Evaluación de la fitotoxicidad de distintos biochars derivados de lodos de depuradora (EDAR)

Proyecto realizado por:

José Ramón Gimeno AguirregomozcortaIngeniería Técnica Agrícola (Industrias Agrarias)

¿Qué es biochar?

• Carbón vegetal obtenido a partir de la carbonización de la biomasa con beneficios agrícolas y ambientales.

• Biomasa:• Natural: hojas, ramas, estiércol.• Residual: lodos de depuradora.

• Procesos termoquímicos: pirólisis

Introducción

Terra Preta

• Suelos fértiles ricos en carbón encontrados en zonas amazónicas.

• Consecuencia de una mezcla de huesos, estiércol y carbón vegetal sobre suelos poco fértiles llevadas a cabo por amerindios para aprovechar sus cultivos.

• Mucho mas fértil que otros tipos de suelo.

• Ayuda a secuestrar carbono y puede reducir las emisiones de GEI presentes en la atmósfera.

Introducción

Composición y estructura de Biochar

• Composición compleja debido a:– Materia prima heterogénea.– Variedad de reacciones químicas durante su producción.

• Estructura:– Estructura porosa: ideal para la retención de nutrientes,

microorganismos, y agua en sus poros.– Compuestos aromáticos y hexagonales: enlaces de 6

carbonos en forma de anillo con hidrogeno y oxígeno, tipo benceno, que pueden originar toxicidad.

Introducción

Propiedades de biochar

• Puede resultar un buen fertilizante (en la mayoría de los casos)

• Puede presentar problemas debido a efectos fitotóxicos.

Dependen de: • Condiciones del proceso de elaboración de la materia

prima (temperatura, tipo de pirólisis…)• Tipo de suelo, clima o dosis aplicada

Introducción

Efectos de biochar en suelos

• Aumentan la capacidad de intercambio catiónico.

• Aumenta el pH en suelos ácidos.

• Incrementa la capacidad de retención hídrica.

• Aumenta la retención de nutrientes.

• Pueden reducir el requerimiento de fertilizantes.

• Ayuda al secuestro de carbono y a reducir niveles de GEI presentes en la atmosfera.

Introducción

OBJETIVOS

• Evaluación de tres biochars derivados de lodos de EDAR:

– Caracterización de los tres biochars obtenidos.

– Comparación de los tres biochars por su efecto en la germinación: • En medio líquido• De sus emisiones gaseosas

– Comparación de la aplicación agronómica de los tres biochars en el desarrollo inicial de un cultivo de maíz.

Producción de biochar• Lodos de depuradora como materia prima:

– EDAR: Estación de Depuradoras de Aguas Residuales (Butarque, Madrid).

– Previamente sometidos a secado térmico y digestión anaerobia.– Introducidos en reactores para el proceso de pirólisis.

• Biochars obtenidos en tres reactores:– Reactor discontinuo.– Reactor de tornillo sinfín.– Reactor de lecho fluidizado.

• El proceso de pirolisis se ha realizado en los reactores del Instituto de Investigación (I3A) de la Universidad de Zaragoza bajo la dirección de Javier Ábrego y Gloria Gea.

Material y metodología

Tipos de pirólisis• Concepto de pirólisis:

– Temperaturas moderadas (300-600 ºC)– Ausencia de oxigeno, evitando combustión completa– En una atmósfera inerte: gas inerte de barrido (N2)

– Pirolisis rápida:• Temperatura a 500ºC.• Tiempo de residencia del lodo: 5 minutos• Mayor producción de líquido (bio-oil)

– Pirolisis lenta:• Temperatura entre 300-600ºC.• Tiempo de residencia del lodo: 70 minutos• Mayor producción de sólido (biochar)

Material y metodología

Tipos de reactores• Reactor discontinuo agitado mecánicamente:

– Pirólisis lenta a 530 ºC– Tiempo de residencia de lodo: 88 minutos

• Reactor de tornillo sinfín:– Pirolisis lenta a 300 ºC– Tiempo de residencia de lodo: 25 minutos

• Reactor de lecho fluidizado:– Pirolisis rápida a 530 ºC– Tiempo de residencia: 5-7 minutos

Material y metodología

Evaluación de la toxicidad de los biochars

• Toxicidad en medio líquido en la germinación de maíz.

• Toxicidad por emisión gaseosa de cada tipo de biochar en semillas de berro.

• Toxicidad por emisión gaseosa de cada tipo de biochar en semillas de maíz.

• Evaluación del desarrollo inicial de maíz utilizando biochar como fertilizante.

Material y metodología

Toxicidad en medio líquido• Diseño de bloques al azar con 4 repeticiones y 12 semillas de

maíz como u.e. en placa Petri, método BP.

• Tratamientos:– Agua destilada (tratamiento control)– Dos tipos de soluciones para tres biochars: acuosa y nutritiva

• Tipos de soluciones:– Acuosa: mezcla de 20 gr. biochar y 600 ml. agua destilada (1:30)

filtrada posteriormente.

