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Jun 25, 2023

Usando bioelectrohidrogénesis izquierda

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 17779 (2022) Cita este artículo 1681 Accesos 3 Detalles de Altmetric Metrics En esta investigación actual, los residuos sobrantes recolectados de la oscuridad

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 17779 (2022) Citar este artículo

1681 Accesos

3 altmétrico

Detalles de métricas

En esta investigación actual, se investigó la viabilidad de los residuos sobrantes recolectados del sistema integrado de células de electrólisis microbiana de fermentación oscura (DF-MEC), biocatalizados únicamente por lodos activados durante la bioconversión de los desechos de paja agrícola en energía de hidrógeno. Se utiliza como biofertilizante potencial alternativo a los comúnmente costosos biofertilizantes inorgánicos. Los resultados revelaron que los residuos sobrantes de la electrohidrogénesis enriquecieron varias comunidades microbianas promotoras del crecimiento de las plantas, incluidas Enterobacter (8,57%), Paenibacillus (1,18%), Mycobacterium (0,77%), Pseudomonas (0,65%), Bradyrhizobium (0,12%), Azospirillum. (0,11%) y Mesorhizobium (0,1%) que son generalmente conocidos por su capacidad para producir diferentes fitohormonas esenciales como el ácido indol-3-acético/ácido indolacético (AIA) y giberelinas para el crecimiento de las plantas. Además, también contienen comunidades microbianas solubilizadoras de fosfato y fijadoras de nitrógeno que proporcionan notablemente una cantidad adecuada de fósforo y nitrógeno asimilables necesarios para mejorar el crecimiento de las plantas o los cultivos. Además, se analizaron macro y micronutrientes (incluidos N, P, K, etc.) a partir de los residuos y se detectaron concentraciones adecuadas necesarias para promover el crecimiento de las plantas. La aplicación directa de efluentes de MEC como fertilizante en este estudio promovió notoriamente el crecimiento de las plantas (Solanum lycopersicum L. (tomate), Capsicum annuum L. (chile) y Solanum melongena L. (berenjena)) y aceleró la floración y la fructificación. procesos generadores. Con base en estos hallazgos, los residuos de electrohidrogénesis sin duda podrían considerarse como un potencial biofertilizante. Por lo tanto, esta tecnología proporciona un nuevo enfoque para el control de residuos agrícolas y, al mismo tiempo, proporciona un biofertilizante sostenible, barato y ecológico que podría reemplazar los costosos fertilizantes químicos.

La producción excesiva de desechos biodegradables de los sectores agrícolas puede inevitablemente dañar nuestro medio ambiente si no se controla adecuadamente. La fermentación anaeróbica de residuos para la producción de biogás y/u otras moléculas bioactivas es de gran interés tanto para la gestión de residuos agrícolas como para la recuperación de energía1. La fermentación anaeróbica presenta una serie de características beneficiosas que incluyen la producción de energía renovable, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y el alivio de la gravedad de los desechos agrícolas, lo que genera problemas perjudiciales2,3. Si bien el proceso de fermentación es considerado como una estrategia prometedora para controlar los desechos agrícolas, genera junto con el biogás, residuos de la fermentación (comúnmente conocidos como digestato) que podrían intensificar el problema de la contaminación ambiental si no se abordan bien. Por lo tanto, se debe considerar su manejo adecuado para asegurar la implementación de la tecnología de fermentación anaeróbica a gran escala.

Antes de la gestión de residuos, la Directiva et al. Se demostró que el efluente de fermentación se puede utilizar para mejorar la calidad del suelo, lo que podría conducir a mejoras agrícolas o ecológicas, y se ha adoptado como un enfoque apropiado. Sin embargo, para garantizar el reciclaje sostenible de los residuos de fermentación a través de la agricultura, se deben caracterizar sus características de composición, estabilidad e higiene antes de su uso4. Generalmente, el digestato enriquece varios nutrientes y puede seleccionarse favorablemente frente a los fertilizantes inorgánicos comerciales para promover el rendimiento de los cultivos, la productividad y la calidad del suelo5,6. Además, se informó que el digestato contenía un mayor contenido de nutrientes que su sustrato productor. Aunque se emite una gran cantidad de nitrógeno en forma de amonio (NH4) durante el proceso de fermentación y el carbono se elimina en forma de metano y CO2, sigue siendo una cantidad razonable de N, fósforo (P) y potasio (K). en los residuos de fermentación7. Por lo tanto, el efluente de fermentación podría tener efectos beneficiosos sobre la calidad del suelo y/o la salud de las plantas.

Tiene características fertilizantes que promueven notablemente la productividad de las plantas debido a la disponibilidad de nutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas. Los residuos digestivos también pueden desempeñar un papel importante en la promoción de la eficiencia del suelo a través de la transformación del carbono, el ciclo de los nutrientes del suelo y el mantenimiento de la estructura del suelo8. Contribuyen notablemente a la disponibilidad de N del suelo, que se considera un elemento esencial clave que promueve el crecimiento de las plantas y las actividades metabólicas de las comunidades microbianas del suelo. El nitrógeno es absorbido en gran medida por las plantas/cultivos y, por lo tanto, se considera el principal factor limitante para el desarrollo de las plantas9,10. Además, también se informó que el efluente de fermentación es una fuente potencial de nitrógeno amónico fácilmente absorbido por las plantas11.

