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Introducción
Las ventajas de los humedales artificiales respecto a otros sistemas de tratamiento recaen principalmente en su construcción y operación asequibles, la cual puede ser hasta 80% más económica que la de un sistema convencional (Avellán y Gremillion, 2019; Nuamah et al., 2020; Stefanakis, 2019). Además, también provee servicios ecosistémicos como la captación de CO2, recuperación de ecosistemas, reservorio de biodiversidad, así como la mejora de la calidad paisajística (Zhang et al., 2020; Zhang et al., 2014). Sin embargo, como todos los sistemas, los humedales artificiales presentan ciertas limitaciones relacionadas con los altos tiempos de retención hidráulica necesarios para el tratamiento eficiente de las aguas residuales, por lo que su demanda de área también es mayor (Vymazal, Zhao y Mander, 2021), lo que en espacios de área con potencial cultivable representa una pérdida de productividad. Actualmente, la búsqueda de nuevos materiales de soporte es una de las vías para optimizar estos sistemas (Yang, Zhao, Liu, y Morgan, 2018), buscando materiales que participen activamente en la remoción de contaminantes, capacidad relacionada con características como su capacidad de intercambio catiónico, contenido de aluminio (Al), calcio (Ca), hierro (Fe) y magnesio (Mg) y su capacidad para donar electrones para que se lleve a cabo el metabolismo microbiano (Ji, Tang y Pei, 2022). En la búsqueda de materiales que sean accesibles y asequibles, la revalorización de residuos para ser usados con este fin ha cobrado relevancia (Wang et al., 2020). Ante este panorama los materiales estabilizados (M.E.), que son residuos provenientes de celdas clausuradas de rellenos sanitarios, podrían ser potencialmente favorables para esta aplicación ya que las características fisicoquímicas que se han reportado para estos materiales (Feng et al., 2019; Li et al., 2011; Lou et al., 2009) se encuentran dentro de los rangos deseados en un material de soporte para contribuir a la remoción de compuestos presentes en el agua residual, además, la presencia de microorganismos que por su origen están adaptados a la asimilación de contaminantes puede coadyuvar a incrementar la eficiencia del sistema, ya que a estos se les ha atribuido remociones entre el 70 y 90% en términos de DQO y nutrientes como el nitrógeno y fósforo en su estudio en reactores empacados (Gutiérrez-Hernández et al., 2021; Nájera-Aguilar et al., 2019; Xie et al., 2012; Zhao et al., 2007), por otra parte, se ha demostrado que los materiales estabilizados pueden contribuir al desarrollo vegetal (Li et al., 2011), lo cual permitiría el establecimiento de cultivos de interés comercial con mayores requerimientos como lo son las plantas ornamentales; generando así, un beneficio económico adicional, así como mejorando la calidad paisajística del sistema y la aceptación social del mismo (Sandoval, Zamora, Vidal y Marín, 2019); a pesar de esto, hasta la fecha no se encuentra reporte en la literatura que aborde esta inferencia, por lo que la realización de esta investigación permitirá dilucidar el potencial del material estabilizado para ser usado como material de soporte en humedales artificiales y aportar ese conocimiento al mejoramiento de esta tecnología, y con ello posicionarla como una alternativa sustentable y ecológica capaz de integrarse de forma holística en los paradigmas actuales de la gestión hídrica de las políticas mundiales y del país.
Materiales y Métodos
Se evaluaron cuatro mezclas de material estabilizado y grava a diferentes proporciones (0/100%, 25/75%, 50/50%, 75/25%) como sustrato en humedales de tipo subsuperficial plantados con Canna sp bajo un diseño completamente al azar, mismos que fueron realizados por triplicado. El estudio se realizó en el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez en Chiapas, México.
Obtención del material de soporte
La grava se obtuvo de un banco de extracción de materiales en la ciudad de Tuxtla Gutiérrez y posteriormente fue triturada a un tamaño de partícula entre 4 y 16 mm, según lo reportado por Wang et al. (2020). Por su parte, el material estabilizado fue extraído de la zona clausurada en 2013 del relleno sanitario de Berriozábal, Chiapas; posteriormente, este fue tamizado a un tamaño de partícula inferior a 10 mm para eliminar restos de plásticos, vidrios y otros, según la metodología del equipo de trabajo de Nájera-Aguilar et al. (2019).
