jueves, 27 de mayo de 2010

Derrame de petróleo

Hasta hoy he tenido mucha suerte. Tengo una habilidad especial para encontrar bancos de peces en sitios remotos donde mis compañeros de la colonia normalmente no se atreven a volar. Yo simplemente intuyo donde están los peces, extiendo mis alas, vuelo un rato hasta ganar algo de altura, y me lanzo en un planeo rasante hacia el lugar. Nací con esta habilidad, pareciera que puedo oler a los peces a muchos kilómetros de distancia. Por otro lado, siempre levanto el vuelo contra el viento, porque esa fue la primera lección de honor que me enseñó mi padre; el placer de volar no es gratuito, así que debe costar al menos el esfuerzo de aletear contra el viento, sintiendo su fuerza contra el rostro y las alas. La segunda lección de mi padre fue aprender a volar muy cerca de la superficie del agua, tocándola sutilmente de cuando en cuando con la punta de las alas. En cambio, para tener éxito en la pesca, lo mejor es ponerse a favor del viento, de modo que la caída en picada hacia el pez sea contundente. Creo que he aprendido mucho de mi padre, y aunque ya ha fallecido hace un tiempo atrás, poner en práctica sus enseñanzas me acerca diariamente a ese su espíritu combativo. Mis compañeros saben que conmigo tienen asegurado el almuerzo, así que simplemente me siguen. Hoy ya llevábamos volando dos horas y de repente distinguí claramente un cardumen de arenque cerca de la superficie, con sus plateados cuerpos resplandeciendo al sol; había llegado el momento. Debí ganar un poco de altura en mi vuelo, tal vez llegar a unos diez metros de la superficie y de pronto me lancé en picada con mis alas y patas echadas hacia atrás, mi pico apuntando al pez elegido y mis ojos atentos a su movimiento errático en el agua. Durante mi veloz caída en picada, hice girar lentamente mi cuerpo; uno o dos giros bastarán para introducirme como un proyectil dentro del agua y mi presa quedará atrapada dentro de mi pico, tal vez sorprendida por la repentina oscuridad. En mi caída, me di cuenta con satisfacción que mis compañeros me seguían y también se lanzaban en picada al agua. Pero el sabor del agua era raro y cuando salí a flote, el mar olía extrañamente a azufre; vi en los rostros de mis compañeros la misma expresión de asombro cuando salieron a flote. No importa, me tragué mi arenque con habilidad, la cabeza adelante para evitar que sus escamas me dañen la garganta. Luego pegué el brinco acostumbrado para levantar el vuelo contra el viento y extrañamente no pude remontar vuelo, había una sustancia grasosa extendida por mi cuerpo, por mis alas y patas que me impedía moverme con la facilidad acostumbrada. Mis hermanos graznaron primero suavemente y poco a poco con desesperación. No podíamos volar y estábamos todos manchados con una grasa oscura que flotaba en el agua. Nuestros esfuerzos desesperados nos agotaron y al final quedamos más embadurnados de grasa y completamente extenuados. Permanecimos flotando en el agua en silencio, mientras el sol empezaba a ponerse por el horizonte. Al amanecer tuve dificultades para que mis ojos se acostumbraran a la luz de la aurora; hice conciencia de haber pasado una noche terrible, el arenque que me comí me sentó pésimo y tuve tremendos dolores en el vientre. El olor a azufre me mareaba, pero no perdí el sentido por un solo momento y me parecía que el tiempo se había congelado en un cierto momento de la noche. Al mirar alrededor, algunos de mis compañeros flotaban muertos y otros agonizaban en silencio. Solo entonces hice conciencia que yo también agonizaba. Hasta ayer he tenido mucha suerte, pero hoy debo iniciar el ritual de la muerte. Me duele morir de esta manera indigna, manchado con quien sabe qué cosa espesa y maloliente, pero ya no tengo fuerzas para intentar el vuelo contra el viento, en realidad ya no puedo moverme. Padre, espera por mí que voy en camino, soy tu hijo, el pelícano pardo que enseñaste a volar.

martes, 25 de mayo de 2010

El compost y su microbiología

Los pastos podados del jardín, hojas caídas y otros restos vegetales son una valiosa fuente de alimentación para las plantas. Sin embargo, para que los nutrientes de estos restos vegetales estén disponibles para la planta hay que coadyuvar con su descomposición, es decir promover las reacciones químicas que permitan transformar moléculas complejas y poco asimilables para las plantas en moléculas más simples que puedan ser absorbidas por las raíces de las plantas. Las reacciones químicas para lograr esta transformación tienen lugar gracias a la acción de muchos microorganismos, fundamentalmente bacterias, hongos, microartrópodos y gusanos, los que colonizan los residuos vegetales en un proceso llamado compostaje. El producto resultante es el compost.

