Estudio y manejo de comunidades microbianas de lodos de alpechín en balsas de evaporación para su biorremediación y aprovechamiento

Resumen

El método más comúnmente utilizado desde la década de los 80 para la gestión del alpechín, residuo líquido de la industria de extracción del aceite de oliva, ha estado limitado a su acúmulo en balsas de evaporación. En estas instalaciones al aire libre, el agua se evapora y el alpechín se concentra formando un material con una consistencia de lodo. En estas condiciones, los componentes recalcitrantes del alpechín como los compuestos fenólicos, que le confieren carácter fitotóxico y antimicrobiano, también se concentran y modifican durante el almacenaje. La mayoría de balsas de evaporación inicialmente construidas estaban mal dimensionadas y presentaban una deficiente impermeabilización, por lo que las sustancias contaminantes se extendían a los suelos y masas de agua colindantes. A pesar de que muchas de estas instalaciones están actualmente en desuso, debido a que se han adoptado nuevos métodos de extracción de aceite que no generan alpechín, el impacto de las balsas persiste, así como la necesidad de implementar métodos para el tratamiento de los lodos de alpechín acumulados en las mismas. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral fue el estudio de tratamientos de biorremediación in situ como alternativa sostenible para la gestión de lodos o sedimentos resultantes del acúmulo de alpechín en balsas de evaporación. Este trabajo se desarrolló en un complejo de 8 balsas de evaporación localizadas en el municipio de Mora (Toledo) que ocupa 5 ha y que no se emplea para la disposición del alpechín desde 2006. Se desarrollaron tres fases experimentales, incluyendo, la caracterización de los lodos contenidos en las balsas y la determinación de la extensión de la contaminación en suelos adyacentes, seguido de la búsqueda y selección de microorganismos a emplear en las técnicas de biorremediación, y culminando con la implementación in situ de cuatro estrategias de biorremediación (landfarming, fitorremediación, compostaje y vermicompostaje), cada una de las cuales se desarrolló en dos modalidades, inoculado o no con los microorganismos previamente seleccionados. Finalmente, se realizó una comparativa de las estrategias de biorremediación aplicadas para discernir cuál de ellas podía considerarse más destacable o ventajosa en el tratamiento de los lodos de alpechín. Estos experimentos dieron como resultado la publicación de tres artículos en revistas indexadas que integran esta Tesis Doctoral y un cuarto trabajo enviado para publicación. La caracterización de los lodos de alpechín y de la microbiota que alberga, puso de manifiesto la existencia de diferencias entre lodos procedentes de distintas balsas, derivadas, principalmente, de la antigüedad de la balsa y de su historial de llenado-vaciado determinado por la configuración del complejo de balsas conectadas entre sí. De acuerdo con ello, las balsas más antiguas y desecadas contenían lodos con un reducido contenido en materia orgánica; mientras que este fue elevado en lodos de balsas más recientes o más cercanas al punto de descarga de alpechín. Por ello, con vistas a la implementación de las técnicas de biorremediación, se valoró la necesidad de mezclar ambos tipos de lodo, además de incorporar residuos orgánicos frescos (excrementos de animales y compost agotado de setas), disponibles en el entorno cercano a las balsas, como agentes bioestimulantes para balancear los nutrientes necesarios y activar la funcionalidad de la microbiota residente, cuya presencia, diversidad y actividades metabólicas fue validada. Además, los análisis de ecotoxicidad y fitotoxicidad, realizados en los suelos subyacentes a la balsa en la que se implementarían las técnicas de biorremediación, revelaron que la contaminación se encontraba limitada a la capa de lodo (0-45 cm) sin que se observase un impacto significativo en la capa de suelo subyacente (45-90 cm), por lo que se concluyó que no se requería excavación profunda de esta capa para el desarrollo de las operaciones de biorremediación en la propia balsa. El análisis de la microbiota de los lodos puso de manifiesto la existencia de una elevada proporción de microorganismos