| dc.description.abstract | En México, se calcula que apenas el 35% de los rellenos sanitarios bajo supervisión municipal cumplen con las normas ambientales (Escamilla-García, 2015). Los tiraderos a cielo abierto o sin recuperación de biogás contribuyen de manera importante a la generación de gases de efecto invernadero (SEMARNAT, 2016). Por otro lado, los fertilizantes utilizados en las actividades agrícolas suelen ser químicos, principalmente por su bajo costo, pero si se utilizan en exceso pueden provocar diversos problemas asociados a la contaminación del suelo y el agua (Chang y Huang, 2016; Raden et al., 2017). La agricultura orgánica asegura la sostenibilidad del suelo y tiene como objetivo aumentar la calidad del producto en la producción (Meemken y Qaim, 2018). Sin embargo, balancear el suministro de nutrientes esenciales en los fertilizantes líquidos a partir de vegetales representa un reto, ya que frecuentemente las concentraciones de potasio, cloro y sodio son excesivas comparadas con el nitrógeno (Martínez-Alcantara et al., 2016).
En el Doctorado en Ciencias de la Ingeniería se estudiará la elaboración de un Fertilizante Orgánico Líquido (FOL) a partir de la hidrólisis anaerobia de la fracción líquida de residuos de frutas y verduras (RFV) selectivamente separados en un reactor de biopelícula a nivel laboratorio.
Se diseño y montó un reactor anaerobio de biopelícula a escala laboratorio para la producción del FOL. Se utilizó como inóculo lodos anaerobios diluidos y se alimenta por lotes de la fracción líquida de RFV. Como soporte para la formación de la biopelícula, se utilizó 1 fibra de nylon y 3 fibras de nylon con carburo de silicio. El reactor se encuentra en un cuarto de temperatura controlada y cuenta con: sistema de recirculación; contenedores para alimentación del sustrato y salida del efluente (fertilizante); captación y medición de biogás; medición de la temperatura interior y exterior; y un sistema de monitoreo de pH automatizado.
Para el monitoreo de pH se utilizó un sensor de pH con módulo PH-4502C programado para la toma de muestra y medición de pH de manera automática, mediante un código desarrollado para el microcontrolador Arduino Nano.
La formulación de los RFV para la producción del FOL se obtiene a partir del inventario de Residuos Sólidos Orgánicos (RSO) del mercado municipal “Emiliano Zapara” ubicado en la Colonia Centro de Orizaba, Veracruz, México. El inventario se realizó mediante la cuantificación de Residuos Sólidos Orgánicos Municipales (RSOM) por duplicado para cada estación del año. El muestreo se realizó de acuerdo con el Método de Cuarteo descrito en la Norma Mexicana NMX-AA-15-1985 (PROTECCIÓN AL AMBIENTE - CONTAMINACIÓN DEL SUELO - RESIDUOS SÓLIDOS MUNICIPALES - MUESTREO - MÉTODO DE CUARTEO).
Para la selección de las especies de frutas y verduras de interés para la producción del FOL se consideró: 1) las especies que se encontraran en mayor cantidad y 2) las especies que tuvieran presencia en todas las estaciones del año. Las especies que cumplieron con estas condiciones son: naranja, jitomate, lechuga, brócoli, cebolla, chayote y tomate verde.