Microbiología del compostaje

El ciclaje biológico de nutrientes es indispensable para mantener la vida en el planeta y es mediado por una cantidad de microorganismos. La biotransformación es la modificación biológica que altera la estructura química de la materia orgánica. Durante la biotransformación se pueden sintetizar átomos o moléculas simples en moléculas más complejas, a este proceso se denomina biosíntesis. Si ocurre en sentido contrario, es decir la descomposición de una estructura molecular en sus componentes elementales, el proceso se denomina biodegradación.

El compostaje es el proceso de biodegradación de una mezcla de sustratos orgánicos sólidos por una población microbiana en condiciones aeróbicas. Este es un proceso exotérmico que produce energía en forma de calor, incrementando la temperatura del material en descomposición. El proceso pasa por una etapa termofílica que es seguida por dos fases mesofílicas. Durante el compostaje, se evidencia la formación temporal de fitotoxinas (metabolitos intermedios, amonio  y otros) Al final del proceso esta fitotoxicidad es completamente superada y el producto final es benéfico para el crecimiento de las plantas. El proceso de compostaje tiene como productos finales: dióxido de carbono, agua, minerales y materia orgánica estabilizada. El proceso empieza con la oxidación o descomposición de la porción de la materia orgánica fácilmente degradable. Posteriormente tiene lugar la estabilización, que incluye la mineralización de moléculas de degradación lenta y otros procesos más complejos como la humificación de los compuestos ligno-celulósicos.
Desde un punto de vista técnico el proceso de compostaje es interrumpido cuando la materia orgánica sin descomponer todavía constituye más del 50% del material original. De otra manera, el proceso de descomposición podría continuar hasta que todos los componentes orgánicos hayan sido completamente mineralizados. El producto principal se denomina compost, y puede definirse como un producto benéfico para el crecimiento de las plantas, estabilizado y sanitizado por un proceso controlado de descomposición de la materia orgánica inicial. El compost pasa por tres fases: (a) una fase inicial de descomposición rápida, (b) una fase de estabilización y (c) un proceso incompleto de humificación.

Existen tres motivos para la transformación de la materia orgánica fresca en compost : (a) evitar la fitotoxicidad de de la materia orgánica fresca y no-estabilizada, (b) reducir la presencia de microorganismos patógenos para humanos, animales y plantas, y (c) producir un fertilizante orgánico y un estabilizador de suelos a partir de desechos orgánicos y biomasa, que de otra manera contribuirían a una mayor contaminación ambiental.

1 Los sustratos

La descomposición de los materiales orgánicos durante el compostaje sigue las rutas bioquímicas normales en un proceso de degradación. Usualmente, los sustratos son biogénicos, es decir, se originan a partir de la actividad biológica de organismos autótrofos (fotosíntesis) o biomasa de organismos consumidores. Esto quiere decir que esencialmente todos los sustratos para compostaje son restos de plantas, animales y de origen microbiano, aunque con frecuencia predominan los materiales de origen vegetal.

1.1 Lignina

La lignina es el componente estructural más importante de las plantas y tiene la tasa más lenta de degradación. El contenido de lignina en restos leñosos varía de 18 a 30% La lignina es una molécula natural formada por el proceso de polimerización unidades estructurales o monómeros, que si bien no forman cadenas largas en la molécula de lignina, pero la variedad de enlaces entre monómeros básicos hace que la degradación de estas moléculas sea muy compleja. Con frecuencia, la descomposición de la lignina es de tipo co-metabólico, la liberación de energía producida por la degradación de la lignina es negligible. Los responsables primarios de la descomposición de la lignina son hongos que con frecuencia actúan como patógenos de los tejidos vivos. Los hongos que degradan solamente la lignina pero no actúan contra la celulosa son conocidos también como los hongos de la “pudrición blanca”, como el Trametes versicolor o el Stereum hirsutum. Hay hongos que degradan la lignina y la celulosa al mismo tiempo, como Pleurotus ostreatus.

