INTRODUCCIÓN

El cultivo hidropónico de hortalizas constituye una alternativa de cultivo intensiva, de la cual se obtienen altos volúmenes de producción por metro cuadrado y que se puede adaptar a lugares en donde el suelo no es apto para la agricultura, en espacios limitados de terreno o en áreas donde el recurso hídrico sea limitado, ya que el sistema de recirculación de agua permite el ahorro de hasta el 90% del líquido vital frente al cultivo de vegetales en suelo (Cuá y Vázquez, 2016).

Los cultivos hidropónicos utilizan materiales que sustituyen a la tierra y que, además, brindan un entorno favorable para la planta, permitiendo su crecimiento normal. Para el cultivo hidropónico a raíz desnuda, la producción se desarrolla de manera que la planta queda fija en un material flotante de soporte sobre la solución nutritiva acuosa durante todo el ciclo de cultivo, hasta alcanzar las características aptas para su cosecha (Guzmán, 2004).

El presente trabajo aborda el sistema de cultivo hidropónico a raíz desnuda de lechuga, para el cual se utilizan, usualmente, como base y soporte de las plantas, planchas de poliestireno expandido.

El poliestireno expandido, por su parte, al ser un material estable, de baja densidad y de fácil acceso para ser utilizado en este método de cultivo, luego de su vida útil, constituye uno de los materiales más contaminantes debido a su escasa capacidad de biodegradabilidad (Rodríguez, 14 de setiembre de 2013). Esto significa un problema ambiental de gran impacto, sobre el cual se están reuniendo esfuerzos para poder encontrar un material amigable con el ambiente que pueda sustituir al mencionado poliestireno (Tamayo, Sarasty y Mosquera, 2017).

En virtud de lo anterior, la propuesta tuvo como objetivo generar materiales flotantes biodegradables, fabricados a partir de desechos agroindustriales, como una alternativa al uso de poliestireno expandido, y que puedan cumplir las funciones de soporte de plantas para el cultivo hidropónico a raíz desnuda de lechuga.

Los insumos elegidos para la construcción de aglomerados de fibras vegetales, primeramente, fueron los desechos agroindustriales de banano (Musa paradisiaca) en razón de que existen estudios favorables sobre el uso de este tipo de fibra a nivel industrial, como el de Manrique y Rivera (2012). Además, se realizó la comparación de lo anterior con el comportamiento de la fibra presente en el fruto de la palma aceitera (Elaeis guineensis). Finalmente, se empleó el arroz (Oryza sativa) como material aglutinante por su propicia cantidad de almidón (López y Ozaeta, 2013). Para esta elección, se tomó en consideración que los cultivos mencionados son de importancia económica en Ecuador y que constituyen un suministro de materia prima de fácil acceso y bajo costo.

Para el caso de la fibra de palma aceitera, se estima que la cantidad que se obtiene, luego de la extracción del aceite, alcanza el 58.7% de su peso inicial (Bejarano, 2006). Por su lado, la fibra de banano fue extraída del raquis del racimo, el cual constituye entre el 12% y 15% del peso total del mismo. En el caso del arroz, se utilizó el subproducto denominado arrocillo, es decir, el arroz partido que se obtiene de las piladoras, este es un subproducto del proceso y representa un 10% del peso del arroz que ingresa al proceso de pilado (Benavidez, 2006).

Para elaborar los prototipos se utilizaron operaciones unitarias simplificadas, con el mínimo gasto energético y sin la emisión de gases tóxicos contaminantes, con la finalidad de que esta tecnología pueda estar al alcance de productores que deseen desarrollar sus propios materiales de soporte.

Por otra parte, es importante recalcar que la oportunidad de utilizar subproductos y desechos agroindustriales abre las puertas a nuevas fuentes de ingreso económico, pues se propicia la generación de alternativas de productos con valor agregado y, si es que estas propuestas son desarrolladas a nivel industrial, se producen fuentes de trabajo (Tapia, 2007).