Por otro lado, los residuos de la fermentación enriquecieron varias comunidades microbianas y, una vez aplicados a semillas o plantas, colonizan la rizosfera, lo que promueve el crecimiento de las plantas al aumentar el suministro de nutrientes a la planta huésped12,13. Estos atributos fertilizantes adicionales de los residuos digestivos implican su gran posibilidad de ser empleados como potencial biofertilizante. Los biofertilizantes se utilizan en gran medida para acelerar las actividades metabólicas microbianas que conducen al incremento de la disponibilidad de nutrientes fácilmente asimilables para la planta y/o el cultivo. Además, generan materiales que promueven el crecimiento de las plantas, solubilizan fosfatos insolubles en el suelo y mejoran la fertilidad del suelo mediante la fijación de nitrógeno atmosférico14. Por tanto, basándose en las características fertilizantes de los residuos de fermentación antes mencionadas, sin duda podría mejorar la calidad del suelo una vez aplicado como biofertilizante. Sin embargo, la aparición de bacterias fijadoras de nitrógeno, el contenido mineral y las características del digestato dependen de la naturaleza del sustrato y la modalidad de digestión15.

Sin embargo, parece que se han realizado trabajos de investigación masivos que exploran la viabilidad de utilizar el digestato del proceso normal de digestión anaeróbica del ganado como fertilizantes, pero hasta ahora no se ha realizado ningún estudio que investigue la posibilidad de utilizar el digestato resultante del proceso de bioelectrohidrogénesis. como fertilizante. Este novedoso trabajo tiene como objetivo caracterizar e investigar la posibilidad de utilizar los residuos efluentes de las células de electrólisis microbiana combinados con el proceso fermentativo oscuro durante la conversión de los desechos agrícolas lignocelulósicos en energía de biohidrógeno como un nuevo fertilizante potencial (ver Fig. 1). Se analizó e informó tanto la composición nutricional de los residuos de electrohidrogénesis como las comunidades bacterianas asociadas que promueven el crecimiento de las plantas, para garantizar sus atributos de alta capacidad fertilizante. Además, el efluente de MEC recolectado se utilizó directamente como fertilizante para cultivar tres cultivos seleccionados: Solanum lycopersicum L (tomate), Capsicum annuum L. (chile) y Solanum melongena L. (berenjena).

Diagrama esquemático que ilustra el concepto general de utilizar el efluente del MEC alimentado con residuos de paja como biofertilizante potencial.

En este caso, los residuos empleados resultaron del sistema integrado de células de electrólisis microbiana y fermentación oscura operado para la bioconversión de desechos agrícolas en energía de biohidrógeno en el proceso biocatalizado por microorgafirnismos (en forma de lodo activado) obtenidos del tratamiento de aguas residuales del campus Yanqi de la UCAS. Planta, Beijing, China. Los desechos agrícolas utilizados sirvieron como fuentes de carbono: desechos de paja de trigo secada al aire obtenidos del condado de Wei, ciudad de Xingtai, provincia de Hebei, China. Antes de su uso, la biomasa lavada se secó en el horno (101-3AB, Tianjin Taintai Yiqi Youxian Co., Ltd., China) a 105 °C durante 1 h; y luego picado y pulverizado mediante un instrumento triturador (FE130, Staida Co., Tianjin, China). Luego, el polvo de paja resultante se mezcló con H2SO4 diluido (0,5%) en una proporción de 1:10 (sólido a líquido) y luego se hidrolizó a 121 °C durante 60 min. Luego, la mezcla hidrolizada se neutralizó a pH 7,0 ± 2 con una solución diluida de Ca(OH)2 y luego sirvió como donador de electrones durante el proceso de electrohidrogénesis16.

El proceso de electrohidrogénesis se realizó en un reactor MEC de cámara única de 3 L, utilizando una escobilla de carbón (la porosidad fue del 95%) y una tela de carbón cubierta por una malla de acero inoxidable (malla 30) como electrodos de ánodo y cátodo respectivamente. Los electrodos se dispusieron dentro de reactores como informaron anteriormente Yan et al.17. La temperatura de funcionamiento del reactor se fijó en 55 °C y se realizó durante 24 días. Al final de la actuación del MEC, los residuos de efluentes fueron recolectados e investigados en este informe actual para determinar su posibilidad de ser considerados como un potencial biofertilizante alternativo al costoso fertilizante inorgánico, en lugar de dejarlos en el ambiente abierto donde pueden causar otros problemas perjudiciales (ver Fig. 1).

Para asegurar los atributos fertilizantes de los residuos integrados del DF-MEC, se analizó la composición nutricional caracterizada por carbono orgánico total (TOC) y nitrógeno total (TN) con base en los métodos estándar18. Antes de realizar más análisis de nutrientes, la muestra recolectada se hidrolizó en ácido nítrico, ácido perclórico (HNO3 3%) y los macro y micronutrientes (P, K, Ca, Na, Mg y S), así como metales pesados ​​(Mn, Ni, Cu, Zn y Pb) se detectaron mediante espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (XSERIES 2 ICP-MS; Thermo Scientific, MA, EE. UU.) como se informó anteriormente19.

