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Química Aplicada y Ambiental del Abono Animal: Una Revisión

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Jenni Castrillon

on 27 November 2016

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Transcript of Química Aplicada y Ambiental del Abono Animal: Una Revisión

design by Dóri Sirály for Prezi
CONCLUSIONES
Las muestras enteras de estiércol pueden analizarse usando la
espectroscopía de RMN de 13C
en estado sólido sin preocuparse por la solubilidad de las muestras OM o fracciones. La técnica de estado sólido más ampliamente utilizada en la investigación de OM es la espectroscopia de polarización cruzada-ángulo mágico.
4. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear del estado sólido 13C
El destino del estiércol P una vez aplicado al suelo es diferente para el Pi y Po derivados del estiércol. Mientras que el estiércol Pi se considera generalmente para seguir el mismo camino que P del fertilizante inorgánico, el Po es mucho mas complejo.
Inicialmente, la actividad microbiana descompone los compuestos orgánicos. Este proceso de degradación entonces libera Pi en la solución del suelo, que muy probablemente se comportará de manera similar a otros Pi. Por el contrario, P unido a OM puede reaccionar con cationes en el suelo y formar complejos estables, que limitaría acceso por microbios y enzimas extracelulares, limitación de la descomposición y disponibilidad de la planta.
Química Aplicada y Ambiental del Abono Animal: Una Revisión
El Estiércol
Está constituido por más de un desecho orgánico, como por ejemplo excrementos de animales y restos de las camas, como sucede con la paja.
Rico en nutrientes vegetales.
Se aplica típicamente a los suelos como fertilizante para la producción agrícola.
La cantidad estimada de estiércol en 12 grandes países productores de ganado es de 9x10^9 Mg de estiércol anualmente.
Sin embargo...
También se considera como un contaminante ambiental cuando se aplica en exceso a las tierras de cultivo o después de la escorrentía hacia las aguas superficiales.
Puede influir en el cambio climático a través de las emisiones de metano y óxido nitroso.
Perjudica la calidad del aire, del suelo y del agua.
Se Necesita:

Un mayor y actualizado conocimiento de la química aplicada y ambiental del estiércol animal para el desarrollo de la investigación y el uso de este, que permita minimizar preocupaciones ambientales adversas.
Se resumen los avances en los estudios básicos y aplicados de los principales componentes del estiércol, la materia orgánica, el fósforo y el nitrógeno, principalmente relacionados con la producción ganadera estadounidense.




1) la aplicación de estiércol en el suelo.
2) fósforo de fósforo de estiércol.
3) la disponibilidad de nitrógeno de estiércol.
Desafíos para la investigación futura del Estiércol
Temática
Introducción
Se han llevado a cabo considerables investigaciones sobre el estiércol animal y los investigadores a menudo aplican conocimientos y técnicas confiables de la química del suelo. Para satisfacer estos retos y oportunidades, He (2011, 2012) inicializó y organizó un equipo de científicos para compilar 2 volúmenes sobre la investigación.
Objetivos
1) Estimular nuevas ideas y direcciones en la investigación del estiércol animal.

2) Promover la aplicación de conocimientos derivados de la investigación en estrategias mejoradas y más sostenibles de manejo del estiércol.
Applied and Environmental Chemistry of Animal Manure: A Review

