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Efecto del bio carbono en la bio remediaci�n de suelos agr�colas contaminados por agrot�xicos

 

Effect of bio carbon on the bio remediation of agricultural soils contaminated by agrotoxins

 

Efeito do biocarbono na biorremedia��o de solos agr�colas contaminados por pesticidas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: artesdemayorga@gmail.com

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 27 de mayo de 2024 *Aceptado: 21 de junio de 2024 * Publicado: �04 de julio de 2024

 

        I.            Mag�ster en Agronom�a, Menci�n Nutrici�n Vegetal e Ingeniero Agr�nomo por la Universidad T�cnica de Ambato, Profesor Investigador del Instituto Superior Tecnol�gico Pelileo, Coordinador Carrera de Flori-Fruticultura, Campus Benjam�n Araujo, Tungurahua, Ecuador.

      II.            M�ster en Dise�o Mec�nico por la Universidad T�cnica de Ambato, Ingeniero Mec�nico por la Escuela Superior Polit�cnica del Chimborazo, Maestrante en Matem�tica Aplicada y Doctorando en Ciencia e Ingenier�a Estad�stica, Profesor Investigador del Instituto Superior Tecnol�gico Pelileo, Coordinador Campus Benjam�n Araujo, Tungurahua, Ecuador.

    III.            Ingeniera Zootectnista por la Escuela Superior Polit�cnica del Chimborazo, Maestrante de Reproducci�n Animal en la ESPOCH, Profesora Investigadora del Instituto Tecnol�gico Pelileo, Coordinadora Carrera de Producci�n Animal, Campus Benjam�n Araujo, Tungurahua, Ecuador.

Resumen

El uso masivo de productos fitosanitarios en la agricultura, ha conducido a la contaminaci�n de los suelos agr�colas, entre otros recursos relacionados con esta actividad, ocasionando una grave amenaza para la salud humana y el medio ambiente. En respuesta, el bio carbono, ha emergido como una prometedora herramienta para la bio remediaci�n de suelos afectados por estos insumos. Esta revisi�n, examina la literatura cient�fica sobre el efecto del bio carbono en la bio remediaci�n de suelos contaminados. Adem�s; se analizaron los mecanismos que influyen en la degradaci�n y mitigaci�n de insumos agr�colas, as� como; sus efectos en la actividad microbiana y la calidad del suelo. Los hallazgos destacan la eficacia del bio carbono en reducir la contaminaci�n y mejorar la salud del suelo, promoviendo la sostenibilidad agr�cola. Tambi�n; se identifican lagunas en el conocimiento y se proponen recomendaciones para investigaciones futuras, buscando mejorar las pr�cticas de bio remediaci�n con el fin de reducir los impactos negativos de la contaminaci�n. Por tanto, este estudio resalta el potencial del bio carbono y subraya la importancia de continuar investigando alternativas que garanticen el bienestar del recurso para garantizar la salud del suelo y del medio ambiente para las futuras generaciones.

Palabras clave: Insumos agr�colas; Bio carbono; Bio Remediaci�n; Suelos agr�colas; Contaminaci�n.

 

Abstract

The massive use of phytosanitary products in agriculture has led to the contamination of agricultural soils, among other resources related to this activity, causing a serious threat to human health and the environment. In response, biocarbon has emerged as a promising tool for bioremediation of soils affected by these inputs. This review examines the scientific literature on the effect of biocarbon in the bioremediation of contaminated soils. Besides; The mechanisms that influence the degradation and mitigation of agricultural inputs were analyzed, as well as; its effects on microbial activity and soil quality. The findings highlight the effectiveness of bio carbon in reducing pollution and improving soil health, promoting agricultural sustainability. Also; Gaps in knowledge are identified and recommendations for future research are proposed, seeking to improve bioremediation practices in order to reduce the negative impacts of contamination. Therefore, this study highlights the potential of bio carbon and underlines the importance of continuing to investigate alternatives that guarantee the well-being of the resource to guarantee the health of the soil and the environment for future generations.

Keywords: Agricultural inputs; Bio carbon; Bio Remediation; agricultural soils; Pollution.

 

Resumo

A utiliza��o massiva de produtos fitossanit�rios na agricultura tem levado � contamina��o dos solos agr�colas, entre outros recursos relacionados com esta actividade, causando uma grave amea�a � sa�de humana e ao ambiente. Em resposta, o biocarbono emergiu como uma ferramenta promissora para a biorremedia��o dos solos afetados por estes inputs. Esta revis�o examina a literatura cient�fica sobre o efeito do biocarbono na biorremedia��o de solos contaminados. Al�m do mais; Foram analisados ​​os mecanismos que influenciam a degrada��o e mitiga��o dos inputs agr�colas, bem como; os seus efeitos na atividade microbiana e na qualidade do solo. As conclus�es destacam a efic�cia do biocarbono na redu��o da polui��o e na melhoria da sa�de do solo, promovendo a sustentabilidade agr�cola. Tamb�m; S�o identificadas lacunas no conhecimento e propostas recomenda��es para investiga��o futura, procurando melhorar as pr�ticas de biorremedia��o, de forma a reduzir os impactos negativos da contamina��o. Assim sendo, este estudo destaca o potencial do biocarbono e sublinha a import�ncia de continuar a investigar alternativas que garantam o bem-estar do recurso para garantir a sa�de do solo e do ambiente para as gera��es futuras.

Palavras-chave: Insumos agr�colas; Biocarbono; Biorremedia��o; solos agr�colas; Polui��o.

 

Introducci�n

En las �ltimas d�cadas, la contaminaci�n del suelo por insumos agr�colas, ha emergido como un problema ambiental significativo en todo el mundo. La aplicaci�n extensiva de insumos agr�colas para controlar plagas y enfermedades en los cultivos, ha dejado una huella ambiental duradera, afectando la calidad del suelo y comprometiendo la salud humana; as� como, la biodiversidad. En respuesta a este desaf�o ambiental, la bio remediaci�n, se ha posicionado como una estrategia prometedora para restaurar la salud y la funcionalidad de los suelos agr�colas contaminados. Tal estrategia, implica el uso de organismos vivos o sus componentes para degradar, transformar o inmovilizar contaminantes en el suelo, ofrece una alternativa sostenible y respetuosa con el medio ambiente para remediar suelos contaminados. (V�lez et al., 2022).

