Recovered fertilizers from urban wastewater treatment plants used in fertigation systems for horticultural crops

Abstract

L’horticultura és una de les principals activitats de producció d’aliments i béns primaris d’origen vegetal. L’aportació d’aigua i nutrients per la producció hortícola intensiva es realitza majoritàriament per fertirrigació, aplicant nivells elevats de fertilitzants minerals de fòsfor (P) i nitrogen (N). L’obtenció, fabricació i subministrament d’aquests fertilitzants sintètics té un alt impacte ambiental i econòmic. Per tant, existeix la necessitat de recerca i ús d’alternatives de fonts de nutrients més sostenibles. La recuperació de nutrients de corrents de residus per a la producció de fertilitzants segurs, com l’estruvita, inclosa en el reglament de productes fertilitzants UE, i les sals d’amoni líquides, són tecnologies abastament estudiades en l’horticultura circular. L’ús d’estruvita com a fertilitzant sòlid mostra una eficiència agronòmica satisfactòria. No obstant, l’ús d’ambdós productes recuperats com a matèries primeres per la fabricació de solucions nutritives (SN) líquides per fertirrigació no ha estat estudiat anteriorment. Així mateix, existeix poc coneixement sobre l’efecte de la fertirrigació en la microbiota de la rizosfera, especialment en cultius sense sòl. L’objectiu general d’aquesta tesi doctoral és aconseguir un maneig sostenible dels productes recuperats d’aigües residuals urbanes, l’estruvita i el nitrat d’amoni, com a fertilitzants alternatius als convencionals en sistemes de fertirrigació de cultius hortícoles, tot estudiant el seu impacte en el creixement del cultiu i la microbiota de la rizosfera, des d’una visió agronòmica, microbiològica i ambiental. Per assolir l’objectiu, s’ha realitzat una revisió dels criteris de qualitat i eficiència agronòmica de diferents productes fosfatats recuperats, concloent que les sals fosfatades de magnesi, com l’estruvita, tenen un major potencial fertilitzant. Seguidament, s’ha establert una nova metodologia per a l’ús d’estruvita recuperada en sistemes de fertirrigació obtenint una resposta satisfactòria de la seva dissolució en l’aigua de reg. Aquest nou ús de l’estruvita i el nitrat d’amoni com a matèries primeres d’una SN s’ha provat en el cultiu de tomàquet en substrat sense sòl (perlita) i en una rotació de tres cultius hortícoles (tomàquet, coliflor i enciam) en sòl, en condicions protegides i escala semicomercial, obtenint resultats satisfactoris, comparat amb fertilitzants convencionals sintètics, des d’una visió i) agronòmica, no mostrant diferències significatives en el rendiment i característiques dels cultius. Tanmateix, és important considerar la tolerància a l’amoni de l’espècie cultivada; ii) de salut humana, complint els nivells regulats de metalls pesants; iii) ambiental, mostrant una afectació similar en la lixiviació/acumulació en el sòl de N i P, la generació de gasos d’efecte hivernacle i els índexs d’alfa-diversitat bacterians de la rizosfera. A més, el maneig de fertirrigació en perlita ha permès minimitzar la lixiviació de N, mantenint el rendiment i qualitat del cultiu. Tanmateix, s’ha aprofundit en l’impacte de l’aplicació de diferents estratègies de fertirrigació sobre la composició i diversitat de la microbiota de la rizosfera i la seva relació amb les emissions de N2O. En el cultiu de perlita existeix una correlació positiva entre la ràtio de bacteris amoni-oxidants (AOB) : arquees amoni-oxidants (AOA) i els fluxos d’emissions de N2O. La comparació entre el cultiu en sòl i perlita sota condicions de fertilització similars mostra diferencies en la beta diversitat de les comunitats microbianes i els amoni-oxidants. A més, s’han detectat gèneres bacterians promotors del creixement vegetal associats a la planta. El maneig avaluat en aquesta tesi doctoral redueix l’impacte ambiental associat a l’ús de fertilitzants recuperats, tot millorant l’eficiència en l’ús dels nutrients aplicats. Contribueix a minimitzar la lixiviació de N, generació d’emissions de N2O, i la pèrdua de biodiversitat microbiana de la rizosfera. Els resultats mostren la necessitat de properes investigacions per treballar cap a una gestió dels cultius hortícoles més sostenible, reduint la demanda d’inputs no renovables/contaminants, tot gestionant eficientment els nutrients.