– Nutritiva: reproduciendo la composición inorgánica (Na+, Cl-, K+, NH+

4, SO2-4…) de cada una de las soluciones acuosas de los tres

biochars.

Material y metodología

Toxicidad en medio líquido

• Procedimiento:– Se aplica 5 ml de solución a testar a cada una de las placas.– Placas cerradas herméticamente e introducidas durante 7

días en un armario germinador a 25 ºC a oscuras.– Cada 2 días se aplicó solución adicional.

Material y metodología

Toxicidad por emisión gaseosa

• Dos tipos de ensayos realizados para semillas de berro y maíz.

• Diseño de bloques al azar con:– 3 repeticiones y 50 semillas de berro como u.e.– 3 repeticiones y 6 semillas de maíz como u.e.

• Tratamientos:– Agua destilada (tratamiento control)– Tres tipos de biochar obtenidos

Material y metodología

Toxicidad por emisión gaseosa• Se elaboró un dispositivo que permitió la realización del ensayo.

• Cerrado herméticamente e introducido en un armario germinador a 20 ºC durante 10 días.

• Intensidad lumínica de 3000 lx. (12 h/día)• Se pesa en fresco a los 10 días• Se considera que hay un efecto toxico si el peso es inferior al 80%

del peso del tratamiento control (Busch et al, 2010)

Material y metodología

Biochar como fertilizante• Ensayo en invernadero, 3 repeticiones de 10 macetas con:– Mezcla heterogénea de tierra y arena– 10 semillas de maíz como u.e.

• Tratamientos:– Tratamiento control sin adición de biochar– Dosis de 22,5 gr/ maceta (equivalente a 20 t/ha) de cada

tipo de biochar

Material y metodología

Biochar como fertilizante• Procedimiento tras su tratamiento:– Se colocan las macetas en una bandeja– Riego cada 2 días durante 3 semanas– Los tallos desarrollados se cortan y se secan en una estufa

de convección natural durante a 45 ºC durante 48 horas.

Material y metodología

Composición química de cada tipo de biochar

• Composición química obtenida a partir del análisis de las soluciones acuosas (1:30) de biochar

• Características químicas:

– El biochar de reactor discontinuo presentó un pH básico alto

– El biochar de lecho fluidizado presentó una elevada C.E. debido a una mayor concentración en cationes y sulfatos.

Biochar pH C.E. (dS /m)

Reactor discontinuo 8.30 0.18

Tornillo 7.20 0.20

Lecho fluidizado 7.30 0.36

Resultados y discusión

Resultados germinación en medio líquido

• Germinación adecuada en placa Petri

• Variables:– Porcentaje de germinación– Longitud de brotes apicales y radiculares

Resultados y discusión

Resultados germinación en medio líquido• Porcentaje de germinación:

• S.N.: Solución Nutritiva ; S.A.: Solución Acuosa

• No hay riesgo de toxicidad• Los compuestos orgánicos no originan tóxicidad durante el

desarrollo de las semillas

Resultados y discusión

Resultados germinación en medio líquido• Longitud de brotes apicales y radiculares

• S.N.: Solución Nutritiva ; S.A.: Solución Acuosa

• En otros estudios (Rogovska et al, 2012) , los compuestos orgánicos de las soluciones acuosas de biochar perjudican en la germinación del maíz, presentando un carácter tóxico.

Resultados y discusión

Agua Desti-lada (tes-

tigo)

S.N. Disc. S.N. Tornillo

S.N. Fluid. S.A. Disc. S.A. Tornillo S.A. Fluid.0

5

10

15

20

25

Brotes apicales

Brotes radicularesTratamientos

Long

itud

(cm

.)

Resultados germinación por emisión gaseosa (berro)

• Presencia de toxicidad– Peso de la semilla de berro germinada en biochar inferior al

80% del peso del berro en tratamiento control

Resultados y discusión

Resultados germinación por emisión gaseosa (maíz)

• Mejor germinación que el berro, pero su peso no supera el 80% del tratamiento control

• Son semillas mas resistentes que las de berro, aunque también presentan toxicidad.

Resultados y discusión

Evaluación agronómica de los tres biochars

• El peso seco del tallo en los tratamientos con biochar fue inferior al 80% del peso del tratamiento control sin biochar.

• Los biochars ensayados han tenido un efecto negativo sobre el desarrollo inicial del cultivo de maíz.

Resultados y discusión

CONCLUSIONES• Los tres tipos de biochar tienen características químicas diferentes.

• El maíz germinó de manera correcta en las soluciones acuosas (1:30) de biochar sin presentar toxicidad.

• La germinación del berro y maíz se vio afectada negativamente por las emisiones gaseosas de los tres tipos de biochar ensayados.

• Los biochars ensayados (dosis equivalente a 20 t/ha) afectaron negativamente al desarrollo inicial de un cultivo de maíz.

• No se han detectado diferencias en el comportamiento de los tres tipos de biochar en los ensayos realizados.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN