Modelo experimental de difusión de biogás en raíces vegetales

Modelo experimental de difusión de biogás en raíces vegetales
Eduardo Baltierra-Trejo,*Liliana Márquez-Benavides, Juan Manuel Sánchez-Yáñez
*
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Resumen
La digestión anaerobia de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos en los rellenos
sanitarios tiene como consecuencia la emisión de biogás constituido por CH4 45-60% y CO2 4055%, lo cual podría tener un impacto nocivo sobre el crecimiento de las plantas que ahí se
encuentran y en sitios cercanos debido a la migración lateral de los gases en el subsuelo. Al no
haber una metodología para evaluar, ni información suficiente sobre el daño que causa el biogás en
el crecimiento vegetal es necesario diseñar un modelo que simule su difusión directa sobre el
sistema radical vegetal para determinar si existe un efecto desfavorable en función de la
concentración en el sitio de exposición. El objetivo de esta investigación fue diseñar un modelo
experimental ―ex situ‖ para analizar el efecto del biogás sobre las raíces de plántulas de calabaza
(Cucurbita pepo). Para ello se construyó un reactor de digestión anaerobio de sustrato sólido que
simuló la digestión anaerobia de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos, acoplado a un
sistema para medir el volumen y contenido de CH4 en el biogás y a la unidad que difundió el biogás
en la raíz de calabaza. Con el modelo se logró la generación de biogás de manera continua con una
composición de gases similar al generado en los rellenos sanitarios, el cual al difundir en el suelo
provocó inhibición de la germinación y un menor crecimiento de plántulas de calabaza de 15 y 30
días comparadas con el control.
Palabras Clave: biogás, crecimiento, plantas, relleno sanitario
1. Introducción
Los residuos sólidos urbanos (RSU) son comúnmente eliminados en los rellenos sanitarios (RESA)
donde el principal componente es la fracción orgánica (FO) con un 40-65%, la que producto de la
digestión anaerobia (DA) genera una elevada concentración de gases y lixiviados que representan
un riesgo de contaminación al ambiente [1].
A la mezcla de gases generados se le denomina biogás, compuesto principalmente por metano
(CH4) 45-60% y dióxido de carbono (CO2) 40-55%; además de cantidades menores de otros gases
inorgánicos como: nitrógeno (N2) 2-5%, sulfuro de hidrógeno (H2S) 0-1%, amoniaco (NH3) 0.1-1%,
hidrógeno (H2) 0-0.2 y trazas de compuestos orgánicos volátiles (COV) 0.01-0.6% como: etileno,
cloruro de vinilo, benceno, diclorometano, cloroformo [1]-[3]. La emisión no se limita a la
superficie del RESA, ocurre en los sitios adjuntos por un desplazamiento denominado ―migración
lateral de biogás‖ [1], la cual depende de la porosidad del suelo adyacente al RESA [4]. Se ha
registrado concentración de CH4 y CO2 superior del 40% a 100 m de distancia del borde del RESA,
mientras que del 5% de CH4 a 300 m [1].
La mezcla de gases en condición natural se encuentran en el aire del suelo son principalmente: 78.580% de N2, 10-20% de O2 y 0.1-3% de CO2 [5]. Un incremento de los niveles de CO2 disminuye la
actividad respiratoria microbiana y de las raíces, concentración del 5% ejerce inhibición en la
germinación, un nivel menor al 6.5% estimula el crecimiento de la raíz, pero superiores lo inhiben y
del 15-20% son letales para la mayoría de las plantas [5], [3].
Hacia la sustentabilidad: Los residuos sólidos como fuente de energía y materia prima
© 2011 pp 310-315 ISBN 978-607-607-015-4
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Son escasas las investigaciones sobre si existe inhibición o estimulación del crecimiento de plantas
cuyas raíces fueron expuestas al flujo de biogás producto de la DA de la FO de los RSU, las cuales
se han realizado directamente en RESA. Wong et al., en 1992 investigaron los factores que afectan
la diversidad y distribución de la vegetación en un RESA en sitios de baja emisión de biogás de
hasta un 10% de CH4 comparados con los de alta emisión de 41%. Los resultados indicaron que
sitios con baja emisión tuvieron mayor cobertura vegetal con un promedio de seis herbáceas con
una cobertura de 68.5% y doce arbóreas con 100%, mientras que en sitios con alta emisión hubo 6
herbáceas que cubrieron 51.2% y tres arbóreas con 7.6%, concluyeron que existe una relación entre
la concentración de biogás y la cobertura vegetal de herbáceas y arbóreas [6].
Chan et al., en 1991 estudiaron el impacto del biogás en las raíces de 10 especies de plantas leñosas
subtropicales. Los resultados señalaron que en sitios con baja emisión en siete especies no hubo
mortalidad, en tanto en áreas con alta emisión, hubo menor crecimiento de la parte aérea y
disminución de la cobertura con mortalidad de plántulas de entre el 10 y 50%. En los sitios con alta
emisión de biogás se determinó la composición máxima de gases: CH4 en 41%, CO2 en 39% y O2 en
16.3%, mientras que en los de baja: CH4 del 10%, CO2 del 4.7% y O2 del 20.3%.. Concluyeron que
en los sitios de mayor concentración de biogás hubo una mayor inhibición del crecimiento de las
plantas leñosas subtropicales, aunque algunas especies fueron tolerantes [3].
