XX Congreso Latinoamericano y XVI Congreso Peruano de la Ciencia del Suelo “EDUCAR para PRESERVAR el suelo y conservar la vida en La Tierra” Cusco – Perú, del 9 al 15 de Noviembre del 2014 Centro de Convenciones de la Municipalidad del Cusco BIOCHAR PRODUCIDO A PARTIR DE EXCRETAS DE GALLINA REDUCE LA BIODISPONIBILIDAD DE CU EN SUELOS CONTAMINADOS CON ESTE METAL Meier. S1*, Cea, M1., Curaqueo, G1., Khan2, N., Vidal, C1., Bolan, N2., Borie, F1. 1Scientific and Technological Bioresource Nucleus. BIOREN-UFRO. Universidad de La Frontera, P.O. Box 54-D. Temuco, Chile. 2 Centre for Environmental Risk Assessment and Remediation (CERAR), Building X, University Blvd., University of South Australia, Mawson Lakes, SA 5095, Australia *Autor de contacto: sebastianmeier@gmail.com. Francisco Salazar 01145, casilla 54-D Temuco. RESUMEN El biocarbón (BC) es un material producido a través de la pirólisis de la biomasa a temperaturas entre (300 a 700 ° C) bajo condiciones limitadas de oxígeno. La producción BC de diversas fuentes de biomasa ha atraído el interés de investigación porque conduce a ventajas agronómicas tales como mejorar las propiedades físicas, biológicas, químicas y también tendría la capacidad para remediar suelos contaminados con metales. No obstante, hasta la fecha la aplicación de BC en suelos contaminados no se ha investigado sistemáticamente. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de la aplicación de BC en la inmovilización de cobre y su eficacia en la promoción del crecimiento de Oenothera picensis. EL biocarbón fue producido a partir de estiércol de pollo (CMC) a una temperatura de 500 ° C por dos horas. Este material fue aplicado en suelos contaminados extraídos de un ecosistema mediterráneo, cerca de la fundición Ventanas (Puchuncaví Valley, Valparaíso, Chile Central) en dosis de 0, 5 y 10% p/ p, respectivamente. Además, se aplicaron de niveles crecientes de Cu (0, 100 y 500 mg de Cu kg-1) La metalófita Oenothera picensis creció en este medio durante 3 meses bajo condiciones de invernadero. El BC produjó un notorio aumento en el pH (hasta 3 unidad de magnitud) del agua intersticial, junto con una alta disminución del Cu en la solución del suelo. De la misma manera, el pH del suelo, la conductividad eléctrica y la respiración basal fueron mayores en los suelos con la adición de enmienda. Por lo anterior, las plantas que crecieron con la enmienda produjeron hasta 8 veces más biomasa que las otras sin la aplicación de BC. Esto podría atribuirse a una reducción de la toxicidad de los metales y la mayor disponibilidad de nutrientes como P y K. De la misma manera, el BC redujo significativamente la acumulación de Cu por O. Picensis. Estos resultados preliminares sugieren que la aplicación de BC fue eficaz en la inmovilización de Cu, reduciendo de ese modo la biodisponibilidad y la fitotoxicidad de Cu y por lo tanto podría ser una buena alternativa para la ejecución de programas de fitorremediación. Palabras clave: suelos contaminados; remediación ambiental; enmiendas. 1. INTRODUCCIÓN Chile es el principal productor de cobre (Cu) del mundo, metal que representa el 40% de las exportaciones nacionales, lo que se traduce en más de un tercio del total de Cu producido anualmente a nivel mundial (COCHILCO, 2010). Sin embargo, la intensidad con que se realiza esta actividad ha producido un impacto negativo en los ecosistemas, principalmente debido a la excesiva producción y acumulación de residuos con altas cantidades de metales tóxicos, tanto en labores de extracción como en el procesamiento industrial para la obtención de Cu (Meier et al., 2012). Los metales presentes en los residuos mineros (tales como Cu, Zn, Pb, entre otros, Adriano, 2001) poseen un riesgo potencial tanto para la población humana como para el medio ambiente, debido a que altas concentraciones de estos elementos producen toxicidad a organismos superiores y microorganismos, por lo que su manejo ambiental debe ser una prioridad asociada a la actividad minera (Sarabia et al., 2003). A nivel mundial, existen estudios que demuestran el efecto deletéreo de los metales en los ecosistemas, generando en muchos casos la pérdida irreversible del suelo y de la cubierta vegetal, debido a que estos elementos no son biodegradables (Reimann et al., 2001). En Chile la situación no es distinta, lo que resulta todavía más preocupante considerando que los estudios científicos relativos al tema son escasos, situación que no se corresponde con la magnitud de la actividad minera en nuestro país. En este contexto, estudios realizados por Ginocchio et al., (2004) y González et al., (2008) han descrito la drástica pérdida de diversidad en las comunidades vegetales en ecosistemas afectados por el depósito de material particulado enriquecido con