INTRODUCCIÓN
Las sustancias húmicas provienen de
la descomposición de la materia orgánica poseyendo una gran cantidad de grupos
fenólicos y carboxílicos (Méndez-Martínez, et al. 2020) proveyendo
características para el desarrollo de cultivos. Las sustancias húmicas son de
estructura compleja y heterogénea (Tahiri et al. 2016), que se encuentran en el
medio ambiente terrestre teniendo diversas funciones: como bioestimulantes,
aportadores y transportadores de macronutrientes y micronutrientes, mejoradores
de la estructura y fertilidad del suelo (Fascella, 2021), así como de su
actividad biológica, física y fisicoquímica (Arteaga et al. 2014). Se utilizan
en la agricultura para promover el crecimiento vegetal con eficacia y
eficiencia en la producción (Hita-Mejía, 2020) y tienen como fuente principal a
la leonardita y lixiviados (Tahiri et al. 2016); asimismo tienen como fuentes a
compostados de residuos vegetales (Sui et al 2021). Según Capasso et al (2020),
estudió la estructura molecular de una muestra comercial de ácidos húmicos (HA)
mediante experimentos de diálisis de membrana (MD) y cromatografía de exclusión
por tamaño a baja presión (LP-SEC); y afirmó que tiene una estructura
macromolecular en vez de ser un agregado supramolecular de relativamente
moléculas pequeñas. El tema trasciende por el hecho de comparar diferentes
muestras de ácidos húmicos obtenidos de diferentes fuentes. Ying (2014), evaluó
la humificación durante el compostaje de residuos de alimentos, aserrín y
comida china. Los residuos de hierbas medicales se investigaron para revelar su
correlación con la madurez del compost. Después de hacer los tratamientos se
obtuvieron relaciones acido húmico/acido fúlvico (HA/HF) incrementaron
considerablemente en la medida que se redujo el aserrín en el compostaje y se
mantuvo constante la cantidad de hierbas medicinales. Al final del compostaje,
se apreció la disminución de compuestos alifáticos en los ácidos húmicos y el
aumento en los grupos funcionales aromáticos, que indico la madurez del
compost. Concluyo que el tratamiento con hierbas chinas proporciona, después de
la desaparición de la hemicelulosa y de la lignina durante el compostaje, el
núcleo paras la formación de ácidos húmicos. Mansi (2020), evaluaron el
compostaje mediante la sucesión microbiana marcando la degradación y
estabilización de la materia orgánica. Consistió en el diseño de tres reactores
aireados a escala de laboratorio: inoculando al compost Aspergillus niger en el
primero, en el segundo solo compost viejo y en el tercer reactor un control. Comprobaron
que el compostaje mejoro sustancialmente al agregar un cultivo microbiano,
haciéndolo eficaz, económico y ecológicamente adecuado. Kałuza-Haładyn, A.,
Jamroz, E., & Bekier, J. (2019). evaluaron la transformación de sustancias
húmicas durante el compostaje de biomasa de plantas y residuos sólidos
orgánicos urbanos. El compost producido a partir de la mezcla de sauce y
biomasa energética de heno contiene sustancias húmicas con una mayor proporción
de fracciones de bajo peso molecular y una menor proporción de ácidos húmicos
en el carbono orgánico total, que los producidos a partir de desechos sólidos
municipales.
