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Introducción
El sector avícola genera impactos negativos, por la mala disposición de los residuos orgánicos, durante el proceso de descomposición del residuo al no contar con un sistema adecuado surgen emisiones de CO2 (dióxido de carbono), NH3 (amoníaco) y H2S (sulfuro de hidrógeno), causando degradación ambiental en el entorno (Rodríguez y Córdova, 2006; García et al., 2007).
El nitrógeno (N) es un nutriente esencial para los seres vivos, ya que es uno de los constituyentes principales de biomoléculas como aminoácidos, proteínas, enzimas, nucleoproteínas, ácidos nucleicos (Celaya y Castellanos, 2011). El término volatilización se utiliza para describir el proceso de pérdida de N en forma de amoníaco (NH3) (Celaya y Castellanos, 2011).
Si los factores ambientales permanecen constantes, pueden generarse menores perdidas y magnitudes de gases, durante el proceso de degradación de un residuo orgánico. Para el caso de amoniaco se debe tener en cuenta la siguiente ecuación NH4 + + OH- ⇔NH3 (g) + H2O con la finalidad de controlar el proceso de volatilización del NH3 (amoníaco) que es uno de los gases principales del efecto invernadero (Casanova, 1993).
Los residuos orgánicos de aves contienen una gran cantidad de nitrógeno orgánico el cual se convierte rápidamente en amoníaco (García, 2010), que se volatiliza generando contaminación, para poder minimizar este impacto están surgiendo nuevas investigaciones buscando formas de recuperación y estabilización de este ion.
La zeolita es un mineral cuya estructura tridimensional le permite tener propiedades óptimas para retener y liberes agua, así como intercambiar iones sin modificar su estructura atómica, estas propiedades lo hacen un elemento importante para ser utilizado en el intercambio de Ca+, Mg++, K+, y NH4+ (Chica Toro et al., 2006).
El mecanismo de la zeolita para controlar el olor nocivo es mediante la captura del amonio y la prevención de la formación del amoníaco. La zeolita con amonio se convierte en un producto secundario que podría utilizarse como fertilizante. El objetivo de este trabajo fue evaluar el proceso de mineralización de dos residuos avícolas y la participación de la zeolita en el proceso de trasformación del ácido úrico en carbonato de amonio midiendo la liberación de CO2 (dióxido de carbono) y el NH3 (amoníaco).
Materiales y métodos
El experimento se llevó a cabo en el Colegio de Posgraduados campus Motecillo. El trabajo comprendió la evaluación de la volatilización del amoniaco (NH3) y del dióxido de carbono (CO2) provenientes de los residuos avícolas. Uno proveniente de la granja de gallinas ponedoras del Colegio de Posgraduados y el segundo procedente de la producción de Codorniz del municipio de San Bernardino. Estos residuos fueron mezclados con cuatro cantidades de zeolita procedente de la mina San Francisco ubicada en Rinconada Arakan N° 127 Colonia: Lomas 4a Sección en San Luis Potosí, S.L.P., México.
El proceso de incubación se realizó en un sistema cerrado, el cual consistió en colocar la muestra de los residuos en frascos de polietileno de 500 ml, las cuales fueron humedecidas al 70% de su capacidad hídrica, cada unidad experimental se repitió tres veces.
Determinación de Dióxido de Carbono (CO2)
El CO2 se cuantificó utilizando el método descrito por Anderson (1982) modificado. El cual consistió en colocar un álcali de 3 ml de NaOH 1N, para determinar el desprendimiento de CO2, mediante la titulación con H2SO4 0.1N, en presencia de tres gotas de fenolf taleína al 1%. Por último, la precipitación de los carbonatos con 2 ml de BaCl2 al 2%.
