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GRADO EN CIENCIAS AMBIENTALES FACULTAD CIENCIAS EXPERIMENTALES UNIVERSIDAD DE JAÉN Facultad de Ciencias Experimentales Trabajo Fin de Grado La estruvita como fuente de fósforo reciclado; Efectos sobre el desarrollo del girasol (Helianthus Annuus) y guisante (Pisum Sativum) Alumna: Ana Belén Quesada Miranda Julio, 2017

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UNIVERSIDAD DE JAÉN Facultad de Ciencias Experimentales

Trabajo Fin de Grado

Trabajo Fin de GradoLa estruvita como fuente de fósforo reciclado; Efectos

sobre el desarrollo del girasol (Helianthus Annuus) y guisante (Pisum Sativum)

Alumna: Ana Belén Quesada Miranda

Julio, 2017

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Universidad de Jaén

Facultad de Ciencias Experimentales

Grado en Ciencias Ambientales

LA ESTRUVITA COMO

FUENTE DE FÓSFORO

RECICLADO; EFECTOS

SOBRE EL DESARROLLO

DEL GIRASOL (HELIANTHUS

ANNUUS) Y GUISANTE

(PISUM SATIVUM)

Alumna: Ana Belén Quesada Miranda

Jaén, 13 de julio de 2017

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ÍNDICE

1. RESUMEN……………………………………………………………............ 1

2. INTRODUCCIÓN……………………………………………………............ 3

2.1. La importancia del fósforo en las plantas…………………………… 3

2.1.1. ¿Para qué utilizan las plantas el fósforo?............................. 3

2.1.2. ¿Qué implica un déficit o superávit de fósforo?.................... 4

2.2. Las reservas de fósforo se están acabando…………………………. 5

2.2.1. ¿Cómo se ha ido utilizando el fósforo?................................. 5

2.2.2. ¿Dónde se encuentran las principales reservas de fósforo y

cuándo se acabarán las reservas?.................................................... 7

2.3. El uso de la estruvita como una de las muchas alternativas………. 8

3. OBJETIVOS…………………………………………………………………. 9

4. MATERIAL Y MÉTODOS………………………………………………….. 10

4.1. Diseño experimental……………………………………………………. 10

4.1.1. Fuentes de variación…………………………………………....... 10

4.1.1.1. Tipos de fuentes de fósforo……………………………...... 10

4.1.1.2. Cantidad de fósforo…………………………………………. 11

4.1.1.3. Tipo de plantas………………………………………………. 12

4.1.2. Replicación y número de unidades experimentales………….. 13

4.1.3. Variables dependientes…………………………………………. 13

4.2. Procedimiento…………………………………………………………… 13

4.2.1. Pretratamiento de las semillas…………………………………… 14

4.2.2. Plantación………………………………………………………….. 14

4.2.3. Medio de cultivo…………………………………………………… 14

4.2.4. Condiciones de experimentación …………………………….... 15

4.2.5. Medida de biomasa …………………………………………….. 18

4.3. Análisis estadístico…………………………………………………… 20

5. RESULTADOS…………………………………………………………….. 21

5.1. Efecto del tipo de fósforo y concentración de fósforo en la producción

de biomasa aérea y radicular del girasol……………………......................... 21

5.2. Efecto del tipo de fósforo y concentración de fósforo en la producción

de biomasa aérea y radicular del guisante…………………………………… 26

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6. DISCUSIÓN………………………………………………………………… 30

7. CONCLUSIONES……………………………………………………......... 33

8. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………...... 34

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1. RESUMEN

El fósforo (P) es un macroelemento esencial para el adecuado

desarrollo de las plantas, necesario tanto en funciones energéticas como

estructurales y por eso es uno de los principales elementos que se añaden a

los cultivos. Es un recurso finito y, debido al incremento de la población y la

continua demanda de alimentos, las fuentes de roca fosfatada se están

agotando.

La necesidad de evitar esta situación plantea estrategias de gestión

de las reservas de P, encaminadas a un uso eficiente, reduciendo las

pérdidas y residuos generados y potenciando el reciclado de fósforo.

El uso de la estruvita, precipitado que se puede formar a partir de las

aguas residuales y que contiene una concentración de P elevada, además

de nitrógeno y magnesio, es una de las estrategias para reciclar el fósforo.

En este estudio se pretende evaluar los efectos de concentraciones

crecientes de fósforo reciclado en forma de estruvita sobre la producción de

biomasa aérea y radicular de plantas modelo de rápido desarrollo (girasol y

guisante), en comparación el superfosfato; la fuente más común de fósforo

en agricultura.

Los resultados obtenidos demuestran que la estruvita tiene un

comportamiento similar al superfosfato. Y, por tanto, la estruvita es una

alternativa más sostenible al uso de fertilizantes fosfatados convencionales.

La biomasa aérea no se vio influenciada con las distintas formas de

fósforo aplicadas. Sin embargo, la biomasa total de ambas especies

disminuyó significativamente a partir de dosis media, especialmente por el

descenso de la biomasa radicular. Este efecto es, posiblemente, causado

por la elevada disponibilidad de fósforo, que hace que las plantas no

precisen de una alta biomasa radicular.

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ABSTRACT

Phosphorus (P) is an essential macro-element for plants

development, especially for adequate energetic and structural functions.

Therefore, it is not surprising that P is one of the main elements which is added

to crops. P is a finite resource and due to the increasing population and the

subsequent increase in P demand, main sources of mineral P are running out.

It is not surprising, therefore that strategies for an optimal P

management, based on an efficient use and P recycling are emerging. The use

of struvite, a mineral precipitate that can be recovered from wastewater

containing very high P concentration, in addition to medium levels of nitrogen

and magnesium, is one of the strategies to recycle phosphorus.

This study aims to evaluate the effects of increasing concentrations of

recycled phosphorus in the form of struvite on the aerial and root biomass

production of rapidly developing model plants (sunflower and pea), compared to

superphosphate; the most common source of phosphorus in agriculture.

