Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método Paca Biodigestora Laura Catalina Ossa Carrasquilla Tesis de maestría presentada para optar al título de Magíster en Gestión Ambiental Director Mauricio Andrés Correa Ochoa, Doctor (PhD) en Ingeniería Asesora Luisa María Múnera Porras, Magíster (MSc) en Biología Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería Maestría en Gestión Ambiental Medellín, Antioquia, Colombia 2022 Cita (Ossa Carrasquilla, 2022) Referencia Estilo APA 7 (2020) Ossa Carrasquilla, L. C. (2022). Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método Paca Biodigestora [Tesis de maestría]. Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia. Maestría en Gestión Ambiental Grupo de Investigación y Laboratorio de Monitoreo Ambiental (G-LIMA) Centro de Investigación Ambientales y de Ingeniería (CIA). Biblioteca Carlos Gaviria Díaz Repositorio Institucional: http://bibliotecadigital.udea.edu.co Universidad de Antioquia - www.udea.edu.co Rector: John Jairo Arboleda Céspedes. Decano: Jesús Francisco Vargas Bonilla. Jefe departamento: Diana Catalina Rodríguez Loaiza. El contenido de esta obra corresponde al derecho de expresión de los autores y no compromete el pensamiento institucional de la Universidad de Antioquia ni desata su responsabilidad frente a terceros. Los autores asumen la responsabilidad por los derechos de autor y conexos. https://co.creativecommons.net/tipos-de-licencias/ https://co.creativecommons.net/tipos-de-licencias/ Tabla de contenido Presentación ..................................................................................................................................... 5 1 La paca biodigestora como estrategia para el tratamiento de residuos orgánicos: una revisión bibliográfica ...................................................................................................................... 8 1.1 Introducción ..................................................................................................................... 9 1.2 Metodología ................................................................................................................... 12 1.3 Resultados y discusión ................................................................................................... 15 1.4 Conclusiones .................................................................................................................. 23 1.5 Referencias ..................................................................................................................... 24 2 Dinámica de las variables fisicoquímicas y microbiológicas durante la descomposición de residuos orgánicos en pacas biodigestoras ............................................................................ 28 2.1 Introducción ................................................................................................................... 29 2.2 Metodología ................................................................................................................... 31 2.3 Resultados y discusión ................................................................................................... 35 2.3.1 Dinámica de los parámetros fisicoquímicos in situ .................................................. 35 2.3.2 Dinámica de los parámetros fisicoquímicos ex situ ................................................. 38 2.3.3 Dinámica de los parámetros microbiológicos .......................................................... 44 2.3.4 Relación entre las variables fisicoquímicas y microbiológicas ................................ 48 2.3.5 Cambios en la concentración de la materia orgánica durante el proceso de descomposición ....................................................................................................................... 51 2.4 Conclusiones .................................................................................................................. 54 2.5 Agradecimientos ............................................................................................................. 55 2.6 Referencias ..................................................................................................................... 55 3 Análisis cromatográfico, fisicoquímico, microbiológico y fitotóxico del abono obtenido de las pacas biodigestoras ............................................................................................................ 60 3.1 Introducción ................................................................................................................... 61 3.2 Metodología ................................................................................................................... 64 3.3 Resultados y discusión ................................................................................................... 69 3.3.1 Análisis cromatográfico ........................................................................................... 69 3.3.2 Análisis fisicoquímico .............................................................................................. 72 3.3.3 Análisis microbiológico ........................................................................................... 76 3.3.4 Parámetros fitotóxicos .............................................................................................. 77 3.4 Conclusiones .................................................................................................................. 78 3.5 Referencias ..................................................................................................................... 79 4 Gestión integral de residuos orgánicos mediante la tecnología de la paca biodigestora: Una experiencia en la Universidad de Antioquia, Colombia ................................................... 84 4.1 Introducción ................................................................................................................... 85 4.2 GIRO Sostenible ............................................................................................................ 87 4.3 Caso GIRO Sostenible UdeA 2019-2020 ....................................................................... 89 4.4 Componentes operacionales GIRO Sostenible UdeA .................................................... 90 4.4.1 Tratamiento integral ................................................................................................. 91 4.4.2 Aprovechamiento ecológico ..................................................................................... 93 4.4.3 Estrategias de educación ambiental .......................................................................... 95 4.4.4 Investigación aplicada .............................................................................................. 96 4.5 Conclusiones .................................................................................................................. 96 4.6 Referencias ..................................................................................................................... 98 Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 5 Presentación El manejo integral de los residuos orgánicos representa un reto para la humanidad, aun cuando en la actualidad se vienen aplicando métodos que permiten su tratamiento y aprovechamiento persisten limitaciones que reducen su efectividad. Debido a que las técnicas convencionales que se aplican no solo están alejadas de realizar un manejo integral, sino también de promover el cuidado de la salud pública y ambiental debido a los impactos negativos que generan en el ambiente como proliferación de plagas, generación de gases de efecto invernadero, olores, entre otros. Sumado a lo anterior, la tasa de crecimiento de la producción mundial de alimentos y la población, especialmente en los sistemas urbanos, incrementa año tras año y los valores de crecimiento son de difícil predicción. Frente a la importancia de encontrar una solución a este problema, la evaluación de nuevas tecnologías como la paca biodigestora y la adaptación de los procesos a las características del contexto, diversifica las posibilidades para la gestión integral de los residuos orgánicos, permite la incorporación de estrategias para la mitigación de los problemas ambientales y el ejercicio de una responsabilidad ambiental y sostenible. En Colombia, la implementación de la paca biodigestora como tecnología potencial para el tratamiento y aprovechamiento de los residuos orgánicos, se ha popularizado en las última década. Principalmente, porque desde el accionar social se ha concebido como un método que fomenta el trabajo colectivo y comunitario, una estrategia que visibiliza el deber de las personas de construir ambientes sanos y habitables, en donde la conciencia ambiental se cimenta desde la participación activa de la ciudadana y se orienta en procesos que conllevan hacia la mitigación de los impactos, la protección de los recursos naturales y una mejor calidad de vida, pero como una labor compartida entre la responsabilidad de la sociedad y los gobiernos locales. Por otro lado, el mecanismo de la paca biodigestora permite incrementar el aprovechamiento de los residuos orgánicos enmarcando el concepto de economía circular dentro de la sostenibilidad, puesto que impulsa la aplicación de buenas prácticas ambientales desde la separación en la fuente, la generación de nuevos productos como el abono para la reincorporación en el suelo, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero a través de la eliminación de la disposición final en los rellenos sanitarios y el tratamiento controlado, donde los residuos orgánicos actúan como un recurso con valor agregado, que junto al uso racional y eficiente de los materiales propician la reducción en la generación de Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 6 los mismos. Lo anterior, no solo alude al beneficio ambiental general, sino también a una medida de mitigación del cambio climático, una propuesta que aporta a la construcción de comunidades sostenibles y al fomento de procesos de agricultura ecológica en el contexto rural y urbano. Sin embargo, a pesar de las bondades que se le atribuyen a la tecnología de la paca biodigestora desde las percepciones sociales y empíricas, el conocimiento científico sobre la dinámica de descomposición del material biodegradable que se procesa mediante este mecanismo es insipiente, para ser considerado en las estrategias o métodos de tratamiento biológico de los Planes de Gestión Integral de los Residuos Sólidos a nivel municipal, regional o nacional. En este sentido, la presente investigación busca abordar desde las concepciones científicas una primera aproximación a