Desarrollo de un bioinoculante acelerante de procesos de compostaje

Teniendo en cuenta la apremiante situación de contaminación ambiental a causa de la generación de residuos sólidos orgánicos a nivel mundial (aproximadamente el 60% de los residuos totales), por el aumento de la población y el desarrollo industrial, en el 2015 durante la versión 21° de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (COP21), 195 naciones llegaron a un acuerdo universal para reducir las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI). El reporte de Colombia presentado para la COP 21, responsabiliza al país del 0.46% de las emisiones de GEI a nivel global, según datos de 2010, las cuales pueden aumentar cerca del 50% en 2030 si no se toman las medidas pertinentes. A pesar de contribuir con un porcentaje bajo a nivel mundial, las emisiones acumuladas entre 1990 y 2012 sitúan a Colombia entre los 40 países con mayor responsabilidad histórica en la generación de emisiones de GEI 27. Según el Primer Informe Bienal de Actualización de Colombia, las principales fuentes de generación de emisiones de GEI son los sectores industriales y de energía y la generación de residuos orgánicos que incluye el sector agrícola. Debido a esto, Colombia se comprometió en la COP 21, en reducir en un 20% las emisiones frente a la proyección para el 2030. Para alcanzar esta meta, se desarrollaron ocho Planes de Acción Sectorial (PAS), dentro de los cuales se encuentra el manejo de residuos sólidos orgánicos, su aprovechamiento y gestión adecuada3. Por otro lado, en la cumbre de las Naciones Unidas se aprobaron 17 objetivos de desarrollo sostenible (ODS), en los cuales se hace énfasis principalmente a los relacionados con la gestión de residuos sólidos. Para cumplir con los ODS y los compromisos adquiridos en la COP 21, Colombia definió algunas metas para el 2030 en materia de gestión de residuos sólidos, en donde se incluye el concepto de aprovechamiento 7.Bajo este escenario, se han planteado varias alternativas para la disposición y aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos, dentro de las que se ha considerado el compostaje como una de las más adecuadas: el compostaje, ya que permite la transformación de residuos en recursos renovables, por la presencia de una fracción orgánica (C:N), que puede generar un producto estable con mayor cantidad de materia orgánica utilizable y libre de patógenos, para ser utilizado como enmienda orgánica en cultivos agrícolas 29. El compostaje es un proceso biológico oxidativo, basado en la actividad catalítica de los organismos presentes en el medio ambiente, que involucra la descomposición biológica y estabilización de sustratos orgánicos, a través de las actividades enzimáticas y metabólicas de macro y microorganismos. Estos pueden ser: levaduras, bacterias, hongos, parásitos, macroinvertebrados (la mayoría insectos) y nemátodos, entre otros. En general numerosas especies trabajan de manera sinérgica y complementaria en el proceso de degradación de la materia orgánica, gracias a que su origen animal o vegetal, proporciona los sustratos a partir de  las macromoléculas de estos desechos orgánicos como lignocelulosa, proteínas, lípidos y almidón entre otros (33, 6, 14, 31), necesarios para el desarrollo y crecimiento de estos diferentes organismos, los cuales a su vez contribuyen a la aceleración de la mineralización y transformación de la materia orgánica, en ácidos húmicos y fúlvicos y abono orgánico conocido como compost (22, 23, 31) .  Dichos organismos pueden ser aplicados al proceso de compostaje en los llamados inoculantes biológicos (18, 28, 20). Estos pueden mejorar la degradación de compuestos orgánicos, ya que aumentan la población microbiana y por ende, aceleran el proceso de compostaje, es decir, requiere menos tiempo en la producción del compost, lo que permite aumentar en primer instancia, el flujo del manejo de materia orgánica en las plantas de tratamiento de residuos sólidos y en segundo lugar, permite obtener un producto de mejor calidad nutricional ADDIN CSL_CITATION {"citationItems":[{"id":"ITEM-1","itemData":{"DOI":"10.1007/s40093-014-0072-0","ISBN":"4009301400720","ISSN":"22517715","abstract":"? 2014, The Author(s).Background: The effects of microbial inoculation with two commercial inoculants and mature compost on the composting of household organic wastes were investigated using five 200-L passive aeration compost bins. Food scraps and dry leaves (1.6?kg total) with a ratio of 1:0.14 (wet weight) were added to each bin once a day, for 60?days, and then further composted for an additional 94?days. The temperature in each bin was recorded daily. Weekly to biweekly, a composite sample of the compost from each bin was analyzed. Results: The C/N ratios of composts in the un-seeded and seeded bins stabilized at 81?days and 67?74?days, respectively. The highest volatile solid mass reduction was achieved in the bin seeded with 5?