Download EVALUACIÓN DE TRES RACIONES ALTERNATIVAS PARA LA

Tierra Tropical (2006) 2 (2): 177-188
CARACTERIZACIÓN DEL SISTEMA DE DESCONTAMINACIÓN
PRODUCTIVO DE AGUAS SERVIDAS EN LA FINCA PECUARIA
INTEGRADA DE LA UNIVERSIDAD EARTH: I. LAS PLANTAS
ACUÁTICAS
K. Garcés, R. Gutiérrez, B. Kohlmann1, J. Yeomans, R. Botero
Universidad EARTH
Las Mercedes de Guácimo, Limón, Costa Rica
Recibido 20 de enero 2003. Aceptado 21 de julio 2006.
RESUMEN
Las plantas acuáticas han sido desde años atrás una estrategia efectiva en sistemas de
descontaminación de aguas residuales. En este estudio se analizó el sistema de descontaminación
productiva de las aguas servidas de la Finca Pecuaria Integrada de la Universidad EARTH,
enfocándose hacia el papel que cumplen las plantas acuáticas en dicho sistema y así determinar
su uso potencial. Para esto, se realizó la identificación taxonómica, adaptación, análisis de macro
y micronutrientes y análisis bromatológico de Eichhornia crassipes (Familia Pontederiaceae),
Ipomoea acuatica (Familia Convolvulaceae), Limnocharis flava (Familia Limnocharitaceae), Pistia
stratiotes (Familia Araceae) y Salvinia minima (Familia Salvinaceae), especies presentes en los
humedales artificiales de dicho sistema. En cuanto a la adaptabilidad de las plantas acuáticas en
los humedales artificiales, se determinó que de las especies de plantas acuáticas, las especies que
mejor se adaptaron fueron E. crassipes en los humedales artificiales 1 y 2 y S. minima en los
humedales artificiales 3 y 4, debido a la rápida adaptación y agresividad de estas dos especies al
desplazar a otras especies de plantas acuáticas. En cambio, I. acuatica mostró que se desarrolla
mejor en sitios con sombra y no a plena exposición solar, mientras que P. stratiotes fue la
especie más sensible a adaptarse a las condiciones del sistema de descontaminación.
Considerando que el N, P y K son macronutrientes de importancia agrícola, la especie L. flava
presentó los porcentajes más altos de N (3.9 %), P (0.64 %) y K (8.3 %), por lo que es una planta
con alto potencial como fertilizante orgánico fresco para suelo. Por otra parte, se logró
determinar que las plantas acuáticas son efectivas para retener micronutrientes como Fe, Cu, Mn
y Zn, destacándose principalmente la S. minima. Los análisis bromatológicos muestran que la
E. crassipes por su mayor contenido de proteína cruda y su gran digestibilidad, es una planta con
aptitud como alimento para dieta animal.
Palabras clave: plantas acuáticas, sistema de descontaminación, macro y micronutrientes,
análisis bromatológico, calidad de agua.
ABSTRACT
For many years aquatic plants have been used as an effective strategy for decontaminating
wastewater. This study characterized the different aquatic plants present in the decontamination
system at the Integrated Livestock Farm of EARTH University, and focused on the role these
plants play in the decontamination of the wastewater. To this end, a taxonomical identification,
an adaptation study, macro and micro-nutrient analysis and a bromatological analysis of five
aquatic plants, Eichhornia crassipes (Familia Pontederiaceae), Ipomoea acuatica (Familia
Convolvulaceae), Limnocharis flava (Familia Limnocharitaceae), Pistia stratiotes (Familia
1
Contacto: Bert Kohlmann ([email protected])
ISSN: 1659-2751
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Araceae) and Salvinia minima (Familia Salvinaceae), were performed. It was determined that of
the five species of aquatic plants, E. crassipes adapted best in artificial wetlands 1 and 2, and S.
minima in artificial wetlands 3 and 4. This can be explained by their fast adaptation and
aggressiveness in replacing other species of aquatic plants in the artificial wetlands. In contrast,
I. acuatica adapted best in areas of reduced light intensity or in the shade, while P. stratiotes was
the least adaptable species to the conditions in the artificial wetlands of the decontamination
system. Due to their importance in crop production, concentrations of the macronutrients N, P
and K in the aquatic plants were analyzed. L. flava had the highest concentration of N (3.9 %), P
(0.64 %) and K (8.3 %). These results indicate that this plant has a high potential for use as fresh
material for organic fertilizers. Aquatic plants, particularly S. minima, were effective for
absorbing micronutrients such as Fe, Cu, Mn y Zn. Bromatological analyses showed that
E. crassipes, due to its high crude protein content and its high level of digestibility, is a plant that
is ideally suited for inclusion in an animal diet.
