aireada
En el eje central de la pila se dispuso una estaca
para la ventilación.
Aspersores intermitentes en las pilas.
1.50 Metros de altura. Residuos lignocelulósicos
pergamino de café, frutas, hortalizas
y estiércol de conejo.
Madrid et al. (2000)
Se utilizaron cajas de espuma de estireno.
Aireación con un sistema de tubos perforados.
Cajas de estireno de (14x30x24). Cascaras de banano, estiércol de
gallina y de vaca.
Kalemelawa et al.
(2012)
Pila con volteo
La aireación se realiza por volteo con máquina y
a unos intervalos regulares
5x1x1.5 m longitud x ancho x
altura.
Estiércol de vacas y paja de arroz en
diferentes proporciones.
Liu et al. (2011)
La aireación se realiza mediante volteo de las
camas cada 15 días.
ND Estiércol de cerdos, lodos de
piscinas, residuos mortales como
placentas, pollinaza y contenido
ruminal.
Morán y Naranjo
(2013)
Aireación pasiva de compostaje a través de un
sistema de agujeros perforados y basado en la
diferencia de presión.
ND Residuos de cocina como
zanahorias, papas entre otro.
Himanen y Hänninen
(2011)
Volteo mecanizado realizado con Backhus
modelo 15.5 que es un equipo diseñado para
voltear compost.
La pila tenía 1,5- 2m de alto, 4-5
m de ancho y 10 metros de
longitud.
Residuos de cafetería, poda de
jardines y pañales.
Colón et al. (2013)
La pila era volteada cuando la temperatura interna
alcanzaba los 70ºC.
2x 1.5 m y 1.5 m de altura Posidonia oceanica mezclado con
residuos vegetales
Saidi et al. (2009)
Volteo de la pila cada 14 días. 3.0 m de largo x 1.0 m de ancho x
0.4 m de altura y una pendiente
del 5%.
Bagazo de caña, paja de trigo y
cascara de naranja.
López (2011)
35
Pila estática
Compost elaborado por capas, una capa de
compost en la parte inferior, seguido de una capa
de cadáveres y luego una capa de heno.
Contenedores de madera de
cuatro pies cuadrados en la base y
5 metros de altura.
Cama de gallina, heno picado,
cadáveres de cerdo y compost
reciclado.
McCaskey et al. (1996)
Cajas de espuma de estireno
En condiciones anaeróbicas
Cajas de estireno de (14x30x24). Cascaras de banano, estiércol de
gallina y de vaca.
Kalemelawa et al.
(2012)
Vermicompost
Mezcla de los residuos con los cuales se realizó el
vermicompost.
ND Residuos de tienda, flores estiércol
de vaca y lombrices (Edrilus
eugena, Eisenia fetida y Perionyx
excavatus).
Pattnaik y Reddy
(2009)
El compostaje se elaboró 18 días antes de
adicionarle las lombrices.
Recipientes de plástico con
capacidad de 2,5 kg.
Eisenia fetida de diferentes
regiones.
Majlessi et al. (2012)
Se utilizaron cajas de espuma de estireno
compostaje sin aireación
Cajas de estireno de (14x30x24). Cascaras de banano y lombriz de
tierra (las lombrices se murieron tal
vez por las altas temperaturas de las
pilas).
Kalemelawa et al.
(2012)
Reactor
Se usaron reactores a escala de laboratorio con
agitación continua.
ND Efluente de molino de aceite,
estiércol de cerdo y residuos
domésticos.
Angelidaki y Ahring
(1997)
Vasos con compost, de fondo redondo con dos
litros de capacidad y una cámara de entrada de
aire.
ND Tallos de soya, paja de trigo, harina
de soya, almidón, fibra de celulosa,
granos secos de destilería, acido
poli acético (PLA) y
policaprolactona (PLC).
Pradhan et al. (2010)
Los reactores utilizados son vasos con entrada de
aire.
Los reactores tenían 15 cm de
diámetro interno y 10 cm de
altura.
Heces y diferentes proporciones de
aserrín.
López et al. (2005)
36
Los reactores eran cilíndricos y estaban aislados
con lana y vidrio.
Los reactores eran de 61 cm de
diámetro interno, 108 cm de altos.
Residuos de remolacha, uvas, paja,
lodos de fábrica de vinos y de
azúcar tratados biológicamente.
Ipek et al. (2002)
Reactores de utilizados eran de 30 L, aireado
utilizando aire comprimido y con una temperatura
constante de 60ºC.
ND Estiércol de vaca, paja de arroz,
aserrín, vermiculita y residuos de
papel.
Tang y Katayama
(2005)
Vaso plástico cilíndrico con aireación
suministrada por una flauta al centro de
compostaje.
Vaso plástico cilíndrico de 0,90m
de alto por 0,40 m de diámetro
con una flauta en el centro de 16
agujeros cada uno de estos de 20
mm de diámetro.
Estiércol de cerdo y aserrín de pino. Zhang y He (2006)
Silo hiperventilado
Este es un sistema de un silo cilíndrico, con
recolector de lixiviados.
Cilindro construido con maya de
gallinero con un diámetro de 58
cm y una altura de 80 cm.
Residuos de palmito ( vainas, yucas
y recortes de pulpa), aserrín,
Cascarilla de arroz, Porcinaza,
pollinaza,
Yañez et al. ( 2007 )
Túnel
Volteo semanal y aireación con aire caliente.
Cada pila túnel es de 3 m de
largo, 2 m de ancho y 1 m de
altura.
Residuos sólidos urbanos. Karadag et al. (2013)
ND hace referencia a que no hay datos sobre ese ítem.
37
Para hacer que el proceso de compostaje sea eficiente y económicamente rentable, se
debe de comenzar la fase experimental en el laboratorio para establecer las materias primas de
mejor rendimiento y las condiciones adecuadas para desarrollar el proceso de compostaje.
Asimismo se identifica si el proceso se puede industrializar. Posteriormente se realizan ensayos
con un mayor volumen de materiales, para observar cómo al aumentar el volumen se afecta el
proceso en sus parámetros físico-químicos y microbiológicos. Luego se escala el proceso a
nivel industrial donde la atención se centra principalmente en la recuperación del producto de
interés, con la calidad adecuada (Doran, 1998). Por lo tanto se recomienda realizar
modelamiento del sistema desde la escala laboratorio para evitar pérdida de tiempo y dinero,
cuando el proceso se lleve a un nivel industrial (Bongochgetsakul y Ishida, 2008).
4.3.2 Sistemas a nivel de laboratorio
Los sistemas a nivel de laboratorio se utilizan en una primera instancia para determinar
si un proceso es viable. En el caso del compostaje, los ensayos de laboratorio permiten definir
si la materia prima a utilizar funciona adecuadamente y si el compost cumple con las
características adecuadas. En las pruebas a nivel de laboratorio se utilizan biorreactores de
volúmenes inferiores a 10 litros o 10 Kg, lo que hace más fácil controlar el proceso (Lashermes
et al., 2012).
Hu et al. (2009) realizaron un estudio con los desechos generados por la industria de
almejas. Los experimentos se desarrollaron a nivel de laboratorio en un biorreactor de cinco
litros. Ellos concluyen que la elaboración de compost con astillas de madera y restos de almeja
es una alternativa para aprovechar estos residuos. Asimismo, esta prueba a escala piloto
cumplió con las especificaciones requeridas para la eliminación de patógenos definida por la
normativa de los Estados Unidos.
Lashermes et al. (2012) generaron un sistema de biorreactores a escala de laboratorio
que trabajan en paralelo. Los resultados obtenidos muestran que el dispositivo reduce el tiempo
del proceso y el compost final puede ser comparable con el obtenido en una planta a gran
escala.
Kuok et al. (2012) determinaron en que el volteo de las pilas de compost no afecta el
consorcio microbiano. Los experimentos de este estudio se realizaron en biorreactor.
Barrena et al. (2009) realizaron ensayos a nivel de laboratorio en biorreactor para
determinar la viabilidad del compostaje utilizando cadáveres de conejos y gallinas, vísceras, y
plumas. Estos autores concluyen que el compostaje es una alternativa para utilizar los
cadáveres, puesto que con las altas temperaturas que se alcanzan en el compostaje se eliminan
los agentes patógenos. Por su parte, Vinneras et al. (2003) realizaron un estudio a nivel de
laboratorio y a escala piloto para determinar la eliminación de parásitos y otros organismos
patógenos del proceso de compostaje. Se pudo concluir que el compost realizado con materia
fecal, deyecciones y residuos de cocina presenta un bajo riesgo de transmisión de agentes
patógenos.
La importancia de los sistemas a nivel de laboratorio es el poder establecer el
comportamiento del proceso de compostaje en diferentes condiciones (materias primas y
sistema de cultivo). Por otra parte sirve también para poner a punto la técnica y luego
desarrollarla a escala piloto.
4.3.3 Sistemas piloto
Los estudios a nivel piloto se desarrollan para evaluar el comportamiento del proceso con un
38
mayor volumen que considere la influencia de los aspectos hidrodinámicos y de transferencia
de masas, calor y momento. Estos ensayos se realizan teniendo en cuenta la información
obtenida en los experimentos a nivel de laboratorio. De Guardia et al. (2012) realizaron un
trabajo en un biorreactor de ventilación forzada a escala piloto, (59-196 kg) identificaron como
los componentes del biorreactor, temperatura ambiental y el cambio en el volumen del compost
afecta la temperatura del proceso.
Kim et al. (2008) efectuaron la evaluación del rendimiento a escala piloto del
compostaje de residuos de comida realizado en biorreactores de vaso. Este fue un primer
estudio desarrollado en la Ciudad de Seúl Corea para el manejo de residuos orgánicos. El
producto final que se obtuvo fue satisfactorio para el uso en la agricultura, en cuanto a términos
de conductividad eléctrica y contenido de metales pesados.
Lashermes et al. (2012) presentan un sistema de seis biorreactores en línea aireados con
bomba de aire. Estos autores indican que a un volumen no muy grande se pueden llevar a cabo
las transformaciones químicas y bioquímicas de los compuestos orgánicos en menor tiempo
concluyendo que este tipo de biorreactores sí reproduce el proceso de compostaje.
Adicionalmente se comprobó que el compost producido era similar al generado en plantas a
gran escala.
Otros estudios presentan ajustes matemáticos en biorreactores para optimizar el proceso,
así como para predecir la tasa de descomposición del carbono y la pérdida de sólidos volátiles
totales (Lu et al., 2008).
4.3.4 Sistemas a nivel comercial
A medida que se aumenta el volumen del compostaje, aparecen los inconvenientes
relacionados con el sistema de diseño, operación y el manejo de los materiales
(Bongochgetsakul y Ishida, 2008). Mantener cada lugar de la masa del compostaje con un
ambiente óptimo para la degradación es lo más difícil, en sistemas a gran escala debido a la
variación espacial y de las condiciones del entorno (Bongochgetsakul y Ishida, 2008).
En las épocas pasadas el diseño del escalado del sistema se basaba en prueba y error
pero esto representa altos costos económicos y ambientales.
Lo que se realiza hoy en día es el uso de simuladores para así identificar los posibles
fallos in silico. Teniendo esta información se corrige desde un computador y posteriormente se
procede a la experimentación a nivel piloto.
En diferentes partes de Colombia se produce compost utilizando distintos tipos de
materias primas. Unos ejemplos de esto son: en Bogotá se utilizan los residuos de las flores, en
los llanos orientales residuos de palma de africana, en el Putumayo y Casanare cortezas de
árboles, en el eje cafetero residuos del procesamiento del café, en el Valle del Cauca se utilizan
los residuos de las industrias azucareras y en Medellín residuos de industrias procesadoras de
frutas. Estas empresas utilizan el bioinsumo resultante para suplementar sus cultivos, pero
ahora con los altos volúmenes de producción buscan comercializar este bioinsumo a nivel
nacional e internacional (Yepes et al., 2008; Salamanca, 2012).
Colón et al. (2013) elaboraron compost a escala industrial con pañales desechables, los
investigadores concluyeron que el uso de pañales para el compostaje es una alternativa real
para el aprovechamiento de dichos residuos.
Galindo y Romero (2012) presentan una revisión donde es evidencia los altos
volúmenes de residuos generados por la industria del aceite de palma africana (1`212.528 t).
Donde se utiliza 97.800 t para elaborar compostaje principalmente en la Zona Oriental
colombiana. Ellos determinan que el compostaje es una alternativa para el uso de estos
39
residuos, pero recomiendan que se debe realizar más estudios encaminados a mejorar la
eficiencia del proceso.
En Colombia se han realizado algunos estudios de factibilidad y viabilidad financiera
sobre la producción de abonos orgánicos, realizados con residuos de plazas de mercado. Los
investigadores concluyen que el proyecto es viable financieramente, y según el estudio la tasa
de retorno está en el 45,24%. También se puede observar que cuando el proceso se escala, los
costos de producción disminuyen. Por otra parte la tendencia observada en el incremento de
empresas en este sector productivo indica que el mercado está creciendo (Morales y
Aristizábal, 2007). En la actualidad en Colombia existen 130 empresas de bioinsumos, que son
productoras o importadoras (ICA, 2014).
Sánchez (2013) realizó un estudio de factibilidad económica en la región del Valle del
Cauca. Se determinó que no es viable la producción de abono orgánico, puesto que la
producción se debe escalar a muchas toneladas para que se alcance un equilibrio económico.