En este contexto, el bio carbono ha surgido como un enfoque innovador en la bio remediaci�n de suelos contaminados. Consiste en el uso de materia org�nica carbonosa de origen biol�gico, como compost, bio carbono y residuos agr�colas, presenta propiedades �nicas que pueden mejorar la eficacia de la bio remediaci�n al promover la actividad microbiana, adsorber contaminantes y mejorar la estructura del suelo, entre otros. (�lvarez Vargas, 2021).

El objetivo de este art�culo de revisi�n es analizar y sintetizar la literatura cient�fica relevante sobre el efecto del bio carbono en la bio remediaci�n del recurso suelo. Se examinar�n los mecanismos subyacentes y, las implicaciones pr�cticas de la aplicaci�n de bio carbono en la restauraci�n de la calidad del suelo; tambi�n, la mitigaci�n de los impactos negativos derivados del uso persistente de fitof�rmacos. (Velez Aza�ero y Verona Falla, 2018).

Al abordar esta cuesti�n cr�tica, se espera que, este art�culo proporcione una visi�n integral de los avances recientes en el campo y, sirva como gu�a para futuras investigaciones y pr�cticas de gesti�n ambiental orientadas hacia la sostenibilidad y la conservaci�n de los recursos naturales, especialmente del suelo destinado a los cultivos de inter�s comercial. (Aquije Ramos, 2019).

 

Metodolog�a

Para llevar a cabo esta revisi�n de literatura sobre el tema propuesto, efecto del bio carbono en la bio remediaci�n de suelos agr�colas contaminados por insumos agr�colas, se implement� una metodolog�a rigurosa que garantizara la exhaustividad y la calidad de la recopilaci�n de informaci�n. Examinando la literatura cient�fica relevante sobre el uso de bio carbono en la bio remediaci�n de suelos agr�colas contaminados por insumos agr�colas, analizando los mecanismos subyacentes mediante los cuales el bio carbono puede influir en la degradaci�n y mitigaci�n de los insumos agr�colas en el suelo, evaluando los efectos del bio carbono en la actividad microbiana, la adsorci�n de contaminantes y la calidad del suelo en sistemas agr�colas contaminados, sintetizando los hallazgos clave y las tendencias emergentes en la investigaci�n relacionada con el tema, identificando lagunas en el conocimiento y proporcionando recomendaciones para futuras investigaciones en el campo de la bio remediaci�n de suelos agr�colas contaminados por insumos agr�colas con el uso de bio carbono. De este modo, detallamos seguidamente los pasos clave seguidos en este proceso.

El procedimiento empleado para la revisi�n bibliogr�fica del tema propuesto, fueron organizados sistem�ticamente con el fin de planificar, desarrollar y analizar nuestra investigaci�n, con el prop�sito de originar saberes acertados y confiables. Aplicando una metodolog�a con base en principios l�gicos fundamentados en la consideraci�n de la evidencia emp�rica hasta llegar a conclusiones respaldadas por el rigor cient�fico, partiendo de la consideraci�n del problema evidente que, nos ha llevado a tratar esta revisi�n. El problema que abordamos, se centra en la p�rdida de respuesta del suelo agr�cola que, depende -en algunos casos- del uso de productos de s�ntesis para lograr producciones exigentes de los cultivos de inter�s comercial, desgraciadamente en detrimento de la actividad microbiol�gica del suelo que, en este caso est� dejando de ser el aliado de la transformaci�n de minerales por el uso de los insumos mencionados. De esta manera, los estudios a los que recurrimos, est�n enfocados en la obtenci�n del bio carbono, el potencial de este recurso en las acciones bio remediadoras y, a la biorremediaci�n como tal, observando el papel de este recurso en la agricultura, analizando en que consiste el fen�meno de la adsorci�n de fitof�rmacos y c�mo se relaciona este efecto con la fertilidad; en este sentido, determinaos el papel del tamizado molecular para el mejoramiento de la calidad del suelo al optimizar la retenci�n del agua y biocarbono promoviendo la estabilizaci�n de materia org�nica, en consecuencia; la actividad microbiana se beneficiar�a por encontrarse, el suelo, en condiciones m�s adecuadas para propagarse, acci�n que, adem�s; regular�a o equilibrar�a el pH del suelo, promoviendo interacciones bioqu�micas. Todas estas acciones, devolver�an al suelo su plasticidad, permitiendo la reducci�n de la lixiviaci�n y la escorrent�a. Beneficio que se verificar�a especialmente en el mediano y largo plazo.

 

Resultados

Obtenci�n de bio carbono mediante pir�lisis

La pir�lisis, es un proceso t�rmico que implica la descomposici�n de materiales org�nicos en ausencia de ox�geno, lo que resulta en la formaci�n de productos carbon�ceos, gases y l�quidos. Figura 1. Se lleva a cabo en un reactor, donde se calienta la biomasa generalmente a 300�C y 700�C. Durante la pir�lisis, la materia org�nica se descompone en C, H, O y otros. (Stadler-Kaulich y Hernando Perteguer, 2018).

El bio carbono resultante tiene una estructura porosa y una alta �rea superficial, lo que le confiere una serie de propiedades beneficiosas para el suelo, el medio ambiente y la agricultura. (Armijos et al., 2018).

El bio carbono posee alta porosidad y �rea superficial ideal para la retenci�n de agua, nutrientes y contaminantes del suelo. Adem�s, puede ayudar a mitigar el cambio clim�tico al secuestrar carbono atmosf�rico y almacenarlo en el suelo durante per�odos prolongados, reduciendo as� las emisiones de gases de efecto invernadero. (Soto Espinosa et al., 2023).

