Efectos de la adición de enmiendas orgánicas y combinación con la fitoextracción mediante el uso de dos especies vegetales (Brassica napus y Sinapis alba), en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de suelos mineros de España

Cárdenas Aguiar, Eliana Marcela (2019). Efectos de la adición de enmiendas orgánicas y combinación con la fitoextracción mediante el uso de dos especies vegetales (Brassica napus y Sinapis alba), en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de suelos mineros de España. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57511.

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Title: Efectos de la adición de enmiendas orgánicas y combinación con la fitoextracción mediante el uso de dos especies vegetales (Brassica napus y Sinapis alba), en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de suelos mineros de España
Author/s:
  • Cárdenas Aguiar, Eliana Marcela
Contributor/s:
  • Gascó Guerrero, Gabriel
  • Méndez Lázaro, Ana María
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Producción Agraria
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La contaminación del suelo se reconoce como la ausencia de productividad del mismo debido a sustancias tóxicas que sobrepasan los límites de autodepuración. La presencia de metales en los suelos se origina naturalmente por el aporte del material parental, no obstante, las concentraciones posiblemente tóxicas son aquellas que provienen de actividades humanas como la minería metálica. Los metales son persistentes y no biodegradables, por lo cual las técnicas para tratarlos son la contención, confinamiento y descontaminación. La presente tesis doctoral se fundamenta en el uso de dos técnicas de descontaminación: adición de enmiendas y fitoextracción. Las enmiendas se definen como cualquier materia que mejora las propiedades del suelo, específicamente las enmiendas orgánicas son aquellas que puedan mantener o aumentar el contenido de materia orgánica del suelo y mejorar las propiedades del mismo. De acuerdo a esta perspectiva los residuos se convierten en una opción viable cumpliendo la función como enmienda y a la vez valorizando los desechos de actividades agrícolas y ganaderas. Existen diversas materias primas que pueden ser consideradas (restos vegetales, madera, desechos de cosechas, residuos ganaderos), pero son los residuos ganaderos los de especial interés debido al alto contenido en nutrientes y de carbono orgánico. Comúnmente el estiércol de animales se ha adicionado a los suelos sin ningún tipo de tratamiento térmico, sin embargo, se presentan ciertas desventajas como la presencia de patógenos, producción de gases de efecto invernadero, generación de malos olores e incluso dificultades en el almacenamiento y transporte. La producción de materiales como el biochar y el hidrochar permiten solventar las desventajas previamente descritas para los residuos ganaderos, reconociendo estos como materiales carbonosos producto del tratamiento térmico de la biomasa. El biochar es el resultado del proceso de pirólisis a altas temperaturas en ausencia o limitada cantidad de oxigeno mientras que el hidrochar se fabrica por carbonización hidrotermal, aplicando presión autógena, bajas temperaturas y permite el uso de biomasa húmeda. Actualmente se reconoce la mejora de la calidad del suelo tras la adición de biochar, debido a la liberación lenta de nutrientes, mayor retención de agua, incremento en la biomasa microbiana, etc. El hidrochar por su parte, es un producto reciente que igualmente se le confieren propiedades esenciales para la remediación de suelos. La fitoextracción se fundamenta en el uso de las plantas para acumular los metales en la biomasa cosechable y las especies acumuladoras se caracterizan por ser resistentes a elevadas concentraciones de metales, sin embargo, pueden presentar tasas lentas de crecimiento, así como baja producción de hojas, tallos y raíces. Por tal razón se plantea que la combinación de dicha técnica con suelos enmendados con residuos ganaderos, biochares e hidrochares puede llegar a potencializar los resultados, teniendo como finalidad maximizar la reducción de los metales presentes en los suelos. El objetivo general de la presente tesis doctoral es: analizar los efectos de la adición de enmiendas y de su combinación con la técnica de fitoextracción (Brassica napus y Sinapis alba) en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de suelos mineros de España así como en la extracción de metales en los suelos seleccionados. Para ello se plantean los siguientes objetivos específicos: 1. Determinar las propiedades fisicoquímicas de las enmiendas orgánicas. 2. Determinar las propiedades fisicoquímicas de los suelos. 3. Evaluar el efecto de la adición de enmiendas y su combinación con la fitoextracción en el pH, conductividad eléctrica y propiedades biológicas de los suelos. 4. Evaluar el efecto de la adición de enmiendas y de su combinación con la fitoextracción en el contenido en metales de los suelos. 