UNIVERSIDAD DEL QUINDIO
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Código: M.IN-03.02.01.F.01
Versión: 03
Fecha: 2011/05/10
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FORMATO PRESENTACIÓN DE PROYECTOS
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
PRESENTADO BAJO LA MODALIDAD:
Conglomerado II Categoría C
Facultad : Ciencias Básicas y Tecnologías
Programa: Maestría en Biomatemáticas
Biorremediación del suelo por medio de escarabajos coprófagos: Estudio experimental y
modelación matemática
Armenia-Quindío
Mayo-2012
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FICHA RESUMEN
Título: Biorremediación del suelo por medio de escarabajos coprófagos: Estudio
experimental y modelación matemática
Investigador Principal: Irene Duarte Gandica
Coinvestigadores: Fernando Roberto Momo
Grupo de Investigación: Escuela de Investigación en Biomatemática
Línea de Investigación:
Modelamiento Matemático de Dinámicas Ecológicas y
Agroecológicas.
Facultad: Ciencias Básicas y Tecnologías
Total de Investigadores: 4
Entidad: Universidad del Quindío
N° de Acta y Fecha de revisión Consejo de Investigaciones de la Facultad:
N° de Acta y Fecha Comité de Bioética:
N° de Acta y Fecha Consejo Curricular del programa:
N° de Acta y Fecha Aprobación Consejo de Investigaciones de la Facultad:
Lugar de Ejecución del Proyecto: Armenia-Quindío
Ciudad: Armenia-Quindío
Duración del Proyecto: 18 meses
Tipo de Proyecto:
Ciencias Básicas
Modalidad: Conglomerado II Categoría C
Valor Solicitado a la Universidad del Quindío: $16 348 000
Valor Total del Proyecto:
$18 476 500
Descriptores / Palabras Claves: Descomposición, Materia orgánica, Coprófagos, Modelo
matemático, Biorremediación
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Resumen:
El deterioro de los suelos conlleva a una crisis alimentaria por falta de espacios propicios
para los cultivos y para la alimentación del ganado, que son dos de las principales fuentes
de alimentación de la humanidad.
Un fenómeno que contribuye al mejoramiento de la calidad de la tierra, tiene que ver con los
escarabajos coprófagos que utilizan el excremento de vertebrados como sustrato para la
ovoposición y como fuente de alimento para adultos y larvas. Los escarabajos entierran el
excremento en el suelo y, como consecuencia de esta actividad biológica, intervienen en el
ciclado de nutrientes y en los procesos de conservación de la estructura edáfica, por
consiguiente, ayudan a incrementar la concentración de nutrientes en el suelo y contribuyen
a la sostenibilidad de los sistemas agrícolas y pastoriles. Además de incorporar nutrientes al
suelo, los escarabajos evitan la contaminación de los potreros, ya que si el excremento
permanece en la superficie del suelo, puede destruir las plantas o retardar el crecimiento, y
hacer que crezcan plantas forrajeras de mal sabor, disminuyen los parásitos que se
obtienen del excremento y afectan la salud del ganado de modo que se pueda evitar la
aplicación de productos antiparasitarios en el sector pecuario y fertilizantes químicos en el
sector agrario.
Este trabajo se propone describir, a través de un modelo matemático, la dinámica entre los
escarabajos coprófagos, el excremento y el suelo, tratando de establecer las relaciones
óptimas entre las poblaciones que permiten la biorremediación del suelo, utilizando los
resultados obtenidos de los trabajos realizados por el grupo de investigación de
Biodiversidad y Educación Ambiental de la Universidad del Quindío, BIOEDUQ, en los
cuales vienen realizando un proyecto evaluativo sobre el incremento de nutrientes al suelo a
través de la actividad alimentaria de los escarabajos coprófagos de la especie Dichotomius
satanas los cuales fueron colectados en el sendero ecológico Cedro Rosado de la
Universidad del Quindío y en los bosques Bremen y Barbas ubicados en el municipio de
Filandia, Quindío, así como en los pastizales adyacentes a estos bosques.