Las muestras se recolectaron del efluente de los reactores integrados DF-MEC y Major Bio realizó el análisis de la comunidad microbiana. Co., Ltd. (Shanghai, China) mediante el empleo de amplificación por reacción en cadena de la polimerasa y tecnología de secuenciación de alto rendimiento realizadas por Major Bio. Co., Ltd. Se utilizó un kit rápido de aislamiento de ADN Power Soil (Mo Bio Laboratories, Inc, EE. UU.) para extraer ácido desoxirribonucleico (ADN) genómico de biopelícula, de acuerdo con las instrucciones del fabricante. La secuenciación Miseq se construyó para Illumina, utilizando los cebadores bacterianos 338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3') y 806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3') para la región V3-V4 del gen 16S rRNA20. Para minimizar los efectos de los errores de secuenciación aleatoria, se eliminaron las secuencias de baja calidad, eliminando aquellas que no coincidían exactamente con el cebador directo, aquellas sin un cebador inverso reconocible, con una longitud inferior a 200 nucleótidos o superior a 460 pb y que contenían cualquier llamadas de base ambiguas (Ns). Las secuencias restantes se realizaron como informaron anteriormente Yang et al. y Caporaso et al.21,22, y las secuencias similares se agruparon en unidades taxonómicas operativas con una similitud del 97% empleando USEARCH23, y se analizó la diversidad y abundancia de especies relacionadas para encontrar las especies dominantes en los protocolos investigados.

En este experimento de crecimiento de plantas se compraron y utilizaron dieciocho bandejas de plástico (16,5 cm (diámetro) × 15 cm (alto)) como contenedores de tierra. Las bandejas se llenaron con la misma cantidad de suelo (~ 4 kg para cada una), y a 9 de ellas se les suministró el efluente de electrohidrogénesis, mientras que a las 9 restantes se les suministró solo agua (sin efluente de MEC) y se marcaron como controles. Los cultivos cultivados fueron tomate (Solanum lycopersicum L.), chile (Capsicum annuum L.) y berenjena (Solanum melongena L.), y sus plántulas se compraron en Beijing Shengke Oriental Technology Co., LTD, Beijing, China. Ninguna de las especies de cultivos seleccionadas estaba en la Lista Roja de especies amenazadas de la UICN (Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza) y todos los procedimientos realizados en este estudio nunca violaron las pautas y regulaciones internacionales para proteger especies de plantas en alto riesgo de extinción publicadas por ambos. Declaración de política de la UICN sobre investigación de especies en riesgo de extinción y Convención sobre el comercio internacional de especies amenazadas de fauna y flora silvestres.

Antes de plantarlos en sus respectivas bandejas, primero se lavaron del suelo primitivo para liberar las raíces y aumentar la superficie de contacto de nuestro suelo preparado. Cada especie se plantó en tripletes en suelo con efluente de MEC (Suelo + Efluente) para evitar errores en los datos de crecimiento y se comparó directamente con su planta correspondiente cultivada en suelo con agua (Suelo + Agua). Para evitar la sequedad del suelo durante el cultivo, se agregaron regularmente el líquido efluente de electrohidrogénesis y agua (~ 0,5 L) cada 5 días a sus respectivos protocolos, y también se monitoreó la altura de la planta y el número de hojas durante un mes con un intervalo de 5 días. . Al final del 3er mes de cultivo, se evaluó el crecimiento del cultivo en tiempos de rendimiento de frutos, teniendo en cuenta el número y tamaño de frutos por cultivo (planta), y se comparó directamente con sus correspondientes controles. La configuración experimental se resume en la Tabla 1.

Esta investigación empleó el software ORIGIN _v9.sr2 y Microsoft Excel para estadística descriptiva básica, tratamiento de datos y dibujos de figuras. Los datos se recopilaron en tripletes para minimizar los errores estadísticos durante el análisis y la interpretación de los datos.

Para caracterizar los residuos sobrantes de la electrohidrogénesis como posibles biofertilizantes, a la muestra de los reactores en funcionamiento se le realizó una prueba de secuenciación de ARNr 16S y, curiosamente, los resultados revelaron que el efluente de la bioelectrohidrogénesis se enriqueció con varios microorganismos, incluidos microbios promotores del crecimiento de las plantas que presentan características similares a las de un biofertilizante. Entre los géneros de bacterias promotoras de plantas bien conocidos observados en los residuos de DF-MEC se encuentran Azospirillum, Mycobacterium, Chryseobacterium, Paenibacillus, Rhizobacter, Pseudomonas, Achromobacter, Bradyrhizobium, Actinomyces, Sphingomonas, Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium, Gordonia, Rhodococcus, Bacillus. , Mmethylobacterium-Methylorubrum, Microbacterium, Flavobacterium, Devosia, Acinetobacter, Mesorhizobium, Enterobacter, Aeromonas, Beijerinckia, etc.24,25,26 (Fig. 2). Muchas investigaciones que trabajan sobre la viabilidad del uso de biofertilizantes distintos de los fertilizantes químicos han revelado que los microbios antes mencionados desempeñan un papel importante a la hora de proporcionar los nutrientes necesarios para mejorar el rendimiento de los cultivos.

La abundancia de bacterias promotoras del crecimiento vegetal (nivel de género) detectadas en el digestato de DF-MEC (%).