También se hace referencia a la disminución del volumen en el compostaje y lo que disminuye
su rendimiento. Sin embargo, este estudio solo estaba dirigido al Valle del Cauca, lo que podría
ser una causa de la no viabilidad de la empresa. Los dos casos anteriores utilizaban el proceso
de vermicompostaje.
Por otra parte, los altos precios de los abonos químicos han hecho que los agricultores
busquen otras opciones como los bioinsumos como una alternativa para abonar sus cultivos.
Este tipo de abono es más económico que el fertilizante químico, lo que ha generado un
incremento en la demanda de este tipo de productos. Por lo tanto, un alto porcentaje de los
productores de bioinsumos considera que en el mercado nacional se han incrementado sus
ventas (Zambrano y Riaño, 2008).
Entre los puntos desfavorables para la viabilidad económica del compost es la pérdida
del volumen, pero por otra parte se debe tener en cuenta que se está partiendo de residuos de
materia orgánica, por lo que la materia prima tendría costos muy bajos o inclusive nulos.
Asimismo, en algunos países desarrollados, se realiza el proceso de compostaje a nivel
industrial, con los residuos orgánicos putrescibles de las ciudades. El compost obtenido
presenta buenas características, pero aún no se ha podido obtener compost con concentraciones
de nitrógeno, fósforo y potasio adecuadas para el crecimiento de las plantas.
5. COMPOST
El compost es el producto del proceso de compostaje y representa un tipo de abono
orgánico que proviene de la biotransformación de la materia orgánica compleja en materiales
más simples. Esta transformación da como resultado un material más estable e inocuo (Insam
y De Bertoldi, 2007; Zapata, 2009). En el compost se encuentran sustancias precursoras del
humus (Zapata, 2009). De esta manera, el compostaje permite la transformación de residuos
orgánicos putrescibles en un producto de buena calidad que posee la capacidad de
reincorporase a la cadena productiva, como abono orgánico.
El compost no posee las altas concentraciones de nutrientes que contiene un abono
químico, pero su valor es dado por el aporte de microorganismos y la mejora de las
características físicas y químicas del suelo (De Bertoldi et al., 1983).
Las partículas del compost poseen un tamaño que ayuda a la formación de espacios
intersticiales que contribuyen a conformar un ambiente ideal para el crecimiento de los
microorganismos, así como favorecer a la circulación de aire y agua. Estas características
mencionadas arriba son las que permiten recuperar el equilibrio físico-químico y
microbiológico del suelo. Esto es posible puesto que el compost contiene altas concentraciones
40
de microorganismos que ayudan a la descomposición de la materia orgánica, además por las
características físicas del producto esta ayuda a mejorar la permeabilidad del agua, la aireación
de los suelos, también estimula el aumento de la capa vegetal por adicionar materia orgánica al
suelo. Al estar el suelo en un equilibrio con los microorganismos, las buenas condiciones de
aireación y permeabilidad, este adquiere unas características que ayudan mejorar la
accesibilidad a los nutrientes por parte de las plantas (De Bertoldi et al., 1983; Ilyas y Bano,
2009; Osorio, 2009; Garavito, 2012).
Por otra parte, los microorganismos del compost ayudan a la reconstitución de la
microbiota del suelo que está involucrada en procesos de descomposición de la materia
orgánica, transformación y solubilización de nitrógeno, fósforo y potasio. Por lo anterior el
compost es utilizado en tierras cultivables desgastadas y en biorremediación de suelos (De
Bertoldi et al., 1983; Shilev et al., 2007; Osorio, 2009).
Como el compost ayuda al suelo pero no posee buenas concentraciones de nutrientes
para las plantas. Es necesario realizar investigaciones que vayan encaminadas a mejorar los
aspectos nutricionales del compost en cuanto a contenido de nitrógeno, fósforo y potasio. Con
la mejora en las características nutricionales del compost se obtendrá un abono que aporta
nutrientes al suelo al mismo tiempo que mejora las características físico-químicas y
microbiológicas del mismo.
5.1 Mercado de los abonos orgánicos
En los mercados internacionales existe la tendencia por consumir productos de origen
orgánicos libres de agro-insumos químicos (Jaramillo y Zapata, 2008). Uno de los problemas
que tienen los agricultores de productos orgánicos consiste en encontrar los insumos agrícolas
(fertilizantes y agentes para el control de plagas) adecuados para realizar una producción
ecológica u orgánica. Varias empresas de Colombia han venido desarrollando productos para
cubrir la demanda de productos agrícolas ecológicos, que cada vez se incrementa más
(Morales y Aristizábal, 2007).
En Colombia existen alrededor de 130 empresas registradas para la elaboración,
importación y comercialización de bioinsumos agrícolas. Según el Instituto Colombiano
Agropecuario (ICA) se puede identificar que el número de estas empresas ha aumentado en
los últimos cuatro años, lo que indica la tendencia en la agricultura es la utilización de
bioinsumos (ICA, 2014).
La tendencia del aumento en la demanda de bioinsumos se observa en otros países. Por
ejemplo, en Estados Unidos en el 2014 se incrementó en un 20% el consumo de abonos
orgánicos. Este país es uno de los mayores productores y debido a la creciente demanda, debe
importar estos insumos de países como México y Canadá (Market Publishers Ltd, 2014).
Por otra parte, Brasil es el mayor productor de abonos orgánicos en América del sur, en
el 2012 registro 8,95 millones de toneladas de abonos. Por otra parte alrededor de 500
empresas se dedican a la producción de diversos tipos de abonos orgánicos (Market
Publishers Ltd, 2014).
Hoy en día Canadá no consume un alto volumen de abonos orgánicos, pero con la
extensión de las tierras cultivables y la tendencia en la población de consumir productos
orgánicos, la demanda de bioinsumos se incrementará.
Por otro lado, la India es uno de los mayores productores de abonos orgánicos, teniendo
registradas 677.000 unidades orgánicas certificadas (Market Publishers Ltd, 2014). Así
mismo Europa es un gran productor de bioinsumos agrícolas tipo compost, por citar algunos
países y su producción están: Alemania produce de 4 a 5 millones de toneladas por año
41
(t/año), Holanda 1,6 millones de t/año, Portugal, 1,2 millones de t/año, Italia 1,3 millones de
t/año y España 700.000 t/año, entre otros (European Compost Network, 2014).
A medida que en el país y el mundo crezca la cultura de consumir productos ecológicos,
el mercado de los abonos orgánicos tomará una mayor demanda y asimismo la necesidad de
generar empresas que cubran esta demanda.
5.2 Normativa para los abonos orgánicos en Colombia
Para la comercialización de los abonos orgánicos se debe tener en cuenta la normativa
que rige en cada país. En Colombia existen normas para los productos ecológicos, como la
Resolución 544 del 21 de diciembre de 1995 que establece el reglamento para la producción
recolección y embalaje de productos orgánicos (Castro, 1991).
Adicionalmente el Instituto Colombiano Agropecuario (ICA) expidió la Resolución 150
del 21 de enero de 2003, por la cual se adopta el reglamento técnico de fertilizantes y
acondicionadores de suelos para el país. En esta resolución dictamina el reglamento técnico de
los fertilizantes y acondicionadores de suelos para Colombia. Esta norma establece la
aplicación eficaz de fertilizantes y acondicionadores del suelo, minimizando así los riesgos para
la salud humana, la sanidad agropecuaria y el ambiente (ICA, 2003). Los objetivos de la norma
son:
Orientar la comercialización y el uso y manejo adecuados y racionales de los fertilizantes y
acondicionadores de suelos, tanto para prevenir y minimizar daños a la salud, a la sanidad
agropecuaria y al ambiente bajo las condiciones autorizadas, como para facilitar el
comercio internacional (ICA, 2003).
Establecer requisitos y procedimientos armonizados con las reglamentaciones
internacionales vigentes, tanto para el registro como para el control legal y técnico de
fertilizantes y acondicionadores de suelos; especialmente en lo relacionado con
terminología, clasificación, composición garantizada, etiquetado, tolerancias, contenidos
mínimos permisibles y parámetros para verificación de la conformidad (ICA, 2003).
5.3 Calidad del compost
En Colombia se cuenta con la Norma Técnica Colombiana NTC 5167 que establece los
requisitos que debe cumplir y los ensayos a los cuales deben ser sometidos los productos
orgánicos usados como abonos o fertilizantes, para ser comercializados (Norma Técnica
Colombiana, 2004). Las cuales se detallan en las siguientes secciones.
5.3.1 Macrocontaminantes
Los niveles de elementos Sólidos contaminantes permitidos de macrocontaminantes
para abonos orgánicos en Colombia son: (ver Tabla 11 y Tabla 12).
42
Tabla 11. Macrocontaminantes presentes en el compost.
Macrocontaminantes Límite (% en ms)
Plástico, metal, caucho > 2mm < 0,2
Vidrio > 2mm < 0,02
Piedras > 5mm < 2
Vidrio > 16mm detección (si/no) No
Fuente: Norma Técnica Colombiana (2004)
También se han establecido límites para metales pesados (ver Tabla 12). Muchos de
estos rangos se han establecido principalmente para cultivos que acumulan metales pesados,
como lo son las espinacas y lechugas.
Tabla 12. Volares recomendados de metales pesados en el
compost utilizados para verduras con los niveles típicos en el suelo.
Elemento
Valores máximos
recomendados para
compost intensivo
Valores típicos para
suelos mg/kg
Pb 75 12-100
Cu 50 3-20
Zn 200 14-125
Cr 75 5-100
Ni 30 4-50
Cd 0,75 0,3-0,7
Hg 0,5 0,05-0,40
Fuente: Woods End Research Laboratory (2000)
5.3.2 Niveles de patógenos
Los fertilizantes de origen orgánico deben demostrar que no contienen microorganismos
patógenos. Según la NTC 5167 Salmonella spp. debe estar ausente en 25 g de producto final.
Para las enterobacterias se permite la presencia de menos de 1000 UFC/g de producto final
(Norma Técnica Colombiana, 2004).
5.3.3 Humedad
El compost con una elevada humedad por encima del 60% es difícil de distribuir en los
cultivos, además indica mucha agua y poca materia orgánica. Por lo tanto la humedad
recomendada para un compost debe ser de menos del 40%, ya que así se facilita su dosificación
puesto que puede ser espolvoreado (Shilev et al., 2007).
5.3.4 Relación carbono nitrógeno
La relación carbono nitrógeno (C/N) es uno de los indicadores de la madurez del
compost, además de ser un parámetro relacionado con la calidad del producto. Esta relación
C/N al final de proceso de compostaje será 10:1 y 20:1 (Shilev et al., 2007). Un compostaje
43
con una alta relación C/N reducirá la disponibilidad de nitrógeno para las plantas ya que este
elemento es inmovilizado por la microbiota disponible. Una relación C/N superior a 20
correspondería a un material que no libera fácilmente el nitrógeno, mientras que una relación
por encima de 30 puede indicar un compuesto que inhibe la mineralización del nitrógeno
uniendo este nutriente al suelo. Esto afecta la utilización del compostaje para el uso agrícola,
puesto que el compostaje estaría compitiendo por el nitrógeno de las plantas, evitando así que
estas crezcan (Shilev et al., 2007; Shammas y Wang, 2009).
5.3.5 La conductividad eléctrica
Esta medida indica el contenido de sales solubles en el compost. Una alta concentración
de sales en el producto es perjudicial para las plantas. La conductividad eléctrica es crítica,
principalmente cuando este bioinsumo va a ser utilizado en materos o en suelos de
invernaderos, y menos importante para la aplicación en tierras agrícolas especialmente en áreas
húmedas. Las valores de conductividad eléctrica adecuados para el compost no debe ser mayor
a 4dS/m (Madrid et al., 2000; Shilev et al., 2007).
5.3.6 Amoniaco y nitrato
El amoníaco y el nitrato son formas de nitrógeno disponibles para las plantas, pero
valores altos de nitrógeno amoniacal pueden ser perjudiciales para las plantas por lo tanto los
valores establecidos para el compost deben ser menos de 500 mg/kg de peso seco. En
compostajes aeróbicos el nitrógeno amoniacal es fácilmente convertido en nitratos. La
concentración de nitrato debe estar entre 200 y 500 mg/kg peso seco de compost. Los valores
bajos indican falta de disponibilidad de este nutriente para las plantas nitrógeno (Shilev et al.,
2007).
5.3.7 pH
El pH del compost juega un papel importante en la disponibilidad de los nutrientes para
las plantas, puesto de él depende el movimiento de los nutrientes en el suelo. Por ejemplo, a un
pH alcalino los nutrientes como el fósforo se unen al calcio evitando que pueda ser asimilado
por las plantas (Hernández-Leal et al., 2011). El valor de pH debe estar entre 6 y 7 que es lo
que comúnmente utilizan las plantas (Sharma et al., 1997; Shammas y Wang, 2009).
5.3.8 Tamaño de partícula
De acuerdo a los diferentes usos para el cual vaya a ser utilizado el compost, se
determinan diferentes tamaños de partículas. Por ejemplo, un compost para materos de
invernadero necesita un tamaño específico de partícula para mantener la correcta porosidad y
capacidad de retención de agua. El tamaño de las partículas es menos crítica cuando el compost
se aplica a las suelos agrícolas, asimismo las partículas grandes pueden afectar la capacidad de
distribución del compost (Shilev et al., 2007).