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FICHA DEL PROYECTO
TITULO: Biorremediación del suelo por medio de escarabajos coprófagos: Estudio
experimental y modelación matemática
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Irene Duarte Gandica
GRUPO DE INVESTIGACIÓN: Escuela de Investigación en Biomatemática
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:
agroecológicas
Modelamiento
matemático
de
dinámicas
ecológicas
y
FACULTAD: Ciencias Básicas y Tecnologías
Si necesita reconocimiento de docencia directa, especifique quienes y cuántas horas a la semana por
cada uno, con el visto bueno del Decano y Director del programa respectivo. Este reconocimiento
se considera una pre-aceptación para la ejecución del proyecto.
Nombre del docente
Irene Duarte Gandica
Tipo de
vinculación
(Cátedra,
Ocasional,
Planta)
Planta
Hora/Semana
Firma del
Decano
Firma Director
Programa
10
Aceptamos asumir COMO INVESTIGADORES la responsabilidad por la conducta científica del
proyecto y entregar los informes escritos requeridos.
Nombre
Irene Duarte Gandica
Firma
Cédula
42 874 352
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Estudiantes participantes en el proyecto
Nombre
Programa Académico
Claudia Elena Sánchez Botero Maestría en Biomatemáticas
Semestre
IV
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PROYECTO DE INVESTIGACIÓN PRESENTADO BAJO LA MODALIDAD: II
a. Título del Proyecto: Biorremediación del suelo por medio de escarabajos coprófagos:
Estudio experimental y modelación matemática
b. Nombre de los Investigadores:
Investigador principal:
Irene Duarte Gandica
Coinvestigadores:
Investigador asociado:
Fernando Roberto Momo
Auxiliar de investigación:
1
Estudiante investigador:
1
c.
Línea de
agroecológicas
Investigación:
Modelamiento
matemático
de
dinámicas
ecológicas
y
d. Objetivos
1. General
Construir y analizar un modelo matemático que describa la dinámica entre escarabajos
coprófagos, excremento y suelo, para establecer las relaciones óptimas entre las
poblaciones que permitan la biorremediación del suelo.

2. Específicos
 Evaluar el aporte de los escarabajos coprófagos al enriquecimiento de nutrientes
en el suelo.
 Estimar, a partir de los resultados arrojados por el modelo, la relación óptima
escarabajos/excremento, que permita mejorar las propiedades físicas y químicas
del suelo.
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e. Estado General del Tema. Marco Teórico:
BIOLOGÍA Y ECOLOGÍA DEL ESCARABAJO
Los escarabajos coprófagos son un grupo importante de la comunidad de insectos en los
bosques Neotropicales; pertenecen a la clase Insecta, son del orden Coleóptera,
suborden Polyphafa, superfamilia Scarabaeoidea, familia Scarabaeidae, y subfamilias
Coprinae y Scarabaeinae; están clasificados como cavadores, rodadores y endocópridos;
son buenos voladores y alcanzan a vivir más de un año; la mayoría son especies diurnas
aunque algunas son vespertinas o crepusculares; se alimentan de excremento de grandes
herbívoros, omnívoros y carnívoros; ocupan hábitats particulares: árboles en
descomposición, nidos de hormigas y termitas o madrigueras de vertebrados; viven en
sabanas y bosques húmedos, aunque algunas de las especies que habitan en los
bosques salen a espacios abiertos.
