El aumento poblacional durante las últimas décadas conlleva al incremento de la demanda de alimentos, provocando a su vez mayores cantidades de residuos orgánicos provenientes del sector agrícola o industrial. El manejo incontrolado de éstos dirige hacia un proceso de contaminación, incluyendo los mantos freáticos, atmósfera y suelo, debido a la lixiviación de minerales indeseados, gases efecto invernadero o químicos contenidos en los residuos. Una de las estrategias para el manejo de la materia orgánica es el compostaje, definido como la transformación de ésta en compuestos más estables en un proceso controlado y bajo condiciones aeróbicas (^{Hubbe et al., 2010}). Además, las condiciones dentro de las pilas de compostaje reducen el potencial de microorganismos patógenos (^{Storino et al., 2016}), el producto obtenido es de alto valor y funciona como enmienda del suelo al mejorar sus características físicas, químicas y biológicas.

Dentro de los métodos de compostaje, el manejo como pilas estáticas puede alcanzar la mayor reducción en energía y costos, debido a que no son necesarios los volteos (^{Hubbe et al., 2010}; ^{Nasini et al., 2016}). El manejo y uso eficiente de compostas no solamente es la base de la fertilidad de los suelos en la agricultura sostenible, sino forma parte del conjunto de componentes indispensables manejados dentro del enfoque de la agricultura biodinámica (^{Demeter International, 2004}).

La biodinámica (AB) surge durante la primera mitad de la década de los 20 (^{Steiner, 1988}), considerada como una forma de producción agrícola alternativa, bajo un sistema cerrado, donde la inclusión de animales de granja y plantas es necesaria para obtener biofertilizantes y enmiendas de suelo. El uso de preparados biodinámicos (PB) y composta se consideran como base fundamental de la AB. Los seis PB que son empleados en la composta, pasan por un período de fermentación de seis meses a un año y posteriormente son aplicados en proporciones de 5-15 cm³ para 14 t de materia prima (^{Steiner, 1988}; ^{Zaller y Köpke, 2004}). Las compostas con PB muestran contenidos superiores de nitrógeno, temperaturas, actividad de enzima deshidrogenasa, mayor actividad microbiana, capacidad de retención de nutrientes, población de microrganismos, en contraste con la composta sin tratamiento (^{Carpenter-Boggs et al., 2000}; ^{Reeve et al., 2010}; ^{Sradnick et al., 2013}).

La AB considera el aprovechamiento de recursos regionales para la producción agropecuaria y toma como base la conservación de la fertilidad del suelo. Por lo tanto, se planteó como propósito de la presente investigación evaluar la inclusión de los PB en el proceso de compostaje estático, de residuales de nopal (Opuntia ficus indica L. Mill.) y moringa (Moringa oleifera Lam.).

El experimento se realizó en la finca orgánica “Zu-Nopalito” (certificada por BioAgriCert), localizada en Zuazua, Nuevo León (25° 53’ latitud norte, 100° 02' longitud oeste). Se encuentra alrededor de 355 msnm y una precipitación anual de 520 mm. El nopal y moringa utilizados como sustratos principales en el proceso de compostaje, se obtuvieron de la finca orgánica ‘Zu-Nopalito’ y de los invernaderos de la Facultad de Agronomía de la Universidad Autónoma de Nuevo León (FAUANL), respectivamente. Los PB fueron adquiridos de la finca certificada Demeter ‘El Equimite (^{Demeter International, 2004}).

La construcción de las pilas se basó en el criterio principal de relación C:N inicial 20:1. Cada uno de los dos sustratos principales fue mezclado con estiércol vacuno/gallinaza (1:1), como fuente de nitrógeno. Las dimensiones por pila fueron de aproximadamente 2.25, 0.90 y 1.30 m de largo, alto y ancho, respectivamente. Para el sistema de aireación pasivo, se emplearon tubos de PVC (3” diámetro), con agujeros (3/4” pulgada) cada 10 cm, colocados transversalmente en la base de las pilas de composta. Para el experimento fueron construidas cuatro pilas de composta, dos de nopal y otras dos de moringa, como sustratos principales. De las pilas con el mismo sustrato, a una se le dio el tratamiento con PB y la otra funcionó como testigo, sin PB (T1, Nopal+PB; T2, Moringa+PB; T3, Nopal; T4, Moringa).

Se monitorearon 16 variables en el tiempo (octubre 2016-octubre 2017). Para la toma de muestras se consideró la media profundidad y la longitud total de las pilas.

Los sustratos principales y el material composteado (un año) fueron analizados obteniendo una muestra compuesta (cinco submuestras) y cuantificada en triplicado. Además, se analizó el agua de riego para poder determinar el aporte nutrimental por parte de ésta.