% mature compost. Conclusions: The study revealed that it might not be necessary to add commercial inoculants to facilitate composting of household organic waste. Mature compost can be used as a seed starter to improve composting.","author":[{"dropping-particle":"","family":"Karnchanawong","given":"Somjai","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Nissaikla","given":"Siriwan","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""}],"container-title":"International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture","id":"ITEM-1","issue":"4","issued":{"date-parts":[["2014"]]},"page":"113-119","title":"Effects of microbial inoculation on composting of household organic waste using passive aeration bin","type":"article-journal","volume":"3"},"uris":["http://www.mendeley.com/documents/?uuid=b91c2864-a6f2-4d6a-880e-37a78a70f2f3"]}],"mendeley":{"formattedCitation":"(Karnchanawong & Nissaikla, 2014)","manualFormatting":"(Karnchanawong & Nissaikla, 2014","plainTextFormattedCitation":"(Karnchanawong & Nissaikla, 2014)","previouslyFormattedCitation":"(Karnchanawong & Nissaikla, 2014)"},"properties":{"noteIndex":0},"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"}(27; 18; 35). Teniendo en cuenta esta inminente necesidad de hacer más eficiente la producción de compost, en la Facultad de Ciencias de la Pontificia Universidad Javeriana (PUJ), desde el año 2005, se ha venido trabajando en la producción de un bioinoculante para acelerar procesos de compostaje, compuesto por dos bacterias: Bacillus licheniformis CMPUJ 453 y Bacillus sp. CMPUJ 452, con actividad amilolítica y proteolítica respectivamente, con el cual se alcanzaron importantes resultados frente a la disminución en el tiempo de compostaje y la calidad del compost obtenido 32, sin embargo, teniendo en cuenta como se mencionó anteriormente, que realmente la mayor eficiencia en la degradación de residuos orgánicos se alcanza en la medida que se promueva ese engranaje entre los diferentes géneros y especies de micro y macroorganismos, en los últimos 3 años en los trabajos de investigación del proceso de compostaje, además del bioinoculante bacteriano, se incluyó la aplicación del hongo Talaromyces sayulitensis HC1, con actividad celulolítica para permitir una mayor disponibilidad de fuentes de carbono y los nematodos entomopatógenos de Steinernema sp. y Heterorhabditis sp., para contribuir también al proceso de degradación de los residuos y como un valor agregado, el control de dípteros durante el proceso de compostaje teniendo en cuenta que se puede observar la presencia de pupas y larvas de moscas, cuyo efecto puede causar enfermedades a nivel humano y animal e interacciones negativas a nivel ambiental23. Con esta estrategia se aumentó la eficiencia del proceso, representada en la disminución del tiempo en 15 días frente a las condiciones tradicionales 20.Aún así y a pesar a la eficiencia demostrada por el bioinoculante, surge un problema a resolver y es que la vida útil o también llamada vida en anaquel del bioinoculante bacteriano, es solamente de 2 meses, lo cual, es desfavorable para su estabilidad y posible comercialización, ya que este tiempo debe ser mínimo de 6 meses para ser competitivo en el mercado de biológicos de esta naturaleza.  Considerando que se trata de bacterias del género Bacillus, que por sus características de género son capaces de formar esporas, estructuras de resistencia que le permiten sobrevivir a condiciones extremas de temperatura, estrés ambiental o de limitación nutricional, se considera necesario optimizar un medio de cultivo que estimule la producción de la fase de dormancia (formación de esporas), para que el período de expiración del producto pueda ser más prolongado, teniendo en cuenta la resistencia de las esporas en el tiempo a condiciones adversas (16, 8).  El diseño y optimización de un medio de cultivo permite establecer qué fuentes de carbono y nitrógeno puedes ser empleadas, así como, la limitación intencional de estos nutrientes y otros micronutrientes esenciales. Esto ha sido utilizado para la producción de altas concentraciones de esporas y síntesis de metabolitos de uso comercial como las enzimas, para uso en investigación y aplicación industrial; sin embargo, existen otros factores como el pH, la aireación, la temperatura y la densidad celular que se deben tener en cuenta a la hora de la producción de esporas. Un medio de cultivo químicamente definido permitiría regular parámetros como el crecimiento y la esporulación; permitiendo la obtención de lotes homogéneos y reproducibles e igualmente, reducir los costos de producción. La optimización de estos medios tiene como objetivo obtener un máximo rendimiento de esporas por gramo de sustrato consumido (31). Sin embargo, no existe información acerca de un medio de cultivo específico para la producción de esporas de Bacillus licheniformis. Es por esto que se hace necesario realizar el diseño y la optimización de un medio de cultivo químicamente definido para la producción de esporas, en donde se conozcan las distintas fuentes de carbono y de nitrógeno a emplear, así como sus concentraciones. El diseño y optimización del medio