Valorización de subproductos agrícolas y forestales como sustratos de cultivo en el estado de Oaxaca (México)

El presente trabajo aborda el aprovechamiento de algunos subproductos agrícolas (bagazo de maguey y fibra de coco) y forestales (corteza de pino) en el Estado de Oaxaca (Sur de México). El objetivo principal se centra en localizar, cuantificar y caracterizar estos con vistas a su aplicación como sustratos o componentes de sustratos en cultivos ornamentales, forestales y hortícolas, y a su uso como enmiendas en cultivos tipo. Así mismo se persigue reducir el uso de la turba y la tierra de monte como sustratos mayoritarios en la actualidad. Para la localización de los subproductos se utilizaron los datos de los registros parcelarios de los productores de coco para la obtención de copra (generadores de fibra de coco) de la región costa y de los productores de mezcal (generadores del residuo de bagazo de maguey) de la región valles centrales, así como las ubicaciones de los aserraderos forestales en el Estado de Oaxaca. Se emplea un Sistema de Información Geográfica (SIG) con una cartografía digitalizada de los elementos del medio (clima, geología y suelo), de los cultivos generadores (bagazo de maguey, fibra de coco y corteza de pino), de la agricultura protegida como receptora (tomate) y de la agricultura extensiva con cultivos receptores de enmienda (café, hule, limón, mango, palma de coco y maguey). La producción anual de los residuos se cartografía y cuantifica con los siguientes resultados: bagazo de maguey 624.000 t, fibra de coco 86.000 m3 y 72.000 t de corteza de pino. Mediante el estudio de las características de los suelos de los cultivos receptores y de los requerimientos de materia orgánica de cada cultivo se calcularon las necesidades totales de materia orgánica para cada suelo. Los resultados de las cantidades globales para cada cultivo en todo el Estado muestran una necesidad total de 3.112.000 t de materia orgánica como enmienda. Con los datos obtenidos y a través de un algoritmo matemático se realiza una propuesta de localización de dos plantas de compostaje (de bagazo de maguey y fibra de coco) y cuatro plantas de compostaje de corteza de pino. Con el fin de conocer los subproductos a valorizar como sustrato o componente de sustrato se caracteriza su composición física‐química, siguiendo Normas UNE‐EN, y se analizan mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN). Para el acondicionamiento de bagazo de maguey y la corteza de pino se realizaron ensayos de compostaje. Al final de 241 días la temperatura y la humedad de ambos procesos se encontraban en los rangos recomendados, indicando que los materiales estaban estabilizados y con calidad para ser utilizados como sustrato o componente de sustrato. Para la fibra de coco se realizó el proceso de molienda en seco de conchas de coco provenientes de la comunidad de Río Grande Oaxaca (Principal zona productora de copra en Oaxaca). Posteriormente se emplean los materiales obtenidos como componentes para sustratos de cultivo. Se estudia el compost de bagazo de maguey y siete mezclas; el compost de corteza de pino y ocho mezclas y la fibra de coco con tres mezclas. Estos sustratos alternativos permiten obtener mezclas y reducir el uso de la tierra de monte, turba, arcilla expandida y vermiculita, siendo por tanto una alternativa sostenible para la producción en invernadero. Se elaboraron mezclas especificas para el cultivo de Lilium hibrido asiático y oriental (siete mezclas), sustratos eco‐compatibles para cultivo de tomate (nueve mezclas), para la producción de planta forestal (siete mezclas) y para la producción de plántula hortícola (ocho mezclas). Como resultados más destacados del bagazo de maguey, corteza de pino y las mezclas obtenidas se resume lo siguiente: el bagazo de maguey, con volúmenes crecientes de turba (20, 30, 50 y 60 %) y la corteza de pino, con volúmenes de turba 40 y 60%, presentan valores muy recomendados de porosidad, capacidad de aireación, capacidad de retención de humedad y equilibrio agua‐aire. Para la fibra de coco, la procedente de Río Grande presenta mejor valoración que la muestra comercial de fibra de coco de Morelos. Por último se llevó a cabo la evaluación agronómica de los sustratos‐mezclas, realizando cinco experimentos por separado, estudiando el desarrollo vegetal de cultivos tipo, que se concretan en los siguientes ensayos: 1. Producción de Lilium asiático y oriental en cama para flor de corte; 2. Producción de Lilium oriental en contenedor para flor de corte; 3. Producción de plántula forestal (Pinus greggii E y Pinus oaxacana M); 4. Producción de tomate (Solanum lycopersicum L) y 5. Producción de plántula de tomate en semillero (Solanum lycopersicum L). En relación a la producción de Lilium hibrido asiático en cama los sustratos corteza de pino (CPTU 80:20 v/v), corteza de pino + sustrato comercial (CPSC 80:20 v/v) y corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) presentan los mejores resultados. Dichos sustratos también presentan adecuados resultados para Lilium hibrido oriental con excepción de la corteza de pino + turba (CPTU 80:20 v/v). En la producción de Lilium hibrido oriental en contenedor para flor de corte, además de los sustratos de CPSC y CPTAEV2, la mezcla de corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV 70:20:5:5 v/v) manifestó una respuesta favorable. En el ensayo de producción de plántulas de Pinus greggii E y Pinus oaxacana Mirov, las mezclas con corteza de pino+turba+arcilla expandida+vermiculita (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) y bagazo de maguey turba+arcilla expandida+vermiculita (BMTAEV2 30:60:5:5 v/v) son una alternativa que permite disminuir el empleo de turba, arcilla expandida y vermiculita, en comparación con el sustrato testigo de turba+arcilla expandida+vermiculita (TAEV 60:30:10 v/v). En la producción de tomate (Solanum lycopersicum L) frente a la utilización actual del serrín sin compostar (SSC), las mezclas alternativas de bagazo de maguey+turba (BMT 70:30 v/v), fibra de coco de Río Grande (FCRG 100v/v) y corteza de pino+turba (CPT 70:30 v/v), presentaron los mejores resultados en rendimientos. Así mismo, en la producción de plántulas de tomate las dos mezclas alternativas de bagazo de maguey+turba+ arcilla expandida+vermiculita (BMTAEV5 50:30:10:10 v/v) y (BMTAEV6 40:40:10:10 v/v) presentaron mejores resultados que los obtenidos en la mezcla comercial (Sunshine 3), mayoritariamente utilizada en México en la producción de plántula de tomate y hortícola. ABSTRACT This paper addresses the use of some agricultural products (maguey bagasse and coconut fiber) and forestry (pine bark) in the State of Oaxaca (southern Mexico). The principal purpose is to locate, quantify and characterize these with the idea of applying them as substrates or substrate components in ornamental crops, forestry, horticultural, and their use as crop amendments. On the other hand, the reduction of peat and forest soil as main substrates is pursued. For the location of the products, registry parcel data from copra producers (coconut fiber generators) of the coastal region and mescal producers (maguey bagasse residue generators) of the central valleys region, as well as the locations of forest mills in the State of Oaxaca. A Geographic Information System (GIS) with digital mapping of environmental factors (climate, geology and soil), crop generators of residues (maguey bagasse, coconut and pine bark) receptors of amendments such as protected agriculture (tomato) and extensive agriculture crops (coffee, rubber, lemon, mango, coconut and agave). The annual production of waste is mapped and quantified with the following results: 624,000t maguey bagasse, coconut fiber 72,000 m3 and 86,000 t of pine bark. Through the study of receiving crops soils properties of and organic matter requirements of each crop, total needs of organic matter for each soil were estimated. The results of the total quantities for each crop across the state show a total of 3,112,000 t of organic matter needed as amendment. Using that data and a mathematical algorithm, the location of two composting plants (agave bagasse and coconut fiber) and four composting plants pine bark was proposed. In order to know the by‐products that were going to be used as substrates or substrate components, their physical‐chemical composition was analyzed following UNE‐EN technics. Furthermore they were analyzed by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). For conditioning of maguey bagasse and pine bark, composting essays were conducted. At the end of 241 days the temperature and humidity of both processes were at the recommended ranges, indicating that the materials were stabilized and had reached the quality to be used as a substrate or substrate component. Coconut shells from the community of Rio Grande Oaxaca (Main copra producing area in Oaxaca) were put through a process of dry milling. Subsequently, the obtained materials were used as components for growing media. We studied the maguey bagasse compost and seven mixtures; the pine bark compost and eight blends and coconut fiber with three mixtures. These alternative substrates allow obtaining mixtures and reduce the use of forest soil, peat, vermiculite and expanded clay, making it a sustainable alternative for greenhouse production. Specific mixtures were prepared for growing Lillium, Asian and eastern hybrids (seven blends), eco‐compatible substrates for tomato (nine mixtures), for producing forest plant (seven mixtures) and for the production of horticultural seedlings (eight mixtures). Results from maguey bagasse, pine bark and mixtures obtained are summarized as follows: the maguey bagasse, with increasing volumes of peat (20, 30, 50 and 60%) and pine bark mixed with 40 and 60% peat by volume, have very recommended values of porosity, aeration capacity, water retention capacity and water‐air balance. Coconut fiber from Rio Grande had better quality than commercial coconut fiber from Morelos. Finally the agronomic evaluation of substrates‐mixtures was carried out conducting five experiments separately: 1. Production of Asiatic and Eastern Lilium in bed for cut flower, 2. Production of oriental Lillium in container for cut flower, 3.Production of forest seedlings (Pinus greggii E and Pinus oaxacana M), 4. Production of tomato (Solanum lycopersicum L) and 5. Tomato seedling production in seedbed (Solanum lycopersicum L). In relation to the production of hybrid Asian Lilium in bed, pine bark substrates (CPTU 80:20 v/v), pine bark + commercial substrate (CPSC 80:20 v/v) and pine bark + peat + expanded clay + vermiculite (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) showed the best results. Such substrates also have adequate results for Lilium Oriental hybrid except pine bark + peat (CPTU 80:20 v / v). In the production of Lilium oriental hybrid container for cut flower, besides the CPSC and CPTAEV2 substrates, the mixture of pine bark + peat + vermiculite expanded clay (CPTAEV 70:20:5:5 v / v) showed a favorable response. In the production of Pinus greggii E and Pinus oaxacana Mirov seedlings trial, mixtures with pine bark + peat + expanded clay + vermiculite (CPTAEV2 30:40:15:15 v/v) and maguey bagasse+ peat+ expanded clay + vermiculite (BMTAEV2 30:60:5:5 v / v) are an alternative which allows reducing the use of peat, vermiculite and expanded clay in comparison with the control substrate made of peat + expanded clay+ vermiculite (60:30 TAEV: 10 v/v). In the production of tomato (Solanum lycopersicum L), alternative mixes of maguey bagasse + peat (BMT 70:30 v/v), coconut fiber from Rio Grande (FCRG 100 v / v) and pine bark + peat (CPT 70:30 v / v) showed the best results in yields versus the current use of sawdust without compost (SSC). Likewise, in the production of tomato seedlings of the two alternative mixtures maguey bagasse + peat expanded clay + vermiculite (BMTAEV5 50:30:10:10 v/v) and (BMTAEV6 40:40:10:10 v/v) had better results than those obtained in the commercial mixture (Sunshine 3), mainly used in Mexico in tomato seedling production and horticulture.