The results obtained demonstrate that plants treated with struvite have

a similar behavior than superphosphate, and therefore struvite is an adequate

and sustainable and recycled source of P which can be an alternative to

superphosphate. Aerial biomass did not show significant differences due to the

two sources of P and due to increasing P concentrations, however, the total

biomass of both species decreased, due to a significant decrease in root

biomass for the two plant types, especially from middle doses. This effect is

likely due to the high availability of phosphorus, which prevent the need to

produce root biomass to increase the volume exploration of the radicular

systems.

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2. INTRODUCCIÓN

2.1. La importancia del fósforo en las plantas

El fósforo (P) está considerado junto con el nitrógeno y el potasio

uno de los principales macronutrientes que limitan el crecimiento de las

plantas. Sus funciones no pueden ser ejecutadas por ningún otro nutriente y

se requiere un adecuado suministro de fósforo para que el crecimiento de la

planta y su reproducción se realicen de forma óptima.

El fósforo se clasifica como un nutriente primario, razón por la cual

es comúnmente deficiente en la producción agrícola y los cultivos lo

requieren en cantidades relativamente grandes. La concentración de P en la

parte aérea de muchos cultivos varía de 0.1 a 0.5 % (Múnera Vélez, G. A.

(2014). A modo de ejemplo que muestra las necesidades de este nutriente,

en la tabla 1 se muestran las cantidades de P que se extraen de los

principales cultivos para valores de cosecha normales.

Absorción total (kg/ton) Extracción en grano (kg/ton)

Cultivo N P K Ca Mg S

N P K Ca Mg S

Trigo 30 5 19 3 4 5

21 4 4 0,4 3 2

Maíz 22 4 19 3 3 4

15 3 4 0,2 2 1

Arroz 22 4 26 3 2 1

15 3 3 0,1 1 0,6

Cebada 26 4 20 - 3 4

15 3 5 - 1 2

Sorgo granífero 30 4 21 - 5 4

20 4 4 0,9 1 2

Centeno 26 4 18 - - -

15 3 5 - - -

Avena 34 5 20 - 6 6 20 3 3 - 1 1,8

Tabla 1. Extracciones típicas de P para los principales cultivos. Datos tomados

de Murrell (2005).

2.1.1. ¿Para qué utilizan las plantas el P?

El P juega un papel vital en todos los procesos que requieren

transferencia de energía en la planta (Ruttenberg, 2003). Los fosfatos de

alta energía, que son parte de la estructura química de la adenosina

difosfato (ADP) y de la ATP, son la fuente de energía que empuja una

multitud de reacciones químicas dentro de la planta. La transferencia de los

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fosfatos de alta energía del ADP y ATP a otras moléculas (proceso

denominado fosforilación), desencadena una gran cantidad de procesos

esenciales para la planta.

La fotosíntesis es otro de los procesos dependientes del P (Reichet

al., 1988). En la fase lumínica, se utiliza la energía de la luz para sintetizar

ATP y NADPH, y en la fase fijadora de carbono, se utilizan los productos de

la primera etapa para la producción de azúcares.

También tiene un papel estructural como enlace fosfodiéster

presente en los ácidos nucleicos y en los fosfolípidos. Tiene una función

metabólica, en la regulación de la síntesis y transporte de hidratos de

carbono.

El P es tomado por las plantas a través del sistema radicular. Es

absorbido por la planta principalmente como ion ortofosfato (H2PO4-), pero

también puede ser tomado como ion fosfato (HPO42-), según el pH del

medio. Un factor que facilita la absorción es la presencia de micorrizas

asociadas a las raíces.

Una vez dentro de la raíz, el P puede quedarse almacenado en esta

área o puede ser transportado a las partes superiores de la planta para ser

incorporado a compuestos orgánicos como ácidos nucleicos (ADN y ARN),

fosfoproteínas, fosfolípidos, enzimas y compuestos fosfatados ricos en

energía.

2.1.2. ¿Qué implica un déficit o un superávit de P?

El efecto más acentuado de la falta de P en la planta es la reducción

en el crecimiento y número de hojas (Chapin y McNaughton,1989).

Generalmente, el desarrollo de la parte aérea se ve más afectado que el de

la parte radicular. Sin embargo, hay indicios claros de que el crecimiento de

la raíz también puede verse reducido ante una deficiencia de P, lo que

puede conllevar un menor volumen de exploración de suelo y déficit en

agua u otros nutrientes.

Una cantidad de P inadecuada deprime los procesos de utilización

de carbohidratos, produciendo una acumulación de los mismos y la

aparición de un color verde intenso en las hojas (Cabezas y Sánchez,

2008). Los problemas foliares aparecen, frecuentemente, en las hojas

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inferiores, es decir, las de mayor edad. Otros efectos de deficiencia incluyen

el retraso de la madurez, enrojecimiento, así como una reducción de la

resistencia de las plantas a las enfermedades.

Los principales síntomas que experimenta la planta en caso de

concentraciones en exceso de P, son interferencia de la asimilación de

otros nutrientes como el zinc y gran desarrollo de las raíces en relación al

desarrollo foliar (Cabezas y Sánchez, 2008).

Teniendo en cuenta la disminución en el crecimiento y desarrollo de

las plantas bajo déficit de fósforo, se puede inferir que, en los sistemas

agrícolas, el P es una parte del paquete de fertilización para que las

producciones no estén mermadas o limitadas por el mismo.

2.2. Las reservas de fósforo se están acabando

2.2.1. ¿Cómo se ha ido utilizando el P?

La disponibilidad de fósforo (P) presente en la corteza terrestre

oscila entre 5-10x108 Mty su movilización ocurre principalmente por

procesos de meteorización de la roca y lixiviación (Kataki et al., 2016). Sin

embargo, el acelerado crecimiento de la población humana (se prevé un

aumento de 9.600 millones de personas para el año 2050) y la continua y

creciente demanda de alimentos, han causado una intensificación de la

agricultura y, por ende, un aumento en la demanda de fósforo (figura 1) y la

sobreexplotación de las reservas de P en los últimos 50 años. Durante

estos últimos 50 años se ha acentuado el consumo de fósforo (figura 2) y a

nivel mundial el consumo de fertilizantes fosfatados ha sufrido un

incremento que triplica la cantidad original. El consumo en 1960 estaba

alrededor de las 5 millones de toneladas de P, sin embargo en 2008 el

consumo es aproximadamente 16 millones de toneladas de P. Por otra

parte, se estima que el 90 % de P procedente de la roca en forma de

fosfato se destina a la agricultura como fertilizante (Kataki et al., 2016).

