Ubicación de la zona de estudio

El lugar donde se realizó la investigación fue en las instalaciones de la empresa PURUMA S.R.L. ubicada en el distrito 2 de la cuidad de Viacha, especificaciones geográficas se describen en la Tabla 1.

Tabla 1 Ubicación de las cajas de composteras. 

Las temperaturas máximas a lo largo del año son de 16 a 19 ºC con un temperatura promedio de 11.5 ºC de noviembre a marzo y de 4ºC en el mes de junio a octubre (^{Alvarez, 2007}). De acuerdo a datos del ^{Carlos y Mamani (2018}) en la estación de Viacha la precipitación media anual es de 573.29 mm H2O.

Materiales

Se elaboraron composteras horizontales realizados por ^{Román et al. (2013}) con aberturas en las paredes laterales para asegurar una ventilación natural, con capacidad de aproximadamente de 30 kg de material, los cuales fueron monitoreados en un ambiente semi- controlado.

Metodología

Para la presente investigación se llevaron a cabo cuatro tratamientos, seleccionados con base en una revisión de diversas fuentes bibliográficas (^{Loayza, 2020}; ^{Restrepo, 2020}; ^{Zamora, 2018}). Para dar inicio a la investigación se realizó una mezcla de residuos sólidos orgánicos de origen vegetal provenientes de cocina de restaurantes, así también se incorporó como material estructurante; paja, tallos de flores y hojas con la función de mantener la humedad y dar estructura a la mezcla (Liu, 2015). Se llevó a cabo la inoculación con diferentes dosis de microorganismos eficientes, aplicadas según los siguientes tratamientos: T1 (0 L de EM/5 L de H2O), T2 (0.1 L de EM/5 L de H2O), T3 (0.5 L de EM/5 L de H2O) y T4 (1 L de EM/5 L de H2O).

Finalmente, se realizó el análisis químico del material inicial en el laboratorio Agrícola-Ambiental "La Casa del Agricultor", de la empresa PURUMA “Agricultura Regenerativa”. A continuación, se presenta la composición química del material inicial analizado.

Tabla 2. Composición química del material inicial para el compostaje.

La activación del microorganismo eficientes se realizó por medio de un biopreparado proviene del desarrollo de las bacterias fotosintéticas, acido lácticas y levaduras en un medio de cultivo nutritivo (^{Restrepo, 2020}). Para el conteo de microrganismos por el método directo se usó la cámara de Neubauer (^{Arredondo y Voltolina, 2014}), los resultados de la población microbiana se presentan en la Tabla 3:

Tabla 3 Población de microorganismos eficientes (EM) por tratamiento. 

La tabla muestra el total poblacional por clase de microorganismo (lactobacilos, levaduras y fototroficas) por dilución de cada tratamiento.

El control de temperatura se evaluó con un termómetro digital en los bloques a 30 y 40 cm de profundidad, con una frecuencia de tres veces al día, durante todo el tiempo del proceso de compostaje. Los niveles de humedad de las mezclas se monitorearon cada 20 días en laboratorio y se ajustaron agregando la cantidad de agua necesaria para obtener valores de; 50-60 % al comienzo del proceso, de 45-55 % en la fase termófila y de 30-40 % de materia seca en la etapa de maduración (^{Román et al., 2013}).

Para la toma de muestras, se realizó el levantamiento de tres distintos puntos de las cajas composteras obteniendo una muestra representativa de aproximadamente 0.5 kg cada uno por tratamiento. Los parámetros como el contenido de pH y conductividad eléctrica de las muestras de compostaje se determinó por el método potenciométrico en una relación de (1:5), el contenido de materia orgánica se analizó por ignición a 550 ºC (^{Sazawka et al., 2005}). El nitrógeno total se determinó por el método Kjeldahl y el amonio y nitratos por el método de ion selectivo (^{Arango y Perez, 2005}), las concentraciones de CO2 emitidas se determinó por incubación y captura con NaOH (1N) (^{FAO, 2023}).