El CO2 liberado durante la respiración aeróbica puede ser adsorbido en solución alcalina y medida como un índice de la tasa de respiración. La reacción en la cual el CO2 es adsorbido se determinó utilizando la Ecuación 1:
La cantidad de CO2 adsorbido es equivalente a la cantidad de NaOH consumido. Para determinar esto, se precipita el carbonato (CO32-) con BaCl2 y se titula el remanente NaOH con H2SO4 estándar. Las reacciones son:
De la diferencia entre la cantidad de NaOH presente inicialmente y el remanente después de la exposición al CO2 se obtiene la cantidad de gas producido por respiración mediante la Ecuación 4:
dónde: R = respiración microbiana en mg CO2, B = volumen de ácido necesario para titular el NaOH promedio de los blancos (en ml), M = cantidad de ácido necesario para titular el NaOH de la muestra (en ml), N = normalidad del ácido, E = peso equivalente del CO2.
La acumulación de CO2 se determinó únicamente sumando los mg de CO2 que se produjeron cada día.
Determinación de Amoníaco (NH3)
Se cuantificó la volatilización de NH3 desprendido de la muestra que se capturó en un álcali de 3 ml de H3BO3. Se evalúo la alícuota colocando 2 gotas de indicadores y valoró con H2SO4, hasta que el color cambió de verde a rosa.
La reacción química que se da en la captura del amoníaco volatilizado se muestra a continuación con la Ecuación 5:
Al titular con ácido sulfúrico se obtiene:
La concentración de volatilización se calculó con la Ecuación 7:
donde: V = volumen medio de H2SO4 necesario para valorar el NH3 en cada una de las muestras, N = normalidad del H2SO4, 14 = peso del nitrógeno.
Análisis estadístico
El diseño experimental de este trabajo fue un factorial 24. Se evaluaron cuatro cantidades diferentes de zeolita en dos tipos de residuos orgánicos avícolas teniendo un total de 8 tratamientos (Cuadro 1), donde se evaluaron las tasas de emisión de CO2 y NH3.
Cuadro 1 Tratamientos evaluados.
| Tratamiento | Material orgánico | Cantidad | Material mineral | Cantidad |
|---|---|---|---|---|
| g | g | |||
| T1 | Gallinaza | 20 | Zeolita | 0 |
| T2 | Gallinaza | 20 | Zeolita | 10 |
| T3 | Gallinaza | 20 | Zeolita | 15 |
| T4 | Gallinaza | 20 | Zeolita | 20 |
| T5 | Codorniz | 20 | Zeolita | 0 |
| T6 | Codorniz | 20 | Zeolita | 10 |
| T7 | Codorniz | 20 | Zeolita | 15 |
| T8 | Codorniz | 20 | Zeolita | 20 |
Los resultados obtenidos de las titulaciones fueron sometidos a un análisis de varianza y a una prueba de comparación de medias de Tukey (P ≤ 0.05) mediante el programa de SAS (2014).
Resultados y discusión
Los resultados generados en esta investigación muestran que los residuos orgánicos de las aves pueden transformarse rápidamente, debido a la composición y población microbiana presente (Celaya y Castellanos, 2011), además de contener materiales fácilmente degradables como proteínas y azúcares (Celaya y Castellanos, 2011; Contreras et al., 2006).
Las emisiones de CO2 y NH3, son variables independientes que permiten establecer relaciones de contaminación y de la actividad microbiana presente en el proceso de mineralización de residuos avícolas. Durante el experimento se presentaron volatilizaciones máximas de 47.67 mg de CO2 g-1 en los residuos orgánicos de la codorniz, mientras que la gallinaza presenta emisiones inferiores a esta. La liberación de CO2, sirve como referencia de la actividad microbiana presente en el medio (Guerrero et al., 2012).
Evolución de Bióxido de Carbono
En los primeros cinco días de la incubación se observaron las mayores variaciones de emisiones de CO2, esto se debe a la actividad de los microorganismos ante la presencia del material rico en compuestos degradables (Celaya y Castellanos, 2011; Contreras et al., 2006).