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Figura 1. Consumo de fósforo en el planeta durante el periodo 1900 –

2009, principalmente para la agricultura. Figura tomada de Buckingham y

Jasinski (2006).

Figura 2. Consumo mundial de fertilizantes fosfatados durante los últimos

50 años en las áreas desarrolladas y en desarrollo. Figura tomada de

IFADATA.

Tras años de cultivo intensivo, los niveles de fósforo en el suelo se

reducen considerablemente y, por tanto, se busca la reposición del mismo.

Esto hace que la mayoría de las explotaciones agrícolas dependan de

fertilizantes derivados de minerales inorgánicos que enriquecen sobre todo

los suelos más pobres. Se ha convertido en una práctica común y cada vez

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más importante, ya que se quiere mantener el actual sistema de producción

de alimentos pero la demanda es cada vez mayor debido al incremento de

la población.

2.2.2. ¿Dónde se encuentran las principales reservas de P y cuándo se

acabarán?

Las reservas de fósforo son escasas y están muy concentradas

geográficamente, por lo que unos pocos países tienen el control (figura 3).

Las reservas estimadas se localizan principalmente en Marruecos y Sáhara

Occidental y en menor medida en países como China, EEUU y Jordania.

Figura 3. Países con las principales reservas mundiales de fósforo. Figura

tomada de Van Kauwenburgh (2010).

El fósforo es un recurso finito y se estima que con los niveles de

consumo actuales las reservas se agoten en el año 2030. Huijun et al.

(2016) estimaron recientemente que el 70% de la producción mundial de P

de fuentes de reserva naturales se agotarán dentro de 100 años. Aunque,

otros estudios indican que las reservas de roca fosfórica llegarán a agotarse

entre 50-225 años (Wang et al., 2016). En cualquier caso, el agotamiento de

las reservas naturales de ese elemento considerado como no renovable a

escala humana, supone un riesgo en la sostenibilidad de la productividad

agroalimentaria y en la seguridad alimentaria, ya que el P es considerado

como un macroelemento esencial y limitante para el crecimiento de las

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plantas. Además, es notorio que conforme mayor es el agotamiento de las

reservas de P, más costoso es su extracción. Este hecho se ha reflejado en

algunos estudios de Heffer et al. (2016) que indican que los precios de

producción de P se dispararán a partir del 2020.

La necesidad de evitar este futuro demoledor ha hecho que varias

entidades tanto gubernamentales como no gubernamentales estén

empezando a establecer una buena gestión de las reservas de P

encaminadas al uso eficiente y eficaz de P, reduciendo los residuos y

pérdidas generados a lo largo del ciclo de vida, potenciando el reciclado del

P (Metson et al., 2016).

2.3. El uso de la estruvita como una de las muchas alternativas

Como ya se ha mencionado, el fósforo no es un recurso renovable a

escala humana y durante el último siglo se ha verificado un aumento en la

demanda del mismo. Por ello no es de extrañar que distintos organismos

nacionales e internacionales hayan empezado a desarrollar estrategias

para aumentar la cantidad de P reciclado.

La estruvita es una de esas fuentes de fósforo. La estruvita o MAP

(Fosfato de magnesio y amonio hexahidratado-MgNH4PO4∙6H2O) es un

compuesto que se encuentra de forma natural en sistemas geoquímicos y

biológicos. La estruvita se suele encontrar como piedras en el riñón, y en

conservas de pescado y marisco (langosta, cangrejo, atún, -inofensivo para

la salud-). A nivel industrial se puede originar en las plantas de tratamiento

de aguas residuales industriales y urbanas, así como, en residuos

orgánicos de diverso origen (Barak & Stafford, 2006).

Actualmente la estruvita es considerada como una fuente alternativa

de sustitución de fertilizantes químicos basados en el fósforo. No obstante,

se ha encontrado que la estruvita presente en soluciones alcalinas (pH 8-

11) tiende a actuar como adsorbente mostrando cierto uso para remover

contaminantes presentes en aguas residuales alcalinas (Rouff et al., 2016).

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Con la recuperación de P en forma de estruvita, por ejemplo a partir

de las aguas residuales, nos podemos acercar a un consumo circular de P,

es decir, reutilizamos el P que se ha consumido sin explotar ni importar P

de las reservas de forma masiva.

Figura 4. Ciclo de vida del fósforo con el reciclaje de la estruvita.

A pesar de que actualmente hay varias empresas que están

obteniendo y comercializando estruvita, no se disponen de estudios

suficientes que evalúen cual es el efecto de esta nueva fuente de fósforo

reciclada sobre el crecimiento de la planta, al menos en comparación con

otras fuentes de fósforo que actualmente se están utilizando, como es el

caso del superfosfato.

3. OBJETIVOS

El objetivo principal de este estudio fue evaluar el efecto que tiene

concentraciones crecientes de fósforo reciclado en forma de estruvita sobre

la producción de biomasa aérea y radicular de plantas modelo (girasol y

guisante) de rápido crecimiento, en comparación el superfosfato; la fuente

más común de fósforo en agricultura.

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4. MATERIAL Y MÉTODOS

4.1. Diseño experimental

4.1.1. Fuentes de variación

4.1.1.1. Tipo de fuente de fósforo

Esta fuente de variación tiene dos niveles: fósforo en forma de

estruvita y fósforo en forma de superfosfato. Con esta fuente de variación se

pretende establecer si hay diferencias en el crecimiento de plantas modelo

de rápido crecimiento debido a la fuente de fósforo. Se utilizó el

superfosfato, principal fuente de fósforo en la agricultura, para contrastar los

resultados obtenidos con la estruvita. Las tablas 2 y 3 recogen las

principales características de interés de la estruvita y del superfosfato

empleados. Las figuras 5 y 6 muestran el aspecto de las fuentes de fósforo

empleadas.

Tabla 2. Contenido en nitrógeno, fósforo y magnesio de la estruvita

(Struvite Crystal Green®).

