Los residuos no convencionales: material orgánico de uso potencial

Este tipo de residuos procedentes de ámbitos agroindustrial, urbanos e industrial a pesar de ser considerados no óptimos para el desarrollo de las lombrices en condiciones naturales, han sido bioestabilizados eficazmente por medio del vermicompostaje. Sin embargo, en algunos casos es necesario acondicionarlos previamente para permitir la sobrevivencia de las lombrices (^{Vargas-Machuca et al., 2008}; ^{Moreno et al., 2014}). En este tipo de residuos están los lodos generados por algunas industrias, en la que el vermicompostaje es una alternativa simple y de bajo costo para su reciclaje.

La transformación de estos residuos es importante para la estabilización de lodos generados por la industria alimentaria, el producto obtenido presenta una mejora química significativa en nitrógeno, fósforo, sodio y potasio, además de la estabilización del pH, carbono orgánico total y la relación C:N, incluso el abono obtenido puede mejorarse si se enriquece con otros residuos, particularmente con estiércol bovino o equino, obteniendo un humus homogéneo en olor, granulación y de color oscuro (^{Garg et al., 2012}; ^{Meiyan et al., 2012}). En la industria del sagú (Marantha auridinacea) se ha utilizado los beneficios del vermicompostaje, mezclando los residuos de esta industria con estiércol de vaca y aves de corral, el producto resultante es un abono de calidad con la conveniente reducción de la relación C:N y mayor estatus nutricional para la producción de cultivos (^{Subramanian et al., 2010}).

Una ventaja del vermicompostaje de los lodos residuales y su empleo como abono, es el mejoramiento de las propiedades bioquímicas y fisicoquímicas de los suelo, sobre todo de los poco fértiles. Estudios realizados en suelos arcillosos y arenosos ha demostrado que el mejoramiento comienza a partir de la activación de los procesos microbiológicos a través de la modificación gradual de las condiciones nutritivas que ocurren dentro de la cubierta viva debido a la actividad de las lombrices. La mejora en la estructura del suelo es de importancia agronómica ya que buenas propiedades físicas favorecen la retención de agua, difusión de oxígeno y disponibilidad de nutrientes, que al combinarse mejoran la calidad y fertilidad del suelo (^{Masciandaro et al., 2010}).

La industria farmacéutica que comprende el procesamiento de materias primas de uso farmacéutico genera contaminantes orgánicos que deriva en su mayor parte de la producción del principio activo. Estos desechos no pueden descartarse como residuos convencionales sin darles un tratamiento especial (^{Ramos, 2006}; ^{Sreekanth et al., 2014}). El vermicompostaje de los residuos de hierbas después de su proceso mezclados con estiércol de vaca, provoca cambios significativos en las características del residuo como disminución del carbono orgánico, de la relación C:P, y C:N, y generando un aumento en nitrógeno, fósforo y potasio. El abono obtenido tiene uso potencial en restauración ecológica y programas de fertilidad del suelo (^{Singh y Suthar, 2012a}; ^{Singh y Suthar, 2012b}).

El vermicompostaje también tiene aplicación en la industria de la curtiduría, que genera desechos tóxicos y materiales orgánicos de lenta degradación. Este proceso es una alternativa viable para la reducción y biodegradación de estos contaminantes, observando una disminución de la concentración de patógenos, de la conductividad eléctrica y sólidos volátiles, la concentración de nitrógeno y fósforo al final del proceso son similares a los encontradas en los abonos orgánicos. La combinación lombriz de tierra y microorganismos con estiércol bovino modifican las propiedades fisicoquímicas de los residuos, obteniendo un producto libre de olores, más oscuro y homogéneo, con una disminución de la relación C:N (^{Cardoso-Vigueros y Ramírez-Camperos, 2006}; ^{Ravindran et al., 2015}).