5. Analizar la capacidad de fitoextracción y producción de biomasa de Brassica napus y Sinapis alba en los suelos testigos y enmendados. La tesis doctoral se encuentra estructurada en cuatro capítulos siguiendo la organización y recolección de muestras del proyecto: “Tratamiento de suelos contaminados por metales mediante combinación de técnicas de fitorremediación con adición de biochar (CGL2014-58322-R) del programa Retos 2014”. La investigación se basa en el tratamiento de un total de siete suelos y residuos mineros productos de la extracción de Zn y Pb en diferentes áreas de España. Los suelos se enmendaron con nueve materiales diferentes y para los ensayos de fitoextracción se mantuvieron las especies Brassica napus (colza) y Sinapis alba (mostaza) durante todos los montajes de laboratorio. Las primeras muestras obtenidas durante el marco del proyecto corresponden a los suelos Gamonedo (Cantabria) y Portmán 1 (Murcia) y se enmendaron con estiércol de conejo y sus respectivos biochares (450 ºC y 600 ºC) e hidrochares (190 ºC y 240 ºC), resultando en el primer capítulo. Para el segundo capítulo, las siguientes muestras obtenidas fueron del área de Portmán (Murcia) catalogadas como suelo Portmán 2 y lodo 32, tratados con estiércol de conejo, biochares fabricados a partir de estiércol de conejo a 300 ºC y 600 ºC, además de las mezclas de cada uno de los biochares con el estiércol. En el tercer capítulo, se llevó a cabo la mezcla de los suelos con gallinaza y carbón vegetal, los suelos se obtuvieron del área de Riotinto, diferenciados en dos presas mineras y un suelo aledaño, etiquetadas como RI-II, RIII y RIIIS. El capítulo cuatro se diferencia de los restantes, debido a que hace parte de una estancia de investigación en la Universidad de Edimburgo y se planteó con el fin de determinar la estabilidad del carbono asociado a los biochares e hidrochares. Uno de los beneficios que se atribuye a estas enmiendas es el secuestro de carbono en el suelo a largo plazo, pero dicha propiedad no se puede garantizar a menos que se reconozcan los materiales como estables. Con el fin de conocer el comportamiento de los biochares e hidrochares a través del tiempo, se efectuó un proceso de envejecimiento artificial, el cual consiste en acelerar la oxidación de los materiales que naturalmente se da en varios años. Posteriormente se efectuó el análisis elemental y termogravimétrico de las muestras. El trabajo laboratorio comprende la caracterización inicial de las enmiendas y de los suelos. Las enmiendas utilizadas para el tratamiento de los suelos, se caracterizaron ampliamente determinando las propiedades fisicoquímicas, así como el análisis elemental, inmediato y termogravimétrico y el contenido en metales totales. Los suelos seleccionados también fueron caracterizados y una vez finalizados los montajes de fitoextracción se determinó: el pH y conductividad eléctrica (CE), actividades enzimáticas, biomasa microbiana, biomasa vegetal y concentración de metales totales en los suelos y en las plantas. Los resultados mostraron el aumento del pH del suelo al agregar biochares en comparación con la adición de hidrochar, tal es el caso de los experimentos del capítulo I. Al cotejar los efectos en suelos enmendados con dos biochares producidos a diferentes temperaturas (Capitulo II), no se observan diferencias significativas. Por último, en los suelos ácidos de Riotinto, capitulo III, se evidencian los beneficios de adicionar enmiendas con pH alcalinos como el caso de la gallinaza y el carbón vegetal, incrementando el pH de los suelos a valores mayores a 7. La CE aumentó en todos los suelos tras la adición de las enmiendas, no obstante existen variaciones entre los tratamientos, siendo los suelos enmendados con biochares los de mayor CE. La presencia de las especies vegetales Brassica napus y Sinapis alba, no genera mayores variaciones en el pH y ni en la conductividad eléctrica del suelo. A nivel de actividades enzimáticas, la media geométrica de las actividades (GMea) resume el comportamiento general de las tres enzimas (Fosfomonoesterasa, β-glucosidasa y deshidrogenasa). En el capítulo I, se puede observar como la presencia de los hidrochares aumenta las enzimas del suelo como resultado de la degradabilidad de dichos materiales. En el capítulo II, para los dos suelos la adición del biochar producido a 600 ºC no tiene diferencias en el GMea con los suelos sin enmendar y en ciertos escenarios es incluso menor, lo cual se asoció a la temperatura de pirólisis y el comportamiento de las estructuras de carbono, encontrándose C lábil a bajas temperaturas y C menos disponible (estructuras aromáticas) a mayores temperaturas. En el capítulo III, las actividades enzimáticas incrementan considerablemente con la adición de la gallinaza, lo que se explica debido al bajo contenido de carbono orgánico de los suelos y que aumenta producto de nuevos aportes de C orgánico. La biomasa microbiana se encuentra directamente relacionada con las actividades de las tres enzimas, por lo cual se evidencia el aumento de la microbiota asociada al suelo con los hidrochares y la gallinaza y la disminución con el biochar a 600 ºC, según los respectivos montajes previamente mencionados. Se reconoce que la biomasa es la medición de los microorganismos presentes en el suelo y la medición de las enzimas representa el sustrato disponible