Caracterización microbiológica del proceso de compostaje a partir de residuos azucareros microbial

Tibayde M. Sánchez Gómez*

* Profesora Asistente. Universidad Central de Venezuela. Facultad de Agronomía. Instituto de Agronomía (UCV-FAGRO). E-mail: sanchezt@agr.ucv.ve

RESUMEN

La finalidad del trabajo fue caracterizar microbiológicamente el proceso de compostaje a partir de residuos azucareros y evaluar su efecto sobre el grado de maduración del compost. Durante el proceso de compostaje se tomaron muestras compuestas, realizándose análisis microbiológicos: cuantificación de bacterias heterótrofas aerobias mesófilas y termófilas, bacterias celulolíticas y hongos, como la caracterización genérica de la microbiota fúngica. Se cuantificaron las bacterias heterótrofas aerobias mesófilas y termófilas, y los hongos por el método de recuento en placas y las bacterias celulolíticas por el método del número más probable, luego se evaluó la calidad del compost mediante pruebas de germinación. El pH cercano a la neutralidad permitió que las bacterias mesófilas lideraran la fase inicial, en la fase termofílica las bacterias termófilas están en mayor proporción que las bacterias mesófilas y en la fase de estabilización vuelven las bacterias mesófilas a liderizar el proceso de compostaje. Las bacterias celulolíticas descienden a medida que avanza elcompostaje, al contrario los hongos incrementan su actividad al final del proceso. Entre los hongos se observó la presencia dominante de Aspergillus flavus en la fase inicial, A. fumigatus en la fase termofílica y en la de estabilización ocasionalmente se observó la presencia de A. terreus, A. flavus, A. níger y otras especies de Aspergillus. El porcentaje de germinación de hortalizas en el material compostado se encuentra por debajo del 80%, lo que indica que el material presenta limitaciones para usarse directamente como sustrato para la germinación.

Palabras Clave: microorganismos; hongos; bacterias; compost; residuos azucareros.

Characterization of the composting process from sugar waste

SUMMARY

This work is to characterize the microbiological process of composting from sugar waste and to evaluate their effect on the maturation of the compost. During the composting process, it was taken composed samples and conducted microbiological analysis: quantification of aerobic mesophilic and thermophilic heterotrophic bacteria and celulotiticas bacteria and fungi as generic characterization of the fungal microbiota. Heterotrophic bacteria mesophiles and thermophilic aerobic were quantified and fungi by the method of plaque recount and the bacteria celuloticas by the most probable number method. We evaluated the quality of the compost by germination tests. The pH close toneutrality allowed that mesophilic bacteria lead the initialphase, in the thermophilic phase the thermophilic bacteria are more than mesophilic bacteria and in the stabilization phase mesophilic bacteria again lead the composting process. Cellulolitic bacteria drecrease the it activity as it moves down the compost, unlike fungi increase their activity at the end of the process. Among the fungi observed in the experiment the Aspergillus flavus dominanted in the initial phase, A. fumigatus in the thermophilic phase and the occasionally stabilization it was observed the presence of A. terrus, A. flavus, A. niger and other Aspergillus species. The germination percentage of vegetables in the compost material is below 80% indicating that the material is limited for use directly as a substrate for germination.

Key Words: microorganisms; fungi; bacteria; compost; waste sugar.

RECIBIDO: noviembre 27, 2008 ACEPTADO: febrero 02, 2009

INTRODUCCIÓN

La crisis energética y económica mundial ha llevado en los últimos años, al desarrollo de aplicaciones biotecnológicas para el tratamiento de desechos agroindustriales y domésticos para evitar que su presencia se convierta en un factor degradante del medio ambiente.

Los centrales azucareros son grandes contaminadores por la gran cantidad de desechos generados en el proceso agroindustrial, estos residuos pueden revalorizarse transformándose en materiales orgánicos con la ayuda del desarrollo de tecnologías y el aporte de microorganismos para que estos procesos degradativos sean aprovechados por las diversas actividades del ser humano (Calero, 1999).

Por cada tonelada de tallos molidos en el proceso de transformación agroindustrial, se extraen 250 kg debagazo, 6 kg de cenizas, 45 kg de melaza, 30 kg decachaza y 14 l de vinaza por cada litro de alcoholproducido a partir de la melaza.

Generalmente, estos subproductos, son usados en el proceso de compostaje ya que constituyen un problema de contaminación ambiental, por la gran cantidad deresiduos que se generan anualmente y que en formapermanente alterarían irreversiblemente los ecosistemas cercanos a los centrales; por lo que se les debe dar una salida, gestionándolos de la manera más económica, social y ambientalmente posible (Miranda, 2001).