Key words: Aquatic plants, decontamination system, micro and macronutrients, bromatological
analysis, water quality.
INTRODUCCIÓN
La utilización de plantas acuáticas ha demostrado ser una estrategia efectiva en sistemas de
descontaminación de aguas residuales, que desde los años setenta han sido usados con éxito en la
solución del problema de la contaminación (Govaere, 1994). Estas plantas acuáticas se
caracterizan por su capacidad de extraer diversos compuestos del agua, donde es importante
mencionar la extracción del nitrógeno y fósforo. Estos compuestos son unos de los mayores
contaminantes provenientes de la actividad agrícola, ya que son en la mayoría de los casos, unos
de los principales macronutrientes en las formulaciones de fertilizantes agrícolas.
Por su fisiología, la productividad de las plantas acuáticas es mayor que la de las plantas
terrestres. Su composición química se encuentra directamente afectada por el estrato acuoso en el
que se desarrollan, viendo cómo las cantidades de minerales que se encuentran en estas plantas
pueden ser altas en aguas de residuos agrícolas (National Academy of Sciences, 1976). Por otra
parte, las plantas acuáticas pueden resultar beneficiosas, si se las utiliza para el tratamiento de
aguas contaminadas. En programas de manejo de aguas residuales se ha mostrado que las plantas
acuáticas tienen alta una capacidad de reproducción, absorción de nutrientes y bioacumulación
de otros compuestos del agua. Además, estas plantas son un cultivo gratuito de gran valor
potencial, que no requieren mano de obra, fertilización o siembra (Olguín et al., 1986;
Balasubramanian y Kasturi, 1992).
Según Crow (2002), las plantas acuáticas se clasifican como: emergentes, flotantes y
subemergentes. Las emergentes son las que desarrollan las raíces por debajo del espejo de agua,
mientras que su masa foliar sobresale a la superficie, por ejemplo, Aeschynomene sensitiva y
Limnocharis flava. Las flotantes se encuentran sobre la superficie del agua y sus raíces están
suspendidas en el agua, por ejemplo la Pistia stratiotes y Salvinia minima. Las plantas
subemergentes son las que crecen por de bajo de la superficie del agua, formando una barrera
desde el fondo hasta la superficie, por ejemplo Elodia sp. Las variedades de plantas acuáticas
alrededor del mundo son muy amplias y todas ellas pueden ser utilizadas para el tratamiento de
agua. Entre las plantas acuáticas de mayor utilización en los programas de manejo de aguas
residuales están: Eichhornia crassipes (lirio de agua), Lemna spp. (lenteja de agua), P. stratiotes
(lechuguilla) y S. minima (oreja de ratón).
En la Universidad EARTH se han desarrollando diversos proyectos para el manejo de las aguas
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residuales, como lo son el de las aguas residuales producidas en la Finca Pecuaria Integrada, el
Relleno Sanitario y la Planta de Papel de Banano. Estos proyectos han consistido en la
utilización de plantas acuáticas en humedales artificiales, para la descontaminación del agua y
para poder reutilizar el agua y las plantas acuáticas que se desarrollan en diversas actividades, ya
sean agrícolas o industriales.
El objetivo de este estudio fue analizar la capacidad y eficiencia de descontaminación de agua,
así como la capacidad de absorber nutrientes, de las diferentes especies de plantas acuáticas
desarrolladas en los humedales artificiales de la Finca Pecuaria Integrada de la Universidad
EARTH. El segundo objetivo fue el de analizar la efectividad de estas plantas acuáticas como
suplemento alimenticio para animales.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se recolectaron muestras de las diferentes plantas acuáticas que se encuentran presentes en el
sistema de descontaminación productiva de aguas servidas. Después, estas muestras se lavaron
para quitar el exceso de sólidos adheridos. Se les colocó en bolsas plásticas y posteriormente se
llevaron en fresco para la realización de su identificación taxonómica hasta familia y especie.
Para la identificación taxonómica se solicitó el apoyo del herbario del INBio, específicamente la
ayuda del doctor Nelson Zamora, especialista en plantas acuáticas de Costa Rica. El motivo de
realizar esta identificación taxonómica fue para determinar, y en otros casos, confirmar los
nombres científicos de cada una de las plantas acuáticas estudiadas en este proyecto.