Los microorganismos fijadores de nitrógeno detectados en el efluente de electrohidrogénesis incluyen Azospirillum sp. (0,11 ± 0,02%), rizobios (Rhizobium (0,058 ± 0,02%), Bradyrhizobium (0,11 ± 0,04%) y Mesorhizobium (0,1 ± 0,03%)) y Beijerinckia (0,08 ± 0,03%) (Fig. 2) y fueron reportados repetidamente por su contribución superior a los requerimientos de nitrógeno de las plantas a través de la fijación biológica de nitrógeno, que es un componente importante de la agricultura sostenible25. Aunque la atmósfera contiene aproximadamente un 78% de N2, las plantas no podrían utilizarlo en su estado natural. Antes de que las plantas lo utilicen, es necesario convertirlo en amoníaco, que es la forma de nitrógeno fácilmente asimilable por las plantas o los cultivos a través de un mecanismo biológico de fijación de nitrógeno25. El mecanismo biológico de fijación de nitrógeno se resume en la Fig. 3.

Mecanismo de fijación de nitrógeno biocatalizado por la enzima nitrogenasa. Las bacterias promotoras del crecimiento de las plantas producen nitrogenasa, que es una enzima compleja que consta de dinitrogenasa reductasa y dinitrogenasa. Esta enzima compleja juega un papel importante en la fijación molecular de N2. La dinitrogenasa reductasa proporciona electrones y la dinitrogenasa utiliza esos electrones para reducir el N2 a NH3. Sin embargo, el oxígeno es una amenaza potencial para este proceso, ya que tiene la capacidad de unirse al complejo enzimático y volverlo inactivo y, en consecuencia, inhibir el proceso. Curiosamente, la leghemoglobina bacteriana tiene una fuerte afinidad por el O2 y, por lo tanto, se une al oxígeno libre de manera más fuerte y efectiva para suprimir los efectos del oxígeno disponible en todo el proceso de fijación de nitrógeno.

Además, también se encontraron varias cepas solubilizantes y mineralizantes de fosfato en residuos de bioelectrohidrogénesis recolectados de nuestros reactores integrados DF-MEC. Entre los microorganismos con capacidad de solubilizar/metabolizar el fósforo inorgánico insoluble, los géneros bacterianos dominantes incluyeron Pseudomonas (0,65 ± 0,15%), Bacillus (0,44 ± 0,11%), Rhodococcus (0,04 ± 0,009%), Rhizobium (0,05 ± 0,02%). ), Microbacteria sp. (0,04 ± 0,01%), Achromobacter (0,16 ± 0,07%) y Flavobacterium (0,058 ± 0,014%) (Fig. 2). Aunque hay enormes cantidades de fósforo disponibles en el suelo, su elevada proporción nunca contribuye al crecimiento de las plantas en su estado primitivo, a menos que se biotransforme en formas absorbibles, incluidas las monobásicas y dibásicas. Los mecanismos microbianos de solubilización del fosfato se describen bien en la Fig. 4.

Solubilización de fósforo inorgánico por rizobacterias solubilizadoras de fosfato. Una bacteria solubiliza el fósforo inorgánico mediante la acción de ácidos orgánicos de bajo peso molecular como los ácidos glucónico y cítrico. Los grupos hidroxilo (OH) y carboxilo (COOH) de estos ácidos quelan los cationes unidos al fosfato y así convierten el fósforo insoluble en una forma orgánica soluble. La mineralización del fósforo soluble se produce mediante la síntesis de diferentes fosfatasas que catalizan el proceso de hidrólisis. Cuando las plantas incorporan estas moléculas de fósforo solubilizadas y mineralizadas, eventualmente, el crecimiento general de las plantas y el rendimiento de los cultivos aumentan significativamente.

En este trabajo actual, el efluente de electrohidrogénesis también contenía géneros bacterianos como Mycobacterium (0,77 ± 0,18%), Allorhizobium (0,05 ± 0,02%), Pararhizobium (0,05 ± 0,02%), Paenibacillus (1,18 ± 0,24%), Bradyrhizobium (0,11 ± 0,04%), Rhizobium (0,05 ± 0,02%), Acinetobacter (0,14 ± 0,02%) y Azospirillum (0,11 ± 0,025%) (Fig. 2) que tienen la capacidad de sintetizar ácido indol-3-acético/ácido indolacético ( IAA) a través del ácido indol-3-pirúvico y el aldehído indol-3-acético25. La IAA es un tipo bien conocido de fitohormona que mejora el crecimiento de plantas y cultivos. En particular, Azospirillum sp. También produce diversas fitohormonas, a saber, citoquininas, giberelinas, etileno, ácido abscísico y ácido salicílico, auxinas, vitaminas como la niacina, el ácido pantoténico y la tiamina. El modelo conceptual que delinea los efectos positivos de la inoculación con Azospirillum sp. En la figura S1 se resumen e ilustran una rizobacteria promotora del crecimiento de plantas productoras de fitohormonas y sus funciones detalladas sobre el crecimiento de las plantas. Por lo tanto, la existencia de esas rizobacterias en los residuos de la bioelectrohidrogénesis implica además la idoneidad de considerar los residuos sobrantes de DF-MEC como potenciales biofertilizantes.