Sewage sludge gasification. Dolomite performance under different operating conditions

Gasification is a technology that can replace traditional management alternatives used up to date to deal with this waste (landfilling, composting and incineration) and which fulfils the social, environmental and legislative requirements. The main products of sewage sludge gasification are permanent gases (useful to generate energy or to be used as raw material in chemical synthesis processes), liquids (tars) and char. One of the main problems to be solved in gasification is tar production. Tars are organic impurities which can condense at relatively high temperatures making impossible to use the produced gases for most applications. This work deals with the effect of some primary tar removal processes (performed inside the gasifier) on sewage sludge gasification products. For this purpose, analysis of the gas composition, tar production, cold gas efficiency and carbon conversion were carried out. The tests were performed with air in a laboratory scale plant consisting mainly of a bubbling bed gasifier. No catalyzed and catalyzed (10% wt of dolomite in the bed and in the feeding) tests were carried out at different temperatures (750ºC, 800ºC and 850ºC) in order to know the effect of these parameters in the gasification products. As far as tars were concerned, qualitative and quantitative tar composition was determined. In all tests the Equivalence Ratio (ER) was kept at 0.3. Temperature is one of the most influential variables in sewage sludge gasification. Higher temperatures favoured hydrogen and CO production while CO2 content decreased, which might be partially explained by the effect of the cracking, Boudouard and CO2 reforming reactions. At 850ºC, cold gas efficiency and carbon conversion reached 49% and 76%, respectively. The presence of dolomite as catalyst increased the production of H2 reaching contents of 15.5% by volume at 850 °C. Similar behaviour was found for CO whereas CO2 and CnHm (light hydrocarbons) production decreased. In the presence of dolomite, a tar reduction of up to 51% was reached in comparison with no catalyzed tests, as well as improvements on cold gas efficiency and carbon conversion. Several assays were developed in order to test catalyst performance under more rough gasification conditions. For this purpose, the throughput value (TR), defined as kg sludge “as received” fed to the gasifier per hour and per m2 of cross sectional area of the gasifier, was modified. Specifically, the TR values used were 110 (reference value), 215 and 322 kg/h·m2. When TR increased, the H2, CO and CH4 production decreased while the CO2 and the CnHm production increased. Tar production increased drastically with TR during no catalysed tests what is related to the lower residence time of the gas inside the reactor. Nevertheless, even at TR=322 kg/h·m2, tar production decreased by nearly 50% with in-bed use of dolomite in comparison with no catalyzed assays under the same operating conditions. Regarding relative tar composition, there was an increase in benzene and naphthalene content when temperature increased while the content of the rest of compounds decreased. The dolomite seemed to be effective all over the range of molecular weight studied showing tar removal efficiencies between 35-55% in most cases. High values of the TR caused a significant increase in tar production but a slight effect on tar composition.

Physical characterization of growing media using standard methods (CEN)- Limitations of Applicability for pine bark and vermiculite

CEN standards have helped to harmonize analytical methods for substrate analysis.Though, for special substrates or constituents the applicability might be Iimited. In this paper a comparative study of implementation of CEN standards to samples of pine bark and vermiculite has been carried out. For composted pine bark, an elongation of the equilibrium period up to 72 instead of 48 hours might increase the accuracy of determinations physical parameters according to EN 13041. For vermiculite, we suggest pycnometry as a feasible technique for the determination of particle density (PD), as the determination of organic matter (OM) as requested by EN 13041 for the calculation of the PD seems not to be applicable for this kind of material.

Yield, nutrient utilization and soil properties in a melon crop amended with wine-distillery waste

In Spain, large quantities of wine are produced every year (3,339,700 tonnes in 2011) (FAO, 2011) with the consequent waste generation. During the winemaking process, solid residues like grape stalks are generated, as well as grape marc and wine lees as by-products. According to the Council Regulation (EC) 1493/1999 on the common organization of the wine market, by-products coming from the winery industry must be sent to alcohol-distilleries to generate exhausted grape marc and vinasses. With an adequate composting treatment, these wastes can be applied to soils as a source of nutrients and organic matter. A three-year field experiment (2011, 2012 and 2013) was carried out in Ciudad Real (central Spain) to study the effects of wine-distillery waste compost application in a melon crop (Cucumis melo L.). Melon crop has been traditionally cultivated in this area with high inputs of water and fertilizers, but no antecedents of application of winery wastes are known. In a randomized complete block design, four treatments were compared: three compost doses consisted of 6.7 (D1), 13.3 (D2) and 20 t compost ha-1 (D3), and a control treatment without compost addition (D0). The soil was a shallow sandy-loam (Petrocalcic Palexeralfs) with a depth of 0.60 m and a discontinuous petrocalcic horizon between 0.60 and 0.70 m, slightly basic (pH 8.4), poor in organic matter (0.24%), rich in potassium (410 ppm) and with a medium level of phosphorus (22.1 ppm). During each growing period four harvests were carried out and total and marketable yield (fruits weighting <1 kg or visually rotten were not considered), fruit average weight and fruit number per plant were determined. At the end of the crop cycle, four plants per treatment were sampled and the nutrient content (N, P and K) was determined. Soil samplings (0-30 cm depth) were carried before the application of compost and at the end of each growing season and available N and P, as well as exchangeable K content were analyzed. With this information, an integrated analysis was carried out with the aim to evaluate the suitability of this compost as organic amendment.