Zhongqi HE, Paulo H. PAGLIARI
and Heidi M. WALDRIP

Received March 24, 2016; revised September 20, 2016

Tecnicas
Sólo resaltaremos cinco técnicas instrumentales avanzadas, utilizadas en estudios seleccionados en la caracterización de materia organica en el estiércol.
1. Espectroscopia ultravioleta-visible
Se utiliza para determinar la absorbancia de muestras líquidas en rangos de longitud de onda de aproximadamente 200 a 800 nm o superior.
Esta grafica presenta un espectro representativo UV-vis de materia organica extraíble con agua de estiércol lácteo.
La fracción extraíble en agua del estiércol, muestra una curva que disminuye monotónicamente con longitudes de onda crecientes.
Sin embargo, la intensidad de absorción o absortividad de algunos componentes en ciertas longitudes de onda varía con el tipo de muestra y la fuente, los factores ambientales y las condiciones de manejo.
La relación E4 / E6 se ha utilizado como indicador de la estabilidad y madurez del compostaje de desechos orgánicos.
Cui et al. (2014)
investigaron las características
UV-Vis de WEOM
a partir de estiércol de ganado durante el compostaje. Informaron que los valores de SUVA254 aumentaron de 1,16 al comienzo del compostaje a 2,54 a la madurez del compostaje.
Los valores de
SUVA280 y E253, E203
aumentaron durante el compostaje, lo que indica que los compuestos aromáticos extraíbles con agua y los grupos funcionales polares aumentaron, respectivamente, a medida que el compostaje maduró.
Encontraron..
2. Espectroscopia de la matriz de emisión de excitación de fluorescencia
Una de las ventajas es su
alta sensibilidad
, que proporciona información sobre las propiedades químicas de las fracciones de materia organica sin ningún tratamiento previo. Este método mide los
espectros de emisión (EM)
(220-450nm) en un rango de longitudes de
onda de excitación (EX)
(230-600nm), resultando en una superficie de paisaje definida por la intensidad de fluorescencia en (EX) y pares de longitudes de onda (EM).
Con un conjunto de espectros se puede descomponer las características espectrales en componentes fluorofóricos de significado químico.
El modelado de
PARAFAC
proporciona las firmas espectrales de los fluoróforos individuales presentes en muestras OM complejas y heterogéneas sin ningún tipo de metodología de separación. Esta tecnica ha sido ampliamente utilizado para caracterizar las fracciones de OM en fuentes acuáticas y terrestres.
A su vez:
3. Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier
Es una técnica basada en las
vibraciones moleculares
de los compuestos químicos. Los modos vibratorios internos de los compuestos se encuentran usualmente en la gama de
400-4000 cm-1
. Varias vibraciones típicas de los grupos funcionales que contienen C, H y O absorben la luz en la región IR, dando picos, haciendo que esta herramienta sea valiosa en la identificación de estos grupos funcionales particulares y sus disposiciones estructurales en materia orgánica natural (NOM). (Fig.3)
Los espectros se pueden obtener, a menudo de forma no destructiva, en muestras en los 3 estados de materia
(gases, líquidos y sólidos)
, aunque la mayoría de los estudios OM han utilizado muestras sólidas. Mientras que las principales bandas FTIR de estiércol animal son aportadas por OM, algunos químicos inorgánicos que se encuentran en el estiércol tienen algunas interferencias
Es una técnica no destructiva que utiliza la
resonancia magnética de los núcleos
para investigar ambientes químicos estructurales a su alrededor.
Como estos espectros generalmente consisten en bandas anchas y superpuestas, el análisis semicuantitativo separa las bandas espectrales en varios rangos y las asigna a diferentes grupos funcionales C (Figura 4).
la composición molecular del estiércol fermentado OM se basaba principalmente en componentes de alquilo de origen vegetal y microbiano e incorporación estable de derivados de lignina.
5. Pirólisis analítica-espectrometría de masas
Es una tecnología ampliamente aplicada para producir bio-aceite y biochar de la basura de aves de corral y otros desechos orgánicos. Proporciona información sobre
OM compleja a nivel molecular
, ademas de que caracteriza la composición molecular individual mediante "extracción" térmica (pirólisis) del complejo OM seguida de detección directa por espectrometría de masas (MS) o separación por cromatografía de gases (GC) y luego la detección por MS
(Wang et al., 2011)
.

Ha sido utilizada para la caracterización de OM de varias matrices ambientales (por ejemplo OM natural acuático y terrestre, microorganismos, suelos y residuos municipales), mientras que su aplicación al OM de estiércol ha sido
limitada.