La horticultura es una de las principales actividades de producción de alimentos y bienes primarios de origen vegetal. El aporte de agua y nutrientes para la producción hortícola intensiva se realiza mayoritariamente por fertiirrigación, aplicando niveles elevados de fertilizantes minerales de fósforo y nitrógeno (N). La obtención, fabricación y suministro de estos fertilizantes sintéticos tiene un alto impacto ambiental y económico. Por tanto, existe la necesidad de investigar y usar alternativas de nutrientes más sostenibles. La recuperación de nutrientes de corrientes de residuos para la producción de fertilizantes seguros, como la estruvita, incluida en el reglamento de productos fertilizantes UE, y las sales de amonio líquidas, son tecnologías ampliamente estudiadas en la horticultura circular. El uso de estruvita como fertilizante sólido muestra una eficiencia agronómica satisfactoria. Sin embargo, el uso de ambos productos recuperados como materias primas para la fabricación de soluciones nutritivas (SN) líquidas para fertiirrigación no ha sido estudiado anteriormente. Asimismo, existe poco conocimiento sobre el efecto de la fertiirrigación en la microbiota de la rizosfera, especialmente en cultivos sin suelo. El objetivo general de esta tesis doctoral es conseguir un manejo sostenible de los productos recuperados de aguas residuales urbanas, la estruvita y el nitrato de amonio, como fertilizantes alternativos a los convencionales en sistemas de fertiirrigación de cultivos hortícolas, estudiando su impacto en el crecimiento del cultivo y la microbiota de la rizosfera, desde una visión agronómica, microbiológica y ambiental. Para conseguir el objetivo, se ha realizado una revisión de los criterios de calidad y eficiencia agronómica de diferentes productos fosfatados recuperados, concluyendo que las sales fosfatadas de magnesio, como la estruvita, tienen mayor potencial fertilizante. Seguidamente, se estableció una nueva metodología para el uso de estruvita recuperada en sistemas de fertiirrigación, obteniendo una respuesta satisfactoria de su disolución en el agua de riego. Este nuevo uso de la estruvita y el nitrato de amonio como materias primas de una SN se probó en un cultivo de tomate en sustrato sin suelo (perlita) y en una rotación de tres cultivos hortícolas (tomate, coliflor y lechuga) en suelo, en condiciones protegidas y escala semicomercial, obteniendo resultados satisfactorios, comparado con fertilizantes convencionales sintéticos, desde una visión i) agronómica, no mostrando diferencias significativas en el rendimiento y características de los cultivos. Sin embargo, es importante considerar la tolerancia al amonio de la especie cultivada; ii) de salud humana, cumpliendo los niveles regulados de metales pesados; iii) ambiental, mostrando una afectación similar en la lixiviación/acumulación de N y P, generación de gases de efecto invernadero y índices de alfa-diversidad bacterianos. Además, el manejo de fertiirrigación en perlita permitió minimizar la lixiviación de N, manteniendo el rendimiento y calidad del cultivo. Además, se ha profundizado en el impacto de la aplicación de diferentes estrategias de fertiirrigación sobre la composición y diversidad de la microbiota y su relación con las emisiones de N2O. El cultivo de perlita muestra una correlación positiva entre el ratio de bacterias amonio-oxidantes : arqueas amonio-oxidantes y los flujos de emisiones de N2O. La comparación entre el cultivo en suelo y perlita bajo condiciones de fertilización similares muestra diferencias en la beta diversidad de las comunidades microbianas y los amonio-oxidantes. Asimismo, se han detectado géneros promotores del crecimiento vegetal asociados a la planta. El manejo evaluado en esta tesis reduce el impacto ambiental asociado al uso de fertilizantes recuperados, mejorando la eficiencia del uso de los nutrientes aplicados. Contribuye a minimizar la lixiviación de N, generación de emisiones de N2O y pérdida de biodiversidad microbiana. Los resultados muestran la necesidad de próximas investigaciones hacia una gestión de los cultivos hortícolas más sostenible, reduciendo la demanda de inputs no renovables/contaminantes y gestionando los nutrientes más eficientemente.