de cultivo es clave en el desarrollo de un bioproceso para obtener una alta densidad de esporas, ya que se ha demostrado que las fuentes nutricionales (como fuente de carbono o nitrógeno), influyen en el crecimiento del microorganismo y en la producción de esporas ADDIN CSL_CITATION {"citationItems":[{"id":"ITEM-1","itemData":{"DOI":"10.1021/bp050062z","ISBN":"8756-7938","ISSN":"87567938","PMID":"16080679","abstract":"Bacillus subtilis spores have a number of potential applications, which include their use as probiotics and competitive exclusion agents to control zoonotic pathogens in animal production. The effect of cultivation conditions on Bacillus subtilis growth and sporulation was investigated in batch bioreactions performed at a 2-L scale. Studies of the cultivation conditions (pH, dissolved oxygen concentration, and media composition) led to an increase of the maximum concentration of vegetative cell from 2.6 x 10(9) to 2.2 x 10(10) cells mL(-)(1) and the spore concentration from 4.2 x 10(8) to 5.6 x 10(9) spores mL(-)(1). A fed-batch bioprocess was developed with the addition of a nutrient feeding solution using an exponential feeding profile obtained from the mass balance equations. Using the developed feeding profile, starting at the middle of the exponential growth phase and finishing in the late exponential phase, an increase of the maximum vegetative cell concentration and spore concentration up to 3.6 x 10(10) cells mL(-)(1) and 7.4 x 10(9) spores mL(-)(1), respectively, was obtained. Using the developed fed-batch bioreaction a 14-fold increase in the concentration of the vegetative cells was achieved. Moreover, the efficiency of sporulation under fed-batch bioreaction was 21%, which permitted a 19-fold increase in the final spore concentration, to a final value of 7.4 x 10(9) spores mL(-)(1). This represents a 3-fold increase relative to the highest reported value for Bacillus subtilis spore production.","author":[{"dropping-particle":"","family":"Monteiro","given":"Sandra M.","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Clemente","given":"João J.","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Henriques","given":"Adriano O.","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Gomes","given":"Rui J.","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Carrondo","given":"Manuel J.","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""},{"dropping-particle":"","family":"Cunha","given":"António E.","non-dropping-particle":"","parse-names":false,"suffix":""}],"container-title":"Biotechnology Progress","id":"ITEM-1","issue":"4","issued":{"date-parts":[["2005"]]},"page":"1026-1031","title":"A procedure for high-yield spore production by Bacillus subtilis","type":"article-journal","volume":"21"},"uris":["http://www.mendeley.com/documents/?uuid=8f562435-8d21-38cd-99bc-27bef559cd06"]}],"mendeley":{"formattedCitation":"(Monteiro et al., 2005)","manualFormatting":"(Monteiro et al., 2005,","plainTextFormattedCitation":"(Monteiro et al., 2005)","previouslyFormattedCitation":"(Monteiro et al., 2005)"},"properties":{"noteIndex":0},"schema":"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-citation.json"}(26, 19, 21, 33). Por otro lado, se debe tener en cuenta un aspecto importante para dar solución a esta problemática del tiempo de estabilidad del bioinoculante acelerante PUJ, y este es la formulación del producto generado, ya que el desempeño en campo de un bioinoculante así como su estabilidad durante la producción, distribución, almacenamiento y uso, son las principales barreras en el desarrollo y comercialización de estos productos (27).  Por este motivo, el mayor reto en formulación de bioinoculantes consiste en seleccionar cuidadosamente el vehículo y los aditivos que ayudan en la estabilización y protección de las células microbianas durante el almacenamiento, el transporte y la aplicación en el campo. Adicionalmente, la formulación debe ser fácil de manejar para que pueda ser enviada al sitio objetivo de la manera y forma más apropiada, así como proteger al ingrediente activo de los factores ambientales y mantener o mejorar la actividad en el campo (16). Los polvos para aplicación en seco o dispersables en agua, son los principales tipos formulación para la comercialización de bioinoculantes. Sin embargo, en los últimos años las emulsiones han sido una alternativa interesante debido a su facilidad de aplicación y esparcimiento en campo así como, la posibilidad de emplear aditivos amigables ambientalmente aumentando la estabilidad de los ingredientes activos en las diferentes etapas de producción y uso del producto (4).  De acuerdo con lo mencionado anteriormente, es pertinente diseñar y optimizar un medio de cultivo para la producción de esporas de Bacillus licheniformis CMPUJ 453 y Bacillus sp. CMPUJ 452, debido a su capacidad metabólica para llevar a cabo el proceso de degradación de desechos orgánicos y así mismo, diseñar y optimizar la formulación del producto obtenido que permita su estabilidad en el tiempo y su eficiencia en campo.