Tesis doctorales DCMN - NIZS Doktoretza tesiak

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http://hdl.handle.net/2454/14767

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Ammonia and GHG emission from environmental techniques in livestock farms based on modelization
(2017) Aguilar Ramírez, Maite; Merino Pereda, Pilar; Calvet Sanz, Salvador; Aparicio Tejo, Pedro María; Ciencias del Medio Natural; Natura Ingurunearen Zientziak
Actualmente, los sistemas agro-ganaderos tienen que hacer frente a desafíos ambientales, técnicos y económicos para tratar de responder a las demandas de desarrollo sostenible de la sociedad, lo cual requiere de soluciones innovadoras. En este sentido, las explotaciones avícolas y porcinas de gran tamaño deben obtener una autorización ambiental basada en la implementación de las Mejores Técnicas Disponibles (MTD) de acuerdo a la Directiva de Emisiones Industriales IED 2010/75 / EU. Esta tesis aborda el desarrollo de un modelo (modelo BATFARM) para la selección de técnicas ambientales en granjas comerciales de ganado porcino, avícola y de vacuno leche. Su objetivo es identificar las etapas clave que contribuyen a la emisión de amoniaco y de gases de efecto invernadero (GEI) en las explotaciones ganaderas, así como la comparación de diferentes escenarios de implementación de MTD. Diseñado con rigor metodológico y como una herramienta fácil de usar, calcula la producción y composición de los estiércoles y purines, las emisiones, los consumos y la producción animal. El modelo combina diferentes metodologías incluyendo factores de emisión y ecuaciones, tanto empíricas como basadas en procesos. Las pruebas realizadas parecen indicar que tanto las interacciones como el efecto de los factores con un impacto relevante en las emisiones, son considerados por el modelo. Sin embargo, los resultados deben ser interpretados como indicativos de la reducción relativa lograda y no como valores absolutos de emisión. La disponibilidad de estudios de investigación aplicada en granjas para determinar factores de emisión es fundamental en la modelización. En el marco de esta tesis se ha llevado a cabo la evaluación de un lavador de aire húmedo en una explotación comercial de ganado porcino, cuyos resultados se han incorporado en el modelo. Los lavadores húmedos parecen ser, también en nuestras condiciones climáticas, muy eficaces en la reducción de amoniaco. Sin embargo, es una técnica costosa que además puede perder su eficacia si no se aplican medidas adicionales en las subsiguientes etapas. Precisamente, los modelos permiten realizar este tipo de evaluaciones a lo largo de todas las fases de producción ganadera, clave para la selección de las técnicas que permitan alcanzar los objetivos de reducción de emisión requeridos en cada caso de la forma más eficaz.
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Compostaje descentralizado de residuos orgánicos domiciliarios a pequeña escala: estudio del proceso y del producto obtenido
(2017) Storino, Francesco; Irigoyen Iriarte, Ignacio; Aparicio Tejo, Pedro María; Ciencias del Medio Natural; Natura Ingurunearen Zientziak
Las más recientes políticas europeas en materia de residuos contemplan un sistema jerárquico de opciones de gestión, en el cual las acciones de prevención constituyen la más alta prioridad. Desde los años noventa el compostaje "in situ" a escala doméstica o comunitaria (autocompostaje) se está afirmando como vía de reducción de la generación de residuos en origen, presentando claras ventajas en términos medioambientales, económicos y sociales. Sin embargo, la literatura científica sobre los aspectos operativos del compostaje a pequeña escala cuenta todavía con un número exiguo de publicaciones. El objetivo de la presente tesis doctoral es profundizar en el estudio de aspectos operativos de las técnicas del compostaje a pequeña escala para favorecer su sostenibilidad y difusión como instrumento de prevención de residuos. En la primera parte de la tesis se realizó un "estudio de potencialidades" para identificar los aspectos técnicos a investigar en la parte experimental. Este estudio ha sido desarrollado a través de una revisión bibliográfica de trabajos de investigación, reports de entidades públicas y memorias de proyectos, con especial atención a aspectos medioambientales y económicos, y mediante la posterior realización de un análisis SWOT (DAFO). En este último se identificaron, a través de opiniones de expertos, técnicos gestores, educadores ambientales y participantes en iniciativas de autocompostaje recogidas en conferencias encuestas y entrevistas, los principales elementos de Fortaleza, Debilidad y posibles Amenazas y Oportunidades. Los resultados obtenidos en este estudio han puesto de manifiesto una serie de elementos de incertidumbre, problemas de carácter técnico y dudas sobre el manejo del proceso a pequeña escala, que son objeto de los diferentes ensayos desarrollados en la parte experimental de la tesis. El primer aspecto técnico abordado en la parte experimental ha sido el de determinar en qué difiere el compostaje doméstico del compostaje a escala industrial. Para este fin, se realizaron 4 ensayos comparando el compostaje del mismo tipo de residuo a escala industrial en pilas(> 1300 t) y doméstico en composteras (320 L), en términos de desarrollo del proceso y características del compost obtenido. Los primeros dos ensayos fueron realizados, respectivamente, con residuos agroindustriales y fracción orgánica de residuos municipales (FORM), utilizando el mismo material estructurante y la misma frecuencia de volteo. Durante estos primeros ensayos se observó un limitado desarrollo del proceso de compostaje a escala doméstica, ya que el tamaño del estructurante utilizado era demasiado