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Durante el proceso de compostaje, se lleva a cabo una compleja sucesión de poblaciones de microorganismos capaces de degradar o descomponer una materia orgánica compleja. Las bacterias son las más numerosas en el proceso de compostaje, y constituyen entre el 80% y el 90% de los microorganismos existentes en el compost.
Se trata de un grupo de gran diversidad metabólica, que utilizan un amplio rango de enzimas de degradación químicamente una gran variedad de compuestos orgánicos.
La cuantificación de las bacterias aerobias totales representa, de alguna manera, un índice de actividad biológica. Dentro de este tipo de microorganismos, se puede destacar el grupo de las Pseudomonas fluorescens, constituido por algunas especies de bacterias asociadas a procesos de biocontrol de patógenos de plantas y a procesos de estimulación del desarrollo radicular.
La utilización de un compost maduro con una alta población de Pseudomonas fluorescentes, podría actuar como un estimulador de desarrollo de las raíces y un “protector” frente a diferentes fitopatógenos.
Los Actinomycetes durante el proceso de modificación de la materia orgánica del compost es relevante, debido a la capacidad enzimática para degradar compuestos orgánicos complejos (celulosa, lignina, etc). Así mismo, muchas de las especies que participan en este proceso son tolerantes a altas temperaturas que alcanza el compost, durante el proceso de degradación aeróbica.
Por tal motivo, es un grupo de microorganismos abundante en el compost. Asimismo, los Actinomycetes poseen la capacidad de regular la microbiota rizosférica a través de la producción de antibióticos y otros compuestos.
Los hongos filamentosos constituyen un grupo muy amplio, participando en la degradación aeróbica de la materia orgánica debido a su alta capacidad ligno celulítica.
Asimismo, se encuentran en el suelo como parte de la microbiota normal, implicados en procesos de degradación y solubilización de compuestos orgánicos complejos y compuestos inorgánicos. En contrapartida muchas especies son causantes de enfermedades de plantas.
Por lo tanto, es importante realizar una correcta caracterización de este grupo de microorganismos, durante la utilización del compost como sustrato.
Foto: ohioline.osu.edu
Fases del proceso de compostaje.
En todo proceso de compostaje se pueden diferenciar por lo menos dos fases: la fase de descomposición y la fase de maduración.
A. Fase de descomposición
La descomposición es un proceso de simplificación donde las moléculas complejas se degradan a moléculas orgánicas e inorgánicas más sencillas. Es un proceso exotérmico debido principalmente a la actividad biológica. La etapa de descomposición se compone por dos sub fases: fase mesófila y fase termófila.
a. Fase mesofílica
En esta fase se desarrollan las familias microbianas mesófilos que inician la descomposición de las moléculas más fácilmente degradables. Esta actividad de descomposición genera energía que se libera en forma de calor, y se traduce en un incremento paulatino de temperatura. Al avanzar el proceso y variar las condiciones empiezan a parecer los microorganismos termófilos a la vez que van disminuyendo los mesófilos.
En este estadio la población de bacterias puede llegar a 100 millones de células por gramo de material. Las bacterias descritas en esta fase pertenecen a diferentes familias: Alcaligenaceae, Alteromonadaceae, Bacillaceae, Burkholderiaceae, Bradyrhizobiaceae, Caryophanaceae, Caulobacteraceae, Cellulomonadaceae, Clostridiaceae, Comamonadaceae, Corynebacteriaceae, Enterobacteriaceae, Flavobacteriaceae, Flexibacteraceae, Hyphomicrobiaceae, Intrasporangiaceae, Methylobacteriaceae, Microbacteriaceae, Micrococcaceae, Moraxellaceae, Neisseriaceae, Nitrosomonadaceae, Nocardiopsaceae, Paenibacillaceae, Phyllobacteriaceae, Propionibacteriaceae, Pseudomonadaceae, Pseudonocardiaceae, Rhodobacteraceae, Sphingobacteriaceae, Staphylococcaceae, y Xanthomonadaceae.
