Introducción

El proceso de composteo se usa para eliminar o modificar contaminantes, por lo cual su utilización es exitosa para rehabilitar suelos salinos y contaminados con metales (^{Ansari, 2008}; ^{Coutris et al., 2012}). Según ^{Sharma y Sharma (1999)}, la implementación del lombricompostaje para disminuir los residuos orgánicos tiene importancia porque los rellenos sanitarios son insuficientes para confinar los desechos que van en aumento. Sin embargo, los estudios sobre lombricompost solo hacen análisis de costo-beneficio que excluyen variables ambientales, lo que representa un riesgo de mayores daños por desconocer los recursos exigidos a los ecosistemas. Entonces, es necesario incorporar métodos o herramientas que analicen y comparen la sostenibilidad de las diversas formas de producir bienes sobre una base justa y equitativa.

La emergía es una metodología ecológico-termodinámica de valoración ambiental basada en la conversión a unidades comunes de los flujos de energía, masa y dinero usados en un sistema socioecológico (^{Odum, 1996}). Además, esta metodología cuantifica y clasifica todos los recursos renovables (R), no renovables (N) y derivados del mercado (F) que directa o indirectamente requiere un producto. La síntesis de emergía conecta, asocia y visualiza diferentes tipos de energía de una manera sencilla, usando diagramas con los cuales se calculan flujos y se determinan índices (^{Odum, 1996}), mientras que la herramienta de contabilidad emergética da los medios para mantener el balance de la economía, la sociedad y el medioambiente en una sola cuenta de resultados y responde de manera similar al análisis financiero de un negocio o cuentas individuales (^{Campbell et al., 2005}).

Por lo tanto, el uso del análisis en emergía aumenta cada año y se aplica en Brasil, China, y EUA (^{Bonilla et al., 2010}; ^{Xie et al., 2014}; ^{Campbell y Lu, 2014}). Sin embargo, hay pocos estudios de emergía enfocados a los sistemas productivos agrícolas, por lo que es importante desarrollar estudios para contabilizar los recursos exigidos en estos sistemas productivos.

El objetivo de este estudio fue cuantificar la emergía en la producción de tres lombricompost en desechos orgánicos provenientes de bovinos, cunículas y porcina, mediante la cuantificación de MO, P y K de cada variante. La hipótesis fue que la lombricompost que utilice mayores recursos provenientes del mercado tendrá un índice de sostenibilidad menor.

Materiales y Métodos

El estudio se realizó en el Instituto Federal de Educación, Ciencia y Tecnología del Sur de Minas Gerais, campus Inconfidentes, Brasil, ubicado en las coordenadas 19° 52’ 18.85” S a 43° 57’ 58.49” O, a una altitud de 900 m. El estudio se realizó en tres fases descritas a continuación.

Fase 1. Producción de lombricomposts

En esta fase se usaron excretas de bovinos, conejos y porcinos, aserrín y hierba fresca (Axonopus affinis) en varias combinaciones porque las excretas tienen diferentes contenidos de carbono-nitrógeno y fue necesario uniformizarlos para lograr una relación de 25:1 a 35:1 de acuerdo con las recomendaciones de la ^{FAO (2013)}. La cantidad de cada componente usado para elaborar la lombricompost se midió con una balanza de laboratorio PCE-HB 2000 (Cuadro 1).

Cuadro 1 Contenido en las variantes de masa en peso seco 

El precomposteo se realizó en una superficie rectangular de 0.7 m de ancho por 1.0 m de largo, y se cubrió con plástico negro. La temperatura del composteo se estabilizó en 30 °C 20 d después de iniciar el proceso. Después, en una muestra de 80 kg de cada variante se inoculó con lombriz Eisenia foetida adulta contenida en 3.5 kg y se mantuvo el control de la humedad entre 70 a 80 %, durante 40 d (^{Morales, 2011}).

Fase 2. Determinar del costo ambiental en emergía de la producción de las lombricomposts

En esta fase se usó la metodología emergética propuesta por ^{Odum (1996)}. Primero se identificaron todos los recursos, bienes y servicios empleados de manera directa o indirecta en la producción de lombricompost y sus interacciones. Con esta información se realizó un diagrama de emergía del proceso.

En la fase siguiente se organizó la información en cuadros emergéticos. Cada recurso se clasificó según su naturaleza R, N, y F y se calculó la cantidad de material empleado en la elaboración de lombricompost por variante. Los datos obtenidos se convirtieron en unidades de emergía utilizando los valores de transformidad del Cuadro 2. La emergía de cada elemento se calculó considerando un periodo de duración del proceso de 2 meses.

Cuadro 2 Referencias de transformidad en emergía por unidad 

(^{†Brown y Buranakarn, 2003}; ^{¶Romitelli 2000}; ^{§Ulgiati et al., 1994}; ^{ΦPulselli et al., 2008}; ^{¤Silva, 2006}; ^{††Buenfill, 2001}; ^{¶¶Brandt-Williamsd, 2002}; ^{§§Geber y Bjorklund, 2001}; ^{¤¤Odum, 1996}).