Agricultural use of organic wastes as source of nitrogen and phosphorus: risks and opportunities

El nitrógeno (N) y el fósforo (P) son nutrientes esenciales en la producción de cultivos. El desarrollo de los fertilizantes de síntesis durante el siglo XX permitió una intensificación de la agricultura y un aumento de las producciones pero a su vez el gran input de nutrientes ha resultado en algunos casos en sistemas poco eficientes incrementando las pérdidas de estos nutrientes al medio ambiente. En el caso del P, este problema se agrava debido a la escasez de reservas de roca fosfórica necesaria para la fabricación de fertilizantes fosfatados. La utilización de residuos orgánicos en agricultura como fuente de N y P es una buena opción de manejo que permite valorizar la gran cantidad de residuos que se generan. Sin embargo, es importante conocer los procesos que se producen en el suelo tras la aplicación de los mismos, ya que influyen en la disponibilidad de nutrientes que pueden ser utilizados por el cultivo así como en las pérdidas de nutrientes de los agrosistemas que pueden ocasionar problemas de contaminación. Aunque la dinámica del N en el suelo ha sido más estudiada que la del P, los problemas importantes de contaminación por nitratos en zonas vulnerables hacen necesaria la evaluación de aquellas prácticas de manejo que pudieran agravar esta situación, y en el caso de los residuos orgánicos, la evaluación de la respuesta agronómica y medioambiental de la aplicación de materiales con un alto contenido en N (como los residuos procedentes de la industria vinícola y alcoholera). En cuanto al P, debido a la mayor complejidad de su ciclo y de las reacciones que ocurren en el suelo, hay un mayor desconocimiento de los factores que influyen en su dinámica en los sistemas suelo-planta, lo que supone nuevas oportunidades de estudio en la evaluación del uso agrícola de los residuos orgánicos. Teniendo en cuenta los conocimientos previos sobre cada nutriente así como las necesidades específicas en el estudio de los mismos, en esta Tesis se han evaluado: (1) el efecto de la aplicación de residuos procedentes de la industria vinícola y alcoholera en la dinámica del N desde el punto de vista agronómico y medioambiental en una zona vulnerable a la contaminación por nitratos; y (2) los factores que influyen en la disponibilidad de P en el suelo tras la aplicación de residuos orgánicos. Para ello se han llevado a cabo incubaciones de laboratorio así como ensayos de campo que permitieran evaluar la dinámica de estos nutrientes en condiciones reales. Las incubaciones de suelo en condiciones controladas de humedad y temperatura para determinar el N mineralizado se utilizan habitualmente para estimar la disponibilidad de N para el cultivo así como el riesgo medioambiental. Por ello se llevó a cabo una incubación en laboratorio para conocer la velocidad de mineralización de N de un compost obtenido a partir de residuos de la industria vinícola y alcoholera, ampliamente distribuida en Castilla-La Mancha, región con problemas importantes de contaminación de acuíferos por nitratos. Se probaron tres dosis crecientes de compost correspondientes a 230, 460 y 690 kg de N total por hectárea que se mezclaron con un suelo franco arcillo arenoso de la zona. La evolución del N mineral en el suelo a lo largo del tiempo se ajustó a un modelo de regresión no lineal, obteniendo valores bajos de N potencialmente mineralizable y bajas contantes de mineralización, lo que indica que se trata de un material resistente a la mineralización y con una lenta liberación de N en el suelo, mineralizándose tan solo 1.61, 1.33 y 1.21% del N total aplicado con cada dosis creciente de compost (para un periodo de seis meses). Por otra parte, la mineralización de N tras la aplicación de este material también se evaluó en condiciones de campo, mediante la elaboración de un balance de N durante dos ciclos de cultivo (2011 y 2012) de melón bajo riego por goteo, cultivo y manejo agrícola muy característicos de la zona de estudio. Las constantes de mineralización obtenidas en el laboratorio se ajustaron a las temperaturas reales en campo para predecir el N mineralizado en campo durante el ciclo de cultivo del melón, sin embargo este modelo generalmente sobreestimaba el N mineralizado observado en campo, por la influencia de otros factores no tenidos en cuenta para obtener esta predicción, como el N acumulado en el suelo, el efecto de la planta o las fluctuaciones de temperatura y humedad. Tanto el ajuste de los datos del laboratorio al modelo de mineralización como las predicciones del mismo fueron mejores cuando se consideraba el efecto de la mezcla suelo-compost que cuando se aislaba el N mineralizado del compost, mostrando la importancia del efecto del suelo en la mineralización del N procedente de residuos orgánicos. Dado que esta zona de estudio ha sido declarada vulnerable a la contaminación por nitratos y cuenta con diferentes unidades hidrológicas protegidas, en el mismo ensayo de campo con melón bajo riego por goteo se evaluó el riesgo de contaminación por nitratos tras la aplicación de diferentes dosis de compost bajo dos regímenes de riego, riego ajustado a las necesidades del cultivo (90 ó 100% de la evapotranspiración del cultivo (ETc)) o riego excedentario (120% ETc). A lo largo del ciclo de cultivo se estimó semanalmente el drenaje mediante la realización de un balance hídrico, así como se tomaron muestras de la solución de suelo y se determinó su concentración de nitratos. Para evaluar el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas asociado con estas prácticas, se utilizaron algunos índices medioambientales para determinar la variación en la calidad del agua potable (Índice de Impacto (II)) y en la concentración de nitratos del acuífero (Índice de Impacto Ambiental (EII)). Para combinar parámetros medioambientales con parámetros de producción, se calculó la eficiencia de manejo. Se observó que la aplicación de compost bajo un régimen de riego ajustado no aumentaba el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas incluso con la aplicación de la dosis más alta. Sin embargo, la aplicación de grandes cantidades de compost combinada con un riego excedentario supuso un incremento en el N lixiviado a lo largo del ciclo de cultivo, mientras que no se obtuvieron mayores producciones con respecto al riego ajustado. La aplicación de residuos de la industria vinícola y alcoholera como fuente de P fue evaluada en suelos calizos caracterizados por una alta capacidad de retención de P, lo cual en algunos casos limita la disponibilidad de este nutriente. Para ello se llevó a cabo otro ensayo de incubación con dos suelos de diferente textura, con diferente contenido de carbonato cálcico, hierro y con dos niveles de P disponible; a los que se aplicaron diferentes materiales procedentes de estas industrias (con y sin compostaje previo) aportando diferentes cantidades de P. A lo largo del tiempo se analizó el P disponible del suelo (P Olsen) así como el pH y el carbono orgánico disuelto. Al final de la incubación, con el fin de estudiar los cambios producidos por los diferentes residuos en el estado del P del suelo se llevó a cabo un fraccionamiento del P inorgánico del suelo, el cual se separó en P soluble y débilmente enlazado (NaOH-NaCl-P), P soluble en reductores u ocluido en los óxidos de Fe (CBD-P) y P poco soluble precipitado como Ca-P (HCl-P); y se determinó la capacidad de retención de P así como el grado de saturación de este elemento en el suelo. En este ensayo se observó que, dada la naturaleza caliza de los suelos, la influencia de la cantidad de P aplicado con los residuos en el P disponible sólo se producía