El compostaje es una alternativa a la problemática de contaminación de los desechos orgánicos que se generan en la industria del azúcar, pero, se manejan desconociendo la dinámica microbiana presente en el proceso.

En su manejo, se desconocen los microorganismos responsables de la degradación de los desechos orgánicos y por ello los factores físicos-químicos que favorecen su actividad (Godoy, 2002).

El éxito de un proceso de compostaje, dependerá entonces de aplicar los conocimientos de microbiología, manejando la pila de compost como un medio de cultivo.

Existen muchas especies diferentes de microorganismos a lo largo del proceso de compostaje, la finalidad de este trabajo fue conocerlos, cuantificarlos y valorar el efecto de los procesos microbianos sobre el grado de maduración del compost.

MATERIALES Y MÉTODOS

Ubicación del ensayo: el ensayo se desarrolló en uno de los patios del Centro de Acopio de Central El Palmar, S.A. (CEPSA), se conformaron 3 pilas de forma cónica y base circular de 10 t cada una, compuestas de 70% decachaza, 15% de bagazo, 10% de tierra de molino y 5% de cenizas, tal como son preparadas las mezclas para la obtención del material compostado (Ferbiplant) que comercializa el Central. Una vez conformadas las pilas fueron dispuestas en un sistema abierto, en apilamiento con volteo cada 8 d durante los primeros 30 d del proceso y sin riego.

De cada pila se obtuvieron 10 muestras simples aleatorias del estrato medio, se mezclaron para obtener una muestra compuesta representativa de las 3 pilas y secolocaron en bolsas de 2 kilogramos de capacidad y serealizaron 3 muestreos: a los 30, 60 y 90 d del proceso de compostaje. Cabe destacar que se evaluaron en una primera etapa las condiciones físico-químicas delproceso, pero, aquí sólo se analizarán las evaluaciones microbiológicas y biológicas del mismo.

Evaluaciones microbiológicas: las evaluaciones microbiológicas se realizaron para conocer la dinámica poblacional de los diferentes microorganismos:

Cuantificación de bacterias heterótrofas aerobias mesófilas, heterótrofas aerobias termófilas y hongos. Los análisis de la población microbiana consistieron en la cuantificación de bacterias y hongos por el método de recuento en placas. Lo cual permitió contar el número de microorganismos en el compost que formaron en ellas suspensiones finas, esto se realizó suspendiendo un peso conocido de la muestra en un disolvente estéril.

Cuantificación de bacterias celulolíticas. Se cuantificaron las bacterias celulolíticas por el método de número más probable (NMP), como lo indica Collins y Lyne (sne) y se expresaron como número más probable de bacterias celulolíticas por gramos de compost húmedo.

Caracterización microbiológica. Una vez cuantificados los microorganismos en el proceso de compostaje, se procedió al aislamiento y al reaislamiento de la microflora fúngica para ser identificadas con la ayuda de especialistas del Laboratorio de Microbiología de la Universidad Central de Venezuela, Facultad de Agronomía en Maracay.

Evaluaciones biológicas: para la evaluación de la calidad del compost se realizó una prueba de germinación a los 90 d, la cual, consistió en hacer germinar semillas de hortalizas para conocer la respuesta biológica de acuerdo al grado de maduración de la materia orgánica, según la metodología propuesta por Zucconi et al. (1981) que relaciona el porcentaje de germinación con la longitud de las raíces desarrolladas en un sustrato testigo y compost mediante la siguiente expresión:

IG = %G x (Lm/Lc)

Donde:

IG = índice de germinación

%G = porcentaje de germinación

Lm = longitud de raíces en compost

Lc = longitud de raíces en testigo, sin compost

Para este análisis las semillas de hortalizas utilizadas fueron de tomate, Lycopersicum esculentum; pimentón, Capsicum annum; berenjena, Solanum melongena; lechuga, Lactuca sativa; brócoli, Brasica oleraceae var. Italica y pepino, Cucumis sativus.

Estas semillas se colocaron en una bandeja de 162 celdas con material compostado y con sustrato de turba estéril. Las bandejas fueron colocadas en condiciones controladas de humedad (70%HR) y temperatura (38 ºC) bajo invernadero.

