evaluacin de la materia orgnica soluble durante el proceso de

EVALUACIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA SOLUBLE DURANTE EL
PROCESO DE VERMICOMPOSTEO
LUGO de la F.J., DEL AGUILA J. P., ARELLANO L.M., OLMEDO J.Y.,
SERRANO G.N., VACA P. R.
Lab. de Edafología y Estudios Ambientales, Facultad de Ciencias, UAEMex
jlugo@uamex.mx
Palabras claves: materia orgánica soluble, vermicomposta y grupos
funcionales.
RESUMEN
En el proceso de vermicomposteo se hace necesario el estudio de
ciertas variedades de sustancias orgánicas que son fundamentales, es el caso
de la materia orgánica soluble (MOS). En la elaboración de las vermicomposta
se ven favorecidas las condiciones físicas del suelo mediante las interacciones
de los agregados con los grupos hidrofóbicos de las sustancias húmicas al
modificar su estructura y el nivel de su fertilidad. Por lo que en este trabajo se
evaluaron los cambios en la calidad de la materia orgánica producidos
mediante el proceso de vermicomposteo. Se trabajó en 4 tiempos ( 15, 30, 45 y
60 días) de vermicomposteo y posterior a esto a las muestras se les realizo la
exracción de la materia orgánica libre y materia orgánica soluble. Se obtuvo
que la materia orgánica libre (MOL) tuvo un comportamiento homogéneo en los
tiempos estudiados. En cuanto a la MOS en la relación E4/E6 los primeros días
del vermicomposteo (15, 30 y 45 días) presentó un grado de asociación mayor
en la moléculas y por tanto se presume una mayor humificación. Con respecto
a la parte final del proceso (60 días) se observa menor complejidad en las
moléculas y menor grado de humificación. Las densidades ópticas relativas
(DOR) de la MOS tuvieron una predominancia alifática.
INTRODUCCIÓN
La calidad del suelo aun es un termino subjetivo que, desde el punto de
vista biogeoquímico, se expresa por la medida en que los constituyentes
vegetales y microbianos se han modificado en sustancias de naturaleza
diferente (sustancia húmicas) que no existen en los seres vivientes, y que se
forman en el suelo, a medida en que la materia orgánica (MO) se ha unido a la
fracción mineral, ya sea por encapsulación o protección física por la arcilla, o
por la asociación de coloides orgánicos y minerales. Desde el punto de vista
agrobiológico se habla de calidad de la MO como la medida en mejorar la
productividad del suelo y sus características físicas, aumentando la capacidad
de regulación de la solución del suelo (Almendros y Dorado, 1999).
La denominación genérica de materia orgánica del suelo (SOM), hace
referencia a los restos orgánicos de plantas y animales en distintas etapas de
transformación, a los compuestos de síntesis microbiológica y/o química, y a
los restos de microorganismos y pequeños animales, vivos o muertos
(Schnitzer y Khan, 1978; Solomon et al., 2002). Aproximadamente la tercera
parte de la materia orgánica puede ser identificada como grupos de sustancias
con características químicas relativamente definidas tales como biopolímeros
1
provenientes de residuos vegetales (polisacáridos, polipéptidos, lignina,
materiales cuticulares, etcétera); el resto de la materia orgánica es considerada
como material húmico que deriva de las transformaciones químicas, físicas y
biológicas de restos animales, vegetales y microbianos, resultado de un
proceso complejo llamado humificación; por lo que los procesos de
humificación y degradación resultan en una pérdida de las características de
los materiales estructuralmente identificables (Schnitzer, 1991; Chefetz et al.,
2002).
La materia orgánica libre (MOL) es considerada como la hojarasca
fresca depositada en el suelo, está representa un aspecto negativo de la
humificación; este término designa la descomposición más o menos rápida de
la materia prima vegetal que, en general, se divide mecánicamente, o es
enterrada en los horizontes minerales por la actividad animal (lombrices) y es
atacada muy rápidamente por las bacterias y hongos del suelo (Duchaufour,
1984).
El estudio de la materia orgánica soluble (MOS) es muy importe debido
al gran número de sitios que presenta para formar complejos de diferente
fuerza, por lo que juega un papel fundamental en la movilización, inmovilización
y transporte de los contaminantes; además de que interactúa intensivamente
con las superficies minerales alterando significativamente sus características
(Sanders y McGrath, 1988; Calace et al., 2001).