grueso y la frecuencia de volteo insuficiente para el compostaje en composteras. Posteriormente, se realizaron un tercer y un cuarto ensayo compostando FORM a ambas escalas, modificando, en la escala doméstica, el tamaño del estructurante empleado y la frecuencia de volteo adoptada. En estos 4 ensayos se ha observado una mayor intensidad del proceso en las primeras fases de compostaje en composteras domésticas, afectando positivamente a la evolución del compost, mientras las características químico-fisicas y la madurez de los compost obtenidos al final del proceso fueron similares en ambas escalas. Asimismo se observó una mayor dependencia de la temperatura externa del compostaje en composteras, respecto al proceso realizado en pilas de grandes dimensiones. Adecuando el calendario de volteo y el tamaño de estructurante a escala doméstica se pudieron conseguir prestaciones incluso superiores al compostaje industrial, en términos de desarrollo de temperatura, reducciones de peso y volumen, madurez y composición del compost final. Posteriormente, se han realizados ensayos específicos sobre el proceso de compostaje en composteras domésticas: Por un lado se han evaluado distintos regímenes de alimentación de las composteras, comparando distintas frecuencias con la que se realizan los aportes y distintas cantidades de material orgánico adicionado con cada aporte. Se ha observado un mayor desarrollo de la temperatura y una mayor actividad microbiana durante el compostaje con aportes de mayor tamaño. Por otro lado, se han estudiado los efectos de la aportación de alimentos cárnicos, comparando diferentes mezclas de restos orgánicos iniciales obtenidas combinando dos proporciones distintas de carne/vegetal con dos dosis diferentes de estructurante. La presencia de restos cárnicos ha aumentado la temperatura durante el proceso, mejorando la madurez y el grado de humificación del compost, sin afectar negativamente a su conductividad eléctrica, pH, contenido en metales pesados ni a su fitotoxicidad. Un adecuado manejo del proceso es efectivo para reducir el riesgo microbiológico. A su vez, en otro ensayo se han evaluado cuatro materiales (3 vegetales y 1 mineral) para su utilización como estructurante en composteras domésticas. Las propiedades de los diferentes materiales estructurantes influyeron sobre el desarrollo del proceso afectando a la evolución de las características del compost. Los restos de poda triturados, habitualmente empleados en la práctica del autocompostaje, han sido los que proporcionaron mejores prestaciones en términos de calidad del compost y desarrollo del proceso. Paralelamente, se ha evaluado la capacidad de control del proceso de compostaje a escala doméstica sobre la vitalidad de semillas, mediante dos experimentos. En el primer experimento, se colocaron en el interior de las composteras unos contenedores metálicos con semillas de distintas plantas que fueron retiradas al término del proceso de compostaje para ponerlas a germinar. En el segundo experimento, se incubó compost doméstico en condiciones óptimas para poder observar la eventual germinación de semillas. Se concluye que el proceso de compostaje en composteras, alcanzando temperaturas termófilas, ha sido capaz de controlar la germinación de semillas. No obstante, son necesarios volteos suficientes, que aseguren que todo el material compostado sea sometido a condiciones de proceso. Con el material obtenido en los anteriores experimentos de compostaje se han realizado ensayos de cultivo en macetas, evaluando diferentes compost domésticos como fertilizante (en lechuga y espinaca) y como ingrediente para sustrato de cultivo (en pensamiento). A la luz de los resultados obtenidos en ambos ensayos, es posible concluir que el compost producido a nivel doméstico puede ser utilizado con toda seguridad como fertilizante o en la formulación de sustratos de cultivos, incluso en dosis más elevadas con respecto a compost industriales. Además, se investigó si la trituración de restos de poda, empleados como estructurante, puede constituir una fuente de metales pesados presentes en el compost. Para ello, se ha analizado el material triturado con 15 biotrituradoras móviles (con distintos tamaños, sistemas de corte y alimentación) y se han calculado las posibles concentraciones finales en el compost obtenido. Los materiales triturados presentaron bajos contenidos de metales pesados y su utilización no constituye una fuente significativa de contaminantes para el compost producido a nivel doméstico o comunitario. Finalmente, se ha realizado el seguimiento de un proyecto piloto de compostaje comunitario asistido por gallinas realizado en Noáin (Navarra) en colaboración con el ayuntamiento y 30 familias de dicha localidad. A la luz de los resultados obtenidos en los primeros tres años de funcionamiento, ha sido posible concluir que el manejo del compostaje ha sido técnicamente válido, con un correcto desarrollo del proceso y una alta calidad del compost producido. El sistema propuesto ha conseguido reducir satisfactoriamente una cantidad considerable de residuos orgánicos municipales destinados a la recogida y tratamiento centralizado, proporcionando, además, beneficios económicos, medioambientales y sociales. El autocompostaje en composteras de pequeñas dimensiones se ha revelado como herramienta eficaz para la prevención de residuos orgánicos domiciliarios, presentando, desde un punto de vista técnico, un correcto desarrollo del proceso. El compost obtenido presentó características adecuadas para su utilización doméstica. No obstante, para avalar y potenciar su difusión, sería interesante abordar en futuros estudios también aspectos sociales, demográficos, políticos, económicos y medioambientales asociados a estas prácticas.
