"Viabilidad del uso combinado de la espectroscopía NIRS, espectroscopía de infrarrojo FT?IR y Resonancia Magnética Nuclear (RMN) en la evaluación de residuos orgánicos frescos y compostados"

Resumen

La generación de residuos orgánicos se está incrementando en los últimos años. Dichos residuos orgánicos pueden ser aplicados a suelos agrícolas, ya sea mediante aplicación directa (como ocurre con los lodos de depuradora) o previa estabilización del residuo, por ejemplo, mediante compostaje. Previamente al uso de dichos residuos es importante conocer su naturaleza, lo que es normalmente complejo y caro. Pero mediante diferentes técnicas instrumentales se puede conocer la naturaleza del residuo o compost de forma rápida y precisa, optimizando de esta manera la gestión de los residuos orgánicos, así como el propio proceso de compostaje de residuos. Una de las técnicas utilizadas fue la espectroscopía de absorción en el infrarrojo mediante transformada de Fourier (FT-IR), técnica que aporta información importante sobre el proceso de transformación y maduración de la materia orgánica durante el compostaje. La segunda de las técnicas utilizadas fue la espectroscopía de absorción en el infrarrojo cercano (NIRS) con la que es posible realizar un análisis predictivo en muy poco tiempo, pudiendo cuantificar parámetros o propiedades de interés sin necesidad de recurrir a las típicas determinaciones de laboratorio, además de poder monitorizar el proceso de compostaje mediante estimaciones incluso a diario. La última de las técnicas utilizadas fue la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, ya que la información que proporciona es muy valiosa para poder evaluar la calidad y el grado de madurez de un compost, información difícil de obtener por otras técnicas. Con el objetivo de evaluar la viabilidad del uso combinado de estas técnicas en la evaluación de la calidad y aplicabilidad de residuos orgánicos frescos y compostados, se realizaron cuatro experimentos. En el primero de ellos se comprobó la efectividad de la espectroscopía NIRS en la evaluación rápida del contenido en nitrógeno en lodos de depuradoraLos resultados obtenidos señalaron que la técnica NIRS puede ser usada para estimar el contenido en nitrógeno total en muestras de lodos de depuradora con gran precisión, aportando un análisis de predicción rápido, con bajos errores de estimación. La mejor opción para esta estimación fue obtenida usando el modelo de calibración por regresión lineal múltiple, utilizando la absorbancia como señal, con coeficientes de correlación superiores a 0,95 para ambas técnicas de análisis de nitrógeno. En el segundo estudio, se evaluó la viabilidad de la espectroscopía NIRS para estimar determinados parámetros asociados al proceso de compostaje (pH, conductividad eléctrica, contenido en materia orgánica total y carbono orgánico total y la relación carbono/nitrógeno), el contenido en macronutrientes (nitrógeno, fósforo y potasio) y el contenido en elementos potencialmente tóxicos (hierro, cobre, manganeso y zinc) en muestras de composts elaborados con mezclas de residuos agroindustriales y residuos agrícolas, urbanos o ganaderos. Usando el modelo de regresión por mínimos cuadrados parciales, se obtuvieron coeficientes de determinación superiores a 0,90 para pH, conductividad eléctrica, materia orgánica total, carbono orgánico total hierro y manganeso, así como coeficientes entre 0,85 y 0,89 para el resto de parámetros. Por tanto, la técnica NIRS fue efectiva para estimar dichos parámetros. En el tercero de los experimetos, se estudió la dinámica del fósforo durante el compostaje de residuos procedentes de las industrias vinícola y alcoholera mediante resonancia magnética nuclear y estimando tanto el fósforo total como las diferentes formas de fósforo durante el compostaje mediante la señal obtenida con la técnica NIRS y el uso de un modelo matemático de estimación mediante regresión por señal penalizada. De esta manera, se pudo tener en cuanta el tiempo de compostaje en dichas estimaciones, aspecto que pasa desaparcibido mediante otros modelos de regresión. Se comprobó que la combinación propuesta entre la espectroscopía en el infrarrojo cercano y la regresión por señal penalizada es una herramienta sencilla y prometedora para estimar el contenido en fósforo así como su transformación durante el compostaje, obteniendo mejores estimaciones que con el típico modelo de regresión por mínimos cuadrados parciales usado normalmente para este objetivo. En el cuarto experimento se evaluaron los cambios que se producen en la materia orgánica durante el proceso de compostaje, empleando técnicas clásicas y diferentes herramientas quimiométricas aplicadas a la espectroscopía de resonancia magnétcia nuclear y la espectroscopía de absorción en el infrarrojo. Mediante dichas técnicas se apreció un aumento de proteínas y estructuras alifáticas conforme avanzó el proceso de compostaje, así como los diferentes procesos de descomposición ocurridos. Posteriormente, mediante algoritmos quimiométricos se localizaron las regiones de los espectros de RMN y FT-IR que muestran una relación con el tiempo de compostaje, por lo que la utilización de dichas técnicas permitió monitorizar y evaluar la evolución de la materia orgánica durante el proceso de compostaje, además de obtener información cuantitativa óptima a partir de los datos espectroscópicos mediante técnicas quimiométricas.