También se encontraron algunos otros géneros bacterianos con la capacidad de biorremediar la toxicidad de los metales pesados ​​dentro de los residuos sobrantes de la bioelectrohidrogénesis. Entre los géneros de bacterias promotoras del crecimiento vegetal detectados; Rhizobium (0,058 ± 0,023%), Mesorhizobium (0,1 ± 0,026%), Bradyrhizobium (0,11 ± 0,04%), Pseudomonas (0,65 ± 0,15%) y Achromobacter (0,16 ± 0,077%) fueron reportados por su contribución clave para aliviar la toxicidad. de los metales pesados ​​mediante un proceso de biorremediación y mejorar la calidad del suelo para el desarrollo de una planta de alivio26 (Fig. 2). Otras especies de microorganismos biorremediadores de metales pesados ​​detectadas fueron Chryseobacterium sp. (0,08 ± 0,007%), Azospirillum (0,11 ± 0,02%), Bacillus (0,44 ± 0,11%), Enterobacter (8,57 ± 0,9%), Gordonia (0,06 ± 0,02%), Paenibacillus (1,18 ± 0,24%), Pseudomonas (0,65 ± 0,15%), y actinomicetos (0,36 ± 0,05%) que utilizan sideróforos microbianos o procesos de biodegradación enzimática.

Como se mencionó en la sección "Materiales y métodos", los residuos sobrantes de la electrohidrogénesis contenían diversas comunidades microbianas que degradaron el sustrato MEC y generaron biogás y compuestos inorgánicos. Además, se ha informado que esos nutrientes inorgánicos generalmente están disponibles en el efluente de fermentación en formatos fácilmente utilizables por las plantas debido a la mineralización del sustrato27. Además de detectar varios microorganismos promotores del crecimiento de las plantas en el efluente de electrohidrogénesis, también se investigaron y analizaron a partir de los residuos una mayor cantidad de elementos minerales esenciales para promover el crecimiento y el desarrollo de las plantas de cultivo. Las concentraciones de macroelementos primarios y secundarios detectadas en los residuos se organizaron en orden decreciente de la siguiente manera: P > S > Na > K > N > Ca > Mg. Curiosamente, los hallazgos muestran que los residuos contenían abundantemente fósforo (2,766 × 103 mg/L), nitrógeno (274 mg/L), potasio (282 mg/L), calcio (17,66 mg/L), magnesio (16,3 mg/L). , Azufre (1,225 × 103 mg/L) y Sodio (294,3 mg/L), que son bien conocidos como macronutrientes necesarios en mayores cantidades para mejorar el crecimiento de plantas y cultivos (Fig. 5).

Macro y micronutrientes detectados a partir de residuos sobrantes de bioelectrohidrogénesis (mg/L).

Además, en los residuos de electrohidrogénesis también se encontraron pequeñas cantidades de microelementos como Ni, Pb, Zn, Cu, Cr, Hg y Cd, y estos elementos generalmente se necesitan en pequeñas cantidades para el desarrollo de las plantas (Fig. 5). de lo contrario, sus altas concentraciones son tóxicas para las células vegetales y, por lo tanto, suprimen o inhiben el crecimiento de las plantas. Las concentraciones detectadas para los principales microelementos en esta investigación actual oscilaron solo entre 0,36 y 9,6 × 10–5 mg/L y se informó que todos desempeñan funciones fundamentales en las reacciones metabólicas de las plantas.

Después de evaluar las comunidades bacterianas promotoras del crecimiento de las plantas y los macro y micronutrientes necesarios para el crecimiento de las plantas/cultivos en los residuos sobrantes de la electrohidrogénesis, estos últimos se utilizaron directamente como fertilizante para cultivar tres especies de plantas diferentes, entre ellas tomate, chile y berenjena. descrito anteriormente en la sección “Materiales y métodos”. Para acceder a las potencialidades del efluente de electrohidrogénesis como fertilizante, las plantas cultivadas en el suelo modificado con el efluente (Suelo + Efluente), fueron comparadas directamente con sus correspondientes plantas control (Suelo + agua). Los resultados indicaron que al final del 1er mes, las plantas con efluente crecieron más rápido y generaron una buena cantidad de ramificación que las plantas control (ver Fig. 6), posiblemente debido a la disponibilidad de ambas especies microbianas con aspectos biofertilizantes y micro y macronutrientes en el efluente.

Análisis del crecimiento de la planta al final del 1er mes de cultivo. (a) Tomate en suelo con efluente, y su control sin efluente (b); (c) Chile cultivado en suelo con efluente y su control sin efluente (d); y (e) berenjena cultivada en suelo con efluente, y su correspondiente control cultivado sin efluente (f) (después de 2 meses).

Por ejemplo, la altura del tomate (Solanum lycopersicum L.) y el chile (Capsicum annuum L.) en el suelo + efluente de electrohidrogénesis fue de ~ 36,9 ± 2,1 cm y ~ 32,6 ± 0,8 cm respectivamente, lo que fue ~ 2,03 y ~ 1,2 veces la altura de sus correspondientes especies de plantas en el protocolo de control, respectivamente (ver Fig. 7). Sin embargo, la especie berenjena (Solanum melongena L.) no mostró diferencias de altura notables en ambos protocolos después de un mes de cultivo (datos no mostrados), probablemente debido a sus bajas características de adaptación al nuevo ambiente. Sin embargo, después del segundo mes, la altura de la berenjena en el suelo + efluente fue 2,7 veces mayor que la del control de berenjena cultivada sin efluente (ver Fig. 6e,f). Además, tanto el número de hojas de las plantas como su longitud en las plantas cultivadas en suelo + efluente fueron notablemente mayores que en las plantas cultivadas sin el suministro de efluente.

