Estudio comparativo del proceso de compostaje a escala industrial: análisis metagenómico y vinculación con los parámetros críticos de control del proceso

Abstract

El colapso ambiental provocado por numerosas actividades antropogénicas ha derivado en la acumulación masiva de residuos en vertederos o en la incineración descontrolada de los mismos. La gestión adecuada de este tipo de residuos pasa, irremediablemente, por la adaptación a un modelo de economía circular, mediante el cual se busca la conservación de los recursos naturales, el mantenimiento de la biodiversidad, el reciclaje y la reutilización de residuos, convirtiéndolos así en productos. Gran parte de estos residuos, a los que se les puede dar una segunda vida útil, se enmarcan dentro del grupo de los residuos biodegradables. Entre las alternativas más exitosas destinadas a la biotransformación de este tipo de residuos, destaca el compostaje por adecuarse a los conceptos actuales de sostenibilidad y bioeconomía, considerándose un proceso respetuoso con el medio ambiente y que no implica elevados costes. El compostaje es un proceso de biotransformación aerobia de la materia orgánica durante el cual se suceden diversas fases térmicas caracterizadas principalmente por la acción de diferentes poblaciones microbianas. El resultado de este proceso es un producto estable y maduro, compost, cuya principal aplicación se realiza a modo de enmienda húmica en agricultura. En España está legislado su uso, así como las características físico-químicas básicas que un compost debe cumplir para su comercialización. Sin embargo, a pesar de la idoneidad del proceso, el control del mismo se complica cuando se trata de dar el salto a escala industrial, ya que ni los volúmenes de trabajo, ni las condiciones operacionales, ni las materias primas son iguales en las distintas instalaciones dedicadas a la gestión de residuos orgánicos mediante compostaje. Aún más difícil es, por tanto, encontrar algún tipo de indicador físicoquímico o biológico, que permita evaluar el desarrollo de procesos que se muestran a priori tan heterogéneos. El trabajo presentado en esta Memoria de Tesis Doctoral, se ha basado en el estudio exhaustivo de 15 procesos de compostaje a escala industrial, teniendo en cuenta la enorme diversidad en lo que se refiere a las materias primas originales (Residuo Vegetal, Residuos sólidos Urbanos, Lodos de Depuradora, Residuo Agroalimentario y Alpeorujo). Dicho estudio se llevó a cabo desde un punto de vista físico-químico, analizando múltiples parámetros relacionados con el ciclo del carbono y el nitrógeno, así como desde un punto de vista biológico, evaluando diversos indicadores enzimáticos y de biodiversidad. Destaca en este caso, el análisis metagenómico de los productos obtenidos a partir de los 15 procesos evaluados. En términos globales, los resultados revelaron perfiles fisicoquímicos y enzimáticos muy diferentes, así como diferentes grados de humificación según el tipo de proceso y material de procedencia, lo que sugirió que la vía de transformación de las distintas fracciones de carbono y nitrógeno podrían ser exclusivas de cada proceso y dependientes de las materias primas. Aun así, algunos parámetros estrechamente relacionados con el ciclo del carbono, como son las fracciones lignocelulósicas, la actividad amilolítica y β-glucosidasa, junto con algunos índices de humificación (HR y CAH/CAF) se posicionaron como buenos indicadores de la evolución óptima de un proceso de compostaje, ya que mostraron tendencias similares. Además, gracias al análisis metagenómico realizado, se establecieron importantes relaciones entre los índices de biodiversidad Chao1 y Shannon, y ciertos parámetros relacionados con la madurez, estabilidad y toxicidad de las muestras, tales como índice de nitrificación, tasa de humificación, contenido en compuestos fenólicos, índice de germinación o consumo de oxígeno. En conclusión, a pesar de la heterogeneidad y exclusividad de los procesos de compostaje estudiados, se puede afirmar que los microorganismos, mediante mecanismos diferentes, son capaces de llevar a cabo procesos adecuados de biotransformación de la materia orgánica, obteniéndose productos que cumplen, en términos generales, con los estándares de calidad agronómica. La conexión establecida entre parámetros de muy distinta naturaleza representa un avance en el conocimiento microbiano del compostaje y proporciona una nueva perspectiva para la mejor gestión y control del proceso a escala industrial. Abstract: The environmental collapse caused by numerous anthropogenic activities has resulted in the massive accumulation of waste in landfills or in the uncontrolled incineration of the same. The suitable management of this type of waste implies adaptation to a circular economy model. This type of model seeks the conservation of natural resources, the maintenance of biodiversity, recycling and reuse of waste, turning them into products. Most of this type of waste, biodegradable waste, can have a second useful life. Among the most successful alternatives for the biotransformation of this type of waste, composting stands out for adapting to current concepts of sustainability and bioeconomy, considering it an ecological process that does not imply high costs. Composting is a process of aerobic biotransformation of organic matter during which various thermal phases follow, characterized mainly by the biotransformation of organic matter thanks to the action of different microbial populations. The result of this process is a stable and mature product, compost, whose main application is made as a humic amendment in agriculture. In Spain, its use is legislated, as well as the basic physicalchemical characteristics for its commercialization. However, despite the suitability of the process, its control is complicated when it comes to making the leap to an industrial scale. The main problem is that the work volumes, the operational conditions, and the raw materials are not the same in the different companies dedicated to the management of organic waste through composting. Therefore, it is even more difficult to find some type of physical-chemical or biological indicators that allow evaluating the development of processes a priori so heterogeneous. The work presented in this Doctoral Thesis Memory has been based on the in-depth study of 15 composting processes on an industrial scale, also taking into account the enormous diversity in regard to the original raw materials (Vegetable Residue, Solid Residues Urban, Sewage Sludge, Agro-Food Waste and Alpeorujo). This study was carried out from a physical-chemical point of view, analyzing multiple parameters related to the carbon and nitrogen cycle, as well as from a biological point of view, evaluating various enzymatic and biodiversity indicators. In this case, the metagenomic analysis of the products obtained from the 15 evaluated processes stands out. The results revealed very different physical-chemical and enzymatic profiles, as well as different degrees of humification according to the type of process and source material, which suggested that the transformation pathway of the different carbon and nitrogen fractions could be unique to each process and dependent of raw materials. Even so, some parameters closely related to the carbon cycle, such as lignocellulosic fractions, amylolytic and β-glucosidase activity, together with some humification indices (HR and CHA / CFA) were positioned as good indicators of the optimal evolution of a composting process, as they showed similar trends over time. In addition, thanks to the metagenomic analysis carried out, important relationships were established between the Chao1 and Shannon biodiversity indices, and certain parameters related to the maturity, stability and toxicity of the samples, such as nitrification index, humification rate, content of phenolic compounds, germination rate or oxygen consumption. In conclusion, despite the heterogeneity and exclusivity of the composting processes studied, it can be affirmed that microorganisms, through different mechanisms, are capable of carrying out adequate processes of biotransformation of organic matter, obtaining products that comply, in terms general, with agronomic quality standards. The connection established between parameters of a very different nature represents an advance in the microbial knowledge of composting and provides a new perspective for better management and control of the process on an industrial scale.