Caracterización del material estabilizado
La caracterización fisicoquímica consistió en la determinación de fósforo disponible, potasio disponible, nitrógeno total, capacidad de intercambio catiónico y contenido de materia orgánica con base en la NOM-021-RECNAT-2000 (SEMARNAT, 2002), mientras que el diámetro efectivo de partícula, el coeficiente de uniformidad y el índice de conductividad hidráulica se determinaron siguiendo las metodologías planteadas en Das (2015); finalmente, la capacidad de retención de agua y la capacidad de campo se realizaron acorde a lo planteado por Luna-Flores, Estrada, Jiménez y Pinzón (2012).
Manejo fitosanitario y nutrimental de las plantas
Las plantas de Canna sp. fueron adquiridas con un productor local en Berriozábal, Chiapas, y un manejo nutricional y fitosanitario fue llevado a cabo con el objetivo de disminuir posibles bajas durante el estudio a causa de enfermedades o deficiencias preexistentes. Dicho manejo consistió en la aplicación de Ultrasol®, Raizal®, Cupravit® y Calypso® según las indicaciones del fabricante en un periodo de 30 días.
Construcción de los prototipos
Los prototipos estuvieron hechos de polietileno de alta densidad (HDPE) con un volumen efectivo de operación de 45 litros, un área superficial de 0.15 m² y una profundidad de 0.4 m (Aguirre, Ojeda, García, Barragán y Mujeriego, 2005; Dhulap y Patil, 2016; Webb et al., 2013). Con una densidad de plantación de 12 plantas m-2. Las proporciones de grava y material estabilizado fueron adicionadas por capas, colocando grava en la base y cobertura del humedal, mientras que el material estabilizado se colocó a medio estrato.
Formulación del agua residual sintética
Para simular los contaminantes típicos presentes en el agua residual, se elaboró un agua residual en laboratorio tomando como base la norma alemana DIN 38412 y la metodología de Akratos y Tsihrintzis (2007) usando peptona (200 mg L-1) como fuente de proteínas, sacarosa (200 mg L-1) como fuente de carbohidratos, ácido acético (50 mg L-1) como fuente de ácidos orgánicos, urea (30 mg L-1) y fosfato ácido de potasio (28 mg L-1), como microelementos fueron añadidos 7 mg L-1 de cloruro de sodio, 4 mg L-1 de cloruro de calcio y 2 mg L-1 de sulfato de magnesio. La caracterización del agua residual sintética se muestra en el Cuadro 1.
Condiciones de operación
Los prototipos fueron operados bajo un régimen de operación tipo BATCH con una duración de 72 horas por lote, durante la primera etapa del acondicionamiento los humedales fueron saturados con agua potable para simular las condiciones de anegamiento durante cuatro semanas, posteriormente, para la segunda etapa el agua residual sintética fue alimentada a los sistemas de forma gradual hasta alcanzar la carga orgánica del 100%, manteniendo esta concentración hasta finalizar el monitoreo.
Monitoreo del desarrollo vegetal
Para la primera etapa, los parámetros morfométricos elegidos como indicadores del desarrollo vegetal fueron el número de flores, el número y longitud de las hojas, el número de brotes generados y el porcentaje de supervivencia, mientras que para la segunda se eligieron como indicadores el número de flores y el contenido de clorofila en unidades SPAD y de nuevo se observó el porcentaje de supervivencia, estos parámetros fueron medidos al finalizar cada etapa y fueron analizados mediante un ANOVA simple.
Resultados y Discusión
Características fisicoquímicas e hidráulicas del material estabilizado
Como se observa en el Cuadro 2, el material estabilizado presenta una composición del 90% de arena y 10% de limos y arcillas. La alta proporción de arena coincide con el índice de conductividad encontrado y en conjunto sugieren un flujo de agua adecuado, según los rangos convenidos en la mecánica de suelos para proveer un buen drenaje (Juárez-Badillo y Rico, 2005). Por su parte el porcentaje de porosidad permite una buena cantidad de espacio para la retención de agua y la colonización de biopelículas (Wang et al., 2020). Mientras que la capacidad de intercambio catiónico puede favorecer la disponibilización de nutrientes.
Cuadro 2: Características fisicoquímicas y contenido de nutrientes en el material estabilizado de Berriozábal, Chiapas.