METODOLOGÍA

Material y métodos

La presente investigación tuvo como localidad a la ciudad de Quito, Ecuador, situada a 2850 m s. n. m., con temperatura anual promedio de 13.9 °C y con 1273 mm de precipitación anual. La base técnica fue brindada por el diseño de aglomerados de fibras vegetales descrito en el estudio presentado por Tamayo et al. (2017). En el mencionado contexto, se utilizaron fibras de palma aceitera (Elaeis guineensis) y banano (Musa paradisiaca), aglutinadas con arrocillo de variedad INIAP15 y recubrimiento de ceras de origen orgánico: de abeja y de palma carnauba.

Por motivos de accesibilidad en la obtención de materiales, se utilizó la fórmula probada por el estudio indicado, la cual se basa en la fibra de banano al 70% y arrocillo al 30%, ya que es un tratamiento con excelentes resultados en cuanto a aglutinación, compactación y homogeneidad; además, lo anterior se evaluó comparativamente frente a aglomerados a base de fibra de palma aceitera en iguales concentraciones.

En la Figura 1, se muestra el diagrama del proceso utilizado en la elaboración del prototipo:

Se aplicó en el experimento el diseño estadístico de bloques completamente al azar (DBCA) con un análisis de varianza (ANOVA), además de una prueba de Tukey (p ≤ 0.05) para comparación con el software SPSS (International Business Machines Corporation, EE. UU.).

Para la evaluación, se elaboraron 25 aglomerados de 12 x 12 x 3 cm de cada uno de los tratamientos que se describen en la Tabla 1.

Tabla 1. Descripción de tratamientos.

En la Figura 2, se presenta el material aglomerado producido con fibras vegetales y cobertura de polímeros orgánicos, el cual fue utilizado para la evaluación en campo de cultivo de lechuga hidropónica.

Los prototipos desarrollados fueron expuestos a evaluaciones mecánicas de materiales: evaluación de la dureza de superficies y resistencia a la compresión y a la flexión, las mismas que se muestran en la Figura 3 (secciones A, B y C, respectivamente); además, los modelos fueron sometidos a evaluaciones microbiológicas.

Con respecto a las pruebas mecánicas, fueron evaluadas 6 repeticiones de cada tratamiento.

En la evaluación de dureza superficial, se hizo uso de un penetrómetro en escala Shore y se midió de manera manual la superficie de las dos caras del material. Para realizar la prueba, se contó con una plantilla en cruz con la finalidad de homologar la toma de muestra en todos los prototipos, con lo que se consiguió un total de 32 penetraciones por cara.

Para las pruebas mecánicas de resistencia a la flexión y la compresión, fueron utilizadas probetas de 12 x 4 x 3 cm. La resistencia a la compresión fue medida con ayuda del equipo de compresión de 3000 kN presentado en la Figura 3, sección B; el dato proporcionado fue el de carga, medido en kN. En la evaluación de la variable de resistencia a la flexión con carga transversal, se utilizó el equipo de ensayos llamado Universal (ver la Figura 3, sección C), el cual cuenta con una potencia de compresión de 200 kN, para obtener el punto de quiebre de cada muestra expuesta.

Se procedió a la evaluación microbiológica con la premisa de que el material desarrollado estaría en contacto con vegetales de consumo directo en crudo, es por esto que se consideró de importancia su valoración.

Para el fin descrito, fue construido un sistema de cultivo en módulos independientes, el mismo que se aprecia en la Figura 4, con 6 observaciones cada uno, mediante el cual se desarrolló el cultivo de lechuga en medio hidropónico y se valoró la contaminación microbiológica del material.

Se realizó la evaluación microbiológica mediante la toma de muestra en zigzag de la superficie de cada prototipo en evaluación. Asimismo, se consideraron dos etapas clave para la toma de muestras: a los 15 días luego de la siembra y a los 30 días, que corresponde al tiempo de cosecha de la lechuga.