Estudios Aplicados Y Ambientales Del estiércol P
Caracterización del estiércol P
Las técnicas espectroscópicas de estado sólido se usan principalmente para identificar cualitativamente la especiación de metal P debido a la mala resolución con este método.
La solubilidad del estiércol P es un factor crítico para evaluar su valor fertilizante y su papel en la eutrofización de las aguas superficiales. Toth et al. (2011) revisaron sistemáticamente la solubilidad del estiércol por extracciones selectivas y secuenciales. Entre ellos, la estrategia de fraccionamiento secuencial con H2O, 0,5 mol L-1 NaHCO3, 0,1 mol L-1 NaOH, y 1,0 mol L-1 HCl fueron ampliamente utilizados para la caracterización de estiércol.
Las muestras de estiércol que se caracterizaron en estudios anteriores incluyen: ganado, porcino, aves de corral, zorro, ciervos y ovejas. Se observaron dos patrones de distribución de fosoforo entre estas muestras de estiércol:

1) la mayor parte > 60% del P total se distribuyó en las fracciones de NaHCO3 y moderadamente lábil en lácteos, cerdos, ciervos y estiércol de oveja.
2) aprox. 70% del fosforo total en el estiércol de aves y zorro estaban presentes en el NaOH más estable, el HCl y las fracciones residuales.

En resumen, la distribución de P en el estiércol animal difiere dramáticamente por especies.
En un estudio diferente, Ajiboye et al. (2004) utilizaron el fraccionamiento secuencial para caracterizar las formas de fosforo en abonos frescos y secados al horno, lácteos y vacas. Las muestras de estiércol se extrajeron secuencialmente con H2O, NaHCO3, NaOH y HCl.

El uso de más de una técnica específica proporciona información detallada y precisa sobre especies P específicas en muestras ambientales
(por ejemplo, agua, sedimento, suelo, biosólidos, estiércol y biochar)
y en algunos casos una distinción clara entre todas las especies de P en un estiércol muestra, sólo es posible si se utilizan más de dos métodos.
Destino del estiércol P después de la aplicación al suelo.
Cambios en la distribución de P durante el compostaje de estiércol
Wei et al. (2015) investigaron la distribución de P en varios materiales compostados, incluyendo estiércol de cerdo y pollo, residuos sólidos municipales, desechos verdes, residuos de cocina, paja, frutas y verduras.

La disponibilidad de fósforo
disminuyó
de
44% a 36%
en todos los compost, excepto los residuos de cocina, después de la
fase termofílica
durante el compostaje, mientras que P moderadamente disponible y P no disponible Aumentó del 48% al 59%. La mayor parte del compost P (del 74% al 90%) fue Pi, con la excepción del compost de tierra (sólo 31% de Pt como Pi).
Digestión anaeróbica y separación sólido-líquido del estiércol
Es una estrategia exitosa para manejar el estiércol, ya que produce biogás, estabiliza la OM y elimina el olor y los patógenos. Ademas de que facilita la eliminación del estiércol, ya que la fracción líquida puede ser aplicada como agua de riego o utilizada para limpiar la basura del ganado. La fracción sólida rica en nutrientes tiene < masa que la suspensión inicial y puede ser transportada de manera más rentable a áreas que requieren fertilizante.
Técnicas de recuperación de fósforo
Se estimo que hasta el 15% del fertilizante P total utilizado en los EEUU podría ser suministrado usando P recuperado de la basura de aves de corral. Los procesos de conversión termoquímica (incineración, pirólisis o gasificación) son capaces de producir un subproducto que tiene humedad muy baja, contenido reducido de C, menos olor y concentraciones de P incrementadas en comparación con la materia prima original.
CARACTERIZACIÓN
Medición de la emisión de NH3
El amoníaco es una fuente de N esencial para plantas y microbios, pero está clasificado como sustancia peligrosa por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA).
Los investigadores han estimado que el ganado es responsable del 64% -86% del total de las emisiones antropogénicas globales de NH3 y este ha sido implicado en la degradación del aire, del suelo y del agua.
La mayor parte del NH3 se produce a partir de urea urinaria, que puede comprender el 24% -71% de la excreción total de N al terminar el ganado vacuno y el 56% -76% por los cerdos.
Los métodos comunes usados para cuantificar el flujo de NH3 de CAFO incluyen: balance de masa, técnicas micrometeorológicas, cámaras de flujo, túneles de viento y modelos de dispersión. Cada método tiene ventajas y desventajas y la precisión y aplicabilidad varían mucho
Medición de la emisión de óxido nitroso
El óxido nitroso es un
gas de efecto invernadero
con un potencial de calentamiento global de 100 años 298 veces > que el CO2 y una vida atmosférica de aprox. 114 años. Las concentraciones actuales de N2O troposférico tienen un impacto importante en el cambio climático. En 2007, aprox. 60% de las emisiones globales de N2O se atribuyeron a la
agricultura
aunque la mayor parte (69%) del N2O antropogénico en los Estados Unidos proviene de tierras de cultivo fertilizadas.
Las emisiones de N2O procedentes de la vivienda de los animales y de los depósitos de estiércol resultan en un
menor valor del fertilizante N del estiércol recolectado
. Aunque la emisión de N2O del estiércol no tiene un impacto ambiental local, su contribución al cambio climático mundial presenta limitaciones tanto a la
sostenibilidad ecológica
como a la sociedad.
La contribución estimada del ganado mayor a la emisión de N2O derivada de estiércol en los Estados Unidos se presenta en la Fig. 10.
RETOS FUTUROS
El avance en la química del estiércol ayuda con una mejor utilización del
estiércol animal
y la minimización de sus
preocupaciones ambientales adversas
. Por otro lado, la composición del estiércol puede variar con las circunstancias cambiantes, las prácticas de manejo mejoradas y las preocupaciones o requisitos eco-sociales más altos. Así, la química del estiércol está en un modo dinámico.
Desafíos notables que requieren una gran atención en la investigación futura del estiércol.