Tipo de nutriente Contenido (%)

Nitrógeno total (Nitrógeno amoniacal) 5

Fosfato total/Fosfato disponible (P2O5) 28

Magnesio (Mg) 10

Tabla 3. Contenido de fósforo y azufre en el superfosfato simple en función

de la solubilidad.

Nutriente (P) Contenido (%)

Fosfato soluble en citrato amónico neutro (P2O5) 18

Fosfato soluble en agua (P2O5) 12

Trióxido de azufre (SO3) 28

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Figura 6. Fuentes de fósforo empleadas.

4.1.1.2. Cantidad de fósforo

Con esta fuente de variación se pretende evaluar el patrón de

incremento (o decremento) en la biomasa de las plantas modelo de rápido

crecimiento a concentraciones crecientes de fósforo. Los niveles de esta

fuente de variación fueron cinco: sin fósforo, dosis baja, media, alta y muy

alta de fósforo que correspondieron a las cantidades de estruvita y

superfosfato que se recogen en la tabla 4.

Figura 5. Fuentes de fósforo utilizadas en formato comercial.

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Tabla 4. Dosis y cantidades de fósforo empleadas en el experimento.

También se recogen las cantidades de estruvita y superfosfato necesarias

para alcanzar esas concentraciones de fósforo.

Dosis

Cantidad de

fósforo

(mg P maceta-1)

Cantidad de

estruvita

(mg ST maceta-1)

Cantidad de

superfosfato

(mg SP maceta-1)

Cero (0) 0 0 0

Baja (B) 20 163,8 254,1

Media (M) 50 409,5 635,3

Alta (A) 150 1228,5 1906,0

Muy alta (MA) 500 4095 6353,2

4.1.1.3. Tipos de plantas

Los ensayos se realizaron en dos tipos de plantas fisiológicamente

muy distintas y con un crecimiento relativamente elevado para obtener

resultados a corto plazo. Esta fuente de variación tiene dos niveles que

corresponden con Helianthus annuus (girasol) y Pisum sativum L.

(guisante). Las semillas de estas dos especies fueron adquiridas en una

tienda especializada de venta de semillas.

Con las diferencias fisiológicas entre las dos especies se pretende

evaluar la robustez en la respuesta del crecimiento para las diferentes

fuentes de variación como son el tipo y la cantidad de fósforo.

Helianthus annuus, o como se denomina comúnmente el girasol, es

una planta herbácea anual de la familia de las asteráceas. Es una planta

poco exigente en relación al tipo de suelo dónde se desarrolla, aunque

muestra cierta preferencia por los suelos arcillo-arenosos y ricos en materia

orgánica. Es esencial para el óptimo crecimiento de la planta que el suelo

tenga un buen drenaje y la capa freática se encuentre a poca profundidad.

La germinación de las semillas de girasol depende de la temperatura y de la

humedad del suelo.

El guisante, o Pisum sativum es una planta herbácea de la familia de

las leguminosas (Fabaceae). Requiere una tierra suelta y ligera. No es muy

exigente respecto a la riqueza orgánica del suelo. Esta planta no tolera

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suelos muy ácidos y se ha de vigilar el pH para tratar que no sea inferior a

6,5. Necesita una exposición soleada y riegos frecuentes. Como todas las

leguminosas, además de ser una buena fuente de proteínas, minerales y

fibras es beneficiosa para la tierra, ya que fija el nitrógeno en el suelo

debido a bacterias del género Rhizobium que proliferan en los nódulos de

las raíces y producen nitratos. Es relativamente exigente en fósforo.

4.1.2. Replicación y número de unidades experimentales

Se utilizaron tres replicas para cada combinación de niveles de las

fuentes de variación seleccionadas previamente.

Por tanto, el número de unidades experimentales fue de 60: 2

niveles para la fuente de variación tipo de fuente de fósforo x 5 niveles de la

fuente de variación cantidad de fósforo x 2 niveles de la fuente de variación

tipo de planta x 3 réplicas = 60

4.1.3. Variables dependientes

Al final del periodo de incubación, se midió la biomasa seca tanto del

sistema radicular como de la parte aérea. A su vez se midió la relación

biomasa aérea/radicular, así como la biomasa total.

4.2. Procedimiento

La unidad experimental básica consistió en macetas de

aproximadamente 10 cm de alto y 12 cm de diámetro. Cada maceta fue

rellenada con 40 gramos de vermiculita seca libre de nutrientes. La

vermiculita es un sustrato químicamente estable e inerte. La mitad de las 60

macetas acogió a las semillas de guisante y la otra mitad a las de girasol.

Las 30 macetas de cada especie de planta, recibió, por triplicado, la

combinación de cada uno de los niveles de la fuente de variación de tipo de

fuente de fósforo (o estruvita o superfosfato) y de la concentración de

fósforo (0, considerado como el control, 20, 50, 150 y 500 mg P maceta-1).

Una vez adicionado el fósforo se mezcló con la vermiculita para

conseguir una distribución homogénea en el conjunto de la maceta.

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Las macetas se etiquetaron adecuadamente y las unidades

experimentales se distribuyeron aleatoriamente en una cámara de

incubación.

4.2.1. Pretratamiento de las semillas.

Previo a la introducción de las semillas en las macetas, las semillas

de girasol se colocarán en capas de papel de filtro humedecido con agua

destilada dentro de un paquete de papel de aluminio. Estos paquetes se

mantendrán en la estufa con una temperatura de 25º durante dos días.

Las semillas de guisante se introducirán en agua un día antes de su

plantación.

4.2.2. Plantación

Se añadieron 10 semillas de girasol y 10 semillas de guisante en las

macetas correspondientes. Estas fueron enterradas en la vermiculita con

unas pinzas, intentando mantener una distancia similar entre ellas.

Posteriormente, se añadió más vermiculita (4g maceta-1) para cubrir las

semillas.

4.2.3. Medio de cultivo

Se utilizó una solución nutritiva, totalmente libre de fósforo, como

fuente de agua y otros nutrientes esenciales para que el crecimiento no

estuviera limitado ni por agua ni por otros nutrientes distintos al fósforo

aportado.