Para la evaluación de contaminación microbiológica, se aplicó el uso de placas Compact Dry, las cuales favorecen el cultivo uniforme y estándar de las muestras. Algunas de las características de dichas placas son:

• Compact Dry TC: facilita la identificación de aerobios totales por medio de tinción con tetrazolio en un medio de agar, coloreando las colonias de rojo.

• Compact Dry YM: permite la observación de colonias de mohos y levaduras. La característica del sustrato es que posee el compuesto X-Phos, lo que permite la coloración de las colonias de azul.

Las placas utilizadas cuentan con el aval de las certificaciones AOAC, MicroVal y NordVal (Hyserve, 2010).

Los protocolos empleados fueron los siguientes:

Métodos para la toma de muestras superficiales y el transporte

• Utilización de guantes de látex para evitar contaminación cruzada

• Toma de muestras al azar

• Raspado en forma de zigzag con un hisopo estéril

• Colocación de los hisopos en tubos de ensayo con agua destilada para impedir algún tipo de afección hacia los microorganismos

• Transporte de los tubos de ensayo en condiciones seguras para evitar rupturas y cambios de temperatura que puedan afectar a la muestra

Siembra de muestras en las placas de conteo

• Se realizaron diluciones de la muestra madre en 10 ml de agua destilada y se colocaron en tubos de ensayo

• Subsecuentemente, se realizaron disoluciones a la concentración 10^-4

• Se colocó un mililitro de la solución descrita en el centro de los Compact Dry, etiquetándolos de acuerdo al tratamiento

• Las placas de Petri Compact Dry TC se incubaron a temperaturas de entre 35 °C y 37 °C por 24 horas

• Las cajas de cultivo se incubaron a temperaturas de entre 25 °C y 30 °C por 2 a 3 días

Las placas de trabajo y el conteo de colonias se muestran en la Figura 5.

RESULTADOS

La metodología utilizada para la elaboración de prototipos a partir de fibras vegetales aglutinadas con arrocillo, descrita por Tamayo et al. (2017), generó materiales homogéneos y estables, aptos para su utilización en el sistema hidropónico estudiado.

Los resultados de la valoración de dureza superficial presentaron diferencia significativa entre los tratamientos, de donde el prototipo constituido por 70% de palma, 30% de arrocillo y con cobertura de carnauba resultó ser el material con mayor dureza en comparación con sus homólogos.

Es importante indicar que no existe diferencia estadística entre los tratamientos 1, 3 y 4, datos que se encuentran en la Tabla 2 a continuación.

Estudio de resultados de la evaluación de resistencia a la compresión

Los análisis de resultados de la varianza de los valores de carga arrojaron un .-valor menor a 0.05, reflejo de que no presenta diferencia significativa entre las evaluaciones de los tratamientos; sin embargo, se pudo encontrar que sí existió diferencia entre los tratamientos y el testigo, donde este último fue mucho menor en resistencia a la compresión. En la Tabla 3, se exponen los promedios alcanzados (en kN) de los tratamientos en estudio.

Evaluación de resultados de la prueba de resistencia a la flexión con carga transversal

Los valores obtenidos proporcionan como resultado un .-valor mayor a 0.05, lo que sugiere que los valores tomados en los tratamientos no difieren entre sí, es decir, que, con respecto a la resistencia a la flexión antes de ruptura, los prototipos en su totalidad presentan una resistencia similar, resultado muy superior a lo descrito por el testigo. En la Tabla 4, se muestran los promedios en kN de la resistencia a la flexión, obtenidos mediante la evaluación de los prototipos.

Análisis microbiológico de mesófilos aerobios a los 15 y 30 días

Para la cuenta de unidades formadoras de colonias de mesófilos aerobios, se utilizó la metodología descrita. Los prototipos fueron sometidos a evaluación a los 15 días, estos resultados se exponen en la Tabla 5.

