Gramíneas perennes C3 y C4 para la producción de bioenergía en ambiente Mediterráneo

Abstract

El desarrollo de biocombustibles de segunda generación, es decir producidos a partir de cultivos energéticos ricos en celulosa o lignina, ofrece la oportunidad de evitar la competencia con la producción de alimentos y de utilizar materias primas para explotar suelos marginales (Idris et al., 2012). El objetivo general de esta tesis fue caracterizar el comportamiento de las gramíneas perennes Panicum virgatum L. (C4), Miscanthus x giganteus (C4) y Arundo donax L. (C3), para la producción de bioenergía en ambiente Mediterráneo. Para lograr estos objetivos, se llevaron adelante tres experimentos: 1) Las tres especies se pusieron a crecer en invernadero bajo condiciones óptimas, y luego se colocaron en cámaras de ambiente controlado para realizar un marcaje isotópico con (13C) y (15N) durante 3 días. 2) Las tres especies se pusieron a crecer en un terreno de suelo ubicado en los Servicios de Campos Experimentales de la Universidad de Barcelona, se marcaron dos áreas (A y B). Cada área se dividió en 3 parcelas (una por cada especie), trasplantándose 16 plantas/parcela. El área A correspondió al tratamiento condiciones de regadío consistente en 50 mm H2O mes-1, durante los meses de verano (junio, julio, agosto y septiembre). Y el área B correspondió al tratamiento condiciones de secano, no tuvo riego suplementario, sólo recibió agua de lluvia precipitada. Se tomaron medidas de altura, peso seco, área foliar, fotosíntesis, fluorescencia etc., y de la composición isotópica de la materia orgánica y del CO2 respirado por cada órgano de la planta. 3) Dos ensayos de germinación se realizaron con semillas de Panicum virgatum L. (en cámaras de germinación). El primero consistió en buscar un método práctico para la ruptura de la dormición de las semillas y en el segundo, evaluar el proceso de germinación en condiciones de salinidad (ClNa) y déficit hídrico (Polietilenglicol) y además se analizaron cambios a nivel anatómico en la raíz emergida.

En condiciones óptimas, las tres gramíneas perennes presentaron altas tasas de crecimiento relativo y mayor desarrollo del sistema subterráneo. Arundo donax presentó mayores tasas de asimilación de CO2 y este comportamiento se tradujo en una mayor producción de biomasa. El enriquecimiento en 13C luego del marcaje, tanto en la MOT como en el CO2 respirado en órganos como tallo y rizoma sugieren que estos órganos se comportararon como sumideros de C y N. En condiciones de ambiente Mediterráneo, y sin riego suplementario durante los meses de verano hubo menor crecimiento y producción de biomasa en las tres gramíneas perennes, mostrando el efecto limitante del agua en la productividad. Sin embargo, la especie Arundo donax L. que presentó mayor producción de biomasa que las especies C4, por lo que en ambiente Mediterráneo esta especie parece ser una buena candidata como cultivo energético. La falta de agua en la parcela secano, no provocó cambios en el rendimiento cuántico máximo del fotosistema II (Fv/Fm) indicando que ni los procesos de transporte electrónico ni fotofosforilacion son afectados, pero si afectó al proceso de carboxilación del ciclo de Calvin ya que los parámetros fotosintéticos (como Asat, gs, Vc,max y Jmax) se vieron disminuidos y estó provocó menor producción de biomasa.

El método pre-germinativo “prechilling” a 5 ºC durante 14 días, fue el método más eficaz para romper la dormición y favorecer el aumento del porcentaje de germinación. Las plántulas de Panicum virgatum L. fueron más tolerantes a la salinidad que al déficit hídrico, donde longitud y grosor de la radícula, se vieron más afectados. La formación de aerénquima en la corteza y el engrosamiento de las paredes de la endodermis en la radícula de la plántula, podrían contribuir a la tolerancia bajo condiciones de salinidad y déficit hídrico.

The second-generation biofuels, produced from rich energy crops cellulose or lignin, offers the opportunity to avoid competition with food production and used raw materials to exploit marginal land. The objective of this thesis was to characterize the behavior of perennial grasses Panicum virgatum L. (C4), Miscanthus x giganteus (C4) and Arundo donax L. (C3), for the production of bioenergy in Mediterranean environment. Three experiments were carried out: 1) Species were grown in the greenhouse under optimal conditions, and then placed in controlled environment chambers to isotopic labeling with 13C and 15N. 2) Species were transplanted in two areas (A and B) on soil; each area was divided into 3 plots (one for each species). The area A was treatment irrigated (50 mm H2O month-1 during summer months). And the area B treatment rainfed only received water rain. Height, dry weight, leaf area, photosynthesis, fluorescence etc. were measured, and the isotopic composition of organic matter and CO2 respired by organs of the plant were analyzed. 3) Two tests of germination were performed with seeds of Panicum virgatum L. The first to find a practical method for breaking dormancy and the second, evaluate the germination in salinity and water deficit conditions.

In optimal condition, species showed high relative growth rates and greater development of the underground system, but Arundo donax L. had higher rates of CO2 assimilation and production of biomass that C4. 13C enrichment after labeling in stem and rhizome suggests that these organs were sinks for C.

In Mediterranean environment without supplemental irrigation there was less biomass production in the three perennial grasses, showing the limiting effect of water on productivity. However, Arundo donax L. showed higher biomass production than C4 species. In rainfed, the maximum quantum yield of photosystem II (Fv/Fm) was not affected indicating was affected the process of carboxylation and Calvin cycle because photosynthetic parameters were diminished.

The method "prechilling" at 5° C for 14 days, was the most effective to break dormancy and increase germination percentage. Switchgrass seedlings were more tolerant to salinity because length and thickness of the radicle were most affected by water deficit. Anatomical changes in the cortex and thickening of endodermis in radicle could contribute to tolerance under conditions of salinity and water stress.