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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
MODELO EXPERIMENTAL DE DIFUSIÓN DE BIOGÁS EN RAÍCES VEGETALES
Eduardo BALTIERRA-TREJO
2
, Liliana MÁRQUEZ-BENAVIDES
1*
y Juan Manuel SÁNCHEZ-YÁÑEZ
2
1
Laboratorio de Residuos Sólidos y Medio Ambiente del Instituto de Investigaciones Agrícolas y Forestales, Uni-
versidad de Michoacán de San Nicolás de Hidalgo, Morelia 58341, Michoacán, México
2
Laboratorio de Microbiología Ambiental del Instituto de Investigaciones Químico-biológicas, UMSNH, Mo-
relia 58140, Michoacán, México
*Autora responsable; lmarquez@umich.mx
(Recibido agosto 2011, aceptado marzo 2012)
Palabras clave: digestión anaerobia, relleno sanitario, fsiología vegetal
RESUMEN
La digestión anaerobia (DA) de la fracción orgánica (FO) de los residuos sólidos urba-
nos (RSU) en los rellenos sanitarios (RESA), genera biogás que tiene efecto negativo
sobre algunas de las plantas que ahí crecen. Sin embargo no existe metodología para
evaluarla, ni inFormación del daño del biogás sobre la fsiología vegetal. Es necesario
un modelo que simule su difusión sobre el sistema radical de plantas para determinar
con precisión el efecto del biogás en función de la concentración en el sitio de expo-
sición. El objetivo de esta investigación fue diseñar un modelo experimental
ex situ
para analizar el efecto del biogás sobre las raíces de calabaza (
Cucurbita pepo
L.).
Para ello se diseñó y construyó un sistema de simulación de la DA de la FO de los
RSU que difunde biogás en un suelo, donde creció la calabaza. El efecto del biogás
sobre esa planta se midió con las variables respuesta: porcentaje de germinación, peso
fresco y seco foliar y radical. Los resultados mostraron que la difusión de biogás en
el suelo artifcial provocó la inhibición de la germinación de semillas de calabaza y
su crecimiento a nivel de plántula en comparación con la misma planta sin exponer a
biogás, que germinó y creció sin signos de estrés.
Key words: anaerobic digestion, landfll site, plant physiology
ABSTRACT
Anaerobic digestion (AD) of the organic fraction (OF) of municipal solid waste (MSW)
at landfll sites generates biogas that have a negative eFFect on plants. However no
methodology is available to evaluate this effect and information on the effect of biogas
on plant physiology is scarce. Thus, a model to simulate the effect of biogas diffusion
on the plant radical system, based in the gas diffusion through the soil to relate with
exposing time and biogas concentration is required. The aim of this research was to
design an
ex situ
experimental model to analyze the effect of biogas on the roots of
zucchini squash (
Cucurbita pepo
L.). Considering this, we designed and built a system
model to expose the plant seed and root system to biogas. The effect was measured
in terms of germination percentage, fresh and dry foliage and root weight. The results
indicated that the biogas perfusion caused inhibition of the germination of zucchini
Rev. Int. Contam. Ambie. 28 Sup. (1) 133-139, 2012
E. Baltierra-Trejo
et al.
134
squash as well as the seedling growth level compared to the control plant that germi-
nated and grew with no stress signs.
INTRODUCCIÓN
Los residuos sólidos urbanos (RSU) son común-
mente dispuestos en rellenos sanitarios (RESA) o
ilegalmente en tiraderos al aire libre. En el caso de
México, la fracción orgánica (FO) de los RSU es la
mayor con 40 a 65 %, la cual bajo digestión anae-
robia (DA) genera biogás y lixiviados con un riesgo
potencialmente alto de contaminación ambiental
(Tchobanoglous 2005).