2. Desafío:
Es el fitato P, que es un componente importante de P en el estiércol animal, especialmente en la basura de aves de corral. Algunas publicaciones sugirieron que es recalcitrante, mientras que los trabajos recientes informaron que no se acumuló en el suelo como se esperaba. En otras palabras puede servir como un fertilizante Po de liberación lenta.

1. Desafío:
La aplicación de estiércol animal en la agricultura orgánica. La caracterización espectroscópica comparativa de la materia orgánica del estiércol ha revelado la diferencia en los residuos de antibióticos y forrajes entre el estiércol de las granjas lecheras convencionales y orgánicas.
3. Desafío:
Es la disponibilidad de N de estiércol.
La fito-disponibilidad del estiércol N también varía con la transformación de campo y los procesos de transporte afectados por el suelo y el clima. Un equipo de científicos del USDA-ARS de ocho localidades de los Estados Unidos continentales llevó a cabo un proyecto de investigación coordinado a nivel nacional para desarrollar, validar y emplear relaciones predictivas que cuantifiquen los impactos de los factores claves del suelo, la gestión y el medio ambiente en la mineralización de N en el estiércol.
Esta revisión sintetizó y analizó los conocimientos básicos y los estudios de aplicación de la materia orgánica del estiércol, P y N, con especial énfasis en los logros de los últimos cinco años. La caracterización espectroscópica avanzada y el análisis químico húmedo han aumentado el conocimiento de la unión y composición estructural de C y P en el estiércol animal, lo cual beneficia la gestión y utilización del estiércol animal para una agricultura sostenible y calidad ambiental. Se han realizado grandes avances en la investigación sobre el estiércol, que se ha centrado en los mecanismos de mineralización y emisión.
Estos avances en la investigación mejoraron la predicción de la disponibilidad de N para la utilización de cultivos y el modelado y mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero y NH3 derivadas de la agricultura animal. Hay tres desafíos notables que requieren mucha atención en la futura investigación sobre el estiércol: la aplicación de estiércol en la agricultura orgánica, el fitato P y la disponibilidad de N de estiércol.
CONCLUSIONES
Esta revisión puede contribuir al esfuerzo mundial en una agricultura sostenible y respetuosa con el medio ambiente, estimulando nuevas ideas e instrucciones en la investigación del estiércol animal y promoviendo la aplicación de conocimientos y conocimientos derivados de la investigación del estiércol en estrategias mejoradas de manejo del estiércol.
CONCLUSIONES
Realizado Por:
JENNIFER CASTRILLON ANDRADE
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