Uno de los géneros bacterianos predominantes en este estadio es Bacillus. La diversidad de especies de este género es alta a temperaturas de hasta 50ºC, sin embargo, a medida que se incrementa la temperatura disminuyen su actividad.
Con respecto a los hongos filamentosos,una alta diversidad de especies participan en este rango de temperatura. Predominando los géneros Aspergillus y Penicillium, seguidos de Trichoderma, Mucor, Rhizopus, Cladosporium, Backusella, Ulocladium, Acremonium, Fusarium, Scopulariopsis, Geotrichum, etc.
Los Actinomycetes (bacterias filamentosas) se desarrollan a tasas de crecimiento inferiores a la mayoría de las bacterias y hongos, y por tanto compiten ineficientemente cuando el nivel de nutrientes es alto. En esta fase predominan géneros de la familia Nocardiaceae.
b. Fase termófila
Las sustancias fácilmente degradables como los azúcares,las grasas, el almidón y las proteínas, son rápidamente consumidas. esta fase es muy importante, ya que al alcanzarse temperaturas tan altas, se consigue uno de los objetivos principales del compostaje: eliminar los microorganismos patógenos y las semillas de malas hierbas, con lo que se asegura la higienización del producto final.
La higienización tiene que conseguir tres objetivos: prevenir el crecimiento y la diseminación de patógenos, destruir los que hay presentes, y producir un producto final no recolonizables por patógenos. La fase termófila se caracteriza por un elevado consumo de oxígeno y a la liberación de gran cantidad de energía por parte de la población microbiana.
Las proteínas pasan a péptidos, aminoácidos a amoniaco y,progresivamente la mezcla se va alcalinizando. En función a las condiciones de temperatura, humedad y pH, el amoniaco estará en equilibrio con el ión amonio. Para evitar posibles pérdidas de amonio, favorece los volteos y las elevadas temperaturas que se alcanzan, conviene sobre todo en esta fase controlas las condiciones de proceso.
Los microorganismos mesófilos comienzan a disminuir su actividad rápidamente, una vez que se inicia la fase termófila. El incremento de la temperatura provoca una rápida transición de una microbiota mesófila a una termófila. Los microorganismos mesófilos son parcialmente eliminados a estas temperaturas y las bacterias, hongos y Actinomycetes termófilos o termotolerantes incrementan su población.
Las bacterias, en especial las especies mesófilas del género Bacillus, sobreviven en estas condiciones a través de la formación de endosporas. Otros géneros bacterianos son capaces de engrosar la pared celular o formar una cápsula exterior, protegiéndose de las condiciones adversas y permitiendo su “reactivación” cuando las condiciones sean favorables.
En esta fase, los microorganismos termófilos o termotolerantes incrementan su población a valores del orden de los 100-1000 millones de células por gramo. La temperatura óptima para los hongos termófilos es de 40-50ºC. Los Actinomycetes son generalmente más tolerantes que los hongos a temperaturas termófilas moderadas, y su número y diversidad se incrementa significativamente a 50-60ºC. Diferentes especies de la familia Streptomycetaceae, son los Actinomycetes más comúnmente aislados.
Las altas temperaturas generalmente se asocian con una dramática reducción de las diversas funciones microbianas. La fase termófila, con temperaturas que exceden los 60ºC, son habitualmente consideradas como un “suicidio microbiano”. Por lo tanto, generalmente se asume que no se deben superar los 55-60ºC para lograr una rápida y eficiente descomposición.
Sin embargo, la presencia y la actividad de bacterias termófilas extremas es esencial para la biodegradación y mineralización de los residuos biológicos a altas temperaturas (60-80ºC). A estas temperaturas las bacterias termófilas son las únicas que se encuentran activas. La diversidad de especies disminuye pero su concentración es alta (100 a 1000 millones de células por gramo). La diversidad de especies disminuye a temperaturas superiores a los 60ºC. Entre los 65 y 69ºC se ha detectado algunas cepas de Bacillus stearothermophilus.
