Introducción

En México, en 2014 se contaba con un registro de 2337 plantas de tratamiento de agua residual (PTAR), lo cual permitió una cobertura nacional en el tratamiento de aguas residuales municipales de 52.7% (^{CONAGUA, 2014}). En Gómez Palacio, Durango se cuenta con 11 PTAR de las que destacan dos por su capacidad de tratamiento, con 500 L s^-1 mediante lodos activados y 100 L s^-1 por lagunas de estabilización (^{CONAGUA, 2014}). Durante estos procesos se genera un subproducto llamado lodo residual. Los lodos son sometidos a procesos de estabilización microbiológica, entre ellos se encuentran los mecánicos (secado térmico, al sol o al aire), los químicos (adición de cal o aluminio) y los biológicos (digestión anaeróbica o aeróbica) (^{Rigby et al., 2016}).

El tipo de manejo de la estabilización limita en algunos casos la disponibilidad de nutrientes (^{Smith et al., 1998}; ^{Morris et al., 2003}; ^{Pu et al., 2008}). En la búsqueda de reducir los efectos negativos al ambiente por la exposición a los lodos residuales, existen diversas alternativas para su disposición, desde depositarlos en rellenos sanitarios, incinerarlos o utilizarlos en la producción agrícola (^{Figueroa-Viramontes et al., 2010}). Aplicar los biosólidos a suelos agrícolas es el método de disposición más económico y ecológico por el reciclaje de la materia orgánica (MO) y nutrientes como nitrógeno (N) fosforo (P) y potasio (K) (^{Kumar et al., 2014}). El grado de humificación de la MO y el estado de mineralización de los nutrientes incide sobre la fertilidad del suelo y el desarrollo de los cultivos ( ^{Pritchard et al., 2010}; ^{Lu et al., 2012}).

Después de la MO, el N es el componente más abundante en los biosólidos, este elemento es también el nutriente de mayor demanda por parte de los cultivos. La mineralización del N es el proceso biológico por el que el N orgánico es transformado a las formas inorgánicas como amonio (NH₄ ⁺), nitrato (NO₃ ^-) y nitrito (NO₂ ^-), lo que lo hace disponible para las plantas y los microorganismos del suelo (^{Bettiol y Camargo, 2008}).

Diversos estudios han demostrado que el uso de biosólidos tiene un efecto positivo sobre los cultivos. ^{Flores-Félix et al. (2014}) obtuvieron un mayor rendimiento de materia seca (MS) con la aplicación de biosólidos, con respecto al uso de fertilizante sintético. ^{Shaheen y Tsadilas (2013}) reportaron que la aplicación de biosólidos aumenta la biomasa en canola. No obstante, el uso excesivo de biosólidos puede generar problemas ambientales, por ello la necesidad de hacer un uso racional de los mismos. Uno de los criterios utilizados para calcular la dosis de biosólidos a aplicar, es evaluar la cantidad de N disponible para el cultivo (NDC) (^{Silva et al., 2013}). Sin embargo, la agencia de protección ambiental de Estados Unidos de América por sus siglas en inglés (US-EPA), establece que las dosis de aplicación de biosólidos, expresadas en kg ha^-1 de N, no debe exceder el requerimiento de N por el cultivo (RNC) (^{USEPA), 1994}).

El NDC a partir de los biosólidos se puede estimar mediante diferentes metodologías (^{Mamo et al., 1999}; ^{Torstensson y Aronsson, 2000}; ^{Pu et al., 2008}). Uno de los métodos es a partir de la equivalencia de fertilizante; ésta se calcula partiendo de la respuesta del cultivo (en términos de rendimiento o extracción de N) a dosis crecientes de N en los biosólidos y el N inorgánico del fertilizante (^{Barbarick e Ippolito, 2007}).

La Higuerilla (Ricinus communis L.) es una especie de la familia Euphorbiaceae de importancia económica por su contenido de aceite. El aceite de su semilla puede alcanzar un rendimiento de hasta 64.5% (^{González-Chávez et al., 2015}).

La adaptación ecológica que tiene R. communis a factores bióticos como abióticos (Bauddh y Singh, 2012) la hace una especie atractiva, en particular, para zonas con baja disponibilidad de agua. Un factor importante es que el cultivo de higuerilla es industrial, y no entra en la cadena trófica, (Rajkumar y Freitas, 2008) por lo que su producción no compite en la alimentación.