En la industria papelera que genera grandes cantidades de residuos, el uso de la tecnología del vermicompostaje ha generado buenas expectativas. Estudios realizado de la degradación de papel mezclado con aserrín de madera, estiércol equino y la lombriz de tierra Perionyx excavatus, ha generado buenos resultados, al obtener humus de lombriz de buena calidad (^{Abd et al., 2009}). Como el papel de desecho es rico en carbono y deficiente en nitrógeno, puede mezclarse con estiércol bovino, haciéndolo más adecuado para las lombrices de tierra. Este proceso incrementa la concentración de nitrógeno, fósforo y potasio, y disminuye el pH y la relación C:N al final del proceso (^{Basheer y Agrawal, 2013}).

Los residuos de la industria forestal y ganadera representan un grave problema ecológico si no se manejan adecuadamente. Una alternativa para transformar estos materiales es el vermicompostaje, y utilizarse de manera segura como mejoradores del suelo. Estos residuos al mezclarse con estiércoles de vaca, conejo y oveja, generan un producto de buena calidad con disminución en la relación C:N y pH, los contenidos de nitratos y nitrógeno se incrementan, dando al producto final propiedades químicas y nutricionales valiosas (^{Hernández-Rodríguez et al., 2012}).

La industria vitivinícola de gran importancia económica en varios países, genera grandes cantidades de residuos, entre ellos el bagazo de uva, subproducto del proceso de extracción del mosto en la preparación del vino. El vermicompostaje del bagazo genera un producto maduro y estabilizado, con un incremento en la concentración de nutrientes para su uso como enmienda orgánica en campos de cultivo (^{Martínez-Cordeiro et al., 2013}). La rapidez con que ocurren estas transformaciones hacen del proceso un buen sistema para estudiar el papel de las lombrices de tierra y su microflora en la degradación del bagazo de uva (^{Gómez-Brandón et al., 2010}). Otro residuo proveniente de la industria de bebidas alcohólica es el bagazo tequilero, sustrato potencial para vermicompostaje. El humus resultante provee un reservorio nutrimental alto en nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y magnesio que permite su uso en la agricultura (^{Rodríguez et al., 2010}).

La producción de azúcar es una importante industria agrícola que genera residuos sólidos como el bagazo, cachaza, lodos del proceso de clarificado, cenizas y basura de caña (^{Balakrishnan y Batra, 2011}). La transformación de estos residuos por vermicompostaje mezclado con estiércol de bovinos y lombriz de tierra (Eisenia fetida), ayuda a mejorar las características fisicoquímicas del producto final. Los nutrientes como el nitrógeno, fósforo y sodio aumentan favorablemente, con disminución del carbono orgánico y relación C:N. En la transformación de estos residuos se han utilizado lombrices como Eudrilus eugenia, Eisenia fetida y Perionyx excavates, capaces de convertir una buena parte de la materia orgánica de estos residuos en humus en un periodo relativamente corto. Los nutrientes como calcio, magnesio, sodio y potasio aumentan significativamente y el pH es estable en el producto final (^{Bhandarkar et al., 2014}). Experimentos realizados con bagazo de caña de azúcar y paja de arroz, han demostrado que las vermicompostas obtenidas mejoran el crecimiento de plantas de frijol (Phaseolus vulgaris) y mejora significativa en la calidad del suelo (^{Adil y Jaikishun, 2010}).

Otro residuo de la agroindustria es el bagazo de la piña, que puede representar hasta 20% de la producción total. Parte de este residuo es utilizado como alimento para ganado y el resto se desecha, convirtiéndose en un problema ambiental (^{Antonio et al., 2011}). Poco se sabe acerca de la capacidad de transformación por las lombrices de los residuos de piña. ^{Mainoo et al. (2009)}, consideran que el vermicompostaje resulta prometedor como una tecnología de gestión para este tipo de residuos, se ha demostrado que el vermicompostaje con Eisenia eugeniae acelerara la descomposición y la pérdida de masa de los residuos, con incremento de nitrógeno, fósforo y potásio. Sin embargo, la acidez inicial de los residuos es un problema para las lombrices, por lo que un precompostaje mejora las condiciones de pH.