La espectrofotometría de infrarrojo, se basa en la absorción de la
radiación electromagnética, en la región comprendida entre los 4000-400 cm-1,
que causa tensiones vibratorias en las moléculas. Su principal aplicaciones en
el reconocimiento de los grupos funcionales presentes en la muestra, al
efectuar un barrido en la región de interés donde se presentan las interacciones
entre el material y la energía térmica (Serrano, 2005), permite identificar
cualitativamente los grupos atómicos que constituyen al material en estudio.
La espectrofotometría de luz visible, constituye uno de los métodos no
destructivos más empleados para la caracterización de las sustancias húmicas.
En estado sólido, los ácidos húmicos son de color negro o pardo muy oscuro
debido a los grupos cromóforos y auxócromos, potenciadores de color
(Schnitzer y Khan, 1972). Los valores de las absorbancia de las densidades
ópticas a 465 nm (E4) y 665nm (E6); la relación entre ellas se utiliza para la
caracterización de la materia orgánica y de los ácido húmicos, siendo también
considerada como un índice de humificación (Kumada y Sato, 1980).
Chen et al.,(1977) observaron que la relación E4/E6 esta inversamente
relacionado con el tamaño, peso molecular y grado de asociación entre las
moléculas de las sustancias húmicas, pudiendo considerarse como un
indicador del grado de complejidad.
La intensidad del color, se relaciona con la concentración de radicales
libres estables con un alto grado de resonancia, presentes en los ácidos
húmicos y fúlvicos, generalmente del tipo semiquinona (Schnitzer y Khan,
1972). Asimismo, empíricamente, la intensidad del color se relaciona con la
aromaticidad, incrementándose con el grado de transformación de las
sustancias húmicas (hecho relacionado con el grado de humificación – grado
de diagénesis de las moléculas biogénicas que pueden constituir el material de
origen para la formación del humus) (Traina et al., 1990).
Las intensidades de las distintas bandas de los IR están influidos tanto
por la concentración de la materia a evaluar en las pastillas de KBr preparadas
2
para obtener los espectros, como sus propiedades físicas, por estas razones,
las relaciones de absorción del IR son usados por muchos autores para la
caracterización de la materia orgánica soluble y ácidos húmicos (Lugo, 2002).
Por tanto las densidades ópticas relativas (DOR) con respecto a una banda fija,
permite mostrar datos comparativos entre distintos espectros. Las densidades
ópticas relativas se obtienen dividiendo las absorbancias de las diferentes
bandas entre una banda fija, para este caso se seleccionaron las bandasla
obtenidas a 2920 cm-1 (tensión C-H alifática) y 1510 cm-1 (tensión C=C
aromática).
En el proceso de vermicomposteo se hace necesario el estudio de
ciertas variedades de sustancias orgánicas que son fundamentales, es el caso
de la materia orgánica soluble (MOS), la cual se compone de una o más
moléculas complejas, que varían en tamaño, proporción, polaridad, y tasa de
descomposición (Boyle y Paul, 1989). En la elaboración de las vermicomposta
se ven favorecidas las condiciones físicas del suelo mediante las interacciones
de los agregados con los grupos hidrofóbicos de las sustancias húmicas al
modificar su estructura y el nivel de su fertilidad (Kononova, 1983).
Por lo que en este trabajo se evaluaron los cambios en la calidad de la materia
orgánica producidos mediante el proceso de vermicomposteo.
METODOLOGÍA
Se realizaron cuatro muestreos a partir de la cuarta semana de iniciado
el proceso de vermicomposteo, donde el primer muestreo se realizó a los
quince días hasta completar 60. Las muestras se secaron, molieron, tamizaron
y homogenizaron para después hacer la extracción de la MOL y MOS, esta se
realizó de la siguiente manera, se pesó 50 g de vermicomposta a la cual se le
adicionó 150 mL de H2O y se agitó durante 3 horas a 300 rpm; posterior a esto,
se centrífugo y el sobrenadante obtenido se filtró con papel Whatman 40, lo
obtenido en el papel, se pesó, obteniendo así la materia orgánica libre (MOL):
El sobrenadante obtenido de la MOL se colocó en bolsas de diálisis que se
pusieron a dializar contra agua destilada para eliminar las sales; para
comprobar que no tuvieran sales, se realizo una prueba con AgNO3. el
resultado de la diálisis se puso en cajas petri a 60°C en una estufa durante una
noche, el material recuperado se considera la materia orgánica soluble (MOS).