Cuadro 1. Principales componentes de los materiales orgánicos para compostaje

1.2 Celulosa


La celulosa es el componente más abundante de los tejidos vegetales, por lo que está casi siempre presente en los residuos vegetales. Las moléculas de celulosa son cadenas de β-D-glucosa con un grado de polimerización de 40000. Su proceso de descomposición en el suelo resulta de la actividad de tres enzimas: (a) Las endo-β-1,4-Glucanasas separan los enlaces β-1,4 dentro de la molécula, formando cadenas largas con extremos libres. (b) Las exo-β-1,4-Glucanasas separan la celobiosa de los extremos libres. (c) Las β-glucosidasas hidrolizan la celobiosa, formando glucosa que es aprovechada por los microorganismos como fuente de energía.

Bajo condiciones aeróbicas, muchos hongos, bacterias y mixomicetos están involucrados en la degradación de la celulosa. La acción catalítica (destrucción mecánica de los elementos estructurales más grandes) por parte de la microfauna se considera importante. En general, los hongos son más importantes para degradación de la celulosa que las bacterias, lo que ocurre especialmente cuando la celulosa está incrustada en la lignina. Dado que la celulosa es rica en C pero carece en absoluto de N u otros elementos esenciales, la estructura micelial de los hongos constituye una ventaja competitiva. Algunos hongos que participan en la descomposición de la celulosa son: Chaetonium, Fusarium y Aspergillus. Entre las bacterias, participa el grupo de los mixomicetos, como Cytophaga, Polyangium y Sorangium. Tambien las Pseudomonas y géneros relacionados participan en la degradación de la celulosa, pero solo algunas especies de actinobacterias están involucradas.

1.3 Hemicelulosas

Entre las hemicelulosas el xilano es el componente más abundante y se encuentra en el rastrojo vegetal y los restos leñosos. El xilano está formado por pentosas o hexosas con un grado de polimerización de 30 a 100. Las enzimas que lo degradan son las xilanasas producidas por muchas bacterias y hongos.
La pectina está formada por cadenas de ácido poligalacturónico no ramificadas. Es degradada por la pectinasa, enzima muy común entre hongos y bacterias, entre ellos muchos patógenos vegetales.
El almidón está formado por amilosa y amilopectina. Esta última contiene residuos de fosfatos e iones de Ca y Mg. La degradación del almidón ocurre en dos etapas: la fosforolisis mediada por las fosforilasas y la hidrólisis mediada por la α-amilasa.

1.4 Mureina

La mureina consiste de cadenas no ramificadas de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmuramico. El ácido murámico se enlaza a través de los grupos lactil con diferentes aminoácidos. La mureina es el componente principal de de la pared celular de la mayoría de las bacterias.

1.5 Quitina

La quitina es menos abundante que la celulosa, aunque ambas moléculas son químicamente similares. La quitina tiene aproximadamente un 7% de N y un radio C/N aproximado de 5, lo que la hace importante para los organismos descomponedores. Muchos hongos, como el Aspergillus, y bacterias, como Flavobacterium, Cytophaga y Pseudomonas, son capaces de emplear la quitina como una fuente de N y C. La quitina es degradada por las exoenzimas a N-acetilglucosamina, que luego es transformada en fructuosa-6-P e incorporada en el metabolismo de carbohidratos. La quitina es el principal componente de la pared celular de los hongos y es la sustancia que se encuentra en el exoesqueleto de los insectos y crustáceos.

2 El compostaje como proceso discontinuo
La degradación de la materia orgánica en condiciones naturales ocurre generalmente en el suelo. Normalmente los sustratos en descomposición tienen contacto con la matriz del suelo circundante, con la que suelen intercambiar nutrientes y debido a la dispersión del material orgánico, la descomposición tiene lugar a temperatura ambiente.