metales provenientes de las actividades mineras. Concretamente, esta actividad ha generado la pérdida de vastas extensiones de terrenos destinados a actividades agrícolas, efecto que se hace evidente en la reducción de cobertura vegetal y aumento en la erosión del suelo dentro del ecosistema mediterráneo aledaño a Ventanas en el valle de Puchuncaví, Región de Valparaíso, Chile (Ginocchio, 2000). Por otra parte, con el fin de realizar un manejo sustentable del suelo en los ecosistemas, una alternativa que está siendo recientemente explorada es la utilización de biocarbón como enmienda en suelos contaminados con metales pesados (Park et al., 2011). El biocarbón es un material derivado de la descomposición térmica de biomasa en ausencia parcial o total de oxigeno y a temperaturas bajas (<600°C), proceso denominado pirólisis (Sohi et al., 2010). El biocarbón se caracteriza por ser un material poroso, cuya composición está estrictamente relacionada con la materia prima de la cual proviene y las condiciones del proceso de fabricación (Cantrell et al., 2012). En general presenta un tamaño de partícula variable entre 2 a 20 mm, una distribución de poros desde nano (<0,9 nm), micro (<2 nm) hasta macroporos (>50 nm), y un área superficial de hasta 1360 m2 g-1 (Downie et al., 2009). Diversos autores señalan que el biocarbón actúa como acondicionador del suelo potenciando el crecimiento de las plantas a través de varios mecanismos tales como: a) el suministro y retención de nutrientes en su estructura, previniendo procesos de lixiviación, b) incrementando la capacidad de intercambio catiónico del suelo, c) aumentando la capacidad de retención de agua, d) neutralizando la acidez del suelo, e) generando mejores condiciones para el desarrollo de los microorganismos. Además, es un compuesto muy estable frente a la actividad tanto química como microbiana, permaneciendo en el suelo por más tiempo que cualquier otra forma de carbono orgánico. Lo anterior, indica que el biocarbón produce una mejora en las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo (Jones et al., 2012). Adicionalmente, se ha descrito la presencia de diversos grupos funcionales, los cuales además de sus propiedades quelantes, proveen de carga superficial a la partículas de biocarbón, promoviendo la inmovilización de metales dentro de su estructura (Uchimiya et al., 2011). Lo anterior, podría justificar los estudios orientados a analizar el uso de biocarbón aplicado como enmienda en suelos contaminados, ya que por las características antes mencionadas este material reduciría la biodisponibilidad de metales, disminuyendo así la fitotoxicidad y potenciaría procesos fitorremediación (Park et al., 2011). Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue evaluar el efecto de la aplicación de BC en la inmovilización de cobre y su eficacia en la promoción del crecimiento de la metalófita Oenothera picensis. 2. MATERIALES Y MÉTODOS Para este ensayo, se utilizó un suelo proveniente de un sitio contaminado con Cu ubicado en el Valle de Puchuncaví (UTM 6372975N; 267350 E), V Región de Valparaíso, Chile. En este sector, se muestrearon suelos cercanos a la fundición Ventanas, los cuales poseen altos niveles de contaminación con Cu (92-872 mg Cu kg-1, Cornejo et al., 2008). Sobre los cuales se adicionaron concentraciones crecientes de este metal (0 –Control-, 100 y 500 mg Cu Kg-1; usando CuCl2 * 5H2O). Posteriormente se aplicó Biocarbón producido a partir de excretas de gallina (CMC) en dosis de 0, 5 y 10% p/p, el cual fue primeramente caracterizado fisicoquímicamente (Área superficial –BET- volumen y tamaño de poros, medición de pH, C, N, P y K). La especie vegetal utilizada en este ensayo fue la metalófita Oenothera picensis, la cual fue sembradas en macetas de 300 cm3. Estas macetas estaban conectadas a cápsulas porosas especiales (rizones) para la obtención de agua intersticial, sobre la cual se midió los cambios periódicos de pH y cobre en solución durante los tres meses de establecimiento del ensayo. Al finalizar el periodo de crecimiento se evaluó el comportamiento in vivo de la planta a través del índice de sobrevivencia vegetal, peso seco y la concentración de metales en tanto en raíces como en tallos. Finalmente, se realizaron ensayos de respiración basal de microorganismos (Anderson and Domsch, 1990) y actividad microbiana para posteriormente relacionarlos con parámetros químicos; evaluando de esta manera la biodisponibilidad de metales en el suelo. 