responder la pregunta sobre cómo es la dinámica de descomposición de los residuos de fruta, borra de café y hojarasca en la paca biodigestora, con el fin de ser utilizada como un método alternativo o complementario para el tratamiento y/o aprovechamiento de los residuos orgánicos, que logre una interpretación verificable basada en la demostración e interpretación de los fenómenos de la naturaleza. Las experiencias de investigación se realizaron en el marco del proyecto para la Gestión Integral de los Residuos Orgánicos hacia la sostenibilidad de la Universidad de Antioquia (GIRO Sostenible UdeA) ejecutado en el periodo 2019-2020, el cual tuvo como objeto realizar la Gestión Integral de los Residuos Orgánicos (frutas, borra de café y hojarasca), que son producidos en el Campus Universitario, mediante la aplicación del método de la paca biodigestora para el tratamiento integral y el aprovechamiento ecológico, articulando diferentes procesos de educación ambiental e investigación aplicada. El informe se estructuró en cuatro (4) capítulos, en el primero se realizó una revisión bibliográfica, aplicando el método Proknow-C, para conocer el estado del conocimiento sobre la aplicación de la paca biodigestora como estrategia para el tratamiento de residuos orgánicos. En el segundo capítulo, se evaluaron los parámetros fisicoquímicos y se caracterizaron algunos grupos microbianos presentes durante 120 días de la descomposición. Adicional, se determinó la relación entre los parámetros fisicoquímicos, microbiológicos y la concentración de materia orgánica en el proceso. En el capítulo tres, se evaluó la calidad y estado de madurez del abono o subproducto Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 7 resultante de la transformación de los residuos orgánicos mediante un análisis cromatográfico, fisicoquímico, microbiológico y fitotóxico. Finalmente, en el capítulo cuatro, se socializó la experiencia del proyecto Giro Sostenible UdeA 2019-2020 llevado a cabo en el Campus Principal de la Universidad de Antioquia, el cual responde a la necesidad de implementar métodos económicos, ecológicos y socialmente aceptados como la paca biodigestora para maximizar el aprovechamiento de los residuos orgánicos en la fuente de generación. Se espera que a partir de esta investigación, se logren algunas claridades sobre el funcionamiento del sistema y posteriormente, se planteen nuevas preguntas de análisis que permitan continuar sumando evidencia para describir la dinámica de descomposición utilizando otros residuos orgánicos, en otras zonas de vida y variando las dimensiones físicas del mecanismo. Así mismo, se considera importante que posterior a estas interpretaciones se puedan establecer diferentes métodos de optimización de la paca biodigestora, en términos de minimizar el tiempo de descomposición de los residuos orgánicos y maximizar la calidad y cantidad del abono final. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 8 1 La paca biodigestora como estrategia para el tratamiento de residuos orgánicos: una revisión bibliográfica1 Resumen La paca biodigestora, también conocida como paca digestora Silva, es una tecnología para el manejo integral de los residuos orgánicos, un proceso que permite la degradación biológica de la materia orgánica hasta abono o sustrato, un material orgánico que contiene nutrientes biodisponibles para las plantas y organismos que benefician la calidad del suelo. El objetivo del presente estudio fue identificar y analizar la producción científica e investigaciones desarrolladas sobre las pacas biodigestoras. Para lograrlo, se aplicó el método Proknow-C que consiste en seleccionar un portafolio bibliográfico y desarrollar en él un análisis bibliométrico y sistémico, el primero para identificar los autores y las revistas que han publicado, las universidades que han investigado, el periodo de publicación y las palabras claves utilizadas; el segundo para analizar las investigaciones a profundidad e identificar los objetivos, las discusiones y los resultados presentados en los artículos. Las bases de datos exploradas fueron Google Scholar, Dialnet, Scielo, Redalyc, Science Direct y Scopus. Asimismo, se rastrearon los repositorios bibliográficos de la Universidad de Antioquia, Corporación Universitaria la Sallista, Universidad de Medellín, Universidad Nacional de Colombia y la Universidad Pontifica Bolivariana. Se identificaron 12 artículos que conformaron el portafolio bibliográfico de investigaciones que se han desarrollado sobre las pacas biodigestoras. En el 2015 y 2017 es el periodo con mayor cantidad de publicaciones, tres por año. La revista más destaca es Producción + limpia. Aun cuando, diferentes autores han enfocado sus investigaciones en analizar desde la variación de los parámetros fisicoquímicos cómo es el proceso de descomposición de los residuos orgánicos en las pacas biodigestoras y evaluar la calidad del producto final desde las características fisicoquímicas, microbiológicas, fitotóxicas y nutricionales, la información científica sobre el método es incipiente, lo cual limita su comprensión y posterior aplicación. A pesar de ello, varios autores han coincidido en que la paca biodigestora es un método viable para el tratamiento y aprovechamiento de los residuos orgánicos ya que evita 1 Artículo publicado en la revista Producción + Limpia. Ossa-Carrasquilla, L. C., Correa-Ochoa, M. A., & Múnera-Porras, L. M. (2020). La paca biodigestora como estrategia de tratamiento de residuos orgánicos: una revisión bibliográfica. Producción + Limpia, Vol. 15, pp. 71–91. https://doi.org/10.22507/pml.v15n2a4 Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 9 los impactos negativos en el ambiente, protege la salud pública y fomenta prácticas ambientales sostenibles desde la participación comunitaria. Palabras clave: abono orgánico, gestión integral, paca biodigestora, Proknow-C, residuos orgánicos. 1.1 Introducción El tratamiento adecuado de los residuos orgánicos (RO) se ha convertido en un tema de interés en la investigación debido a que representa uno de los problemas y necesidades recurrentes en los planes de gestión ambiental de los territorios. Con el incremento en la generación de RO los retos socioambientales son inminentes, y esto se debe principalmente al acelerado desarrollo social, el crecimiento continuo de la población y por ende el aumento en la demanda de recursos. Las proyecciones sobre la generación de residuos a 2050 son crecientes, tendencia que de mantenerse sin tomar medidas al respecto incrementarían en un 70 % los desechos a nivel mundial, es decir, cerca de 3400 millones de toneladas al año (Kaza et al., 2018). El manejo inadecuado de los RO repercute en el deterioro de la calidad ambiental y la salud pública, aumentando los focos de contaminación en el agua, suelo y aire. Por otro lado, el requerimiento de nuevos sitios de vertedero, incineración o disposición final, y el diseño y aplicación de estrategias para su saneamiento conllevan a un aumento en la inversión económica por parte de los gobiernos (Wainaina et al., 2020). En consecuencia, la aplicación de procesos sostenibles para la gestión integral de los RO, más que una necesidad es la posibilidad de desarrollar y aplicar tecnologías ecológicas que conlleven a la protección del ambiente. De acuerdo con Paes et al. (2019) los gobiernos locales suelen ser responsables del sistema de manejo de residuos y deben asumir el desafío de proporcionar un modelo eficaz a la población. Para ello, es necesario el cumplimiento estricto de las políticas y los planes de gestión que tienen como propósito maximizar el aprovechamiento de los residuos y eliminar, disminuir o mitigar los impactos socioambientales negativos que producen. Por medio de la Política para la Gestión Integral de Residuos Sólidos -GIRS- formulada desde 1998 por el Ministerio del Medio Ambiente (actualmente Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible), en Colombia se ha considerado Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 10 como responsabilidad de los municipios y ciudades la ejecución de una GIRS que promueva el cuidado del medio ambiente y la protección de la salud pública, y vincule un manejo diferenciado de los residuos aprovechables y no aprovechables, desde las diferentes etapas: reducción en el origen; aprovechamiento y valorización; tratamiento y transformación; así como la disposición final controlada. En el caso de los RO, el tratamiento o transformación permite contribuir con la mitigación de los efectos del cambio climático, la reducción de contaminación relacionada con problemas de salud, la conservación de los recursos naturales y el desarrollo social, económico y ambiental (Dhanya et al., 2020). Comúnmente, en los métodos de tratamiento se implementan procesos biológicos de descomposición anaerobia o aerobia, con el propósito de transformarlos para obtener un subproducto estable y maduro (Moreno & Moral, 2008; Starovoytova, 2018). Según Castells et al. (2012) ambos mecanismos de digestión son claves en una estrategia de reciclado de nutrientes, ya que por separado o combinados permiten su conservación, es decir, los macro y micronutrientes permanecen en el ecosistema cambiando tan solo su estado de oxidación. Existen varias tecnologías para el tratamiento de los RO, el compostaje y los biodigestores son los métodos más utilizados, en los cuales se llevan a cabo procesos de descomposición biológica donde la participación de los microorganismos en el ciclo de los nutrientes es esencial (Keng et al., 2020). En términos de la gestión ambiental, el tratamiento adecuado de los RO dependerá de las condiciones óptimas del medio, que influencian directamente el desarrollo de los organismos vivos y garantizan que se pueda cumplir a cabalidad la función de reciclar la materia orgánica. En el caso del compostaje por ejemplo, por su condición aeróbica requerirá de una oxigenación permanente para evitar malos olores o generación de gases tóxicos, regular la temperatura y el pH en el sistema (Román et al., 2013); en estas condiciones los microorganismos aerobios transforman la materia orgánica en biomasa celular y en compuestos oxidados (Castells et al., 2012). Por su parte, los biodigestores requieren de una condición totalmente anaerobia, donde los niveles de oxígeno sean nulos favoreciendo metabolismos anaerobios como la metanogénesis y así, el metano producido permite su uso como potencial energético (López, 2003). Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 11 Actualmente, se vienen evaluando otro tipo de tecnologías alternativas que posibilitan el tratamiento integral de los RO, como es el caso de la paca biodigestora (ver Gráfico 1-A), la cual permite convertir la materia orgánica en abono mediante un proceso de fermentación (Silva, 2012). La principal diferencia entre los mecanismos aeróbico y anaeróbico con la paca biodigestora, es que este último requiere una distribución especial y una compactación de los materiales incorporados para extraer la mayor cantidad de oxígeno presente (ver Gráfico 1-A1 y A2), sin provocar condiciones anaeróbicas estrictas, ya que el proceso de descomposición se lleva a cabo a la intemperie (ver Gráfico 1-A3), lo que posibilita el intercambio de materia y energía con el entorno. Por otro lado, debido a las facilidades de uso, lo económico que resulta la aplicación del proceso y las diferentes posibilidades de aprovechamiento de las pacas biodigestoras durante (ver Gráfico 1-B1) y después del proceso de descomposición de los RO (ver Gráfico 1-B2). Este mecanismo ha ganado popularidad y aceptación social, principalmente en Colombia donde se ha desarrollado, y en otros países (Silva, 2018). Aun así, persiste una desinformación sobre la aplicación de las pacas biodigestoras para el tratamiento de los RO y el reconocimiento social y científico aún es incipiente, por lo tanto, el propósito de este estudio fue realizar una revisión de literatura sobre las pacas biodigestoras para así brindar una compilación de información que permita conocer los avances en el tema y el vacío del conocimiento, lo cual podrá utilizarse en futuras investigaciones o en la toma de decisiones con relación a la gestión integral de los residuos orgánicos. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 12 Gráfico 1 Proceso de fabricación de la Paca Biodigestora (A) y estrategias de aprovechamiento de los residuos orgánicos (B). Nota. Fuente elaborado por los autores. 1.2 Metodología El presente estudio clasificado como exploratorio y descriptivo, tiene como objetivo identificar y caracterizar la producción científica o estado del arte sobre el manejo de residuos orgánicos en pacas biodigestoras. Para ello se realizó una revisión bibliométrica y un análisis sistémico, el primero para conocer los autores y las revistas que han publicado sobre el tema y el segundo para identificar los objetivos, las discusiones y los resultados presentados en los artículos. El instrumento utilizado para orientar la construcción del estado del arte sobre las pacas biodigestoras fue el Proceso de Desarrollo del Conocimiento - Constructivista (Proknow-C), el cual permite, recopilar información sobre un tema específico a partir de los intereses y límites de la investigación, analizar la información para generar un portafolio bibliográfico relevante e identificar oportunidades de investigación a partir del vacío de conocimiento (Ensslin et al., 2014; Mauro et al., 2018). Tal como se observa en el Gráfico 2, el método aborda cuatro etapas: (i) Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 13 selección de un portafolio bibliográfico sobre el tema de investigación; (ii) análisis de los aspectos bibliométricos básicos; (iii) análisis sistémico y (iv) definición de la pregunta y objetivo de la investigación. Gráfico 2 Etapas del Proceso de Desarrollo del Conocimiento - Constructivista (Proknow-C). Nota. Fuente adaptado y traducido de (Ensslin et al., 2014; Mauro et al., 2018) Para lograr el objetivo de esta investigación, se siguieron los procedimientos de las etapas uno a la tres del ProKnow-C. Inicialmente, la selección del portafolio bibliográfico se realizó con base a la metodología descrita por Ensslin et al. (2014); Matos et al. (2019); Mauro et al. (2018). Como se muestra en el Gráfico 3, el proceso comenzó con la definición del tema de investigación, las palabras clave, la identificación de las bases de datos y repositorios donde se generaban resultados de búsqueda sobre el tema, la selección de los comandos de rastreo como “OR” que permite encontrar todo el universo de posibilidades de las palabras claves seleccionadas, y finalmente las delimitaciones utilizadas para reducir la búsqueda a tres tipos de publicaciones, como artículos científicos, tesis de grado y capítulos de libro. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 14 Gráfico 3 Proceso de selección del portafolio bibliográfico. Nota. Adaptado de (Ensslin et al., 2014; Matos et al., 2019; Mauro Silveira et al., 2018) Una vez completado el proceso de búsqueda, se obtuvo una base de datos de artículos inicial o en bruto, los cuales se agruparon utilizando el software Mendeley versión 1.19.4. Como se observa en el Gráfico 3, la base de datos inicial se filtró eliminando los artículos repetidos o sin relación y se seleccionaron solo aquellos que tenían relación con el tema, es decir, los que contenían en el título, resumen o cuerpo del texto las palabras claves seleccionadas. Este procedimiento permitió identificar el conjunto de investigaciones realizadas sobre las pacas biodigestoras y conformar el portafolio bibliográfico, en el cual se aplicó el análisis bibliométrico y sistémico. El análisis bibliométrico se realizó para identificar las características de los artículos del portafolio bibliográfico y la representatividad científica de los mismos en términos de conocer en qué revistas se ha publicado o en qué universidades se ha investigado sobre las pacas biodigestoras, qué autores han publicado, cuál ha sido el periodo de publicación y cuáles han sido las palabras clave utilizadas (Ensslin et al., 2014; Silva Da Rosa & Silva, 2017). Finalmente, se llevó a cabo el análisis sistémico de los textos del portafolio bibliográfico con base a la metodología propuesta por Chaves, et al. (2012); Rodrigues-Vaz et al. (2014), la cual consiste en analizar los textos completamente para identificar el tema de investigación, los objetivos, la metodología, los principales resultados y las recomendaciones futuras de los autores. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 15 1.3 Resultados y discusión El instrumento Proknow-C fue utilizado para guiar el desarrollo metodológico del presente estudio, el barrido bibliográfico se realizó en seis bases de datos y cinco repositorios de universidades de Medellín como se mostró en la Grafico 3, se encontraron 39 resultados de investigación, entre artículos científicos y tesis de grado de diversas áreas como ingeniería y salud pública. Luego de eliminar los elementos repetidos de la base de datos de artículos iniciales, se obtuvo un total de 30 resultados, de los cuales se seleccionaron 26 por tener relación con el tema. Finalmente, con la lectura de los títulos y resúmenes, se distinguieron 12 publicaciones que han investigado y aplicado la tecnología de las pacas biodigestoras, los cuales conformaron el portafolio bibliográfico, tal como se observa en la Tabla 1. Tabla 1 Portafolio bibliográfico sobre las pacas biodigestoras. Título Autor Año de publicación Revista o repositorio Tipo de publicación Técnica de descomposición de residuos forestales y heces de establo con pacas digestoras: aspectos fisicoquímicos, ambientales y sanitarios. Centro Educativo Conquistadores, Medellín. Ardila Delgado, Jeyme Liset; Cano Córdoba, Jonathan 2011 Universidad de Antioquia Tesis de grado pregrado Evaluación de dos sistemas de degradación biológica en zona rural del corregimiento de San Antonio de Prado. Posada Marín, Ana María 2015 Universidad de Antioquia Tesis de grado pregrado Tratamiento sano de hojarasca y residuos orgánicos, para restaurar las zonas verdes en la ciudadela central, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia. Arteaga Restrepo, Cristian David; Castaño Velásquez, Sebastián 2015 Universidad de Antioquia Tesis de grado pregrado Descomposición de residuos orgánicos en pacas: aspectos fisicoquímicos, biológicos, ambientales y sanitarios Ardila Delgado, Jeyme Liset; Cano Córdoba, Jonathan; Silva Pérez, Guillermo; López Arango, Yolanda 2015 Revista Producción + Limpia Artículo científico Aplicación de la tecnología de las Pacas Biodigestoras para el tratamiento ecológico de los residuos orgánicos de la Universidad de Antioquia. Ossa Carrasquilla, Laura Catalina 2016 Universidad de Antioquia Tesis de grado pregrado Experiencia didáctica con las pacas biodigestoras en entornos educativos del estado de México Rivera Espinosa, Ramón; Ossa Carrasquilla, Laura Catalina 2017 Revista textual Artículo científico Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 16 Título Autor Año de publicación Revista o repositorio Tipo de publicación Biodigester bales: method for the ecological management of organic residues Velázquez Cigarroa, Erasmo; Ossa Carrasquilla, Laura Catalina; Jarquín Sánchez, Natalia; Victorino Ramírez, Liberio 2017 AGROFOR International Journal Artículo científico Implementación de un sistema integral de compostaje para el tratamiento de los residuos orgánicos en el Centro Educativo Rural Josefa Romero, Municipio de Dabeiba Arenas Osorno, Cristian Yair 2017 Universidad Pontificia Bolivariana Tesis de grado posgrado Caracterización fisicoquímica de las pacas biodigestoras en el proceso de tratamiento de la barra de café generada en la Universidad de Antioquia Cardona Sánchez, Juan Diego 2018 Universidad de Antioquia Tesis de grado pregrado Estabilización de lodos biológicos provenientes de una planta de tratamiento de aguas residuales anaerobia mediante pacas biodigestoras Pulgarín Muñoz, Carlos Esteven 2018 Universidad de Antioquia Tesis de grado pregrado Desarrollo de alternativas para el manejo adecuado de residuos sólidos y orgánicos en el municipio de San Pedro de Urabá desde diversos espacios educativos. Ochoa Arcila, Ángel David 2019 Universidad de Antioquia Tesis de grado pregrado Estabilización de lodos biológicos provenientes de una planta de tratamiento de agua residual mediante pacas biodigestoras Pulgarin Muñoz, Carlos Esteven; Wills Betancur, Beatriz Amparo 2019 Revista Producción + Limpia Artículo científico Nota. Fuente elaborado por los autores. El análisis bibliométrico de los textos e investigaciones que conforman el portafolio bibliográfico sobre las pacas biodigestoras muestra que cuatro publicaciones corresponden a artículos científicos, siete a tesis de grado de pregrado y uno a tesis de grado de posgrado. En el Gráfico 4, se muestra la distribución de las publicaciones por fechas y las revistas o repositorios donde se han divulgado. En el año 2011 se realizó la primera publicación en la Universidad de Antioquia, sumando un total de siete investigaciones desarrolladas en esta institución en el periodo de observación. En el 2015 y 2017 se desarrollaron el mayor número de publicaciones, tres en cada año. Con respecto a las revistas analizadas, se destacan las siguientes: Producción + Limpia con dos publicaciones, las cuales corresponden a los resultados de investigación obtenidos en las tesis de grado de Pulgarin (2018) y Ardila & Córdoba (2011), la revista Textual y AGROFOR International Journal con una publicación cada una. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 17 Gráfico 4 Distribución de la cantidad de publicaciones por año y las revistas o repositorios donde se ha publicado sobre las pacas biodigestoras Nota. Fuente elaborado por los autores. En el análisis bibliométrico se encuentra que uno de los autores, Ossa Carrasquilla, Laura Catalina, destaca en 3 artículos en el portafolio bibliográfico, seguido de Ardila Delgado, Jeyme; Cano Córdoba, Jonathan y Pulgarín Muñoz, Carlos Esteven con participación en dos publicaciones cada uno, tal como se observa en el Gráfico 5. Gráfico 5 Número de publicaciones en revistas o repositorios realizadas por cada autor. Nota. Fuente elaborado por los autores. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 18 En las doce publicaciones analizadas del portafolio bibliográfico, tres no tenían el ítem de palabras clave, por lo tanto, el análisis se restringió en aquellas que si lo presentaron. En total se identificaron 41 palabras clave, de las cuales 6 se repitieron más de una vez, tal como se observa en la Tabla 2. La palabra clave “abono orgánico” fue la más utilizada, con tres ocurrencias. Seguido, están las palabras clave “materia orgánica”, “pacas biodigestoras”, “pacas digestoras”, “reciclaje” y “residuos orgánicos”, con dos repeticiones cada una. Tabla 2 Palabras clave de las publicaciones analizadas en el portafolio bibliográfico. Palabras clave Repeticiones Palabras clave Repeticiones Abono orgánico 3 Lodos biológicos 1 Ambiental 1 Manejo y aprovechamiento de residuos orgánicos 1 Aprovechamiento de residuos orgánicos 1 Materia orgánica 2 Biodigester bale 1 Organic fertilizer 1 Biodigestora 1 Orgánicos 1 Biotecnología 1 Paca 1 Borra de café 1 Pacas 1 Compost 1 Pacas biodigestoras 2 Compostaje 1 Pacas digestoras 2 Compostaje a cielo abierto 1 Pacas digestoras silva 1 Degradación biológica 1 Reciclaje 2 Descomposición 1 Residuos 1 Descomposición anaeróbica 1 Residuos orgánicos 2 Didáctica 1 Residuos vegetales 1 Digestión anaerobia 1 School 1 Educación 1 Sustainability 1 Educación ambiental 1 Técnica limpia. 1 Fauna 1 Tratamiento ecológico. 1 Fermentación 1 Universidad de Antioquia 1 Flora 1 Zonas verdes 1 Gestión ambiental 1 Las repeticiones de cada palabra clave se usaron para bosquejar un gráfico de nubes (Grafico 6), el cual agrupa las palabras por temas y establece un tamaño de fuente para cada palabra según el peso o nivel de importancia de la variable. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 19 Gráfico 6 Gráfico de nubes de las palabras clave encontradas en las publicaciones analizadas en el portafolio bibliográfico. Nota. Fuente elaborado por los autores. El análisis sistémico del portafolio bibliográfico (Tabla 1) permitió identificar algunos criterios de las publicaciones como: el tema de investigación, los objetivos, la metodología, los principales resultados y las recomendaciones futuras de los autores. Las publicaciones analizadas son en general estudios exploratorios y descriptivos que abordan diferentes temas como: el tratamiento de los residuos orgánicos, la variación de los parámetros fisicoquímicos durante el proceso de descomposición, la evaluación de la calidad del abono orgánico resultante, la generación de experiencias de educación ambiental y los impactos socioambientales del método. Las investigaciones tienen en común la aplicación de las pacas biodigestoras para descomponer diferentes tipos de residuos orgánicos, aquellos que han sido procesados son: residuos forestales o vegetales (césped, hojas, tallos, chamizas, entre otros), residuos de alimentos (legumbres, frutas, cascaras, borra de café, entre otros), residuos de animales (estiércol o heces de establo) y lodo biológico proveniente de una planta de tratamiento de agua residual. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 20 Algunos autores han estudiado el tratamiento de los residuos orgánicos en pacas biodigestoras a través de un análisis comparativo con el compostaje. Posada (2015) evaluó la eficiencia de los dos procesos a partir del monitoreo de las variables temperatura, pH, humedad y volumen durante la transformación de residuos vegetales, de legumbreras y orgánicos domésticos, en una zona rural del municipio de San Antonio de Prado, y la calidad del producto final (abono) en ambos sistemas, al tercer mes de descomposición, mediante el análisis fisicoquímico, microbiológico y fitotóxico en laboratorio. Arenas (2017), por su parte, comparó los procesos de compostaje a cielo abierto y pacas biodigestoras, para determinar las variaciones de la temperatura, pH y humedad durante la descomposición de residuos orgánicos generados en una institución educativa rural del municipio de Dabeiba, y establecer el sistema más eficiente en términos de la cantidad de abono producido. Diferentes investigadores consideraron la paca biodigestora como su unidad experimental, algunos las ensamblaron con poda de jardín y estiércol, ubicaron dos pacas bajo techo y dos a la intemperie, a las cuales les evaluaron los cambios del pH, humedad, peso, temperatura, volumen, lixiviados gases, microorganismos, artrópodos y presencia de roedores durante el proceso de descomposición, y describieron la calidad del abono resultante por medio de parámetros fisicoquímicos, microbiológicos y fitotóxicos (Ardila & Cano, 2011; Ardila, Cano, Silva, & López, 2015). Otros analizaron las variaciones de la temperatura, pH, humedad y altura en el tiempo de biodegradación y compararon los resultados de laboratorio con los índices de calidad establecidos por la Norma Técnica Colombiana 5167 (2011) para evaluar las características del abono obtenido de pacas biodigestoras ensambladas a la intemperie. Ossa (2016) por ejemplo, estudió el proceso en tres pacas de 1 m3 con iguales proporciones (1:1) de residuos vegetales (hojarasca, poda, chamizos) y residuos de cocina (cáscaras de frutas y verduras); Pulgarin & Wills (2019) hicieron el monitoreo de cuatro pacas biodigestoras de 0,125 m3 construidas con residuos vegetales, de cocina y diferentes concentraciones de lodos biológicos (0, 50, 75 y 100 %); y Cardona (2018) realizó un experimento de seis pacas de 1 m3 con 50 % de hojarasca cada una y tres diferentes proporciones de borra de café y residuos de cocina (1:0), (0,5:0,5) y (0,15:0,35), tres de las pacas fueron construidas con borra de café ordinario y las otras tres con borra de café especial. Arteaga & Castaño (2015) a partir de la aplicación de las pacas biodigestoras realizaron un proceso de recolección de información cualitativa y cuantitativa para demostrar le aceptación social y la Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 21 viabilidad del método como alternativa de tratamiento de los residuos orgánicos en el campus principal de la Universidad de Antioquia. Por su parte, Rivera & Ossa (2017) luego del desarrollo de una serie de talleres teórico prácticos dirigidos a estudiantes de nivel medio superior y universitario del estado de México, realizaron un proceso de sistematización de experiencias para analizar la función de las pacas biodigestoras como componente principal de herramientas metodológicas basadas en el aprender haciendo, que buscan sensibilizar y motivar buenas prácticas ambientales desde la gestión integral de los residuos orgánicos. En el caso de Ochoa (2019) mediante la elaboración de pacas digestoras buscó promover el reciclaje de nutrientes orgánicos en los contextos educativos del municipio de San Pedro de Urabá para motivar el aprovechamiento en la fuente. Los hallazgos más relevantes de las investigaciones permiten identificar algunas características del proceso de descomposición de los residuos orgánicos en la paca biodigestora, la calidad del abono orgánico resultante y la respuesta social hacia la aplicación del método. De acuerdo con Ardila et al. (2015); Ossa (2016) y Posada (2015) la paca biodigestora de un metro cúbico procesa entre 500 a 600 Kg de residuos orgánicos, no genera malos olores ni proliferación de plagas, inhibe la generación de gases tóxicos, no requiere infraestructura y funciona a la intemperie. La evolución de la temperatura durante el proceso de descomposición resultó ser similar al proceso de compostaje, Arenas (2017) y Posada (2015) evidenciaron la presencia de fases mesófilas, termófilas, de estabilización y maduración, a diferencia de que la temperatura máxima se alcanza más tarde y la tasa de disminución es más lenta en la paca biodigestora; asimismo, describieron que los cambios en el pH es similar en los dos procesos, a diferencia del contenido de humedad. La fase termófila coincide con los niveles más bajos de pH y luego su variación se mantiene en un rango cercano a la neutralidad. En cambio, la variación del contenido de humedad es menor en la paca biodigestora, al ser un sistema cerrado y sin ventilación mantiene condiciones de saturación en el centro, la cual disminuyen en la superficie. La relación inversa entre el cambio en la altura y el tiempo de descomposición permiten predecir el estado del abono orgánico resultante. Diferentes autores consideran que el tiempo requerido para obtener un sustrato estable y maduro es de al menos seis meses, justo cuando la paca biodigestora de un metro cúbico alcanza una altura menor a los 50 cm (Ardila et al., 2015; Cardona, 2018; Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 22 Pulgarin & Wills, 2019; Velázquez et al. 2017). Con relación a las características fisicoquímicas, microbiológicas, fitotóxicas y nutricionales, el abono que se obtiene cumple con los estándares de calidad de la Norma Técnica Colombiana NTC 5167 (2011) lo que permite considerar su incorporación en el suelo, aportando nutrientes para las plantas y mejorando las propiedades biológicas y fisicoquímicas. De acuerdo a los análisis microbiológicos, el abono maduro se encuentra libre de patógenos y de compuestos contaminantes o fitotóxicos ( Ardila et al., 2015b; Velázquez et al., 2017). Indiferente de los residuos utilizados, Cardona (2018); Ossa (2016); Posada (2015) y Pulgarin & Wills (2019) encontraron que los contenidos de Salmonella sp., Enterobacterias, nemátodos y protozoos cumplen con los niveles mínimos establecidos por la NTC 5167/2011, lo que posibilita su uso sin afectar el desarrollo de las plantas o la salud del suelo. De acuerdo con Posada (2015) en el contenido de nutrientes, el compostaje y las pacas presentaron algunas diferencias significativas, en el primero se presentaron niveles superiores al 1 % de Ca, P, K, mientras que en el segundo se encontró que solo el Ca y K superaron el 1 %. Aun cuando los parámetros