La emergía por recurso R, N y F de cada lombricompost se dividió entre la cantidad de humus obtenido de cada variante, para cuantificar los resultados por unidad de producción. Con esta información y el uso de las ecuaciones 1, 2, 3 y 4 se calcularon los cuatro indicadores emergéticos descritos aquí.

El rendimiento en emergía (EYR) es la emergía total usada por unidad de emergía invertida. La relación sirve para entender en qué medida una inversión permite a un proceso explotar recursos locales para contribuir a la economía (^{Odum, 1996}) y, según ^{Voora y Thrift (2010)}, indican que sistemas con un EYR menor a uno son insostenibles. Esta relación se expresa como:

(1)

El índice de carga ambiental (ELR) es la relación entre la suma de las entradas de los recursos de la economía y no renovables con los recursos renovables. El ELR es un indicador de la presión de un proceso de transformación sobre el medio ambiente (^{Odum, 1996}). Según ^{Brown y Ugliati (2004)}, valores inferiores a 2 indican un impacto bajo sobre el medio ambiente, mientras que valores entre 2 y 10 significan que el sistema causa un impacto moderado y un valor superior a 10 señala que el sistema causará un estrés mayor en el ambiente. La fórmula es:

(2)

El índice de sostenibilidad (ESI) es la relación entre EYR y ELR. Un sistema se considera sustentable al tener un ELR bajo y un elevado EYR (^{Ulgiati y Brown, 1998}). Un ESI menor a 1 no es sustentable a largo plazo, entre 1 y 5 es sustentable a mediano plazo, y mayor a 5 es sustentable a largo plazo (^{Brown y Ulgiati, 2002}). La relación entre estos indicadores se expresa como:

(3)

donde Y= emergía total (seJ meses^-1); F=emergía de los recursos provenientes del mercado (seJ meses^-1); R=emergía de los recursos renovables (seJ meses^-1); N= emergía de los recursos no renovables (seJ meses^-1).

El porcentaje de recursos (% R) es la relación de emergía renovable y el uso total de emergía. A largo plazo, solo procesos con un alto %R son sostenibles (^{Odum, 1996}). La fórmula es:

(4)

Resultados y Discusión

En la Figura 1 se observa la cantidad de humus del proceso de lombricompostaje. La producción de humus bovina, cunícula y porcina fue 50.2, 72.4 y 43.9 kg, respectivamente. Los datos de lombricompost bovina y porcina coinciden con los reportados por ^{Ravera y De Sanzo (2003)}. La variante de conejo superó la producción de humus a la bovina y porcina en 30.66 y 39.77 %.

Figura 1 Producción de las tres variantes de lombricompost 

En la Figura 2 se observa la entrada de todos los recursos necesarios para producir la lombricompost. La salida del sistema se presenta como suelo erosionado, el cual es una pérdida de energía (por entropía). El producto final del sistema es el humus y lombriz.

^†El diésel se utiliza solo en el proceso de lombricompostaje de la variante bovino.

Figura 2 Diagrama de lombricompostaje general (elaboración propia) 

En el Cuadro 3 se presentan los recursos empleados para construir y operar los lombricompostuarios, la clasificación de los recursos, los valores de energía, las transformidades y la emergía para un periodo de dos meses.

Cuadro 3 Cálculo de la emergía em la elaboración de lombricompost con excretas bovina, cunícola y porcina 

^†Valor de unidad energética.

En los tres procesos de elaboración de lombricompost las excretas bovinas, cunícolas y porcinas representan el porcentaje mayor de los recursos renovables usados: 67, 88 y 78 %, respectivamente. De los recursos usados la mano de obra fue 11 % para las excretas bovinas, 5 % para las cunículas y 9 % para las porcinas. Solo en la lombricompost bovina se utilizó diésel (7%) de los recursos usados, pues fue necesario transportar las excretas al lugar del composteo.

En el Cuadro 4 se presentan la integración de los recursos R, N, F y la emergía total por unidad de producción. La lombricompost bovina tuvo un costo emergético menor, aunque se usó el diésel como un recurso del mercado en una proporción mayor respecto a las otras dos variantes.

Cuadro 4 Cuantificación de recursos utilizados en la elaboración de lombricomposts 

^†Recursos renovables; ^¶recursos no renovables; ^§recursos del mercado; ^Φemergía.