Para identificar la adaptabilidad de cada una de las especies de plantas acuáticas introducidas en
los humedales artificiales de descontaminación y su comportamiento en comunidad con las otras
plantas, se construyeron marcos de 1 m x 1 m de PVC, cubierto por una red de malla metálica
(Figura 1). Se colocaron dos marcos por cada uno de los cuatro humedales artificiales de
descontaminación del final del sistema. Los cuadros estaban localizados, aproximadamente a un
metro de distancia de la orilla hacia la parte interna de cada uno de los humedales artificiales,
esto por el comportamiento de desarrollo de las plantas en esta área. Los cuadros de PVC fueron
permanentes y contenían una cantidad de plantas determinada según la población de cada una de
las especies (Figura 1).
Figura 1. Marco usado para adaptabilidad de las plantas acuáticas en el humedal artificial.
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Para cuantificar los cambios y siguiente determinación de la biomasa se utilizó el método de
Austin (Austin, 1976), y se desarrolló la metodología, pesando las plantas encontradas en cada
uno de los cuadros colocados en los humedales artificiales. Se midió el peso de las plantas al
momento de introducirlas a los cuadros, la segunda semana de muestreo y la última semana de su
evaluación (semana 6).
Para los análisis químicos, se analizaon los cinco tipos de plantas encontradas en este sistema de
descontaminación. Se estudiaron las plantas para N (Kjeldahl) (Nelson y Sumner, 1980), P
(Olsen) (Jones et al., 1991), K (espectrómetro de absorción atómica) (Isaac y Kerber, 1980), los
micronutrientes Ca y Mg y los micronutrientes Zn, Cu, Fe y Mn(espectrómetro de absorción
atómica) (AAS) (Isaac y Kerber, 1980). Se realizaron estos análisis debido a que son los
principales nutrientes que conforman la composición de los diferentes fertilizantes utilizados en
la actividad agrícola. Se espera que las plantas capturen los nutrientes de los sedimentos y que
posteriormente puedan utilizar las plantas como fuentes de nutrientes para la elaboración de
abonos u otros productos que sirvan como aporte a la actividad agrícola como tal.
La recolección de las plantas analizadas dependió de su estado fisiológico. Estas plantas se
seleccionaron antes de su floración porque en esta etapa se encuentran en su máximo potencial
de absorción de nutrientes, justo antes de realizar un gasto energético en el proceso de
reproducción. Las plantas se recolectaron de diferentes puntos dentro de cada humedal artificial
de descontaminación para así obtener una muestra representativa que reflejara la situación del
sistema.
Para realizar el análisis bromatológico general, se tomó una muestra de 250 g (peso fresco) del
área foliar de la planta, de cinco de las principales plantas encontradas en los humedales
artificiales de descontaminación. Las muestras se llevaron troceadas en fresco, colocadas en
bolsas y en hieleras para que llegaran en buen estado al laboratorio. Mediante el análisis
bromatológico se determinó la FDN (fibra de detergente neutro), la FDA (fibra de detergente
ácido), la digestibilidad in vitro, la materia seca y la proteína cruda. La metodología empleada
para realizar dichos análisis se detalla por López (2002). Estos análisis se realizaron al comienzo
del estudio.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para el desarrollo de este proyecto se realizó la identificación taxonómica de las plantas acuáticas
presentes en cada humedal artificial de descontaminación (Cuadro 1). Con la identificación de
estas especies, se pudo determinar qué plantas acuáticas logran desarrollarse bajo diferentes
condiciones del agua en este sistema de descontaminación y su adaptación a las condiciones
climáticas de la región tropical húmeda, para así poder recomendar la incorporación de estas
especies de plantas a los sistemas de descontaminación.
Cuadro 1. Procedencia de las plantas acuáticas presentes en el sistema de descontaminación
productiva de aguas servidas.
Planta acuática
Procedencia
Lirio acuático (Eichhornia crassipes) (Figura 2)
Humedal artificial 1
Espinaca acuática (Ipomoea acuatica) (Figura 3)
Porqueriza
Lirio flor amarillo (Limnocharis flava) (Figura 4)
Humedal artificial 1
Lechugilla (Pistia stratiotes) (Figura 5)
Humedal artificial 2
Oreja de ratón (Salvinia minima) (Figura 6)
Humedal artificial 3
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Figura 2. Plantas de Eichhornia crassipes con flores.