Al analizar las interacciones de cantidad de zeolita con respecto a las emisiones de CO2 y NH3, se encontraron diferencias estadísticas significativas entre tratamientos al utilizar los residuos provenientes de la codorniz (Cuadro 2). Sin embargo, en el caso de la gallinaza fueron iguales (Figura 1) por lo que se interpreta que la presencia de la zeolita no interfiere en la degradación de la gallinaza, de tal manera que la actividad biológica no se ve afectada por estos alumino silicatos.
Cuadro 2 CO2 producido por los tratamientos evaluados.
| Tratamiento | Material orgánico | Cantidad | Material mineral | Cantidad | Emisiones de CO2 |
|---|---|---|---|---|---|
| g | g | mg de CO2 g-1 | |||
| T1 | Gallinaza | 20 | Zeolita | 0 | 730.18 a† |
| T2 | Gallinaza | 20 | Zeolita | 10 | 745.36 a |
| T3 | Gallinaza | 20 | Zeolita | 15 | 750.78 a |
| T4 | Gallinaza | 20 | Zeolita | 20 | 742.57 a |
| T5 | Codorniz | 20 | Zeolita | 0 | 705.90 b |
| T6 | Codorniz | 20 | Zeolita | 10 | 738.02 b |
| T7 | Codorniz | 20 | Zeolita | 15 | 781. 88 b |
| T8 | Codorniz | 20 | Zeolita | 20 | 77.16 b |
†Medias con la misma letra en la columna son estadísticamente iguales (Tukey, P ≤ 0.05).
Figura 1 Emisiones de C-CO2 en los tratamientos de residuos avícolas con diferentes niveles de zeolita.
El C de la gallinaza se mineralizó un 34-35%, en las primeras cuatro semanas de la incubación, lo cual coincide con lo reportado por Contreras et al. (2006), quienes incubaron diferentes materiales y obtuvieron que la gallinaza y el estiércol de caprino mostraron una mejor repuesta inicial. Al evaluar los procesos de mineralización de los residuos orgánicos avícolas se encontró que no existe un comportamiento lineal, debido a que no hubo diferencias significativas entre los tratamientos con diferentes niveles de zeolita respecto a la emisión de CO2, para el caso de la gallinaza, esto se interpreta como que el compuesto orgánico tiene más actividad constante, respecto al residuo de codorniz el cual contiene más material orgánico.
La cantidad de C-CO2 acumulado desprendido por la actividad biológica de los tratamientos incubados durante un período de 20 días, tuvo un mayor aumento en los primeros 10 días (781.88 mg de CO2 g-1 en el tratamiento 7), en los otros tratamientos las emisiones de CO2 fueron inferiores (Cuadro 2). Las emisiones de CO2 generadas durante los 20 días de incubación, para el caso de los residuos de codorniz tuvo un mayor desprendimiento de CO2 en los primeros 12 días (Figura 2), por lo que se interpreta que está vinculado con una mayor actividad microbiana posiblemente porque presenta más fracciones orgánicas de fácil descomposición en comparación con la gallinaza. A medida que transcurrió la incubación, los sistemas se estabilizaron, el material recientemente añadido de fácil degradación, comenzó a agotarse y, por lo tanto, el número de microorganismos disminuyeron al igual que el desprendimiento de CO2.
Figura 2 Evolución de C-CO2 procedente de dos residuos orgánicos avícolas durante los días de incubación.
Acosta et al. (2006), establecen que la actividad de los microorganismos que intervienen al inicio del proceso de transformación de la materia orgánica es máxima. Como consecuencia de tener a su alcance gran cantidad de compuestos fácilmente biodegradables procedentes de los materiales orgánicos de partida. Este incremento indica que el material orgánico suministra la cantidad necesaria para la proliferación de los microorganismos encargados de la descomposición.