fisicoquímicos, microbiológicos y fototóxicos fueron similares en ambos métodos, el proceso de mineralización es más rápido en el compostaje, pero la eficiencia con relación a la cantidad de abono orgánico obtenido es 30 % mayor en las pacas biodigestoras (Arenas, 2017). Según Velázquez et al. (2017) una de las bondades de la paca es que permite su aprovechamiento durante el proceso de descomposición, por medio del desarrollo de huertas, jardinería o paisajismo. Ossa (2016) menciona que mientras se digiere un metro cúbico de residuos orgánicos se obtiene un metro cuadrado de suelo productivo, lo que representa una posibilidad de desarrollar proyectos de siembra de hortalizas, aromáticas y medicinales paralelo el proceso de biodegradación del material incorporado. En este sentido, la paca biodigestora aparte de ser una tecnología para el reciclaje de los residuos orgánicos, es un mecanismo que vincula la participación comunitaria y la preservación de los recursos naturales en los ecosistemas urbanos y rurales (Arteaga & Castaño, 2015; Ochoa, 2019; Rivera & Ossa, 2017). Los resultados obtenidos por Ardila et al. (2015); Arenas (2017) y Rivera & Ossa (2017) establecen la viabilidad ambiental y aceptación social de las pacas biodigestoras debido a su uso potencial como laboratorio vivo o aula abierta para el aprendizaje de las ciencias Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 23 exactas y naturales, asimismo las experiencias desarrolladas han generado receptividad en las personas y promovido prácticas sostenibles que benefician los procesos ecológicos de la descomposición y comunitarios entorno a la autonomía y soberanía alimentaria. Con relación a la aplicación de las pacas biodigestoras, Arenas (2017) recomienda su uso para aprovechar los residuos orgánicos generados y obtener abono rico en nutrientes, además que este constituye un proceso económico, de bajo impacto ambiental y alta eficiencia. En términos investigativos Arteaga & Castaño (2015) sugieren aplicar métodos más precisos para cuantificar la producción de gases del sistema. A la par, Ardila & Cano (2011) proponen utilizar otros tipos de residuos orgánicos en diferentes proporciones para evaluar la efectividad del método, describir el funcionamiento y analizar la calidad del producto final. Y Pulgarin (2018) considera necesario realizar estudios para conocer diferentes fenómenos como la cinética de degradación y producción de subproductos, así como la correlación entre los parámetros fisicoquímicos y microbiológicos durante el proceso de descomposición. 1.4 Conclusiones Aun cuando se ha avanzado en el conocimiento del proceso de tratamiento de residuos orgánicos con pacas biodigestoras, su estudio o aplicación es incipiente y las investigaciones ejecutadas se encuentra en un repositorio institucional que limita el acceso a toda la comunidad científica, además hay una limitación por el idioma en el cual está publicado, lo cual limita su comprensión y posterior aplicación. Hasta ahora, los autores han enfocado sus investigaciones en analizar, desde la variación de los parámetros fisicoquímicos, cómo es el proceso de descomposición de los residuos orgánicos en las pacas biodigestoras y evaluar la calidad del producto final, por medio de las características fisicoquímicas, microbiológicas, fitotóxicas y nutricionales. Adicional, han demostrado la utilidad del método para procesar los residuos orgánicos generados en contextos urbanos y rurales y realizar diferentes estrategias de aprovechamiento que posibilitan la protección de los recursos naturales, la mitigación de impactos negativos, el cuidado de la salud pública y la participación comunitaria, por medio de procesos de educación ambiental que fomentan las prácticas ambientales sostenibles. Sin duda, se han generado aportes con información que permite sumar evidencia para describir la dinámica de descomposición y el funcionamiento del sistema, Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 24 pero persiste desconocimiento sobre la temática para implementar las pacas biodigestoras como método de gestión. Por lo tanto, cualquier aplicación del método a pequeña, mediana o gran escala será por ahora un proceso de gestión experimental, pues se carece de procedimientos estandarizados que puedan predecir el funcionamiento cuando hay cambios en la densidad de la paca biodigestora, en el tipo de residuos orgánicos incorporados, en las condiciones ambientales del entorno o en otros aspectos que sin duda influencian directamente el proceso de descomposición. 1.5 Referencias Ardila Delgado, Jayme Liset, & Cano Córdoba, J. (2011). 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Se ensamblaron 24 PB combinando en cada una 15 Kg de borra de café y 15 Kg de residuos de frutas, cubiertas por una capa de hojarasca y compactados en cubos con 50 cm de arista. Durante 120 días se monitorearon variables in situ y ex situ, los datos fueron recolectados cada 15 días mediante medición directa y la extracción de muestras separadas de tres PB seleccionadas aleatoriamente. Los resultados indicaron que la PB alcanzó a los 15 días una temperatura máxima promedio de 55.17±2,57°C, que coincide con el valor mínimo de pH registrado de 4,5 ± 0,50. La relación C/N final fue de 15,75±9,79 y presenta una correlación fuerte con el N total. Al inicio de la descomposición, los hongos lideran el proceso de transformación del material; entre los 15 y 45 días la concentración de heterótrofos es mayor que los demás grupos microbianos; posterior a los 75 días las células de E. coli no fueron detectables y al final, la cantidad de coliformes totales no supera los niveles máximos permitidos que puedan indicar contaminación bacteriológica del sustrato. Las fuertes correlaciones entre las variables monitoreadas durante el proceso de descomposición como, el contenido de cenizas con CIC (-0,6); pH con N total (0,48); la concentración de hongos con los heterótrofos (0,59) y coliformes totales (0,69); la cantidad de heterótrofos con la temperatura (0,71); la relación C/N con N total (-0,82), el porcentaje de germinación (-0,72), CRA (-0,79), pH (-0,48) y altura (0,61); están directamente relacionadas con la mineralización de la materia orgánica y por ende pueden aportar información importante sobre el proceso de estabilidad y madurez del sustrato en la PB. Palabras clave: abono orgánico, descomposición, bioindicadores, paca biodigestora, transformación de residuos orgánicos. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 29 2.1 Introducción A nivel mundial, la gestión integral de los residuos sólidos municipales (GIRSM) presenta importantes desafíos sociales, ambientales y económicos, los cuales están directamente relacionados con la urbanización, el crecimiento de la población y el desarrollo económico (Guerrero et al., 2013; Onwosi et al., 2017). Actualmente, el mundo genera aproximadamente 2010 millones de toneladas de residuos sólidos municipales (RSM) al año, y al menos el 33 % de estos no se manejan de manera ambientalmente segura; cerca del 37 % de los RSM se elimina en algún tipo de relleno sanitario y de estos, solo el 8 % se elimina en rellenos sanitarios con sistemas de recolección de gases. La disposición en botaderos a cielo abierto representa aproximadamente el 32 % de los RSM, el 20 % se recupera mediante el reciclaje y el compostaje y el 11 % se incinera para su disposición final. Se espera que los RSM globales aumenten a 3 400 millones de toneladas para 2050, más del doble del crecimiento de la población durante el mismo período (Kaza et al., 2018). Colombia, al igual que otros países, enfrenta grandes retos en la GIRSM. Según el informe nacional generado por la Superintendencia de Servicios Públicos Domiciliarios (SSPD), se producen anualmente cerca de 11 305 133 toneladas de RSM en todo el país, de ellos el 96,01 % se envían a los 174 rellenos sanitarios activos y con licencia en todo el territorio, el porcentaje restante es arrojado a botaderos a cielo abierto (1,98 %), enviados a celdas de contingencia (1,69 %), celdas transitorias (0,22 %) y plantas de tratamiento (0,10 %) (SSPD, 2019). Las fracciones orgánicas de los residuos sólidos urbanos se han convertido en un grave problema ambiental en Colombia; Andrade et al. (2018), informaron que de la cantidad total de residuos sólidos que se generan en el país, cerca del 59 % lo componen los orgánicos, de alimentos y jardín, la fracción restante está distribuida entre el papel (5 %), cartón (4 %), plástico (13 %), vidrio (2 %), metales (1 %) y otros (16 %). El relleno sanitario La Pradera es el lugar de disposición final de los residuos sólidos generados por 32 municipios del departamento de Antioquia, en Colombia. Con base en la información presentada por la Asociación Colombiana de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (ACODAL) y el Área Metropolitana del Valle de Aburrá (AMVA) sobre la composición física porcentual de Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 30 residuos caracterizados en el relleno sanitario La Pradera, la mayor fracción dispuesta corresponde a los residuos orgánicos con un porcentaje promedio de 53,84 %, seguido de los reciclables con 21,15 %, ordinarios e inertes con 18,74 %, especiales y electrónicos con 4,51 % y en menor proporción los peligrosos con 1,78 % (ACODAL & AMVA, 2017). Para evitar la disposición final de los residuos orgánicos en los rellenos sanitarios y aumentar las cifras de aprovechamiento, se deben adoptar estrategias de manejo efectivas. Entre los diferentes métodos para el tratamiento, la Paca Biodigestora (PB) ha logrado una gran aceptación social en Colombia debido a sus beneficios asociados, como la capacidad de procesar todo tipo de material biodegradable, la eliminación de malos olores y plagas, la rentabilidad en su aplicación, la diversidad de usos durante el proceso de descomposición como huertas ecológicas, jardineras, desarrollo paisajístico y cobertura con sucesión vegetal; además de la conversión de los residuos en abono, un subproducto con valor agregado (Ardila et al., 2015; Silva, 2018; Velázquez et al., 2017). Desde el punto de vista de Rivera y Ossa (2017), la PB es una alternativa viable para la gestión integral de los residuos orgánicos que puede ser aplicada tanto en sectores urbanos como rurales, además fomenta los procesos de participación comunitaria y educación ambiental. Sin embargo, aunque se han desarrollado avances en la investigación del tratamiento de los residuos orgánicos en la PB y la evaluación de la calidad del abono orgánico resultante, los estudios son limitados. Algunas investigaciones han logrado aproximaciones representativas para comprender el mecanismo de transformación de los residuos