Con este material finamente molido se realizaron las pastillas de 200 mg de
KBr que contiene 2 mg de muestra desecados en la estufa. Los espectros
infrarrojos (IR) con transformada de Fourier se obtuvieron digitalmente en el
rango de 4000 a 400 cm-1, en un espectrofotómetro marca Bruker modelo
IFS28.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La materia orgánica libre en los tiempos estudiados tuvo un
comportamiento homogénea, a los 15 días fue de 0.016, a los 30 días fue de
0.025, a los 45 días de 0.03 y a los 60 días de 0.02 gramos. Lo que nos indica
que se necesita mas tiempo para que se observe una disminución considerable
de la MOL, ya que en condiciones naturales la descomposición de la hojarasca
fresca tarda de 10 a 20 años dependiendo al tipo de suelo, clima y vegetación
(Duchaufour, 1987).
En cuanto a la relación E4/E6 los datos se muestran en el cuadro I; a los
15 días es baja, a 30 días se observa un aumento con respecto a esta, por el
3
contrario a los 40 días disminuye considerablemente y a los 60 días se observa
el mayor aumento.
Originalmente se consideraba que una baja relación E4/E6 era indicativo
de un alto grado de aromaticidad y un valor elevado reflejaría un alto
contendido de compuestos alifáticos.
Más recientemente se ha pensado que la relación E4/E6 está
inversamente relacionado con el tamaño o peso molecular y con el grado de
asociación de las moléculas de las sustancias húmicas pudiendo considerarlo
como un indicador del grado de complejidad (Chen et al., 1977). De manera
que, cuando la condensación y aromaticidad de las sustancias húmicas
aumenta, la humificación decrece (Anderson, 1977 y Stevenson, 1982). Por
tanto, en los primeros días del vermicomposteo (15, 30 y 45 días) se presentó
un grado de asociación mayor en la moléculas y una mayor humificación. Con
respecto a la parte final del proceso (60 días) se observa menor complejidad en
las moléculas y por lo tanto menor grado de humificación.
Cuadro 1. Relación E4/E6 de la materia orgánica soluble en los diferentes
tiempos de vermicomposteo.
Tiempo de
E4 (465nm)
vermicomposteo
15 días
0.533
30 días
1.000
45 días
0.436
60 días
1.155
E6 (665nm)
E4/E6 nm
0.194
0.253
0.208
0.225
2.74
3.95
2.09
6.88
La espectroscopia de IR ha sido aplicada frecuentemente al estudio de
materiales de suelos con el propósito de obtener información sobre la
naturaleza de los grupos funcionales. Los IR obtenidos en este estudio
presentan una banda muy ancha a los 3400 cm-1 que se atribuye a grupos
alcohólicos (O-H de grupos carboxilo e hidroxilo), una banda no bien definida a
los 2920 cm-1 corresponde grupos alifáticos (vibración C=O de ácidos
carboxílicos y cetonas), posterior a esto, aparece un hombro a los 1720 cm-1
que corresponde a ácidos carboxílicos, una banda bien definida a los 1650 cm-1
que son vibraciones de enlaces peptídicos, también aparece una banda a los
1380 cm-1 que es parte del triplete de la lignina, la presencia de este pico nos
puede indicar que la descomposición de la materia orgánica está en proceso,
es decir no tenemos la lignina finalmente procesada, y finalmente alrededor de
1030-1060 cm-1 aparece un sistema de bandas de considerable intensidad
propias de carbohidratos, un pico importante y que no suele verse es el de
1510 cm-1 en donde aparecen vibraciones de anillos aromáticos. Como se
puede observan en la figura 1 los IR para los diferentes tiempos son muy
homogéneos, solo difieren en la longitud del pico ya que algunos picos son mas
prominentes que otros, pero en general tenemos los mismos compuestos a 15,
30, 45 y 60 días, por tanto no se presenta una variación en la formación de
nuevos grupos funcionales durante el vermicomposteo.
4
1060
1250
1720
1605
1380
2960
2360
3400
60 días
45 días
30 días
15 días
3500
3000
2500
2000
1500
Longitud de onda cm-1
1000
Figura 1. Espectros infrarrojos de la materia orgánica soluble en los
diferentes tiempos estudiados.
Las densidades ópticas relativas se obtienen dividiendo las
absorbancias de las diferentes bandas entre una banda fija, en este
caso la obtenida a 2920 cm -1 (tensión C-H alifática), como se observa en
el cuadro 2.
Las densidades ópticas relativas respecto a una banda fija permiten
mostrar datos comparativos entre distintos espectros, los datos obtenidos
señalan que las muestras presentan preferentemente un carácter alifático
(Lugo, 2002; Serrano, 2005).