El diseño experimental se llevó a cabo utilizando un Diseño Completamente al Azar (DCA), con cuatro tratamientos y tres repeticiones, para un total de 12 unidades experimentales. Los resultados obtenidos fueron analizados mediante un análisis de varianza (ANOVA). Las variables a tomar en cuenta fueron temperatura, coliformes totales y fecales, pH, Conductividad, carbono orgánico total, nitrógeno total, nitratos, amonio y emisiones de CO2.

Comportamiento térmico durante el compostaje

La fluctuación de temperatura durante el proceso de compostaje ocurre principalmente por 4 fases: fase Mesofila, fase termófila, fase de enfriamiento o mesofila II y fase de maduración (Figura 1). la fase mesofila ocurre los primeros dos días donde observamos un ascenso de la temperatura hasta los 45 ºC (^{Román et al., 2013}). El rápido aumento de la temperatura es debido a una alta cantidad de sustancias de fácil degradación en la materia prima (^{Che et al., 2013}).

La fase termófila se caracteriza principalmente por la sucesión de microorganismos mesofilos por microorganismos termófilos (^{Mahapatra et al., 2022}). Como se observa en la Figura 1 el tratamiento testigo (T1) permaneció durante tres días en la etapa termófila, alcanzando una temperatura máxima de 56.9 ºC demostrando una evolución lenta de temperatura a diferencia de los tratamientos con inoculo microbiano (T2, T3, T4), los cuales permanecieron 10 días en esta fase, alcanzando temperaturas superiores a los 60 ºC. Esto se explica por la riqueza de microorganismos existentes en los tratamientos inoculados, provocando un ataque a la materia orgánica fácilmente degradable (^{Fan et al., 2017}; ^{Jimenez y Pérez, 1991}), el calor fue causado por la respiración y degradación del compost por la población de microorganismos (^{Che et al., 2013}) Varios autores coinciden en que la fase termófila debe mantenerse al menos durante 10 días y el nivel óptimo debe estar entre los 60 y 70 ºC para destruir patógenos de origen fecal como coliformes fecales y eschericha coli (Jimenez y Pérez, 1991; ^{Román et al., 2013}) demostrando lo mencionado en la Tabla 4.

Así también, en los tratamientos se evidenció a los seis días un descenso de temperatura por lo cual se procedió a un volteo, esto con el fin de proporcionar oxígeno a los microorganismo y su actividad no se vea afectada por procesos de anaerobiosis (^{Cayuela et al., 2008}). Este periodo termófilo en los tratamientos T2, T3 y T4, así como el número de volteos (llevado a cabo por el criterio de disminución de temperatura), fue suficiente para la destrucción de patógenos como se vio reflejado en los resultados de análisis de coliformes totales y fecales al final del compostaje (Tabla 4).

Cuando la temperatura empieza a descender desde los 45 ºC inicia la fase de enfriamiento o mesofila II debido a que la actividad microbiana disminuye, esto por el agotamiento de fuentes de carbono disponible, así también los microorganismo termófilos son sustituidos por los mesofilos y aparecen algunos hongos visible (^{Román et al., 2013}) como se puede ver en la Figura 1 la temperatura empezó a disminuir para el tratamiento testigo a partir de los cinco días desde el inicio de compostaje a diferencia de los demás tratamientos que fue después de los 13 días del inicio, la cual tuvo una duración de cuatro semanas y cuatro días. Muchos autores han señalado la importancia de esta fase mesofila (y una posterior fase de maduración) debido a su desarrollo de eumicetos y actinomicetos mesofilos, los cuales son muy activos durante la degradación de la celulosa y la lignina (^{de Bertoldi et al., 1983}).

Finalmente, cabe mencionar que la actividad microbiana se evidencia además por el hecho de que las curvas de temperatura se mantuvieron por encima de la temperatura ambiente durante el periodo de 43 días. Cuando las temperaturas de los tratamientos alcanzaron la temperatura ambiente, significo el inicio la fase de maduración con una duración de nueve semanas, esta fase es caracterizada por tener una duración de meses donde se producen reacciones secundarias de condensación y polimerización de compuestos carbonatados para formar ácidos húmicos y fúlvicos (^{Román et al., 2013}).

Figura 6. Evolución de la temperatura promedio durante el compostaje y la temperatura ambiente.