El biogás en un RESA es una mezcla constitui-
da principalmente por metano (CH
4
) en 45-60 %,
dióxido de carbono (CO
2
) en un 40-55 %, y menor
concentración de otros gases como: nitrógeno (N
2
)
en 2-5 %, sulfuro de hidrógeno (H
2
S) en un 0-1 %,
amoniaco (NH
3
) 0.1-1 %
,
hidrógeno (H
2
) 0-0.2% y
trazas de compuestos orgánicos volátiles (COV)
0.01-0.6 % (Flower
et al
. 1978 citado por Chan
et al
.,
1991 y Tchobanoglous y Kreith 2005). Sin embargo,
la emisión de biogás no se limita a la superfcie del
RESA, ocurre en los sitios adjuntos por un despla-
zamiento denominado migración lateral de biogás
(MLB) (Franzidis
et al.
2008), sobre todo en sitios o
RESA que no cuentan con un sistema de recolección
activa de biogás (Tchobanoglous y Kreith 2005).
Lo anterior se ha correlacionado con la pérdida
de vegetación en estos lugares. De acuerdo con la
literatura, la concentración natural de CO
2
en el suelo
en contacto con las raíces vegetales es de 0.1 a 2 %,
su incremento disminuye la actividad respiratoria
radical, en especial cuando en el suelo no existe un
intercambio adecuado de gases. Se ha reportado que
una concentración menor al 5 % de CO
2
estimula el
crecimiento de la raíz por un mecanismo de resisten-
cia al estrés anóxico, pero se inhibe si es mayor al
6.5 %, mientras que valores superiores a 15 a 20 %
son letales para la mayoría de las raíces de plantas
(Stolwijk y Thimman 1987 citados por Chan
et al.
1991). Por otro lado, el CH
4
es un componente ex-
traño en la mayoría de los suelos, salvo en los suelos
anegados por un periodo prolongado de tiempo donde
alcanza hasta 14 %, lo que provoca estrés anóxico en
la vegetación, aunque existen plantas como el arroz
(
Oryza sativa
L.) que desarrollan mecanismos para
tolerar esta condición adversa (Jackson 2002).
En general, son escasos los reportes sobre la
inhibición del crecimiento de plantas cuyas raíces
Fueron expuestas al ±ujo de biogás producto de la
DA de residuos sólidos en RESA. Wong
et al.
(1992)
investigaron los factores que afectan la diversidad y
distribución de la vegetación en un RESA en sitios de
baja emisión de biogás con 10 % de CH
4
comparada
con los de alta emisión con 41 %. Los resultados
indicaron que en zonas con baja emisión de biogás
hubo un promedio de 6 especies herbáceas con 68.5
% de cobertura y 12 de arbóreas con 100 %, mientras
que en sitios con alta emisión hubo 6 especies de her-
báceas que cubrieron el 51.2 % y 3 de arbóreas con
7.6 %. Concluyeron que existe una relación entre la
concentración de biogás y el porcentaje de cobertura
de arbóreas y herbáceas.
Por otro lado, Chan
et al
. (1991) estudiaron el im-
pacto del biogás de un RESA en zonas de baja (10 %
v/v de CH
4
y 4.7 % v/v de CO
2
) y de alta emisión de
biogás (41 % v/v de CH
4
y 39 % v/v de CO
2
) sobre
las raíces de 10 especies de plantas leñosas subtro-
picales. Los resultados señalaron que en zonas con
baja concentración de biogás hubo poca mortalidad,
en tanto en áreas con alta concentración se registró
la inhibición del crecimiento de la parte aérea con
mortalidad de plántulas entre 10 y 50 %.
La hipótesis de este trabajo fue que exponer
semillas y raíces de calabaza (
Cucurbita pepo
L.)
a elevadas concentraciones de biogás derivado de
DA, tendría un efecto negativo en la germinación
y en el crecimiento dependiente del nivel en el
sitio de exposición, si se cuenta con un modelo
experimental que lo demuestre. El objetivo de este
trabajo fue diseñar un modelo experimental
ex situ
para analizar el efecto de biogás en la germinación
y en el crecimiento de la calabaza.
MATERIALES Y MÉTODOS
En los RESA de Pátzcuaro, Michoacán, se en-
contró una especie de calabaza que crece de manera
silvestre sobre las celdas selladas, por ello se decidió
usar la como planta modelo en el estudio del efecto
del biogás en el crecimiento vegetal.