Análisis diario del crecimiento de las plantas dentro de un mes de cultivo. (a) Monitoreo del crecimiento del tomate, (b) Análisis del crecimiento del chile.

Al final del 3er mes, las plantas en suelo + efluente de electrohidrogénesis generaron más frutos de gran tamaño que las plantas control (ver Fig. 8), pero el tomate (Solanum lycopersicum L.) no generó frutos en ambos protocolos a En ese momento probablemente se debió a la alta temperatura del clima que inhibió su crecimiento continuo, ya que anteriormente se informó que las especies de tomate son generalmente muy sensibles al cambio de temperatura28,29. El rendimiento final se evaluó en términos del tamaño y número de frutos por planta cultivada. El chile cultivado en suelo con efluente de MEC generó 3 frutos/planta y su correspondiente testigo sin efluente produjo solo 1 fruto/planta. El tamaño del fruto de chile en suelo + efluente fue de 16 cm, aproximadamente 18.7% mayor que su correspondiente control. Además, en el momento de la recopilación de datos, la planta de berenjena cultivada en suelo con efluente de MEC generó frutos de berenjena, mientras que su correspondiente cultivada sin efluente de electrohidrogénesis comenzó a florecer (ver Fig. 8). Estos indican además la contribución significativa del efluente de electrohidrogénesis a la hora de acelerar el crecimiento de las plantas. En este caso, los residuos sobrantes de la electrohidrogénesis han mejorado notablemente la calidad del suelo y promovido significativamente la fenología de las plantas caracterizada por el crecimiento de las plantas, la generación de nuevas hojas, la floración y la producción de frutos.

Análisis del crecimiento vegetal caracterizado por el proceso de floración y fructificación al final de los 3 meses. (a) Chile cultivado en suelo con efluente, y su control sin efluente (b); (c) berenjena cultivada en suelo con efluente y su correspondiente control cultivado sin efluente (d).

Los biofertilizantes generalmente se definen como diversas células microbianas con la capacidad de mejorar la fertilidad del suelo. La utilización de microorganismos como biofertilizantes podría ser una alternativa prometedora a los costosos fertilizantes químicos en el sector agrícola debido a su enorme potencial para promover la producción de cultivos y la seguridad alimentaria. En este trabajo actual, una vez finalizada la conversión de la biomasa lignocelulósica en biogás a través de un sistema integrado DF-MEC, se recogió el efluente de fermentación y se analizó su posibilidad de ser considerado como un biofertilizante potencial (ver Fig. 1). Curiosamente, varios de los microorganismos conocidos con impactos notables para aumentar la fertilidad del suelo y el crecimiento de las plantas se encontraron abundantemente en los residuos sobrantes de la electrohidrogénesis y se analizan en profundidad en este trabajo.

Entre ellos, los microorganismos fijadores de nitrógeno incluyen Azospirillum sp., Rhizobium sp., Bradyrhizobium sp., Mesorhizobium sp. y Beijerinckia sp. (Fig. 2) que fueron reportados previamente por su notable contribución en los mecanismos de fijación de nitrógeno de las plantas25. Por ejemplo, Azospirillum sp. (0,11 ± 0,02%) se encontró en los residuos de fermentación de los reactores integrados DF-MEC, y este género bacteriano se conoce generalmente como bacteria modelo promotora del crecimiento de las plantas. Ha demostrado tener la capacidad de colonizar diversas especies de plantas y promueve notablemente su crecimiento, desarrollo y productividad en condiciones normales de campo24. La fijación biológica de nitrógeno es su principal mecanismo, lo cual quedó evidenciado en el proceso de inoculación30. Un trabajo publicado anteriormente informó que la inoculación de Azospirillum sp. En los cultivos de secano, el rendimiento de los cereales aumentó un 14% en invierno, un 9,5% en el de los cereales de verano y un 6,6% en el de las leguminosas. La inoculación de este género bacteriano en la planta favorece notablemente el contenido de nitrógeno tanto en los brotes como en los granos. Además, tiene el potencial de equilibrar las dosis necesarias de fertilización con nitrógeno para diversas especies de plantas/cultivos; promueven el desarrollo de las raíces y favorecen la absorción de macroelementos esenciales para el crecimiento de las plantas, incluidos N, P y K31,32. En general, se informó que los microorganismos fijadores de nitrógeno antes mencionados que se encuentran en los residuos de bioelectrohidrogénesis actuales convierten ese nitrógeno atmosférico en amoníaco mediante el uso de un complejo enzimático conocido como nitrogenasa25. Este último consiste en dinitrogenasa reductasa (con Fe como cofactor) y dinitrogenasa (con Fe y Mo como cofactores)33 (ver Fig. 3).

Además, el otro grupo de microorganismos, incluidos Pseudomonas sp., Bacillus sp., Rhodococcus sp., Rhizobium sp., Azospirillum sp., Microbacterium sp. Achromobacter y Flavobacterium también detectados en el efluente de electrohidrogénesis demostraron un gran potencial para solubilizar el fósforo insoluble en formas solubles que la planta podría utilizar fácilmente para promover su desarrollo. Por lo tanto, los residuos como los efluentes de electrohidrogénesis que contienen dichos microorganismos se encuentran en la lista superior como biofertilizantes sostenibles debido a su capacidad para proporcionar una cantidad adecuada y asimilable de fósforo a diversas plantas o cultivos. Además de proporcionar fósforo en forma soluble a las plantas, las bacterias solubilizadoras de fosfato también aumentan el crecimiento de las plantas al estimular la eficiencia de la fijación biológica de nitrógeno por parte de microorganismos fijadores de nitrógeno25,34 (Fig. 4).