La solución nutritiva aportada fue la solución de Hoagland al 50%, la

cual no incluye las soluciones de macronutrientes como KCl, NaH2PO4,

2H2O ni CaCl2·2H2O.

Se preparó solución en un matraz Erlenmeyer de 5L en el que se

añaden:

KNO3 75 mL

(CaNO3)2 ·4 H2O 50 mL

MgSO4· 7H2O 125 mL

Micronutrientes 50 mL

Solución madre de NH4+ 375mL

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15

Solución de hierro (Secuestrene) 50 mL

Se ajustó el pH de la solución 6,5±0,1 y se enrasó con agua

destilada hasta completar los 25 litros. La solución nutritiva se almacenó en

una garrafa opaca para evitar la radiación solar.

Una vez preparada la solución, se añadieron 100 ml a cada maceta

comenzando el día en que se añadieron las semillas a las macetas. Se

añadieron 100 ml de esta solución nutritiva libre de fósforo cada 3 días

aproximadamente hasta la finalización de la incubación.

4.2.4. Condiciones de experimentación

El cultivo de las plantas tuvo lugar en una cámara de incubación. Las

condiciones ambientales termo higrométricas fueron constantes durante el

periodo de incubación. El ensayo se llevó a cabo bajo un fotoperiodo de 12

horas de luz y 12 de oscuridad. La fase luminosa se realizó desde las 9:00h

hasta las 21:00h. La temperatura de la cámara fue de 26 grados

centígrados con un margen de dos grados de variación. En el caso de la

humedad relativa de la cámara, se establece un porcentaje de 52%

pudiendo variar el mismo en función del número de especies presentes. Las

figuras 7-13 muestran el aspecto de la evolución durante el periodo de

incubación.

El ensayo de incubación de las plantas tuvo una duración de 22

días. El tiempo fue suficiente para que el crecimiento fuese significativo ya

que son especies de rápido crecimiento.

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16

Figura 7. Aspecto de plantas en la cámara 5 días después del inicio de la

incubación. Guisante a la izquierda y girasol a la derecha.

Figura 8. Aspecto de plantas en la cámara 12 días después del inicio de la

incubación. Guisante a la izquierda y girasol a la derecha.

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17

Figura 9. Ejemplares de guisante con estruvita en orden de concentración

decreciente de P. Día 15. Dosis muy alta (24), dosis alta (18), dosis media

(11), dosis baja (4) y blanco (52).

Figura 10. Ejemplares de guisante con superfosfato en orden de

concentración decreciente de P. Día 15. Dosis muy alta (47), dosis alta

(41), dosis media (36), dosis baja (30) y el blanco (52).

Figura 11. Ejemplares de girasol con superfosfato en orden de concentración

de P decreciente. Día 15. Dosis muy alta (43), dosis alta (37), dosis media

(32), dosis baja (26) y el blanco (51).

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18

Figura 12. Ejemplares de girasol con estruvita en concentración de P

decreciente. Día 15. Dosis muy alta (19), dosis alta (13), dosis media (7),

dosis baja (1) y el blanco (51).

Figura 13. Aspecto de plantas en la cámara en el momento de la extracción,

22 días después del inicio de la incubación. Guisante a la izquierda y girasol

a la derecha.

4.2.5. Medida de la biomasa

Al finalizar el periodo de incubación, se procedió al desplante de las

macetas. La planta fue extraída del sustrato procurando despegar los

granos de vermiculita que han quedado adheridos a la parte radicular. Para

facilitar el trabajo, las plantas cosechadas se agitaron dentro de una

bandeja con agua destilada, recuperando del agua aquellas pequeñas

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19

porciones de biomasa (especialmente raíces finas) que se pudieron haber

despegado durante el desplante.

La biomasa extraída se colocó unos minutos en papel de filtro para

eliminar el exceso de agua como se puede ver en las figuras 14 y15.

Figura 14. Aspecto de las plantas de guisante con superfosfato tras ser

cosechado de la maceta.

Figura 15. Aspecto de las plantas de girasol con estruvita tras ser

cosechado de la maceta.

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20

A continuación, las plantas se colocaron en bandejas de aluminio

previamente numeradas y se introdujeron en la estufa el tiempo suficiente

(durante 25 días a 35 oC) para que perdiesen toda el agua y obtener así la

biomasa seca.

Una vez secas las plantas, las bandejas se extrajeron de la estufa y

se procedió a la separación de la biomasa aérea de la biomasa radicular. La

parte aérea se compone de hojas y tallos y la parte radicular se compone de

las raíces. Es en estas últimas donde podemos encontrar restos de

vermiculita, aun así su peso fue despreciable. Una vez separada la parte

aérea de la radicular, la biomasa seca se colocó en vasos de plástico

previamente tarados en la balanza de precisión (en algunos casos será

necesario cortar en varios tramos la parte aérea debido al volumen de sus

hojas) y se determinó el peso tanto de la biomasa aérea como de la

radicular.

4.3. Análisis estadístico

Los efectos de la fuente de fósforo (estruvita versus superfosfato) y

de la concentración de fósforo sobre la biomasa aérea, radicular y total, y la

relación biomasa aérea/biomasa radicular se evaluó a través de un ANOVA

de una vía y comparación a posteriori de Fisher. En algunos casos, para

establecer las diferencias entre la estruvita y el superfosfato para el

conjunto de concentraciones se utilizó un ANOVA de medidas repetidas.

Se utilizó un = 0.05 para establecer la existencia de diferencias

significativas.

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21

5. RESULTADOS

5.1. Efecto del tipo de fósforo y concentración de fósforo en la

producción de biomasa aérea y radicular del girasol

La figura 16 muestra la biomasa aérea cosechada de girasol en

macetas con distinto tipo de fósforo (estruvita y superfosfato) a distintas

concentraciones (desde cero hasta 500 mg P por maceta).

Figura 14. Biomasa aérea del girasol (mg maceta-1) en función de la cantidad

de P añadido en forma de estruvita o superfosfato.

En general, no hubo diferencias significativas (ANOVA de medidas

repetidas; P> 0.05) en la biomasa aérea cosechada entre las dos formas de

fósforo. Sin embargo, si hubo un efecto significativo de la cantidad de

fósforo sobre la biomasa aérea.