El nivel actual de conocimiento sobre la microbiota involucrada en el proceso de descomposición depende grandemente de los estudios realizados con método tradicionales, como el aislamiento y la identificación de bacterias, actinobacterias y hongos. El compostaje induce una elevada actividad metabólica y el crecimiento de las poblaciones de microorganismos. El cambio constante de las condiciones del compostaje (temperatura, pH, aireación, humedad, disponibilidad de sustratos por descomponer) da lugar a un crecimiento exponencial de las poblaciones de microorganismos descomponedores para posteriormente pasar a fases más estacionarias. Las comunidades o consorcios microbianos presentes en cada momento son reemplazados por otros en intervalos relativamente cortos. El problema que se ha encontrado es que solo una pequeña parte de los microbios puede ser cultivada.

El proceso de biodegradación natural se puede comparar con un cultivo continuo de microorganismos y los factores que determinan su composición y cambios poblacionales son las condiciones externas, como la temperatura, humedad, calidad del sustrato, etc. En cambio,  durante el compostaje se crea artificialmente una secuencia de cultivos de microorganismos manipulando sus propiedades físicas, químicas y biológicas, así como sus efectos de retroalimentación e interrelaciones. Este proceso es complejo y dificulta la simulación y/o modelación debido a que las variables como la temperatura, aireación, humedad y otras están vinculadas con otras como la relación superficie/volumen de las partículas del material en descomposición. Para fines de simplificación, generalmente se asume que el compostaje es un proceso que consta de cuatro fases: mesofílica, termofílica, de enfriamiento y de maduración.

2.1 Fase mesofílica (25-40º C)

En esta fase inicial los componentes fácilmente degradables y ricos en energía, como las azúcares, son abundantes y sirven de alimento para especies de bacterias, actinobacterias y hongos que se conocen como descomponedores primarios. Cuando la influencia mecánica es pequeña, sin volteo de la masa en descomposición, también aparecen lombrices, ácaros, milípedos y otra mesofauna, que actúa principalmente como catalizadora de la descomposición. Dependiendo del método de compostaje, la contribución de estos animales es insignificante, la excepción es el vermi-compostaje. Se demostró que el número de organismos mesofílicos aumenta exponencialmente en la masa en descomposición, lo que provoca un aumento de la temperatura.

2.2 Fase termofílica (35-65º C)

Los organismos adaptados a temperaturas altas ganan una ventaja competitiva y gradualmente reemplazan a la flora mesofílica. Los organismos mesofílicos mueren y son degradados junto al sustrato degradable restante. La descomposición continúa siendo rápida y se acelera hasta que se alcanza una temperatura de unos 62º C. Los hongos termofílicos tienen un crecimiento máximo entre los 35 y 55º C. Las bacterias y actinobacterias termofílicas y termotolerantes permanecen activas a temperaturas más elevadas. La mayor parte de los microorganismos son destruidos a 65º C, la temperatura en la masa en descomposición puede llegar hasta 80º C. Se supone que este incremento final de la temperatura ya no se debe a la actividad microbiana, sino puede ser un efecto de reacciones abióticas exotérmicas producidas por enzimas liberadas previamente por actinobacterias. El perfil de temperaturas en la pila de compostaje indica que la parte central se calienta más y la temperatura va disminuyendo hacia la periferia. Por este motivo, es importante realizar un volteo regular de la masa para homogeneizar su actividad. Por otro lado, la fase termofílica es importante para higienizar la masa de compost. La mayor parte de los patógenos humanos y de los cultivos son destruidos, así como las semillas de malezas y larvas de insectos. La higienización del compost se debe no solamente a las elevadas temperaturas, sino también a la producción de antibióticos de la flora específica, cuya composición está dominada por actinobacterias.

2.3 Fase de enfriamiento (segunda fase mesofílica)
Cuando la actividad de los organismos termofílicos cesa debido al agotamiento de los sustratos, la temperatura de la masa empieza a disminuir. Los organismos mesofílicos cuyas esporas sobrevivieron o que son inoculadas desde afuera, recolonizan el sustrato. Mientras que en la fase inicial se observa un predominio de especies con la capacidad de degradar azúcares, oligosacáridos y proteínas, esta fase se caracteriza por el predominio de microorganismos que degradan el almidón y la celulosa; entre ellos varias especies de hongos y bacterias.

