Utilización de residuos de la Industria Cafetera como enmiendas orgánicas de suelos para la mejora de alimentos de origen vegetal
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Cervera Mata, Ana GloriaEditorial
Universidad de Granada
Departamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Nutrición y Ciencias de los AlimentosMateria
Residuos cafeteros Enmiendas orgánicas de suelos Mejora de alimentos
Date
2022Fecha lectura
2022-01-25Referencia bibliográfica
Cervera Mata, Ana Gloria. Utilización de residuos de la Industria Cafetera como enmiendas orgánicas de suelos para la mejora de alimentos de origen vegetal. Granada: Universidad de Granada, 2022. [http://hdl.handle.net/10481/72882]
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Tesis Univ. Granada.Résumé
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.