Utilización de residuos de la Industria Cafetera como enmiendas orgánicas de suelos para la mejora de alimentos de origen vegetal

Abstract

Los posos de café (SCG) son un residuo generado a nivel mundial como consecuencia del procesamiento de la bebida del café. Actualmente, su destino principal son los vertederos provocando contaminación de acuíferos y emisión de CO2 a la atmósfera. Los SCG son ricos en C en forma de carbohidrados, proteínas, grasas, polifenoles, etc., lo que les hace susceptibles de ser utilizados como enmienda orgánica de suelos. Sin embargo, algunos autores han reportado el carácter fitotóxico de los SCG. Esto unido al interés en la economía circular para los residuos, ha propiciado la búsqueda de procedimientos de transformación como son el compostaje, vermicompostaje, pirolisis (genera un residuo sólido denominado biochar), carbonización hidrotermal (genera hidrochar), etc., que bien o eliminan esa fitotoxicidad o dan lugar a productos de segunda generación con elevado valor añadido. Por otro lado, también se ha investigado la capacidad quelante de los SCG, lo que les hace aptos de ser utilizados como movilizadores de elementos en la biofortificación agronómica. Por todo esto, el objetivo general de la presente tesis doctoral fue analizar el empleo de los SCG y sus bio-productos de segunda generación (vermicompost, biochar, hidrochar, etc.) como enmiendas orgánicas de suelos y en la biofortificación de plantas comestibles, todo ello desde el punto de vista físico, químico, biológico, ambiental, etc. El método global de trabajo fue emplear todos los bio-productos citados en ensayos agronómicos in vitro en una cámara climática. Se mezclaron los bio-residuos antes citados con material de dos suelos agrícolas Mediterráneos (Cambic Calcisol y Chromic Calcic Luvisol). Posteriormente a su incubación se analizaron las propiedades físicas, químicas, fisicoquímicas y biológicas. Los ensayos fueron en unos casos de incubación (sin planta) y en otros cultivando Lactuca sativa var. longifolia. En planta se midieron tanto parámetros fisiológicos como contenidos en elementos minerales. Se ha demostrado que la adición de SCG mejora las propiedades químicas y fisicoquímicas del suelo en cuanto a nivel de nutrientes esenciales como N, P y K. Además, se incrementó significativamente la cantidad de carbono orgánico en el suelo, aumentando en mayor medida las fracciones lábiles de la materia orgánica del mismo. En cuanto a las propiedades físicas, aumentó la estabilidad estructural, debido a su carácter hidrofóbico y aumentó la capacidad de retención de agua. Además, su adición acrecentó la diversidad bacteriana del suelo. En suma, la adición de SCG mejoró la calidad global de los dos suelos agrícolas Mediterráneos ensayados. La adición de SCG y sus bioproductos derivados afectó de forma diferente a los ciclos del C y N del suelo. Así, la adición de SCG e hidrochar estimuló la actividad biológica, generando emisiones de CO2, mientras que el biochar incrementó el carbono remanente en el suelo. El vermicompost de SCG actuó como un fertilizante nitrogenado. En cuanto al efecto sobre las plantas comestibles, la adición de SCG inhibió el crecimiento de las mismas, pero actuó como un agente biofortificador debido a la capacidad movilizadora de elementos desde el suelo hacia la planta. Ambos hechos (fitotóxico y biofortificador) parecen estar relacionados con el mismo tipo de moléculas: los polifenoles. El tratamiento de los SCG que eliminó más efectivamente dicha toxicidad fue el vermicompostaje. El resto de los tratamientos (compostaje, pirolisis, carbonización hidrotermal, desengrasado, lavado con agua y etanol) no fueron efectivos para dicho fin. La generación de bioquelatos a partir de los SCG y melanoidinas, funcionalizados con sales de diversos elementos, fue efectivo ya que incrementó la reserva de micronutrientes en el suelo, aunque a nivel de movilización de elementos fueron menos eficaces que los quelatos comerciales. En conclusión, los SCG son un residuo con una clara vocación de economía circular, debido a la creación de productos de segunda generación y de alto valor añadido. Para la aplicación de este residuo como enmienda orgánica habría que ensayar procesos de transformación para evitar la fitotoxicidad. Por otro lado, el uso de los SCG y sus bio-productos derivados, todos ellos muy ricos en C, es muy recomendable como enmienda orgánica, dado el alto déficit de C de la mayoría de los suelos en toda el área Mediterránea. Por su carácter fitotóxico, estos bio-productos no deben ser aplicados en grandes cantidades a los suelos, sino en dosis subtóxicas a modo de abonos funcionalizados con micronutrientes (bioquelatos), asociados a fertilizantes convencionales.