44
5.3.9 Materia orgánica
La materia orgánica representa un conjunto complejo de sustancias constituidas por
restos vegetales y organismos. La materia orgánica se define como el porcentaje actual del
bioinsumo seco. Valores bajos (por debajo del 30%) usualmente indican que la materia
orgánica ha sido mezclada con arena o suelo. Unos valores elevados (por encima del 60%)
indican materia fresca que no ha sido sometida a un proceso de compostaje. Por ende la
importancia de determinar la materia orgánica presente en el compost maduro.
Por otra parte, al compost se deben realizar análisis para determinar el contenido de
nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio, zinc, hierro, cobre y manganeso (Shilev et al.,
2007).
Como ya se ha mencionado los abonos químicos son ricos en nutrientes, pero las
características del compost se basan en el aporte de microorganismos y mejoramiento de las
características físicas y químicas del suelo. Por lo tanto si se complementa este abono orgánico
con una concentración adecuada de nitrógeno, fósforo y potasio, el compost se constituiría en
un fertilizante orgánico que contribuiría a mejorar las características de los suelos además de
aportar nutrientes para el crecimiento y desarrollo de las plantas.
5.4 Evaluación de la aplicación de compost en cultivos
Como se ha mencionado el compost representa grandes beneficios para el suelo, por su
aporte de microorganismos, y la mejora en las condiciones físicas y químicas de este. Par que
el compost cumpla su función y no genere efectos negativos, este debe cumplir con las
características mencionadas anteriormente para ser utilizado en cultivos.
Muchos de los estudios del uso de compostaje en diferentes cultivos hacen énfasis en
aspectos agronómicos específicos como la nutrición de la planta, retención de agua y la
especificidad de la especie vegetal (De Lucia et al., 2013). Otras consideraciones técnicas a
tener en cuenta son: las características del medio de cultivo, requerimientos de los cultivos,
seguridad, confiabilidad disponibilidad, constituyentes y precio. Además se deben tener en
cuenta los aspectos ambientales de igual manera como se hace con la utilización de otros
sustratos y abonos químicos (De Lucia et al., 2013).
Para evidenciar las propiedades del compost, se deben realizar evaluaciones
agronómicas basadas en las variables fitométricas y de rendimiento de las plantas (Matheus,
2004). Cuando se hace referencia a las variables fitométricas y de rendimiento se habla
específicamente de variables que pueda presentar las plantas con respecto a la altura, el grosor
del tallo, el contenido de clorofila el rendimiento en la producción y el tamaño de la flor, entre
otras (Matheus, 2004; Caballero et al., 2009; Altieri y Esposito, 2010). Las variables
fitométricas a tener en cuenta son específicas de cada especie y en especial del producto que de
ella se requiera (ver Tabla 13).
Por diferentes estudios realizados de evaluaciones agronómicas del compost, se ha
podido identificar que aún no se ha logrado obtener un bioinsumo con las concentraciones de
nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio. Estos nutrientes son esenciales para el
crecimiento y desarrollo de las plantas. Por lo tanto, un bioinsumo que no contenga estos
elementos en las concentraciones adecuadas, reflejara plantas y cultivos con deficiencias.
Por otra parte, se han realizado trabajos donde se evidencia que las plantas nutridas con
compost, se han retrasado para comenzar su etapa productiva comparándolas con las abonadas
con fertilizantes químicos. Asimismo, hay casos donde se compara el fertilizante químico
versus el compost, y se ha podido identificar el aumento de materia orgánica por parte de este
45
último. Pero en síntesis el compost elaborado con diferentes materias primas, aun no es muy
competitivo frente a los fertilizantes químicos en cuanto al aporte de nutrientes (ver Tabla 13).
46
Tabla 13. Evaluación agronómica del compost.
Compost Cultivo Variables agronómicas Comentario Referencia
Residuos sólidos
de industria
azucarera
Maíz (Zea mayz
L.)
Días de floración masculina (espigas) y
femenina (mazorcas), días transcurridos desde la
siembra hasta la formación de estructuras
reproductivas. Altura de la planta, grosor del
tallo. Características de la mazorca, longitud y
diámetro. Rendimiento del grano.
No se observó diferencia de formación de estructuras
reproductivas y los diferentes tratamientos. Las plantas que
con biofertilizantes se demoraron más para generar las
estructuras reproductivas. En la altura y grosor si se observaron
diferencias entre las plantas con fertilizante químico y
compost.
Matheus
(2004)
Las plantas se
crecieron en 6
sustratos Algunos
mezclas de
compost y
mezclas
Gerbera
jamesonii
Contenido de clorofila, diámetro de la flor,
longitud del tallo.
No se observaron diferencias en la calidad de la flor y los
distintos sustratos.
Se determinó que en dos tipos de sustrato hubo un mayor
crecimiento.
Caballero et
al. (2009)
Residuos de
molienda de
aceituna
lechuga
(Lactuca sativa)
y tomate
(Lycopersicon
esculentum)
Rendimiento en cosecha Las diferencias entre el abono orgánico y el abono químico no
fueron significativas.
Altieri y
Esposito
(2010)
Compost de lodos
de aguas
residuales
Veranera
(Bougainvillea)
Se tuvo en cuenta otro tipo de parámetros como
el ciclo de vida y la disminución del impacto
ambiental. Puesto que no se usan abonos
químicos o turba.
El enfoque no es tanto productivo si no ecológico, lo que
podría ayudar a los productos a obtener un valor agregado.
De Lucia et
al. (2013)
Compost, perlitas
B-12®(0–5 mm)
y A-13®(3–5
mm)
Plantas de
maceta
Evaluación el sustrato en características físicas
como el índice de percolación y extractos de
medios saturados (IP y SME) respectivamente.
La concentración de nutrientes en la percolación inducida
refleja la inherente diferencia en la fertilidad de los diferentes
sustratos.
Cáceres y
Marfá
(2013)
47
Residuos de poda
de jardín y
residuos
orgánicos
Lechuga (L.
sativa var.
capitata L.)
Efectos del compostaje disponibilidad de
nutrientes y rendimiento en la lechuga.
La fertilización mineral presento mejores rendimientos. Se
identificó que el contenido de C aumento con el compost. Se
determinó que el compost restaurar la fertilidad del suelo.
Fagnano et
al. (2011)
Compost de
residuos vegetales
de la horticultura
(Elaeis
guineensis Jacq)
Longitud total (cm), número de hojas, longitud
del vástago. La presencia y ausencia de
significativas de deficiencias nutricionales.
El fertilizante químico suplementaba las plantas con los
elementos necesarios. El abono orgánico no proporciono a las
plantas el nitrógeno suficiente para su desarrollo.
García et al.
(2012)
Compost de
alperujo
(constituido de
semilla y pulpa)
alfalfa
(Medicago
sativa)
Peso fresco y seco del aérea radicular. Conteo de
nódulos, producidos por Sinorhizobium, por
contenedor.
Los dos tipos de compost aportaban nutrientes al suelo. Se
observó una mejora en el desarrollo de alfalfa y crecimiento de
poblaciones microbianas como Sinorhizobium meliloti.
Jaramillo
(2012)
Residuos de
comida,
microorganismos
de suelo
Lechuga
(Lactura satira)
Rendimiento El compost de residuos de comida incrementa los
microorganismos del suelo y posee nutrientes que ayuda al
crecimiento de las plantas.
Lee et al.
(2004)
Compost maduro
de residuos
sólidos urbanos
Alfalfa
(Medicago
sativa)
Rendimiento Este compost mostro servir para suelos arenosos, arcillosos y
campo de cultivo de huerta. La alfalfa creció adecuadamente y
sin presencia de fitotoxinas.
Mbarki et
al. (2008)
Paja de arroz y
lodos de agua
residuales
Cebada
(Hordeum
vulgare)
El índice de raíz/brote fue determinado para
evaluar los efectos y dosificación del
fertilizante.
Los resultados indican una respuesta directa del suelo y de las
plantas a las dosis de compost.
Se observó que había una alta salinidad y esto afecto el
crecimiento radicular.
Roca-Pérez
et al. (2009)
48
En la evaluación agronómica del compostaje se identifica que el compost no
funciona adecuadamente para todos los casos, principalmente en etapas de desarrollo donde
las plantas necesitan más concentraciones de nitrógeno, fósforo y potasio. Por lo tanto se ve
la necesidad de realizar suplementación con nutrientes al compostaje para mejorar sus
características nutricionales, así como para obtener un abono que mejore las características
físico-químicas, microbiológicas y nutricionales de los suelos.
5.4 Adición de nutrientes al compost
Para el adecuado crecimiento y desarrollo de las plantas, éstas deben tener a su
disposición los nutrientes necesarios. Los elementos esenciales se dividen en
macronutrientes (primarios y secundarios) y micronutrientes. Su clasificación guarda
correspondencia con su grado de concentración y esencialidad en las funciones fisiológicas
prioritarias para el desarrollo y crecimiento de la planta (Castro y Gómez, 2010).
Con la aplicación de fertilizantes químicos solamente adicionan a los suelos
nutrientes para las plantas. Esto ha llevado a la pérdida de la fertilidad del suelo y al
detrimento de la materia orgánica en él. La degradación física del suelo se define como la
pérdida de la calidad de la estructura del suelo (Valenzuela y Torrente, 2010). Por lo tanto se
identifica la necesidad de desarrollar un abono orgánico que exhiba las características del
compost (mejoramiento de las características físico-químicas y microbiológicas de los
suelos) y a su vez contenga concentraciones de nutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio)
adecuados para el desarrollo de las plantas. Con la elaboración de este compost se obtendría
un abono que aporte nutrientes al suelo, materia orgánica y microorganismos que ayudan a
vehiculizar mejor los nutrientes a las plantas. La asociación de plantas y microorganismos
cumple funciones importantes en los ecosistemas del suelo. Los efectos de esta asociación
están relacionados con la salud de las plantas y el crecimiento; asimismo esto ayuda a tolerar
el estrés, resistir enfermedades, mejora la captación de nutrientes y promueve la diversidad
(Ilyas y Bano, 2009). Además, las bacterias pueden producir sustancias que estimulan el
crecimiento de las plantas. Estas bacterias son llamadas PGPR por su nombre en inglés
(Plant-Growth-Promoting Rhizobacteria) (Ilyas y Bano, 2009; Dardanelli et al., 2010;
Braghini et al., 2012). Asimismo, las plantas pueden liberar carbohidratos, aminoácidos,
lípidos y vitaminas, entre otras a través de sus raíces para estimular los microorganismos del
suelo (Osorio, 2009).
Por otra parte, los microorganismos ayudan en los ciclos biogeoquímicos de los
diferentes tipos de nutrientes contribuyendo a su equilibrio en los suelos. Por ejemplo,
existen bacterias que ayudan a la fijación del nitrógeno; algunos hongos y bacterias poseen
la capacidad de solubilizar fósforo para que pueda ser asimilado por las plantas (Zayed y
Abdel-Motaal, 2005; Ilyas y Bano, 2009).
Al adicionar nutrientes al compost se podría obtener un abono que aporte materia
orgánica, microorganismos y nutrientes. Esto convertirá al compost en un abono más
benéfico para los suelos y, a su vez más atractivo a los agricultores, por sus propiedades
nutricionales y su posible bajo costo.
5.4.1 Nitrógeno
El nitrógeno es el nutriente inorgánico más necesitado por las plantas y
microorganismos para la síntesis de ácidos nucleicos, aminoácidos, amidas, proteínas,
nucleótidos, coenzimas, polisacáridos, etc. Por estas características es considerado el factor
49
más limitante en el crecimiento de las plantas (Castro y Gómez, 2010; Braghini et al., 2012).
Aunque la atmósfera está compuesta por el 78% de nitrógeno gaseoso, los organismos
eucariotas, tales como las plantas y los animales, no pueden utilizar directamente este
elemento debido a que no cuentan con los mecanismos para aprovecharlo (Braghini et al.,
2012). Los microorganismos desarrollan un papel fundamental en el ciclo del nitrógeno.
La mayoría de bacterias de vida libre fijadoras de nitrógeno son filogenéticamente
alfa-beta, o gammaproteobacterias. Las gammaproteobacterias son bacterias Gram
negativas. A este grupo pertenecen un gran número de bacterias como Enterobacterias,
Vibrionacea, Pseudomonaceae y Klebsiella pneumoniae entre otros.
Las bacterias de vida libre fijadoras de nitrógeno que más se han estudiado son
Azotobacter, Azospirillum y Beijerinckia (Madigan et al., 2009).
La familia Nitrobacteraceae incluye bacterias quimioautotróficas que oxidan el
amoníaco a nitrito o a nitrato para satisfacer sus necesidades de energía. En esta familia
podemos encontrar Nitrobacter spp., Nitrosomonas spp., Nitrosospira spp., Nitrosococcus,
Nitrosolobus spp., Nitrospina spp., Nitrococcus spp., Nitrospira spp., (Watson, 1971;
Madigan et al., 2009).
Se han realizado diferentes estudios para determinar las bacterias fijadoras de
nitrógeno en el suelo y durante el compostaje (ver Tabla 14) (Pepe et al., 2013).
Tabla 14. Bacterias fijadoras de nitrógeno.