Exponer las raíces de plántulas de calabaza a un flujo de biogás producto de la DA tendrá un efecto
desfavorable en su crecimiento que dependerá de la concentración en el sitio de exposición. El
objetivo de este trabajo fue diseñar un modelo experimental ―ex situ‖ para analizar el efecto de
biogás en el crecimiento de calabaza.
2. Materiales y métodos
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Para establecer el modelo de análisis ―ex situ‖ que permita probar el efecto del biogás en las raíces
de vegetales se construyeron reactores de digestión anaerobia de sustrato sólido (RDASS) para la
producción de biogás que simuló al generado en un RESA. Se diseñó un sistema de medición de
biogás (SMB) para hacer el análisis cualitativo y cuantitativo del biogás generado. Se probó si la
acidez o la alcalinidad de la solución de salmuera del SMB influyó en la composición del biogás.
Por último se determinó si en una mezcla de suelo de textura media a capacidad de campo en el que
creció la calabaza fluyó el biogás generado por los RDASS.
2.1 Operación de reactor de digestión anaerobia de sustrato sólido
Para la producción artificial de biogás se construyeron RDASS, cada uno consta de un frasco de
vidrio de 2 L con una mezcla de 350 g de excreta fresca de vaca, 350 mL de la fase acuosa de lodos
biológicos, 350 g de suelo con materia orgánica, 3 g de carbonato de sodio (NaCO3) y 3 g de
sacarosa C12H22O11. Para la alimentar los RDASS se preparó una mezcla 60% residuos alimenticios
y 40% papel, enriquecida con lodos biológicos en proporción 59:1, se deshidrataron en horno a
105°C/24 h y se trituraron en molino con criba de 4 mm. Los RDASS se colocaron en cámaras de
incubación a 35° C y fueron alimentados cada 5 días con 21 g de la mezcla de residuos orgánicos y
39 mL de H2O; se determinó sólidos totales (ST), sólidos totales volátiles (STV) y pH de los
RDASS a lo largo del experimento.
2.2 Estandarización de la medición de biogás
El SMB estuvo formado por dos frascos de vidrio de 4 L graduados que contuvieron 3.5 L de
solución salina (200 g/L). El volumen de biogás generado por el RDASS se determinó por
desplazamiento de la solución salina entre los frascos, los cuales contaron con un mecanismo de
llaves que permitió cambiar la dirección del flujo una vez que se desplazó el volumen total, para
dirigirlo posteriormente a la unidad de crecimiento vegetal o UCV (Figura 1). Se determinó el
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volumen y composición del biogás en un periodo de 45 días y si la acidez en pH 4 o alcalinidad en
pH 10 de la solución de salmuera influye en la concentración del CH4. Para determinar el contenido
de CH4 se adaptaron sitios de muestreo en el RDASS y después de su paso por el SMB y se analizó
en el cromatógrafo de gases Varian CP-3800 que funcionó con un detector FID y una columna
empacada HAY-ESEP-Q-80-100-MESH, las temperaturas de operación del inyector, el detector y
la columna son de 200, 210 y 90°C.
a)
b)
Figura 1. Esquemas del funcionamiento del sistema de medición de biogás, con sistema de llaves para
cambiar la dirección del flujo, a) Flujo hacia la derecha en el SMB b) Flujo hacia la izquierda
2.3 Difusión de biogás en la raíz vegetal
Para la difusión del biogás en la raíz de calabaza se construyó la UCV con un cilindro de PET de 40
cm de altura x 11 cm de diámetro. En su interior contuvo 2 kg de la mezcla de suelo: arena 50%,
arcilla 20%, y limo 30%. Se determinó si el biogás que difunde en el suelo de la UCV mantiene una
composición similar a la generada en el RDASS y si en suelo a capacidad de campo es menor el
flujo de biogás comparado con suelo seco.
Se sembraron 4 semillas por UCV previamente esterilizadas con solución hipoclorito de sodio 5 %
por 5 min y enjuagadas con agua destilada estéril. Las plántulas crecieron bajo ciclo de iluminación
16/8 h luz/oscuridad con lámpara fluorescente a 8600 Lux y a 25° C. Se regó con solución nutritiva
(NH4NO3 10, K2HPO4 2, KH2PO4 2.5, MgSO4.7H2O 1, NaCl 0.1, CaCl2, FeSO4.7H2O 0.001; H3BO3
0.00286, ZnSO4.7H2O 0.00022, MgSO4•7H2O 0.0001, Na2MoO4.2H2O 0.0001 g/L <J.T.Baker> pH
6.6). Se registró el crecimiento de las plántulas de calabaza durante la etapa temprana de su ciclo de
vida, las variables-respuesta fueron: porcentaje de germinación, peso fresco y seco de la parte
radical y foliar de plantas cosechadas a los 5, 15 y 30 días posteriores a la germinación.