orgánicos en las PB mediante el análisis de aspectos físicos, químicos, biológicos, ambientales y sanitarios (Ardila Delgado et al., 2015; Pulgarin y Wills, 2019); asimismo, Velázquez et al. (2017) informaron que el abono obtenido de la PB a los seis meses de descomposición de residuos orgánicos de alimentos y hojarasca, cumple con los estándares estipulados en la Norma Técnica Colombiana NTC 5167 (2011), lo que permite considerar su viabilidad para usarse como enmienda del suelo, mejorar su calidad y disminuir el uso de fertilizantes inorgánicos, haciendo el proceso útil para la agricultura ecológica. Teniendo en cuenta que los residuos orgánicos son una fuente importante de macro y micronutrientes como el carbono, nitrógeno, fósforo, potasio, magnesio, sodio, calcio, zinc, entre otros, es posible reconocer la importancia de reciclarlos y reincorporarlos a los suelos por medio Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 31 de estrategias de gestión integral como el tratamiento y aprovechamiento ecológico a través de la PB, donde primero se exponen los residuos orgánicos a procesos de conversión química para garantizar la disponibilidad biológica de los nutrientes y la eliminación de agentes patógenos, obteniendo un subproducto más seguro y estable (Kuryntseva et al., 2016; Soobhany, 2019). Y después, los residuos orgánicos transformados en abono pueden usarse como acondicionadores del suelo, lo cual mejora sus propiedades fisicoquímicas y biológicas (Peltre et al., 2015; Renaud et al., 2017). Sin embargo, la explicación de la dinámica del proceso de transformación de la materia orgánica hasta abono estable y maduro en la PB es incipiente, en gran parte porque se desconoce la influencia y variación de los parámetros fisicoquímicos y microbiológicos en dicho proceso. Por lo tanto, la presente investigación tiene como propósito realizar una primera aproximación al análisis de la dinámica de descomposición de residuos de frutas, borra de café y hojarasca en PB, mediante la evaluación temporal de diferentes parámetros fisicoquímicos y microbiológicos, durante el proceso de descomposición de los residuos orgánicos en PB. A la par, generar un modelo que permita describir los cambios y características de la materia orgánica en el tiempo, con el cual sea posible aportar evidencia para caracterizar los mecanismos de descomposición, lograr mayores acercamientos conceptuales y científicos de la PB y fundamentar la toma de decisiones y el desarrollo de nuevas investigaciones. 2.2 Metodología El montaje experimental se realizó en las instalaciones del Campus Principal de la Universidad de Antioquia (UdeA), Colombia, en donde también se recolectaron los residuos orgánicos utilizados como borra de café, residuos de frutas y hojarasca. De acuerdo con los resultados aportados por Cardona (2018), se utilizó una mezcla de borra de café con residuos de frutas de 30 Kg, en una proporción de 1:1, que se recubrió con hojarasca, para conseguir una relación C/N inicial cercana a 30 en el sistema. La Figura 1 expone el procedimiento experimental realizado durante la investigación, el cual inició con la preparación de los residuos orgánicos para el montaje de 24 PB con 50 cm de arista, Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 32 siguiendo la metodología para el ensamblaje propuesta por Ossa (2016). Durante todo el proceso, las PB estuvieron a la intemperie y sobre el suelo. Figura 1 Procedimiento experimental de la investigación en campo Nota. Fuente elaborado por los autores. Los residuos orgánicos fueron caracterizados antes de ser incorporados en las PB, para identificar los datos en el día cero. La medición de los parámetros se llevó a cabo durante 120 días, los datos fueron recolectados cada 15 días seleccionando aleatoriamente tres PB. La medición de las variables fisicoquímicas in situ se tomaron en el centro y a un medio de la altura registrada cada día en las PB. Para la temperatura, pH y temperatura ambiente se usó un medidor digital de suelo multiparamétrico con sonda de 20 cm (marca Yieryi, modelo TPH01803); la humedad se determinó con un medidor análogo con sonda metálica de 50 cm (marca Reotemp) y la altura con un flexómetro. El análisis de las variables fisicoquímicas ex situ y microbiológicas se realizó a partir de la homogenización y cuarteo del material interno; de cada PB se extrajo dos muestras sólidas de 1 Kg de manera independiente. Los análisis fisicoquímicos se realizaron en el laboratorio del Grupo de Investigación de Estudios Moleculares (GIEM) y los microbiológicos en el Laboratorio Central de la Escuela de Microbiología de la Universidad de Antioquia. En la Tabla 1 se especifica la técnica y la norma de referencia para cada parámetro analizado. El contenido de materia orgánica (MO) se obtuvo con la información de las cenizas, utilizando el cálculo matemático propuesto por Defrieri et al. (2005): MO % = 100 - % cenizas. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 33 Tabla 1 Variable, técnica y norma de referencia de los parámetros fisicoquímicos y microbiológicos determinados en las muestras sólidas recolectadas durante la experimentación. Parámetro Técnica Norma Capacidad de retención de agua (CRA) Gravimetría NTC 5167 Conductividad Potenciometría NTC 5167 Capacidad de intercambio catiónico (CIC) Volumetría NTC 5167 Porcentaje de germinación Evaluación de la fracción hidrosoluble con el modelo biológico Raphanus sativus Método interno Respirometría (24 horas) Titulométrica (producción CO2) NTC 5167 Cenizas Gravimetría NTC 5167 Carbono Orgánico total Titulométrica NTC 5167 Nitrógeno total Kjeldahl NTC 370 Relación C/N Cálculo matemático NTC 5167 Calcio total Electroforesis capilar Método desarrollado GIEM Magnesio total Electroforesis capilar Método desarrollado GIEM Potasio total Electroforesis capilar Método desarrollado GIEM Sodio total Electroforesis capilar Método desarrollado GIEM Zinc total Electroforesis capilar Método desarrollado GIEM Fósforo total Espectrofotometría NTC 234 Heterótrofos Siembra por superficie según standarsd methods 9215c NTC 5167 Hongos Siembra por superficie según standarsd methods 9215c NTC 5167 Coliformes totales Siembra por superficie según standarsd methods 9215c NTC 5167 E. coli Siembra por superficie según standarsd methods 9215c NTC 5167 El análisis estadístico de los datos se realizó usando el paquete IBM SPSS Statistics V25.0. Se aplicó un modelo de efectos fijos, donde se consideró el tiempo como factor y se trató como una variable categórica. Inicialmente, se realizó un análisis exploratorio de los datos para determinar si las variables son o no paramétricas, por medio de la prueba de normalidad de Shapiro–Wilk, Kolmogorov-Smirnov normal y ajustada; la homocedasticidad con la prueba de Levene´s y la independencia con la prueba de bondad de ajuste R2. Luego, en las variables paramétricas, se utilizó el análisis de varianza unifactorial (ANOVA) para determinar cambios con respecto al tiempo de Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 34 descomposición y medir su efecto; en las no paramétricas se empleó el procedimiento H de Kruskal-Wallis. Los contrastes Post hoc fueron realizados a través del método de Tukey para el caso paramétrico y mediante la prueba U de Mann-Whitney con corrección de Bonferroni para el no paramétrico. Se complementó el manejo estadístico de los datos, mediante un análisis de componentes principales (PCA) con base en la matriz de correlaciones entre las variables que se consideraron relevantes, por los resultados de investigaciones previas. El PCA se repitió de forma individual para cada componente con el fin de obtener los valores de cada uno a través de sus respectivas puntuaciones tipificadas que, una vez halladas, generó un modelo de regresión lineal múltiple en el que la variable dependiente (VD) fue la materia orgánica y las independientes (VI) fueron dichos componentes. Al final, el modelo matemático queda definido de la siguiente forma: 𝑀𝑂 = 𝛽1𝐶1 + 𝛽2𝐶2 + 𝛽3𝐶3 + ⋯ + 𝛽𝑖𝐶𝑖 + 𝛽0; donde los 𝐶𝑖 son los componentes ya mencionados y los 𝛽𝑖 son los coeficientes que expresan la razón de cambio en MO por cada cambio unitario en los 𝐶𝑖, asumiendo que el resto de los elementos permanecen constantes. El término 𝛽0 corresponde al corte con el hiperplano generado por las VI, el cual no tiene interpretación práctica en este contexto. Una vez consolidado el modelo, se realizaron los diagnósticos respectivos y se verificó el cumplimiento del supuesto de multicolinealidad mediante el factor de inflación de la varianza (FIV) y el índice de condición (IC). Los puntos de corte para estos indicadores sugieren valores cercanos a 1 para el primero, y no mayores que 30 para el segundo. Acto seguido, se procedió a validar la normalidad de los residuales a través del contraste de Shapiro-Wilk, los histogramas, diagramas de caja y gráficos Q-Q. Posteriormente, se examinó la homocedasticidad residual por medio de gráficos de dispersión y se evaluó la posible autocorrelación residual empleando el estadístico de Durbin-Watson. Finalmente, se revisaron los puntos atípicos y puntos de influencia para tomar decisiones, ya que estos pueden ser valores que cambian la relación de los datos y la significancia de los componentes en el modelo de regresión; para ello, se usaron los residuales tipificados, además de distancias como las de Mahalanobis, DFBETAS y de Cook. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 35 2.3 Resultados y discusión 2.3.1 Dinámica de los parámetros fisicoquímicos in situ Las mediciones de temperatura y pH en el centro de la PB, así como la temperatura ambiente registrada durante los 120 días del experimento se pueden observar en la figura 2. En el periodo de experimentación, la temperatura ambiente promedio fue de 26,12 °C. El comportamiento de la temperatura en el centro de la PB durante el tiempo de monitoreo se podría clasificar en cuatro etapas o fases de descomposición: mesofílica (20-40 °C), termofílica (40-60 °C), enfriamiento y maduración (50-20 °C). La fase mesofílica duró pocos días, la temperatura aumenta rápidamente desde 32.53 ± 2,30 °C hasta los 40 °C. Dando paso a la fase termofílica, en donde se registró al día 15 de monitoreo la temperatura máxima promedio de la PB (55.17 ± 2,57 °C), la cual coincidió con el valor mínimo de pH registrado (4,5 ± 0,50). De acuerdo con Oviedo-Ocaña et al. (2019) la disminución del pH puede deberse principalmente a los ácidos orgánicos liberados de los carbohidratos y lípidos degradados por los microorganismos, que con su actividad de descomposición y reproducción generan también un aumento en la temperatura. El día 30 se identificó una temperatura promedio de 44,73 ± 6,03 °C, donde se podría considerar el inicio de la fase de enfriamiento, en la cual la materia orgánica tiende a estabilizarse, con ello la temperatura promedio de la PB comienza a descender paulatinamente hasta valores cercanos a la temperatura ambiente y el pH aumenta hasta acercarse a los rangos de neutralidad, siendo esto característico de los procesos de estabilización de la materia orgánica durante mecanismos de descomposición biológica (Cerda et al., 2018; Khatua et al., 2018; Onwosi et al., 2017). Posterior a los 90 días, los cambios en la temperatura de la PB oscilaron con valores muy cercanos a la temperatura ambiente de la zona, entre los 27,93 ± 2,38 y 28,67 ± 4,12 °C, y el pH varió entre el rango de la neutralidad con valores de 6,33 ± 0,29 y 5,83 ± 0,29, lo cual permite considerar el inicio de la etapa de maduración en la PB. En esta etapa, la liberación de calor y la pérdida de peso del material son bajas, lo cual generalmente se debe a que el proceso se realiza a temperatura ambiente y los valores de pH aumentan hasta permanecer en el rango de la neutralidad como indicador de estabilidad (Cerda et al., 2018). El aumento del pH puede deberse a la liberación de amoniaco que alcaliniza el medio cuando los microorganismos degradan las proteínas (Azim et al., Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 36 2018). Fourti (2013) informó que la disminución de la temperatura durante la fase de enfriamiento y maduración podría ser resultado del agotamiento del sustrato disponible y la sustitución de la microbiota termófila por una mesófila, que se encargan fundamentalmente de la degradación parcial de compuestos biorresistentes como la celulosa y la lignina. Por su parte, El Fels et al. (2014) afirmaron que durante la maduración se pueden producir reacciones secundarias de polimerización y condensación que conducen a la formación de humus con ácidos húmicos, los cuales son particularmente resistentes a la degradación. El tiempo presenta un efecto significativo sobre las variaciones de la temperatura (p=2,5 x 10-8) y el pH promedio (p=0,016) registrados en el centro de la PB durante el proceso de descomposición. Así, durante las primeras tres fases se espera que se produzca la ruptura de la materia orgánica simple y compleja, se genere la descomposición de la mayor parte del material biodegradable y la estabilidad de los residuos orgánicos incorporados debido a la acción de los microrganismos presentes. Al final, en la fase de maduración, se esperaría la reorganización de la materia orgánica en moléculas más estables, es decir, se convierte una parte del material orgánico remanente en sustancias húmicas (Azim et al., 2018; Martínez et al., 2019; Oviedo-Ocaña et al., 2015). Figura 2 Variación de la temperatura (línea azul) y el pH (línea roja) en el centro de la PB y los cambios de la temperatura ambiente (línea verde punteada) durante el experimento de descomposición de los residuos orgánicos en la PB. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 37 Nota. Las barras de error representan ± la desviación estándar para n=3. Fuente: Elaborado por los autores. En la Figura 3 se muestran los cambios de la humedad registrada en el centro de la PB durante el proceso de descomposición. La variable no tiene una distribución normal (p=0,667) y de acuerdo con la prueba de Kruskal-Wallis para muestras independientes, la distribución de la humedad no varía significativamente durante el tiempo de descomposición (p=0,136). La humedad promedio registrada en el centro de la PB fue de 83,33 ± 3,81 % y las medianas de los registros de humedad durante el tiempo de descomposición estuvieron por encima del 50 %, lo cual garantiza las condiciones apropiadas para la actividad microbiana, así como la estructura física y, por lo tanto, tienen una influencia central en la biodegradación de los materiales orgánicos ya que valores bajos de humedad (< 50 %) ocasionan la deshidratación del material, lo que detendría el proceso biológico dando sistemas físicamente estables pero biológicamente inestables (Makan et al., 2013). Por otro lado, en la Figura 4 se observan los cambios en la altura de la PB en el tiempo, esta variable es probablemente un indicador de la descomposición de los residuos orgánicos en el sistema, ya que el factor tiempo presenta un efecto significativo (p=0,000009) sobre las variaciones de la altura promedio de la PB; además, a mayor tiempo de descomposición menor es la altura de la PB. En el estudio, la altura inicial de la PB fue de 50 cm, la final significativamente diferente y cerca de la mitad de la inicial, 26,43 ± 1,50 cm. Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 38 Figura 3. Variación de la humedad durante el proceso de descomposición de residuos orgánicos en la PB. Nota. Fuente elaborado por los autores. Figura 4. Variación de la altura durante el proceso de descomposición de residuos orgánicos en la PB (las barras de error representan ± la desviación estándar para n=3). Valores con letras distintas indican que las medias son significativamente diferentes según la prueba de Tukey (p < 0,05). Nota. Fuente elaborado por los autores. 2.3.2 Dinámica de los parámetros fisicoquímicos ex situ Las propiedades fisicoquímicas iniciales y durante 120 días de descomposición de los residuos de frutas, borra de café y hojarasca procesados en PB se muestran en la Tabla 2. De acuerdo con los análisis estadísticos, las propiedades fisicoquímicas reportadas a continuación coinciden en que el tiempo ejerce un efecto significativo en la variación durante el proceso de descomposición para valores p < 0,05. Sin embargo, podría considerarse que el tiempo no es la única variable que ejerce el efecto sobre los cambios en la PB, sino también la interacción entre los procesos físicos y microbiológicos. Tabla 2. Variables paramétricas analizadas en las PB durante 120 días de descomposición de los residuos orgánicos estudiados. Tiempo (días) CRA (%) CE (dS/m) CIC (meq/100 g) Ger (%) Res (mg CO2/g) Cenizas (%) C/N COT (%) N_total (%) 0 73±0,00a 0,87±0,00ab 34,2±0,00a 0,0±0,0a 2,48±0,0ab 51±0,0b 37,5±0,0c 43,8±0,0a 1,17±0,0a 15 145,67±9,07bcd 1,16±0,08b 59,73±0,83ab 86,67±15,28b 2,14±0,59ab 16,63±5,01a 16,96±7,40ab 32,83±1,63a 2,32±1,32ab Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 39 Tiempo (días) CRA (%) CE (dS/m) CIC (meq/100 g) Ger (%) Res (mg CO2/g) Cenizas (%) C/N COT (%) N_total (%) 30 103±7,81ab 0,95±0,05ab 62,37±7,72b 73,33±2,89b 3,99±0,42b 17,19±13,75ab 25,47±4,26bc 42,37±6,77a 1,69±0,37ab 45 190,67±14,29de 0,79±0,02a 53,9±3,93ab 66,67±7,64b 1,84±0,19a 20,17±4,48ab 12,8±2,41ab 38,07±2,53a 3,01±0,37ab 60 178,67±20,03cde 0,82±0,31ab 75,23±5,10b 93,33±7,64b 2,52±0,82ab 11,10±7,70a 8,57±2,03a 40,6±5,17a 4,84±0,72b 75 191±27,50de 0,88±0,10ab 50,13±10,96ab 90±5,00b 1,77±0,70a 16,47±6,69a 9,73±2,55a 38,03±2,98a 4,07±0,84ab 90 162,33±19,22cde 0,74±0,07a 65,87±12,86b 93,33±5,77b 1,36±0,21a 32,73±22,66ab 11,51±5,09ab 45,6±3,48a 4,41±1,61b 105 200,33±15,18e 1,03±0,11ab 57,37±ab 65±30,41b 2,02±0,85ab 20,16±13,16ab 8,71±2,18a 35,33±13,81a 4,25±2,16ab 120 145±13,21bc 1,08±0,09ab 53,33±11,37ab 86,67±2,89b 2,11±1,46ab 25,28±16,28ab 15,75±9,79ab 33,67±7,19a 2,49±0,86ab Nota. Los valores son las medias ± desviación estándar (n = 3). Los valores de la variable dentro de la misma columna seguidos de la misma letra indican que las medias no son significativamente diferentes en el tiempo según la prueba de Tukey (p<0,05). Capacidad de retención de agua (CRA), conductividad eléctrica (CE), capacidad de intercambio catiónico (CIC), porcentaje de germinación (Ger), respirometría (Res), relación C/N (C/N), carbono orgánico total (COT) y nitrógeno total (N_total). En el caso de la CRA se registró un aumento progresivo desde el inicio del proceso, sugiriendo una mayor disponibilidad de agua en el sistema con relación a su masa seca (Arango-Osorno et al., 2016). Todos los valores son relativamente altos en comparación con el porcentaje registrado en la mezcla inicial (73 ± 0,00 %), que corresponde al valor mínimo. La CRA entre los 45 y 90 días presentó valores homogéneos y significativamente similares; el valor máximo se obtuvo a los 105 días de descomposición con 200,33 ± 15,18 %, lo que significa que el sustrato puede absorber aproximadamente dos veces su masa seca durante la fase de maduración. La CE como medida indirecta de la cantidad de sales en el sustrato mostró un valor inicial de 0,87 ± 0.00 dS/m que aumentó significativamente durante la fase termofílica hasta un valor máximo de 1,16 ± 0,08 dS/m registrado a los 15 días, el cual fue disminuyendo progresivamente en la fase de enfriamiento hasta los 90 días, donde se registró un valor de 0,74 ± 0,07 dS/m. Onwosi et al., (2017) informaron que la disminución de la CE o la falta de cambios significativos durante los procesos de descomposición a pesar de la mineralización de los compuestos orgánicos puede deberse a la perdida de las sales solubles por medio de la lixiviación. La CIC define la capacidad de retener los elementos necesarios para nutrir las plantas y se utiliza como un indicador de madurez del sustrato (Albarracín et al., 2018). Tal como se observa en la Tabla 2, durante el proceso de descomposición se presentaron diferencias significativas entre el valor mínimo de 34,20 ± 0,00 meq/100 g en el día cero y el valor máximo de 75,23 ± 5,10 meq/100 Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 40 g registrado a los 60 días de descomposición. Este último, no muestra cambios significativos con los valores reportados en los días 30 y 90. Los aumentos en la CIC indican que la fracción orgánica de los residuos se va humificando durante el proceso de descomposición (Onwosi et al., 2017). Sin embargo, la CIC registrada a los 15, 45, 75, 105 y 120 mostró que las medias no son significativamente diferentes. Esto se puede deber a que el proceso de descomposición y humificación de los residuos orgánicos en la PB presenta cambios lentos pero constantes. Según el estudio realizado por Cerda et al. (2018), el porcentaje de germinación representa un indicador que describe el estado de madurez y fitotoxicidad de los sustratos, sin embargo, se considera necesario incluir otros parámetros ya que la madurez o estabilidad no se describe por una sola propiedad. En el presente estudio, el porcentaje de germinación de las semillas de Raphanus sativus a partir del día 15 de descomposición no registró cambios significativos en el tiempo y todas las muestras tuvieron un valor superior al 50 %, que según Luo et al. (2018), indica un sustrato libre de compuestos fitotóxicos y su aplicación no afecta el crecimiento de las plantas ni la calidad del suelo. La respirometría está directamente relacionada con la actividad enzimática y el contenido de ácidos húmicos, por lo que se requieren índices respirométricos para el control de los procesos biológicos debido a que estos dan cuenta de la actividad microbiana y por ende información sobre la estabilidad y madurez del sustrato (Saldarriaga, Gallego, López, Aguado, & Olazar, 2019). En la presente investigación, la respirometría alcanza su punto máximo en el día 30 de descomposición (3.99 ± 0,42 mg CO2/g), 15 días después de registrarse en la PB la temperatura máxima, la alta tasa de producción de CO2 puede deberse al creciente desarrollo de los microorganismos como consecuencia de la degradación de los compuestos fácilmente biodegradables de las materias primas (Cerda et al., 2018). La disminución de la respirometría se da progresivamente a partir del día 30, pero en la etapa de maduración, aunque los cambios no son significativamente diferentes, se presenta un aumento a partir del día 90, hasta un valor de 2,11 ± 1,46 mg CO2/g registrado a los 120 días, lo cual podría estar relacionado con una proliferación de microorganismos mesófilos que ayudan con la estabilización final del material orgánico (Gómez et al., 2006). Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 41 Según la NTC 5167 (2011), el contenido máximo de cenizas al final de la descomposición debe ser del 60 %. El porcentaje de cenizas de la muestra inicial fue del 51 %, un valor atípico y significativamente diferente a los registrados durante el proceso de descomposición. Sin embargo, los cambios presentados a partir del día 15 hasta el final del monitoreo, muestran un aumento progresivo desde 16,63 ± 5,01 % hasta 25,28 ± 16,28 %, respectivamente. Dicho aumento estaría relacionado directamente con el proceso de mineralización de los compuestos que reflejan el agotamiento de la materia orgánica con el tiempo y a su vez aportan una cantidad de material inorgánico en el sustrato (Terán et al., 2018). La relación C/N se utiliza como indicador de la madurez del sustrato (Raj & Antil, 2011). Al inicio del proceso de descomposición, se encontró el valor máximo de la relación C/N en la PB (37,5 ± 0,0), lo que puede significar que el tiempo de descomposición sea más largo, ya que si la relación C/N inicial es superior a 35, los microorganismos deben pasar por muchos ciclos de vida para oxidar el exceso de carbono y la tasa de fermentación estará controlada por la disponibilidad de nitrógeno (Azim et al., 2018). Aun cuando la relación C/N inicial fue alta, se observó una rápida disminución, alcanzando a los 15 días un nivel de 16,96 ± 7,40; el cual no muestra diferencias significativas con los valores reportados a los 45, 90 y 120 días, que representan el periodo de enfriamiento y el final de la fase de maduración. Esto puede deberse a que a medida que avanzó la descomposición se presentaron pequeñas pérdidas de carbono y el contenido de nitrógeno por unidad de material aumentó. Sin embargo, la muestra final del sustrato registró una relación C/N de 15,75 ± 9,79, referenciando un cambio significativo en comparación con el valor inicial; y de acuerdo a lo sugerido por Escobar et al. (2012), se encuentra dentro del rango de referencia de 10 a 20 que denota un material de buena calidad y apropiado para su uso. La concentración de COT en la PB disminuyó a través del tiempo, a pesar de que los cambios registrados no fueron significativamente diferentes durante el proceso. El COT obtenido en la mezcla inicial (día cero) fue de 43,8 ± 0,0 % y los valores mínimos de 32,83 ± 1,63 y 33,67 ± 7,19 % se presentaron a los 15 y 120 días de la descomposición, que coinciden respectivamente con el día donde se obtuvo el máximo de temperatura y mínimo de pH promedio en el centro de la PB y con el final del proceso de descomposición. De acuerdo con Acosta et al. (2012), la disminución en la concentración de COT puede atribuirse a la degradación de la materia orgánica, donde en la Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 42 fase termofílica (15 días) los microrganismos actúan sobre las fracciones de carbono más fácilmente biodegradables (azucares, lípidos, ácidos orgánicos, entre otras) que a su vez estimulan la respiración y el crecimiento de otros microrganismos. Asimismo, la liberación de CO2 durante el proceso de fermentación influencia el descenso en la concentración de COT. Al inicio (día cero), la concentración de nitrógeno total promedio de la PB registró el porcentaje mínimo del 1,17 ± 0,0 %. Luego, los valores aumentaron con el tiempo hasta los 60 días de descomposición, donde el porcentaje registrado fue el máximo (4,84 ± 0,72 %), esto podría ser el resultado de la inmovilización del nitrógeno, el cual sucede cuando el nitrógeno inorgánico liberado, es transformado nuevamente en formas orgánicas al ser asimilado por los microorganismos, incluyendo además los aportes de este elemento por parte de la borra de café (Pandey et al., 2016). Posterior a los 60 días, la concentración de nitrógeno total promedio descendió, alcanzando al final del monitoreo un valor de 2,49 ± 0,86 %, que representa una alta concentración con relación a lo mínimo requerido, logrando así influenciar la disminución de la relación C/N en el sustrato. Al analizar los nutrientes, la variación de las concentraciones de (a) CaO (b) MgO, K2O, P2O5 (c) Na y Zn en la PB durante el proceso de descomposición de residuos de frutas, borra de café y hojarasca se observa en la Figura 5. En el análisis de varianza, utilizando pruebas paramétricas, se encontró que el tiempo no tiene un efecto significativo en los cambios de las concentraciones de MgO (p=0,49), K2O (p=0,704) y P2O5 (p=0,25) durante el proceso de descomposición y según la prueba de Tukey, tampoco se presentan cambios significativos durante el tiempo de monitoreo. La prueba de Kruskal-Wallis efectuada para variables no paramétricas, indicó que las concentraciones de CaO (p=0,253) y Na (p=0,107) es aproximadamente la misma entre las categorías de tiempo. Y, en el caso del Zn, se presentaron diferencias significativas según la prueba de Kruskal-Wallis (p=0,009) y al menos en uno de los tiempos se generó un cambio importante. El contenido de CaO es superior en todos los tiempos a la concentración de los otros elementos, seguido del K2O y P2O5. El CaO fue mayor al inicio de la descomposición (día cero) con 4,49 ± 0,0, el porcentaje mínimo se presentó a los 60 días, en la fase de enfriamiento, con 1,02 ± 0,44 % y en la fase de maduración, a los 120 días, la concentración fue del 2,11 ± 5,56 %. El CaO es uno Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 43 de los micronutrientes principales en el abono orgánico; su presencia se debe especialmente a los residuos de alimentos y es fundamental para contrarrestar los efectos de las sales alcalinas y los ácidos orgánicos (Montejo et al., 2015). El K2O es un macronutriente esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas (Arango- Osorno et al., 2016). Este metal alcalino, expresado como K2O muestran inicialmente una concentración de 0,81 ± 0,0 % que aumenta en una menor cantidad a un valor de 0,92 ± 0,75 % al final del proceso. Por su parte, el P2O5 es un macronutriente que siempre tiene una concentración menor a la del carbono y su importancia se debe a que está presente en las moléculas orgánicas de muchas rutas metabólicas aerobias y anaerobias (Arango-Osorno et al., 2016). En la PB, el P2O5 presentó oscilaciones a lo largo del tiempo; inicialmente, la concentración aumento de 0,29 ± 0,0 % hasta 0,73 ± 0,17 %, correspondiente a los valores mínimo y máximo presentados a los 0 y 30 días, respectivamente. Al final del monitoreo, se registró un ascenso que continúo hasta el día 105 con un valor del 0,66 ± 0,11 %, y en el día 120 el porcentaje descendió ligeramente hasta 0,47 ± 0,59 %. Algunas perdidas del K2O y P2O5 durante la descomposición podrían deberse a la fuga de estos elementos por lixiviación y las bajas cantidades también pueden estar relacionadas con las diferentes características fisicoquímicas de los sustratos originales (Soobhany, 2019). Además, dado que estos elementos no son sustancias volátiles y permanecen en el producto final, cualquier aumento en su concentración refleja pérdidas netas de masa inducidas por la descomposición, ya que el carbono y las sustancias volátiles se pierden durante la transformación de la materia orgánica (Liu & Price, 2011). El MgO y el Zn forman parte de los metales de interés en los proceso de intercambio iónico y conductividad eléctrica (Arango-Osorno et al., 2016). En la experimentación se observó que el MgO y el Zn presentaron las menores concentraciones a lo largo del tiempo con relación a los demás elementos. El porcentaje mínimo del Mg (0,20 ± 0,0) y máximo (0,44 ± 0,35) se presentó al inicio (día cero) y al final (día 120) del proceso de descomposición, respectivamente. De acuerdo con lo citado por Soobhany (2019), la dinámica del MgO en el tiempo está relacionado con el proceso de mineralización, la pérdida de masa y de materia orgánica en la descomposición. En el caso del Zn, al inicio se encontró un valor de 0,006 ± 0,0 % que disminuyó progresivamente hasta el día 60, donde se registró el porcentaje mínimo de 0,002 ± 0,0 %. Al final, en el día 120 se reportó Dinámica de descomposición de residuos orgánicos a través del método paca biodigestora 44 un valor de 0,014 ± 0,013 %. Montejo et al. (2015) afirmaron que el Zn es un elemento esencial para las plantas y tiene un bajo potencial de causar fitotoxicidad, por lo que el uso de abonos que contengan este elemento así sea en pequeñas concentraciones puede ser beneficioso en suelos o cultivos que presenten déficit. En el caso del Na, al inicio del proceso presentó una concentración de 0,03 ± 0,0 %, la cual no cambio significativamente (p=0,107) hasta del día 75, donde registró un pequeño aumento hasta 0,06 ± 0,06 %. Al final del monitoreo en los días 105 y 120, la concentración se multiplicó casi por 10, registrando valores de 0,12 ± 0,12 y 0,11 ± 0,11 %, respectivamente. Las pérdidas de Na durante el proceso puede ser causa de la lixiviación y por el contrario, el aumento en el contenido de Na podría estar relacionado con la disponibilidad del micronutriente en la mezcla inicial (Soobhany, 2019). Figura 5. Variación de las concentraciones de (a) CaO (b) MgO, K2O, P2O5 (c) Na y Zn en la PB durante el proceso de descomposición de residuos de frutas, borra de café y hojarasca. 2.3.3 Dinámica de los parámetros microbiológicos Durante el proceso de descomposición, los microorganismos transforman la materia orgánica degradable en un producto similar al humus (Sarkar et al., 2010). A razón de que los grupos microbianos son esenciales para describir la dinámica de descomposición en la PB, se evaluó la variación de la concentración de lo