Las mayores emisiones diarias de CO2 se alcanzaron el segundo día de incubación para los dos residuos orgánicos (Figura 2). Las altas intensidades iniciales de emisión de CO2, ref lejarían la presencia de carbono disponible en los sustratos orgánicos provenientes de compuestos fácilmente degradables (Guerrero et al., 2012). En el Cuadro 2 se observan las emisiónes de C-CO2 acumulados por cada tratamiento. Los resultados de la interacción entre zeolita y los residuos orgánicos avícolas en el desprendimiento de CO2, no presentaron diferencias estadísticamente significativas, es decir que la zeolita no inf luyó en el proceso de liberación de este gas.
Nitrógeno Amoniacal (N-NH3)
Se encontró que al analizar los dos tipos de residuos orgánicos avícolas, la gallinaza presentó mayores desprendimientos de NH3 con respecto al de codorniz. Pero al evaluar la influencia de la cantidad de zeolita aplicada, existe una disminución de emisiones al tener más cantidad de zeolita (Figura 3).
Figura 3 Volatilización de NH3 en los diferentes niveles de zeolita durante todo el tiempo de incubación.
Se observó que durante las primeras semanas de incubación, la mineralización del nitrógeno fue ascendente (Figura 2) debido a que en este periodo se produce la descomposición de azúcares, proteínas y celulosas, haciéndose más lenta hacia las últimas semanas en donde se están mineralizando aquellos materiales más resistentes y que necesitan más tiempo para descomponerse (Philippot y Germon, 2005). Para que la materia orgánica pueda descomponerse de manera eficiente debe contar con un ambiente óptimo que permita generar algunos microorganismos como: amilolíticos, lipolíticos, celulolíticos, ligninolíticos, amonificantes, fijadores de nitrógeno de vida libre, desnitrificantes y nitrificantes, los cuales ayudan a digerir substancias de fácil y difícil descomposición (Quintero, 2014; Celaya y Castellanos, 2011). Los microorganismo amilolíticos y amonificantes están presente durante el proceso de mineralización de los residuos avícolas, la presencia de estos microorganismos ayudan a la degradación del material orgánico.
El desprendimiento de NH3 acumulado alcanzó un valor total del 66% en los tratamientos que no contenían zeolita; este porcentaje se utilizó para compararlo con el repostado por Lara et al. (1997), que señalan que las pérdidas de nitrógeno por volatilización pueden ser superiores al 40% cuando no se tiene algún tratamiento previo.
En todos los tratamientos cuando se presentó el pico más alto de desprendimiento de CO2 también se tuvo la mayor volatilización NH3, la actividad microbiana que presentaron los residuos de codorniz se debe a que hay mayor presencia de microorganismos amonificantes esto puede ser a que todavía existe sustrato disponible (Quintero, 2014).
Relación entre la volatilización del CO2 y el NH3
La correlación que existió entre las emisiones de CO2 y NH3 fue de r2 = 0.65, lo que permite suponer que, tanto el CO2 producido sirve como indicador de la actividad microbiana presente como para dar información sobre las variaciones del proceso de mineralización de N asociadas con las pérdidas de volatilización en forma de NH3.
La reducción de las emisiones de NH3 al ir aumentando las dosis de zeolita, en los dos residuos avícolas, indican que el uso de zeolita ayuda en el proceso de trasformación del ácido úrico presente en los residuos avícolas, no permitiendo que se descomponga en carbonato de amonio y que se pierda por volatilización.
Conclusiones
El tratamiento que presentó mejores resultados en la disminución de volatilización del NH3 es el que tiene una relación 1:1 (residuo:zeolita), lo cual indica que aplicar zeolita para tratar los residuos orgánicos avícola ayudarán a la disminución de los riesgos de contaminación del aire, los cuales están asociados a la volatilización de NH3.
Se concluye que la zeolita no es útil para reducir emisiones de CO2, siendo el residuo orgánico proveniente de la codorniz el que emitió mayores cantidades.