Bioplaguicida: un producto del vermicompostaje para la producción orgánica sostenible

Una propiedad poco conocida del proceso de vermicompostaje es la presencia de agentes bioplaguicidas en la vermicomposta. Recientemente se ha investigado su potencial contra patógenos vegetales, insectos, ácaros y nematodos parásitos de plantas. Al adicionar vermicomposta al suelo se incrementa la diversidad microbiana, por un rango más amplio de microorganismos, estos pueden actuar como agentes controladores contra diferentes plagas en plantas, se ha sugerido que los posibles mecanismos de supresión de enfermedades está basado en la competencia entre microorganismos por los nutrientes y la energía (^{Clive et al., 2006}; ^{Domínguez et al., 2010}; ^{Edwards et al., 2010a}; ^{Jack, 2012}).

La capacidad antifungicida del lixiviado de vermicomposta a partir de estiércol bovino contra el hongo Colletotrichum gloeosporioides tiene un efecto inhibitorio de 100% cuando se aplica sin ser esterilizado. Se ha descubierto que los microorganismos presentes en el lixiviado compiten contra el hongo patógeno por nutrientes o son antagónicos hacia el (^{Contreras-Blanca et al., 2014}). La aplicación de vermicomposta de estiércol bovino en plantas de tomate reduce la cantidad del nematodo parásito (Meloidogyne incognita) en raíz y suelo (^{Castro et al., 2011}). El empleo de vermicomposta madura de broza de café con estiércol de bovino y cabra sobre el sistema Tiquisque-Pythium myriotylum, tiene un efecto supresivo sobre el desarrollo de la enfermedad causada por el hongo Pythium myriotylum en plantas de Tisquique (Xanthosoma sagittifolium) (^{Artavia et al., 2010}).

La supresión de áfidos, cochinillas, ácaros y otras plagas es otro uso de la vermicomposta, estudios en plantas de tomates y pepinos han demostrado que los extractos acuosos de la vermicomposta suprimen tanto el establecimiento de la plaga en la planta, como las tasas reproductivas del áfido verde del melocotón, cochinillas y ácaros (araña manchada). El mismo efecto ejerce sobre los escarabajos (Acalymna vittatum) del pepino y gusanos cornudos del tabaco (Manduca sexta), en el que los extractos suprimen significativamente el establecimiento de las plagas en las plantas. Probablemente la supresión se deba a la fijación de compuestos fenólicos por las plantas y a su rechazo por las plagas (^{Edwards et al., 2010a}; ^{Edwards et al., 2010b}). El uso integral de la vermicomposta aporta ciertas ventajas al suelo y las plantas, al suministrar los nutrientes necesarios para el crecimiento y producción del cultivo, y al mismo tiempo ejercer un control biológico contra plagas que afecta la producción.

Actividad enzimática: una medida de la actividad bioquímica del proceso de vermicompostaje

Las enzimas intervienen en la mayoría de los procesos que tienen lugar en el suelo, son responsables de la formación de moléculas orgánicas y particularmente en la transformación de compuestos orgánicos complejos a sustancias asimilables por las plantas. Las enzimas en el suelo pueden ser extracelulares, intracelulares o bien estar adsorbidas a la materia orgánica y sistema coloidal, lo cual sugiere que el suelo puede actuar como un reservorio temporal (^{Henríquez et al., 2014}).