Los microorganismos productores de fitohormonas, a saber, Mycobacterium sp., Allorhizobium sp., Pararhizobium sp., Paenibacillus sp., Bradyrhizobium sp., Rhizobium sp., Acinetobacter sp. y Azospirillum sp. También se encontraron abundantemente en el efluente de electrohidrogénesis. Participan en la fabricación de ácido indol-3-acético/ácido indol acético (IAA), que promueve diversos mecanismos fisiológicos de las plantas, como la división y diferenciación de las células vegetales; induce la germinación de semillas y tubérculos; promueve el desarrollo de las raíces e inicia la formación de raíces tanto laterales como adventicias. Generalmente controla los procesos de crecimiento vegetativo y media las respuestas a la luz, la gravedad y la fluorescencia. Influye notablemente en la fotosíntesis y la formación de pigmentos; gobierna la mayor parte de la biosíntesis de diversos metabolitos y apoya la resistencia a condiciones ambientales estresantes35. Además, se ha demostrado que las cepas de rizobios antes mencionadas aumentan significativamente la superficie de las hojas de las plantas y controlan el tiempo de apertura y cierre de los estomas, lo que garantiza una alta tasa fotosintética de las plantas y eficiencia en la utilización del agua36. Además, Azospirillum sp. produce los promotores del crecimiento más ampliamente reportados, incluidas citoquininas, giberelinas, etileno, ácido abscísico y ácido salicílico, auxinas, vitaminas como la niacina, el ácido pantoténico y la tiamina, que desempeñan un papel importante en la promoción del crecimiento37 (ver Fig. S1).

Además, los residuos de electrohidrogénesis recolectados contenían microorganismos biorremediadores de metales pesados ​​que incluyen principalmente Rhizobium sp., Mesorhizobium sp., Bradyrhizobium sp., Pseudomonas sp. y Achromobacter sp. Los mecanismos comunes ejercidos por esas bacterias están asociados principalmente con la producción de 1-aminociclopropano-1-carboxilato desaminasa, que se sabe que disminuye o inhibe la acumulación de la hormona inducida por el estrés (etileno) inducida por la toxicidad de los metales pesados ​​en las plantas38. Otro mecanismo es la producción de sideróforos microbianos que alivian el estrés que sufren las plantas o cultivos mediante la creación de complejos estables que contienen metales pesados ​​tóxicos, a saber, Pb, Cu, Zn, Cd y Cr, especialmente para Chryseobacterium sp.39,40. También se informó que esos grupos bacterianos reducen la toxicidad de los metales mediante la biosorción de metales pesados ​​en células bacterianas mediante enfoques independientes o dependientes del metabolismo41. Además de promover el crecimiento de las plantas, algunos microorganismos como Azospirillum sp., Bacillus sp., Enterobacter sp., Gordonia sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. y Actinomycetes sp., se encuentran en los residuos de electrohidrogénesis en este trabajo actual. y también se informó que tienen la capacidad de reducir la toxicidad de los pesticidas mediante un proceso de biodegradación enzimática25,42 (Fig. 2). Las enzimas clave más informadas involucradas en la degradación de pesticidas incluyen esterasas, hidrolasas, oxidasas de función mixta y el sistema glutatión S-transferasas a través de diversas reacciones metabólicas como oxidación, hidrólisis, adición de un grupo amino a un grupo nitro, reducción del grupo nitro a un grupo amino. grupo, deshalogenación, escisión del anillo y sustitución de azufre por oxígeno43. Por lo tanto, los residuos del proceso de electrohidrogénesis podrían ser un biofertilizante potencial, ya que representan un enfoque prometedor para aliviar la contaminación por pesticidas en el suelo de una manera ecológica y sostenible.

Además de los microorganismos promotores del crecimiento de las plantas que se encuentran en los residuos de electrohidrogénesis, también se detectaron y discutieron los macronutrientes que comparativamente se necesitan en grandes cantidades para promover el crecimiento de las plantas (Fig. 5). El nitrógeno tiene la capacidad de promover el crecimiento vegetativo de las plantas. Contribuye significativamente a la producción de almidón en la hoja de la planta, proporciona aminoácidos como materia prima para la síntesis de proteínas y, por lo tanto, mejora la producción de cultivos44. El fósforo, uno de los elementos principales para el crecimiento de las plantas, es el componente clave de las membranas celulares, los ácidos nucleicos y las enzimas metabólicas. Por lo tanto, juega un papel importante en los diversos procesos celulares, como el metabolismo de los carbohidratos, la producción de energía, la señalización, la fotosíntesis y la homeostasis redox. Por ejemplo, interviene como potencial activador de más de sesenta enzimas vegetales, equilibra el contenido de agua y actúa como agente reductor de sal en las plantas44. Asimismo, el potasio también es un elemento regulador del agua en las plantas, un activador de enzimas y participa en los procesos metabólicos fotosintéticos, lo que favorece el desarrollo de las plantas. El azufre es un elemento esencial que interviene en la fabricación de aminoácidos, especialmente metionina y cisteína. Es un componente importante de un cofactor/grupo protésico en el centro Fe-S, S-adenosil metionina, tiamina y varios metabolitos44,45. La deficiencia de azufre en las plantas hace que las hojas se vuelvan de color amarillo pálido como ocurre con la deficiencia de N. Los residuos también enriquecieron varios micronutrientes como zinc, hierro, etc. Se informó que el Zn impulsa numerosos procesos fisiológicos de las plantas, incluido el metabolismo de los carbohidratos, la proliferación celular y las interacciones P-Zn46; que se ha informado que el hierro (Fe) es un elemento indispensable para la síntesis de clorofila y preserva la estructura del cloroplasto; sin embargo, ambos se requieren en muy poca concentración (Fig. 5).