2.4 Fase de maduración

En la fase de maduración, la calidad del sustrato empieza a declinar y la composición de la comunidad microbiana se modifica en pasos sucesivos. Generalmente, la proporción de hongos se incrementa frente a una población bacteriana decreciente. Se forman complejos lignina-humus estables que empiezan a hacerse más abundantes.

3 Los microorganismos involucrados

3.1 Cultivo y técnicas moleculares

Existen muchos estudios y experiencias en el aislamiento y cultivo de las comunidades microbianas del compost. Sin embargo, solamente una proporción menor al 1% de los microorganismos del suelo puede cultivarse con las técnicas hasta ahora empleadas. Recientemente se han desarrollado otros enfoques basados en biología molecular, pero lo que queda claro es que en el compost existe una cantidad importante de especies de microorganismos todavía desconocidas. El desarrollo de la técnica analítica de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y el análisis de la secuencia del 16S rRNA ha permitido realizar nuevos estudios sobre la biología del compostaje.

3.2 Bacterias

La importancia de las bacterias libres durante el proceso de compostaje fue largamente ignorada, probablemente debido a la mejor visibilidad de los hongos y actinobacterias. Una temperatura de 50 a 65º C crea una ventaja selectiva para las bacterias en especial para el género Bacillus. Cuando las temperaturas exceden los 65º C, B. stearothermophilus puede empezar a ser predominante. Existe la hipótesis que muchas bacterias anaeróbicas serían comunes en las pilas de compostaje, pero hay muy poca investigación al respecto.

3.2.1 Actinobacterias

Las actinobacterias prefieren un medio neutral o ligeramente alcalino, tienen la capacidad de degradar sustratos relativamente complejos. Varias actinobacterias son tolerantes a las temperaturas elevadas e inclusive algunas son termofílicas para un rango de temperaturas de 50 a 60º C. La mayor parte de las actinobacterias se desarrollan bien en un medio con suficiente humedad y provisión de O2. Estas condiciones generalmente existen en las pilas de compostaje en las que los sustratos más fácilmente degradables, ya fueron consumidos por las bacterias y cuando la temperatura ascendió hasta unos 45º C. a partir de este punto se puede esperar encontrar consorcios de microorganismos con la participación de actinobacterias. Un caso especial es la preparación de compost como sustrato de cultivo de hongos Basidimycetes (setas). En este caso, el crecimiento de las actinobacterias es muy pronunciado y hasta se puede observar a simple vista. El crecimiento actinobacterial es crítico para el éxito del cultivo de Agaricus (champiñón) porque garantiza el reciclaje del amonio, evitando pérdidas de N, que podrían ocurrir cuando el sustrato se calienta más allá del umbral óptimo de los 48º C.

3.2.2 El grupo Thermus/Deinococcus

Miembros del grupo Thermus/Deinococcus viven en sustratos orgánicos con temperaturas de 40 a 80º C, logrando su crecimiento óptimo entre 65 y 75º C. Actualmente se sostiene la hipótesis de que las especies de bacterias del género Thermus, que normalmente habitan en sitios geotérmicos, se habrían adaptado a vivir en las composteras y estarían jugando un rol importante en la descomposición de la materia orgánica cuando las temperaturas se incrementan. También se ha logrado aislar en el compost varias bacterias autotróficas muy similares a las especies del género Hydrogenobacter que anteriormente se encontraban sólo en sitios geotermales. Estas bacterias no producen esporas y crecen a 60 80º C, con una temperatura óptima entre 70 y 75º C. Estas bacterias obtienen su energía oxidando sulfuros o hidrógeno, y sintetizan su materia orgánica a partir del CO2.

El Cuadro 2 muestra algunas especies de bacterias encontradas en composteras e involucradas en el proceso de compostaje

Cuadro 2. Proteobacterias que participan en el proceso de compostaje
Grupo Filogenético
Especie
Relevancia ecológica
Estadio de sucesión en la compostera
Alfa
Pseudomonas putida (raza ATCC 11172)
Patógena

Pseudomonas sp.


Methylosinus trichosporium
Metanotrófica

Caulobacter spp.

Inicial
Erythrobacter longus

Inicial
Beta
Nitrosospira briensis
Nitrificadora

Nitrosomonas europaea
Nitrificadora

Nitrosolobus multiformis
Nitrificadora
Medio
Gama
Escherichia coli
Patógeno potencial

Methylomonas methanica
Metanotrófica

Azotobacter chroococcum
Fijadora de N
Tardío
Salmonella sp.
Patógena

Streptomyces rectus


S. thermofusus


S. violaceus-ruber


S. thermoviolaceus


Streptomyces sp.


Nocardia sp.


Microbispora bispora

Termofílica
Actinomadura sp.

Termofílica
Forman endosporas, bajo GC
Bacillus stearothermophilus
Termofílica clásica

B. thermodenitrificans
Termofílica denitrificadora

B. brevis


B. circulans


B. coagulans


B. sphaericus


B. subtilis


B. licheniformis


Bacillus sp.
Patógeno potencial

Clostridium thermocellum


Clostridium spp.
Alunas son fijadoras de N
Anaeróbicas
Klebsiella sp.
Fijadora de N

Actinomycetes
Saccharomonospora viridis
Patógena

Streptomyces thermovulgaris
Patógena
Termofílica
Actinobifida chromogena


Thermoactinomyces vulgaris

Termofílica
Micropolyspora faeni


Pseudonocardia thermophila


Thermomonospora curvata


Th. Viridis


Th. sacchari


Deinococcus y grupo Thermus
Thermus sp.

Termofílica
Hydrogenobacter



3.3 Archae

Se conocen muchas especies termofílicas e hipertermofílicas de Archae. Estos organismos fueron aislados en pilas de compostaje solo en casos excepcionales, pero dado que se ha reportado una formación considerable de metano, se supone que se las podría encontrar aunque en bajas cantidades. La razón de que exista una relativamente baja abundancia de Archae en pilas de compostaje es probablemente su hábito de vida oligotrópico, con periodos largos de reproducción, lo que las haría poco adecuadas a condiciones rápidamente cambiantes del compost.

3.4 Hongos

Durante la fase inicial, los hongos compiten con las bacterias por los nutrientes disponibles en el sustrato. En vista de que la tasa de incremento máximo específico de las bacterias excede a la de los hongos, pronto los dominan en número. Además, los hongos precisan una buena aireación del compost, lo que no siempre es posible de lograr. Los hongos exhiben una menor termotolerancia y juegan un rol poco despreciable durante la fase termofílica. Una excepción es el compostaje de sustratos especialmente ricos en celulosa y lignina, donde los hongos prevalecen durante todo el proceso de descomposición. Al finalizar el compostaje, el potencial hídrico disminuye, mejorando las condiciones para el crecimiento de los hongos. La tabla 3 muestra algunos hongos encontrados en el compost.

Cuadro 3. Hongos que participan en el proceso de compostaje
Grupo Filogenético
Especie
Relevancia ecológica
Estadio de sucesión en la compostera
Zigomicetos
Mortierella turficola
Descomponedor

Mucor miehei
Fermentativa
Inicial
M. pusillus

Termofílico
Rhizomucor pusillus
20-55ºC

Rhizomucor sp.


Ascomicetos
Chaetomium elatum
Organismo del suelo
Inicial y final
Chaetomium thermophilum
Descomponedor
Termofílico
Dactylomyces crustaceus


Aporothielavia leptoderma


Thermoascus aurantiacus

Termofílico
Thielavia thermophilia


Basidiomicetos
Armillaria mellea
Celulolítico y lignolítico
Mesofílico
Clitopilus insitus


Pleurotus ostreatus


Lentinus lepideus


Fomes sp.


Coprinus sp.
Coprófago
Inicial
C. cinereus
Coprófago
Inicial
Lenzites sp.


L. trabea



Aspergillus fumigatus
Descomponedor de madera
Meso- y termofílico

Humicola insolens
Patógeno potencial
Termofílico

Thermomyces lanuginosus

Termofílico

Paecilomyces sp.
Celulolítico


Scopulariopsis brevicaulis
Celulolítico


4. Balance del carbono y nitrógeno

Durante el compostaje la materia orgánica sigue diferentes patrones de descomposición: mineralización, humificación y degradación parcial. En un proceso bien manejado, cerca del 50% de la materia orgánica se convierte en CO2, H2O, sales minerales y energía; el 20% sufre transformaciones metabólicas complejas que forman sustancias húmicas y el 30% es degradado parcialmente por procesos aérobicos y anaeróbicos, dando lugar finalmente a moléculas orgánicas menos complejas. Esta última fracción puede variar de 30 a 60%; los factores que afectan esta variación son el sistema de compostaje aplicado, la duración del proceso, el sistema de aireación, la calidad física y química del sustrato, el tamaño de las partículas, la relación C/N del sustrato y el perfil de temperaturas.