para el crecimiento de dicha biomasa. El comportamiento por ende también se encuentra asociado al carbono disponible en el suelo. Según la normativa europea y los niveles genéricos de referencia determinados para los diferentes metales por las comunidades autónomas de España, los suelos se encuentran contaminados por As, Pb y Zn, en la mayoría de los casos. Los suelos enmendados en todos los casos reducen la cantidad del metal total presente en el suelo, sin embargo, los resultados con la presencia de las especies vegetales Brassica napus y Sinapis alba no son evidentes, por lo cual la capacidad de fitoextracción de las plantas se basa en los factores de bioconcentración, translocación, cantidad de metal extraído en cada parte del tejido vegetal y los porcentajes de extracción respecto a los suelos sin enmendar. Los resultados de los factores de bioconcentración y translocación son puntuales en cada metal y dependen del tipo del suelo, pero a nivel general se puede establecer que los metales se acumulan en las raíces de las plantas y no existe un transporte de los mismos a la parte superior (hojas y tallos). En este apartado se destacan la presencia de síntomas de toxicidad por As en las plantas, lo que se corrobora con los niveles de extracción. Además, en los suelos de Riotinto se concluye que las propiedades y concentraciones de metales en los suelos inhiben la germinación de las especies, pero que la adición de la gallinaza y el carbón vegetal permiten el crecimiento. En el capítulo IV, se estableció un menor contenido de C en los biochares e hidrochares posterior al envejecimiento, según el análisis elemental. De igual forma el %H y %N disminuyen en las enmiendas envejecidas. La relación H/C aumenta respecto a los biochares e hidrochares frescos y la relación C/N disminuye. El rango de la relación H/C deseado para el secuestro de C en suelos fluctúa entre ≤0.4 y ≤ 0.6, todas las muestras superan dicho límite. La estabilidad del C asociado a las enmiendas envejecidas no supera el 18%, exceptuando el caso del BEC600 con un 48.96%. A lo largo del proyecto de investigación se utilizaron diferentes biochares, hidrochares y residuos ganaderos, demostrando la mejora en las propiedades del suelo como: mayor contenido de materia orgánica, pH, CE, biomasa vegetal y biomasa microbiana, incluso el estiércol de conejo y la gallinaza sin tratamiento térmico promovieron el crecimiento de las plantas y la reducción de los metales. De igual forma el uso de los hidrochares permite evidenciar el incremento en las propiedades biológicas de los suelos y genera información en un tema que actualmente se encuentra en desarrollo y del cual existen vacíos. La mitigación del cambio climático y el secuestro de carbono son temáticas importantes ambientalmente. Asegurar la estabilidad de los materiales agregados al suelo hace parte del análisis del ciclo de vida de dichas enmiendas. Durante la presente tesis doctoral se han establecido los efectos en las propiedades fisicoquímicas y biológicas de los suelos, así como la variación en el contenido en metales posterior a la adición de enmiendas, crecimiento de especies vegetales e incubación durante períodos de dos meses. No obstante, los efectos pueden fluctuar a través del tiempo, generando la necesidad de un análisis a largo plazo. Como primer acercamiento a este estudio se realizó el envejecimiento de los materiales, metodología novedosa, que artificialmente permiten simular el paso de incluso décadas. ----------ABSTRACT---------- Soil contamination is the absence of productivity due to toxic substances that exceeds auto depuration limits. Parental material is the natural source of metal in soils but the amount of metals than can be consider as toxic are the product of human activities, for example metal mining. Heavy metals are persistent and non-biodegradable compounds, which are treated with contention, confinement and decontamination techniques. The present dissertation is based in the use of two decontamination techniques: the use of organic amendments and phytoextraction. The amendments are generally recognized as any feedstock that can improve soil properties, concretely organic amendments play an important role to maintain or enhance the soil organic matter content and at the same time improve soil properties. In this way, the use of organic waste as amendments become a feasible option and in a extend approach give an extra value to the waste of agricultural activities. Nowadays, there are a several raw materials that can be consider (vegetable and crop residues, hardwood, manure) but animal manure have been particularly contemplate due to the high nutrient and organic carbon content. The addition of animal manure is quite common without thermal treatment however this practice involve disadvantages like: presence of pathogens, greenhouses gases production, odour emissions and problems related with the transport and storage. The production of biochar and hydrochar allows to solve some of the disadvantages above mentioned. Chars are carbonaceous materials and the solid product of the thermal treatment of biomass. Biochar is produced by pyrolysis process at high temperatures