al comienzo del periodo de incubación, mientras que al final del ensayo el incremento en el P disponible del suelo se igualaba independientemente del P aplicado con cada residuo, aumentando el P retenido en la fracción menos soluble con el aumento del P aplicado. Por el contrario, la aplicación de materiales orgánicos menos estabilizados y con un menor contenido en P, produjo un aumento en las formas de P más lábiles debido a una disolución del P retenido en la fracción menos lábil, lo cual demostró la influencia de la materia orgánica en los procesos que controlan el P disponible en el suelo. La aplicación de residuos aumentó el grado de saturación de P de los suelos, sin embargo los valores obtenidos no superaron los límites establecidos que indican un riesgo de contaminación de las aguas. La influencia de la aplicación de residuos orgánicos en las formas de P inorgánico y orgánico del suelo se estudió además en un suelo ácido de textura areno francosa tras la aplicación en campo a largo plazo de estiércol vacuno y de compost obtenido a partir de biorresiduos, así como la aplicación combinada de compost y un fertilizante mineral (superfosfato tripe), en una rotación de cultivos. En muestras de suelo recogidas 14 años después del establecimiento del experimento en campo, se determinó el P soluble y disponible, la capacidad de adsorción de P, el grado de saturación de P así como diferentes actividades enzimáticas (actividad deshidrogenasa, fosfatasa ácida y fosfatasa alcalina). Las diferentes formas de P orgánico en el suelo se estudiaron mediante una técnica de adición de enzimas con diferentes substratos específicos a extractos de suelo de NaOH-EDTA, midiendo el P hidrolizado durante un periodo de incubación por colorimetría. Las enzimas utilizadas fueron la fosfatasa ácida, la nucleasa y la fitasa las cuales permitieron identificar monoésteres hidrolizables (monoester-like P), diésteres (DNA-like P) e inositol hexaquifosfato (Ins6P-like P). La aplicación a largo plazo de residuos orgánicos aumentó el P disponible del suelo proporcionalmente al P aplicado con cada tipo de fertilización, suponiendo un mayor riesgo de pérdidas de P dado el alto grado de saturación de este suelo. La aplicación de residuos orgánicos aumentó el P orgánico del suelo resistente a la hidrólisis enzimática, sin embargo no influyó en las diferentes formas de P hidrolizable por las enzimas en comparación con las observadas en el suelo sin enmendar. Además, las diferentes formas de P orgánico aplicadas con los residuos orgánicos no se correspondieron con las analizadas en el suelo lo cual demostró que éstas son el resultado de diferentes procesos en el suelo mediados por las plantas, los microorganismos u otros procesos abióticos. En este estudio se encontró una correlación entre el Ins6P-like P y la actividad microbiana (actividad deshidrogenasa) del suelo, lo cual refuerza esta afirmación. Por último, la aplicación de residuos orgánicos como fuente de N y P en la agricultura se evaluó agronómicamente en un escenario real. Se estableció un experimento de campo para evaluar el compost procedente de residuos de bodegas y alcoholeras en el mismo cultivo de melón utilizado en el estudio de la mineralización y lixiviación de N. En este experimento se estudió la aplicación de tres dosis de compost: 1, 2 y 3 kg de compost por metro lineal de plantación correspondientes a 7, 13 y 20 t de compost por hectárea respectivamente; y se estudió el efecto sobre el crecimiento de las plantas, la acumulación de N y P en la planta, así como la producción y calidad del cultivo. La aplicación del compost produjo un ligero incremento en la biomasa vegetal acompañado por una mejora significativa de la producción con respecto a las parcelas no enmendadas, obteniéndose la máxima producción con la aplicación de 2 kg de compost por metro lineal. Aunque los efectos potenciales del N y P fueron parcialmente enmascarados por otras entradas de estos nutrientes en el sistema (alta concentración de nitratos en el agua de riego y ácido fosfórico suministrado por fertirrigación), se observó una mayor acumulación de P uno de los años de estudio que resultó en un aumento en el número de frutos en las parcelas enmendadas. Además, la mayor acumulación de N y P disponible en el suelo al final del ciclo de cultivo indicó el potencial uso de estos materiales como fuente de estos nutrientes. ABSTRACT Nitrogen (N) and phosphorus (P) are essential nutrients in crop production. The development of synthetic fertilizers during the 20th century allowed an intensification of the agriculture increasing crop yields but in turn the great input of nutrients has resulted in some cases in inefficient systems with higher losses to the environment. Regarding P, the scarcity of phosphate rock reserves necessary for the production of phosphate fertilizers aggravates this problem. The use of organic wastes in agriculture as a source of N and P is a good option of management that allows to value the large amount of wastes generated. However, it is important to understand the processes occurring in the soil after application of these materials, as they affect the availability of nutrients that can be used by the crop and the nutrient losses from agricultural systems that can cause problems of contamination. Although soil N dynamic has been more studied than P, the important concern of nitrate pollution in Nitrate Vulnerable Zones requires the evaluation of those management practices that could aggravate this situation, and in the case of organic wastes, the evaluation of the agronomic and environmental response after application of materials with a high N content (such as wastes from winery and distillery industries). On the other hand, due to the complexity of soil P cycle and the reactions that occur in soil, there is less knowledge about the factors that can influence its dynamics in the soil-plant system, which means new opportunities of study regarding the evaluation of the agricultural use of organic wastes. Taking into account the previous knowledge of each nutrient and the specific needs of study, in this Thesis we have evaluated: (1) the effect of the application of wastes from the winery and distillery industries on N dynamics from the agronomic and environmental viewpoint in a vulnerable zone; and (2) the factors that influence P availability in soils after the application of organic wastes. With this purposes, incubations were carried out in laboratory conditions as well as field trials that allow to assess the dynamic of these nutrients in real conditions. Soil incubations under controlled moisture and temperature conditions to determine N mineralization are commonly used to estimate N availability for crops together with the environmental risk. Therefore, a laboratory incubation was conducted in order to determine the N mineralization rate of a compost made from wastes generated in the winery and distillery industries, widely distributed in Castilla-La Mancha, a region with significant problems of aquifers contamination by nitrates. Three increasing doses of compost corresponding to 230, 460 and 690 kg of total N per hectare were mixed with a sandy clay loam soil collected in this area. The evolution of mineral N in soil over time was adjusted to a nonlinear regression model, obtaining low values of potentially mineralizable N and low constants of mineralization, indicating that it is a material resistant to mineralization with a slow release of N, with only 1.61, 1.33 and 1.21% of total N applied being mineralized with each increasing dose of compost (for a period of six months). Furthermore, N mineralization after the application of this material