Se diseñó un modelo de análisis
ex situ
para de-
mostrar el efecto del biogás en las raíces de calaba-
za, para ello se construyeron reactores de digestión
anaerobia de sustrato sólido (RDASS) y aprovechar
la producción de biogás simulando al generado en
un RESA. El biogás se hizo circular en el sistema
MODELO EXPERIMENTAL DE DIFUSIÓN DE BIOGÁS EN RAÍCES VEGETALES
135
de medición del volumen de biogás (SMB) y luego
fuyó a través de la unidad acoplada biogás-planta
(UABIP) la cual contuvo el suelo artiFcial en el que
se sembró y creció la calabaza, como se describe a
continuación.
Operación del reactor de digestión anaerobia de
sustrato sólido
Para la producción de biogás se usaron RDASS,
cada uno consistió en un reservorio de vidrio de 2 L,
con una mezcla de 350 g de excreta fresca de vaca,
350 mL de la fase acuosa de lodos biológicos, 350 g
de suelo orgánico, 3 g de carbonato de sodio (NaCO
3
,
Alyt) y 3 g de sacarosa (C
12
H
22
O
11
,
Fermont). Para
alimentar los RDASS se preparó una mezcla que con-
sistió en 60 % de residuos alimenticios domésticos y
40 % papel bond, enriquecida con lodos biológicos
en proporción 59:1, esta mezcla se deshidrató en
horno a 105 ºC y se trituró en molino con criba de
4 mm. Los RDASS se sellaron herméticamente, se
incubaron a 35 ºC y se alimentaron cada 5 días con
21 g de la mezcla de residuos orgánicos y 39 mL de
H
2
O destilada.
Estandarización de la medición de biogás
El SMB estaba constituido por 2 frascos de vidrio
de 4 L graduados con 3.5 L de solución salina (SS)
al 20 %. El volumen de biogás generado por cada
RDASS se determinó por desplazamiento de la SS
entre los frascos, se adaptó un mecanismo de llaves
para cambiar la dirección del fujo una vez despla
-
zado el volumen total de SS y Fnalmente dirigirlo a
la UABIP
Se ubicaron sitios de muestreo en el RDASS y en
el SMB (a y b en
Fig. 1
) para determinar el conteni-
do de CH
4
en el biogás por medio del cromatógrafo
de gases Varian Clarius CP-3800 con detector FID
y una columna empacada HAY-ESEP-Q-80-100-
mesh. Las temperaturas de operación del inyector,
el detector y la columna fueron 200, 210 y 90 ºC,
respectivamente.
Se realizó el seguimiento del volumen y compo-
sición del biogás en un periodo de 45 días; se probó
si la acidez a pH 4 ó la alcalinidad a pH 10 de la
SS infuyó en la concentración de CH
4
del biogás
proveniente de los RDASS después de su difusión
por el SMB.
Difusión de biogás en la unidad de crecimiento
vegetal
Para la difusión del biogás en la raíz de la calabaza
se construyó la UABIP haciendo uso de un cilindro
de tereftalato de polietileno (PET) de 40 cm de altura
× 11 cm de diámetro. El cilindro contenía 2 kg de
suelo artiFcial construido con una textura arena 50 %,
arcilla 20 % y limo 30 %.
Se ubicó un tercer punto de muestreo adaptándose
para esta prueba una bolsa al cuello de la UABIP (c
en
Fig. 1
) con el propósito determinar si la concentra-
ción de CH
4
en el biogás generado en el RDASS era
similar después de difundir en el suelo de la UABIP
bajo dos condiciones: en suelo seco e hidratado a
capacidad de campo.
Efecto del biogás en las de raíces de plantas
Finalmente, probados los componentes del mode-
lo se examinó el efecto del biogás en el crecimiento
de calabaza. Para ello se tuvieron dos grupos de
RDASS en diferente estado en el proceso de DA, los
de mayor producción de biogás se denominaron de
“alta concentración” y los de menor de “baja concen-
tración” y se monitorearon a lo largo del experimento.
a
RDASS
SMB
UABIP
c
D
D
b
Fig. 1.