Se realizó la inoculación del reactor anaerobio de biopelícula con 5.2 L de lodos anaerobios diluidos. Se utilizó como sustrato la fracción líquida de jitomate durante las primeras dos etapas (I = Inoculación y Arranque y II =Estimulación de formación de la biopelícula). La estimulación de la formación de la biopelícula se realizó retirando y alimentando sustrato diariamente, y mediante la recirculación cada 12 horas a 300 mL/min y después de cada alimentación y toma de muestra. En la etapa III se realizaron pruebas del potencial bioquímico de metano a partir de cinéticas de las tres principales especies (jitomate, lechuga y naranja) seleccionadas de acuerdo al inventario de frutas y verduras. Durante estas tres etapas el reactor se operó en condiciones anaerobias metanogénicas. Para cada etapa se registraron los parámetros de operación y los rendimientos del reactor. Las gráficas de la producción de biogás y metano se ajustaron tomando en cuenta la respiración endógena y se realizó el modelado de la producción de metano con los Modelos de Gompertz simple y modificado. Se observó que la biomasa en suspensión al momento que fue retirada tenía una producción de biogás 3.863 veces mayor que la biomasa adherida. La biomasa adherida aumentó durante la estimulación de formación de biopelícula (del día 82 al 116 desde el arranque del reactor) 2.25 veces la cantidad de ST y 6.65 veces la cantidad de SV. También se observó que la fracción soluble del sustrato (parte líquida de la fracción líquida del jitomate) se degrada con mayor velocidad y contribuye en mayor medida a la producción de biogás en comparación con la fracción sólida. El potencial de producción de metano se encuentra entre 546.55 y 881.21 mL CH4 (STP)/gVS. En comparación con lo reportado en otros estudios, la fracción líquida de jitomate tiene un mayor potencial de producción de metano que el jitomate completo.
Se modificaron las condiciones de operación del reactor anaerobio de biopelícula (pH 5) para llevar a cabo la hidrólisis de frutas y verduras previamente seleccionadas. Se alimentó la FL-2 de jitomate, lechuga y naranja formulada según su disponibilidad en el Mercado Emiliano Zapata y se obtuvo un porcentaje de remoción de DQO promedio de 24.58 10.17
%. Posteriormente se realizó la hidrólisis anaerobia de la formulación del FOL adicionada con cascara de camarón (residuo con alto contenido proteico) y se reportaron porcentajes de remoción de 30.27 12.60 %. Como producto final, se obtuvo un FOL (1-0.1-0.1) con una concentración de macronutrientes de 9.58 g N/L (0.96%), 1.25 g P/L (0.13%), y 1.13 g K/L (0.11%).
Se comparó la eficiencia del FOL mediante un diseño por bloques aleatorizado con 3 tratamientos por duplicado: T1) Control (sin fertilizante); T2) Fertilizante Orgánico Líquido (FOL, este estudio); y T3) Fertilizante inorgánico (FI, urea y fosfato diamónico). Los tratamientos se aplicaron a flor de calabaza (Cucurbita pepo L), y se monitoreó el crecimiento de la planta, rendimiento del cultivo y la cantidad nutrientes. Los resultados de las pruebas de ANOVA y LSD mostraron que el FOL aplicado no presenta diferencias estadísticamente significativas en el crecimiento (longitud de tallo, diámetro de tallo, longitud de hoja, ancho de hoja) y rendimiento del cultivo (número de flores producidas). Mientras que, el FOL y el FI mostraron una longitud de tallo y número de flores producidas estadísticamente mayores que el Control.
Se realizó el procesamiento de 8 muestras de biomasa del reactor anaerobio de biopelícula (biomasa del inóculo, biomasa en suspensión, biomasa adherida a la fibra de nylon con carburo de silicio y biomasa adherida a la fibra de nylon) y la extracción de ADN genómico durante dos estancias en el Laboratorio Planta Piloto y Anexo de Biología Molecular en el CUCEI de la UdG (Guadalajara, Jalisco) para la caracterización de comunidades microbianas usando metagenómica. Se realizó la secuenciación genética masiva de la región variable 4 y 5 de los genes del ARN ribosomal 16S de cada muestra y los OTUs dominantes fueron agrupados a nivel de Género. las bacterias hidrolíticas y fermentadoras fueron predominantes durante todas las etapas de DA. Los resultados mostrarón que las bacterias hidrolíticas y fermentadoras fueron predominantes durante todas las etapas de DA. La presencia de especies de bacterias sintróficas como Anaerolineaceae, Syntrophus y Syntrophomonas que utilizan mecanismos de IHT y como Geobacter y Trichococcus que utilizan el DIET para transferir electrones de manera directa e indirecta a arqueas metanogénicas fueron clave para la degradación de sustratos y la producción de metano. Durante todo el proceso se favoreció la metanogénesis acetotrófica con la dominancia de Methanosaeta y se encontró con la presencia de los metanógenos hidrogenotroficos Methanolinea, Methanospirillum y Methanobacterium. | es |