La larva se desarrolla dentro de una bola-nido al interior de una galería; el huevo es
colocado en una pequeña cámara junto a una bola de excremento cubierta por una capa
de suelo; los nidos son subterráneos y paracópridos, es decir, están constituidos por
galerías más o menos profundas pero justo debajo del excremento, o en algunas
ocasiones son telecópridos, ya que la bola de excremento, que se va cubriendo de una
corteza arenosa a medida que se va trasladando, es llevada al sitio elegido, salvando todo
tipo de obstáculos en el camino. Los nidos pueden ser simples o compuestos, los
primeros están conformados por una bola por galería y los segundos están conformados
por más de dos bolas ocupando cámaras separadas; su fecundidad es baja y hay
bastante cooperación entre macho y hembra para la construcción del nido, aunque el
macho que insemina a la hembra no es necesariamente el que colaborará con la
construcción del nido; no hay cuidado parental; la galería de nidación es excavada por la
hembra, la cual empuja un fragmento de excremento con la parte anterior de su cuerpo.
Se asume, mas no se demuestra, que los machos responden inicialmente a un estímulo
visual que probablemente es reforzado por feromonas en alguna parte del proceso, los
machos se posan junto a la hembra y se unen a la actividad de empujar el excremento,
cuando el macho se alimenta del fragmento se establece la unión; el establecimiento de la
pareja también puede ocurrir con la llegada de un macho a una galería ocupada por una
hembra receptiva, posteriormente, la hembra entra a la galería y el macho la aprovisiona
pasándole desde afuera el excremento; cuando la galería está aprovisionada, en dos
horas o más, la pareja entra; una vez terminado el nido, cada miembro parte en busca de
una nueva fuente de alimento, donde formará pareja con individuos diferentes.
Aproximadamente 17 días después de haber sido colocado el huevo, emerge la larva y
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ésta comienza a consumir excremento; transcurridos dos meses de haber sido colocado
el huevo, el imago sale a la superficie. Cuando se presenta una alta densidad de
población, varios machos se ven atraídos hacia la misma hembra, por esta razón, se
producen combates intrasexuales durante los cuales la hembra no interrumpe sus
actividades; en dichas confrontaciones los machos utilizan sus cuernos y otras
protuberancias como herramientas de combate, aunque no funcionan primariamente
como armas; en campo se han observado combates asociados a la actividad de empuje
de un fragmento de excremento por parte de la hembra o a la invasión de galerías ya
ocupadas por una pareja de escarabajos (Pineda et al., 2005).
Los escarabajos son bien conocidos por su importancia ecológica en los ecosistemas
terrestres que soportan poblaciones de grandes vertebrados; inician su actividad en las
primeras horas de la mañana, sobrevuelan áreas abiertas en contra de la dirección del
viento y al entrar en contacto con el excremento cortan trozos de éste y lo entierran en el
mismo lugar o si hay otros individuos presentes en el mismo sitio, lo pueden desplazar a
una distancia promedio de 5 metros. Se les encuentra en hábitats que van desde el
bosque húmedo tropical hasta perímetros urbanos y construcciones; no son selectivos en
cuanto al tipo de excremento que utilizan para la ovoposición y como fuente de alimento
para adultos y larvas, ya que han sido colectados en excremento humano, canino, porcino
y vacuno entre otros; reubican las porciones del alimento una vez hallada la fuente de
éste y lo hacen por uno de los siguientes métodos:
1. Empacando porciones del alimento al final de un túnel ciego debajo o cerca de la
fuente.
2. Formando una bola de una porción que es rodada desde la fuente hasta el lugar donde
será enterrada (Holdrige, 1979).
Al enterrar el excremento los escarabajos intervienen en los procesos de conservación de
la estructura edáfica, incrementando la tasa de reciclaje de nutrientes en el suelo; debido
a los túneles y galerías que forman al desplazarse en el interior del sustrato, se produce
un fenómeno llamado inversión puntual de capas, que se evidencia por la presencia de
manchas de suelo orgánico en los horizontes más profundos, éste fenómeno contribuye a
la permeabilidad del suelo e infiltración del agua. La porción de suelo removido por el
escarabajo presenta gran porosidad y buena aireación contribuyendo a mejorar las
condiciones físicas y químicas del suelo (Martínez et al., 2000).
Los escarabajos contribuyen a la sostenibilidad de los sistemas agrícolas y pastoriles,
evitando la contaminación de los potreros, la destrucción de las plantas y el retardo de su
crecimiento, el crecimiento de plantas forrajeras de mal sabor e incrementando los
nutrientes de las plantas para optimizar el valor nutricional para el ganado.