was also evaluated in field conditions by carrying out a N balance during two growing seasons (2011 and 2012) of a melon crop under drip irrigation, a crop and management very characteristic of the area of study. The mineralization constants obtained in the laboratory were adjusted to the actual temperatures observed in the field to predict N mineralized during each growing season, however, this model generally overestimated the N mineralization observed in the field, because of the influence of other factors not taken into account for this prediction, as N accumulated in soil, the plant effect or the fluctuations of temperature and moisture. The fitting of the laboratory data to the model as well as the predictions of N mineralized in the field were better when considering N mineralized from the soil-compost mixture rather than when N mineralized from compost was isolated, underlining the important role of the soil on N mineralization from organic wastes. Since the area of study was declared vulnerable to nitrate pollution and is situated between different protected hydrological units, the risk of nitrate pollution after application of different doses compost was evaluated in the same field trial with melon under two irrigation regimes, irrigation adjusted to the crop needs (90 or 100% of the crop evapotranspiration (ETc)) or excedentary irrigation (120% ETc). Drainage was estimated weekly throughout the growing season by conducting a water balance, samples of the soil solution were taken and the concentration of nitrates was determined. To assess the risk of groundwater contamination associated with these practices, some environmental indices were used to determine the variation in the quality of drinking water (Impact Index (II)) and the nitrates concentration in the groundwater (Environmental Impact Index (EII)). To combine environmental parameters together with yield parameters, the Management Efficiency was calculated. It was observed that the application of compost under irrigation adjusted to the plant needs did not represent a higher risk of groundwater contamination even with the application of the highest doses. However, the application of large amounts of compost combined with an irrigation surplus represented an increase of N leaching during the growing season compared with the unamended plots, while no additional yield with respect to the adjusted irrigation strategy is obtained. The application of wastes derived from the winery and distillery industry as source of P was evaluated in calcareous soils characterized by a high P retention capacity, which in some cases limits the availability of this nutrient. Another incubation experiment was carried out using two soils with different texture, different calcium carbonate and iron contents and two levels of available P; to which different materials from these industries (with and without composting) were applied providing different amounts of P. Soil available P (Olsen P), pH and dissolved organic carbon were analyzed along time. At the end of the incubation, in order to study the changes in soil P status caused by the different residues, a fractionation of soil inorganic P was carried out, which was separated into soluble and weakly bound P (NaOH-NaCl- P), reductant soluble P or occluded in Fe oxides (CBD-P) and P precipitated as poorly soluble Ca-P (HCl-P); and the P retention capacity and degree of P saturation were determined as well. Given the calcareous nature of the soils, the influence of the amount of P applied with the organic wastes in soil available P only occurred at the beginning of the incubation period, while at the end of the trial the increase in soil available P equalled independently of the amount of P applied with each residue, increasing the P retained in the least soluble fraction when increasing P applied. Conversely, the application of less stabilized materials with a lower content of P resulted in an increase in the most labile P forms due to dissolution of P retained in the less labile fraction, demonstrating the influence of organic matter addition on soil P processes that control P availability in soil. As expected, the application of organic wastes increased the degree of P saturation in the soils, however the values obtained did not exceed the limits considered to pose a risk of water pollution. The influence of the application of organic wastes on inorganic and organic soil P forms was also studied in an acid loamy sand soil after long-term field application of cattle manure and biowaste compost and the combined application of compost and mineral fertilizer (triple superphosphate) in a crop rotation. Soil samples were collected 14 years after the establishment of the field experiment, and analyzed for soluble and available P, P sorption capacity, degree of P saturation and enzymatic activities (dehydrogenase, acid phosphatase and alkaline phosphatase). The different forms of organic P in soil were determined by using an enzyme addition technique, based on adding enzymes with different substrate specificities to NaOH-EDTA soil extracts, measuring the hydrolyzed P colorimetrically after an incubation period. The enzymes used were acid phosphatase, nuclease and phytase which allowed to identify hydrolyzable monoesters (monoester-like P) diesters (DNA-like P) and inositol hexakisphosphate (Ins6P-like P). The long-term application of organic wastes increased soil available P proportionally to the P applied with each type of fertilizer, assuming a higher risk of P losses given the high degree of P saturation of this soil. The application of organic wastes increased soil organic P resistant to enzymatic hydrolysis, but no influence was observed regarding the different forms of enzyme hydrolyzable organic P compared to those observed in the non-amended soil. Furthermore, the different forms of organic P applied with the organic wastes did not correspond to those analyzed in the soil which showed that these forms in soil are a result of multifaceted P turnover processes in soil affected by plants, microorganisms and abiotic factors. In this study, a correlation between Ins6P-like P and the microbial activity (dehydrogenase activity) of soil was found, which reinforces this claim. Finally, the application of organic wastes as a source of N and P in agriculture was evaluated agronomically in a real field scenario. A field experiment was established to evaluate the application of compost made from wine-distillery wastes in the same melon crop used in the experiments of N mineralization and leaching. In this experiment the application of three doses of compost were studied: 1 , 2 and 3 kg of compost per linear meter of plantation corresponding to 7, 13 and 20 tonnes of compost per hectare respectively; and the effect on plant growth, N and P accumulation in the plant as well as crop yield and quality was studied. The application of compost produced a slight increase in plant biomass accompanied by a significant improvement in crop yield with respect to the unamended plots, obtaining the maximum yield with the application of 2 kg of compost per linear meter. Although the potential effects of N and P were partially masked by other inputs of these nutrients in the system (high concentration of nitrates in the irrigation water and phosphoric acid supplied by fertigation), an effect of P was observed the first year of study resulting in a greater plant P accumulation and in an increase in the number of fruits in the amended plots. In addition, the higher accumulation of available N and P in the topsoil at the end of the growing season indicated the potential use of this material as source of these nutrients.