Figura 3. Plantas de Ipomoea acuatica.
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Figura 4. Plantas de Limnocharis flava.
Figura 5. Plantas de Pistia stratiotes.
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Figura 6. Plantas de Salvinia minima.
Para identificar la adaptabilidad de cada una de las especies de plantas acuáticas introducidas en
los humedales artificiales de descontaminación y su comportamiento en comunidad con las otras
plantas, se observó y cuantificó el peso inicial y final de cada especie. La adaptación de las
plantas acuáticas evaluadas en los humedales artificiales depende de varios factores incluyendo
la disponibilidad de luz, la dominancia de una planta con respecto a otra y la presencia de
depredadores biológicos. En la primera semana, L. flava desapareció del sistema entonces no se
presentaron datos para esta planta.
En los cuatro humedales artificiales, la especie P. stratiotes presentó la menor adaptación en el
transcurso del experimento (Figura 7). Pasando el tiempo, esta especie sufrió algunos síntomas
tales como amarillamiento y manchas de color café-oscuro en sus hojas. Seis semanas después,
esta especie desapareció de los cuadros de muestreo en todos los humedales artificiales excepto
el último.
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4000
Semana 0
Semana 2
Semana 6
Peso seco (g)
3000
2000
1000
0
E. crassipes
I. acuatica
P. stratiotes
S. minima
Plantas acuáticas
Figura 7. Adaptación de las plantas acuáticas en los humedales artificiales (método de Austin,
1976).
Por otra parte, se observa cómo E. crassipes tuvo una buena adaptación en los humedales
artificiales (Figura 7). Para semana seis, en todos los humedales artificiales, esta especie
presentaba flores. Este fenómeno muestra el buen desarrollo de la especie y su fácil adaptación a
diferentes grados de contaminación y/o concentración de material orgánico. Una muestra clara
de la capacidad de adaptación de esta especie al sistema, fue la sobrepoblación que se presentó
en los primeros dos humedales artificiales. En éstos, las cantidades de E. crassipes no dejaron
que se desarrollaran otras especies, como S. minima y ha ocasionado que el flujo de agua y
sedimentos se estancaran y ocasionaran otros problemas, como la cría de mosquitos. S. minima
se desarrolló mejor en los últimos dos humedales artificiales. Ahí, S. minima fue la única especie
existente, y presentada espacio y cantidades altas de luz para un buen desarrollo.
El nitrógeno, fósforo y potasio se consideran macronutrientes de importancia en la fertilización
de suelos con potencial agrícola. Plantas que tengan altos contenidos de nitrógeno se constituyen
en un beneficio como materia prima para preparar abonos orgánicos. La especie L. flava presentó
los porcentajes más altos de N (3.9 %), P (0.64 %) y K (8.3 %) entre todas las plantas evaluadas
(Figura 8). Así también esta especie tuvo el menor concentración de Ca (0.35%) en comparación
con el resto de plantas evaluadas. P. stratiotes presentó las concentraciones más altas de Ca
(6 %) pero las de N más bajo (0.3 %). Las más altas concentraciones de Mg se mostraron en
E. crassipes (Figura 8).
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10
E. crassipes
I. acuatica
L. flava
P. stratiotes
S. minima
Concentración (%)
8
6
4
2
0
N
P
K
Ca
Mg
Nutrientes
Figura 8. Concentraciones de macronutrientes en la materia seca de las plantas acuáticas.
S. minima en los humedales artificiales presentó las concentraciones más altas de Cu, Zn y Fe
entre las plantas evaluadas (Figura 9). Los valores de Fe presentes en esta planta
(12 920 mg kg-1) fueron muy altos y distan mucho incluso del valor más próximo (1507 mg kg-1)
correspondiente a P. stratiotes. Por otra parte, S. minima presenta el menor porcentaje en
contenidos de K (1 %) (Figura 8). I. acuatica presentó las concentraciones más bajas de Cu
(2.3 mg kg-1) y Mn (131 mg kg-1) (Figura 9).
También en el desarrollo del estudio se realizaron los análisis bromatológicos de cinco de las
principales plantas acuáticas encontradas en los humedales artificiales: E. crassipes, I. acuatica,
L. flava, P. stratiotes y S. minima. Los análisis bromatológicos son pruebas al nivel de
laboratorio que permiten determinar la composición de determinado tipo de alimento en términos
de sus principales grupos de nutrientes. Con los resultados obtenidos de estos análisis se obtuvo
la referencia necesaria para determinar la capacidad de cada una de ellas como alimento para
consumo animal.