Higienización

Las temperaturas alcanzadas por los tratamientos (mayores a 55ºC) tuvieron efecto sobre la higienización de los compost. Sin embargo, se observa menor contenido de coliformes totales en el tratamiento T4 y nula en los coliformes fecales en los tratamientos T2, T3 y T4 y no así, en el tratamiento T1 con presencia de coliformes fecales, esto debido a que los tratamientos con inoculante microbiano se encontraron mayor tiempo en la fase termófila a diferencia del tratamiento testigo (Tabla 4).

Tabla 4 Comparación de contenido de patógenos por tratamiento. 

Variación del pH y conductividad eléctrica en el proceso de compostaje

Al igual que la temperatura, el pH puede ser un indicador de la evolución de la fase biooxidativa y el desarrollo microbiano (^{Jimenez y Pérez, 1991}) como se observa en la Figura 2 los tratamientos siguen modelos comunes descrito por varios autores para el compostaje de residuos orgánicos urbanos (^{Bueno et al., 2017}; Jimenez y Pérez, 1991), empiezan con un pH moderadamente acido, posteriormente a medida que aumenta la temperatura el pH aumenta gradualmente hasta 9-10 principalmente por la intensa actividad microbiana y la degradación metabólica de ácidos orgánicos y, además por la proteólisis intensiva que libera compuestos de amoniaco (Jimenez y Pérez, 1991; ^{Sánchez-Monedero et al., 2001}). La solubilización del amoniaco condujo a la formación de amonio y a un aumento de pH especialmente en los tratamientos T2 y T3, donde los valores aumentaron hasta 10.08 y 10.04, respectivamente. Sin embargo, una vez iniciada la nitrificación después de la etapa termófila, el pH desciende ligeramente durante la etapa de enfriamiento y maduración hasta valores de 9 y 8 en los tratamientos T2, T3, y T4.

Por otro lado, la conductividad eléctrica determina la concentración de sales solubles presentes en el compost (^{Paredes et al., 2020}). Como se puede apreciar en la Figura 2 se ha evidenciado la misma tendencia de valores elevados en los cuatro tratamientos, los cuales se igualan a los valores obtenidos de conductividad eléctrica del compost elaborados por Paredes et al. (2020) y ^{Vázquez y Loli (2018}). Sin embargo, se evidencia en la Figura 2 que el tratamiento testigo (T1) al final de proceso presenta un valor de 6.07 dS m^-1, así mismo, los tratamientos T2 y T3 presentan valores de 5.89 y 5.85 respectivamente y el tratamiento T4 con 4.78 dS m^-1 de conductividad eléctrica al final de compost. Es así que, ^{Shilev et al. (2007}) sugiere que la conductividad eléctrica debería ser inferior a los 4 dS m^-1 y la normativa española (^{BOE, 2013}) indica que la conductividad eléctrica del compost final se encontraría dentro los 3.39 a 5.23 dS m^-1, así mismo, ^{Madrid et al. (2000}) recomiendan cuando la conductividad eléctrica superan los a 5.5 dS m^-1, se debe prolongar el período de compostaje para disminuir el contenido de sales. Por lo tanto, en base a lo descrito por Madrid et al. (2000) a estos resultados los tratamientos T1, T2 y T3 requerirían mayor tiempo de proceso de descomposición.

Figura 2 Evolución de la conductividad eléctrica (dS m^-1) y el pH en el proceso de compostaje. T1= 0L EM/5L H2O (A); T2= 0.1L EM/5L H2O (B); T3= 0.5L EM/5L H2O (C); T4= 1L EM/5L H2O (D). 