Aunque es importante destacar, que en la estabilización de los lodos crudos que se utilizan para producir los biosólidos pueden afectar la disponibilidad de N y otros nutrientes la información sobre el NDC mediante el uso de biosólidos es escasa; por lo tanto, el objetivo de este estudio fue determinar la disponibilidad de N para el cultivo de Higuerilla (Ricinus communis L.) a base de dos tipos de biosólidos.

Materiales y métodos

Resultados

La materia seca (MS) mostró diferencia significativa entre el testigo y los tratamientos nitrogenados (p< 0.01); sin embargo, al comparar entre tipo de fertilizante la diferencia estadística no fue representativa (Cuadro 3).

El mayor porcentaje de MS con base en los diferentes órganos de la planta corresponde a las hojas, con una variación de 33 a 45%, seguido por la semilla (de 19 a 32%), siendo la raíz el órgano con una menor proporción de MS (9.5-15%) (Figura 1).

Figura 1 Materia seca de los diferentes órganos de higuerilla, en los diferentes tratamientos con sulfato de amonio (SA), biosólidos de lagunas de oxidación (BLO) y biosólidos de lodos activados (BLA) a diferentes dosis (0, 67, 100 y 133% del requerimiento de N del cultivo). 

Se observó un comportamiento cuadrático del rendimiento de MS a las dosis de SA (R²= 0.60), de los BLA (R²= 0.7) y de los BLO (R²= 0.51). Con las ecuaciones de regresión (y= ax² + bx + c) se puede estimar el punto de inflexión que corresponde al valor máximo (VM) de MS, mediante la fórmula: VM= b/2a. A una dosis de N de SA de 6.13 g maceta^-1 se obtuvo un valor máximo de MS de 40.1 g planta^-1, mientas que el valor máximo de MS (38.9 g planta^-1) en los BLA se obtuvo a una dosis de N de 7.29 g maceta^-1. Por otra parte, se tendría que aplicar una dosis de N de los BLO de 9.57 g maceta^-1 para obtener 38.1 g planta^-1 de MS (Figura 2).

Figura 2 Respuesta de la materia seca total (MS) a dosis de sulfato de amonio (SA) y biosólidos de lodos activados (BLA) y biosólidos de lagunas de oxidación (BLO). 

En raíz, tallo, hoja y semilla la concentración de N fue estadísticamente diferente entre el grupo testigo y el resto de los tratamientos a partir de los contrastes ortogonales realizados. Se observó el mismo comportamiento entre el fertilizante químico y los biosólidos para raíz, tallo y hoja (p< 0.001), mientras que en la semilla se obtuvo una p> 0.05; sin embargo, este órgano presentó diferencia significativa entre tipos de biosólidos (Cuadro 4).

El nitrógeno extraído total por la higuerilla mostró una diferencia significativa entre testigo y los tratamientos, así como entre el SA y ambos biosólidos (p< 0.01); sin embargo, entre tipos de biosólidos no fue estadísticamente diferente de acuerdo con el análisis de contrastes ortogonales (Cuadro 2). En forma general, la mayor cantidad de nitrógeno se encontró en la semilla de los tratamientos evaluados (Figura 3).

Figura 3 Distribución de N extraído en los diferentes órganos de Higuerilla (Ricinus communis L.) en los diferentes tratamientos con sulfato de amonio (SA), biosólidos de lagunas de oxidación (BLO) y biosólidos de lodos activados (BLA) a diferentes dosis (0, 67, 100 y 133% del requerimiento de N del cultivo). 

Por otra parte, la extracción de nitrógeno mostró una respuesta cuadrática en función al N aplicado (Figura 4), tanto con fertilizante químico (R²= 0.75), con BLA (R²= 0.91) y con BLO (R²= 0.71). Para estimar el NDC, primero se calcula el N extraído en los tratamientos de 100% del RNC con biosólidos, utilizando las ecuaciones de regresión; con BLA se obtuvo un valor de 0.82 g planta^-1, y con BLO fue de 0.77 g planta^-1. Posteriormente, se calculó la DEF, que en el caso de BLA fue de 2.28 g maceta^-1, mientras que con BLO fue de 1.97 g maceta^-1. El NDC obtenido con los valores anteriores fue de 40 y 37% para los BLA y BLO, respectivamente.

Figura 4 Nitrógeno extraído (N_e) por el cultivo de Higuerilla (Ricinus communis L.) y dosis equivalente de fertilizante (DEF) de biosólidos de lagunas de oxidación (BLO) y biosólidos de lodos activados (BLA). 