A nivel global, en los países
industrializados y en desarrollo; los residuos orgánicos alimentarios provienen
de los diferentes eslabones de la cadena agroalimentaria, y se estima que son
entre el 50% y el 52 % de los residuos totales (Banco Mundial ,2018). Desde
1945, la Food and Agriculture Organization (FAO), ha identificado y ha tratado
de manejar la evolución de la data de los residuos alimentarios en las
distintas cadenas de suministros, mediante programas de acción de control
permanente en los países productores de alimentos. Sin embargo, han pasado más
de setentaicinco años y el problema se agudiza, pues de los diferentes factores
incidentes, el incremento poblacional contribuye al aumento de los residuos
alimentarios en forma insostenible, con pocas alternativas de uso y o
disposición final (Parfitt et al.2010; Parfitt et al.2010). Si este panorama se
complica y no se toman medidas urgentes, para el 2050, los desechos totales a
nivel mundial crecerán un 70% con respecto a los niveles actuales (Banco Mundial,
2018). En el Perú el volumen considerable de residuos orgánicos alimentarios se
encuentra entre el 47% y el 50% del total de residuos sólidos (MINAM 2014),
rango señalado por Troschinetz y Mihelcic (2009) para países en desarrollo,
proveniente de la industria alimentaria procesadoras de frutas y hortalizas,
siendo de los mercados de abastos cantidades más considerables (INEI,2012). El
problema de los residuos de alimentos en el Perú tiene causas variables, como
es la mala segregación, la falta de manejo integral y de disposición de las
distintas cadenas de suministros de alimentos, así como de los centros de
producción y consumo (MINAM 2014). La síntesis de sustancias húmicas permitió
comprobar que la materia orgánica residual de la agroindustria alimentaria,
después del proceso de compostación y humificación, se convirtió en un producto
útil para la agricultura.
Los procesos de compostación y
humificación, producen sustancias húmicas provenientes de los residuos
orgánicos, reduciendo la contaminación al medio ambiente, logrando impactos
positivos, como alternativa de solución al problema de generación y disposición
final. En lo que respecta al proceso de compostación y humificación (como
proceso inicial e intermedio del proceso de humificación) promueve actividades
económicas rurales rentables, apoyándose en el modelo de la economía circular,
utilizando residuos orgánicos sin valor comercial que luego generarán
sustancias orgánicas de alto valor agregado. Lo innovador está en dos aspectos:
primero la inclusión de tierra de montaña con microorganismos activados durante
la compostación, con la finalidad de acelerar la desintegración y conversión de
los residuos en precursores húmicos y el segundo aspecto es el arreglo en el
diseño del apilamiento empaquetado de residuos orgánicos al inicio de la
compostación, con la finalidad es darle mejor soporte y condiciones de descomposición
estructurada.
Sobre la base de lo mencionado, el
objetivo de esta investigación fue evaluar la síntesis y extracción de las
sustancias húmicas provenientes de los residuos orgánicos de la industria
alimentaria, previamente compostados, humificados y proponer una metodología de
síntesis de las sustancias húmicas, utilizando paquetes diferentes de
compostación.
MATERIALES Y MÉTODOS
Ubicación
El estudio se desarrolló en la planta
de compostaje de la Municipalidad Provincial de Barranca, Región Lima, en la
zona denominada Los Anitos, ubicada en la zona sur este del distrito de
Barranca; donde se manejan alrededor de 30 a 50 pilas o camellones de
compostaje (Cabrera V & Rossi M. 2016) con obtención de producto cada tres
meses y cuyo sistema es de tipo industrial (2.0x50.0x1.5m3) (Suarez, J. 2012).
La población estimada es de 144 000 habitantes (INEI, 2018).
La población fue seleccionada convenientemente y
dada principalmente por los residuos orgánicos que abastecieron a la planta de
compostaje, generados por las fábricas o plantas agro-procesadoras de la
industria alimentaria, así como los rastrojos vegetales de los campos de
cultivo y de los diferentes centros de acopio (distritos: Supe, Puerto Supe,
Pativilca, Paramonga). Complementan los residuos orgánicos de los mercados de
verduras, frutas y finalmente los residuos de parques jardines. La muestra es no
probabilística por conveniencia. Conformada por las variables independientes:
residuos orgánicos alimentarios, microorganismos activados de tierra de
montaña; y las variables dependientes: el compost en primera instancia y las
sustancias húmicas.