and limited oxygen atmosphere, on the contrary hydrochar is obtained by hydrothermal carbonization with autogenous pressure, relatively low temperatures and wet biomass. Currently, the benefits of biochar are widely investigated and this material improve soil quality by some aspects like: slow nutrient release, high water holding capacity, increase of microbial biomass, among others. Hydrochar is a recently product that also have been mentioned as suitable amendment for soil remediation because of its properties. Phytoextraction is based on the use of plants in order to accumulate the metal in the harvestable biomass and the accumulator species are able to growth and adapt to high heavy metal concentrations, but with limitations regarding to slow growth rate and low production of leaves, stems and roots. According to this matter, the aim of the combination of amended soils, soils mixed with animal manure, biochars and hydrochars, and the metal phytoextraction is to maximize the results not only in plant growth but also in the decrease of soil metal amount. The main objective of the present thesis is to analyze the effects of amendments addition and its combination with the metal phytoextraction (Brassica napus and Sinapis alba) in the physicochemical and biological properties of mining soils from Spain and to stablish the variations in the total metal content of the selected soils. The specific objectives are the following: 1. Determine the physicochemical properties of the organic amendments. 2. Determine the physicochemical properties of the selected soils. 3. Assess the effect of the amendments addition and its combination with metal phytoextraction in soil pH, electrical conductivity and biological properties. 4. Assess the effect of the amendments addition and its combination with metal phytoextraction in soil metal content. 5. Analyze the phytoextraction capacity and biomass production of Brassica napus and Sinapis alba in the non-amended and amended soils. The thesis was divided in four chapters according to the organization and soil sampling of the project: “Treatment of metal contaminated soils with the combination of phytoremediation techniques and biochar addition (CGL2014-58322-R) of the Retos program 2014”. The experimental design included a total of seven mining soils and waste as a result of Zn and Pb extraction in different areas of Spain. The soils were amended with nine materials and for phytoextraction assays two species were selected Brassica napus (rapeseed) and Sinapis alba (mustard) for all laboratory trials. The first obtained samples in the project correspond to Gamonedo (Cantabria) and Portmán 1 (Murcia) soils and were amended with rabbit manure and the derived biochars (450 ºC and 600 ºC) and hydrochars (190 ºC and 240 ºC), this mesocosm belong to the first chapter. For the second chapter, the following samples acquired were located in the Portmán (Murcia) area, listed as Portmán 2 and Lodo 32 and treated with rabbit manure, two rabbit manure derived biochars at 300 ºC and 600 ºC and the mixed between each biochar and the rabbit manure. For the third chapter, the soils were selected from the Riotinto area and amended with poultry litter and charcoal. Soils correspond to two tailings dam and one mining soil near to the dams labelled as RI-II, RIII and RIIIS respectively. The fourth chapter is different of the three abovementioned and was produced as a result of the PhD stay in the University of Edinburgh. This chapter involve the analysis of biochar and hydrochar carbon stability. One of the benefits attributed to the amendments was the long-term soil carbon sequestration but in order to guarantee this advantage, the stability of the materials must be assured. With that in mind and with the aim of understand the biochar and hydrochar behavior over time, an artificial ageing process was carried out, which consist in an accelerated oxidation of the materials that naturally occurred during several years. After that the aged samples were characterized with elemental and thermogravimetric analysis. The laboratory work include the initial characterization of the amendments and the soils. The amendments used for soil treatment, were widely characterized with the determination of physicochemical properties and the elemental, immediate and thermogravimetric analysis and total metal content. The selected soils were also characterized and at the end of the phytoextraction trials the pH, electrical conductivity (EC), enzymatic activities, microbial biomass, vegetable biomass and metal content in soils and plants were measured. The results showed the increase in soil pH values after the addition of biochar compare to the hydrochar addition, as it can be seen in the first chapter. The presence of two biochars at different temperatures did not exhibited significance variations in soil pH (Chapter II). Finally, in the acid soils of Riotinto, Chapter III, the benefit of alkaline amendments addition like the case of poultry litter and charcoal was marked with the raise of soil pH to values greater than 7. The EC increased in all soils after amendments addition, nonetheless some variations