Comportamiento de carbono orgánico total en el proceso de compostaje

^{Bueno et al. (2017}) mencionaron que el descenso del carbono orgánico llegaría a representar casi un 20 %, esto debido a su mineralización y a la pérdida de carbono en forma de CO2 por acción de los microrganismos (^{Awasthi et al., 2015}). Algunos de los microrganismos más importantes en compost y en el inoculante microbiano son las actinobacterias; Streptomyces thermovulgaris,Actinobifida chromogena, Thermoactinomyces vulgaris (^{Insam y de Bertoldi, 2007}) las cuales tienen la capacidad de crecer en altas temperaturas y degradar compuestos complejos, son grupos que crecen principalmente en la fase termófila (^{Sánchez et al., 2017}). En la Figura 3 se puede apreciar que la diminución de carbono orgánico total (TOC), del 23 % para el tratamiento T4 y del 14 % para T1, estos valores son similares a lo reportado por (^{Che et al., 2013}). La rapidez de transformación del carbono orgánico depende de su naturaleza física y química de los microorganismos que intervienen y de las condiciones físicas y químicas del proceso (^{Frederick et al., 2004}). Así mismo según el análisis de varianza indico que la aplicación de mayor dosis de EM tuvo una diferencia significativa (p<0.05) en el compost, lo que significa que el tratamiento T4 perdió más carbono que los tratamiento T1, T2 y T3.

Figura 7 Comportamiento del carbono orgánico total en el proceso de compostaje. 

Variación del nitrógeno total (N), amonio (NH4-N) y nitratos (NH3-N) en el proceso de compostaje

El incremento progresivo en los cuatro tratamientos del nitrógeno total según ^{Awasthi et al. (2015}) se debe a la pérdida neta de la masa ocasionado por la pérdida de carbono en forma de CO2 y a la actividad de las bacterias aeróbicas fijadoras de nitrógeno presentes en el compost, principalmente asociadas con la etapa mesofila: Azospirillum, Enterobacter, Bacillus, Clostridium (^{Insam y de Bertoldi, 2007}; ^{Sánchez et al., 2017}). Aunque también ocurre pérdida de N por lixiviación de NO3-N y volatilización de NH3 (^{Che et al., 2013}). En la Figura 4(a) se observa que a partir de la segunda semana en los tratamientos T2, T3 y T4, los niveles de nitrógeno se elevaron por encima del tratamiento testigo, debido a la actividad de las bacterias presentes en el inoculante microbiano, estos microorganismos (R. sphaeroides) se encuentran dentro de la familia de las bacterias fotosintéticas, identificados en el consorcio microbiano (Tabla 3), siendo su principal actividad la de fijar nitrógeno (^{Leiva y Tanya, 2019}; ^{Pérez et al., 2015}; Sánchez et al., 2017). El comportamiento del nitrógeno total de los tratamientos con inoculante microbiano concuerdan con los trabajos de investigaciones realizadas por Che et al., (2013); ^{Goyal et al. (2005}); ^{Medina (2013}); ^{Paredes et al. (1996}); ^{Sánchez-Monedero et al. (2001}); ^{Sharma y Sharma (2014}).

Figura 8. Cambios de los comportamientos químicos del N total (A); NH4-N (B) y N03-N (C), durante el proceso de composta. T1=Tratamiento 1 con 0L/5L H2O; T2=Tratamiento 2 con 0.1L/5L H2O; T3=Tratamiento 3 con 0.5L /5L H2O; T4=Tratamiento 4 con 1L /5L H2O.

^{Brinton et al. (2000}) explican el comportamiento del nitrógeno orgánico, en las primeras etapas del compostaje; los microorganismos termófilos convierten el N orgánico en N de amonio por procesos de amonifiación, a medida que el proceso continúa las concentraciones de amonio por procesos de oxidación descienden y los nitratos aumentan como se ve en la Figura 4(b) y 4(c).

Las mayores concentraciones de NH4-N se produjeron hasta los 20 días, cuando la mineralización del carbono orgánico es más intensa, a partir de este día, se observó la reducción de NH4-N y el ascenso de NO3- N debido a la oxidación del nitrógeno amoniacal por las bacterias nitrificantes; Bacillus spp. Nitrobacter spp., Nitrosomonas spp., Nitrospira spp., Nitrosococcus spp., Nitrosolobus spp., Nitrococcus spp. (^{Sánchez et al., 2017}), este proceso ocurre cuando la temperatura del compost es inferior a los 40ºC (^{Tisdale et al., 1987}). Así también, la concentración más baja de NH4-N se observa en el T1 esto del resultado de la menor intensidad de degradación de la MO, los tratamientos T2 y T3 cuentan con una notoria disminución de NH4-N después de los 20 días debido a la perdida amonio por pH elevados (Figura 2) (^{Sánchez-Monedero et al., 2001}). El T4 al presentar mayor contenido de NH4-N experimenta un mayor grado de nitrificación (131.50 ppm) al final de proceso a diferencia de las concentraciones finales de los demás tratamientos. Comportamientos muy similares en NH4-N tuvo la investigación realizada por ^{Soliva y Lopez (2004}) obteniendo en sus tratamientos valores superiores a los 3 000 ppm los primeros 20 días e inferiores a los 1 000 ppm después de los 90 días de compostaje.