Consistentemente, la aplicación directa de los residuos sobrantes de la electrohidrogénesis recolectados como fertilizante en este estudio promovió notoriamente el crecimiento y desarrollo de las tres plantas seleccionadas, a saber, tomate (Solanum lycopersicum L.), chile (Capsicum annuum L.) y berenjena (Solanum melongena L.) (ver Figs. 6, 7). Además, la adición del efluente de MEC aceleró la fenología de la planta caracterizada por el proceso de floración y generación de frutos debido a la disponibilidad de rizobios promotores del crecimiento vegetal (PGPR), microorganismos fijadores de nitrógeno, microorganismos solubilizadores de fosfato, microorganismos productores de fitohormonas, microorganismos biorremediadores de metales pesados ​​y una cantidad suficiente de micro y macronutrientes en el efluente (ver Fig. 8).

Por lo tanto, el nivel detectado de micro y macroelementos y el predominio de microorganismos con características fertilizantes en los residuos sobrantes de la electrohidrogénesis, garantizan la seguridad del uso del efluente recolectado del MEC alimentado con biomasa de paja de trigo como futuro biofertilizante para mejorar la calidad del suelo, lo que promueve crecimiento de las plantas como se muestra en esta investigación actual. En ese contexto, el reciclaje de los residuos sobrantes de la bioelectrohidrogénesis en los sistemas agrícolas reducirá notablemente el uso de costosos fertilizantes minerales, mejorará la calidad del suelo y proporcionará una forma prometedora de controlar los desechos agrícolas. Sin embargo, se necesita un estudio adicional que investigue el nivel de micro y macroelementos en sus formas biodisponibles para indicar detalladamente el valor fertilizante de los residuos de electrohidrogénesis que quedan después de la biodegradación. Además, dado que la composición del efluente de MEC depende principalmente del tipo de sustrato utilizado, se necesita más investigación que utilice el efluente de MEC obtenido de reactores operados con desechos agrícolas lignocelulósicos distintos de la biomasa de paja de trigo como biofertilizante para confirmar la eficiencia del uso de dichos residuos del total. Residuos agrícolas para mejorar la fertilidad del suelo y el desarrollo de las plantas.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles en el archivo de lectura corta (SRA) del NCBI con el número de acceso de Bioproject PRJNA843580, con los accesos de Biosample SAMN28748668, SAMN28748669, SAMN28748670 y SAMN28748671.

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Los autores de esta investigación agradecen profundamente el proyecto financiado por el Instituto de Tecnología de Binzhou (GYY-DTFZ-2022-003), así como el Proyecto de Iniciativa de Red de Servicios de Ciencia y Tecnología de la Academia de Ciencias de China (KFJ-STS-QYZX-112) y la Academia de Ciencias de China: la beca del presidente de la Academia Mundial de Ciencias (CAS-TWAS) para doctorados internacionales. Estudiantes, por su apoyo financiero, que contribuyó al éxito de este informe.

Facultad de Recursos y Medio Ambiente, Universidad de la Academia de Ciencias de China, 19 A Yuquan Road, Beijing, 100049, República Popular China

Fabrice Ndayisenga, Zhisheng Yu, Bobo Wang, Jie Yang, Gang Wu y Hongxun Zhang

Instituto de Tecnología de Binzhou, Parque Científico y Tecnológico Weiqiao-UCAS, Binzhou, 256606, Shandong, República Popular China

Fabrice Ndayisenga, Zhisheng Yu, Jie Yang y Hongxun Zhang

Laboratorio conjunto RCEES-IMCAS-UCAS de tecnología microbiana para ciencias ambientales, Beijing, 100085, República Popular de China

Fabrice Ndayisenga, Zhisheng Yu, Bobo Wang, Jie Yang y Hongxun Zhang

Laboratorio Estatal Clave de Ecología Urbana y Regional, Centro de Investigación de Ciencias Ecoambientales, Academia China de Ciencias, Beijing, 100085, República Popular China

Pandilla Wu

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FN: Conceptualización, Investigación, Análisis Formal y Redacción—Borrador Original; BW y JY: software y validación, GW y HZ: redacción: revisión y edición. ZY: Conceptualización, Supervisión, Adquisición de fondos, Administración de proyectos, Revisión y edición. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Zhisheng Yu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ndayisenga, F., Yu, Z., Wang, B. et al. Utilizar residuos sobrantes de bioelectrohidrogénesis como futuro fertilizante potencial para la enmienda del suelo. Informe científico 12, 17779 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22715-x

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Recibido: 24 de mayo de 2022

Aceptado: 18 de octubre de 2022

Publicado: 22 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22715-x

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