Horticulture is one of the main activities for the production of food and primary goods of vegetable origin. The water and nutrients supply for intensive horticultural production is mostly carried out by fertigation, applying high levels of phosphorus (P) and nitrogen (N) mineral fertilizers. Obtaining, manufacturing and supplying these synthetic fertilizers has a high environmental and economic impact. Therefore, there is a need to research and use more sustainable nutrient sources. The recovery of nutrients from waste streams for the production of safe fertilizers, such as struvite, included in the EU fertilizer product regulation, and liquid ammonium salts, are widely studied technologies in the circular horticulture. The use of struvite as a solid fertilizer shows satisfactory agronomic efficiency. However, the use of both recovered products as raw materials for the manufacture of liquid nutrient solutions (NS) for fertigation has not been previously studied. Also, there is little knowledge about the effect of fertigation on the rhizosphere microbiota, especially in soilless crops. The general objective of this doctoral thesis is to achieve a sustainable management of the products recovered from urban wastewater, struvite and ammonium nitrate, as alternative fertilizers to conventional ones, in fertigation systems of horticultural crops, while studying its impact on the crop growth and the rhizosphere microbiota, from an agronomic, microbiological and environmental point of view. In order to achieve the objective, a state-of-the-art review of the quality and agronomic efficiency criteria of different phosphate products recovered for their use as fertilizers has been carried out, concluding that magnesium phosphate salts, such as struvite, have greater fertilizer potential. Subsequently, a new methodology has been established for the use of recovered struvite in fertigation systems obtaining a satisfactory response from its dissolution in irrigation water. This new use of struvite and ammonium nitrate as raw materials for the manufacture of NS has been tested in the tomato crops in a soilless substrate (perlite) and in a three horticultural crops rotation (tomato, cauliflower and lettuce) in soil, under protected conditions and on a semi-commercial scale, obtaining satisfactory results, compared to conventional synthetic fertilizers, from an i) agronomic point of view, showing no significant differences in crop yield and fruit quality. However, it is important to consider the ammonium tolerance of the cultivated species; ii) human health, meeting the regulated levels of heavy metals; iii) environmental, showing a similar affectation in the leaching/accumulation in the soil of N and P, the generation of greenhouse gases and the bacterial alpha-diversity indices of the rhizosphere. In addition, the fertigation management in perlite has allowed the leaching of N to be minimized, maintaining the yield and quality of the crop. On the other hand, this thesis has delved into the impact of the different fertigation strategies’ application on the composition and diversity of the rhizosphere microbiota and its relationship with N2O emissions. A positive correlation between the ratio of ammonium-oxidizing bacteria (AOB): ammonium-oxidizing archaea (AOA) and N2O emission flows was found in the perlite growing media. The comparison between soil and perlite cultivation under similar fertilization conditions shows differences in microbial communities’ beta diversity and ammonium-oxidizers composition. In addition, plant growth-promoting bacterial genera associated with the plant have been detected. The management assessed in this doctoral thesis support the reduction of the environmental impact associated with the use of recovered fertilizers, while improving their nutrient use efficiency. It contributes to minimize N-leaching, N2O emissions generation, and the loss of rhizosphere microbial biodiversity. The results highlight the need for further research to work towards a more sustainable horticultural crops management, reducing the demand for non-renewable/polluting inputs, as well as efficiently managing the nutrients provided.