Con la estruvita, concentraciones crecientes de fósforo no hicieron

cambiar la biomasa aérea cosechada del girasol, y no se constataron

diferencias significativas con respecto al control. La biomasa aérea

cosechada osciló entre 1,0 y 1,1 mg maceta-1.

Por otra parte, la cantidad de fósforo añadida en forma de

superfosfato si afectó de forma significativa a la biomasa aérea cosechada.

A baja cantidad de P (25 y 50 mg P maceta-1), la biomasa aérea disminuyó

con respecto al control, sin embargo, fue significativamente mayor que éste

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Bio

ma

sa

rea

(m

g m

ace

ta-1

)

Cantidad de P (mg P maceta-1)

Estruvita

Superfosfato

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22

conforme se aumentó la concentración de P, especialmente a partir de 150

mg P maceta-1. Para ambas fuentes de fósforo se constató una leve

reducción de la biomasa aérea cosechada a dosis muy altas de P, aunque

ésta no fue significativamente distinta que la registrada a dosis de 150 mg P

maceta-1.

La biomasa radicular cosechada, con respecto a la fuente y cantidad

de P añadida se observa en la figura 17. No hubo diferencias significativas

en la biomasa radicular cosechada debidas a la fuente de fósforo (ANOVA

de medidas repetidas; P> 0.05). Para ambas fuentes de fósforo, hubo una

clara reducción de la biomasa radicular cosechada conforme aumentó la

dosis de fósforo.

Figura 15. Biomasa radicular del girasol (mg maceta-1) en función de la

cantidad de P añadido en forma de estruvita o superfosfato.

En el caso de la estruvita, la biomasa radicular a dosis muy baja de

20 mg P maceta-1 fue similar que aquella cosechada en el tratamiento

control y a partir de esa concentración hubo un descenso de la biomasa

radicular, que fue algo mayor del 100 % a dosis muy altas (500 mg maceta-

1) de fósforo. Para el caso del superfosfato, el descenso fue muy acusado

desde las primeras dosis de P, y al igual que para la estruvita a dosis muy

-0,1

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Bio

ma

sa

ra

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ula

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g m

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-1)

Cantidad de P (mg P maceta-1)

Estruvita

Superfosfato

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23

altas la biomasa radicular cosechada fue menos de la mitad que la medida

en el tratamiento control sin fósforo.

Los efectos que tuvieron la fuente de fósforo y la cantidad de éste

sobre la biomasa total cosechada del girasol, se muestran en la figura 18.

Figura 16. Peso total de la planta de girasol (mg maceta-1) en función de la

cantidad de P añadido en forma de estruvita o superfosfato.

No hubo diferencias significativas en la biomasa total cosechada

debidas a la fuente de fósforo (ANOVA de medidas repetidas; P> 0.05),

aunque eso dependió de la cantidad de fósforo añadida. Para ambas

fuentes de fósforo, hubo un descenso en la biomasa total cosechada a

cantidades crecientes de fósforo, aunque el patrón de descenso fue distinto

en cada fuente de fósforo. Para el caso de la estruvita, el descenso se dio a

partir de la cantidad muy baja de fósforo (20 mg P-estruvita maceta-1) y a

dosis muy alta, la biomasa total cosechada fue del 62 % con respecto al

control.

Para el caso del superfosfato, se verificó un descenso en la biomasa

total cosechada del girasol a cantidades muy bajas (20 mg P maceta-1). A

dosis muy altas de 500 mg P maceta-1, la biomasa total cosechada fue del

68 % con respecto al tratamiento control sin fósforo.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550Pe

so to

tal p

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(m

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Cantidad de P (mg P maceta-1)

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Superfosfato

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24

En la figura 19 se muestra la relación entre biomasa aérea y

radicular en función de la fuente y cantidad de P añadidas. No hubo

diferencias significativas debidas a la fuente de fósforo en la relación

biomasa aérea/biomasa radicular (ANOVA de medidas repetidas; P> 0.05).

Para ambas fuentes de fósforo hubo un incremento muy significativo de

dicha relación a cantidades crecientes de fósforo, aunque el patrón fue

distinto en función de la fuente de fósforo. Para el caso del superfosfato,

hubo una relación lineal entre la cantidad de P añadida y la relación

biomasa aérea/biomasa radicular y para la dosis más alta esta relación fue

de 3.8 veces superior que el determinado para el tratamiento control. Para

el caso de la estruvita, la relación biomasa aérea/biomasa radicular para la

dosis muy baja fue similar a la del control, pero hubo un ascenso muy

acusado a partir de esta cantidad de fósforo, de forma que para la dosis alta

de 150 mg P maceta-1, la relación fue, en promedio, de 3.1 veces la

determinada para el control. La relación entre ambas biomasas se mantuvo

constante a cantidades de P superiores a 150 mg P-estruvita maceta-1.

Figura 179. Relación entre la biomasa aérea y radicular del girasol en relación

a la cantidad de P añadida en forma de estruvita o superfosfato.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

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Cantidad de P (mg P maceta-1)

Estruvita

Superfosfato

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25

Combinado los valores de biomasa obtenidos tras añadir la estruvita

y el superfosfato para la misma cantidad de P, se puede apreciar cómo

cuanto mayor fue la cantidad de fósforo añadida menor fue la biomasa

radicular y la biomasa total, así como la relación biomasa aérea/biomasa

radicular (figura 20).

a

ab

bc

bc

c

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA

Bio

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NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA

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mg

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)

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Figura 20. Promedio y desviación típica de la biomasa radicular (a), biomasa

total (b) y relación biomasa aérea/biomasa radicular del girasol para dosis

creciente de fósforo. Se han combinado los valores obtenidos con la

estruvita y del superfosfato para la misma dosis de fósforo añadida.

Distintas letras denotan diferencias significativas (ANOVA de una vía y test

de comparación a posteriori de Fisher).