Fuente Microorganismo
Compostaje Stenotrophomonas humi
Compostaje Stenotrophomonas nitritireducens
Compostaje Stenotrophomonas rhizophila
Compostaje Xanthomonas campestris
Compostaje Xanthomonas oryzae
Compostaje Pseudomonas panipatensis
Compostaje Pseudomonas aeruginosa
Compostaje Klebsiella oxytoca
Compostaje Alcaligenes faecalis
Compostaje Achromobacter xylosoxidans
Compostaje Caulobacter vibrioides
Compostaje Pseudomonas pseudoalcaligenes
Compostaje Pseudomonas mendocina
Suelo Azotobacter chroococcum
Suelo Azotobacter chroococcum
Suelo Azotobacter chroococcum
Suelo Azotobacter chroococcum
Suelo Azotobacter salinestris
Adaptado de Pepe et al. (2013).
5.4.1.2 Conservación del nitrógeno presente en el proceso de compostaje
Algunas de las materias primas utilizadas en el compost contienen nitrógeno, pero
existe un problema para la conservación del mismo, puesto que éste se volatiliza durante el
proceso. Hay varios factores como la temperatura, la relación C/N, el mezclado y la
aireación, que contribuyen a la volatilización del nitrógeno en forma de amoniaco (Jeong y
50
Kim, 2001). Para disminuir la pérdida de nitrógeno durante el compostaje se han
desarrollado diferentes estrategias. (Jeong y Kim, 2001) determinaron que la adición de
sales de calcio y magnesio, precipita el amoniaco disminuyendo la perdida de nitrógeno.
Otra estrategia utilizada para conservar el nitrógeno consiste en adicionar al compostaje
materiales ricos en carbón (residuos con contenido lignocelulósico, frutas y verduras entre
otros) (Jeong y Kim, 2001).
Jeong y Hwang (2005) establecieron que la dosis adecuada de sales de magnesio y
fósforo adicionada al proceso debe ser el 20% del nitrógeno total, a fin de obtener buenas
concentraciones de nitrógeno sin que el proceso de compostaje sea afectado. Se trabajaron
tres condiciones para la conservación del nitrógeno mediante la adición de: i) dihidrógeno
fosfato de potasio, ii) aserrín mezclado con dihidrógeno fosfato de potasio, y iii) aserrín
solo. Se demostró que los tres materiales adicionados servían como absorbentes de
amoniaco. El que mejor funciona sin afectar el proceso de transformación es el aserrín
mezclado con dihidrógeno fosfato de potasio (Hu et al., 2007). Xie et al. (2012) estudio
realizaron la adición al compostaje de heces de aves de corral y la suplementación con la
enzima oxidante de amoniaco proveniente de Arqueas. Estos investigadores pudieron
concluir que esta metodología ayuda a la conservación del nitrógeno en el compost, puesto
que esta enzima contribuye a la oxidación del amoniaco. Se cree que esta enzima está
ampliamente diseminada entre diferentes Arqueas y además se conoce enzimas homólogas a
esta en bacterias, llamada amonio oxidasa de Alfaproteobacteria (AOB) (Xie et al., 2012).
Bao et al. (2008) establecieron la importancia de un compuesto del estiércol, la N-
alantoína que contiene dos moléculas de urea. También determinaron que es necesario
generar metodologías para conservar una mayor concentración de N-alantoína al final del
proceso de compostaje. Bannick y Joergensen (1993) adicionaron urea y cianamida al
compostaje realizado con paja de trigo. Se desarrolló la supervisión de la inmovilización del
nitrógeno añadido en aminoácidos, amino-azúcares, glucosamina y galactosamina para
estimar cómo afecta este tratamiento a los microorganismos. Ellos determinaron que el
contenido de los componentes nitrogenados fueron significativamente correlacionados con
el número de bacterias formadoras de esporas, pero no con recuentos de bacterias viables.
Pepe et al. (2013) realizaron el seguimiento de las bacterias presentes en el compost de
residuos agroindustriales. Estos autores pudieron establecer que los grupos de bacterias
amonificantes y fijadoras de nitrógeno predominan fuera de las pilas, mientras que en el
interior de las pilas predominaban las bacterias oxidantes de amoníaco y las bacterias nitrito-
oxidantes; también identificaron que la oxidación del amoniaco disminuyó con el aumento
de la oxidación del nitrito. Además adicionaron bacterias fijadoras de nitrógeno al compost
y evidencian el aumento del nitrógeno total.
Por otra parte Sangodoyin y Amori (2013) llevaron a cabo un estudio donde el
compost de cáscara de yuca es suplementado con lodos de aguas residuales, estiércol de
vaca y gallinaza. Estos investigadores concluyen que esta suplementación contribuye a
obtener unos niveles más altos de nitrógeno al final del compostaje; además se logró reducir
la relación C/N mejorando así el proceso de compostaje. Adicionalmente determinaron que
la adición de gallinaza ayuda a la maduración temprana del compost, así como la
suplementación con lodos de aguas residuales y estiércol de vaca aumenta el contenido de
nutrientes del compost.
Una estrategia para evitar la evaporación del nitrógeno podría ser la utilización de
bacterias nitrificantes, y así obtener un compost con nutrientes. Otro mecanismo utilizado es
la adición de bacterias fijadoras de nitrógeno para aumentar la concentración de nitrógeno
en el compost. De allí la importancia de conocer los microorganismos presentes en el
proceso compostaje y las funciones que ellos cumplen.
51
5.4.2 Adición de fósforo
Después del nitrógeno, el fósforo inorgánico (Pi) es el elemento más importante para
el crecimiento y desarrollo celular ya que ayuda a la síntesis de fosfolípidos, proteínas,
coenzimas, clorofila, carotenoides, ácidos orgánicos, también es necesario para formar
moléculas de ADN, ARN y trifosfato de adenosina (ATP), entre otros (Pearl et al., 1998;
Fernández et al., 2005; Castro y Gómez, 2010; Lara et al., 2011). El fósforo es el segundo
elemento más limitante para las cosechas después del nitrógeno. Esto se debe a su
insolubilidad, ya que para que pueda ser asimilado por las plantas es necesario que se
encuentre en forma de ortofosfato (HPO42¯ o H2PO4¯). Las plantas absorben fósforo
inorgánico en forma de H2PO4¯ y en una menor cantidad fósforo orgánico (PO) (Lara et al.,
2011). Por lo tanto se considera que la solubilización de otras fuentes de fósforo inorgánico
por los microorganismos del suelo es una alternativa fundamental para incrementar la
concentración de nutriente disponible para las plantas (Fernández et al., 2005).
Para hacer buen aprovechamiento de las fuentes de fósforo es necesario conocer
cómo se lleva a cabo su ciclo biogeoquímico, así como identificar las formas más
predominantes de este en la naturaleza.
El fósforo no es un elemento que se encuentre en estado gaseoso y por lo tanto no
está presente en la atmosfera. El fósforo circula de la tierra a sedimentos marinos y de allí de
nuevo a la tierra. Con el correr del agua sobre las rocas que contienen fósforo, gradualmente
éstas se desgastan y llevan consigo moléculas de fósforo inorgánico (PO4 3¯ o Pi). Esta
erosión de las rocas que contienen fósforo libera fosfatos en el suelo, donde es captado por
las raíces de las plantas. Las plantas obtienen estos fosfatos y lo incorporan en una gran
variedad de moléculas incluyendo ácido nucleicos (Pearl et al., 1998). Los animales
obtienen de su alimento la mayor parte del fosfato que requieren. Posteriormente el fosfato
liberado pasa a formar parte del depósito de fosfato inorgánico en el suelo, que puede ser
reutilizado por las plantas (Pearl et al., 1998).
Aproximadamente los suelos poseen el 90 % de fósforo orgánico. Una parte se
encuentra en forma de esteres de fosfato en el humus, pero habitualmente una proporción
elevada (20-80%) es fácilmente extraíble y se halla presente como ésteres de fosfato de los
isómeros de inositol, tales como el mioinositol (ver Figura 8). Se han encontrado en suelos
la mayoría de los isómeros fosforilados de inositol, desde los monofosfatos a los
hexafosfatos, siendo el mioinositol hexafosfato (ácido fítico) el único presente en cantidades
significativas en las plantas superiores. Se estima que el resto de las formas halladas son una
consecuencia de la actividad microbiana. El fósforo orgánico es difícilmente asimilable por
las plantas, lo que ilustra el hecho de que reiteradamente presenta una deficiencia en fosfatos
en lugares donde el contenido de fósforo orgánico del suelo es elevado (Grant y Long,
1989).
(a) (b)
Figura 8. a) Mioinositol. b) Mioinositol hexafosfato (ácido fítico).
52
Por otra parte, las plantas absorben fósforo inorgánico en estado soluble. El fósforo
está en un estado soluble, pero cuando se introduce al suelo más del 90% del mismo pasa a
formas insolubles no disponibles. De esta forma, gran parte de los fertilizantes fosfatados
que son utilizados no son aprovechados por las plantas, sino que se almacenan en el suelo
(Fernández et al., 2005). Por ello a pesar de que el fósforo es abundante en el suelo en sus
formas orgánica e inorgánica, las plantas deben absorberlo del suelo donde el fósforo
asimilable se encuentra en muy bajas concentraciones (Fernández et al., 2005). Uno de los
principales motivos de la disponibilidad limitada se debe a la unión de los aniones fosfato
con otros elementos, con los que forma complejos poco solubles, como los fosfatos de hierro
(FePO4) o aluminio (AlPO4) en suelos ácidos y fosfatos de calcio (Ca3(PO4)2) en suelos
alcalinos (Hernández-Leal et al., 2011).
Algunos microorganismos poseen la capacidad de solubilizar compuestos de fósforo
inorgánico haciéndolos asimilables para las plantas (Fernández et al., 2005; Lara et al.,
2011). La acción de la solubilización de fósforo puede llevarse a cabo con diferentes
procesos como la producción de ácidos orgánicos, quelación e intercambio de iones; por
ejemplo, el ácido oxálico producido por los microorganismos puede quelar Ca2+
, Mg2+
y
Fe3+
desestabilizando el mineral de procedencia del fosfato para así solubilizarlo (Lara et
al., 2011). Uno de los mecanismos más frecuentes utilizados para la solubilización es la
producción de ácidos como el ácido sulfhídrico, el ácido nítrico o el ácido carbónico
(Fernández et al., 2005; Lara et al., 2011). También existen otros mecanismos como las
fitasas que son enzimas que ayudan al aprovechamiento de las moléculas de fósforo
orgánico (Li et al., 2010). La fitasa (mio-inositol fosfohidrolasa hexakisfosfato) puede
catalizar la liberación de ortofosfato a partir de hexakisfosfato mio-inositol y juega un
papel importante en la descomposición del ácido fítico (fitato) indigerible que se encuentra
en granos y semillas oleaginosas, para liberar fósforo digerible (Fu et al., 2008; Li et al.,
2010). Cuando el fitato no es aprovechado, se convierte en una fuente de contaminación (Li
et al., 2010). Por otra parte se han encontrado un gran número de fitasas en plantas, animales
y microorganismos. La clasificación de las fitasas se realiza con base en la diferencia
estructural y las propiedades catalíticas, donde se han resaltado tres grupos: fosfatasas ácidas
de histidina, fitasas de hélice beta y fosfatasas ácidas purpuras (Fu et al., 2008).
Los microorganismos solubilizadores de fósforo crecen en medios con fosfato
tricálcico apatita o materiales insolubles similares como única fuente de fósforo. Ellos no
solo asimilan el elemento sino que solubilizan una gran proporción del mismo, liberándolo
en cantidades superiores a las que ellos pueden aprovechar. Las bacterias solubilizan fósforo
principalmente mediante la disminución del pH del medio con la generación de ácidos
orgánicos que actúan sobre el fósforo insoluble como el fosfato tricálcico, fosfato dicálcico
y roca fosfórica (Lara et al., 2011).
5.4.2.1 Bacterias solubilizadoras de fósforo
Los microorganismos que solubilizan fósforo, podrían contribuir a ayudar a la
concentración de fósforo disponible para las plantas en el compost.
Una gran mayoría de bacterias del suelo pueden solubilizar fosfatos insolubles pero
son más activas aquéllas que pertenecen a los géneros Pseudomonas, Enterobacter y
Bacillus (Osorio, 2009).
Como se mencionó anteriormente, los mecanismos de solubilización del fósforo se
realizan mediante la producción de ácidos orgánicos (ácido oxálico, ácido cítrico, ácido
láctico, ácido tartárico y ácido aspártico, entre otros) y la liberación de protones al medio.
Estos ácidos son producto del metabolismo microbiano, principalmente por la respiración
53
oxidativa o por la fermentación de carbono orgánico soluble. La producción de ácidos
orgánicos se incrementa si la fuente de nitrógeno es amonio en lugar de nitratos. Por otra
parte, cuando se inocula el suelo con microorganismos solubilizadores de fósforo, los ácidos
orgánicos disminuyen el pH y favorecen la solubilización de roca fosfórica. El mecanismo
se representa en la siguiente reacción: (Osorio, 2009)
CaHPO4 + H+ H2PO4¯ +Ca
2+
Fosfato dicálcico
Ca5(PO4)3(OH) +4H+ 3HPO4
2- +5Ca
2+ + H2O
Hidroxiapatita
Con la presencia de ácidos orgánicos reduce la actividad de Ca2+
. De esta forma se
favorece la liberación de fósforo (Osorio, 2009).
Por otra parte, la variedad de las bacterias solubilizadoras de fósforo depende del tipo
de suelo, si es arcilloso, arenoso, si es virgen o si ha sido trabajado (Nautiyal, 1999;
Fernández et al., 2005). También depende de las materias primas utilizadas en el proceso de
compostaje (ver Tabla 15) (Pepe et al., 2013). El aislamiento de los microorganismos
solubilizadoras de fósforo se realiza sembrando los microorganismo en medio Pikovskaya
con fósforo insoluble; la presencia de solubilización se evidencia mediante la formación de
un halo en el medio (ver Figura 9) (Khan et al., 2007).