Procedimiento
experimental
El experimento consistió en formar 3 pilas o camas compostables
(1.5mx1mx1.5m3) más una (1) pila de control o testigo. Los residuos
orgánicos estuvieron conformados por paja y pajilla de ajos; cáscara y semilla
de mango, cascaras de frutas, hortalizas variadas y los rastrojos de cosecha de
maíz, papa, camote y cebolla, asimismo se agregó tierra de montaña conteniendo los
microorganismos activados, más agua en la remoción y ventilación de todas las
pilas, lo que permitió hacer la medición de la temperatura durante los 120 días
de compostación cada quincena. Se procedió a diseñar tres (3) paquetes
compostables (variando y alternando los tipos de residuos verticalmente,
agregando los microorganismos de montaña (Figura 1) más una pila que solo
compostó residuos de rastrojos de cosecha de maíz, papa, camote, cebolla y
cáscaras de frutas que sirvió como control (sin la adición de microrganismos de
tierra de montaña). La primera pila de compostación tuvo el siguiente diseño:
Una pila de ocho capas (8) o camas de residuos con los mismos pesos aproximados
(12.5 kg) distribuidos de la siguiente manera de abajo hacia arriba: una
primera capa con rastrojos secos de cosecha de maíz, camote, papa o cebolla, la
segunda capa de residuos de cáscara y semillas de mango. La tercera capa se
agregó paja de ajos, agregando una cuarta capa de residuos de frutas y
hortalizas variadas (lechuga, col, mango, sandia, tomate). La quinta capa fue
de cáscara de ajo, y la sexta capa es de pajilla del ajo, quedando la séptima
capa para residuos de cáscara de mango con sus semillas y se completó la octava
capa con pajilla de ajos. A todo ello se agregó microorganismos de tierra de
montaña, previamente activados y fortificados con cachaza (Moreno-Escandón et
al., 2022).
La segunda pila se hizo un arreglo de ocho camas, intercambiando una
cama de rastrojos secos de cosecha (maíz, camote, papa o cebolla) con otra cama
de residuos de cáscara y semilla de mango, hasta alcanzar aproximadamente 1.5m
de altura. La tercera pila fue similar a la segunda, solo que ahora en vez de
residuos de mango se utilizó residuos de todo tipo de fruta casera (plátano,
mandarina, limón, manzana, papaya, uva, mango, ciruelas, fresa) intercambiando
con rastrojos secos de cosecha de maíz, camote, papa o cebolla. La pila que
sirvió de control o testigo estuvo formada por residuos de rastrojos de cosecha
(maíz, camote, papa o cebolla) más cascaras de fruta, pero sin ningún orden
vertical de compostación y sin tierra de montaña con microrganismos activados.
Una vez obtenido compost en las cuatro pilas se tomó muestras (1 kilo
de cada pila) para llevarlas al laboratorio de la Universidad Nacional Agraria
La Molina, para el análisis de humedad, pH, temperatura, densidad aparente,
conductividad eléctrica, capacidad de intercambio catiónico, carbono orgánico
total, materia orgánica, nitrógeno total y fosforo total.
En el compost, para la determinación de la capacidad de intercambio
catiónico, se recurrió a la prueba de saturación con acetato de amonio por
cuantificación y volumetría; luego mediante la marcha del método colorimétrico
se determinó la cantidad de materia orgánica, basado en la oxidación con
dicromato de potasio. Mediante la Prueba Walkley-Black (TOC) se obtuvo el
carbono orgánico total, y por la prueba de Micro Kjeldahl se halló el nitrógeno
total. Por cálculos operacionales se halló la relación Carbono/Nitrógeno.
Para el análisis de las sustancias húmicas del compost, se utilizó la
metodología de la Sociedad Internacional de las Sustancias Húmicas (IHSS), determinando
cuantitativamente la concentración por espectrofotometría ultravioleta (UV-
vis) y cualitativamente mediante FTIR (espectrofotometría infrarroja con
transformada de Fourier).