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Estas especies controlan organismos perjudiciales para la salud humana y de animales de
granja, ya que el tratamiento del excremento y su eliminación de la superficie del suelo
conlleva a la reducción de huevos de helmintos y el control de dípteros como la mosca
Haemacobia irritans, posible vector de enfermedades del ganado; además, dispersan
semillas decostadas en el excremento de animales frugívoros, son excelentes modelos
para estudios de comportamientos y procesos ecológicos en ecosistemas vulnerables a la
perturbación por su sensibilidad a los cambios microambientales (Molina, 2007).
BIORREMEDIACIÓN DEL SUELO
La planta es el eslabón que existe entre la materia muerta, los minerales, los animales y el
hombre. Sólo ella es capaz de transformar minerales en proteínas, ácidos, grasas y
azúcares, sólo ella es capaz de utilizar la energía solar para sus procesos bioquímicos. Si
no existiese la planta, no habría vida. El mineral que la planta retira del suelo y transforma
en sustancias orgánicas, vuelve a ser mineral, formando parte del suelo. Si faltase el
mineral, no sólo faltará para la planta, sino también para el hombre; es por eso que los
pueblos prosperan mientras sus tierras son fértiles, y desaparecen cuando sus tierras se
deterioran.
La simple disponibilidad de los minerales no hace que el suelo produzca, se necesitan
condiciones en el suelo para la absorción y metabolización de estos minerales por la
planta, que se resumen en: agua para actuar como solvente, oxígeno para la absorción
activa de los minerales y espacio para que la raíz pueda desenvolverse. El suelo sólo
produce cuando todos los factores estén equilibrados. La fertilidad es tan sólo uno de los
factores de producción aunque no hay duda de que la absorción y la metabolización son
tan importantes como su presencia y disponibilidad en el suelo.
El suelo no es únicamente soporte para plantas y fertilizantes, ni roca molida con algunos
elementos en solución, es un sistema dinámico de complejas interrelaciones recíprocas
entre sus componentes físicos, químicos y biológicos.
Cuando las plantas nacen, crecen y mueren en el mismo lugar, devuelven los nutrientes
que retiraron del suelo, pero cuando se siembran plantas para después llevar las
cosechas a otros lados o cuando se destruyen los bosques, los nutrientes retirados del
suelo no vuelven más, y el suelo se empobrece. En los campos agrícolas, también se
pierden nutrientes por lixiviación y erosión. Por lo tanto, es necesario sustituir lo que fue
tomado, para no agotar los suelos (Primavesi, 1982).
La fertilidad es la cualidad que tiene el suelo de proporcionar nutrientes adecuados y en
las cantidades apropiadas, que permiten el normal crecimiento y desarrollo de las plantas
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(Escobar, 1997). Desde el momento en que un sistema natural es modificado por
actividades humanas con propósitos agrícolas o ganaderos, los mayores cambios ocurren
a nivel del suelo. Con las tendencias actuales de uso del suelo, es evidente que el recurso
se está modificando drásticamente y que estamos ante un proceso de cambio, que puede
significar a futuro, la pérdida de materia orgánica y de nutrientes del componente edáfico,
de tal forma que se hace necesaria la consolidación de procesos investigativos que
tiendan a recuperar las propiedades físicas y químicas del suelo, para así establecer
procesos de explotación y producción más amigables con el funcionamiento del
ecosistema (García, 2004). Uno de esos procesos es la biorremediación la cual es una
técnica de remediación in situ de carácter biológico que consiste en utilizar organismos y
microorganismos para resolver o mitigar el problema de deterioro del suelo debido a la
sobreexplotación y uso indiscriminado de agroquímicos, ocasionando una disminución
drástica de su capacidad productiva. También se define como un procedimiento natural, a
lo largo del cual, diferentes organismos y microorganismos son capaces de eliminar los
contaminantes orgánicos, como lo son las excretas de bovinos y porcinos o de cualquier
otro animal vertebrado, de un determinado medio; consiguiendo integrar carbono y
nitrógeno al ciclo biológico del suelo. Antes de iniciar cualquier proceso de
biorremediación se debe tener en cuenta lo siguiente: qué organismos y microorganismos
habitan el suelo, cuales son las características del suelo, cuál es la naturaleza,
concentración y dinámica de los contaminantes, cómo es la actividad biológica del suelo y
cómo llevar a cabo estos procesos de transformación de los contaminantes.