Modelo de difusión de biogás en raíz vegetal: reactor de digestión
anaerobia de sustrato sólido (RDASS), sistema de medición de biogás
(SMB), unidad de acoplamiento biogás-planta (UABIP). Las llaves
(rectángulos negro/blanco) alternan el fujo entre las di±erentes unidades;
a, b y c: sitios de muestreo
E. Baltierra-Trejo
et al.
136
Se sembraron 4 semillas de calabaza, previamen-
te desinfectadas durante 5 min con solución hipo-
clorito de sodio 5 % y lavadas con agua destilada
estéril, en el suelo artifcial de cada UABIP. Luego
de germinar las plántulas crecieron bajo un ciclo
de iluminación 16/8 h luz/oscuridad con lámpara
Fuorescente a 8600 Lux y a 25 ºC. Las plantas se
alimentaron con solución nutritiva (g/L): NH
4
NO
3
10, K
2
HPO
4
2, KH
2
PO
4
2.5, MgSO
4
•7H
2
O 1, NaCl
0.1, CaCl
2
, FeSO
4
•7H
2
O 0.001; H
3
BO
3
0.00286,
ZnSO4•7H
2
O 0.00022, MgSO
4
•7H
2
O 0.0001,
Na
2
MoO
4
•2H
2
O 0.0001 (Baker), pH 6.6. Las varia-
bles respuesta consideradas fueron: el porcentaje de
germinación, el peso fresco y seco foliar y el radical
de calabazas cosechadas a los 15 y 30 días después
de su germinación.
RESULTADOS
Para medir el efecto del biogás sobre la germina-
ción de las semillas y el crecimiento de la calabaza
se probaron los tres componentes descritos en el
diseño experimental: RDASS, SMB y UABIP para
estandarizar las condiciones de su operación.
Operación del reactor de digestión anaerobia de
sustrato sólido
Se estableció que el volumen de biogás generado
por los RDASS fue constante en el periodo entre
cada alimentación a partir del día 15 de la dinámica
de la DA de la FO de los RSU; con un volumen de
782 a 3200 mL/día, de los cuales 55 a 75 % era CH
4
en el periodo de tiempo entre cada alimentación
(
Fig. 2
).
Estandarización de la medición de biogás
Se probó si la SS que se usó en el SMB a pH 4 ó
10 inFuyó en la concentración de CH
4
en el biogás
generado en cada RDASS. Haciendo uso de la SS
alcalina aumentó la concentración de CH
4
en fun-
ción del volumen de la SS desplazada tras Fuir por
el SMB, que inicialmente fue 8 % mayor que en el
RDASS, pero a partir del día 8 fue similar en los pun-
tos de muestreo colocados antes y después del SMB
(
Fig. 3
). Al fnalizar el experimento se determinó el
pH de la SS ácida, que subió levemente de 4 a 4.8 y
el de la alcalina bajó drásticamente de 10 a 5.6, por
lo que en las pruebas posteriores se usó la SS ácida.
Difusión de biogás en la unidad de crecimiento
vegetal
Se analizó si el biogás producido en cada RDASS
Fuyó por el sistema y ±ue constante en su composición
luego de difundir en la UABIP bajo las dos condiciones
probadas. En suelo seco la concentración de CH
4
en
la UABIP fue de 58 %, mientras que en capacidad de
4000
100
75
50
25
0
3000
2000
1000
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tiempo (Días)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Tiempo (Días)
a)
b)
Volumen de biogás (mL)
% de CH
4
(v/v)
Fig. 2.
Dinámica de la producción de biogás en los RDASS en 45 días a 35 ºC. a) Volumen de biogás. b)
Concentración de CH
4
Fig. 3.
Concentración de CH
4
en RDASS y en el SMB en solución
salina ácida y alcalina en función del volumen acumulado
de biogás en 15 días
90
80
70
60
% de CH
4
(v/v)
50
0
5000
RDASS
SMB ácido
SMB alcalino
Volumen acumulado de biogás (mL)
10000
1500
02
0000
MODELO EXPERIMENTAL DE DIFUSIÓN DE BIOGÁS EN RAÍCES VEGETALES
137
campo fue de 46 %, por lo que en esta última condición
hubo una diferencia signiFcativa en la composición,
comparado con el biogás en el RDASS que registró un
63 % de CH
4
en ambas condiciones (
Fig. 4
).