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-1
6000
E. crassipes
I. acuatica
L. flava
P. stratiotes
S. minima
500
200
5000
2000
1500
100
1000
50
500
-1
150
Concentración Fe y Mn (mg kg )
Concentración Cu y Zn (mg kg )
600
0
0
Cu
Zn
Fe
Mn
Nutrientes
Figura 9. Concentraciones de micronutrientes en la materia seca de las plantas acuáticas.
En la composición de las plantas acuáticas predomina la cantidad de agua y su contenido de
materia seca oscila entre el 5 % y el 15 % (Chará, 1994). En este estudio, L. flava presentó el
valor más alto de materia seca por liofilización (14.9 %) y S. minima el menor valor (1.6 %)
(Figura 10). El conocimiento de la digestibilidad de los alimentos es básico para establecer su
valor nutritivo y, por tanto, para la formulación de raciones para los animales rumiantes. Los
valores de digestibilidad in vitro obtenidos se pueden interpretar como estimaciones de la
digestibilidad real de los alimentos. La digestibilidad de henos comunes se encuentra entre el
50 % y el 70 % (Bochi-Brum et al., 1999). Todas las plantas acuáticas en este estudio, excepto
S. minima presentaron digestibilidades mayores al 55 % (Figura 10).
El contenido de proteína en plantas es variable. Según la madurez, las leguminosas pueden
contener de 15 % a 23 % de proteína cruda, gramíneas contienen de 8 % a 18 % de proteína
cruda (según el nivel de fertilización con nitrógeno) y los residuos de cosechas pueden tener sólo
de 3 % a 4 % de proteína cruda (paja). Desde un punto de vista nutricional, los forrajes pueden
variar entre alimentos muy buenos (pasto joven y suculento, leguminosas en su etapa vegetativa)
a muy pobre (pajas y ramoneos) (Wattiaux y Howard, 2004). Las plantas acuáticas E. crassipes,
I. acuatica y L. flava presentaron más que un 26 % de proteína cruda. La proteína cruda de
S. minima fue del 17 %. P. stratiotes presentó 7.5 % de proteína cruda (Figura 10).
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100
Concentración (%)
80
E. crassipes
I. acuatica
L. flava
P. stratiotes
S. minima
60
40
20
0
Materia Digestibilidad Proteina Hemicelulosa
seca
FDA
FDN
Figura 10. Análisis bromatológico de las plantas acuáticas.
Se valora la cantidad de pared celular en un alimento en términos de fibra detergente ácido (FDA
= celulosa + lignina) y fibra detergente neutro (FDN = celulosa + hemicelulosa + lignina). Existe
una fuerte tendencia hacia el uso de esta última metodología de análisis para lograr una mayor
exactitud en la determinación del contenido de fibra de los alimentos. Forrajes pueden contener
de un 30 % hasta un 90 % de fibra (FDN) (Gorosito, 2006). En general, entre más alto el
contenido de fibra, más bajo el contenido de energía del forraje. Por eso, en cuanto a FDN, lo
deseable es que presente un valor bajo. En este estudio las plantas E. crassipes e I. acuatica
presentaron el menor porcentaje de FDN de todas las plantas mientras S. minima tuvo la FDN
más alta (Figura 10).
CONCLUSIONES
Las especies que mostraron mayor adaptabilidad fueron E. crassipes (humedales artificiales de
descontaminación 1 y 2) y S. minima (humedales artificiales de descontaminación 3 y 4) por su
rápida reproducción y agresividad al desplazar a otras especies de plantas acuáticas. La
composición química en las plantas acuáticas ha mostrado gran presencia de macronutrientes y
micronutrientes que están directamente afectados por el medio acuoso en el que se desarrollan
(alto contenido de materia orgánica). La planta acuática con mayor aptitud para la producción de
abonos orgánicos fue L. flava por su alta cantidad de N, P y K, pero se limita el uso de S. minima
por su alta capacidad de almacenar Fe y bajos niveles en K y P. Las plantas acuáticas sí están
cumpliendo su función principal de ayudar a retener contaminantes de los humedales artificiales
de descontaminación, como Fe, Cu, Mn y Zn, destacándose principalmente S. minima. La planta
acuática que más aptitud como alimento para dietas de consumo animal fue E. crassipes, por su
mayor contenido de proteína cruda y su gran digestibilidad.
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