Para llevar a cabo este proceso de biorremediación, se aprovecha el trabajo que realizan
los escarabajos coprófagos, los cuales son de gran importancia ecológica, ya que no sólo
participan en el proceso de degradación del excremento, facilitando la redistribución de
las sustancias biológicamente útiles, sino que además, incrementan la porosidad del suelo
debido a los túneles o galerías que forman al desplazarse en el interior del sustrato; por
consiguiente, el sustrato edáfico removido por el insecto presenta gran permeabilidad y
buena aireación, lo que contribuye a mejorar las condiciones fisicoquímicas del terreno
(Pineda et al., 2005).
MODELOS MATEMÁTICOS EN ECOLOGÍA
Los modelos matemáticos en ecología son importantes por ser generadores de hipótesis,
instrumentos de predicción y herramientas de descripción cuantitativa. Formular un
concepto teórico en forma de modelo permite poner a prueba determinadas predicciones
que derivan de esos conceptos y explorar posibles consecuencias o comportamientos no
previstos o inmediatamente intuidos. El desarrollo de un modelo permite, en algunas
ocasiones, explicar discrepancias entre los datos experimentales y las predicciones e
identificar variables críticas que puedan ser medidas u observadas en los experimentos o
en los trabajos de campo posteriores. Al construir un modelo matemático con supuestos
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biológicos razonables y explorar sus consecuencias y predicciones, se logra transformar
lo que parecía ruido en nueva información; además, permiten descubrir dinámicas que a
primera vista no eran obvias (Momo y Capurro, 2006).
Una de las aplicaciones más útiles de los modelos matemáticos en ecología, la
constituyen los modelos que representan o intentan representar las variaciones de
densidad de las poblaciones; se trata de expresar mediante una ecuación la densidad de
la población (número de individuos o biomasa por unidad de espacio) en función del
tiempo, dada una población inicial. Al formular el modelo poblacional se debe considerar
que la población no puede crecer hasta el infinito, debe existir una función de la propia
densidad que ponga freno a este crecimiento poblacional y para esta situación se
considera el modelo logístico de crecimiento o modelo de Verhulst en el cual, la tasa de
crecimiento se considera una función lineal decreciente en función de la densidad
poblacional. La ecuación que expresa el modelo de Verhulst está dada por
donde
y
son constantes que tienen un sentido ecológico; esta ecuación posee
puntos de equilibrio, es decir, valores de N para los cuales la velocidad de crecimiento es
nula, uno de esos puntos es el cero que ilustra la situación en la cual la población o la
velocidad de crecimiento es nula. También se tiene otro punto de equilibrio no trivial
donde:
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El valor
es un punto de equilibrio no trivial , usualmente denotado
, representa el
máximo tamaño que la población puede alcanzar; el nombre que recibe ese valor en
ecología es el de capacidad de carga y la constante
de la tasa intrínseca de crecimiento, denotado por
modelo de Verlhust la ecuación toma la forma:
representa el valor máximo posible
. Reemplazando estos valores en el
Esta fórmula, conocida como el modelo logístico, se interpreta biológicamente como que
la velocidad de crecimiento de la población es proporcional a su tamaño e inversamente
proporcional a la capacidad de carga (Gurney, 1998).