 

Figura 1: Obtenci�n de biocarbono mediante horno pirol�tico

Autor: Santiago Mayorga

 

El bio carbono, en la agricultura, se puede utilizar como enmienda del suelo para mejorar la estructura y la fertilidad, para promover la descomposici�n de materia org�nica y la actividad microbiana beneficiosa. El bio carbono puede utilizarse en aplicaciones ambientales, como la remediaci�n de suelos contaminados, la purificaci�n de aguas residuales y la captura de contaminantes atmosf�ricos. (Baltazar y Castro, 2020).

El primer paso en la producci�n de bio carbono es la selecci�n de la biomasa. Puede incluir residuos agr�colas, forestales, c�scaras de nueces, esti�rcol, entre otros. Es importante elegir una biomasa que sea abundante, econ�mica y sostenible. (Segura-Chavarr�a, 2018).

El bio carbono puede someterse a un proceso adicional de activaci�n, que implica el tratamiento con vapor de agua o agentes qu�micos para abrir a�n m�s los poros y aumentar su capacidad de adsorci�n. Este paso puede mejorar las propiedades del bio carbono para remediaci�n ambiental o la purificaci�n de agua. (Salom�n Barrezueta-Unda et al., 2022).

Tiene una serie de aplicaciones y beneficios que lo hacen invaluable en la b�squeda de soluciones sostenibles para los desaf�os ambientales y agr�colas. Entre sus beneficios clave se incluyen la mejora de la calidad del suelo, la mitigaci�n del cambio clim�tico, la reducci�n de la contaminaci�n del agua y del suelo, y la promoci�n de sistemas agr�colas m�s sostenibles y resilientes. (Santamar�a y Rossignoli, 2021).

A medida que la investigaci�n y el desarrollo contin�an avanzando, se espera que la pir�lisis juegue un papel cada vez m�s importante en la transici�n hacia una econom�a m�s sostenible y circular. (Salom�n Barrezueta-Unda et al., 2022).

 

Biorremediaci�n

Papel del biocarbono en la agricultura

La agricultura es una piedra angular de la civilizaci�n humana, pero su pr�ctica ha dejado una marca considerable en el medio ambiente. La b�squeda de pr�cticas agr�colas m�s sostenibles y respetuosas con el medio ambiente ha llevado al desarrollo de nuevas tecnolog�as y enfoques. Uno de estos avances notables es el uso del bio carbono. (SALAS POZO, 2023).

Su alta capacidad de adsorci�n lo convierte en una herramienta eficaz para mejorar la calidad del suelo al retener nutrientes y contaminantes, reduciendo as� la lixiviaci�n y la escorrent�a. El bio carbono puede mejorar la estructura del suelo y promover la actividad microbiana beneficiosa, lo que resulta en suelos m�s f�rtiles. (CABRERA, 2021).

Al utilizar como enmienda del suelo, incluidos cultivos anuales, perennes, horticultura y producci�n de biomasa, restaura los suelos degradados, mitigando la contaminaci�n. Tambi�n se ha demostrado que el bio carbono al mejorar la eficiencia del uso del agua y nutrientes, lo hace especialmente relevante en regiones afectadas por sequ�as. (Salami et al., 2023).

 

Adsorci�n de insumos agr�colas

El bio carbono, posee una alta capacidad de adsorci�n (Figura 2), debido a su �rea y estructura porosa. Cuando se aplica al suelo contaminado, el bio carbono puede adsorber ingredientes activos, evitando su lixiviaci�n hacia las aguas subterr�neas y reduciendo su disponibilidad para las plantas y los organismos del suelo. (Carri�n S�nchez y Huaman Olmos, 2021).

 

 

Figura 2: Superficie de biocarbono adsorbiendo contaminantes

Autor: Santiago Mayorga

 

Esta adsorci�n de ingredientes activos, implica procesos f�sicos y qu�micos en la interfaz, entre biocarbono, agua y suelo. La adsorci�n es un fen�meno f�sico-qu�mico en el que mol�culas de un gas, l�quido o soluto se adhieren a la superficie de un s�lido o, en menor medida, a un l�quido. Este proceso es fundamental en la cat�lisis y la remediaci�n ambiental. (Reyes-Moreno et al., 2020).

El proceso de adsorci�n parte desde el adsorbente, en este caso, el biocarbono, es el material s�lido que proporciona la superficie sobre la cual las mol�culas se adhieren. Ejemplos comunes incluyen carb�n activado, s�lice gel y zeolitas, la eficacia del adsorbente depende de su �rea superficial, porosidad y propiedades qu�micas de la superficie. (Chanalata et al., 2022).

La adsorci�n ocurre por fuerzas intermoleculares como las de Van der Waals, enlaces de hidr�geno y, en algunos casos, interacciones electrost�ticas, estas, causan que las mol�culas del adsorbato (la sustancia que se adhiere, en nuestro caso los ingredientes activos) se mantengan en la superficie del adsorbente. (P�rez-Cabrera et al., 2021).

Posteriormente, se produce la difusi�n, cuando las mol�culas del adsorbato (ingredientes activos agr�colas) se difunden desde la fase fluida (gas o l�quido) hacia la superficie del adsorbente (biocarbono) para continuar con la adhesi�n debido a las fuerzas de atracci�n mencionadas. (Chanalata et al., 2022).

El equilibrio, se alcanza cuando la tasa de adsorci�n es igual a la tasa de desorci�n (la liberaci�n de las mol�culas del adsorbato de la superficie del adsorbente) una vez que se producido la adsorci�n f�sica (Fisisorci�n) que implica las fuerzas de Van der Waals y es generalmente reversible. La energ�a involucrada es relativamente baja, por lo que puede ocurrir a temperaturas bajas y, finalmente la adsorci�n qu�mica (Quimisorci�n) que, involucra enlaces qu�micos m�s fuertes, como enlaces covalentes, y es generalmente irreversible (lo que nos interesa en el caso de la biorremediaci�n). (Moreno-Riascos y Ghneim-Herrera, 2020).