Figura 9. Solubilización de fósforo insoluble en medio Pikovskaya (a) Bacteria (b y c)
Hongos. Fuente: Khan et al. (2007).
54
Tabla 15. Bacterias solubilizadoras de fósforo.
Género y especie Acido predominante
Enterobacter intermedium 2-cetglucónico
Bacillus
amyloliquefaciens
Láctico, itacónico, isovalérico, isobutírico acético
Bacillus licheniformis
Bacillus atrophaeus
Penibacillus macerans
Vibrio proteolyticus
Xanthobacter agilis
Enterobacter aerogenes
Enterobacter taylorae
Enterobacter asburiae
Kluyvera cryocrescens
Pseudomonas aerogenes
Chryseomonas luteola
Pseudomonas cepacia Glucónico , 2-cetglucónico
Bacillus polymyxa Oxálico, cítrico
Bacillus licheniformis
Bacillus spp.
Pseudomonas striata Málico, glicoxálico , succínico, fumárico, tartárico α-
ketobutirico
Arthrobacter sp Oxálico, malónico
Bacillus firmus 2-cetglucónico, succínico
Micrococcus spp. Oxálico
Bacillus subtilis Oxálico, succínico, cítrico, 2-ketgluconico
Bacillus spp.
Modificado de Khan et al. (2007)
5.4.2.3 Suplementación con fósforo
Como se ha mencionado anteriormente el compost no posee las concentraciones de
nutrientes que las plantas necesitan para crecer. Por lo tanto la suplementación del compost
con fósforo contribuiría a mejorar las características nutricionales del mismo, ya que el
fósforo es uno de los elementos que limitan la cosecha y producción agropecuaria. Sin
embargo, se debe tener en cuenta que para el aprovechamiento del fósforo, este tiene que
estar en una forma asimilable para las plantas.
Se conocen especies de hongos y bacterias que poseen la capacidad de solubilizar
fósforo. Entre de los géneros de hongos que solubilizan este elemento se pueden encontrar:
Aspergillus, Fusarium, Sclerotium, Paecilomyces lilacinus y bacterias del grupo
Actinobacterias (Fernández et al., 2005; Fu et al., 2008; Osorio, 2009; Lara et al., 2011) Los
hongos solubilizadores más estudiados son Penicillium y Aspergillus. Wickramatilake et al.
(2011) desarrollaron un estudio donde identificaron que diferentes tipos de compost
adicionados al suelo con y sin adición de fósforo, contribuyen a incrementar el número de
55
bacterias solubilizadoras de fósforo y asimismo el fósforo disponible. Leal y Madrid (2013)
realizaron una suplementación del compost con roca fosfórica, pero no se encontró efecto
significativo con la adición de roca fosfórica sobre el fósforo disponible. Zayed y Abdel-
Motaal (2005) adicionaron roca fosfórica al compostaje al igual que se inoculó con hongos
(Aspergillus niger, Trichoderma viride). Estos autores obtuvieron un alto número de hongos
de la rizosfera del suelo de plantas de caupí luego del tratamiento con compost con A. niger
y T. viride. El número más alto de bacterias solubilizadoras de fósforo fueron encontradas en
el compost realizado con estiércol de granja. Odongo et al. (2007) intentaron mejorar la
disponibilidad de fósforo a través de la suplementación del compost con roca fosfórica y
estiércol. Los resultados sugieren que el compost ayudó a incrementar el fósforo disponible,
lo que se evidencio por el buen crecimiento de las plantas.
Sharan et al. (2008) tomaron la bacteria Xanthomonas campestris y le realizaron
mutagénesis al azar y obteniendo una cepa una bacteria con una alta capacidad de
solubilización de fósforo, comparada con la bacteria Xanthomonas campestris silvestre.
Se han reportado diferentes estudios que buscan identificar microorganismos
solubilizadoras de fósforo de suelos, minas de fosfato, sus relaciones filogenéticas y también
identificar su papel biológico en el entorno donde se encuentra (inmovilizadores de metales
pesados entre otras funciones) (Useche et al., 2004; Sharan et al., 2008; Xiao et al., 2009;
Park et al., 2011; Yang et al., 2012).
Por lo tanto es importante conocer los microorganismos solubilizadores de fosfatos
que se encuentran en el compostaje, para así aprovecharlos afín de contribuir a aumentar la
disponibilidad del fósforo para las plantas en el compost.
5.4.3 Adicción de potasio
Al igual que el nitrógeno y el fósforo, el potasio también hace parte de los
macronutrientes primarios que necesita la planta para desarrollar sus procesos biológicos. El
potasio desempeña un papel esencial para las enzimas, coenzimas, la síntesis de proteínas y
la fotosíntesis (Basak y Biswas, 2009). El potasio es el cuarto mineral más abundante en la
litosfera, y se encuentra principalmente en cuatro formas: soluble en agua, intercambiable,
no intercambiable, formas estructurales y minerales. El potasio soluble en agua está
disponible para las plantas. Cuando hay bajos niveles de potasio intercambiable, el potasio
no intercambiable también puede ser tomado por la planta (Basak y Biswas, 2009; Ashley et
al., 2006).
El intercambio de potasio disponible depende de la carga de las arcillas y la materia
orgánica de los suelos. Por otra parte, el potasio presenta un equilibrio dinámico y una
cinética en las reacciones entre sus diferentes formas en el suelo. Esto afecta el nivel de
potasio soluble en cualquier tiempo en particular y, por lo tanto, la cantidad de potasio
fácilmente disponible para las plantas (Basak y Biswas, 2009).
El potasio no posee un estadio gaseoso como el nitrógeno, por ende los ciclos del potasio se
dan en el suelo, cambiando de un estado a otro (soluble, disponible y no disponible)
También hay una pérdida, de este elemento cuando las plantas lo utilizan para un proceso.
Además hay un ciclo de reciclaje cuando la materia orgánica está en descomposición
ayudando las bacterias a la recuperación de este elemento (Basak y Biswas, 2009; Ashley et
al., 2006).
Algunas bacterias poseen la capacidad de solubilizar el potasio. Esta función la
realizan secretando ácidos orgánicos que contribuyen a que el potasio se vuelva soluble o
esté en un estado que permita el intercambio (Basak y Biswas, 2009).
56
Algunas bacterias como Bacillus mucilaginosus poseen la capacidad de solubilizar
potasio. Por otra parte, se ha evidenciado que la aplicación de bacterias solubilizadoras de
potasio aumentan la disponibilidad de este elemento para las plantas (Basak y Biswas, 2009;
Ashley et al., 2006).
6 ASPECTOS AMBIENTALES
6.1 Emisiones del proceso de compostaje
El compostaje se ha presentado como una alternativa amigable y sostenible para el
manejo de los residuos orgánicos (Pagans et al., 2006). Pero se conoce que el compostaje
genera emisiones de gases de efecto invernadero. Los gases generados son dióxido de
carbono (CO2), óxido nítrico (N2O), amoniaco (NH3), sulfuro de hidrógeno (H2S) y gas
metano (CH4) que contribuyen a la generación de malos olores y contaminación
atmosférica (Smet et al., 1999; Peigné y Girardin, 2004; Mao et al., 2006; Lou y Nair,
2009).
El sector de utilización los residuos orgánicos putrescibles es un importante
contribuyente a la generación de gases de efecto invernadero, y es responsables
aproximadamente del 5% de los gases de efecto invernadero en el mundo (Lou y Nair,
2009). Para disminuir la evaporación de CO2 y amoniaco se deben controlar en el
compostaje variables como la temperatura y el pH (Pagans et al., 2006; Shilev et al.,
2007); al respecto algunos estudios han demostrado que el pH favorece la volatilización
del amoniaco por desplazamiento de NH4+ a NH3 (Pagans et al., 2006). Además se sabe
que cuando la temperatura aumenta por encima de 45ºC se detiene el proceso de
nitrificación (Pagans et al., 2006).
Otra fuente de contaminación es la generación de lixiviados, por ende se debe tener
en cuenta que el sitio para hacer el compostaje debe estas lejos de las fuentes hídricas
naturales.
7.2 Beneficios
El compostaje ayuda a la utilización de residuos orgánicos, que presentando una
alternativa para el aprovechamiento de los mismos (Pagans et al., 2006). Los beneficios del
compost son muchos, por ejemplo el aporte de materia orgánica, microorganismos y algunos
nutrientes al suelo. Por otra parte ayuda a controlar la erosión, puesto que incrementa la
materia orgánica del suelo (Shilev et al., 2007).
Algunas de las bacterias que posee el compost secretan sustancias que estimulan el
crecimiento de las plantas. El compost también ayuda a mejorar las características físico-
químicas y microbiológicas de los suelos (Shilev et al., 2007; Altomare y Tringovska,
2011). Además favorece la formación de humus y sustancias húmicas, lo que mejora las
características físicas y químicas de los suelos, así como la disponibilidad de nutrientes para
las plantas (Zapata, 2009).
Por ser el compost un abono que aporta microorganismos y materia orgánica al suelo,
ayuda a recuperar su equilibrio favoreciendo así la salud del mismo y de las plantas. Por
estas características reparadoras, el compost es utilizado en biorremediación de tierras
desgastadas o contaminadas, por diferentes agentes (Shilev et al., 2007).
57
8. CONCLUSIONES
El compostaje es un proceso por el cual se pueden obtener abonos orgánicos, y sirve
para reutilizar los residuos generados en las ciudades y el campo. Este proceso reduce el
impacto ambiental de los residuos orgánicos, puesto que presenta una alternativa de
transformación cuyo impacto ambiental negativo es menor que la disposición en rellenos
sanitarios.
Por otra parte el compost se presenta como una alternativa para ayudar a mejorar los
suelos desgastados por las diferentes actividades agrícolas. También se puede observar que
el compostaje es un proceso que se puede adaptar a diferentes tipos de áreas y materias
primas lo que facilita que sea una tecnología que se pueda aplicar fácilmente en las
comunidades rurales y en el sector agroindustrial.
Con los estudios revisados, se ha podido identificar que el proceso de compostaje se
elabora en diferentes sistemas, con distintas materias primas, pero aún no se obtiene un
compost con buenas concentraciones de nutrientes. Por ende la adición de la adición de
nutrientes como fósforo, potasio y la inoculación bacterias podría contribuir a mejorar las
características nutricionales del compost.
Por otra parte se puede decir que el proceso de compostaje es una herramienta que
ayuda a disminuir el impacto ambiental de los residuos generados en las grandes ciudades,
así como también es una buena alternativa de abono orgánico, puesto que ayuda a mejorar
las condiciones del suelo, adicionando a este no solo materia orgánica si no
microorganismos que ayudan al crecimiento y desarrollo de las plantas. De allí la necesidad
de desarrollar esta tecnología teniendo en cuenta los requerimientos nutricionales de las
plantas, para poder elaborar un producto que contribuya no solo al bienestar de los suelos
sino también a la nutrición de las mismas. Con la adición de microorganismos
transformadores de nitrógeno, fósforo y potasio al compost se podría mejorar la captación de
nutrientes por parte de las plantas haciéndolos más disponibles.
58
9. BIBLIOGRAFÍA
Adeniyan N., Ojo O., Akinbode A., Adediran A. (2011). Full Length Research Paper
Comparative study of different organic manures and NPK fertilizer for improvement
of soil chemical properties and dry matter yield of maize in two different soils.
Journal of Soil Science and Environmental Management, 2(1): 9-13.
Agamuthu P., Chee C., Hasan S., Praven V. (1999). Kinetic Evaluation of Composting of
Agricultural Wastes. Environmental Technology, 21(2): 185-192.
Albuja M.B. (2009). Evaluación de parámetros físico químicos y microbiológico del abono
obtenido de los desechos orgánicos del mercado mayorista de la ciudad de Ibarra;
elaborado mediante dos metodologias de Inoculacion de bacterias microcompostic:
P.E compost y compostaje convencional.pregrado. Pontificia Universidad Católica
del Ecuador: Ibarra. 122 p.
Altieri R., Esposito A. (2010). Evaluation of the fertilizing effect of olive mill waste
compost in short-term crops. International Biodeterioration & Biodegradation, 64:
124-128.
Altomare C., Tringovska I. (2011). Beneficial Soil Microorganisms, an Ecological
Alternative for Soil Fertility Management., in Genetics, Biofuels and Local Farming
SystemsSpringer Netherlands. 161-214.
Amossé J., Bettarel Y., Bouvier C., Bouvier T., Duc T., Thu T., Jouquet P. (2013). The
flows of nitrogen, bacteria and viruses from the soil to water compartments are
influenced by earthworm activity and organic fertilization (compost vs.
vermicompost). Soil Biology & Biochemistry 66: 197- 203.
Anastasi A., Varese G., Marchisio V. ( 2005). Isolation and identification of fungal
communities in compost and vermicompost. Mycologia, 97: 33-44.
Angelidaki I., Ahring B.K. (1997). Codigestion of olive oil mill wastewaters with manure,
household waste or sewage sludge. Biodegradation 8: 221-226.
Ashley M., Grant M., Grabov A. ( 2006). Plant responses to potassium deficiencies: a role
for potassium transport proteins. Journal of Experimental Botany, 57(2): 425-436.