En el Cuadro 5 se observan los indicadores de emergía de las tres lombricomposts. El EYR fue superior en la variante de conejo con un valor de 8.69, seguido de la porcina y la bovina. ^{Gianetti et. al. (2011)}, ^{Giannetti et al. (2016)}, ^{Bonilla et. al. (2010)} y ^{Del Pozo et al. (2014)} calcularon este mismo indicador en la producción de mango, café orgánico, bambú y plátano en sistema agroforestal, con valores de 1.9, 1.13, 1.36 y 3.16, respectivamente. De acuerdo con ^{Voora y Thrift (2010)}, la emergía en los tres procesos de compostaje en este estudio son sustentables, pues presentaron valores superiores a uno.

Cuadro 5 Indicadores emergéticos para el proceso de compostaje con excretas bovinas, cunícolas y porcinas 

^†Rendimiento en emergía; ^¶índice de carga ambiental; ^§índice de sostenibilidad; ^Φporcentage de recursos.

Para el indicador ELR la variante bovina tuvo el índice más alto, 0.315, seguido de la porcina y cunícula (Cuadro 5) pues en el proceso emplea más mano de obra (11%) y se usa diésel para el transporte de las excretas (Cuadro 3). En los tres procesos de compostaje los valores del indicador ELR fueron inferiores a 2 y esto significa un bajo impacto sobre el medioambiente. Estos resultados coinciden con ^{Del Pozo et al. (2014)} y ^{Giannetti et. al. (2016)} quienes reportan 0.46 y 1.4 para este indicador. Pero ^{Bonilla et. al. (2010)} y ^{Gianetti et. al. (2011)} obtuvieron valores de 2.75 y 4.13.

El indicador ESI para la variante cunícula presentó el valor más alto, 66.80, y la bovina mostró el más bajo por usar mano de obra y diésel en mayor proporción. El ESI en los tres procesos fue mayor a 6, lo cual indica que son sostenibles a largo plazo, y coincide con ^{Giannetti et al. (2016)} reporta 14. Sin embargo, ^{Bonilla et. al. (2010)}, ^{Gianetti et al. (2011)} y ^{Del Pozo et al. (2014)} muestran valores de 0.050, 1.3 y 0.30.

Respecto a la relación de emergía renovable y el uso total de emergía (% R), la variante cunícola utilizó 88.42 %, seguido de la porcina y la bovina. Esto significa que el proceso de compostaje es sustentable y sostenible, al emplear los recursos renovables en un porcentaje mayor, lo cual está de acuerdo con ^{Odum (1996)}. ^{Del Pozo et al. (2014)} y ^{Giannetti et al. (2016)} reportan valores de 41.9 y 68.33 % para este indicador.

Al considerar los índices emergéticos EYR, ELR, ESI y %R en el proceso de elaboración de la lombricompost con excretas bovina, cunícula y porcina, la cunícula fue el proceso más sostenible a largo plazo. Pero las tres variantes son procesos sostenibles a largo plazo y con bajo impacto ambiental.

Estos resultados responden a nuestra hipótesis de que el proceso en el cual se use en mayor cantidad recursos del mercado, tendrá un índice de sostenibilidad menor.

En el Cuadro 6 se muestran los resultados del análisis del contenido de MO, P y K de cada variante con su desviación estándar, así como los resultados de la prueba de Tukey. De acuerdo con los datos, hay una diferencia significativa entre los tres procesos de lombricompostaje. La variante cunícula supera los niveles de contenido de MO, P y K con respecto a la bovina y porcina. En las tres variantes el contenido de MO cumple con los estándares de calidad establecidos en ^{NMX-FF-109-SCFI-2007} que sugiere valores entre 20 y 40, y coincide con lo reportado por ^{Castro et al., (2009)}.

Cuadro 6 Contenido de nutrientes en tres variantes de lombricompost 

Medias con letras distinta en una columna son estadísticamente diferentes (Tukey, p≤0.05); +/- desviación estándar.

^{Duran y Henríquez (2007)} indican valores más altos para el P y K en lombricompost de excretas bovinas respecto a los obtenidos en nuestro estudio, lo cual se atribuye al periodo del proceso de lombricompostaje pues los sustratos estuvieron 60 d con las lombrices. Según ^{Garv y Gupta (2010)}, las diferencias en cambios químicos por acción de las lombrices se aprecian a los 105 d de vermicompostaje. Asimismo ^{Tognetti et al. (2005)} mostraron que la composición química de la lombricompost depende del tipo de alimento proporcionado a las lombrices y del manejo en el sistema productivo.

Conclusiones

Los indicadores emergéticos muestran que los procesos de elaboración de lombricompost con excretas bovina, cunícula y porcina son sustentables a largo plazo y con bajo impacto ambiental. Además, la lombricompost con excreta cunícula presenta un índice de sostenibilidad mayor, contiene y proporciona más MO, P y K respecto a la lombricompost con excreta bovina y porcina.

La metodología de emergía es recomendable aplicarla en los sistemas productivos agrícolas para contabilizar los recursos requeridos y así optimizar la síntesis emergética, lograr un uso eficiente de los recursos y disminuir su impacto ambiental.