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Evaluación del efecto de los inhibidores de la nitrificación derivados de dimetilpirazol y la nutrición amoniacal sobre la fisiología de las plantas
(2018) Rodrigues dos Santos, Janaina Maria; Aparicio Tejo, Pedro María; González Murua, Carmen; Lasa Larrea, Berta; Ciencias del Medio Natural; Natura Ingurunearen Zientziak
Los inhibidores de la nitrificación (IN) pueden ser bien productos biológicos producidos por las plantas o de síntesis química, estos últimos son añadidos a los fertilizantes granulados, solubles o líquidos y del mismo modo que los biológicos, son capaces de inhibir el crecimiento de los microrganismos nitrificantes. Los inhibidores procedentes de la síntesis química se han venido utilizando desde hace décadas en la agricultura y han sido desarrollados para tratar de disminuir las pérdidas de N de los agrosistemas (lixiviado de nitrato y emisiones de óxidos de nitrógeno), aumentando la eficiencia del uso del N de los fertilizantes aplicados a los cultivos. Actualmente la diciandiamida (DCD) y el 3,4-dimetilpirazol fosfato (DMPP) son los IN comercializados más utilizados y estudiados. Un nuevo producto ha sido desarrollado recientemente, el ácido 2- (N-3,4-dimetil-1H-pirazol-1-il) succínico, y que pertenece al mismo grupo de los dimetilpirazoles. Aunque su eficiencia es similar al DMPP, hasta la fecha hay pocos estudios sobre esta nueva molécula y su modo de acción no está del todo resuelto. En este trabajo se ha estudiado el efecto de los IN derivados de dimetilpirazol, así como la nutrición amoniacal sobre la fisiología de las plantas, dado que el empleo de IN modifica la presencia de las formas de nitrógeno disponibles en el suelo a favor de una mayor presencia de amonio. En nuestro estudio hemos observado que ambos IN derivados de dimetilpirazol, DMPP y DMPSA pueden ser absorbidos y translocados de la raíz hacia la parte aérea, aunque únicamente se ha observado afectación de las plantas con el DMPP a dosis muy elevadas. Para intentar dilucidar el posible modo de acción del DMPP sobre los procesos fisiológicos y metabólicos de la planta, se realizó un estudio con las herramientas moleculares (transcriptómica y proteómica), apoyados con estudios fisiológicos para así tener un mejor conocimiento de los mecanismos y rutas fisiológicas de las plantas que pudieran estar afectadas por el inhibidor. Dado que los IN favorecen la presencia de amonio en el suelo durante mayor tiempo tras la aplicación de fertilizantes de base amoniacal hemos realizado un estudio del efecto de diferentes ratios de NO3- y NH4+ en plantas de guisante y espinaca representativas de especies tolerantes y sensibles a la nutrición amoniacal. Hemos constatado que el mantenimiento del nivel de amonio en los tejidos es un factor importante en la respuesta a su tolerancia a esta fuente nitrogenada en las plantas.