5.2. Efecto del tipo de fósforo y concentración de fósforo en la producción

de biomasa aérea y radicular del guisante

En las figuras 21 y 22 se presenta la biomasa aérea y radicular

cosechadas del guisante para las distintas fuentes y cantidades de fósforo

añadidos. El patrón de biomasa área cosechada fue similar al de biomasa

radicular, para las distintas fuentes y cantidades de fósforo añadidos,

aunque la biomasa aérea cosechada fue, en general, del doble que la

radicular. Aunque no hubo diferencias significativas en la biomasa aérea ni

en la biomasa radicular del guisante (ANOVA de medidas repetidas; P>

0.05) debido al tipo de fuente de P, hubo una tendencia de mayor biomasa

cuándo el fósforo se añadió en forma de estruvita con respecto al

superfosfato, especialmente a partir de la dosis baja (50 mg P maceta-1) de

fósforo.

La cantidad de fósforo tuvo un efecto significativo de reducción de la

biomasa aérea (figura 21) y de la biomasa radicular (figura 22), a partir de

la dosis baja tanto cuándo el fósforo se añadió en forma de estruvita como

a a

a

b

b

0

0,5

1

1,5

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3

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4

NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA

Bio

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bio

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de superfosfato, y para la dosis muy alta (500 mg P maceta-1), la biomasa

aérea cosechada fue, en promedio, un 68 % y un 41 % inferior con

respecto al control sin fósforo para la estruvita y el superfosfato,

respectivamente. Para el caso de la biomasa radicular, el descenso de la

biomasa fue 58 % y 36 % con respecto al control para la estruvita y

superfosfato, respectivamente.

Figura 21. Biomasa aérea del guisante tras la aplicación de distintas

fuentes y cantidades crecientes de P.

Figura 22. Biomasa radicular del guisante tras la aplicación de distintas

fuentes y cantidades crecientes de P.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550Bio

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Superfosfato

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Bio

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Cantidad de P (mg P maceta-1)

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Superfosfato

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28

La biomasa total cosechada para el guisante, descendió de forma

significativa a cantidades crecientes de fósforo a partir de la dosis baja (50

mg P maceta-1), tanto si el fósforo fue añadido en forma de estruvita como si

fue añadido en forma de superfosfato (figura 23). Sin embargo, el descenso

fue más acusado cuándo la fuente de fósforo fue el superfosfato. Para la

dosis más alta, la biomasa total cosechada fue 1.5 y 2.5 veces inferior que

el control, para la estruvita y el superfosfato respectivamente.

Figura 23. Peso total de la planta de guisante en relación a la cantidad de P

añadida en forma de estruvita y superfosfato.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Bio

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Cantidad de P (mg P maceta-1)

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29

Aunque hubo oscilaciones en la relación biomasa área/biomasa

radicular cuándo se añadieron las dosis muy bajas o bajas con respecto al

control, no hubo diferencias significativas debido a las cantidades de fósforo

ni al tipo de fuente de fósforo (figura 24).

Figura 24. Relación biomasa aérea/biomasa radicular del guisante según la

cantidad de P añadido en forma de estruvita o superfosfato.

Combinado los valores de biomasa obtenidos tras añadir la estruvita

y el superfosfato para la misma cantidad de P, se puede apreciar como

cuándo mayor fue la cantidad de fósforo añadida menor fue la biomasa

radicular y la biomasa total, para las dosis altas y muy altas (figura 25).

0

0,5

1

1,5

2

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3

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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

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Cantidad de P (mg P maceta-1)

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NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA

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Figura 25. Promedio y desviación típica de la biomasa radicular (a) y biomasa

total (b) del guisante para dosis creciente de fósforo. Se han combinado los

valores obtenidos con la estruvita y del superfosfato para la misma dosis de

fósforo añadida. Distintas letras denotan diferencias significativas (ANOVA

de una vía y test de comparación a posteriori de Fisher).

6. DISCUSIÓN

En general, los efectos de la estruvita sobre la biomasa aérea,

radicular y total, y sobre la relación biomasa aérea/biomasa radicular, fueron

similares a los que tuvo la aplicación del superfosfato, tanto en el girasol como

en el guisante. Y, por tanto, la estruvita, fuente de fósforo reciclada, se

comportó de forma similar al superfosfato, principal fuente de fósforo en la

agricultura a escala global. Este resultado refuerza la idea de que la estruvita,

obtenida a partir de aguas residuales, ofrece una alternativa más sostenible, no

solo porque sea una fuente de fósforo reciclada sino, porque también

disminuye los niveles de fósforo y nitrógeno de los efluentes de las aguas

residuales.

La biomasa aérea, tanto del girasol como del guisante, no sólo no

aumentó, sino que disminuyó ligeramente a cantidades crecientes tanto de

estruvita como de superfosfato, con respecto al control en el que no se adicionó

fósforo. Este resultado contrasta con otros muchos resultados en los que se

muestra un efecto positivo de la disponibilidad de fósforo en el desarrollo de

muchas especies de plantas. Por ejemplo, Plaza et al. (2007) demostraron

a

ab ab

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0

0,2

0,4

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0,8

1

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NADA BAJA MEDIA ALTA MUY ALTA

Bio

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31

recientemente que la estruvita tuvo un efecto significativo positivo sobre el

crecimiento de lechuga, comparable con el obtenido con el superfosfato.

Sin embargo, hay también estudios que muestran cómo

concentraciones crecientes de fósforo no hicieron aumentar la biomasa en

algunas plantas herbáceas. Por ejemplo, Hilt et al. (2016) encontraron

resultados parecidos a los de este estudio. En condiciones de jardín

experimental, encontraron que dosis crecientes (equivalentes a 24.4, 48.8 y

97.6 kg P ha-1) de fosfato amónico y P en forma de estruvita no tuvieron efecto

alguno en el crecimiento de triticale (Triticale sp) y en la avena, especialmente

cuándo el ensayo se efectuó a pH relativamente básico.

Teniendo en cuenta, que la única fuente de variación entre el control

y los distintos tratamientos fue la aplicación de fósforo en forma de superfosfato

o estruvita, la ausencia de un crecimiento significativo debió ocurrir por la

aplicación de estas dos fuentes de fósforo.