Table 2: Physicochemical characteristics and nutrient content of aged refuse from Berriozábal, Chiapas.
| Parámetro | Valor | Parámetro | Valor | Parámetro | Valor | Parámentro | Valor |
| Conductividad hidráulica | 1.05x10-2 cm s-1 | Capacidad de campo | 53.1% | Diámetro efectivo de partícula | 0.104 mm | Capacidad de retención de agua | 58.61% |
| Nitrógeno total | 3.1 mg g-1 | Potasio disponible | 0.7 mg g-1 | Coeficiente de uniformidad | 11.39 | Contenido de materia orgánica | 2.27% |
| Fósforo disponible | 0.049 mg g-1 | C.I.C. | 18.70 cmol kg-1 | Contenido de limos y arcillas | 10% | Contenido de arena | 90% |
como tercer punto se encontraron cantidades de materia orgánica, nitrógeno, fósforo y potasio por debajo de los rangos reportados en materiales estabilizados provenientes de otros rellenos, lo cual se atribuye a la diferente composición de los residuos que fueron confinados en dichos rellenos, así como la edad de confinamiento (Li, Hou, Guo, Yao y Sang, 2011); sin embargo, las concentraciones de nutrientes presentes en el material estabilizado son suficientes para promover el desarrollo vegetal, esto de acuerdo con la NOM-021-RECNAT-2000 (SEMARNAT, 2002) que indica que tanto para el fósforo como el potasio las cantidades son consideradas como muy altas mientras que el nitrógeno se presenta en un nivel medio.
Desarrollo vegetativo
Los resultados del análisis estadístico del desarrollo vegetal al término de la primera etapa indicaron una diferencia estadísticamente significativa en el número y longitud de hojas entre los tratamientos y el grupo control debido a la presencia del material estabilizado; sin embargo, la proporción de material estabilizado no influyó significativamente. Mientras que en lo relativo al número de brotes solo el nivel alto del tratamiento presentó una diferencia estadísticamente significativa respecto al control, se observa que a medida que incrementa la proporción de M.E. incrementa el número de brotes generados, mientras que respecto a la floración, tanto el nivel medio como el alto no presentaron diferencia estadística entre sí, pero fueron estadísticamente diferentes al grupo control.
El efecto positivo del material estabilizado en el desarrollo vegetal denotado en la Figura 1 es congruente con los hallazgos correspondientes al contenido de nutrientes presente en el material estabilizado, ya que estos se encuentran dentro o por encima de los rangos de concentración adecuada para el desarrollo vegetal, según la NOM-021-RECNAT-2000 (SEMARNAT, 2002) así como diversos autores tales como Mengel y Kirkby (2000) y Li, Hou, Guo, Yao y Sang (2011). Sin embargo, Canna presentó un 100% de supervivencia en todos los tratamientos, indicando el desarrollo de mecanismos de adaptación. Jampeetong y Janyasupab (2022) reportaron que el principal mecanismo de adaptación desarrollado por Canna ante situaciones de anegamiento es el aumento del aerénquima, el cual incrementa su área a medida que la aireación en el sustrato disminuye. Este mecanismo permite a la planta un transporte de oxígeno desde las partes aéreas a las partes sumergidas para suplir la falta de este y así evitar la asfixia radicular, así como participar en la adecuada absorción de nutrientes. Por su parte, el contenido de potasio disponible pudo contribuir a favorecer los mecanismos de regulación osmótica, lo que ayuda en condiciones saturadas de agua (Zhao et al., 2021).
Figura 1: Datos morfométricos de Canna sp. (a) Número de hojas, (b) Longitud de hojas, (c) Brotes generados y (d) Flores generadas. Los datos son medias ± EE. Control (C1), 25% de M.E. (T1), 50% de M.E. (T2) y 75% M.E. (T3). Letras diferentes indican diferencia estadística significativa (P < 0.05) de acuerdo con la prueba de Tukey.
Figure 1: Morphometric data of Canna sp. (a) Number of leaves, (b) Length of leaves, (c) Shoots generated and (d) Flowers generated. The data are means ± EE. Control (C1), 25% M.E. (T1), 50% M.E. (T2) and 75% M.E. (T3). Different letters indicate significant statistical difference (P < 0.05) according to Tukey's test.