3. Resultados
Fueron probados los 3 componentes del sistema descritos en el diseño experimental: RDASS, SMB
y UCV para establecer las condiciones que permitieron estandarizar el modelo que prueba si el
biogás producto de la DA tiene un efecto en el crecimiento vegetal.
El volumen de biogás producido por los RDASS fue constante en el periodo entre cada
alimentación a partir del día 15 de seguimiento con una composición de 55 a 75% de CH4 con un
rango de 782 a 3200 mL/día en el periodo entre cada alimentación (Figura 2).
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a)
b)
Figura 2. Dinámicas de los RDASS en un periodo de 45 días incubados a) Volumen de biogás, b)Contenido
de CH4
Se probó si la solución de salmuera que se usó en el SMB bajo condición ácida a pH 4 o alcalina a
pH 10 influyó sobre el contenido de CH4 en el biogás generado por el RDASS. La salmuera alcalina
mostró aumento en la concentración de CH4 en función del volumen de salmuera desplazada tras
fluir por el SMB., inicialmente fue 8% mayor pero a partir del octavo día fue similar en los puntos
de muestreo colocados antes y después del SMB. En el día 15 se midió el pH de las soluciones de
salmuera la originalmente ácida subió a 4.8 y la alcalina disminuyó a 5.6 (Figura 3).
90
% CH4 (v/v)
80
313
70
60
50
40
0
2500
5000
7500
10000
12500
15000
17500
20000
Volumen acumulado de biogás (mL)
Ácido RDASS
Alcalino RDASS
Ácido SMB
Alcalino SMB
Figura 3. Contenido de CH4 en los RDASS, los SMB ácidos y los SMB alcalinos en función del volumen
acumulado de biogás
Se analizó si el biogás generado en el RDASS fluyó a lo largo del sistema y mantuvo su
composición luego de pasar por el sustrato de la UCV. En suelo seco no hubo disminución
significativa en la concentración de CH4 la cual fue de 63% en el RDASS y de 58% en la UCV, en
suelo a capacidad de campo fue de 46% en la UCV (Figura 4).
Figura 4. Determinación de CH4 en puntos clave. Variables: suelo seco y a capacidad de campo. Sitios de
muestreo: Reactor de digestión anaerobia de sustrato sólido (RDASS), unidad de crecimiento vegetal (UCV)
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El biogás causó una inhibición de la germinación en un 55%, un menor crecimiento en plántulas de
calabaza de 15 días el cual fue del 40% comparado con el control, mientras que en plantas de 30
días fue del 65% con respecto al control. El efecto del biogás fue mayor al incrementar el contenido
de biogás en la UCV.
4.Discusión
El volumen de biogás producido por los RDASS fue constante en el periodo entre cada
alimentación y con una composición dentro del rango metanogénico del 55 a 75% de CH4 [1]. Los
RDASS se pueden mantener en funcionamiento mientras sean alimentados continuamente y
mantengan valores mayores de pH a 8 y de STV a 25%. La disminución de la alcalinidad en los
RDASS, así como del contenido de STV y CH4 son indicativos de que los reactores están en
proceso de decadencia [7].
La solución de salmuera usada en el SMB tuvo comportamiento diferente en condiciones ácidas y
alcalinas. De acuerdo con [8] la alcalinidad de una solución salina favorece la disolución del CO2 en
H2O formando HCO3, pero en el modelo experimental se observó que esta propiedad fue limitada
debido a la disminución del pH de la solución de salmuera. Este conocimiento podría ser útil si
desea probar únicamente el efecto del CH4 producto de la DA de la FO de los RSU, sin embargo
tendría que diseñarse un sistema que permita mantener las condiciones de pH favorables para la
disolución del CO2 a largo plazo.
El suelo fue una barrera física para el biogás generado en el RDASS por lo que al cambiar las
condiciones de textura o contenido de humedad del suelo podría tenerse un efecto distinto en el
crecimiento vegetal.
Como los resultados preliminares indican existe un efecto considerable en el crecimiento de
plántulas de calabaza, el cual provocó una alta inhibición de la germinación, mientras que en
plántulas de 15 y 30 días un crecimiento raquítico, lo cual confirma los resultados observados en
campo por otros autores.
5. Conclusiones
En el modelo experimental se logró una producción constante de biogás de característica similar al
generado RESA por lo que fue factible probar su efecto en el crecimiento de plántulas de calabaza.
La estandarización de la técnica permitirá además probar el efecto del biogás en las poblaciones
microbianas del suelo y determinar si existen adaptaciones morfológicas y fisiológicas en plantas
tolerantes al biogás.
Agradecimientos
El desarrollo de la investigación se llevó a cabo gracias al financiamiento otorgado al Proyecto 5.15
y 2.7 de la CIC-UMSNH y a la beca 239180 CONACyT.
Referencias Bibliográficas
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