Indicadors de qualitat bioquímica, relacionats amb el cicle del carboni, en la restauració de sòls amb fang de depuradora sotmès a assecatge tèrmic i a compostatge

Abstract

In our work we studied some aspects of biochemical quality in the rehabilitation process of degraded soils through the application of sewage sludge. As biochemical quality parameters we focused on the carbon cycle, through total (TCH), extractable (ECH) carbohydrate content, β-glucosidase (GLC), β-galactosidase (GAL), BAA-hydrolysing (BAA), and urease(UR) enzymatic activities, organic carbon (C) and amino acid nitrogen (AAN) contents. We conducted two experiments of sludge application (in containers and in plots) over soils of different texture. The study was supplemented by a work on the standard quality of natural soils of Catalonia and also with an approach to the analytical methodology used in the determination of two of the studied parameters. In the first part we studied the biochemical characteristics of ten natural soils which were representative of Catalan soils. The results showed the wide range of values of carbon and the high dispersion of biochemical parameters, and also that the ranges of obtained values were similar to those of other soils also belonging to Mediterranean areas. Biochemical parameters showed high positive correlations among them. The TCH content was more correlated with organic C and organic N than the enzyme activities. GLC was the activity showing the highest correlation with the organic carbon content. The four enzymatic activities (GLC, GAL, BAA and UR) were more related to the labile than to the total fraction of carbohydrates. The study confirmed the influence of soil type, vegetation or bedrock on the biochemical characteristics of the forest soils group. With respect to the application of sludge, in the first experiment we studied the effect of three sludge types, dehydrated (D), thermally dried (T) and composted (C), added in two different proportions on the biochemical parameters of two degraded soils (clay and sand) from quarrying. Initially an increased value was detected for all biochemical variables (except the UR activity) in the amended soils, CHE being the most enhanced variable. At the end of the experiment the carbohydrates content and the enzyme activities of the mixtures had increased, compared to the control, in a similar value than C, AAN being the most enhanced parameter. The initial differences in the values of GLC depending on the type of sludge (T> D> C) were a reflection of the lability of organic matter provided by the sludge. The overall results indicate that: i) thermal drying accelerates the initial decomposition process of the organic matter which takes place in the soil, ii) composting provides a less labile but more active organic matter, which results in increased mineralization and eventually a more stable organic matter iii) when the sludge was applied in a clay soil a slowing on the development of organic matter was detected. The second experiment consisted of a trial with two degraded soils. Initial (4 days) and final (295 days) samples were analysed in plots where we applied the same sludges with a single dose. In the case of the application of sludge to a sandy-loam soil, the dynamics of mineralization was intense and the impact on biochemical properties one year after the application was not very important. In contrast, the effects on a loam soil, where the dynamics of organic matter was lower, were more important and primarily consisted of an increase of ready available organic carbon.Organic carbon determination by the combustion method was proved to be effective and it was confirmed the inappropriateness of the oxidation method for sludge-soil mixtures.

