Estudio y caracterización de la materia orgánica en procesos de compostaje mediante técnicas espectroscópicas y termogravimétricas

Resum

El objetivo central de esta Tesis Doctoral es poner a punto diferentes técnicas espectroscópicas y analíticas para estudiar la evolución y transformación de la materia orgánica durante el proceso de compostaje de residuos procedentes de la industria vitivinícola y agropecuaria, pudiendo evaluar su calidad y su posible aplicabilidad en agricultura. Las técnicas espectroscópicas utilizadas han sido el análisis térmico, espectroscopia de fluorescencia, espectroscopia de infrarrojos mediante transformada de Fourier, espectroscopia en el infrarrojo cercano y resonancia magnética nuclear de sólidos y líquidos. El análisis de los resultados reveló la idoneidad de los métodos térmicos para proporcionar información rápida sobre la estabilidad de la materia orgánica a diferentes estados de biotransformación. La posibilidad de analizar muestras completas, con una mínima preparación (secado y molido) hace que este método pueda ser usado como herramienta rutinaria en el estudio de un proceso de compostaje. Los espectros de fluorescencia de la fracción soluble de compost mostraron la presencia de diferentes fluoróforos, cada uno de ellos caracterizado por un par de longitudes de onda de excitación y de emisión.Con el método propuesto por Chen y colaboradores se realizó un estudio cuantitativo de los espectros EEM, calculando el Pi,n para cada una de las regiones del espectro y se representó en función del tiempo de compostaje para cada pila. Con estas gráficas (Figura 5, pp. 61) se puede observar claramente el aumento de los compuestos tipo húmico y fúlvico y la disminución de los aminoácidos aromáticos conforme avanza el compostaje en las pilas 2 y 3, mientras que para la pila 1 estas variaciones son muy pequeñas.Los resultados obtenidos para las pilas 2 y 3 han mostrado que el proceso de compostaje se caracteriza por una degradación del material inicial de origen proteico, como péptidos que contengan residuos de tirosina y/o triptófano, y un aumento del material tipo húmico y tipo fúlvico en la materia orgánica soluble. Los resultados obtenidos mediante RMN de sólidos indican un aumento de proteínas y de estructuras alifáticas, tales como lípidos, cutina o suberina, conforme avanza el proceso de compostaje en las tres pilas. El enriquecimiento microbiano que tiene lugar, conforme avanza el proceso, podría ser la causa del aumento del material proteico, mientras que la acumulación de los compuestos alifáticos podría deberse a un efecto de concentración por una degradación preferencial de los azúcares. A diferencia de las dos técnicas anteriores, la resonancia magnética nuclear muestra que la pila 1 ha tenido un buen proceso de estabilización. Probablemente, los materiales iniciales son la clave en la producción del compost, determinando el comportamiento de la pila y las operaciones necesarias para alcanzar un buen grado de estabilidad de la materia orgánica. Con FT-IR, el proceso de compostaje se puede seguir basándonos en los cambios de la intensidad relativa de bandas típicas de componentes. En este caso, se observó una disminución en la intensidad relativa de la banda a 1037 cm-1, característica de los carbohidratos, a lo largo del proceso de compostaje. Se observó también un aumento de la intensidad relativa de la banda a 1548 cm-1, que puede estar relacionado con el aumento en el contenido de proteínas durante el proceso por el enriquecimiento microbiano, apoyando los resultados obtenidos mediante RMN. La intensidad relativa de la banda correspondiente a nitratos, a 1384 cm -1, aumentó al principio del proceso y después disminuyó, probablemente porque el nitrógeno fue utilizado por los microorganismos presentes en las pilas de compost. Con el objetivo de localizar la región o regiones espectrales que muestran una correlación con el tiempo de compostaje, se llevó a cabo un estudio quimiométrico de los datos espectrales. La combinación propuesta entre la espectroscopía en el infrarrojo cercano y la regresión de señal penalizada para estimar el contenido total de fósforo y sus cambios durante el compostaje, es una prometedora y sencilla herramienta para mejorar la gestión del fósforo con propósitos agrícolas, especialmente en plantas de compostaje industriales, con el fin de conocer la fracción disponible de fósforo en materiales orgánicos. La especiación del fósforo usando la extracción estandarizada con NaOH-EDTA y la resonancia magnética nuclear de 31P, incrementan significativamente las capacidades de predicción del conjunto NIR-regresión de señal penalizada.