biochar producido a partir de excretas de gallina reduce la

XX Congreso Latinoamericano y XVI Congreso Peruano de la Ciencia del Suelo
“EDUCAR para PRESERVAR el suelo y conservar la vida en La Tierra”
Cusco – Perú, del 9 al 15 de Noviembre del 2014 Centro de Convenciones de la Municipalidad del Cusco
BIOCHAR PRODUCIDO A PARTIR DE EXCRETAS DE GALLINA
REDUCE LA BIODISPONIBILIDAD DE CU EN SUELOS CONTAMINADOS
CON ESTE METAL
Meier. S1*, Cea, M1., Curaqueo, G1., Khan2, N., Vidal, C1., Bolan, N2., Borie, F1.
1Scientific
and Technological Bioresource Nucleus. BIOREN-UFRO. Universidad de La Frontera, P.O. Box 54-D.
Temuco, Chile.
2
Centre for Environmental Risk Assessment and Remediation (CERAR), Building X, University Blvd., University of South
Australia, Mawson Lakes, SA 5095, Australia
*Autor de contacto: [email protected]. Francisco Salazar 01145, casilla 54-D Temuco.
RESUMEN
El biocarbón (BC) es un material producido a través de la pirólisis de la biomasa a temperaturas
entre (300 a 700 ° C) bajo condiciones limitadas de oxígeno. La producción BC de diversas
fuentes de biomasa ha atraído el interés de investigación porque conduce a ventajas agronómicas
tales como mejorar las propiedades físicas, biológicas, químicas y también tendría la capacidad
para remediar suelos contaminados con metales. No obstante, hasta la fecha la aplicación de BC
en suelos contaminados no se ha investigado sistemáticamente. Por lo tanto, el objetivo de este
estudio fue evaluar el efecto de la aplicación de BC en la inmovilización de cobre y su eficacia en
la promoción del crecimiento de Oenothera picensis.
EL biocarbón fue producido a partir de estiércol de pollo (CMC) a una temperatura de 500 ° C por
dos horas. Este material fue aplicado en suelos contaminados extraídos de un ecosistema
mediterráneo, cerca de la fundición Ventanas (Puchuncaví Valley, Valparaíso, Chile Central) en
dosis de 0, 5 y 10% p/ p, respectivamente. Además, se aplicaron de niveles crecientes de Cu (0,
100 y 500 mg de Cu kg-1) La metalófita Oenothera picensis creció en este medio durante 3 meses
bajo condiciones de invernadero.
El BC produjó un notorio aumento en el pH (hasta 3 unidad de magnitud) del agua intersticial,
junto con una alta disminución del Cu en la solución del suelo. De la misma manera, el pH del
suelo, la conductividad eléctrica y la respiración basal fueron mayores en los suelos con la adición
de enmienda. Por lo anterior, las plantas que crecieron con la enmienda produjeron hasta 8 veces
más biomasa que las otras sin la aplicación de BC. Esto podría atribuirse a una reducción de la
toxicidad de los metales y la mayor disponibilidad de nutrientes como P y K. De la misma manera,
el BC redujo significativamente la acumulación de Cu por O. Picensis.
Estos resultados preliminares sugieren que la aplicación de BC fue eficaz en la inmovilización de
Cu, reduciendo de ese modo la biodisponibilidad y la fitotoxicidad de Cu y por lo tanto podría ser
una buena alternativa para la ejecución de programas de fitorremediación.
Palabras clave: suelos contaminados; remediación ambiental; enmiendas.
1. INTRODUCCIÓN
Chile es el principal productor de cobre (Cu) del mundo, metal que representa el 40% de las
exportaciones nacionales, lo que se traduce en más de un tercio del total de Cu producido
anualmente a nivel mundial (COCHILCO, 2010). Sin embargo, la intensidad con que se realiza
esta actividad ha producido un impacto negativo en los ecosistemas, principalmente debido a la
excesiva producción y acumulación de residuos con altas cantidades de metales tóxicos, tanto en
labores de extracción como en el procesamiento industrial para la obtención de Cu (Meier et al.,
2012). Los metales presentes en los residuos mineros (tales como Cu, Zn, Pb, entre otros,
Adriano, 2001) poseen un riesgo potencial tanto para la población humana como para el medio
ambiente, debido a que altas concentraciones de estos elementos producen toxicidad a
organismos superiores y microorganismos, por lo que su manejo ambiental debe ser una prioridad
asociada a la actividad minera (Sarabia et al., 2003). A nivel mundial, existen estudios que
demuestran el efecto deletéreo de los metales en los ecosistemas, generando en muchos casos la
pérdida irreversible del suelo y de la cubierta vegetal, debido a que estos elementos no son
biodegradables (Reimann et al., 2001). En Chile la situación no es distinta, lo que resulta todavía
más preocupante considerando que los estudios científicos relativos al tema son escasos,
situación que no se corresponde con la magnitud de la actividad minera en nuestro país. En este
contexto, estudios realizados por Ginocchio et al., (2004) y González et al., (2008) han descrito la
drástica pérdida de diversidad en las comunidades vegetales en ecosistemas afectados por el
depósito de material particulado enriquecido con metales provenientes de las actividades mineras.
Concretamente, esta actividad ha generado la pérdida de vastas extensiones de terrenos
destinados a actividades agrícolas, efecto que se hace evidente en la reducción de cobertura
vegetal y aumento en la erosión del suelo dentro del ecosistema mediterráneo aledaño a
Ventanas en el valle de Puchuncaví, Región de Valparaíso, Chile (Ginocchio, 2000). Por otra
parte, con el fin de realizar un manejo sustentable del suelo en los ecosistemas, una alternativa
que está siendo recientemente explorada es la utilización de biocarbón como enmienda en suelos
contaminados con metales pesados (Park et al., 2011). El biocarbón es un material derivado de la
descomposición térmica de biomasa en ausencia parcial o total de oxigeno y a temperaturas bajas
(<600°C), proceso denominado pirólisis (Sohi et al., 2010). El biocarbón se caracteriza por ser un
material poroso, cuya composición está estrictamente relacionada con la materia prima de la cual
proviene y las condiciones del proceso de fabricación (Cantrell et al., 2012). En general presenta
un tamaño de partícula variable entre 2 a 20 mm, una distribución de poros desde nano (<0,9 nm),
micro (<2 nm) hasta macroporos (>50 nm), y un área superficial de hasta 1360 m2 g-1 (Downie et
al., 2009).
Diversos autores señalan que el biocarbón actúa como acondicionador del suelo potenciando el
crecimiento de las plantas a través de varios mecanismos tales como: a) el suministro y retención
de nutrientes en su estructura, previniendo procesos de lixiviación, b) incrementando la capacidad
de intercambio catiónico del suelo, c) aumentando la capacidad de retención de agua, d)
neutralizando la acidez del suelo, e) generando mejores condiciones para el desarrollo de los
microorganismos. Además, es un compuesto muy estable frente a la actividad tanto química como
microbiana, permaneciendo en el suelo por más tiempo que cualquier otra forma de carbono
orgánico. Lo anterior, indica que el biocarbón produce una mejora en las propiedades físicas,
químicas y biológicas del suelo (Jones et al., 2012). Adicionalmente, se ha descrito la presencia
de diversos grupos funcionales, los cuales además de sus propiedades quelantes, proveen de
carga superficial a la partículas de biocarbón, promoviendo la inmovilización de metales dentro de
su estructura (Uchimiya et al., 2011). Lo anterior, podría justificar los estudios orientados a
analizar el uso de biocarbón aplicado como enmienda en suelos contaminados, ya que por las
características antes mencionadas este material reduciría la biodisponibilidad de metales,
disminuyendo así la fitotoxicidad y potenciaría procesos fitorremediación (Park et al., 2011). Por lo
tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de la aplicación de BC en la inmovilización
de cobre y su eficacia en la promoción del crecimiento de la metalófita Oenothera picensis.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Para este ensayo, se utilizó un suelo proveniente de un sitio contaminado con Cu ubicado en el
Valle de Puchuncaví (UTM 6372975N; 267350 E), V Región de Valparaíso, Chile. En este sector,
se muestrearon suelos cercanos a la fundición Ventanas, los cuales poseen altos niveles de
contaminación con Cu (92-872 mg Cu kg-1, Cornejo et al., 2008). Sobre los cuales se adicionaron
concentraciones crecientes de este metal (0 –Control-, 100 y 500 mg Cu Kg-1; usando CuCl2 *
5H2O). Posteriormente se aplicó Biocarbón producido a partir de excretas de gallina (CMC) en
dosis de 0, 5 y 10% p/p, el cual fue primeramente caracterizado fisicoquímicamente (Área
superficial –BET- volumen y tamaño de poros, medición de pH, C, N, P y K).
La especie vegetal utilizada en este ensayo fue la metalófita Oenothera picensis, la cual fue
sembradas en macetas de 300 cm3. Estas macetas estaban conectadas a cápsulas porosas
especiales (rizones) para la obtención de agua intersticial, sobre la cual se midió los cambios
periódicos de pH y cobre en solución durante los tres meses de establecimiento del ensayo. Al
finalizar el periodo de crecimiento se evaluó el comportamiento in vivo de la planta a través del
índice de sobrevivencia vegetal, peso seco y la concentración de metales en tanto en raíces como
en tallos. Finalmente, se realizaron ensayos de respiración basal de microorganismos (Anderson
and Domsch, 1990) y actividad microbiana para posteriormente relacionarlos con parámetros
químicos; evaluando de esta manera la biodisponibilidad de metales en el suelo.
3. RESULTADOS
3.1. Caracterización fisicoquímica. El biocarbón producido (Tabla 1) fue de naturaleza
heterogénea presentando un alto contenido de carbono y nutrientes (Tabla 1 y Fig 1). De la
misma manera, las características físicas tales como superficie especifica (Bet) volumen de poros
(Vp) y diámetro de poros presentaron valores aceptables, siendo el CMC un material reactivo para
la posible quelación de metales en el suelo. Lo anterior fue ratificado por la naturaleza de los
grupos funcionales en el biocarbón los cuales fueron identificados usando espectrofotometría FTIR. realizado (Fig. 2)
Tabla 1. Caracterización fisicoquímica del biocarbón utilizado.
3
Biochar
pH
C (%)
N (%)
H (%)
C/N
P (%)
K (%)
Bet
2
1
(m g- )
Vp (cm g
1
)
CMC
9.1
29.67
2.13
1.04
13.92
0.87
1.53
11.51
0,009
-
Dp (nm)
3,82
Figura 1: Fotografía de microscopia electrónica de barrido del biocarbón producido partir de
excretas de gallina Chile (CMC)
Figura 2: Espectros infrarrojos (FTIR) del biocarbón producido a partir de excretas de gallina
(CMC)
Los peaks a 3,749 y 3,371 cm−1 indicarían la presencia de grupos hidroxilo. La banda a 1605
correspondería a grupos conjugados C=O unidos a anillos aromáticos. La banda a 876 es debida
a la contribución de las vibraciones C-H de compuestos aromáticos. La presencia de los grupos
funcionales nombrados previamente son responsables de la adsorción de metales. Probablemente
debido a lo anterior, las pruebas de retención de Cu, mostraron que el BC redujo hasta un 73,2%
el Cu presente en el suelo (Tabla 2).
Tabla 2. Concentraciones de Cu (mg kg-1) extraídas usando NH4NO3, en un suelo contaminado
del valle del Puchuncaví. (CMC: Biocarbón derivado de excretas de gallina producido en Chile
aplicación al 5% p/p).
Tratamiento
Suelo
Suelo + CMC
Cu (mg kg-1)
8.2 ± 0.21 (a)
2.2 ± 0.23 (b)
Metal inmovilizado (%)
---73,17
3.2. Ensayos en mesocosmos: La aplicación de biocarbón produjo un claro aumento en el pH
del agua intersticial (de hasta casi 3 unidades) el cual fue, en general, proporcional a la dosis de
BC aplicada y este efecto se mantuvo a través del tiempo. Adicionalmente, como era de
esperarse, según los resultados previos de la caracterización físico-química y las pruebas de
retención de metales, la aplicación de BC disminuyó drásticamente las concentraciones de Cu
presente en el agua intersticial Estos resultados ratificarían el positivo efecto del BC como una
enmienda que promovería la implementación de programas de fitorremediación.
Por otro lado parámetros del suelo, tales como pH y conductividad eléctrica, también se vieron
favorecidos debido a la aplicación de BC. Los aumentos en la conductividad eléctrica fueron
probablemente debidos a la mayor concentración de sales aportadas por el BC (tales como
carbonatos, potasio, sodio entre otras), las cuales de la misma manera provocaron un aumento
del pH y por ende una disminución en las concentraciones de Cu, disminuyendo de esta manera
su biodisponibilidad. Lo anterior se ratifica por el aumento de la respiración basal microbiana (tabla
3).
Tabla 3: pH, conductividad eléctrica (EC) y actividad microbiana de suelos contaminados con
metales y enmendados (0, 5 y 10% p/p) con biocarbón proveniente de excretas de gallina y
enriquecido con niveles crecientes de Cu (0, 100 y 500 mg Cu kg-1) ✚: plantas muertas.
Finalmente, debido al buen contenido nutricional de la enmienda, sumado a los factores físicoquímicos y las pruebas de la retención de Cu, es que su aplicación en el suelo produjo un notable
aumento en la biomasa vegetal, permitiendo además la sobrevivencia de las plantas a la dosis
mas altas de Cu.
4. CONCLUSIÓN
La aplicación biocarbón produjo un aumento en la biomasa vegetal como fue eficaz en la
inmovilización de Cu en el suelo, reduciendo de ese modo la biodisponibilidad y la fitotoxicidad de
Cu
por lo que podría ser una buena alternativa para la ejecución de programas de
fitorremediación.
5. AGRADECIMIENTOS
Sebastián Meier agradece profundamente el soporte provisto por el proyecto Fondecyt 3130390
6. BIBLIOGRAFÍA
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