En la restauració d’activitats extractives és imprescindible la utilització d’un material edàfic de qualitat per abordar degudament la revegetació. Els fangs procedents de EDARs, convenientment dosificats i ben incorporats, poden ser molt útils com a esmena orgànica. En el nostre treball hem estudiat alguns aspectes de qualitat bioquímica en el procés de rehabilitació de sòls degradats a través de l’aplicació de fangs d’EDARs. Com a paràmetres de qualitat bioquímica del sòl ens hem centrat en el cicle del carboni, a través del contingut en carbohidrats totals (CHT) i extractables (CHE) i de les activitats enzimàtiques β-glucosidasa (GLC) i β-galactosidasa (GAL) i com a paràmetres auxiliars en el contingut en Carboni orgànic (C) i Nitrogen aminoacídic (NAA). També hem treballat amb resultats de dues activitats enzimàtiques relacionades amb el cicle del nitrogen, la proteolítica de BAA (BAA) i la ureàsica (UR). Hem portat a terme dues experiències d’aplicació de fangs, una primera en lisímetres i una segona en parcel·les i ambdues amb sòls de diferent textura. El disseny experimental de les dues experiències és d’especial interès ja que planteja estudiar en paral·lel els efectes de l’assecatge tèrmic i el compostatge d’un mateix fang deshidratat. Aquest estudi central de la tesi es complementa amb un treball sobre l’estàndard de qualitat en sòls naturals de Catalunya així com amb aportacions sobre la metodologia analítica per a la determinació de dos dels paràmetres estudiats (C i GLC). Com a primera part de la tesi estudiem les característiques bioquímiques en deu sòls naturals representatius dels sòls catalans. Els resultats mostren ampli rang de valors de carboni i alta dispersió dels paràmetres bioquímics i els rangs obtinguts són similars als de sòls d’altres zones de clima mediterrani. Els paràmetres bioquímics presenten correlacions altes i positives entre ells i alhora una gran dependència del contingut en matèria orgànica del sòl així com del contingut en biomassa microbiana. El contingut en CHT està més correlacionat que les activitats enzimàtiques, amb els continguts de C orgànic i N orgànic del sòl. La GLC és l’activitat enzimàtica més relacionada amb el contingut de carboni orgànic del sòl. Les quatre activitats enzimàtiques (GLC, GAL, BAA i UR) estan més lligades a la fracció làbil de carbohidrats que a la total i les activitats GAL, UR i BAA estan molt relacionades entre elles. L’estudi ha permès constatar la influència del tipus de sòl, roca mare o vegetació en les característiques bioquímiques del grup de sòls forestals. Pel que fa a l’aplicació de fangs, en la primera experiència hem estudiat l’efecte de tres fangs: deshidratat (D), assecat tèrmicament (T) i compostat (C) en dues dosis (per assolir un 3 % i 6 % de matèria orgànica) sobre els paràmetres bioquímics de dos sòls control degradats (argilós i sauló) provinents de pedreres (1% C i 0,1% C). L’assaig es realitza en condicions de laboratori i consta de tres mostreigs (7, 67 i 267 dies). Inicialment es detecta un increment del valor per totes les variables bioquímiques (a excepció de l’activitat UR) en les barreges sòl-fang i el contingut en CHE és la variable més incrementada. Al final de l'experiència les barreges tenen uns valors de carbohidrats i activitats enzimàtiques incrementats respecte del control de forma similar a l’increment final en matèria orgànica, i el contingut en NAA és la variable més incrementada respecte del sòl control. Les diferències en els valors de l’activitat enzimàtica GLC a l’inici en funció del tipus de fang (T>D>C) són un reflex de la labilitat de la matèria orgànica aportada pels fangs. El conjunt de resultats indiquen que: i) l’assecat tèrmic accelera el primer procés de descomposició de la matèria orgànica; ii) el compostatge proporciona una matèria orgànica no tan làbil, però amb més activitat enzimàtica que comporta més mineralització i, amb el temps, una matèria orgànica més estable i iii) l’evolució de la matèria orgànica es frena quan els fangs s’apliquen en un sòl argilós. La segona experiència consta d’un assaig d’aplicació de fangs en dos terrenys degradats i analitzem les mostres inicials (4 dies) i finals (295 dies) de parcel·les on s’han aplicat els mateixos tres fangs de l’experiència en lisímetres, però amb una única dosi (10 Mg/ha, en matèria seca). En el cas de l’aplicació de fangs al sòl franc-arenós (sòl amb baix contingut en matèria orgànica i alta activitat enzimàtica) la dinàmica de mineralització ha estat intensa i la incidència sobre les propietats bioquímiques del sòl, un any després de l’aplicació dels fangs, ha estat molt poc acusada. Contràriament, els efectes sobre el sòl franc, on la dinàmica de la matèria orgànica ha estat menor, són més importants i bàsicament han significat l’augment del contingut en matèria orgànica i la millora de la potencialitat de la matèria orgànica d’obtenir formes assimilables de carboni. Els resultats dels aspectes metodològics indiquen que la determinació de carboni orgànic per combustió ha resultat eficaç i confirmen la manca d’idoneïtat del mètode d’oxidació per a mostres de sòl-fang. Pel que fa a l’estudi de l’activitat β-glucosidasa i β-galactosidasa en sòls, el nostre treball representa una contribució a la descripció detallada del procediment analític i a la incidència sobre el valor de l’activitat de la determinació a partir de mostra humida o bé assecada a l’aire.