Efecto del biogás en las de raíces de plantas
Los RDASS que se registraron como de “alta
concentración” tuvieron un volumen promedio de
79.27 L biogás/mes del que el 58.90 % fue CH
4
y
los de “baja concentración” un volumen promedio de
46.98 L biogás/mes de los que el 49.18 % fue CH
4
.
La germinación de semillas expuesta a elevada
concentración fue de 25 % y, en contraste, la de baja
concentración fue de 75 % comparada con las semi-
llas de calabaza sin exponer al biogás usadas como
control relativo (
Fig. 5
).
La germinación fue notoriamente inhibida por la
concentración de biogás. Las semillas expuestas a
biogás que germinaron lo hicieron con un retardo de
100
75
50
25
Alta
Baja
Concentración de biogás
Testigo
Germinación (%)
Fig. 5.
Efecto de alta (80 L/mes, CH
4
58.9 %) y baja (45 L/mes,
CH
4
49.18 %) concentración de biogás en la germinación
semillas de calabaza
Fig. 4.
Concentración de biogás en RDASS y UABIP con suelo
seco, capacidad de campo y control sin exposición a bio-
gás del RDASS. a y b = diferencia signiFcativa respecto
de “c”
100
50
25
0
Suelo seco
% de CH
4
(v/v)
a
a
a
b
c
c
Suelo capacidad de
campo
75
RDASS
UABIP
Testigo
2 a 4 días respecto del control (sin exponer a biogás),
lo que conFrmó que esta es una etapa crítica
por
la necesidad de mayor aporte de O
2
para activar el
metabolismo de hidrólisis de almidón de reserva en
el cotiledón (Hess 1980).
El biogás tuvo un efecto inhibitorio del creci-
miento de plántulas de calabaza en función de la
concentración de biogás y el tiempo de exposición,
que no fue diferente en plántulas de 15 días, mientras
que en 30 días la inhibición del expresado en biomasa
fue evidente con aval de la prueba estadística (
Fig. 6
).
DISCUSIÓN
La SS usada en el SMB tuvo una reacción química
diferente en condiciones ácida y alcalina. De acuerdo
con Muñoz
et al.
(2009) la alcalinidad de la SS permite
la disolución del CO
2
con formación de H
2
CO
3
, sin
embargo en el modelo experimental se observó que
esta reacción fue limitada y se evita al descender el
pH de la solución salina. Lo anterior es útil si se desea
probar únicamente el efecto del CH
4
producto de la
DA de la FO de los RSU, sin embargo sería necesario
diseñar un sistema para mantener la condición de pH
para la disolución del CO
2
a largo plazo.
El diseño de la UABIP permitió medir una
concentración de CH
4
similar a la reportada en
respiraderos de RESA, en promedio de ~60 % con
suelo seco, en tanto que en el suelo la capacidad de
campo fue de ~45 %. Ésta última condición fue una
barrera física para el ±ujo del biogás generado en
el RDASS, por lo que el efecto en el crecimiento
vegetal en este modelo planteado será diferente al
aplicarse un suelo distinto.
Los pocos estudios realizados señalan que el
efecto negativo en el crecimiento de las plantas en
RESA es causado por la condición de anoxia por
desplazamiento del O
2
. Se considera que CH
4
y CO
2
no son gases que alteren la Fsiología vegetal, lo que
sugiere que el daño es por asFxia de la raíz y no por
alteración de una ruta metabólica (Chan
et al
. 1991),
aunque no existe suFciente investigación al respecto
para una explicación deFnitiva.
CONCLUSIONES
La investigación sobre el estado del arte del efecto
del biogás de RESA en el crecimiento vegetal es in-
cipiente y poco clara, por lo que es difícil contrastar
los resultados obtenidos en este modelo experimental
con trabajos previos.
E. Baltierra-Trejo
et al.