Finalmente ^{Sullivan y Miller (2020}) indican que el amonio y el nitrato son parámetros de control que pueden indicar la madurez de compost. Normalmente, en los compost inmaduros el nivel de Nitrato supera los niveles de amonio (^{Brinton et al., 2000}). Algunos autores como ^{Ansorena (1994}) y Fortis-Hernández et al. (2012) recomiendan que el valor de concentración de nitratos sea de al menos 100 ppm y no excedan las 300 ppm lo que se consideraría un compost maduro. Por otro lado, Bernal et al. (1998) indica que el valor máximo es de 400 ppm. En cuanto al amonio ^{Radovich y Arancon (2011}) indica que la concentración de amonio debe ser inferior a los 1 000 ppm.

Variación de la relación de C/N en el proceso de compostaje

La relación carbono orgánico total y nitrógeno total de la mezcla de residuos a compostar es uno de los indicadores más utilizados para estudiar la evolución de la materia orgánica durante el proceso compostaje, como se puede ver en la Figura 5, los valores iniciales de relación C/N se encuentran en el rango adecuado (15:1 - 35:1) para el inicio de compostaje. Al inicio del compostaje los microorganismos consumen entre el 15 y 30 % más carbono que el nitrógeno. Por lo tanto, una relación 30:1 se considera favorable (^{Soto y Muñoz, 2002}). Para todos los tratamientos de compost se disminuyó significativamente esta relación, con el tiempo y comenzó a estabilizarse a partir de los 40 días lo que representa la pérdida de materia orgánica o de carbono en forma de dióxido de carbono y al aumento del nitrógeno por a la actividad de las bacterias aeróbicas fijadoras de nitrógeno presentes en el compost (^{Insam y de Bertoldi, 2007}; ^{Sánchez et al., 2017}). El valor obtenido de los tratamientos (T2, T3, T4) con EM son similares a los valores obtenidos por ^{Fan et al. (2017}) en compost con microorganismo eficientes.

Figura 9. Relación C/N en el proceso de compostaje.

Variación de la emisión de Dióxido de Carbono (CO2) en el proceso de compostaje

En la Figura 6 se puede evidenciar que durante los primeros 30 días que dura la fase termófila y parte de la etapa mesofila descendiente, existe mayores emisiones de CO2 esto se debe a que existe mayor actividad biológica, por lo tanto, mayor degradación y conversión del carbono orgánico en CO2. Se puede observar que el tratamiento T4 existe un mayor desprendimiento de CO2 en la primera fase del compostaje, lo que significa que el tratamiento perdió más carbono que el T1 y un descenso abrupto en la fase de enfriamiento esto se debe a que a partir de los 50 días existe material orgánico estabilizado.

Figura 6. Curvas de emisiones de CO2 durante el proceso de compostaje.

Los valores presentados en la Figura 7 concuerdan con lo que menciona ^{Velasco-Velasco et al. (2004}) quienes afirmaron que a mayor temperatura mayor producción de CO2 confirmado con lo obtenido ya que el coeficiente de correlación, en el caso de los cuatro tratamiento dio el valor de >0.80, número que según ^{Alvarez y Huayta (2008}) se considera que existe una correlación entre las emisiones de CO2 vs la temperatura (Figura 7).

Figura 10 Correlación de emisiones de CO2 y Temperatura. La correlación entre las emisiones de CO2 vs Temperatura del compost donde del T1 (A), T2 (B), T3 (C) y T4 (D) evidenciando la relación con la temperatura del compost.