Las DOR en general en todos los tiempos de vermicomposteo
trabajados (15, 30, 45 y 60 días) muestran una predominancia más alifática que
de los grupos funcionales determiandos.
Cuadro 2. Densidades ópticas relativas de la materia orgánica soluble en los
diferentes tiempos de vermicomposteo.
Picos
3400/2920
2920/2920
1720/2920
1650/2920
1610/2920
1460/2920
1380/2920
1250/2920
1080/2920
1050/2920
DOR(15 días)
1.908
1.000
0.542
1.144
1.318
0.533
0.843
0.704
0.964
0.991
DOR(30 días)
1.594
1.000
0.810
1.304
1.507
1.042
1.005
0.081
0.112
0.115
DOR(45 días)
2.374
1.000
1.329
1.3251.527
0.000
0.747
0.693
0.846
0.915
DOR(60 días)
1.719
1.000
0.625
1.282
1.463
0.000
0.000
0.693
0.846
0.915
5
En el cuadro 3 se muestra la interpretación de los valores
obtenidos de las DOR.
Cuadro 3. Interpretación de las densidades ópticas relativas
Absorbancia/2920 cm-1
< 1 carácter alifático
Absorbancia/2920 cm-1 > 1 dominancia del grupo funcional
CONCLUSIONES
En la primera fase del vermicomposteo se presentó un grado de asociación
mayor en la moléculas y una mayor humificación, y en la parte final se observa
menor complejidad en las moléculas y menor grado de humificación.
No se observaron diferencias en la formación de nuevos compuestos químicos
durante el vermicomposteo.
La vermicomposta es un proceso importante para mejorar la calidad de la
materia orgánica ya que esta en mas fácilmente degrada por los organismos
del suelo.
REFERENCIAS
Almendros G. y Dorado J. (1999). Structural factors related to the
biodegradability of laboratory-modified humic acid preparations. Eur. J.Soil sci.
50:227-236.
Boyle M., Paul, E.A., (1989). Carbon and nitrogen mineralization kinetics in soil
previously amended with sewage sludge soil. Soil Science Society of America
Journal (53) 99-103.
Calace N., Liberatori A., Petronio B.B., Pitroletti M., (2001). Characteristics of
different molecular weight fractions of organic matter in landfill leachate and
their role in soli sorption of heavy metals. Environ. Pollut. 113: 331-339.
Chen W., Tan S. K., Tay J.H. (1977). Distribution Factional composition and
realese of sediment-bound hearvy metals in trofical researvoirs.Wat Air and soil
Pollut. 92:273-287.
Chefetz B., Tarchitzky J., Ashish P., Desmukh P., Hatcher G y Chen Y.( 2002).
Characterization of soilorganic matter amd humic acids in particle-size fractions
of an agriculture soils. Soil Sci. Soc. Am.J. 66: 129-141.
Duchaufour P. (1984). Edafología edafogénesis y clasificación. Masson.
Barcelona.493 pp.
Kononova M.M. (1983). Soil Organic Mater. Pergamon Press. London. 450 p.
Kumada K., Sato, O (1980). Characteristics of the green fraction of P type
humic acids. Soil Sci.Plant Nutr. 8: 309-316.
Lugo de la F. J. (2002). Dinámica de los metales pesados en el sistema suelosedimento-fracción húmica y arcillosa en la cuneca alta y media del rió Lerma.
Tesis Doctoral. Facultad de Ciencias. UNAM.
Sanders J.R. y McGrath S.P., (1988) Experimental measurements and
computer prediction of copper complex formation by soluble soil organic matter.
Environ. Pollut. 49; 63-76.
Schnitzer M (1991) Soil organic matter – The next 75 years. Soil Sci. 151: 41-58
6
Schnitzer M. y Khan, S.U. (1978). Soil organic matter. Eviswer Sc. Public. Co
319cc.
Serrano G. N. (2005). Cambios mineralógicos orgánicos en un suelo forestal
afectado por un incendio. Tesis de Título Facultad de Ciencias UAEMex.
Solomon D,. Fritzsche F., Tekaling M., Lehmann J. y Zech W. (2002) Soil
organic matter composition in the subhumid Ethiopian highlands as influenced
by deforestation and agricultural management. Soil Soc. Am.J. 66: 68-82.
Traina S.J., Novaj,J., Smeck, N.E. (1990) An Ultraviolet absorbente method of
estimating the percent aromatic carbon content humic acids. Journal of
Enviromental Quality 19,151-153.
;
7