Los datos muestran claramente que existe diferencia entre el número de colonias que presentan los tratamientos en esta evaluación, donde el tratamiento 2 es el de menor probabilidad de contaminación frente al resto. Los tratamientos con cobertura de cera de abeja mantienen una contaminación más alta al momento de la valoración y el testigo también presenta colonización de mesófilos más alta que en los tratamientos con cobertura de cera carnauba.

La evaluación de microorganismos mesófilos aerobios a los 30 días de medición presentó una contaminación generalizada en todos los tratamientos, en donde se pudo comprobar que, para el día 30, los números de UFC son incontables. Este resultado se presentó en todos los tratamientos evaluados.

Análisis microbiológico en periodos de 15 y 30 días de incubación

Se consideró de importancia el análisis de mohos y levaduras en concordancia con que el material evaluado se encuentra en contacto con agua durante todo el tiempo de cultivo del vegetal. Del análisis estadístico se obtuvo un .-valor de 0.5, siendo su resultado cualquier tratamiento y en el testigo.

DISCUSIÓN

Los prototipos desarrollados utilizaron metodologías artesanales simplificadas para su elaboración y alcanzaron los resultados funcionales esperados en cuanto a la flotabilidad durante todo el ciclo de cultivo, por tanto, su utilización es favorable como material de soporte en sistemas hidropónicos de raíz desnuda.

Al utilizar la metodología de elaboración de materiales descrita por Tamayo et al. (2017), se corroboró que la utilización de arrocillo como material ligante entre las fibras vegetales es eficiente con otras fibras, como sucedió con la palma aceitera (Elaeis guineensis).

Al ser un aglomerado de fibras vegetales con cobertura de polímeros orgánicos, las pruebas mecánicas superaron los valores presentados bibliográficamente del poliestireno expandido.

Es importante destacar que el aglomerado no fue desarrollado con pegamentos industriales como la urea-formaldehído, más bien, está constituido exclusivamente por materiales orgánicos biodegradables y, pese a eso, los valores alcanzados en las pruebas mecánicas se encuentran dentro de los rangos presentados para los aglomerados comerciales de la Norma Técnica Ecuatoriana NTE INEN 896:2005. Tableros de madera aglomerada, contrachapada y de fibras de madera (MDF) (Instituto Ecuatoriano de Normalización, 1995; Instituto Ecuatoriano de Normalización, 2005).

Para la utilización del material en campo es necesario que la temperatura del sistema acuoso sobre el cual se desarrolle el cultivo mantenga un rango estable, ya que el incremento de temperatura puede afectar de manera importante la estabilidad de la cobertura polimérica del aglomerado.

Los resultados de las evaluaciones microbiológicas obtenidos en la medición a los 15 días de cultivo se encuentran por debajo del máximo permitido por la norma sanitaria (Ministerio de Salud del Perú, 2008), la cual indica un límite máximo de 10. UFC.

CONCLUSIONES

Se concluye que los prototipos generados a partir de desechos agroindustriales de palma aceitera (Elaeis guineensis) y de banano (Musa paradisiaca), aglutinados con arrocillo y con cobertura de cera carnauba pueden cumplir las funciones del poliestireno expandido en cultivos de lechuga bajo el sistema de producción a raíz desnuda; por lo tanto, pueden reemplazarlo. Asimismo, se detectó que el material de mejores características fue el desarrollado con 70% de fibra de palma aceitera, 30% de arrocillo y con cobertura de cera carnauba. Por último, vale indicar que, al finalizar el ciclo de cultivo, el material puede ser enviado a sistemas de compostaje para su respectiva degradación y formación de abonos orgánicos.

AGRADECIMIENTOS

A la Universidad de Las Américas, a la Universidad Salesiana de Cuenca y a sus respectivos docentes, quienes colaboraron con la toma de datos de los análisis mecánicos y microbiológicos de los materiales desarrollados en esta investigación.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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