Todas las transformaciones microbianas del nitrógeno que ocurren en la naturaleza, también tienen lugar durante el compostaje, aunque en diferentes escalas. En el compostaje, las fases más importantes son la mineralización, nitrificación y asimilación. El nitrógeno asimilado por los microorganismos pasa a formar parte de compuestos orgánicos en las células de los organismos y se constituye en una forma de evitar pérdidas de este nutriente.

La fijación del nitrógeno y la denitrificación son eventos anaeróbicos que pueden ocurrir en muy pequeña escala durante el compostaje. El contenido total de nitrógeno del material en descomposición se reduce fundamentalmente debido a la volatilización del amonio. Sin embargo, la relación C/N disminuye durante el compostaje debido a que las pérdidas de carbono, en forma de CO2, superan a las pérdidas de nitrógeno.

Los compuestos orgánicos que contienen nitrógeno producen amonio libre al mineralizarse. Si este amonio no es oxidado inmediatamente por las bacterias nitirificadoras, se volatiliza en la atmósfera. También pueden ocurrir pérdidas adicionales de nitrógeno durante el compostaje por el fenómeno de la denitrificación, proceso microbiano anaeróbico que reduce los nitratos a N2. Por esta razón es importante reducir al mínimo los espacios de la pila de compostaje donde podrían crearse condiciones anaeróbicas. Algunas bacterias denitrificadoras pueden actuar en condiciones termofílicas a 65º C (Bacillus sp.) y otras en condiciones mesofílicas (Pseudomonas, Paracoccus). Todavía se desconoce el impacto e importancia de la oxidación anaeróbica del amonio, lo que podría ser una pregunta relevante para evaluar el potencial de generación de gases de efecto invernadero del compostaje.

Aun cuando ocurren pérdidas de nitrógeno, también se observa una recuperación parcial cuando el material está a punto de concluir el proceso de compostaje, debido a la actividad de bacterias fijadoras de nitrógeno atmosférico. En la fase mesofílica, se han aislado bacterias como Azospirillum, Klebsiella, Enterobacter, Bacillus, Clostridium. La fijación biológica del nitrógeno es inhibida por la presencia de amonio y por las temperaturas elevadas. Por este motivo la actividad de la nitrogenasa es mayor durante las últimas fases de la descomposición.
Durante la primera etapa del compostaje, la nitrificación autotrófica es fuertemente inhibida por las temperaturas altas, el pH y la concentración de amonio. Las bacterias que oxidan el amonio, como Nitrobacter, resultan ser las más inhibidas por las condiciones del medio. La nitrificación heterotrófica, operada por bacterias como Arthrobacter y Actinomyces y eumycetes como Aspergillus flavus y Penicillium, parece ser menos condicionada por el entorno. Es más, parece que la producción de nitratos en esta etapa inicial se debe casi exclusivamente a la acción de microorganismos nitrificadores heterotróficos. Estos microorganismos nitrificadores heterotróficos y aquellos que asimilan directamente el amonio para su metabolismo anabólico son los agentes más importantes para reducir los efectos negativos de la volatilización del amonio, como la pérdida de nitrógeno de la masa de compost.

5. Análisis microbiológicos para la determinación de la madurez del compost

Es difícil determinar la estabilidad y madurez de una muestra de compost solamente a través del análisis visual o cualquier otro procedimiento particular. El compost que ya no experimenta una descomposición rápida y cuyos nutrientes se encuentran fuertemente enlazados se denomina estable. En contraste, el compost inestable todavía libera nutrientes al suelo debido a que la descomposición del material orgánico continúa a una velocidad apreciable. El compost inestable puede ser útil para ciertos usos, como aquellos en que se desea una liberación rápida de nitrógeno. Por otro lado, el término estable también se refiere al grado de fitotoxicidad del compost. Un compost inmaduro contiene por lo general una mayor cantidad de sustancias que inhiben el crecimiento de la planta, que un compost estable.