3. RESULTADOS 3.1. Caracterización fisicoquímica. El biocarbón producido (Tabla 1) fue de naturaleza heterogénea presentando un alto contenido de carbono y nutrientes (Tabla 1 y Fig 1). De la misma manera, las características físicas tales como superficie especifica (Bet) volumen de poros (Vp) y diámetro de poros presentaron valores aceptables, siendo el CMC un material reactivo para la posible quelación de metales en el suelo. Lo anterior fue ratificado por la naturaleza de los grupos funcionales en el biocarbón los cuales fueron identificados usando espectrofotometría FTIR. realizado (Fig. 2) Tabla 1. Caracterización fisicoquímica del biocarbón utilizado. 3 Biochar pH C (%) N (%) H (%) C/N P (%) K (%) Bet 2 1 (m g- ) Vp (cm g 1 ) CMC 9.1 29.67 2.13 1.04 13.92 0.87 1.53 11.51 0,009 - Dp (nm) 3,82 Figura 1: Fotografía de microscopia electrónica de barrido del biocarbón producido partir de excretas de gallina Chile (CMC) Figura 2: Espectros infrarrojos (FTIR) del biocarbón producido a partir de excretas de gallina (CMC) Los peaks a 3,749 y 3,371 cm−1 indicarían la presencia de grupos hidroxilo. La banda a 1605 correspondería a grupos conjugados C=O unidos a anillos aromáticos. La banda a 876 es debida a la contribución de las vibraciones C-H de compuestos aromáticos. La presencia de los grupos funcionales nombrados previamente son responsables de la adsorción de metales. Probablemente debido a lo anterior, las pruebas de retención de Cu, mostraron que el BC redujo hasta un 73,2% el Cu presente en el suelo (Tabla 2). Tabla 2. Concentraciones de Cu (mg kg-1) extraídas usando NH4NO3, en un suelo contaminado del valle del Puchuncaví. (CMC: Biocarbón derivado de excretas de gallina producido en Chile aplicación al 5% p/p). Tratamiento Suelo Suelo + CMC Cu (mg kg-1) 8.2 ± 0.21 (a) 2.2 ± 0.23 (b) Metal inmovilizado (%) ---73,17 3.2. Ensayos en mesocosmos: La aplicación de biocarbón produjo un claro aumento en el pH del agua intersticial (de hasta casi 3 unidades) el cual fue, en general, proporcional a la dosis de BC aplicada y este efecto se mantuvo a través del tiempo. Adicionalmente, como era de esperarse, según los resultados previos de la caracterización físico-química y las pruebas de retención de metales, la aplicación de BC disminuyó drásticamente las concentraciones de Cu presente en el agua intersticial Estos resultados ratificarían el positivo efecto del BC como una enmienda que promovería la implementación de programas de fitorremediación. Por otro lado parámetros del suelo, tales como pH y conductividad eléctrica, también se vieron favorecidos debido a la aplicación de BC. Los aumentos en la conductividad eléctrica fueron probablemente debidos a la mayor concentración de sales aportadas por el BC (tales como carbonatos, potasio, sodio entre otras), las cuales de la misma manera provocaron un aumento del pH y por ende una disminución en las concentraciones de Cu, disminuyendo de esta manera su biodisponibilidad. Lo anterior se ratifica por el aumento de la respiración basal microbiana (tabla 3). Tabla 3: pH, conductividad eléctrica (EC) y actividad microbiana de suelos contaminados con metales y enmendados (0, 5 y 10% p/p) con biocarbón proveniente de excretas de gallina y enriquecido con niveles crecientes de Cu (0, 100 y 500 mg Cu kg-1) ✚: plantas muertas. Finalmente, debido al buen contenido nutricional de la enmienda, sumado a los factores físicoquímicos y las pruebas de la retención de Cu, es que su aplicación en el suelo produjo un notable aumento en la biomasa vegetal, permitiendo además la sobrevivencia de las plantas a la dosis mas altas de Cu. 4. CONCLUSIÓN La aplicación biocarbón produjo un aumento en la biomasa vegetal como fue eficaz en la inmovilización de Cu en el suelo, reduciendo de ese modo la biodisponibilidad y la fitotoxicidad de Cu por lo que podría ser una buena alternativa para la ejecución de programas de fitorremediación. 5. AGRADECIMIENTOS Sebastián Meier agradece profundamente el soporte provisto por el proyecto Fondecyt 3130390 6. BIBLIOGRAFÍA Adriano, D.C. 2001. Trace Elements in Terrestrial Environments: Biogeochemistry, Bioavailability, and Risk of Metals, Springer-Verlag, New York. Anderson, T.H., Domsch, K. 1990. Application of eco-physiological quotients (qCO2 and qD) on microbial biomass from soils of different cropping histories. Soil Biology and Biochemistry 22, 251- 255. Cantrell, K., Hunt, P., Uchimiya, M., Novak, J., Ro, K. 2012. Impact of pyrolysis temperature and manure source on physicochemical characteristic of biochar. Bioresource Technology. 107, 419- 428. Cornejo, P., Meier, S., Borie, G., Rillig, M., Borie, F. 2008. Glomalin-related soil protein in a Mediterranean ecosystem affected by a copper smelter and its contribution to Cu and Zn sequestration. Science of the Total Environment. 406, 154-160. Downie, A., Crosky, A., Munroe, P. 2009. Physical properties of biochar. In Lehmann & Joseph (Eds.), Biochar for environmental management pp. 13-32. London. Earthscan. Ginocchio, R. 2000. 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