Existen factores que afectan la adsorci�n, como la temperatura, cuando disminuye con el aumento de la temperatura, mientras que en la quimisorci�n aumenta hasta cierto punto con la temperatura. Debemos tomar en cuenta la presi�n, pues, existen insumos que tienden a la volatilizaci�n. En el caso de soluciones concentradas (varios fitof�rmacos), el adsorbato puede aumentar la adsorci�n hasta la saturaci�n cuando el �rea del adsorbente tiene mayor capacidad de adsorci�n. (Ch�vez-Garc�a, 2022).

El bio carbono, con su estructura y superficie rica en microporos, proporciona sitios de adsorci�n para los insumos agr�colas que, pueden adherirse f�sicamente mediante fuerzas de atracci�n, e interacciones hidrof�bicas, sin formar enlaces qu�micos, reduciendo la movilidad de contaminantes, evitando la contaminaci�n de aguas subterr�neas. Esto reduce el riesgo de contaminaci�n ambiental, protege la calidad del agua y estimula la actividad microbiana. (Mondrag�n-S�nchez et al., 2021).

En contraste con la adsorci�n f�sica, la qu�mica implica la formaci�n de enlaces qu�micos entre los insumos agr�colas y los grupos funcionales presentes en la superficie del bio carbono, como los grupos hidroxilo (-OH) y carboxilo (-COOH). Los insumos agr�colas pueden formar complejos qu�micos con estos grupos funcionales, lo que aumenta su retenci�n en el bio carbono. (De La Cruz, 2022).

 

Influencia del Bio Carbono en el intercambio i�nico

El intercambio i�nico es un proceso que regula la disponibilidad de nutrientes para las plantas mediante la absorci�n y liberaci�n de iones, como cationes (positivos) y aniones (negativos), por las part�culas del suelo, coloides y materia org�nica. Los cationes para las plantas incluyen el (Ca²⁺), (Mg²⁺), (K⁺), y los aniones incluyen el nitrato (NO^-3) y el fosfato (PO^-4). El intercambio i�nico influye en la disponibilidad de estos nutrientes para las plantas, as� como la capacidad de retenci�n de agua y estructura del suelo. Figura 3. (Middelanis, 2019).

 

 

 

Figura 3: Desorci�n del biocarbono, liberando los nutrientes adsorbidos en las arcillas

Autor: Santiago Mayorga

 

El bio carbono puede adsorber cationes y aniones en su superficie y retenerlos en el suelo, haciendo que est�n disponibles para las plantas. Puede desorber nutrientes cuando las condiciones del suelo cambian, liber�ndolos posteriormente; mediante un compuesto liberado de una superficie s�lida o previamente adsorbida, la desorci�n ocurre cuando un compuesto es retenido en la superficie de otro material. (Delgado et al., 2019).

La desorci�n es la liberaci�n de nutrientes previamente retenidos en el bio carbono o en las part�culas del suelo. Por ejemplo, cuando un nutriente como el calcio es adsorbido por el bio carbono o las arcillas del suelo, puede ser desorbido bajo condiciones, como cambios en el pH del suelo o la introducci�n de otros iones competidores. (Medina Orozco y Medina Orozco, 2018).

El bio carbono puede influir en el pH del suelo debido a sus propiedades alcalinas. Un aumento en el pH del suelo puede favorecer la desorci�n de cationes, como el Ca y el Mg, haci�ndolos m�s disponibles. Tambi�n puede aumentar la adsorci�n de aniones, como el fosfato que, puede reducir su disponibilidad en suelos alcalinos. (Escobar y Carlosama, 2021).

El bio carbono estabiliza nutrientes al formar complejos org�nico-minerales, esto ayuda a mantener una reserva de nutrientes disponibles para las plantas, mejorando la fertilidad del suelo, promoviendo mayor retenci�n de agua. Al reducir la lixiviaci�n de nutrientes y contaminantes, el bio carbono ayuda a proteger el agua previniendo la contaminaci�n ambiental. (Garc�a et al., 2023).

El bio carbono retiene nutrientes e iones en el suelo debido a su alta superficie espec�fica y carga superficial negativa. Aumenta la capacidad de retener nutrientes como el nitr�geno, el f�sforo y el potasio, reduciendo as� la necesidad de fertilizantes sint�ticos. (Lozano Reategui, 2023).

Desempe�a un papel crucial en el aumento de la Capacidad de Intercambio Cati�nico (CIC). Cuando se incorpora al suelo contaminado, act�a como un reservorio de nutrientes como Ca, Mg, K y otros. (Hern�ndez et al., 2024).

Tambi�n promueve la actividad microbiana, contribuyendo a la liberaci�n gradual de nutrientes. Los microorganismos interact�an con el bio carbono, descomponi�ndolo y liberando nutrientes adsorbidos en su estructura. (L�pez et al., 2020).

 

Tamizado molecular con bio carbono

El bio carbono, con su estructura porosa y alta �rea superficial, es un candidato ideal para el tamizado molecular en suelos agr�colas contaminados por insumos agr�colas. Esta capacidad de tamizado molecular permite que el bio carbono adsorba selectivamente los insumos agr�colas presentes en el suelo (Figura 4), atrap�ndolos en sus poros y cavidades y previniendo su lixiviaci�n y dispersi�n en el medio ambiente. (�lvarez Vargas, 2021).

 

Figura 4:� Biocarbono tamizando part�culas de potasio

Autor: Santiago Mayorga

 

El tama�o molecular de los insumos agr�colas puede ser un factor determinante en su adsorci�n por el bio carbono. Las mol�culas m�s grandes pueden ser excluidas f�sicamente de los poros m�s peque�os del bio carbono, lo que limita su capacidad de adsorci�n. El tama�o y la forma de los poros del bio carbono pueden influir en la adsorci�n. (Huerta De La Cruz, 2020).