Para el análisis de carbono (C) e hidrógeno (H), las muestras fueron secadas a temperatura constante de 60 °C por 24 h y determinados mediante el método de Dumas (combustión seca), utilizando un analizador TruSpec (LECO, 2016). La materia orgánica (MO) fue obtenida multiplicando el C orgánico por un factor de 1.72 (^{Vos et al., 2007}). El nitrógeno total (N) fue cuantificado con el procedimiento de digestión Kjeldahl (^{Etheridge et al., 1998}). La determinación del contenido de fósforo (P) fue realizado por el método vanadato-molibdato y el uso de un espectrofotómetro Spectronic®, modelo Helios Epsilon (USA) (^{Krey et al., 2013}). El potasio (K), calcio (Ca), magnesio (Mg), cobre (Cu), zinc (Zn), hierro (Fe) y manganeso (Mn) fueron determinados por espectroscopia de absorción atómica (UNICAM Solar®, modelo 9626).

La temperatura y humedad se monitorearon semanalmente durante las primeras 14 semanas, considerando cinco muestras por composta. Para el registro de temperatura, se colocaron cinco termómetros para la medición al centro y a lo largo de las pilas. El porcentaje de humedad fue determinado tras el secado a temperatura constante de 105 °C por 24 h (^{Escudero et al., 2012}).

Las poblaciones de bacterias y hongos/levaduras fueron cuantificadas cada cuatro semanas durante la fase más activa del proceso de compostaje (14 semanas). Se extrajeron cinco muestras del centro y a lo largo de cada pila y posteriormente almacenadas a 4 °C hasta su análisis. Las muestras fueron preparadas en diluciones de 1:10⁶ y 1:10⁷ para cuantificar el crecimiento de hongos/levaduras y bacterias, respectivamente. La inoculación de 1 mL por muestra fue realizada en placas 3M™ Petrifilm^TM. Para hongos/levaduras, las placas 3M Petrifilm RYM fueron incubadas a 28 ºC ±2 ºC durante cinco días. Para bacterias, las placas 3M Petrifilm AC fueron incubadas a 35 °C ±2 °C durante 48 h.

El experimento fue establecido bajo un diseño completamente al azar con arreglo factorial 2 x 2, siendo uno de los factores principales el uso de PB con dos niveles (con, sin PB) y el otro factor el tipo de sustratos con dos niveles (nopal, moringa). Los datos obtenidos de las variables en los diferentes puntos de muestreo fueron sometidos a un análisis de varianza (Anva) de una vía. En caso necesario, se realizó la transformación arcoseno previo al Anva. La comparación de medias fue realizada empleando la prueba de honestidad de la diferencia significativa de Tukey (p< 0.05). Adicionalmente, se realizó un análisis de componentes principales (ACP) para encontrar la relación entre las variables físicas, químicas y biológicas en el proceso de compostaje y su asociación con los distintos tratamientos. Los análisis estadísticos fueron realizados por medio del paquete estadístico SPSS 17.0.

Por medio del Anva se encontró interacción altamente significativa de los factores evaluados (PB x Sustrato) para las variables temperatura, K, Mg, Cu, Fe, Mn y una interacción significativa para humedad, N, P, Ca y Zn. La aplicación de los PB en las compostas indujo el aumento de temperatura, reducción de humedad y en general, la disminución de la concentración final de los elementos anteriormente mencionados (Figura 1).

Figura 1 Variables físicas y químicas con interacción significativa (*p< 0.05) y altamente significativa (**p< 0.01) en los factores evaluados (preparados biodinámicos x sustrato). Fuente: datos de campo y laboratorio (FAUANL), 2016-2017. Procesador: SigmaPlot 10.0.  

En caso del factor principal -PB-, se encontró diferencia altamente significativa para la variable bacterias y únicamente significativo para relación C:N, en donde los tratamientos con inclusión de PB mostraron los máximos valores. Para el factor principal -sustrato-, se encontró una diferencia altamente significativa para MO, relación C:N e H, donde los tratamientos con nopal mostraron los máximos valores (Cuadro 1). La variable hongos/levaduras no presentó diferencia estadística significativa entre tratamientos (4.97x10⁹ ±1.53x10⁹, 4.75x10⁹ ±1.83x10⁹, 6.77x10⁹ ±8.99x10⁸ y 5.18x10⁹ ±6.11x10⁸ UFC totales, para T1, T2, T3 y T4, respectivamente).

Los resultados de temperatura obtenidos concuerdan con ^{Zaller y Köpke (2004)}; ^{Reeve et al. (2010)}, quienes reportaron temperaturas superiores en las pilas inoculadas con PB, en comparación con los controles (sin PB). Además, indican mayor actividad microbiana en las primeras, sugerido por la mayor actividad de la enzima deshidrogenasa. El incremento en temperatura es el producto de la descomposición de la materia orgánica, como reflejo de la actividad microbiana, lo cual a su vez disminuye la humedad y la concentración de elementos, tales como el C, H y O (^{Singh et al., 2016}).

Los valores de MO al final del período evaluado no mostraron diferencia significativa entre tratamientos con y sin PB (Cuadro 1). Sin embargo, el porcentaje de pérdida de carbono (a lo largo del período de evaluación) reflejó la mayor actividad de descomposición del material orgánico en aquellas pilas con PB (54 y 64% para T1 y T2, respectivamente), en contraste con las pilas sin PB (50 y 57% para T3 y T4, respectivamente).