Durante este lapso se observó un efecto negativo en el comportamiento hidráulico de los sistemas puesto que los tratamientos medio y alto presentaron interrupción total del flujo de agua, Contradictorio a la conductividad hidráulica determinada al inicio del experimento; este comportamiento es atribuible a la capacidad de retención de agua y la capacidad de campo del material estabilizado, el cual puede retener más del 50% de su volumen en agua, por lo que en los niveles medio y alto de los tratamientos el volumen de alimentación no superó la capacidad de campo y el agua quedó retenida en su totalidad en el material estabilizado y parte de ella se perdiera por el efecto de la evaporación; además a altos volúmenes de material estabilizado el contenido de limos y arcillas atribuye un comportamiento plástico a la estructura del material (Moreno-Maroto y Alonso-Azcárate, 2018) lo que pudo haber provocado la formación de capas impermeables en el estrato (Neuzil, 2019), estas características imposibilitaron el poder incrementar los volúmenes de alimentación sin desbordar el sistema por lo que estas propiedades hace que humedales con proporciones de material estabilizado superiores al 50% solo puedan ser operados de forma semicontinua por lo que estos tratamientos fueron descartados para la siguiente etapa.
Durante la segunda etapa derivado del análisis de diferencias de medias de la prueba Tukey que se observa en la Figura 2 se observó que tanto en el número de flores generadas como en el contenido de clorofila hubo una diferencia estadística significativa entre el control y el tratamiento 1 debido a la presencia de material estabilizado en el material de soporte. el porcentaje de supervivencia en esta etapa se mantuvo del 100 por ciento.
El incremento de clorofila está relacionado a las concentraciones adecuadas de nitrógeno, lo que se ve reflejado en una fotosíntesis más efectiva y, por ende, una mayor producción de energía y crecimiento (Liang, Soranno y Wagner, 2020), lo que demanda una mayor absorción de nutrientes y en conjunto brinda mayor resiliencia a condiciones adversas.
Mientras que la quintuplicación de la producción de flores puede asociarse al contenido de fósforo, el cual, a la vez que promueve el crecimiento radicular para la absorción de nutrientes, es indispensable para la síntesis de energía que es requerida para la formación de órganos reproductores, así como para mantener la floración (Ye et al., 2019), lo que denota que el establecimiento de Canna en este tratamiento es un sistema de producción viable. Además, la estructura del material estabilizado brinda mayor estabilidad radicular a la planta (Barbaro y Karlanián, 2020; Jampeetong y Janyasupab, 2022; Reyes-Pérez et al., 2018), finalmente, en base a lo observado durante la experimentación se presume que la alimentación con agua residual sintética tuvo un efecto positivo para el crecimiento vegetal más, las limitaciones del diseño experimental usado no nos permite aseverarlo; pero se asume que el nitrógeno proveniente de la peptona y la urea está pasando a formas más bioasimilables de nitrógeno como nitratos y amonio por acción de los microorganismos (Xie et al., 2013) y posteriormente absorbidos por la planta para su nutrición vegetal, por su parte el fosfato acido de potasio al solubilizarse se disocia en sus iones constituyentes: iones potasio y dihidrógeno de fosfatos ambos asimilables por las plantas.
De igual forma, la capacidad de intercambio catiónico puede contribuir al mejor intercambio de micronutrientes en forma de iones como el sodio, potasio y calcio, condiciones que reducen el estrés por limitación de nutrientes permitiendo un mejor desarrollo vegetal (Lambers, Raven, Shaver y Smith 2008). El desarrollo vegetativo durante el periodo de crecimiento y experimentación se muestra a continuación en la Figura 3.
Conclusiones
Canna sp. puede desarrollar mecanismos de adaptación que le permiten sobrevivir en un 100% a las condiciones de operación presentes en un humedal artificial, sin embargo, la presencia y la proporción de material estabilizado influyó positivamente en su desarrollo vegetal, incrementando significativamente la generación de biomasa, la producción de flores y el contenido de clorofila; No obstante, proporciones de material estabilizado superiores al 50% afectan negativamente el comportamiento hidráulico del sistema interrumpiendo totalmente el flujo de agua probablemente ocasionado por el contenido de limos y arcillas, por lo tanto, la proporción de material estabilizado al 25% es la más adecuada para su uso como material de soporte en humedales artificiales, sin embargo, los resultados demuestran el potencial del material estabilizado para ser usado como abono para el cultivo de plantas ornamentales.