La agricultura moderna enfrenta el desaf�o creciente de la contaminaci�n del suelo, lo que plantea serias preocupaciones para la seguridad alimentaria y el medio ambiente. En respuesta a esta crisis, el tamizado molecular utilizando bio carbono para la descontaminaci�n del suelo, puede revolucionar la restauraci�n del mismo. (Leveau et al., 2021).

El tamizado molecular con bio carbono puede reducir significativamente la concentraci�n de insumos agr�colas en el suelo, al eliminarlos, el bio carbono promueve la actividad microbiana beneficiosa y mejora la disponibilidad de nutrientes para los cultivos, como ya se ha mencionado oportunamente. (Aponte y Soledad-Rodr�guez, 2021).

 

Optimizaci�n de la retenci�n de agua con bio carbono

El bio carbono, con su estructura porosa, -como sabemos- puede retener agua y nutrientes en el suelo donde los insumos agr�colas han podido alterar las propiedades f�sicas y qu�micas del mismo. Esto puede resultar en la p�rdida de agua por escorrent�a y lixiviaci�n, con la respectiva consecuencia de p�rdida de disponibilidad de agua y degradaci�n del suelo. Figura 5.

 

Figura 5: Retenci�n de agua en la estructura porosa del biocarbono

Autor: Santiago Mayorga

 

Los suelos contaminados por insumos agr�colas tienden a tener una menor capacidad de retenci�n de agua debido a la degradaci�n de la estructura del suelo, la reducci�n de la infiltraci�n y la compactaci�n. (V�lez et al., 2022).

Al ser incorporado al suelo, el bio carbono act�a como una esponja, absorbiendo y reteniendo el agua en sus poros y cavidades, mejora la estructura del suelo al promover la formaci�n de agregados estables y la reducci�n de la compactaci�n, aumenta la infiltraci�n y, reduce la erosi�n. (Salom�n Barrezueta-Unda et al., 2022).

 

El papel del bio carbono en la estabilizaci�n de la materia org�nica

El bio carbono ayuda a aumentar la materia org�nica, mejorar su estructura y capacidad de retenci�n de nutrientes reduciendo su descomposici�n y p�rdida por procesos de mineralizaci�n. (Reyes-Moreno et al., 2020). La degradaci�n de la materia org�nica, ha llevado a la p�rdida de nutrientes y disminuci�n de la calidad del suelo. En este sentido el bio carbono puede utilizarse para estabilizar la materia org�nica. (Baltazar y Castro, 2020).

La materia org�nica es esencial para mantener la estructura y salud del suelo. Sin embargo, el monocultivo, el uso excesivo de agroqu�micos y la labranza intensiva, la degrada. Esto deriva en la p�rdida de nutrientes, disminuci�n de retenci�n de agua y erosi�n. (Lozano Reategui, 2023).

El bio carbono, cuando se incorpora al suelo, se libera lentamente, proporcionando un sustrato estable para la colonizaci�n microbiana y formaci�n de agregados ed�ficos. (Mondrag�n-S�nchez et al., 2021).

Al sostener mayor cantidad de materia org�nica, equilibra los balances f�sico qu�micos en el suelo, evita la escorrent�a superficial y sub superficial e impide que se afecte al recurso, por arrastre de materiales.(P�rez-Cabrera et al., 2021). El bio carbono aplicado directamente al suelo, mediante enmiendas org�nicas, en mezcla con fertilizantes de s�ntesis o, con una combinaci�n de los dos, contribuye a sostener sistemas de cultivo, incluyendo anuales, bianuales, perennes y sistemas agroforestales. (Escobar y Carlosama, 2021).

 

Estimulaci�n de la actividad microbiana

Proporciona un ambiente favorable para el crecimiento de microorganismos beneficiosos, como bacterias, hongos y consorcios microbianos y, la ciclizaci�n de nutrientes, aumenta la disponibilidad de nutrientes para las plantas. (�lvarez Vargas, 2021).

El bio carbono, promueve el crecimiento y propagaci�n de micro organismos como: Bacillus subtilis, Trichoderma harzianum, Pseudomonas fluorescens, Azospirillum brasilense, Rhizobium leguminosarum, Mycorrhizae (arbuscular mycorrhizal fungi), Streptomyces spp., Azotobacter vinelandii, Actinobacteria, Penicillium spp. Lactobacillus spp. Beauveria bassiana Nostoc spp. Bradyrhizobium japonicum, entre otras. (Huerta De La Cruz, 2020).

Estos organismos, desempe�an una variedad de funciones vitales en el suelo. Especialmente de la fijaci�n de nitr�geno, la mineralizaci�n de nutrientes y la degradaci�n de contaminantes; por supuesto, de la capacidad de transformaci�n de materiales del suelo en formas asimilables, como en el caso del f�sforo. Adem�s, los microorganismos del suelo contribuyen a la formaci�n de agregados como la agrupaci�n de la arena, limo y arcilla, retiene agua, mantiene una aireaci�n adecuada y libera nutrientes. (Stadler-Kaulich y Hernando Perteguer, 2018).

Con su estructura porosa y alta superficie espec�fica, proporciona un ambiente propicio para la colonizaci�n microbiana; como: bacterias, hongos, actinomicetos y otros. Estos microorganismos una vez en el suelo, se adaptan a las condiciones ambientales y comienzan a crecer y reproducirse, formando comunidades complejas. (Aponte y Soledad-Rodr�guez, 2021).

La degradaci�n microbiana o mineralizaci�n, implica una serie de reacciones bioqu�micas que transforman los compuestos org�nicos complejos en formas m�s simples que pueden ser utilizadas por otros organismos, incluidos los nutrientes disponibles para las plantas. (Ch�vez-Garc�a, 2022).