Bagstam G. (1978). Population Changes in Microorganisms During Composting of Spruce-
Bark. European Journal of Microbiology and Biotechnology, 5: 315-330.
Bannick C.G., Joergensen R.G. (1993). Change in N fractions during composting of wheat
straw. Biology and Fertility of Solis, 16: 269-274.
Bao Y., Zhou Q., Guan L. (2008). Allantoin-N concentration changes and analysis of the
influencing factors on its changes during different manure composting. Bioresource
Technology 99(18): 8759-8764.
Bari Q., Koenig A. (2012). Application of a simplified mathematical model to estimate the
effect of forced aeration on composting in a closed system. Waste Management,
32(11): 2037-2045.
Barrena R., Artola A., Vázquez F., Sánchez A. (2009). The use of composting for the
treatment of animal by-products: Experimental at lab scale. Journal of Hazardous
Materials, 161: 380-386.
Basak B., Biswas D.R. (2009). Influence of potassium solubilizing microorganism (Bacillus
mucilaginosus) and waste mica on potassium uptake dynamics by sudan grass
(Sorghum vulgare Pers) grown under two Alfisols. Plant Soil, 317: 235-255.
Beffa T., Blanc M., Lyon P.F., Vogt G., Marchiani M., Fischer J.L., Aragno M. (1996).
Isolation of Thermus strains from hot composts (60 to 80 degrees C). Applied
Environmental Microbiology, 62(5): 1723-1727.
59
Bernal M.P., Sánchez M.A., Paredes C., Roig A. (1998). Carbon mineralization from
organic wastes at different composting stages during their incubation with soil.
Agriculture, Ecosystems and Environment, 69: 175-189.
Bernal M.P., Alburquerque J.A., Moral R. (2009). Composting of animal manures and
chemical criteria for compost maturity assessment. A review. Bioresource
Technology, 100: 5444–5453.
Bongochgetsakul N., Ishida T. (2008). A new analytical approach to optimizing the design
of large-scale composting systems. Bioresource Technology, 99(6): 1630-1641.
Braghini A.L., Franco A.C., de Araújo M., Vierira R. (2012). Contribution of N2 Fixation
for the World Agriculture. En: Bacteria in Agrobiology: Plant Probiotics
Maheshwari K.D. (Ed.). Springer New York Dordrecht London. pp. 315-324.
Busbya R.R., Torbertb A., Gebhart D.L. (2007). Carbon and nitrogen mineralization of non-
composted and composted municipal solid waste in sandy soils. Soil Biology &
Biochemistry 39: 1277-1283.
Caballero R., Pajuelo P., Ordovás J., Carmona E., Delgado A. (2009). Evaluation and
correction of nutrient availability to Gerbera jamesonii H. Bolus in various compost-
based growing media. Scientia Horticulturae, 122: 244-250.
Cáceres R., Marfá O. (2013). Diagnosis of the fertility of compost-based growing media:
Methodcomparison and monitoring in pot plant cultivation. Scientia Horticulturae
164: 213-220.
Castro G. (1991). Resolución Número 00544 del 21 de Diciembre de 1995. Ministerio de
Agricultura y Desarrollo Rural. 1-9 p.
Castro H.E., Gómez M.I. (2010). Fertilidad de Suelos y Fertilizantes. En: Ciencia del Suelo.
Burbano H., Silva F. (Eds.). Sociedad Colombiana de la Ciencia del Suelo: Bogota
D.C. pp. 217-303.
Chen K., Pachter L. (2005). Bioinformatics for Whole-Genome Shotgun Sequencing of
Microbial Communities. PLOS Computational Biology, 1(2): e24.
Chistoserdova L. (2010). Recent progress and new challenges in metagenomics for
biotechnology. Biotechnology Letters, 32: 1351-1359.
Chroni C., Kyriacou A., Georgaki I., Manios T., Kotsou M., Lasaridi K. (2009). Microbial
characterization during composting of biowaste. Waste Managment, 29: 1520-1525.
Colón J., Mestre M., Puig I., Sanchez A. (2013). Performance of compostable baby used
diapers in the composting process with the organic fraction of municipal solid waste.
Waste Management, 33(5): 1097-1103.
Crawford D.L., Lynch J.M., Whipps J.M., Ousley M.A. (1993). Isolation and
Characterization of Actinomycete Antagonists of a Fungal Root Pathogent. Applied
and Environmental Microbiology 59: 3899-3905.
Daniel R. (2005). The metagenomics of soil. Nat Rev Microbiol, 3(6): 470-478.
Dardanelli M.S., Carletti S.N., Paulucci N.S., Medeot D.B., Cáceres E.A.R., Vita M., Bueno
M., Fumero M.V., B. G.M. (2010). Plant Growth and Health Promoting Bacteria, in
Microbiology Monographs, Maheshwari K., D., EditorSpringer-Verlag Berlin
Heidelberg: Münster, Germany. 1-20.
De Bertoldi M., Vallini G., Pera A. (1983). The Biology of Composting: A review. Waste
Management & Research, 1: 157-176.
De Guardia A., Petiot C., Benoist C.J., Druilhe C. (2012). Characterization and modelling of
the heat transfers in a pilot-scale reactor during composting under forced aeration.
Waste Management 32: 1091-11055.
De Lucia B., Cristiano G., Vecchietti L., Rea E., Russo G. (2013). Nursery Growing Media:
Agronomic and Environmental Quality Assessment of Sewage Sludge-Based
Compost. Applied and Environmental Soil Science, 2013: 1-10.
60
Doran P., M. (1998). Principios de Ingeniería de los Bioprocesos ed. S.A. A.: London 466
p.
European Compost Network. (2014). Organic resources and biological treatment
Disponible en: http://www.compostnetwork.info/country-reports-world/. [Visitada
en May de 2014].
Fagnano M., Adamob P., Zampellab M., Fiorentinoa N. (2011). Environmental and
agronomic impact of fertilization with composted organic fraction from municipal
solid waste: A case study in the region of Naples, Italy. Agriculture, Ecosystems and
Environment 141: 100-107.
Fernández L.A., Zabala P., Gomez M.A., Sagardoy M.A. (2005). Bacterias Solubilizadoras
de Fosfato Inorganico Aisladas del Suelo de la Region de Sojera. Ciencia del Suelo
(Argentina), 23: 31-37.
Fontenelle L.T., Corgie S.C., Walker L.P. (2011). Integrating mixed microbial population
dynamics into modeling energy transport during the initial stages of the aerobic
composting of a switchgrass mixture. Bioresource Technology, 102(8): 5162-5168.
Frioni L., De los Santos C. (1998). Biotrasformación Aerobia de Residuos Organicos
Solidos. Agrociencia, 2(1): 1-11.
Fu S., Sun J., Qian L., Li Z. (2008). Bacillus Phytases: Present Scenario and Future
Perspectives. Applied Biochemistry and Biotechnology, 151: 1-8.
leky G., Benedek S. (2010). Composting to Recycle Biowaste. En: Sociology, Organic
Farming, Climate Change and Soil Science. Sustainable Agriculture Reviews.
Lichtfouse E. (Ed.). Springer Netherlands. pp. 319-346.
Galindo C.T., Romero H.M. (2012). Compostaje de subproductos de la agroindustria de
palma de aceite en Colombia:
estado del arte y perspectivas de investigación, Centro de Investigaciones de Palma de
Aceite-Ceniplama: Bogota 53.
Garavito F. (2012). Introducción a los Suelos.
García A., Angulo J., Martínez M.M., Gutiérrez V. (2012). Effect of phosphate -
solubilizing bacteria and compost on the nutritional characteristics of the oil palm
crop (Elaeis guineensis Jacq.) in Casanare, Colombia. Agronomía Colombiana 30(2):
274-281.
Gillis J.D., Price G.W. (2011). Comparison of a novel model to three conventional models
describing carbon mineralization from soil amended with organic residues.
Geoderma, 160: 304-310.
Giusti E., Marsili S. (2010). Fuzzy modelling of the composting process. Environmental
Modelling & Software, 25: 641-647.
Gonzáles H. (2009). Materia Orgánica, Biología del Suelo y Prodcutividad Agrícola. En: El
Humos en la Zona Cafetera colombiana Sociedad Colombiana de la Ciencia del
Suelo. Armenia pp. 11-32.
Gonzalez A., C. Robles, L. Nuñez, A. Strap, J,L.Crawford D, L. (2009). Análisis Molecualr
y Cultural de Actinomicetos Estacionales en Suelos del Hábitat de Artemisia
tridentata. . Revista Internacional de Botánica Experimental 78: 83-90.
Grant D.W., Long E.P. (1989). Microbiologia Ambiental Acribia, S.A. : Zaragoza España.
222 p.
Gupta M., Kiran S., Gulati A., Singh B., Tewari R. (2012). Isolation and identification of
phosphate solubilizing bacteria able to enhance the growth and aloin-A biosynthesis
of Aloe barbadensis Miller. Microbial Research, 167: 358-363.
Hernández-Leal T., Carrión G., Heredia G. (2011). Solubilización in vitro de fosfatos por
una cepa de Paecilomyces lilacinus (Thom) Samson. Agrociencia 45: 881-892.
61
Heuer H., Krsek M., Baker P., Smalla K., Wellington E.M. (1997). Analysis of
actinomycete communities by specific amplification of genes encoding 16S rRNA
and gel-electrophoretic separation in denaturing gradients. Appl Environ Microbiol,
63(8): 3233-3241.
Himanen M., Hänninen K. (2011). Composting of bio-waste, aerobic and anaerobic sludges
– Effect of feedstock on the process and quality of compost. Bioresource
Technology, 102: 2842-2852.
Hu T.J., Zeng G.M., Huang D.L., Yu H.Y., Jiang X.Y., Dai F., Huang G.H. (2007). Use of
potassium dihydrogen phosphate and sawdust as adsorbents of ammoniacal nitrogen
in aerobic composting process. Journal of Hazardous Materials, 141: 736-744.
Hu Z., Lane R., Wen Z. (2009). Composting clam processing wastes in a laboratory- and
pilot-scale in-vessel system. Waste Management 29: 180-185.
ICA. (2003). Por la cual se adopta el Reglamento Técnico de Fertilizantes y
Acondicionadores de Suelos para Colombia. Instituto Colombiano Agropecuario
(I.C.A). 16 p.
ICA. (2014). Fertilizantes y Bioinsumos Agrícolas. Instituto Colombiano Agropecuario
Disponible en: http://www.ica.gov.co/getdoc/a5c149c5-8ec8-4fed-9c22-
62f31a68ae49/Fertilizantes-y-Bio-insumos-Agricolas.aspx. [Visitada en Marzo de
2014].
Ilyas N., Bano A. (2009). Potential Use of Soil Microbial Community in Agriculture. En:
Bacteria in Agrobiology: Plant Probiotics Maheshwari K.D. (Ed.). Springer: New
York Dordrecht London. pp. 45-64.
Imbeah M. (1998). Compostig Piggery Waste :A review Bioresource Technology, 63: 197-
203.
Insam H., De Bertoldi M. (2007). Microbiology of the Composting Process. En: waste
Managemnt Series. Compost Science and Technology. Diaz L., F. de Bertoldi, M.
Bidlingmaier, W. Stentiford, E. (Ed.). Elservier. pp. 25-48.
Ipek U., Öbek E., Akca L., Arslan E.I., Hasar H., Dogru M., Baykara O. (2002).
Determination of degradation of radioactivity and its kinetics in aerobic composting.
Bioresource Technology, 84(3): 283-286.
Janso J.E., Carter G.T. (2010). Biosynthetic Potential of Phylogenetically Unique
Endophytic Actinomycetes from Tropical Plants. Applied and Environmental
Microbiology 73: 4377-4386.
Jaramillo C.X. (2012). Evaluación Agronómica de Suelo Calizo Enmendado con Compost
de Alperujo. .Maestria. Facultatd de Agronómia, Universidad Nacional de Colombia:
Plamira 83 p.
Jaramillo G., Zapata L.M. (2008). Aprovechamiento de los Residuos Orgánicos en
Colombia.Especialización. Facutad de Ingenierias Posgrado en Ambiental,
Universidad de Antioquia: Medellin 116 p.
Jeong Y.K., Kim J.S. (2001). A new method for conservation of nitrogen in aerobic
composting processes. Bioresource Technology, 79(2): 129-133.
Jeong Y.K., Hwang S.J. (2005). Optimum doses of Mg and P salts for precipitating
ammonia into struvite crystals in aerobic composting. Bioresource Technology,
96(1): 1-6.
Kalemelawa F., Nishihara E., Endo T., Ahmad Z., Yeasmin R., Tenywa M.M., Yamamoto
S. (2012). An evaluation of aerobic and anaerobic composting of banana peels
treated with different inoculums for soil nutrient replenishment. Bioresource
Technology, 126: 375-382.
62
Karadag D., Özkaya B., Ölmez E., Nissilä M.E., Çakmakçı M., Yıldız S., Puhakka J.A.
(2013). Profiling of bacterial community in a full-scale aerobic composting plant.
International Biodeterioration & Biodegradation 77: 85-90.
Khalil A.I., Hassouna M.S., El-Ashqar H.M.A., Fawzi M. (2011). Changes in physical,
chemical and microbial parameters during the composting of municipal sewage
sludge. World Journal Microbiology and Biotechnology, 27: 2359–2369.
Khan M.S., Zaidi A., Wani P.A. (2007). Role of phosphate-solubilizing microorganisms in
sustainable agriculture – A review. Agronomy Sustainable Development, 27: 29-43.