occurred between treatments with the highest values for the amended soils with biochar. The growth of the plant species Brassica napus y Sinapis alba, did not produce fluctuations in the pH and CE values. For the enzymatic activities, the geometric mean of enzyme activities (GMea) index include the general behavior for the three selected enzymes (Phosphomonoesterase, β-glucosidase and dehydrogenase). In chapter I, the presence of hydrochars increase the soil enzymes due to the degradability of the materials. In chapter II, for both soils the addition of biochar produced at 600 ºC did not showed statistical difference with the soils without amendment and in some scenarios the activities were even lower, these results can be associated to the pyrolysis temperature and the response of carbon structures where the C is more labile at lower temperatures and less labile (aromatic carbon structures) at high temperatures. In the chapter III, enzymatic activities had an obvious increase with the addition of poultry litter due mainly to low content of organic carbon of soil which increase with new source of this carbon. The microbial biomass is strongly related with the activities of the three enzymes, for that reason the results stablished the increase with the addition of the hydrochars and the poultry litter and the decrease with the biochar at 600 ºC, according to the respective experiments abovementioned. The microbial biomass is the direct measure of soil microorganism and the enzyme activity represents the substrate available for the growth of the microbiota. In that sense the outcomes of this property were also linked with soil available carbon content. The selected soils were contaminated by As, Pb and Zn, according to the European normative and to the soil screening levels (SSLs) demanded by Spanish autonomic communities. The amended soils in all cases decrease the amount of total metal content, but the results with the presence of Brassica napus and Sinapis alba were not clearly leading to the analysis of phytoextraction capacity of the plants by the bioconcentration and translocation factors, amount of extracted metals in each part of the plant and extraction percentages determined respect to the control soils. The bioconcentration and translocation differ in each metal and depends of the soil type, but as a general trend the metals were accumulated in the roots of the plants and there was not transport of these to the above biomass (leaves and stems). Also another result that can be pointed is the presence of As toxicity symptoms in plants outcomes that were supported by extractions levels. Besides the aforesaid behavior, in Riotinto soils the properties and metal content inhibit the germination of the species but the addition of poultry litter and charcoal allow the plant growth. In the chapter IV, the C content of the aged biochars and hydrochar was lower according to the elemental analysis. The percentage of H and N diminished in the aged amendments. The H/C ratio increased in the fresh biochars and hydrochars but the C/N ratio diminished. The desirable H/C ratio for soils C sequestration are ≤0.4 y ≤ 0.6 and all the samples exceed this range. The C stability associated to the aged samples were less than 18%, except the BEC600 sample with a value of 48.96%. During the research project different biochars, hydrochars and manure waste have been used and all of them demonstrated the improvement of soil properties, for example, the increase of organic matter content, pH, EC, plant biomass, microbial biomass even the rabbit manure and poultry litter, without thermal treatment, promoted the plant growth and the reduction of soil metal content. Similarly the use of hydrochars increase soil biological properties and generates data about this material that have several information gaps. Climate change mitigation and C sequestration are essential for the environment. Ensure the stability of the material added to soils is quite important and play a significant role in life cycle analysis. In the present PhD thesis, the effects of amendments addition, plant growth and incubation, on physicochemical and biological soil properties and the variation of metal content have been stablished after a period of time of two months. The effects can vary with time, so a long term analysis is needed. As a first step, the aged of biochars and hydrochar samples, a new method, can be used to complete this kind of studies. The ageing process is equivalent to soil oxidation on decadal to centennial timescale.

Funding Projects

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Government of SpainCGL2014-58322-RRetos 2014UnspecifiedTratamiento de suelos contaminados por metales mediante combinación de técnicas de fitorremediación con adición de biochar

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Item ID: 57511
DC Identifier: http://oa.upm.es/57511/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57511
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57511
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 07 Jan 2020 08:54
Last Modified: 07 Jul 2020 22:30
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