El proceso ocurre con una descomposici�n inicial, donde los microorganismos secretan enzimas extracelulares que rompen los pol�meros org�nicos complejos como la celulosa, la lignina, los l�pidos, las prote�nas y los carbohidratos en unidades m�s peque�as y solubles. Las reacciones clave incluyen la hidr�lisis, que es la ruptura de enlaces qu�micos mediante la adici�n de agua. (Leveau et al., 2021).

Luego, sucede la mineralizaci�n, en esta fase, los productos solubles son absorbidos por los microorganismos y convertidos en compuestos inorg�nicos simples como di�xido de carbono (CO₂), amon�aco (NH₃), agua (H₂O), y sales minerales. Este proceso involucra varias reacciones metab�licas dentro de los microorganismos como: la respiraci�n aer�bica, donde los microorganismos oxidan los compuestos org�nicos para obtener energ�a, liberando CO₂ y H₂O. (Medina Orozco y Medina Orozco, 2018).

A continuaci�n, ocurre la fermentaci�n en condiciones anaer�bicas, ciertos microorganismos descomponen los compuestos org�nicos en productos como �cidos org�nicos, alcoholes y gases como metano (CH₄) y CO₂. Despu�s, pasamos a la nitrificaci�n, aqu� el amon�aco producido durante la mineralizaci�n de prote�nas y �cidos nucleicos es oxidado por bacterias nitrificantes a nitrito (NO₂⁻) y luego a nitrato (NO₃⁻). (V�lez Aza�ero y Verona Falla, 2018).

Posteriormente, en correspondencia con las reacciones anteriores, pasan a la desnitrificaci�n, en condiciones anaer�bicas, los nitratos pueden ser reducidos a gases nitrogenados como el �xido nitroso (N₂O) y el nitr�geno molecular (N₂) por bacterias desnitrificantes. Esto, nos lleva, a la humificaci�n, mineralizaci�n, humificaci�n. Este proceso incluye la condensaci�n y polimerizaci�n de subproductos de la descomposici�n, que son m�s recalcitrantes a la degradaci�n microbiana. (Leveau et al., 2021).

Las reacciones bioqu�micas clave en este proceso son:

Hidr�lisis: R-O-R' + H₂O → R-OH + R'-OH (donde R y R' son grupos org�nicos).

Oxidaci�n-reducci�n: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energ�a (respiraci�n aer�bica).

Desaminaci�n: R-CH(NH₂)-COOH → R-CO-COOH + NH₃ (degradaci�n de amino�cidos).

Nitrificaci�n: NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻

Desnitrificaci�n: NO₃⁻ → NO₂⁻ → NO → N₂O → N₂

Como hemos visto, los microorganismos del suelo descomponen la materia org�nica en el suelo, liberando nutrientes esenciales disponibles para las plantas. El bio carbono proporciona un sustrato para estos microorganismos, acelerando el proceso de descomposici�n y mineralizaci�n de la materia org�nica. (Baltazar y Castro, 2020).

Algunos microorganismos del suelo son capaces de fijar nitr�geno atmosf�rico y convertirlo en formas disponibles. El bio carbono promueve la proliferaci�n de estos microorganismos reduciendo la necesidad de fertilizantes nitrogenados. (Soto Espinosa et al., 2023).

El mecanismo de fijaci�n biol�gica del nitr�geno, realizado por bacterias diazotr�ficas, poseen la enzima nitrogenasa, la fijaci�n de N convierte el N atmosf�rico (N₂), en amon�aco (NH₃). (Middelanis, 2019).

El proceso de fijaci�n biol�gica del nitr�geno ocurre en varias etapas, primero la asociaci�n de la bacteria con la planta hu�sped, como Azotobacter y algunas cianobacterias, estas realizan la fijaci�n de nitr�geno de manera independiente. En el caso de Rhizobium, estas forman n�dulos en las ra�ces de las leguminosas, estos llevar�n a cabo la fijaci�n de N. (P�rez-Cabrera et al., 2021).

Tambi�n por la producci�n y funcionamiento de la nitrogenasa, esta enzima, es un complejo enzim�tico sensible al ox�geno compuesto por dos prote�nas: la dinitrogenasa y la dinitrogenasa reductasa. La reacci�n catalizada por la nitrogenasa es altamente demandante de energ�a y requiere ATP y electrones. La reacci�n global de fijaci�n del nitr�geno se puede simplificar como: N₂ + 8H⁺ + 8e⁻ + 16ATP → 2NH₃ + H₂ + 16ADP + 16Pi

Otro mecanismo es la protecci�n de la nitrogenasa que, es extremadamente sensible al ox�geno, que puede inactivar la enzima. En las bacterias de vida libre, como Azotobacter, se utilizan prote�nas de alta afinidad por ox�geno y tasas respiratorias elevadas para consumir ox�geno r�pidamente. Adem�s, la leghemoglobina (una prote�na similar a la hemoglobina en la sangre) en los n�dulos captura el ox�geno y lo mantiene en niveles bajos. (�lvarez Vargas, 2021).

El amon�aco producido por la nitrogenasa, es r�pidamente asimilado por las plantas en forma de amino�cidos. En una relaci�n simbi�tica, la planta proporciona productos de fotos�ntesis (carbohidratos) a las bacterias, que son utilizados como fuente de energ�a para el proceso de fijaci�n de nitr�geno. (V�lez et al., 2022).

Ejemplos de bacterias de vida libre fijadoras de nitr�geno: Azotobacter, Clostridium, cianobacterias (como Anabaena, Nostoc). Bacterias simbi�ticas: Rhizobium (con leguminosas), Frankia (con plantas actinorr�cicas como Alnus). (Aponte y Soledad-Rodr�guez, 2021).