Otra aplicación a los modelos matemáticos continuos es la explotación de un recurso
biológico; este recurso explotado constituye la biomasa y a su vez, esta biomasa tiene
una dinámica cuya aproximación más sencilla es el modelo logístico en el que se incluye
una velocidad de explotación que se resta al crecimiento del recurso, es decir, la biomasa
del recurso crece hasta alcanzar una cierta capacidad de carga y disminuye debido a la
explotación; la ecuación que representa el crecimiento del recurso está dada por
donde
es la biomasa del recurso,
es el esfuerzo de explotación,
es la capacidad
de carga del recurso,
es la tasa intrínseca de crecimiento y
el coeficiente de
capturabilidad el cual depende de las características del recurso y de la forma que se
utilice para encontrarlo y capturarlo.
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Otros de los modelos en ecología son los modelos poblacionales de depredación usuales
en dinámica poblacional, que tratan de responder algunos de los problemas abiertos,
tanto desde el punto de vista matemático como el de la perspectiva ecológica.
Un tipo de modelo de depredación es representado en forma general por el sistema
bidimensional de ecuaciones diferenciales ordinarias autónomas:
donde
representan los tamaños poblacionales en el instante
las funciones tienen los siguientes significados (Freedman, 1980):
crecimiento natural de las presas,
,y
denota la tasa de
denota la tasa de crecimiento de los
depredadores y la función
es llamada la función de captura o de consumo o
respuesta funcional de los depredadores, y ha sido clasificada primeramente por C.S.
Holling (Holling, 1959) en tipo I, II, II. Una de estas funciones Holling, que se han
empleado más comúnmente en la literatura ecológica, es:
llamada respuesta funcional hiperbólica (monotónica asintótica) ó Holling tipo II, la cual
representa a un depredador especialista, donde
es la tasa máxima de consumo de los
depredadores y es la tasa de saturación media o cantidad de presas que satisfacen a
los depredadores. Sin embargo, pueden existir diferentes funciones que expresan un
efecto similar como es el caso de
(Edelstein, 2005).
Como puede verse, aunque todavía en forma precaria, algunos temas teóricos de la
ecología pueden abordarse mejor con el uso de modelos matemáticos que permitan
formalizar y razonar más claramente sobre los sistemas que se intenta estudiar y sobre
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las consecuencias dinámicas de las suposiciones biológicas o físicas que se hacen
(Momo, 2006).
Los modelos matemáticos son una herramienta para describir, y en algunas ocasiones,
para predecir fenómenos ecológicos como el que se propone describir este trabajo, la
dinámica entre una población de escarabajos, un recurso a explotar como el excremento y
un recurso para mejorar como lo es la estructura edáfica.
f. Impacto social y económico:




El uso de escarabajos coprófagos permitirá recuperar la capacidad productiva de los
suelos sin efectos tóxicos o disruptivos como los que pueden derivar de otras prácticas
como la fertilización intensiva o el uso de agrotóxicos.
Se mejorará la calidad del medio ambiente.
Se optimizarán los recursos económicos destinados a la recuperación de la capacidad
reproductiva del suelo.
Se formará personal joven en los procesos de investigación científica.
g. Planteamiento del Problema:
Los suelos proporcionan al hombre la mayor fuente de alimentación procedente de los
productos agrícolas y de la cría de ganado, pero a través del tiempo, los suelos se han
deteriorado, pues el hombre ha venido modificando los ecosistemas con la destrucción de
bosques nativos, que con su presencia ayudan a la conservación de especies animales y
vegetales, las cuales aportan al mantenimiento de los nutrientes en el suelo (Martínez et
al., 2000).
El deterioro de los suelos también ha sido ocasionado por la mala manipulación de las
excretas porcinas y bovinas que contaminan las fuentes hídricas utilizadas para el riego
de los suelos; pero un uso adecuado de las heces porcinas podría convertirse en una
ventaja, si ellas son usadas como fuente de alimentación para la población de
escarabajos coprófagos que a través de los procesos de alimentación, ciclado y
nidificación generan nutrientes y que al final de cada proceso, mejoran la calidad de los
suelos recuperando sus propiedades físicas como la permeabilidad, la textura, la
porosidad, entre otras, y sus propiedades químicas como el pH, la materia orgánica, el
fósforo y el hierro, entre otras (Molina, 2007).