Spent coffee grounds (SCG) are a waste generated worldwide as a consequence of the processing of coffee drinks. Currently, its main destination is landfills, causing contamination of aquifers and emission of CO2 into the atmosphere. SCG are rich in C in the form of carbohydrates, proteins, fats, polyphenols, etc., which makes them susceptible to being used as soil organic amendment. However, some authors have reported the phytotoxicity of SCG. This, together with the interest in the circular economy for waste, has led to the search for transformation procedures such as composting, vermicomposting, pyrolysis (generates a solid waste called biochar), hydrothermal carbonization (generates hydrochar), etc., which eliminate this phytotoxicity or give rise to secondgeneration products with high added value. On the other hand, the chelating capacity of SCG has also been investigated, which makes them suitable for being used as mobilizers of elements in agronomic biofortification. For all this, the general objective of this doctoral thesis was to analyze the use of SCG and their second-generation bio-products (vermicompost, biochar, hydrochar, etc.) as soil organic amendments and in the biofortification of edible plants, all from a physical, chemical, biological, environmental, etc., point of view. The overall working method was to use all the bio-products mentioned in in vitro agronomic assays in a climatic chamber. The aforementioned bio-residues were mixed with material from two Mediterranean agricultural soils (Cambic Calcisol and Chromic Calcic Luvisol). After its incubation, the physical, chemical, physicochemical, and biological properties were analyzed. The assays were in some cases of incubation (without plant) and in others cultivating with Lactuca sativa var. longifolia. In the plant, both physiological parameters and mineral element content were measured. The addition of SCG has been shown to improve the soil chemical and physicochemical properties in terms of the level of essential nutrients such as N, P and K. In addition, the amount of organic carbon in the soil was significantly increased, increasing the labile fractions of the soil organic matter to a greater extent. Regarding physical properties, the addition of SCG increased the structural stability due to its hydrophobic nature and increased water retention capacity. In addition, its addition increased the soil bacterial diversity. In sum, the addition of SCG improved the overall quality of the two Mediterranean agricultural soils tested. The addition of SCG and its by-products affected the soil C and N cycles in a different way. Thus, the addition of SCG and hydrochar stimulated biological activity, generating CO2 emissions, while biochar increased the remaining carbon in the soil. Vermicompost from SCG acted as a nitrogen fertilizer. Regarding the effect on edible plants, the addition of SCG inhibited their growth, but acted as a biofortifying agent due to the mobilizing capacity of elements from the soil towards the plant. Both events (phytotoxic and biofortifying) seem to be related to the same type of molecules: polyphenols. The SCG treatment that most effectively eliminated such toxicity was vermicomposting. The rest of the treatments (composting, pyrolysis, hydrothermal carbonization, defatting, washing with water and ethanol) were not effective for this purpose. The generation of biochelates from SCG and melanoidins, functionalized with salts of various elements, was effective since increased the reserve of micronutrients in the soil, although at the level of mobilization of elements they were less effective than commercial chelates. In conclusion, SCG are a residue with a clear vocation for a circular economy, due to the creation of second-generation products with high added value. For the application of this residue as organic amendment, transformation processes would have to be tested to avoid phytotoxicity. On the other hand, the use of SCG and its derivative bio-products, all of them very rich in C, is highly recommended as an organic amendment, given the high deficit of C in most of the soils of the Mediterranean area. Due to their phytotoxic nature, these bioproducts should not be applied in large quantities to soils, but in subtoxic doses as functionalized fertilizers with micronutrients (biochelates), associated with conventional fertilizers.