Discusión

El rango de materia seca de semilla fue de 19-32%, el cual es similar a lo reportado por ^{Reddy y Matcha (2010}), quienes indican un porcentaje de materia seca en semilla de higuerilla de 26.4%. Estos autores encontraron que una mayor proporción de biomasa se encuentra en el tallo de las plantas, mientras que en este trabajo la mayor proporción se registró en hojas (Cuadro 3).

La materia seca de la semilla se incrementó en 58, 91 y 110% en la dosis de N más alta con respecto al testigo sin fertilizar, al utilizar BLO, BLA y SA, respectivamente. Resultados similares fueron registrados en el trabajo de ^{Reddy y Matcha (2010}), en dosis alta de fertilización. La producción de MS se incrementó en función de la dosis de N; se observó incluso que, en el tratamiento más alto de las diferentes fuentes de N, la curva de respuesta en rendimiento tiende a disminuir y ajustarse a una regresión cuadrática; lo anterior es una respuesta típica a dosis crecientes de N (^{González-Torres et al., 2009}) o de abonos orgánicos (^{López-Calderón et al., 2015}).

Cuando se observa este tipo de respuesta, es posible estimar la dosis de N para maximizar el rendimiento, que corresponde al punto de inflexión de la curva, en el caso del sulfato de amonio, el valor máximo de MS de 40.1 g planta^-1 se obtuvo con 7.29 g maceta^-1 de N, mientras que con BLA y BLO la dosis requerida para obtener el máximo rendimiento fue de 7.29 y 9.57 g planta^-1, respectivamente. ^{Varvel et al. (2007}) utilizan estas funciones de regresión cuadrática para generar dosis de recomendación de fertilización, considerando el requerimiento de N para obtener 90 a 95% del rendimiento relativo máximo.

El N es el principal nutrimento para la producción de semillas y forraje (^{Mengel et al., 2006}). Con respecto a la extracción de N por la higuerilla, en el presente trabajo se observó mayor respuesta a la aplicación de SA. En otros estudios similares con biosólidos se ha registrado que no hay diferencia significativa entre el fertilizante químico y el biosólido empleado en un cultivo de Avena sativa (^{Flores-Félix et al., 2014}).

La absorción y extracción de nitrógeno tiende a decrecer con rangos de fertilización elevados (^{Motavalli et al., 1989}), por lo que las curvas tienen un comportamiento cuadrático. Los valores estimados de NDC son similares a los reportados por algunos autores. ^{Rigby et al. (2010}) investigaron el NDC a partir de tres tipos de biosólidos aplicados a un suelo arenoso ácido, en un clima mediterráneo en el oeste de Australia; los valores obtenidos fueros de 65.1%, 63.9% y 39.4% de NDC en biosólidos estabilizados con cal, biosólidos tratados con aluminio (‎K Al(SO₄)₂ 12H₂O) y biosólidos deshidratados digeridos anaeróbicamente, respectivamente.

Este último fue similar a los BLA que presentaron un NDC de 40.4%. Por otra parte, los BLO mostraron un NDC de 34.90%, en contraste a lo reportado por ^{Cogger et al. (2004}), quienes determinaron que la disponibilidad de nitrógeno de biosólidos provenientes de lagunas se presentó en un rango de 8 a 25%. La disponibilidad de N para su absorción por el cultivo en suelos mejorados con biosólidos depende de las formas de N, contenido de N inorgánico y la disponibilidad del N orgánico presente.

Cabe mencionar, que el NDC está influenciado por diversos factores como el tipo de tratamiento de agua residual, las características del agua a tratar, el tipo de suelo al que fue aplicado, así como al tipo de tratamiento de los lodos que originan los biosólidos finales (^{Al-Dhumri et al., 2013}; ^{Rigby et al., 2016}). La utilidad de conocer el NDC en abonos orgánicos como los biosólidos, es que permite estimar dosis de aplicación acorde al requerimiento de N de los cultivos, con lo cual se evitan aplicaciones excesivas y se reducen los riesgos de contaminación ambiental

Conclusión

La aplicación de N de fuente química y biosólidos generó una respuesta cuadrática de la materia seca en función a la dosis de N aplicado. Con base en el método de equivalencia de fertilizante, la disponibilidad de N para higuerilla fue de 40.4 y 34.8% para los BLA y BLO, respectivamente. A pesar de que la extracción de nitrógeno fue mayor en los tratamientos con SA, la materia seca fue similar entre las fuentes de N, lo cual indica que es posible sustituir el fertilizante químico por los biosólidos.