Los microorganismos del suelo pueden degradar una variedad de contaminantes, incluyendo insumos agr�colas, hidrocarburos y metales pesados. La degradaci�n se da por biotransformaci�n, los microorganismos transforman compuestos qu�micos en formas menos t�xicas a trav�s de procesos enzim�ticos. Por mineralizaci�n, los pesticidas y herbicidas se descomponen en (CO₂), agua (H₂O) y sales minerales. Las enzimas catalizan reacciones de oxidaci�n, reducci�n, hidr�lisis y conjugaci�n y, por co-metabolismo. (V�lez Aza�ero y Verona Falla, 2018).

La degradaci�n de hidrocarburos (petrol�feros), se da por bioaumentaci�n que, es la introducci�n de microorganismos espec�ficos que tienen la capacidad de degradar hidrocarburos. Ejemplos incluyen Pseudomonas, Bacillus y Mycobacterium. Por bioestimulaci�n, adicionando nutrientes (nitr�geno, f�sforo) y condiciones adecuadas (ox�geno, pH) para estimular el crecimiento de microorganismos nativos que pueden degradar hidrocarburos. (Aquije Ramos, 2019).

La enzima monooxigenasa introduce un �tomo de ox�geno en el hidrocarburo, comenzando la oxidaci�n y posterior descomposici�n. Finalmente, por metabolismo aer�bico y anaer�bico, en ambientes aer�bicos, los hidrocarburos se degradan a trav�s de la respiraci�n celular, produciendo CO₂ y agua, mientras que, en ambientes anaer�bicos, se utilizan rutas diferentes como la reducci�n de sulfato o la metanog�nesis. (Stadler-Kaulich y Hernando Perteguer, 2018).

La degradaci�n de metales pesados por microorganismos estimulados baja la presencia de biocarbono tiene cuatro etapas fundamentales. Primero por biosorci�n donde los microorganismos adsorben metales pesados a trav�s de enlaces i�nicos y covalentes. Las paredes celulares de bacterias, hongos y algas contienen grupos funcionales (como carboxilos, hidroxilos y amino) que se unen a los metales. Segundo, la bioacumulaci�n, con microorganismos que incorporan metales pesados en sus c�lulas mediante sus ves�culas o mediante prote�nas de uni�n espec�ficas como metalotione�nas. (Baltazar y Castro, 2020).

Tercero, por biotransformaci�n los microorganismos transforman los metales en formas menos t�xicas o m�s inmovilizadas. Por ejemplo, la Fitorremediaci�n asistida por microorganismos, las plantas, en simbiosis con microorganismos, pueden extraer metales pesados del suelo. Las bacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR) facilitan este proceso. (Segura-Chavarr�a, 2018).

 

Influencia del biocarbono con el pH del suelo

El biocarbono influye en el pH del suelo mediante la neutralizaci�n de �cidos a trav�s de reacciones qu�micas con minerales b�sicos que contiene, tales como carbonatos, bicarbonatos, �xidos y silicatos de calcio, potasio, magnesio y sodio. (Salom�n Barrezueta-Unda et al., 2022).

 

Neutralizaci�n de �cidos por carbonatos y bicarbonatos

Carbonato de Calcio (CaCO₃):

Cuando este se disuelve en el agua del suelo, puede reaccionar con los �cidos presentes (principalmente �cido carb�nico formado por CO₂ disuelto):

CaCO₃ + H₂CO₃ �> Ca²⁺ + 2HCO^-₃

El ion bicarbonato (HCO₃⁻) puede neutralizar los protones (H⁺), reduciendo la acidez:

HCO^-₃ + H⁺ �> H₂O + CO₂

Mediante el bicarbonato de potasio (KHCO₃):

De manera similar, el bicarbonato de potasio puede disociarse y reaccionar con �cidos:

KHCO₃ + H⁺ �> K⁺ + H₂O + CO₂

 

Neutralizaci�n de �cidos por �xidos

�xido de calcio (CaO): Este reacciona con el agua para formar hidr�xido de calcio:

CaO + H₂O �> Ca(OH)₂

El hidr�xido de calcio puede neutralizar protones en el suelo:

Ca(OH)₂ �> Ca²⁺ + 2OH^-

OH^- + H⁺ �> H₂O

�xido de Magnesio (MgO): Este reacciona con agua para formar hidr�xido de magnesio:

MgO + H₂O �> Mg(OH)₂

El hidr�xido de magnesio neutraliza los protones:

Mg(OH)₂ Mg²⁺ + 2OH^-

OH^- + H⁺ �> H₂O

 

Reacciones con Silicatos

Silicato de Sodio (Na₂SiO₃):

Los silicatos pueden disolverse en agua y neutralizar �cidos mediante la formaci�n de �cido sil�cico.

Na₂SiO₃ + 2H⁺ �> 2Na⁺ + H₂SiO₃

 

Mecanismos de Acci�n

Estas reacciones se producen cuando el biocarbono es aplicado al suelo y se disuelve en la humedad presente. Los minerales alcalinos liberan iones que interact�an con los protones (H⁺) del suelo, neutralizando la acidez. La reacci�n con �cidos en el suelo libera agua y di�xido de carbono (CO₂), lo que reduce la concentraci�n de protones libres y, por lo tanto, incrementa el pH del suelo. (Santamaria y Rossignoli, 2021).

El biocarbono, puede mejorar la capacidad de intercambio cati�nico del suelo, lo que significa que puede adsorber y retener m�s cationes (como Ca�⁺, Mg�⁺, K⁺) que pueden neutralizar la acidez del suelo. Una mayor CEC puede estabilizar el pH del suelo al proporcionar una reserva de cationes b�sicos que pueden intercambiarse con iones de hidr�geno (H⁺) en soluci�n.(SALAS POZO, 2023).

El biocarbono, puede actuar como un buffer, moderando los cambios de pH en el suelo. Esto se debe a su estructura porosa y su alta superficie espec�fica, que permite adsorber y liberar iones de manera controlada. Esto ayuda a mantener un pH m�s estable, resistiendo fluctuaciones bruscas debidas a la aplicaci�n de fertilizantes o la lixiviaci�n de nutrientes. (Carri�n S�nchez y Huaman Olmos, 2021).