Kim J.D., Park J.S., In B.H., Kim D., Namkoong W. (2008). Evaluation of pilot-scale in-
vessel composting for food waste treatment. Journal of Hazardous Materials 154:
272–277.
Kulcu R., Yaldiz O. (2004). Determination of aeration rate and kinetics of composting some
agricultural wastes. Bioresource Technology, 93(1): 49-57.
Kuok F., Mimoto H., Nakasaki K. (2012). Effects of turning on the microbial consortia and
the in situ temperature preferences of microorganisms in a laboratory-scale swine
manure composting. Bioresource Technology, 116: 421-427.
Lara C., Esquivel L.M., Negrete J.L. (2011). Bacterias Nativas Solubilizadores de Fosfatos
para Incrementar los Cultivos en el Departamento de Cordoba-Colombia.
Biotecnologia en el Sector Agropecuario y Agroindustria, 9: 114-120.
Lashermes G., Barriuso E., Le Villio M., Houot S. (2012). Composting in small laboratory
pilots: performance and reproducibility. Waste Management, 32(2): 271-277.
Leal N., Madrid C. (2013). Compostaje de Residuos Orgánicos Mezclados co Roca
Fosfórica. Agronomia Tropical, 48: 335-357.
Lee J.J., Park R.D., Kim Y.W., Shim J.H., Chae D.H., Rim Y.S., Sohn B.K., Kim T.H., Kim
K.Y. (2004). Effect of food waste compost on microbial population, soil enzyme
activity and lettuce growth. Bioresource Technology, 93(1): 21-28.
Li R., Zhao J., Sun C., Lu W., Guo C., Xiao K. (2010). Biochemical properties, molecular
characterizations, functions, and application perspectives of phytases. Frontiers of
Agriculture in China 4(2): 195-209.
Liu D., Zhang R., Wu H., Xu D., Tang Z., Yu G., Xu Z., Shen Q. (2011). Changes in
biochemical and microbiological parameters during the period of rapid composting
of dairy manure with rice chaff. Bioresource Technology, 102(19): 9040-9049.
López M., Funamizu N., Takakuwa T. (2005). Biological activity in the composting reactor
of the bio-toilet system. Bioresource Technology, 96: 805-812.
López X.A. (2011). Caracterización de compostas derivadas de residuos orgánicos
enfocadas a su uso como sustratos.Maestria. CENTRO INTERDISCIPLINARIO DE
INVESTIGACIÓN PARA EL DESARROLLO INTEGRAL REGIONAL UNIDAD
OAXACA, Instituto Politécnico Nacional.: Santa Cruz Xoxocotlán. 58 p.
Lou X.F., Nair J. (2009). The impact of landfilling and composting on greenhouse gas
emissions--a review. Bioresource Technology 100(16): 3792-3798.
Lu L.A., Kumar M., Tsai J.C., Lin J.G. (2008). High-rate composting of barley dregs with
sewage sludge in a pilot scale bioreactor. Bioresource Technology 99: 2210–2217.
Madigan M., Martinko J., Dunlap P., Clark D. (2009). Brock. Biologia de los
Microorganismos. 12ª ed, ed. 12ª. Vol. 1. Pearson Madrid 1296 p.
Madrid C., Quevedo V., Andrade E. (2000). Estudio de la biotransformación aeróbica de los
desechos lignocelulósicos pergamino de café (Coffen arabica L.) y tallos de pasto
guinea (Panicum maximum). Revista de la Facutultad de Agronomia (LUZ), 17:
505-517.
63
Majlessi M., Eslami A., Najafi S.H., Mirshafieean S., Babaii S. (2012). Vermicomposting of
food waste: assessing the stability and maturity. Journal of Environmental Health
Science & Engineering, 25(9): 2-5.
Mao I.F., Tsai C.J., Shen S.H., Lin T.F., Chen W.K., Chen M.L. (2006). Critical
components of odors in evaluating the performance of food waste composting plants.
Science of the Total Environment, 370(2-3): 323-329.
Market Publishers Ltd. (2014). In-Demand Different Countries Organic Fertilizer Markets
Studies by BAC Reports Market Publishers. Disponible en:
http://www.prweb.com/releases/2014/03/prweb11623686.htm. [Visitada en de
Martins L.F., antunes L.P., Pascon R.C., de Oliveira J.C.F., Digiampietri L.A., Barbosa D.,
Malveira B., Villamil M., Viana-Niero C., et al. (2013). Metagenomic Analysis of a
Tropical Composting Operation at the Sa˜o Paulo Zoo Park Reveals Diversity of
Biomass Degradation Functions and Organisms. PLOS ONE, 8(4): e61928.
Matheus J. (2004). Evaluación Agronómica del Uso de Compost de Residuos de la Idustria
Azucarera (Biofertilizante) en el Cultivo de Maiz (Zea mays L.). Bioagro, 16(3):
219-224.
Mbarki S., Labidi N., Mahmoudi H., Jedidi N., Abdelly C. (2008). Contrasting effects of
municipal compost on alfalfa growth in clay and in sandy soils: N, P, K, content and
heavy metal toxicity. Bioresource Technology, 99: 6745-6750.
McCaskey T.A., Little J.A., Krotz R.M., Lino S.P., Hannah T.C. (1996). On-farm
composting feasible for disposal of swine carcasses. Highlights of Agricultural
Research, Alabama Agricultural Experiment Station, 43: 18-20.
Miller G.L. (1958). Use of DinitrosaIicyIic Acid Reagent for Determination of Reducing
Sugar. Analytical Chemistry, 31(3): 426-428.
Monod J. (1949). The Growth of Bacterial Cultures Annual Review Microbiology, 3: 371-
394.
Mora J.R. (2006). Contribuciones del Compost al Mejoramiento de la Fertilidad de los
Suelos Revista Luna Azul Universidad de Caldas 1-6.
Morales G.I., Aristizábal O.M. (2007). Estudio de Factibilidad Técnico Financiero de
Abono Orgánico a Partir de los Desechos Orgánicos de la Plaza de Corabastos de
Bogotá. .Pregrado Facultad de Contaduria publica, Universidad la Salle Bogotá D.C.
126 p.
Morán D., Naranjo G. (2013). Elaboración de abono orgánico como resultado de una
adecuada gestión ambiental de los residuos generados en la planta productora y
procesadora de aves y cerdos de Avícola Fernandez S.A.Maestria. Unidad de
Postgrados, Universidad Politécnica Salesiana: Guayaquil. 67 p.
Nautiyal C.S. (1999). An e¤cient microbiological growth medium for screening phosphate
solubilizing microorganisms. FEMS Microbiology Letters, 170: 265-270.
Neklyudov A.D., Fedotov G.N., Ivankin A.N. (2008). Intensification of Composting
Processes by Aerobic Microorganisms: A Review. Applied Biochemistry and
Microbiology, 44: 6-18.
Norma Técnica Colombiana. (1967). Método cuantitativo de determinación del nitrógeno
nítrico NTC208. ICONTEC. 1-5 p.
Norma Técnica Colombiana. (1996). Método de ensayo para la determinación cuantitativa
del fósforo NTC234. ICONTEC. 1-9 p.
Norma Técnica Colombiana. (2004). Productos para la Industria Agrícola Productos
Orgánicos Usados como Abonos o Fertilizantes y Enmienda de Suelo NTC5167. 32
p.
Norma Técnica Colombiana. (2008). Metodo cuantitativo para determinar el nitrógeno
amoniacal por destilación NTC211. ICONTEC. 1-8 p.
64
O`Keefe D.M., Owens J.M., Chynoweth D.P. (1996). Anaerobic Composting of Crab-Pickig
Wastes for by Product Recovery Bioresource Technology 58: 265-272.
Odongo N.E., Hyoung-Ho K., Choi H.C., van Straaten P., McBride B.W., Romney D.L.
(2007). Improving rock phosphate availability through feeding, mixing and
processing with composting manure. Bioresource Technology 98: 2911-2918.
Osorio N.W. (2009). Materia Orgánica, Biología del Suelo y Prodcutividad Agrícola. En:
Microorganismos del suelo y su efecto sobre la disponibilidad y absorción de
nutrientes por las plantas. Sociedad Colombiana de la Ciencia del Suelo. Armenia
pp. 43-71.
Pagans E., Barrena R., Font X., Sanchez A. (2006). Ammonia emissions from the
composting of different organic wastes. Dependency on process temperature.
Chemosphere, 62(9): 1534-1542.
Papen H., von Berg R. (1998). A Most Probable Number method (MPN) for the estimation
of cell numbers of heterotrophic nitrifying bacteria in soil. Plant and Soil, 199: 123–
130.
Park J.H., Bolan N., Megharaj M., Naidu R. (2011). Isolation of phosphate solubilizing
bacteria and their potential for lead immobilization in soil. Journal of Hazardous
Materials, 185(2-3): 829-836.
Pathma J., Sakthivel N. (2012). Microbial diversity of vermicompost bacteria that exhibit
useful agricultural traits and waste management potential. Springer Plus 26(1): 2-29.
Pattnaik S., Reddy M.V. (2009). Nutrient Status of Vermicompost of Urban GreenWaste
Processed by Three EarthwormSpecies—Eisenia fetida, Eudrilus eugeniae, and
Perionyx excavatus. Applied and Environmental Soil Science, 2010: 13.
Paul D., Sinha S.N. (2013). Phosphate solubilizing activity of some bacterial strains isolated
from jute mill effluent exposed water of river ganga. Indian Journal of Fundamental
and Applied Life Sciences, 3(3): 39-45.
Pearl S.E., Berg R.L., Martin W.D., Ville C. (1998). Ecosistemas y ecosfera. En: Biología
de Ville McGraw-Hill Interamericana Mexico, D. F. pp. 1167-1171.
Peigné J., Girardin P. (2004). Enviromental Impacts of Farm-Scale Composting Water, Air,
and Soil Pollution, 153: 45-68.
Pepe O., Ventorino V., Blaiotta G. (2013). Dynamic of functional microbial groups during
mesophilic composting of agro-industrial wastes and free-living (N2)-fixing bacteria
application. Waste Managment 33(7): 1616-1625.
Pérez Y., Rebollido R., Martínez J. ( 2010). Aislamiento e identificación de hongos en
compost elaborado a partir de resíduos solidos urbanos. . Agro Sur 38(1): 1-7.
Pradhan R., Reddy M., Diebel W., Erickson L., Misra M., Mohanty A. (2010). Comparative
compostability and biodegradation studies of various components of green
composites and their blends in simulated aerobic composting bioreactor.
International Journal of Plastic Technology, 14: S45–S50.
Roca-Pérez L., Martínez C., Marcilla P., Boluda R. (2009). Composting rice straw with
sewage sludge and compost effects on the soil–plant system. Chemosphere 75: 781–
787.
Rondon M.R., Goodman R.M., Handelsman J. (1999). The Earth’s bounty: assessing and
accessing soil microbial diversity. Trends Biotechnology 17(10): 403-409.
Rondon M.R., August P.R., Bettermann A.D., Brady S.F., Grossman T.H., Liles M.R.,
Loiacono K.A., Lynch B.A., Macneil I.A., et al. (2000). Cloning the Soil
Metagenome: a Strategy for Accessing the Genetic and Functional Diversity of
Uncultured Microorganisms. Applied and Enviromental Microbiology 66(6): 2541-
2547.
65
Ryckeboer J., Mergaert J., Vaes K., S. K., De Clercq D., Coosemans J., Insam H., Swings J.
(2003). A survey of bacteria and fungi occurring during composting and self-heating
processes. Annals of Microbiology, 53(4): 349-410.
Ryckeboer J., Mergaert J., Coosemans J., Deprins K., Swings J. ( 2003 ). Microbiological
aspects of biowaste during composting in a monitored compost bin. Journal of
Applied Microbiology, 94: 127–137.
Saidi N., Kouki S., M’hiri F., Jedidi N., M. M., Hassena A., Ouzari H. (2009).
Microbiological parameters and maturity degree during composting of Posidonia
oceanica residues mixed with vegetable wastes in semi-arid pedo-climatic condition.
Journal of Environmental Sciences, 21: 1452-1458.
Salamanca S.L. (2012). Compostaje de residuos industriales en Colombia. Tecnicaña, (28):
13-18.
Sánchez D. (2013). Estudio de Factibilidad para la Creación de la Planta de Abonos
Orgánicos Orgánicos de Colombia.Tesis de pregrado. Departamento Ciencias
Ambientales, Universidad Autónoma de Occidente: Cali- Colombia. 115 p.
Sánchez O.J., Cardona C.A. (2007). Producción de alcohol carburante. Una alternativa
para el desarrollo agroindustrial Primera ed Gobernacion de Caldas, Programa de
Naciones Unidas y la universidad Nacional de Colombia: Manizales Caldas.
Sangodoyin A.Y., Amori A.A. (2013). Aerobic composting of cassava peels using cowdung,
sewage sludge and poultry manure as supplements. European International Journal
of Science and Technology, 2(8): 22-34.
Schloss P.D., Handelsman J. (2003). Biotechnological prospects from metagenomics.
Current Opinion in Biotechnology, 14: 303-310.
Shammas N.K., Wang L.K. (2009). Biosolids Composting. En: Biological Treatment
Processes. Handbook of Environmental Engineering Series. Wang L.K.P., N.C.;
Hung, Y.T.; Shammas, N.K (Ed.). The Humana Press, Inc., Totowa, NJ: Spring
Street, New York. pp. 669-713.