degradadores de polifenoles adaptados a las condiciones extremas impuestas por la matriz de lodo concentrada, con una elevada conductividad eléctrica y pH y reducida actividad de agua, entre otros. Con el objeto de seleccionar microorganismos para bioaumentar las estrategias de biorremediación, se desarrolló un programa de búsqueda de microorganismos con actividades enzimáticas polifenoloxidasa y ligninolíticas entre los aislados obtenidos a partir de los lodos mediante procedimientos selectivos. Se obtuvo una colección constituida por 20 hongos y 40 bacterias, entre los cuales dos hongos, identificados como Aspergillus ochraceus H2 y Scedosporium apiospermum H16, tuvieron un amplio espectro de actividades enzimáticas y fueron capaces de degradar completamente el compuesto fenólico tirosol en cultivo mixto. Ambos hongos fueron seleccionados para constituir el consorcio fúngico que se emplearía en las estrategias de biorremediación para eliminar los contaminantes más recalcitrantes de los lodos de alpechín. Además, su idoneidad para tal fin fue validada mediante un ensayo preliminar, en el que se incorporaron en pilas de compostaje con lodos de alpechín, demostrando ser efectivos en la reducción o eliminación de la fitotoxicidad y ecotoxicidad de los lodos en comparación con los niveles para ambos parámetros en pilas de compostaje no inoculadas. Finalmente, en una de las balsas se implementaron las cuatro estrategias de biorremediación en sus dos modalidades cada una, bioaumentadas o no con el consorcio seleccionado. Para todos los casos, basado en los análisis realizados en la primera fase del estudio, los lodos orgánicos e inorgánicos se mezclaron entre sí y con residuos orgánicos frescos en proporciones adecuadas para balancear nutrientes y alcanzar una relación C/N de 25. Esta matriz se dispuso en 8 subparcelas dentro de la balsa, en forma de pilas para el compostaje y primera fase de vermicompostaje, y formando una capa plana para landfarming y fitorremediación. En esta última se sembraron 4 especies de plantas (Juncus acutus, Chrysopogon zizanioides, Claudium mariscus and Phragmites australis). Tras la disposición del material para cada pareja de estrategias, se inoculó una de ellas con biomasa del consorcio fúngico, se ajustaron las operaciones de manejo correspondientes a cada caso y se realizaron muestreos cada dos meses durante un período total de 9 meses. Los análisis revelaron que todas las estrategias redujeron significativamente la fitotoxicidad y ecotoxicidad de los lodos de alpechín, siendo casi completamente eliminadas en las modalidades inoculadas. Aunque el landfarming y la fitorremediación contribuyeron a mejorar las características de los lodos como sustrato, el compostaje y el compostaje seguido de vermicompostaje tras la fase bio-oxidativa resultaron ser las técnicas más idóneas para generar sustratos de calidad para su uso agrícola y valorizar de este modo el lodo de alpechín. Para validar esto último, se realizó un estudio en profundidad del desarrollo de los procesos de compostaje y vermicompostaje, así como de los productos obtenidos. Este análisis reveló que el perfil térmico fue adecuado y que el compost y el vermicompost obtenidos presentaban una elevada calidad agronómica, reuniendo el último unas mejores características en comparación con el primero. De hecho, con vistas a una restauración integral del área afectada se propuso un modelo en cascada en el que los lodos, principalmente los de mayor carga orgánica, se tratarían en primera instancia mediante compostaje hasta la fase bio-oxidativa seguido de vermicompostaje, para generar sustratos idóneos para una posterior fitorremediación o restauración vegetal. En el caso de los lodos con menor carga orgánica, los tratamientos de landfarming y fitorremediación serían los de elección, aunque también pueden rendir productos mediante compostaje o vermicompostaje. En términos generales, el uso de estrategias biológicas como landfarming, fitorremediación, compostaje y vermicompostaje, permiten gestionar los lodos de alpechín remanentes en balsas de evaporación de manera sostenible económica y ecológicamente, además de revalorizar estos residuos dando lugar a productos de interés comercial en el marco de la economía circular.