Con las tendencias actuales de uso del suelo, es evidente que el recurso se está
modificando drásticamente y que estamos ante un proceso de cambio, que puede
significar a futuro, la pérdida de materia orgánica y de nutrientes del componente edáfico,
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de tal forma que se hace necesaria la consolidación de procesos investigativos que
tiendan a recuperar las propiedades físicas y químicas del suelo, para así establecer
procesos de explotación y producción más amigables con el funcionamiento del
ecosistema (García y Pardo, 2004). Uno de esos procesos es la biorremediación la cual
es una técnica de remediación in situ de carácter biológico que consiste en utilizar
organismos y microorganismos para resolver o mitigar el problema de deterioro del suelo
debido a la sobreexplotación y uso indiscriminado de agroquímicos, ocasionando una
disminución drástica de su capacidad productiva. También se define como un
procedimiento natural, a lo largo del cual, diferentes organismos y microorganismos son
capaces de eliminar los contaminantes orgánicos, como lo son las excretas de bovinos y
porcinos o de cualquier otro animal vertebrado, de un determinado medio; consiguiendo
integrar carbono y nitrógeno al ciclo biológico del suelo.
Para llevar a cabo este proceso de biorremediación, se aprovecha el trabajo que realizan
los escarabajos coprófagos, los cuales son de gran importancia ecológica, ya que no sólo
participan en el proceso de degradación del excremento, facilitando la redistribución de
las sustancias biológicamente útiles, sino que además, incrementan la porosidad del suelo
debido a los túneles o galerías que forman al desplazarse en el interior del sustrato; por
consiguiente, el sustrato edáfico removido por el insecto presenta gran permeabilidad y
buena aireación, lo que contribuye a mejorar las condiciones fisicoquímicas del terreno
(Pineda et al., 2005).
Este trabajo se propone describir, a través de un modelo matemático, el aporte que hace
una población de escarabajos a un ecosistema que presenta pérdida de nutrientes en el
suelo, la cual es ocasionada por el uso y el abuso de éste a través de actividades
agropecuarias, tala de árboles, explotación intensiva de los pastos, erosión, acidificación
y oxidación provocada por la contaminación de las fuentes hídricas, la cual se debe, entre
otras muchas razones, a las excretas residuales obtenidas de los criaderos de ganado
porcino.
h. Justificación:
El deterioro de los suelos conlleva a una crisis alimentaria por falta de espacios propicios
para los cultivos y para la alimentación del ganado, que son dos de las principales fuentes
de alimentación de la humanidad.
Un fenómeno que contribuye al mejoramiento de la calidad de la tierra, tiene que ver con
los escarabajos coprófagos que utilizan el excremento de vertebrados como sustrato para
la ovoposición y como fuente de alimento para adultos y larvas. Los escarabajos entierran
el excremento en el suelo y, como consecuencia de esta actividad biológica, intervienen
en el ciclado de nutrientes y en los procesos de conservación de la estructura edáfica, por
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consiguiente, ayudan a incrementar la concentración de nutrientes en el suelo y
contribuyen a la sostenibilidad de los sistemas agrícolas y pastoriles. Además de
incorporar nutrientes al suelo, los escarabajos evitan la contaminación de los potreros, ya
que si el excremento de vaca permanece en la superficie del suelo, puede destruir las
plantas o retardar el crecimiento, y hacer que crezcan plantas forrajeras de mal sabor
(Amat y Lopera, 1997), disminuyen los parásitos que se obtienen del excremento y
afectan la salud del ganado de modo que se pueda evitar la aplicación de productos
antiparasitarios en el sector pecuario y fertilizantes químicos en el sector agrario (Molina,
2007).