El análisis tradicional del compost se ha enfocado en la determinación de su concentración de NPK y micronutrientes, como se hace con otros fertilizantes. Sin embargo, el compost es mucho más complejo que un fertilizante y su aporte más significativo para la planta puede estar más allá de la provisión de minerales al suelo para la nutrición vegetal. El componente microbiológico del compost determina la manera en que actuará como un inoculante del suelo y como agente supresor de patologías vegetales. Se podría avanzar incorporando otros análisis como la determinación del pH, contenido de amonio, relación C/N y pruebas de germinación y crecimiento vegetal en macetas. Sin embargo, todavía falta desarrollar criterios para evaluar la calidad y el grado de madurez del compost. Estos deberían incluir análisis microbiológicos debido a que la actividad microbiológica del compost determina no solamente su producción, sino también el uso y su impacto en la calidad de los suelos.

Dado que el compostaje es un proceso biológico, la descomposición continuará después de la recolección de muestras, por lo que su almacenamiento adecuado es importante, a fin de que no se alteren los resultados de las pruebas microbiológicas. Este cuidado es menos importante para análisis químicos. Si las muestras serán analizadas en menos de 24 horas, se recomienda mantener las muestras en contenedores aislados que mantendrán la temperatura de las muestras para evitar que los organismos termofílicos sean reemplazados por una comunidad mesofílica. Si los análisis se realizarán después de 24 horas, se recomienda reducir la temperatura de las muestras a 2º C.

El análisis microbiológico estándar del compost consiste en determinar la densidad de seis tipos de microorganismos: bacterias aeróbicas, bacterias anaeróbicas, hongos, actinobacterias, pseudomonas y bacterias fijadoras de nitrógeno. Existen procedimientos adecuados para evaluar las poblaciones de estos organismos en el compost maduro, pero se requieren estudios locales para establecer las curvas de calibración específicas en diferentes lugares, como en El Alto. Una forma simple y rápida para evaluar la madurez del compost radica en la determinación de la temperatura del material. Para climas templados, si la temperatura del compost es mayor que la temperatura del aire en 8ºC o más, se puede concluir que el compost es todavía inestable.

La prueba de calentamiento espontáneo del compost en frascos de vidrio térmicos o termos provistos con un termómetro, puede ser útil para verificar su grado de madurez, relacionándolo con el aumento de temperatura. Un compost maduro se calienta poco o no modifica su temperatura. Esta prueba se efectúa durante diez días, registrando la temperatura máxima diaria. El diferencial de temperatura se compara con la siguiente tabla:

Diferencial de temperatura (en ºC)
Grado de Descomposición
Descripción
>40
I
Grado de descomposición muy inicial
30-40
II
Grado de descomposición inicial
20-30
III
Descomposición media
10-20
IV
Buena descomposición
0-10
V
Descomposición avanzada o completamente concluida

La degradación microbiana que ocurre en condiciones aeróbicas se denomina respiración. La materia orgánica se convierte en agua, CO2, componentes inorgánicos y ácidos húmicos. La actividad respiratoria está relacionada con el aprovisionamiento de materiales degradables. La actividad respiratoria se determina a través de la medición del consumo de O2 o la producción de CO2.

La tasa de uso de oxígeno representa el grado de actividad biológica. Para aplicaciones en horticultura y jardinería, se considera estable una tasa  <20 mgO2/kg compost seco* hora, en cambio para aplicaciones agrícolas extensivas una tasa <100 mgO2/kg compost seco* hora es considerada suficientemente estable. Actualmente existen sensores automatizados para medir rápidamente la tasa de respiración del compost, como el test de Solvita (www.woodsend.org). Por otro lado, se vienen desarrollando métodos innovadores para determinar la madurez del compost, como la determinación de perfiles fisiológicos a nivel de comunidad, las pruebas de actividad enzimática y las pruebas de análisis de comunidades basadas en la determinación de ADN. Cualquiera que fuera el procedimiento analítico empleado, los resultados deben ser interpretados cuidadosamente, ya que un compost frío, seco o muy salado podría no respirar aún cuando no alcanzó el nivel adecuado de estabilidad.

Fuente: adaptación libre de Diaz, L.; De Bertoldi, M.; Bidlingmaier, W. 2007. Compost science and technology.