El porcentaje de humedad alcanzado se encuentra dentro del rango adecuado para la actividad microbial (^{Tang et al., 2006}), éste es un parámetro crítico para la optimización de dichos sistemas (^{Luo et al., 2008}), el cual depende de la correcta selección y proporción de mezcla de los materiales. Los puntos máximos de temperatura alcanzados fueron de 58, 55, 59 y 56 °C para el T1, T2, T3 y T4, respectivamente. Tales valores garantizan el control de patógenos para humanos (^{Storino et al., 2016}).

En el Cuadro 1 se observa que la relación C:N de los cuatro tratamientos se mantuvo entre valores de 7:1 y 14:1. ^{Nair y Delate (2016)} sugieren valores entre 10-15:1, como óptimos para compostas maduras a ser aplicadas en campo. El ajuste de la relación C:N inicial en las compostas de la presente investigación (20:1) se calculó de acuerdo a los valores iniciales de los sustratos principales, siendo éstos de 24.88, 36.67, 8.02 y 13.77 para nopal, moringa, gallinaza y bovinaza, respectivamente. Éste parámetro es uno de los más importantes para el desarrollo de un proceso de compostaje (^{Guo et al., 2012}).

El período más activo del proceso de compostaje (fase mesofílica y termofílica) fue durante las primeras 14 semanas. Período donde se obtuvieron los máximos valores de temperatura, UFC de bacterias y hongos/levaduras.

En la Figura 2, se observa la comparación de las concentraciones de elementos de las mezclas iniciales y las pilas de composta maduras (un año). La concentración de N disminuyó hacia el final del proceso en todos los tratamientos, al igual que los valores de K y Cu (excepto para el T4). La concentración de P, Ca, Mg, Zn, Fe y Mn en las compostas maduras incrementó, debido a la disminución característica del volumen del material en descomposición (^{Oliveira et al., 2017}) y al aporte de macroelementos por parte del agua de riego (Ca, 11.48 meq L^-1; Mg, 7.71 meq L^{- 1}). En el T4 se encontró la menor concentración de microorganismos y temperatura, por ende, un menor grado de descomposición y mineralización, manteniendo los minerales fijados en el material original.

Figura 2 Concentración inicial y final (un año) de macro y microelementos en compostas estáticas, considerando nopal y moringa como sustratos principales y la inclusión de preparados biodinámicos (PB). Comparación estadística únicamente entre concentraciones finales. Barras sin letras son estadísticamente iguales (Tukey, 0.05). Fuente: datos obtenidos de laboratorio (FAUANL), 2016-2017. Procesador: SigmaPlot 10.0.  

En general, se observaron menores concentraciones de macro y microelementos en las pilas de composta con inclusión de PB y de nopal. Dicho comportamiento fue debido al incremento de la descomposición y la mineralización, promovida principalmente por la actividad bacteriana, lo cual a su vez incrementó la liberación de los elementos al medio, ya sea por lixiviación y volatilización. Tal aspecto se refleja como una desventaja de la aplicación de PB. Sin embargo, la correcta captación o retención de los elementos liberados, hacen del uso de los PB un método para incrementar la disponibilidad de los elementos contenidos en los materiales originales, hacia las plantas.

Las concentraciones de macro- y microelementos finales en las compostas se mantienen dentro del rango aceptable y reportado por diversos autores (^{Rasapoor et al., 2009}; ^{Nasini et al., 2016}).

En el ACP se seleccionaron los valores del primer (61.77%) y segundo (27.01%) componente, los cuales explican aproximadamente 89% de la varianza total. El primer componente mostró correlación entre las variables bacterias, temperatura y relación C:N, asociadas al T1, además de la correlación entre N, P, K, Ca, Cu, Zn, Fe y Mn, asociados al T4. El segundo componente mostró correlación entre hongos/levaduras, MO, H, Mg y humedad, asociados al T3 (Figura 3). Los resultados del ACP concuerdan con lo presentado anteriormente, donde se correlacionan las variables macro y microelementos (excepto Mg), cuyas mayores concentraciones se asocian al T4. Además, se confirma la correlación de variables relacionadas a la actividad microbiana (temperatura, C:N, MO y bacterias, principalmente), asociadas al T1. Dichos comportamientos reflejan el incremento del proceso de descomposición, fomentado por la aplicación de PB y el sustrato nopal.

Figura 3 Análisis de componentes principales para las variables físicas, químicas y biológicas de compostas estáticas. PB= preparados biodinámicos; Temp= temperatura máxima; Bact= bacterias totales; hongos/Lev= hongos/levaduras totales; MO= materia orgánica; H= hidrógeno, C:N: relación carbono:nitrógeno. Fuente: datos obtenidos de campo y laboratorio (FAUANL), 2016-2017. Procesador: SigmaPlot 10.0.