Del compost se inició la extracción de las sustancias húmicas mediante
hidróxido de Sodio (NaOH) al 0.1 M juntamente con pirofosfato de sodio (Na4P2O7)
al 0.1M (1:1) en la proporción P/V (P corresponde al sustrato y V corresponde
al volumen de la sustancia extractante) de 1 a 10, que en algunos casos llevó
hasta razones de P/V de 1/20. Seguidamente se dio un tiempo de extracción
aproximado que según la IHSS recomienda que 4 horas es tiempo suficiente para
solubilizar la mayor parte de la materia orgánica presente en la muestra que se
quiere analizar. La extracción se da desde las 0.5 horas hasta las 24 horas. La
temperatura de extracción está entre 25°C a 80°C en donde el incremento de la
temperatura, independientemente de los componentes y del extractante, lo que
hace es incrementar el rendimiento. Para reducir la heterogeneidad de los
extractos húmicos, se recurre a un fraccionamiento, cuya metodología más usada
es la variación de pH, dada la distinta solubilidad de las sustancias húmicas
en medio acido o básico. De este modo el extracto como esta en medio básico, se
baja el pH hasta 2 o menos, agregando acido (HCL al 0.1 N) con la finalidad de
obtener la fracción acida húmica precipitada y en el sobrenadante obtener la
fracción fúlvica con la no húmica. Luego la porción húmica fraccionada es
purificada con ácidos minerales con el fin de eliminar compuestos de bajo peso
molecular, y restos de proteínas, carbohidratos, lípidos, y sales minerales que
han podido quedar después de estos procesos.
Finalmente, la fracción húmica obtenida (extraída, fraccionada y
purificada) del compost se midió por espectrofotometría ultravioleta (UV-vis)
(380nm a 460 nm) seguida de la medición cualitativa de los grupos funcionales
de la sustancia húmica presentes en el compost, en forma directa con ayuda de
un dispositivo ATR (Reflectancia total atenuada) y la espectrofotometría
infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) (lectura en un amplio rango de
espectro que va desde los 700nm a 270nm y frecuencia que va desde los 4000 cm-1
a 500 cm-1). La eficacia del compost conteniendo las sustancias
húmicas se evaluó midiendo el índice de germinación en la semilla del maíz;
aplicando un 80% del compost obtenido de cada tratamiento estudiado 1T, 2T, 3T
y 4 T (testigo) en 20% de arena como sustrato de siembra, más un T5 con arena
sola, con 3 repeticiones siguiendo un diseño completamente al azar (DCA).
RESULTADOS
De las pilas de compostación
se tuvo rendimientos de alrededor del 40%, durante los 4 meses de evaluación,
la pila 4 fue la que tuvo menor rendimiento (35.66%) con una desviación
estándar de la 0.65 (Tabla 2).
Tabla 2. Pesos de los residuos
orgánicos compostados y el rendimiento del compost obtenido.
|
Materiales de trabajo: residuos orgánicos
compostados
|
Peso aproximado residuos (kg)
|
Rendimiento del compost (%)
|
|
Pila
1 más MOMA
|
100
|
41.35±.25
|
|
Pila
2 más MOMA
|
100
|
42.70±0.35
|
|
Pila
3 más MOMA
|
100
|
40.25±0.55
|
|
Pila
4 sin MOMA
|
100
|
35.66±0.65
|
MOMA: microorganismos de
montaña activados
En la Tabla 3 la humedad está
en la mayoría de las pilas por encima del 50%, respecto al pH los valores son
alcalinos y temperatura levemente por encima de la ambiental. La conductividad
eléctrica y la capacidad de intercambio de cationes presenta valores de un
compost maduro.
En la Tabla 4, el carbono
orgánico total muestra correspondencia con la materia orgánica (mayor a 50%).