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From ground pollution to soil fertilization: an environmental assessment of soil amendments derived from organic wastes
(2015) Calleja Cervantes, María Eréndira; Aparicio Tejo, Pedro María; Irigoyen Iriarte, Ignacio; Ciencias del Medio Natural; Natura Ingurunearen Zientziak; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
El crecimiento de la población y sus necesidades de alimentación en las últimas décadas han sido mayoritariamente sustentados por un modelo productivo lineal a escala global basado en consumir recursos y generar residuos. Este modelo en muchas ocasiones ha contribuido de manera crucial al deterioro de agrosistemas y al cambio climático global. Para mejorar la sostenibilidad de los agrosistemas y mitigar el cambio climático es fundamental potenciar modelos productivos circulares locales basados en aprovechar residuos del entorno como recursos que permitan mejorar la fertilidad y resiliencia de los agrosistemas y desarrollar una agricultura más sostenible. Es por esto, que esta tesis tiene por objetivo general el estudio del uso continuado de residuos orgánicos en suelos agrícolas como enmiendas. Esta investigación se ha desarrollado en dos ensayos de larga duración ubicados en Navarra (España) donde se realizan distintos manejos de fertilización con residuos orgánicos. El primero de ellos es una viña de DOC Rioja (Bargota) en la que desde 1998 se aplican anualmente 3 compost diferentes. El segundo ensayo es una rotación cerealista (Arazuri) que desde 1992 recibe anualmente lodos de EDAR a distintas dosis. Los resultados de estos ensayos muestran un claro efecto beneficioso de la aplicación de distintos residuos orgánicos como fertilizantes en ambos agrosistemas.
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Nitrogen source as key factor conditioning responsiveness of Arabidopsis plants to elevated CO2 conditions
(2014) Jáuregui Mosquera, Iván; Aparicio Tejo, Pedro María; Aranjuelo Michelena, Iker; Ciencias del Medio Natural; Natura Ingurunearen Zientziak
The amount of carbon dioxide (CO2) in Earth's atmosphere has exceeded 400 parts per million (ppm) during three continuous months of observations in 2014, which is an absolute record for the last 800,000 years. As a consequence, plants, as photosynthetic organisms, will inevitably be influenced by the changed growing conditions that result from the increased [CO2]. The effect of increased [CO2] on plants has been widely studied and goes far beyond favouring carboxylation of Rubisco and generating higher growth rates. The present thesis aims to highlight the relevance of different nitrogen sources in the response of Arabidopsis thaliana, a C3 model plant, to elevated [CO2]. For this purpose, this has been an integrated study of leaf and root organs combining techniques that range from plant physiology to molecular biology. Under nitrate nutrition and elevated [CO2] conditions, Arabidopsis thaliana plants increase their biomass and maximum photosynthetic rates; nevertheless, the total soluble protein, Rubisco content and leaf N content reveal a general decrease in leaf N availability (chapter I). Although the expression of nitrate transporters was substantially upregulated in roots, plants did not efficiently transport nitrate and other minerals from roots to leaves, which compromised leaf N and mineral status. Therefore, our results suggest that the diminution of transpiration rates causes a reduction in the xylem flux, which inexorably generates an imbalance in the transport of nitrate and mineral elements between organs under elevated [CO2]. Moreover, root nitrate assimilation (based on the amino acid content) is favoured in order to overcome N limitations due to the reduction in leaf nitrate assimilation. In chapter II plant performance under elevated [CO2] and ammonium nitrate conditions was characterized and it was found that biomass doubled due to substantially increased photosynthetic rates. Gas exchange characterization revealed that these plants overcame photosynthetic acclimation. Plants maintained Rubisco concentrations at control levels alongside enhanced energy efficiency. The increments found in leaf carbohydrates and organic acid content linked to enhanced respiration rates supported the fact that the plants under elevated [CO2] maintained their energy status. The transcriptomic analysis enabled the identification of photoassimilate allocation and remobilization as fundamental processes used by the plants to avoid photosynthetic acclimatization. Moreover, based on the relationship between plant carbon status and hormone functioning, the transcriptomic analyses provided an explanation of why phenology accelerates under elevated [CO2]. Finally, in chapter III the relevance of ammonium nutrition under elevated [CO2] was analysed; for this purpose a double nitrate reductase mutant (NR mutant, nia1-1/chl3-5 defective) was used. These results highlight that plants under elevated [CO2] which preferentially assimilate ammonium as their only N source maintain leaf growth and photosynthetic rates similar to plants receiving ammonium nitrate. However, under ambient [CO2] concentrations, ammonium toxicity symptoms emerge and development is extremely constrained. In elevated [CO2] conditions, an NR mutant maintained the energy supply for the Calvin cycle pathway and managed efficient photoassimilate transport between plant tissues. Furthermore, the data suggest active ammonium assimilation in leaves due to the exceptional conditions (C skeletons, ATP, adequate pH homeostasis and no photoinhibition) of these plants under elevated [CO2]. Hence, the results obtained in the present doctoral thesis aim towards the incorporation of the source of nitrogen as key in the response at the elevated [CO2] of Arabidopsis thaliana plants. Consequently, the present doctoral thesis aims to determine whether the incorporation of the correct source of nitrogen is the key component in how Arabidopsis thaliana plants respond to elevated [CO2].

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