Algunos microorganismos pueden producir compuestos alcalinos como amon�aco (NH₃) durante la descomposici�n de la materia org�nica, contribuyendo a aumentar el pH del suelo. En suelos �cidos, la solubilidad de metales t�xicos como aluminio (Al�⁺) puede ser alta, lo que contribuye a la acidez del suelo. El biocarbono puede adsorber estos metales, disminuyendo su disponibilidad y toxicidad, lo que indirectamente puede aumentar el pH del suelo. (Moreno-Riascos y Ghneim-Herrera, 2020).

El efecto espec�fico del biocarbono en el pH del suelo depender� de su origen y proceso de producci�n, la cantidad aplicada, las caracter�sticas iniciales del suelo (pH, textura y contenido de materia org�nica) y, condiciones ambientales (H^o y T^o del suelo). En suelos �cidos, la aplicaci�n de biocarbono tiende a elevar el pH, mientras que, en suelos neutros o alcalinos, el impacto puede ser menos significativo o incluso neutral.(Ch�vez-Garc�a, 2022).

 

Reducci�n de la lixiviaci�n y la escorrent�a

Mecanismos de Reducci�n de Lixiviaci�n

Como hemos visto, el biocarbono tiene una estructura porosa que aumenta la capacidad del suelo para retener agua. El agua se infiltra m�s lentamente y se almacena en el suelo, lo que reduce la cantidad de agua que se mueve a trav�s del perfil del suelo y lleva consigo nutrientes solubles. Al incorporar biocarbono, se crea una estructura m�s estable que favorece la retenci�n de agua y la infiltraci�n en lugar de la lixiviaci�n. Los agregados del suelo con biocarbono son m�s resistentes a la disgregaci�n por el agua.(De La Cruz, 2022).

El biocarbono tiene una alta capacidad de adsorci�n debido a su gran superficie espec�fica y su carga negativa. Esto permite que los nutrientes, como el nitrato y el fosfato, se adhieran a la superficie del biocarbono, lo que reduce su movilidad y la posibilidad de lixiviaci�n. (Leveau et al., 2021).

 

Mecanismos de Reducci�n de la Escorrent�a

La estructura porosa del biocarbono mejora la capacidad del suelo para absorber el agua de lluvia. Esto aumenta la tasa de infiltraci�n y reduce el volumen de agua superficial que se convierte en escorrent�a. Mejora la porosidad del suelo, disminuye la compactaci�n permitiendo una mayor infiltraci�n de agua y menos escorrent�a. El biocarbono estabiliza la superficie del suelo, reduce la erosi�n y la formaci�n de canales que aumentan la escorrent�a. (Aquije Ramos, 2019).

 

Beneficios Combinados

Estos mecanismos combinados resultan en un suelo m�s estructurado y con una mayor capacidad para retener agua y nutrientes. Esto no solo mejora la eficiencia del uso del agua y los nutrientes en el suelo, sino que tambi�n disminuye el impacto ambiental negativo asociado con la lixiviaci�n de nutrientes a los cuerpos de agua subterr�neos y la escorrent�a superficial que puede causar erosi�n y contaminaci�n de las aguas superficiales. (Stadler-Kaulich y Hernando Perteguer, 2018).

 

Conclusiones

El estudio minucioso de la literatura cient�fica relacionada con el uso de bio carbono en la bio remediaci�n de suelos agr�colas contaminados por insumos agr�colas revel� una serie de hallazgos significativos y tendencias emergentes que tienen importantes implicaciones para la pr�ctica agr�cola y la gesti�n ambiental.

La literatura cient�fica proporciona evidencia s�lida de que el bio carbono puede ser una herramienta efectiva para la bio remediaci�n de suelos agr�colas contaminados por insumos agr�colas. Numerosos estudios han demostrado que la aplicaci�n de bio carbono puede conducir a una reducci�n significativa en los niveles de contaminaci�n por insumos agr�colas en el suelo, mejorando as� la calidad del suelo y promoviendo un entorno m�s saludable para el crecimiento de los cultivos.

Se ha demostrado que el bio carbono influye en la degradaci�n y mitigaci�n de los insumos agr�colas en el suelo a trav�s de una variedad de mecanismos subyacentes. Estos incluyen la adsorci�n de insumos agr�colas en la superficie del bio carbono, la estimulaci�n de la actividad microbiana en el suelo, y la mejora de la calidad f�sica y qu�mica del suelo, todos los cuales contribuyen a la reducci�n de la disponibilidad y la toxicidad de los insumos agr�colas en el suelo.

La aplicaci�n de bio carbono tambi�n se ha asociado con mejoras en la actividad microbiana del suelo, la adsorci�n de contaminantes y la calidad general del suelo en sistemas agr�colas contaminados. Estos efectos positivos pueden tener importantes implicaciones para la salud y la productividad a largo plazo de los sistemas agr�colas, contribuyendo a la sostenibilidad y la resiliencia de la agricultura.

A pesar de los avances significativos en la investigaci�n sobre el uso de bio carbono en la bio remediaci�n de suelos agr�colas contaminados por insumos agr�colas, a�n existen lagunas en nuestro conocimiento que requieren atenci�n adicional. Se necesitan m�s estudios para comprender mejor los mecanismos subyacentes de acci�n del bio carbono, as� como para evaluar su efectividad en una variedad de condiciones ambientales y agron�micas. Se recomienda que futuras investigaciones se centren en abordar estas lagunas y proporcionar orientaci�n para mejorar las pr�cticas de bio remediaci�n en la agricultura.

Los hallazgos de este estudio destacan el potencial del bio carbono como una herramienta prometedora para la bio remediaci�n de suelos agr�colas contaminados por insumos agr�colas. Al continuar investigando y desarrollando en este campo, podemos avanzar hacia pr�cticas agr�colas m�s sostenibles y mitigar los impactos negativos de la contaminaci�n por insumos agr�colas en el medio ambiente y la salud humana.

 

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