Para medir la actividad metabólica de los microorganismos, se puede recurrir a una variedad de ensayos enzimáticos, a través de pruebas para determinar enzimas específicas (^{Atlas y Bartha, 2001}). El conocimiento de la evolución de las actividades enzimáticas durante el vermicompostaje es importante, sobre todo las actividades enzimáticas del tipo hidrolasas, que son actividades implicadas en los ciclos de los elementos biófilos como carbohidrasas, quitinasa, β-glucosidada y β-galactosidada del ciclo del C, fosfatasa del ciclo del P, ureasa y proteasas del ciclo del N y arilsulfatasa del ciclo del S, que son consideradas como parámetros específicos (^{García et al., 2003}). En los procesos microbianos que se generan en el suelo u otro sustrato, la cuantificación de la deshidrogenasa y catalasa son unos de los métodos más usados y son considerados como pruebas generales (^{Acosta y Paolini, 2005}).

El entendimiento de la actividad enzimática es importante para manejar los procesos bioquímicos que ocurren durante el vermicompostaje (^{Quintero-Lizaola et al., 2005}). La mayoría de las actividades enzimáticas estudiadas, después de un aumento durante los primeros estadios del proceso, tienden a disminuir a medida que avanza la biodegradación de los residuos orgánicos por la acción de las lombrices y microorganismos. Por ello, las vermicompostas obtenidas presentan una menor actividad que los residuos orgánicos frescos. Sin embargo, hay que señalar que las vermicompostas, al tener estabilizada su materia orgánica, conseguirán mayor eficacia en la construcción de un pool enzimático “estable”; es decir, complejos “enzima-humus” capaces de resistir la desnaturalización de las enzimas (^{Vargas-Machuca, 2010}).

Dentro de los procesos de biotransformación enzimática, se ha encontrado que la presencia de la lombriz de tierra estimula la actividad de las enzimas amilasa, celulasa, lipasa, invertasa, proteasa, amidasa, ureasa, nitrogenasa, fosfatasa ácida y alcalina, fosfomonoesterasas, arilsufatasa y deshidrogenasa. La actividad de estas enzimas es mayor en los residuos con lombrices que donde están ausentes, y disminuye en relación directa con la madurez de la composta. El incremento de esta actividad está relacionada con la interacción de tres factores importantes: presencia y ausencia de lombrices, tamaño de sustrato y tiempo de muestreo.

El conocimiento acerca de la dinámica enzimática del proceso de vermicompostaje sirve para manejar de manera sostenible y aún acelerar el proceso de biotransformación de los residuos (^{Quintero, 2014}). Durante el vermicompostaje el incremento de la actividad de la deshidrogenasa está relacionado con la cantidad de humus aplicada al suelo. ^{Contreras et al. (2013)}, indican que cuando se emplea la vermicomposta a razón de 30% como abono para el suelo, la enzima deshidrogenasa incremente su actividad durante los primeros 60 días, posteriormente esta actividad desciende. Este descenso se debe que los microorganismos han agotado la fuente de carbono fácilmente degradable, razón por la cual disminuye la producción de esta enzima de acción intracelular.

Estudios con la lombriz de tierra Amynthas hupeiensis, muestran que incrementa la actividad enzimática fibrolítica durante el proceso de vermicompostaje cuando se utiliza el rastrojo de maíz. Las actividades de la celulasa, avicelasa, β-glucosidasa, endo-β-1,4-xilanasa, acetil esterasa, y manganeso peroxidasa se ven incrementadas de manera significativa. Debido a esta actividad, el contenido de celulosa, hemicelulosa y lignina en el proceso de vermicompostaje se reduce en presencia de las lombrices de tierra durante los primeros 30 días aproximadamente. Aunque los microorganismos son los principales agentes responsables de la descomposición de la celulosa, hemicelulosa y lignina, las lombrices de tierra juegan un papel clave en la descomposición de los residuos vegetales y es la razón para el impulso de la actividad enzimática durante el vermicompostaje al estimular la multiplicación microbiana (^{Yuxiang et al., 2015}).