138
20
15
10
5
0
15 días
30 días
a)
a
ab
ab
bc
c
d
Alta
Peso húmedo aéreo (g)
Baja
Testigo
Alta
Baja
Testigo
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
15 días
30 días
b)
a
ab
ab
b
c
d
Alta
Peso seco aéreo (g)
Baja
Testigo
Alta
Baja
Testigo
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
15 días
30 días
c)
a
a
a
b
c
d
Alta
Peso húmedo radical (g)
Baja
Testigo
Alta
Baja
Testigo
0.6
0.4
0.2
0.0
15 días
30 días
d)
a
a
a
b
c
d
Alta
Peso seco radical (g)
Baja
Testigo
Alta
Baja
Testigo
Fig. 6.
Promedio del los pesos fresco y seco de la parte aérea (a y b) y radical (c y d) de calabaza a los
15 y 30 días expuesta a alta (80 L/mes, CH
4
58.9%) y baja (45 L/mes, CH
4
49.18%) concen-
tración de biogás. a, b y c = diferencia signiFcativa respecto de “d”
Aunque los resultados conFrman que el biogás
producto de la DA de la FO de los RSU tiene un
efecto inhibitorio en el crecimiento vegetal aun no
es posible dar una explicación precisa acerca del
mecanismo que lo produce, por lo que será necesaria
mayor investigación para obtener una conclusión
al respecto.
También es necesario investigar si el efecto
Ftotóxico del biogás se debe al CO
2,
al CH
4
ó a la
combinación de ambos y si el daño es similar en los
diversos grupos vegetales.
La estandarización de las condiciones de estudio
como se propone en este trabajo, permitirá además
probar el efecto del biogás en las poblaciones mi-
crobianas del suelo, encontrar géneros vegetales
sensibles o resistentes al biogás y los mecanismos
morfoFsiológicos que en ellos actúan, lo que podría
derivar en la obtención de bioindicadores de la cali-
dad del aire del suelo en los RESA.
AGRADECIMIENTOS
El desarrollo de esta investigación se llevó a cabo
gracias al Fnanciamiento otorgado al Proyecto 2.7
y 5.15 (2010-2011) de la CIC-UMSNH y a la Beca
239180 del Consejo Nacional de Ciencia y Tecno-
logía (CONACyT).
REFERENCIAS
Chan G. Y. S., Wong M. H. y Whitton B. A. (1991). Effects
of landFll gas on subtropical woody plants
. Environ.
Manage. 15, 411-431.
Flower F. B., Leone I.A., Gilman E. F. y Arthur J. J. (1978).
A study of vegetation problems associated with refuse
landFlls. EPA. EUA. 600, 78-94.
Franzidis J. P., Héroux M., Nastev M. y Guy C. (2008).
Lateral migration and offsite surface emission of land-
Fll gas at City of Montreal landFll site. Waste Manage.
Res. 26, 121-131.
Hess D. (1980).
Fisiologia vegetal
.
Fundamentos molecu-
lares y fsiológicos del metabolismo y el desarrollo
.
Omega, Barcelona, España, pp:40-43
Jackson M. (2002). Long-distance signaling from roots
to shoots assessed: the ±ooding story. J. Ex. Bot. 53,
175-181.
Muñoz J. D., Camargo D. A. y Gallego D. (2009). Apli-
cación de la metodología de superFcie de respuesta en
un proceso de absorción del CO
2
de un biogás en una
solución alcalina. Dyna 76, 135-144.
Stolwijk A. J. y Thimann K. V. (1987). On the uptake of
carbon dioxide and bicarbonate by roots, and its in±u
-
ence on growth. Plant Physiol. 32, 513-520.
Tchobanoglous G. y Kreith F. (2005).
Handbook of
solid wasted management
. McGraw-Hill, Nueva York,
Cap.14.
MODELO EXPERIMENTAL DE DIFUSIÓN DE BIOGÁS EN RAÍCES VEGETALES
139
Wong M. H., Cheung K. C. y Lan C. Y. (1992). Factors
related to the diversity and distribution of soil fauna on
Gin Drinkers’ Bay landfll, Hong Kong. Waste Manage.
Res. 10, 423-344.
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