La relación Carbono/Nitrógeno mayor a 11, indica una buena conversión de la
materia orgánica inicial. El nitrógeno (mayor a 1%) el fosforo (mayor a 1%)
están en ordenes considerables de un compost maduro.
La tabla 5 muestra los
resultados de las sustancias húmicas y fúlvicas extraídas de las 4 pilas
compostadas, con apreciables cantidades, sobre todo de la primera y segunda
pila con valores por encima del 3%.
La tabla 6, hace referencia a
la presencia de grupos funcionales en las sustancias húmicas y fúlvicas,
encontrándose solo en las dos primeras pilas de compostación y en las
repeticiones.
En la Tabla 7 se presentan el
valor del índice de germinación del maíz utilizando el compost elaborado de las
4 pilas en la proporción de 80/20 con arena de rio. Los valores superan el 90
%.
DISCUSIÓN
Los valores de humedad, pH,
temperatura y densidad aparente del compost obtenido guardan relación con NCAT,
(2015); Tello et al. (2015); Huerta, et al (2021) y de López et al. (2017) en
donde la temperatura llega a estabilizar entre 23 y 25 °C (niveles de
temperatura ambiental) después del periodo de compostación, ya que al inicio es
muy similar, pero en la medida que pasan las semanas se incrementa hasta culminar
el trabajo de las termófilas (50°C- 60°C) y desciende la temperatura hasta los
valores reportados (mesófila).
La humedad está en los niveles
(48-56%) en donde hay buen trabajo de los microorganismos aerobios, buena
ventilación y la garantía que circula bien el oxígeno, del mismo modo el pH que
muestra una tendencia hacia la alcalinidad (5.48-7.27) por la generación de
amoniaco producto de la descomposición del material compostado. Esos valores
indirectamente están indicando una adecuada aireación y liberación de ácidos
orgánicos. La densidad aparente del compost (0.51-0.58 g/cm3),
evidencia un nivel de porosidad adecuado, suficiente y útil como fertilizante
para la actividad agrícola, dentro de los estándares de calidad (López-Bravo,
2017). Los valores para la conductividad eléctrica muestran un compost de
calidad (Atoche, JP 2023) y para la capacidad de intercambio catiónico permiten
el manejo de la fertilización y evitan problemas por fitotoxicidad en los
cultivos (Millán et al., 2018). La capacidad de intercambio de cationes, son
los adecuados según los resultados de Oviedo-Ocaña E. et al (2019).
En la Tabla 4 el carbono orgánico
total, muestra valores que infieren el inicio de un buen nivel de materia
orgánica dando al final de la compostación buenos resultados de correspondencia
con la materia orgánica (mayor a 50%). En cuanto a los elementos nitrógeno
total y fosforo total, los valores están por debajo de los estándares de
calidad (CONAMA 2004 NCh. 2880.Of2004), muy probable se deba a que el compost
aún no concluye procesos de desnitrificación y no haya suficientes bacterias
nativas solubilizadoras de fosfato (Velasco, 2021). La relación
carbono/nitrógeno resalta cantidades adecuadas de materia orgánica
estructurada, debido a la buena proporción de las materias primas vegetales
utilizados, como son los rastrojos y brozas de las cosechas (que contienen
materia leñosa) y la actividad de los microorganismos de montaña, activados en
melaza que en conjunto han acelerado la descomposición de la materia vegetal
(Cabrera & Rossi, 2016; Dores-Silva et al 2018; Mansi Rastogi et al 2020).
Esto se debe en buena medida a la alta cantidad de material leñoso utilizado
para la compostación (Cabrera & Rossi, 2016).
De la Tabla 5, el porcentaje de
ácidos húmicos y fúlvicos son adecuadas según Kaluza et al (2019); Kałuza-Haładyn
et al. (2019) la transformación de los residuos orgánicos en sustancias húmicas
puede utilizarse como un índice de madurez del compost, resultando que el
experimento ha obtenido sustancias húmicas en cantidades considerables. Se dice
que la calidad de las sustancias húmicas está en función a la calidad de los
compostados, ya que se ha obtenido una buena composición cuantitativa y
cualitativa de sustancias húmicas (Kaluza_Haladyn et al. 2019), dando
porcentajes considerables y asimismo prevaleciendo la existencia de grupos
funcionales aromáticos en varios tratamientos, según el reporte
espectrofotométrico infrarrojo, las bandas se leen entre 1720 cm-1 y 1620 cm-1
(Izquierdo et al., 2004).
La muestra compostada y humificada
reportó grupos funcionales tales como hidroxilos, grupos carbonilos, enlaces
tipo éster y presumiblemente aldehídos. Sin embargo, en el tercer y cuarto
tratamiento compostado y humificado, no se presentaron grupos funcionales. La
razón del último caso se presume que como la compostación no tuvo microorganismos
activados presentes en la tierra de montaña, no hubo o hubo poca formación de
precursores húmicos, por lo tanto después, durante la humificación no hubo una
maduración total de dichas sustancias, resultando la síntesis sin ningún grupo
químico, sino solo sustancias húmicas con cadenas alifáticas (Tahiri, A.,et al
2016) provocando que la lectura de los picos de absorbancia hayan sido bien
tenues y no se manifiesten en el espectro FTIR (Dores- Silva, et al 2018; Mansi
et al. 2020).
Con respecto al índice de germinación
de la semilla de maíz hay efecto del compost conteniendo sustancias húmicas, ya
que todas las pilas ofrecen compost que generan más del 90 % del índice de
germinación incluso hasta el testigo o control de la compostación para esta
prueba de germinación tuvo 60% de índice. Asimismo, la estadística señala que
hay diferencias significativas entre los tratamientos; aduciendo que ciertos
tratamientos aportan de manera distinta al índice de germinación de la semilla
del maíz.
Tabla 6. Presencia de grupos
funcionales químicos en las sustancias húmicas
|
Compost humificado
|
Análisis espectrofotométricos de las
sustancias húmicas
|
|
1
|
GF
GF GF
|
|
2
|
GF
GF GF
|
|
3
|
NGF NGF
NGF
|
|
4
|
NGF NGF
NGF
|
GF: Presenta grupos
funcionales; NGF: No presenta grupos funcionales.
De las comparaciones múltiples,
aplicando la prueba de tukey, los tratamientos T1, T2 y T3 provocan el mismo
efecto en el porcentaje de germinación en un intervalo de confianza al 95%;
dejando al T4 yT0 (testigo) como los tratamientos que muestran diferencias con
los anteriores tratamientos.
CONCLUSIONES
La
investigación conllevó a la síntesis de sustancias húmicas en la compostación
de residuos orgánicos proveniente de la producción agrícola y del procesamiento
de productos agroexportables de la industria alimentaria.
La propuesta metodológica de compostar los residuos orgánicos
verticalmente en forma intercalada tanto de cáscaras de frutas y rastrojos de
tubérculos, raíces u hortalizas, agregando tierra de montaña conteniendo microorganismos
activados; dio indicadores de compost maduros y estables, acordes con los
parámetros de las normas técnicas y generador de sustancias húmicas durante su
maduración. La compostación permitió obtener un producto de calidad según la
normatividad (Norma NCh2880 - 2004 y NADF – 020 – AMBT – 2011), mas no se supo
la calidad de las sustancias húmicas, sin embargo, por los grupos orgánicos
encontrados se infiere que puede funcionar como un buen fertilizante.
La compostación y humificación
permitió la reducción de volúmenes de residuos sólidos orgánicos, cercanos al
50%, proveniente de la agro industria alimentaria y generan un impacto positivo
ya que el compost producido, contiene sustancias húmicas usado como sustrato
para la germinación de semillas, además como enmienda orgánica del suelo, pues
mejora sus propiedades físicas, químicas, biológicas y ambientales.
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