Aunque no se han medido los niveles de fósforo disponible en este

estudio, se asume una relación directa entre las cantidades de estruvita y

superfosfato añadidas y la concentración de fósforo soluble ya que en el TFG

de Irene Jiménez García (2016) se puso de manifiesto la elevada solubilidad

del fósforo tanto del superfosfato como de la estruvita en un amplio rango de

concentraciones, ambos una semana después de añadirlo al agua destilada.

El hecho de que la biomasa aérea del girasol y del guisante no

aumentase de forma significativa tras la aplicación de superfosfato como de la

estruvita denota que el fósforo no fue un factor limitante y/o que hubo algún

factor asociado a la estruvita y al superfosfato distinto del fósforo que afectase

al crecimiento de la planta.

La biomasa radicular fue, especialmente, la que más se redujo a

concentraciones creciente tanto de superfosfato como de estruvita y la relación

biomasa aérea/biomasa radicular para ambos tipos de plantas aumentó

ostensiblemente cuánto mayor fue la dosis de fósforo añadida. Las raíces, los

tallos y las hojas son funcionalmente interdependientes y deben mantener un

balance dinámico en sus biomasas que refleja la abundancia relativa de los

recursos en la parte aérea (luz y concentración de CO2, principalmente) en

relación a los recursos en la rizosfera (agua y nutrientes, principalmente)

(Poorter et al., 2012). En este estudio, los recursos de la parte aérea se

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32

mantuvieron constantes, al igual que aquellos de la parte radicular con

excepción de la fuente y concentración de fósforo. Se ha descrito, hace ya

décadas, que una elevada concentración de fósforo hace aumentar la relación

biomasa aérea/radicular, tal y como se ha encontrado en este estudio. Por

ejemplo, Davidson (1969) encontró para el trébol blanco (Trifolium repens) que

la relación biomasa aérea/biomasa radicular se multiplicó por 1.5 bajo

condiciones de mucha disponibilidad de fósforo. Un resultado similar también

fue encontrado por Fredeen et al. (1989) para la soja que invirtió 5 veces más

biomasa en la parte aérea que en la radicular cuándo la disponibilidad de

fósforo fue muy elevada.

El P es un elemento limitante, y como consecuencia de baja

disponibilidad de éste, las plantas suelen aumentar el volumen de exploración

de P del suelo a través de un incremento ostensible en la biomasa radicular. Lo

contrario también es cierto. Ante un exceso de P y bajo condiciones óptimas de

luz, temperatura y agua (como es el caso en este estudio), las plantas no

precisan del gasto energético que conlleva la proliferación del sistema

radicular. Sin embargo, a pesar de que el sistema radicular en las plantas de

girasol y guisante a concentraciones medias, altas y muy altas, fue

significativamente inferior a las plantas control sin fósforo, la biomasa aérea fue

similar, lo que sin duda denota menor gasto energético en las plantas

fertilizadas con superfosfato o con estruvita.

Por otra parte, es posible que otros factores hayan determinado

menor biomasa radicular y ausencia de diferencias significativas en la biomasa

aérea con respecto al control no tratado. Es posible que tras aplicación de la

estruvita o del superfosfato haya habido cambios en el pH que pudieran afectar

al crecimiento. Otra posible hipótesis es que el exceso de fósforo soluble hay

repercutido negativamente en el crecimiento potencial de las plantas al

bloquear la incorporación de otros elementos nutritivos como por ejemplo el

zinc (Cabezas y Sánchez, 2008). Este estudio pone de manifiesto la necesidad

de seguir investigando el posible efecto que tiene la estruvita en estos factores

no controlados en este estudio.

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7. CONCLUSIONES

1. Los efectos de la estruvita sobre la biomasa aérea, radicular y

total, y sobre la relación biomasa aérea/biomasa radicular, fueron similares a

los que tuvo la aplicación del superfosfato, tanto en el girasol como en el

guisante. Y, por tanto, la estruvita, fuente de fósforo reciclada, se comportó de

forma similar al superfosfato, principal fuente de fósforo en la agricultura a

escala global. Por tanto, se concluye que la estruvita, obtenida a partir de

aguas residuales, ofrece una alternativa más sostenible que el uso de

fertilizantes de fósforo convencionales, como el superfosfato.

2. La biomasa aérea, tanto del girasol como del guisante, a

cantidades creciente tanto de estruvita como de superfosfato, no fue

significativamente superior que el control en el que no se adicionó fósforo, lo

que sugiere que en estos estadios de desarrollo no hubo limitación por fósforo

o hubo otros factores no controlados en el experimento que disminuyeron el

efecto potencialmente positivo del fósforo de la estruvita y superfosfato.

3. La biomasa total tras la aplicación de estruvita y superfosfato

disminuyó significativamente tanto en el girasol como en el guisante, debido a

una manifiesta disminución de la biomasa radicular, especialmente a partir de

la dosis alta.

4. La biomasa radicular disminuyó ostensiblemente en las dos

especies ensayadas tras la aplicación de estruvita y superfosfato, y por tanto

aumentó de forma significativa la relación biomasa aérea/biomasa radicular,

especialmente a dosis medias o altas. El P es un elemento limitante, ante una

elevada disponibilidad de éste, las plantas suelen disminuir el volumen de

exploración de P del suelo a través de un descenso ostensible en la biomasa

radicular. Por tanto, se precisa de menor gasto energético para la misma

biomasa aérea con la aplicación de estruvita y superfosfato.

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Fe de erratas

Página Dice Debe decir

21. Gráfico Figura 14 Figura 16

21. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1

21. P.3 La biomasa aérea cosechada osciló entre 1,0 y 1,1 mg maceta-1

La biomasa aérea cosechada osciló entre 1,0 y 1,1 g maceta-1

22. Gráfico Figura 15 Figura 17

22. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1

23. Gráfico Figura 16 Figura 18

23. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1

24. Gráfico Figura 179 Figura 19

25. Gráfico 20.A mg maceta-1 g maceta-1

25. Gráfico 20.B mg maceta-1 g maceta-1

27. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1

28. Gráfico mg maceta-1 g maceta-1

29. Gráfico 25.A mg maceta-1 g maceta-1

30. Gráfico 25.B mg maceta-1 g maceta-1