El incremento de la actividad enzimática, está relacionada también con la presencia de material orgánico fresco, presente al inicio del proceso de transformación. Estudios comparativos entre el compostaje tradicional y el vermicompostaje, han demostrado que las lombrices incrementan significativamente la actividad enzimática durante las etapas iniciales del proceso y luego disminuye gradualmente. La actividad de las enzimas ureasa, fosfatasa y deshidrogenasa durante el vermicompostaje con Eudrilus eugeniae, de lodos residuales utilizando papel como acondicionador y estiércol de vaca, se ha visto incrementada al inicio del proceso.

Este incremento está relacionado con la disponibilidad de sustrato para la actividad enzimática extracelular, y la disminución de esta actividad puede ser debido a la reducción de la población microbiana en las últimas etapas de los procesos de compostaje y vermicompostaje (^{Ponmani y Udayasoorian, 2014}). ^{Rama et al. (2014)}, consideran que en el compostaje y vermicompostaje se registran actividades enzimáticas altas. Sin embargo, el vermicompostaje presenta la mayor actividad para las enzimas durante los primeros 30 días, reduciéndose al final del proceso. Tal vez, esto se deba a la disponibilidad de sustancias fácilmente degradables para las actividades microbianas en las etapas iniciales.

Estudios realizados con Eisenia fetida han confirmado que la actividad enzimática β-glucosidasa, celulasa y fosfatasa aumentan entre 1.2 y 2.7 veces cuando se aplica tasas bajas de purines (estiércoles líquidos del sector porcino, compuestos por deyecciones, aguas de lavado y restos de alimentos), no así la actividad proteasa que aumenta en tasas altas de purines de cerdo aplicada. En ambas tasas de purines aplicadas, la presencia de lombrices de tierra en las capas jóvenes estimula el crecimiento microbiano, que disminuye una vez que las lombrices abandonan dichas capas (^{Aira et al., 2007}).

Microorganismos: estudio de su abundancia y diversidad en el proceso de vermicompostaje

A pesar del conocimiento sobre la estrecha relación entre las lombrices de tierra y los microorganismos durante la biotransformación de los residuos orgánicos, es necesario conocer qué microorganismos participan en el proceso y la función. Debido a la complejidad y heterogeneidad del proceso de vermicompostaje, el conocimiento sobre la biodiversidad, dinámica y funcionalidad microbiana es muy escaso, y los resultados obtenidos en muchos casos son contradictorios (^{Vargas-Machuca, 2010}; ^{Moreno et al., 2014}).

El estudio de la ecología microbiana se centra en dos aspectos importantes: la biodiversidad de los microorganismos que incluye el aislamiento, identificación, cuantificación y actividad en su hábitat (^{Madigan et al., 2009}). Existe en la literatura especializada métodos específicos que permiten conocer la estructura y funcionalidad de las poblaciones microbianas implicadas en el vermicompostaje, que van desde los medios de cultivos tradicionales, hasta el empleo de técnicas basadas en marcadores moleculares.

Los métodos clásicos de detección de microorganismos consisten en disponer las células microbianas viables sobre un medio sólido o líquido. El método clásico es eficaz para detectar microorganismos cuando estos se encuentran en una proporción significativa (^{Atlas y Bartha, 2001}). La determinación de grupos específicos empleando medios selectivos puede proporcionar datos fiables. Sin embargo, el recuento de todas las células de una muestra usando un medio único y una sola serie de condiciones de crecimiento puede resultar en una estimación baja, conocida como anomalía del recuento en medio sólido (^{Madigan et al., 2009}).

Por la sencillez del cultivo en medio sólido, ha sido comúnmente usada para cuantificar cambios en el número de microorganismos. La utilización de medios de cultivo diferenciales permiten el crecimiento de microorganismos con capacidades fisiológicas específicas, esta metodología ha sido empleada para estudiar la diversidad de bacterias heterótrofas involucradas en distintos tipos de compostaje. Los medios de cultivos tradicionales se han empleado para caracterizar poblaciones microbianas durante el vermicompostaje de residuos orgánicos, agrupándolos en tres categorías taxonómicas (bacterias, actinomicetos y hongos) (^{Durán y Henríquez, 2007}). El uso de los medio de cultivos selectivos por lo común son empleados para cuantificar bacterias, hongos y actinomicetos en la transformación de residuos, como el estiércol equino, pulpa de café y paja de avena vermicomposteado (^{Raphael y Velmourougane, 2011}; ^{Polo et al., 2012}; ^{Quintero, 2014}).