La identificación de bacterias termófilas extremas pertenecientes al género Thermus, capaces de crecer sobre compuestos orgánicos a temperaturas de 50-80ºC, con un óptimo de crecimiento a 65-75ºC, corroboran este punto.
Por lo tanto, las especies del género Thermus, descritas inicialmente en sitios geotermales, están probablemente adaptadas a las altas temperaturas del compost y juegan un papel importante en la biodegradación de los residuos durante la fase termófila.
Asimismo, las especies del género Hydrogenobacter han sido aisladas en estas condiciones. Estas bacterias son autotróficas, no forman esporas y crecen a 60-80ºC (óptimo 70-75ºC). Obtienen su energía a través de la oxidación del azufre o del hidrógeno y sintetizan sus estructuras carbonadas a partir del CO2.
La detección de bacterias termófilas durante la fase de alta temperatura, demuestra la posibilidad de realizar el compostaje a 65-75ºC por un periodo largo de tiempo, sin exceder de 80ºC.
Las bacterias termófilas, así como las mesófilas, actúan sobre la hemicelulosa, descomponen una variedad importante de compuestos orgánicos (carbohidratos, ácidos orgánicos,polisacáridos, proteínas, lípidos, alcoholes) y reducen el azufre inorgánico (H2S,S2O3=, SO3=, etc.)
B. Fase de maduración y enfriamiento
El grado de maduración de un compost afecta significativamente su utilización en la agricultura. La adición de un compost inmaduro al suelo provoca una una deficiencia de oxígeno, la inmovilización del nitrógeno e incrementa los problemas fitopatogénicos radiculares. Sin embargo, la adición de un compost maduro beneficia la fertilidad de un suelo, su estructura, e incrementa los efectos de control biológico.
Durante la fase de maduración la diversidad y el número de Actinomycetes mesófilos/termotolerantes y de hongos filamentosos capaces de degradar polímeros naturales complejos (lignina, hemicelulosa, celulosa), se incrementa significativamente. La población de bacterias termófilas disminuye 1 o 2 órdenes logarítmicos en comparación con la población presente durante la fase termogénica (108-1010 ufc/g), sin embargo, la diversidad taxonómica y metabólica se incrementa.
En esta fase las bacterias representan el 80% del recuento total de microorganismos (109-1011 ufc/g) y una pequeña proporción corresponde a bacterias esporuladas. Los Actinomycetes y los hongos poseen una población de 107-108 ufc/. Estos microorganismos son importantes en la degradación de la celulosa, hemicelulosa, quitina y proteínas. La lignina es degradada principalmente por hongos filamentosos.
La mayoría de los microorganismos presentes en esta fase e implicados en el ciclo del carbono, poseen actividad proteolítica, amonificante, amilolítica y celulolítica. Asimismo, se han descrito especies fijadoras libres de nitrógeno (Azotobacter, 103-105 ufc/g), denitrificadoras, y sulfato reductoras. Esta diversidad microbiana juega un papel fundamental en la estabilidad del compost.
Las bacterias mesófilas que permanecieron inactivas durante la fase anterior y que resistieron las altas temperaturas, vuelven a estar metabolitamente activas y son capaces de recolonizar el sustrato. La diversidad y cantidad de bacterias capaces de “reactivarse”, depende del número de especies existentes con capacidad de formar endosporas o cápsulas.
El tamaño de la población, el número de especies y la actividad metabólica de las bacterias mesófilas se incrementa. Esta respuesta favorece; la descomposición de los compuestos orgánicos, la oxidación y mineralización del nitrógeno inorgánico y los compuestos azufrados (producción de nitratos y sulfatos, respectivamente), la formación de compuestos del humus(exopolisacáridos) a través de la polimerización de compuestos orgánicos simples, la fijación del nitrógeno atmosférico, la supresión de fitopatógenos, la mineralización del hierro, manganeso y fósforo, la capacidad de intercambio catiónico y la formación de agregados minerales. Asimismo, contribuye a la degradación de compuestos orgánicos tóxicos (pesticidas) y a la disminución de la cantidad de metales pesados a través de la formación de sales insolubles.
Fuente: www.academia.edu