Un modelo que describa la dinámica entre los escarabajos coprófagos, el excremento y el
suelo, nos llevará a establecer las relaciones óptimas entre las poblaciones que permiten
la biorremediación del suelo, utilizando los resultados obtenidos de los trabajos realizados
por el grupo de investigación de Biodiversidad y Educación Ambiental de la Universidad
del Quindío, BIOEDUQ, quienes vienen realizando un proyecto evaluativo sobre el
incremento de nutrientes al suelo a través de la actividad alimentaria de los escarabajos
coprófagos de la especie Dichotomius satanas los cuales fueron colectados en el sendero
ecológico Cedro Rosado de la Universidad del Quindío y en los bosques Bremen y Barbas
ubicados en el municipio de Filandia, Quindío, así como en los pastizales adyacentes a
estos bosques.
i. Metodología:
La construcción del modelo matemático que describe la dinámica entre los escarabajos
coprófagos, el excremento y el suelo, es un trabajo investigativo de tipo formal,
enmarcado en la teoría de las ecuaciones diferenciales ordinarias que utiliza los datos
experimentales obtenidos por el grupo de investigación BIOEDUQ, de la Universidad del
Quindío, los cuales permitirán establecer los parámetros necesarios para dicha
modelación, con el fin de lograr las relaciones óptimas entre la cantidad de escarabajos, la
cantidad de excremento y la proporción de suelo, las cuales serán ilustradas a través de
algunas simulaciones gráficas. En los datos experimentales se cuenta con la evolución de
los suelos con diferentes enmiendas orgánicas y un seguimiento de la dinámica de las
comunidades de coprófagos desarrolladas.
A partir de esos datos preliminares se calibrarán los parámetros de los primeros modelos
y se realizarán predicciones para nuevos tratamientos experimentales.
Luego se realizarán experimentos de tipo factorial en condiciones controladas, en los
cuales se agregarán al mismo tipo de suelo diferentes enmiendas orgánicas y diferentes
poblaciones de coprófagos midiendo en cada caso la incorporación al suelo de materia
orgánica y macronutrientes; los indicadores físicos de recuperación del suelo (densidad
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aparente, estabilidad, estructura de agregados) y siguiendo la dinámica de las
poblaciones mediante muestreos periódicos.
Con estos datos se corregirán los parámetros de los modelos y se reformulará su
estructura de ser necesario.
Los experimentos se ejecutarán bajo la modalidad de contratación por Servicios Técnicos.
j. Resultados esperados directos e indirectos:
 Un modelo que describa eficientemente la dinámica de los escarabajos coprófagos,
de la descomposición del excremento y de la incorporación de nutrientes al suelo.
 La utilización del modelo para establecer la relación óptima
escarabajos/excremento que es conveniente aplicar para mejorar las propiedades
físicas y químicas del suelo.
k. Estrategias de comunicación incluyendo publicaciones:
Se prevé difundir los resultados a través de revistas científicas y también hacia el sector
productivo de la zona estudiada, por medio de:
 Ponencias en eventos científicos
 Publicación en revistas científicas especializadas
l. Bibliografía
Amat G, Lopera A. 1997. Patrones de distribución de escarabajos coprófagos (coleóptera
Scarabaeidae) en relicto de bosque altoandino, coordilllera oriental de Colombia.
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Cronograma de actividades:
ACTIVIDADES
IIII
Establecimiento de variables y parámetros
X
Formulación del modelo preliminar
X
Calibración de parámetros a partir de los
datos existentes
IVVI
** MESES
VII- XXIIIIX
XII
XV
X
X
Análisis del modelo preliminar
Realización de experimentos en
condiciones controladas
Corrección de los parámetros del modelo
Reformulación del modelo
Análisis y conclusiones
XVIXVIII
X
X
X
X
X
X
X
Elaboración de informe final
Socialización de resultados
X
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n. Presupuesto: Anexo 1
o. Curriculum Vitæ de los Investigadores: Anexo 2
p. Trayectoria del Grupo de Investigación: Anexo 3
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