A pesar de que los métodos de cultivos tradicionales proporcionan información relevante sobre la abundancia de microorganismos involucrados en el vermicompostaje de distintos tipos de residuos, probablemente subestima la verdadera densidad de la población microbiana, ya que muchos microorganismos son incapaces de desarrollarse en los medios de cultivos convencionales. Con las técnicas de enumeración de organismos viables se obtienen no más de 10% y hasta menos de 1% de esos valores (^{Alexander, 1980}; ^{Campbell, 2001}).

En años recientes, el desarrollo de nuevas técnicas en microbiología ha permitido el estudio de los microorganismos presentes en diversos tipos de muestras biológicas sin necesidad de ser cultivados. Una de estas técnicas son los marcadores moleculares. Las nuevas técnicas de análisis de microorganismos, basadas en el análisis de patrones de ADN, patrones de ácidos grasos y patrones de sustratos carbonados son de gran utilidad ya que proporcionan información sobre la estructura y diversidad de las comunidades microbianas, permiten comparar entre residuos orgánicos iniciales y vermicompostados (^{Vargas-Machuca, 2010}). Con el crecimiento de la investigación genética y la clasificación bacteriana, los marcadores moleculares son una herramienta importante para identificar especies bacterianas. El análisis del ADN contenido en una muestra, permite estudiar la diversidad biológica de los microorganismos activos, aletargados o esporulados, que la coloca como la técnicas más utilizada (^{Weilong et al., 2012}; ^{Moreno et al., 2014}).

Muchos estudios sobre la biodiversidad microbiana, no necesitan aislar los microorganismos para cuantificarlos o identificarlos. En su lugar se recurre a estos marcadores moleculares para medir la biodiversidad. La literatura reciente reporta un número significativo de técnicas moleculares, alternativas, sensibles y selectivas para la detección, enumeración e identificación de microorganismos en diferentes muestras ambientales incluyendo el vermicompostaje (^{Palomino-Camargo y Gonzáles-Muños, 2014}). Una de las técnicas mayormente utilizada para investigar las comunidades microbianas asociadas al vermicompostaje es la PCR-DGGE. Se ha utilizado para diferenciar bacterias sobre la base de las diferencias de secuencia en su rDNA 16S y ser usada para identificar nuevos microorganismos que son raros o no cultivables o para para monitorear la variación en la estructura microbiana, relativo a la abundancia de clases de bacterias y hongos, con la que se pueden identificar taxones específicos de bacterias como las Gammaproteobacteria, Betaproteobacteria, Actinobacteria y Alphaproteobacteria durante el vermicompostaje (^{Hong et al., 2011}; ^{Castillo et al., 2013}).

El uso de las técnicas de PCR-DGGE, ha revolucionado el conocimiento sobre la ecología microbiana de los procesos de degradación de compuestos orgánicos en el suelo y otros tipos de muestras ambientales. Permite monitorear poblaciones microbianas concretas y sus actividades sin recurrir al cultivo en medios selectivos. Usando técnicas de PCR-DGGE han encontrado que los taxones de bacterias Actinobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Firmicutes Cianobacterias, Bacteroidetes, Actinomycetos y los hongos Sordariomycetes, Ascomycotina, Basidiomycota y Zygomycota son los organismos dominantes durante el proceso de vermicompostaje de residuos vegetales de la col, lechuga, cáscara de papa, residuos de frutas y verduras frescas (^{Huang et al., 2013}; ^{Huang et al., 2014}).