Análisis de la degradación, desintegración y biodegradabilidad de bolsas de poliéster y almidón en compostaje de residuos urbanos: escalas de laboratorio e industrial

El principal objetivo de esta tesis es verificar que las bolsas biodegradables de copoliéster (PBAT) con base de almidón (UNE 13432: 2001) alcanzan los niveles de degradación y desintegración requeridos para su certificación (%D= ≥ 90%), medido en condiciones reales de compostaje industrial. Para lograr mayor representatividad, los ensayos se han realizado en dos plantas de tratamiento de residuos urbanos en las que se aplican las técnicas de compostaje más comunes en el ámbito europeo y nacional, pila y túnel, mediante el compostaje de la FORSU. Se llevaron a cabo dos tipos de ensayos. Por un lado se realizó un ensayo escala de laboratorio (ISO 14855), orientado como indicador de la biodegradabilidad del polímero en el formato bolsa comercializado. Por otro lado, se desarrollaron una batería de ensayos realizados en dos plantas de compostaje de residuos urbanos: el Centro de Tratamiento de Residuos de Torija (Ávila), que realiza el compostaje mediante pila volteada, y el Centro de Tratamiento de Residuos de Arenas de San Pedro (Ávila), que realiza el compostaje en túnel. Para la obtención de resultados se han contrastado parámetros como el porcentaje de biodegradación (%B), el porcentaje de desintegración (%D), degradación superficial de las muestras, calidad de la FORSU inicial (caracterizaciones y análisis físico-químico) y calidad del MB final (análisis físico-químico e IG). Atendiendo al objetivo general se demuestra que las bolsas de copoliéster con base de almidón certificadas (UNE EN 13432:2001) han alcanzado el 94,37% ± 0,007% de desintegración en la planta de compostaje de FORSU con pila volteada; y el 86,36% ± 0,151% en la planta de compostaje de FORSU con túnel estático. A pesar de la aparente diferencia, el resultado del análisis concluye que no existen diferencias estadísticamente significativas entre técnicas de compostaje. La presencia de impropios y el contendido de metales pesados en la FORSU no han influido en la desintegración de las bolsas de estudio. En cambio, se ha detectado una influencia estadísticamente significativa entre el contenido de materia orgánica total y de nutrientes de la FORSU y el porcentaje de desintegración de las muestras. No se detectado una relación estadísticamente significativa entre la presencia de bolsas de estudio en las concentraciones definidas, y la calidad del MB, medido mediante el análisis físico-químico, microbiológico y el IG del MB. La concentración de los metales pesados en la mayoría de las muestras de material bioestabilizado cumplió con los límites establecidos para la categoría A, aplicable al “compost” procedente de la fracción orgánica recogida de forma separada según el RD 506/2013 de productos fertilizantes. También se detectó fitotoxicidad alta (FA) según la metodología y criterios de valoración definidos. Esta fitotoxicidad no está relacionada con la presencia de las bolsas de estudio sino con la calidad de la FORSU de partida y/o con los productos liberados durante el proceso de compostaje. ABSTRACT The main objective of this thesis is to verify that the copolyester (PBAT) starch based (UNE 13432: 2001) biodegradable bags reach levels of degradation and disintegration required for it´s certification (% D = ≥ 90%), measured in terms of real industrial composting. The tests were performed at two municipal solid waste (MSW) treatment plants, where the most common composting techniques applied at European and national level were represented, windrow and tunnel. Two types of tests were carried out: First, a laboratory scale test (ISO 14855), as an indicator of the polymer biodegradation of the commercialized bag format. Second, a battery of tests was conducted at two MSW composting plants, Waste Treatment Center of Torija (Guadalajara), that makes compost by turned pile, and the Waste Treatment Center of Arenas de San Pedro (Ávila), where makes compost by static tunnel. To obtain the results, the parameters such as the biodegradation percentage (% B), the disintegration percentage (% D), surface degradation of the samples, the initial quality of FORSU (characterizations and physico-chemical analysis) and bioestabilithated material (MB) quality (physico-chemical analysis and IG) have been compared. In reference to the general aim It shows that the copolyester starch based certified (UNE-EN 13432) bags have reached 94.37% ± 0.007% of disintegration in the composting turned pile; and 86.36% ± 0.151% in the static tunnel. Despite the apparent difference, the result of the analysis concludes that there are no statistically significant differences between composting techniques. The presence of non-compostable materials and the heavy metals content in the FORSU has not affected in the disintegration of the bags. Instead, It has been detected a statistically significant influence over the total organic matter content and nutrient content in the FORSU and the samples disintegration percentage. A statistically significant relationship between the bag presence in the defined concentrations and the quality of MB measured by physical-chemical analysis, microbiological analysis and IG of the MB is not detected. The concentration of heavy metals in most MB samples was within the limits of A-Class, applicable to "compost" from organic waste collected separately according to RD 506/2013 of fertilizers. High phytotoxicity (FA) was also detected according to the methodology and evaluation defined. The phytotoxicity is not related to the presence of bags but it is with the FORSU initial quality and/or with the products released during the composting process.