Se realizaron los contajes de germinación de acuerdo a las normas ISTA de 1985, según Bekendam y Grob (1985), las cuales, según la especie hortícola utilizada establece a cuantos días debe ser evaluado el mismo y se registró la longitud radical. Para conocer las diferencias entre la longitud de las raíces desarrolladas se registró la longitud de 20 raíces en compost y 20 en turba estéril, para cada especie hortícola bajo un diseño completamente aleatorizado, ya que se consideró que las condiciones experimentales fueron homogéneas.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Evaluaciones microbiológicas

1. Cuantificación de bacterias heterótrofas aerobias mesófilas, heterótrofas aerobias termófilas y celulolíticas en el compostaje

Se observa que la población de bacterias heterótrofas aerobias mesófilas a lo largo del proceso de compostaje disminuyó de 1,40x106 a 5,30x105 ufc/g compost en la fase termofílica. Luego existe un ligero aumento a 9,40 x105 ufc/g compost en la fase de estabilización (pero nunca se supera a la población inicial). Durante el compostaje la población de bacterias heterótrofas aerobias termófilas aumentó drásticamente de 1,90x105 a 1,20x107 ufc/g compost, se observó una disminución cercana a la población inicial cuando el material tiende a la estabilización (Figura 1 y Cuadro 1).

FIGURA 1. Dinámica poblacional de los microorganismos (Bacterias heterótrofas aerobias: mesófilas, termófilas y celulolíticas; y hongos) durante el proceso de compostaje.

CUADRO 1. Cuantificación de bacterias (mesófilas, termófilas y celulolíticas) y hongos (especies) encontrados en el compostaje del CEPSA (Zafra: 2003-2004).

*predomina

La población de bacterias celulolíticas va disminuyendo en la medida que el compostaje va avanzando, de valores en la fase inicial de 2,40x105 ufc/g compost a valores en la fase de estabilización de 4,00x10 ufc/g compost.

Las condiciones cercanas a la neutralidad del pH, favorecieron a las bacterias, el contenido de humedad en la fase inicial de 50-60% fue el nivel óptimo para la actividad de las bacterias aerobias reseñado por Polanco (2004). En cuanto a la temperatura, las bacterias mesófilas son favorecidas en la fase inicial, debido aque su actividad metabólica genera altas temperaturaspara favorecer a las bacterias termófilas en la fase termofílica, en la fase de estabilización las bacterias mesófilas se encuentran en mayor proporción que las termófilas y celulolíticas.

Los resultados de las poblaciones de bacterias heterótrofas aerobias mesófilas, termófilas y celulolíticas en total en el compost evaluado son superiores a 108-109 ufc/g compost húmedo referidos por Dalzeell et al. (1991) en compost en condiciones tropicales y a 2,5x108 ufc/g compost a los presentados por Santamaría et al. (2001), superiores a 3,4x104 ufc/g compost al inicio y de 6,9x105 ufc/g compost al final del compostaje encontrados por Gregory (1993) en un vermicompost.

Queda demostrado que la dinámica poblacional bacteriana depende de la interacción compleja de factores físico-químicos y de manejo involucrados en el proceso de degradación de los residuos orgánicos, tanto así que problemas en el programa de volteos están asociados a efectos biológicos determinantes.

2. Cuantificación de hongos en el compostaje

En el Cuadro 1, se observan los diferentes tipos de hongos que actúan en las fases del proceso de compostaje, en la fase inicial predomina Aspergillus flavus sobre A. niger, A. terreus. En la fase termofílica predomina A. fumigatus sobre A. niger, en la fase de estabilización ninguna colonia predominó, se encontraron A. terreus, A. flavus, A. niger y otras especies de Aspergillus.

Las poblaciones disminuyeron en la fase inicial como se observa en el Cuadro 1, de 2,00x102 a 1,45x102 ufc/g compost. Las poblaciones de hongos encontradas en el compost evaluado son inferiores a 104-106 ufc/g compost estudiadas por Dalzeell et al. (1991) en compost en condiciones tropicales y a 2,5x104-2,1x104 ufc/g compost encontrados por Gregory (1993) en un vermicompost.

Es importante determinar que los hongos tienen una gran habilidad de descomponer residuos orgánicos como la lignina, la hemicelulosa y la celulosa, siendo activos en la última fase del proceso de compostaje. Al contrario, las bacterias también mantienen una habilidad celulolítica, pero, en menor cuantía en comparación con los hongos.

3. Caracterización genérica de la microbiota fúngica

Para facilitar la caracterización de los microorganismos en el compostaje, se procedió al aislamiento y al reaislamiento de la microflora fúngica de las cápsulas que contenían muchas colonias diferentes (Figura 2) y se identificaron posteriormente en el Laboratorio de Microbiología de la Universidad Central de Venezuela, Facultad de Agronomía en Maracay, según metodología de Singh et al. (1991).

FIGURA 2. Vista de las diferentes colonias fúngicas encontradas durante el compostaje del CEPSA (Zafra: 2003- 2004). a. A. flavus, b. A. fumigatus y c. A. terreus.