Sharan A., Shikha., Darmwal N.S. (2008). Efficient phosphorus solubilization by mutant
strain of Xanthomonas campestris using different carbon, nitrogen and phosphorus
sources. World Journal Microbiology Biotechnology 24: 3087-3090.
Sharma V., Canditelli M., Fortuna F., Cornacchia G. (1997). Processing of Urban and Agro-
Industrial Residues by Aerobic Composting. Energy Conversion and Management,
38: 453-478.
Shilev S., Naydenov M., Vancheva V., Aladjadjiyan A. (2007). Composting of Food and
Agricultural Wastes. En: Utilization of By-Products and Treatment of Wastes in the
food Industry. Springer US: Plovdiv. pp. 283-301.
Smet E., Langenhove H.V., De Bo I. (1999). The emission of volatile compounds during the
aerobic and the combined anaerobic/aerobic composting of biowaste. Atmospheric
Environment, 33: 1295-1303.
Solari L. (2002). Nitrógeno biológico en pasturas y cultivos. Saber hacer Uruguay
Soleri L., Dakal T.C., Giudici P. (2013). Next-generation sequencing and its potential
impact on food microbial genomics. Annals Microbiology 63: 21-37.
Steele H.L., Streit W., R. (2005). Metagenomics: Advances in ecology and biotechnology.
FEMS Microbiology Letters 247: 105-111.
Takizawa M., Colwell R.R., Hill R.T. (1993). Isolation and Diversity of Actinomycetes in
the Chesapeake Bayt. Applied and Environmental Microbiology 59: 997-1002.
Tang J., Katayama A. (2005). Relating quinone profile to the aerobic biodegradation in
thermophilic composting processes of cattle manure with various bulking agents.
World Journal of Microbiology & Biotechnology, 21: 1249–1254.
66
Tian W., Sun Q., Xu D., Zhang Z., Chen D., Li C., Shen Q., Shen B. (2013). Succession of
bacterial communities during composting process as detected by 16S rRNA clone
libraries analysis. International Biodeterioration & Biodegradation 78: 58-66.
Trejos V.M., Fontalvo J., Gómez M.A. (2008). Descripcion Matemática y Análisis de
Estabilidad deProcesos Fermentativos. . Dyna, 158: 111-121.
Tuomela M., Vikman M., Hatakka A., It•ävaara M. (2000). Biodegradation of lignin in a
compost environment: a review. Bioresource Technology 72: 169-183.
Universidad de Caldas. (2014). Sistemas de Granjas. Universidad de Caldas. Disponible en:
http://www.ucaldas.edu.co/portal/?s=sistema+de+granjas+&x=0&y=0. [Visitada en
Marzo de 2014].
Useche Y., Valencia H., Pérez H. (2004). Caracterización de Bacterias y Hongos
Solubilizadores de Fosfato Bajo Tres Usos del Suelo en el Sur del Trapecio
Amazónico. Acta Biológica Colombiana 9(2): 2.
Valenzuela I.G., Torrente A. (2010). Física de los Suelos. En: Ciencia del Suelo. Burbano
H., Silva F. (Eds.). Sociedad Colombiana de la Ciencia del Suelo: Bogota D.C. pp.
139-211.
Valverde A., Sarria B., Monteagudo J.P. (2007). Análisis Comparativo de las Características
Fisicoquimicas de la Cascarilla de Arroz Scientia et Technica Año XIII, 37: 255-260.
Vélez C.E., Pinedo C., Viramontes O.A., Ortega C., Melgoza A. (2008). Bio-tecnologías
ambientales para el tratamiento de residuos ganaderos. Creatividad y Desarrollo
Tecnológico, 2: 131-144.
Vinneras B., Björklund A., Jönsson H. (2003). Thermal composting of faecal matter as
treatment and possible disinfection method––laboratory-scale and pilot-scale studies.
Bioresource Technology, 88: 47-54.
Watson S.W. (1971). Taxonomic Considerations of the Family Nitro bacteraceae Buchanan.
International Journal of Systematic Bacteriology 21: 254-270.
Weblanatural. Compostaje. Asociacion Colectiva para el Desarrollo Rural de Tierra de
Campos. Disponible en: http://www.cdrtcampos.es/lanatural/compostaje.htm.
[Visitada en Marzo de 2014].
White P.J., Brown P.H. (2010). Plant nutrition for sustainable development and global
health. Annals of Botany, 105: 1073-1080.
Wickramatilake A.R., Munehiro R., Nagaoka T., Wasaki J., Kouno K. (2011). Compost
amendment enhances population and composition of phosphate solubilizing bacteria
and improves phosphorus availability in granitic regosols. Soil Science and Plant
Nutrition, 57: 529—540.
Woods End Research Laboratory. (2000). Compost Quality in America, in Compost
Standart and Guidelines Woods End Research Laboratory Inc: New York. 42.
Xiao C., Chi R., He H., Zhang W. (2009). Characterization of tricalcium phosphate
solubilization by Stenotrophomonas maltophilia YC isolated from phosphate mines.
Journal of Central South University of Tecnology 16: 0581-0587.
Xie K., Jia X., Xu P., Huang X., Gu W., Zhang F., Yang S., Tang S. (2012). Improved
composting of poultry feces via supplementation with ammonia oxidizing archaea.
Bioresource Technology, 120: 70-77.
Xu L., Li Q., Jiang C. (1996). Diversity of soil actinomycetes in yunnan, china. Applied
Environmental Microbiology 62(1): 244-248.
Yang P.X., Ma L., Chen M.H., Xi J.Q., He F., Duan C.Q., Mo M.H., Fang D.H., Duan Y.Q.,
Yang F.X. (2012). Phosphate Solubilizing Ability and Phylogenetic Diversity of
Bacteria from P-Rich Soils Around Dianchi Lake Drainage Area of China.
Pedosphere, 22: 707-716.
67
Yañez P., Levy A., Azero M. ( 2007 ). Evaluación del compostaje de residuos de dos
agroindustrias palmiteras del Trópico de Cochabamba en silos hiperventilados. Acta
Nova, 3: 720-735.
Yepes S.M., Montoya L.J., Orozco F. (2008). Valorización de residuos agroindustriales-
Frutas- en Medellín y el sur del Valle de Aburrá, Colombia. Revista Facultad
Nacional de Agronomía, 61: 4422-4431.
Zambrano C., Riaño P.A. (2008). Rentabilidad de las empresas productoras de bioinsumos
registradas ante el ICA, Agricultura I.I.d.C.p.l., EditorInstituto Interamericano de
Cooperación para la Agricultura Bogota D.C.
Zapata R.D. (2009). Materia Orgánica, Biología del Suelo y Productividad Agrícola. En: El
compostaje y los índices para evaluar su estabilidad. Sociedad Colombiana de la
Ciencia del Suelo. Armenia pp. 33-42.
Zayed G., Abdel-Motaal H. (2005). Bio-active composts from rice straw enriched with rock
phosphate and their effect on the phosphorous nutrition and microbial community in
rhizosphere of cowpea. Bioresource Technology, 96: 929-935.
Zeng G.Y., M. Chen, Y. Huang, D. Zhang, J. Huang, H. Jiang, R. Yu, Z. (2010). Effects of
inoculation with Phanerochaete chrysosporium at various time points on enzyme
activities during agricultural waste composting. Bioresource Technology, 101(1):
222-227.
Zhang Y., He Y. (2006). Co-composting solid swine manure with pine sawdust as organic
substrate. Bioresource Technology, 97(16): 2024-2031.
68
ANEXO II
Determinación de azúcares reductores
Los azúcares reductores están constituidos por el conjunto de azúcares con grupo funcional
cetona o aldehído determinada por su acción reductora sobre una solución cupro-alcalina. El
método para la determinación de estos azúcares es colorimétrico hace uso de la ley de
Lambert. En el azúcar reductor se presenta la oxidación en el grupo funcional aldehído
(glucosa) presente y el grupo cetona (fructuosa). El acido 3,5 dinitrosalicílico es reducido
por los grupos funcionales cetona y aldehído a compuestos nitroaminado colorido que
pueden ir de pardo oscuro a marrón según la concentración de los azúcares, cuya intensidad
de color se mide en un espectrofotómetro a 540 nm. Esta técnica es un método rápido y
preciso en comparación con los que utilizan derivados fenólicos. Pero por otra parte también
posee sus desventajas, ya que la presencia de polifenoles ocasiona la reducción del reactivo.
Para desarrollar este ensayo de la determinación de los azúcares reductores en una muestra
se debe seguir el siguiente procedimiento:
-Preparación de la solución estándar de glucosa se pesan 0.400 g de glucosa grado reactivo
y se afora con 100 mL de agua destilada, se empaca en viales y se congela.
-Preparación del DNS: se toma 1.6 g de hidróxido de sodio grado reactivo, 30 g de tartrato
de sodio y potasio y disolverlos juntos con 50 mL de agua desionizada. Aparte se debe pesar
1.0 g de DNS, disolver en 30 mL de agua desionizada. Agregar en agitación la solución del
DNS a la solución de tartrato de NaOH anteriormente preparadas, aforar a 100 mL, filtrar y
envasar en frasco ámbar.
Posteriormente se procede a realizar la curva patrón (diluciones de muestras o reactivos al
cual se les conozca la concentración de azúcares reductores).
- La curva de calibración debe ser comparable con la validada por el laboratorio, de lo
contrario se debe repetir el ensayo.
- Cuando las muestras presentan alta concentración de azucares reductores se
recomienda realizar dilución a la muestra para que los valores de esta estén dentro de
la curva patrón.
- Se debe hacer una curva de calibración cada vez que se haga un ensayo
- Las muestras y los controles se deben realizar por duplicado
- La vida útil del reactivo DNS preparado es de tres meses
(Miller, G. L. 1959)
69
ANEXO III
Preparación medio de cultivo que se empleará para el aislamiento de las bacterias
solubilizadoras de fósforo
Medio de cultivo NBRIP (Nautiyal 1999)
Reactivos Cantidad (g/L)
Glucosa 10
Ca3(PO4)2 2.5
KCl 0.2
MgSO4 -7H2O 0.25
MgCl2 6H2O 5
Agar bacteriológico (15) 15
El volumen final se completa a 1000 mL con agua
destilada y se ajusta el pH a 7.0 antes de esterilizar.
El medio de cultivo contiene como indicador pH
azul de bromofenol.
Índice de solubilización de fósforo
Para determinar el índice de solubilización de fósforo se utilizará el medio de cultivo
NBRIP.
El procedimiento a seguir es el siguiente: primero se inocula la bacteria de interés en el
centro de la placa de agar, se incuban durante tres días a 28ºC. Luego se mide la zona clara
que se encuentra alrededor de la colonia que indica la solubilización del fósforo, con esta
medida se obtiene el índice de solubilización (IS). El índice de solubilización se calculara la
siguiente formula:
(Paul y Sinha 2013)
70
ANEXO IV
Aislamiento e identificación de bacterias solubilizadoras de fósforo mediante
microbiológica clásica
Primer se realizará el aislamiento de las bacterias solubilizadoras de fósforo en el medio
NBRIP y luego se hará coloración de Gram.
Coloración de Gram
Las colonias de 12-24 horas de crecimiento en agar NBRIP se emulsificarán en solución
salina. Posteriormente se preparará un frotis delgado y uniforme sobre un portaobjetos.
Luego se fijará el extendido pasando el portaobjetos por la llama de un mechero. Después se
realizará el procedimiento de coloración como se describe a continuación:
Se cubrirá la placa con colorante cristal violeta, y se dejará actuar durante 1 minuto. Paso
este tiempo se lavara el colorante con agua y se escurrirá el agua.
Luego el extendido se cubrirá con lugol por 1 minuto. Después se lavara el portaobjetos con
agua.
Seguidamente se aplicará al extendido alcohol acetona y se dejara por 30 segundos. Luego
se lavara con agua y se escurrirá.
A continuación se teñirá el portaobjetos con safranina durante 1 minuto.
Luego se volverá a lavar el extendido, se secará con papel absorbente y se examinará en el
microscopio.
Microscopía de luz
Las láminas con la coloración de Gram se observarán con el objetivo 100x y se utilizará
aceite de inmersión. Se tendrá en cuenta la forma de la bacteria y su color que indica si es
Gram positiva o Gram negativa.
Pruebas bioquímicas
Las bacterias pueden se identificadas con pruebas bioquímicas, de acuerdo con la capacidad
que tenga cada una de utilizar los diferentes sustratos.
Por lo tanto, se ha elegido un método de identificación de pruebas bioquímicas de un kit
comercial BBL Crystal (Becton Dikinson) que sirve para la identificación de bacterias
Gram positivas, para lo cual cuenta con 29 pruebas (catalogo 245140) y para Gram
negativas 30 pruebas (catalogo 245000).
El sistema BBL Crystal es un método miniaturizado de identificación de bacterias. Este
sistema incluye pruebas para la fermentación, oxidación, degradación e hidrólisis de
diversos sustratos. Además, contienen sustratos unidos a un cromógeno para detectar las
enzimas que utilizan los microbios para metabolizar distintos sustratos.
La interpretación de las pruebas bioquímicas se realiza así: con la lectura de los resultados
de las pruebas se genera un código que posteriormente se ingresa a una base de datos
(suministrada por el proveedor). Esta base de datos proporciona la información sobre la
bacteria a la cual corresponden estas pruebas bioquímicas.