Compostabilidad de envases de bolsas de PBAT+PLA y envases rígidos de PLA mediante tecnologías de pila y túnel

Los polímeros compostables suponen en torno al 30% de los bioplásticos destinados a envasado, siendo a su vez esta aplicación el principal destino de la producción de este tipo de materiales que, en el año 2013, superó 1,6 millones de toneladas. La presente tesis aborda la biodegradación de los residuos de envases domésticos compostables en medio aerobio para dos tipos de formato y materiales, envase rígido de PLA (Clase I) y dos tipos de bolsas de PBAT+PLA (Clases II y III). Sobre esta materia se han realizado diversos estudios en escala de laboratorio pero para otro tipo de envases y biopolímeros y bajo condiciones controladas del compost con alguna proyección particularizada en plantas. La presente tesis da un paso más e investiga el comportamiento real de los envases plásticos compostables en la práctica del compostaje en tecnologías de pila y túnel, tanto a escala piloto como industrial, dentro del procedimiento y con las condiciones ambientales de instalaciones concretas. Para ello, con el método seguido, se han analizado los requisitos básicos que debe cumplir un envase compostable, según la norma UNE – EN 13432, evaluando el porcentaje de biodegradación de los envases objeto de estudio, en función de la pérdida de peso seco tras el proceso de compostaje, y la calidad del compost obtenido, mediante análisis físico-químico y de fitotoxicidad para comprobar que los materiales de estudio no aportan toxicidad. En cuanto a los niveles de biodegrabilidad, los resultados permiten concluir que los envases de Clase I se compostan adecuadamente en ambas tecnologías y que no requieren de unas condiciones de proceso muy exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100%. En relación a los envases de Clase II, se puede asumir que se trata de un material que se composta adecuadamente en pila y túnel industrial pero que requiere de condiciones exigentes para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al afectarle de forma clara la ubicación de las muestras en la masa a compostar, especialmente en el caso de la tecnología de túnel. Mientras el 90% de las muestras alcanza el 100% de biodegradación en pila industrial, tan sólo el 50% lo consigue en la tecnología de túnel a la misma escala. En cuanto a los envases de Clase III, se puede afirmar que es un material que se composta adecuadamente en túnel industrial pero que requiere de condiciones de cierta exigencia para alcanzar niveles de biodegradación del 100% al poderle afectar la ubicación de las muestras en la masa a compostar. El 75% de las muestras ensayadas en túnel a escala industrial alcanzan el 100% de biodegradación y, aunque no se ha ensayado este tipo de envase en la tecnología de pila al no disponer de muestras, cabe pensar que los resultados de biodegrabilidad que hubiera podido alcanzar habrían sido, como mínimo, los obtenidos para los envases de Clase II, al tratarse de materiales muy similares en composición. Por último, se concluye que la tecnología de pila es más adecuada para conseguir niveles de biodegradación superiores en los envases tipo bolsa de PBAT+PLA. Los resultados obtenidos permiten también sacar en conclusión que, en el diseño de instalaciones de compostaje para el tratamiento de la fracción orgánica recogida selectivamente, sería conveniente realizar una recirculación del rechazo del afino del material compostado para aumentar la probabilidad de someter este tipo de materiales a las condiciones ambientales adecuadas. Si además se realiza un triturado del residuo a la entrada del proceso, también se aumentaría la superficie específica a entrar en contacto con la masa de materia orgánica y por tanto se favorecerían las condiciones de biodegradación. En cuanto a la calidad del compost obtenido en los ensayos, los resultados de los análisis físico – químicos y de fitotoxicidad revelan que los niveles de concentración de microorganismo patógenos y de metales pesados superan, en la práctica totalidad de las muestras, los niveles máximos permitidos en la legislación vigente aplicable a productos fertilizantes elaborados con residuos. Mediante el análisis de la composición de los envases ensayados se constata que la causa de esta contaminación reside en la materia orgánica utilizada para compostar en los ensayos, procedente del residuo de origen doméstico de la denominada “fracción resto”. Esta conclusión confirma la necesidad de realizar una recogida selectiva de la fracción orgánica en origen, existiendo estudios que evidencian la mejora de la calidad del residuo recogido en la denominada “fracción orgánica recogida selectivamente” (FORM). Compostable polymers are approximately 30% of bioplastics used for packaging, being this application, at same time, the main destination for the production of such materials exceeded 1.6 million tonnes in 2013. This thesis deals with the biodegradation of household packaging waste compostable in aerobic medium for two format types and materials, rigid container made of PLA (Class I) and two types of bags made of PBAT + PLA (Classes II and III). There are several studies developed about this issue at laboratory scale but for other kinds of packaging and biopolymers and under composting controlled conditions with some specifically plants projection. This thesis goes one step further and researches the real behaviour of compostable plastic packaging in the composting practice in pile and tunnel technologies, both at pilot and industrial scale, within the procedure and environmental conditions of concrete devices. Therefore, with a followed method, basic requirements fulfilment for compostable packaging have been analysed according to UNE-EN 13432 standard. It has been assessed the biodegradability percentage of the packaging studied, based on loss dry weight after the composting process, and the quality of the compost obtained, based on physical-chemical analysis to check no toxicity provided by the studied materials. Regarding biodegradability levels, results allow to conclude that Class I packaging are composted properly in both technologies and do not require high exigent process conditions for achieving 100% biodegradability levels. Related to Class II packaging, it can be assumed that it is a material that composts properly in pile and tunnel at industrial scale but requires exigent conditions for achieving 100% biodegradability levels for being clearly affected by sample location in the composting mass, especially in tunnel technology case. While 90% of the samples reach 100% of biodegradation in pile at industrial scale, only 50% achieve it in tunnel technology at the same scale. Regarding Class III packaging, it can be said that it is a material properly composted in tunnel at industrial scale but requires certain exigent conditions for reaching 100% biodegradation levels for being possibly affected by sample location in the composting mass. The 75% of the samples tested in tunnel at industrial scale reaches 100% biodegradation. Although this kind of packaging has not been tested on pile technology due to unavailability of samples, it is judged that biodegradability results that could be reached would have been, at least, the same obtained for Class II packaging, as they are very similar materials in composition. Finally, it is concluded that pile technology is more suitable for achieving highest biodegradation levels in bag packaging type of PBAT+PLA. Additionally, the obtained results conclude that, in the designing of composting devices for treatment of organic fraction selectively collected, it would be recommended a recirculation of the refining refuse of composted material in order to increase the probability of such materials to expose to proper environmental conditions. If the waste is grinded before entering the process, the specific surface in contact with organic material would also be increased and therefore biodegradation conditions would be more favourable. Regarding quality of the compost obtained in the tests, physical-chemical and phytotoxicity analysis results reveal that pathogen microorganism and heavy metals concentrations exceed, in most of the samples, the maximum allowed levels by current legislation for fertilizers obtained from wastes. Composition analysis of tested packaging verifies that the reason for this contamination is the organic material used for composting tests, comes from the household waste called “rest fraction”. This conclusion confirms the need of a selective collection of organic fraction in the origin, as existing studies show the quality improvement of the waste collected in the so-called “organic fraction selectively collected” (FORM).