Se prepararon montajes microscópicos de estructuras fungosas con el uso de la técnica del cello-tape, se observaron el micelio, esporas, estructuras productoras de esporas que diferenciaron las diferentes colonias encontradas en el compostaje.

Fue determinada la presencia de A. flavus, A. fumigatus, A. niger y A. terreus; de donde la primera especie predomina en la fase inicial, la segunda en la fase termofílica y en la etapa final de estabilización están presentes todas menos A. fumigatus.

Evaluaciones biológicas

En la evaluación de la calidad del compost, las pruebas de germinación dieron a conocer la respuesta biológica de diferentes cultivos hortícolas de acuerdo al grado de maduración de la materia orgánica del compost en función de la relación del porcentaje de germinación con la longitud de las raíces desarrolladas.

La necesidad de comparación de estas respuestas biológicas obliga a evaluar la calidad de los compost en las diferentes etapas del proceso en función de su maduración.

Los índices de germinación no sólo proponen calcular la germinación, sino también la longitud de las raíces en medios con compost y en medios testigos, permitiendo definir escalas de vigor para cada cultivo, tal como se visualiza en la Figura 3. Estas escalas visuales permiten cualitativa y cuantitativamente valorar las plántulas en 3 niveles: superior, medio e inferior para cada cultivo.

FIGURA 3. Visualización de la escala de vigor de los cultivos hortícola evaluados. a. Pimentón; b. Berenjena; c. Lechuga; d. Brócoli; e. Pepino.

Cabe destacar, que el compost como sustrato demostró una diferenciación radical en los diferentes cultivos no como una expresión genética, sino, a las limitaciones que éste le ofrece al crecimiento y desarrollo vegetativo de los cultivos evaluados.

En el Cuadro 2 se presentan los índices de germinación en algunas hortalizas con el compost evaluado a los 90 d de iniciado el proceso.

CUADRO 2. Índices de germinación de algunas hortalizas en compost a los 90 días.

Algunos autores como Rivero (1999) y Negro et al. (2000), proponen que el índice de germinación debe ser superior al 80% para ser considerado como satisfactorio. Los índices menores de 50% indican que el compost no ha alcanzado la fase de estabilización, aseguran Madrid y Castellanos (1998).

El compost alcanzó su fase de estabilización, ya que se obtuvieron índices de germinación mayores a 50%;según las referencias anteriores. Pero comercialmente, en la producción de plántulas, sólo valores superiores al 90% son satisfactorios; únicamente en el pimentón fue de 85% y en el brócoli de 80%, las demás hortalizas evaluadas como tomate, berenjena, lechuga, pepino, son menores de 70%.

En los análisis de varianza para la longitud de las raíces desarrolladas en compost y en turba estéril (Cuadro 3), se obtuvieron diferencias significativas (α ≤0,05) entre las raíces de tomate, berenjena, brócoli y pepino. Entre la longitud de las raíces de pimentón y lechuga no se encontraron diferencias significativas estadísticamente apreciables.

CUADRO 3. Análisis de varianza para la longitud de las raíces de algunas hortalizas sembradas en compost y en sustrato de turba estéril.

F. V.: Fuente de Variación, E.E.: Error Experimental, C.V.: Coeficiente de Variación,

*: significativo, N. S.: no significativo. Ftab: 4,08.

Los resultados demostraron que en la mayoría de las hortalizas evaluadas existen diferencias entre las raíces desarrolladas en compost y en turba estéril, es decir, que el compost presenta algunas limitaciones para ser empleado como sustrato, por sí sólo, para la germinación de hortalizas.

CONCLUSIONES

- Las bacterias mesófilas lideran la fase inicial, luego en la fase termofílica las bacterias termofílas se encuentran en mayor proporción que las bacterias mesófilas y por último en la fase de estabilización vuelven las bacterias mesófilas a liderizar al final del proceso de compostaje.

- Las bacterias celulolíticas van descendiendo a medida que avanza el compostaje.

- Entre los hongos se Facultad de Agronomía de la observó la presencia dominante de A. flavus en la fase inicial, A. fumigatus en la termofílica y en la de estabilización ocasionalmente se observó la presencia de A. terreus, A. flavus, A. niger y otras especies de Aspergillus.

- El proceso de compostaje alcanzó su fase de estabilización, ya que se obtuvieron índices de germinación mayores a 50%, pero comercialmente estos índices no son considerados satisfactorios para la germinación en hortalizas.

- Los resultados demostraron que en la mayoría de las hortalizas evaluadas existen diferencias en las raíces desarrolladas en compost y en turba estéril, es decir, que el compost presenta algunas limitaciones para ser empleado como sustrato para la germinación.

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