ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FISICAS DE PELICULAS BIODEGRADABLES Y SU POSIBLE APLICACIÓN COMO SISTEMA MULCHING (ACOLCHADO)

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1 ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES FISICAS DE PELICULAS BIODEGRADABLES Y SU POSIBLE APLICACIÓN COMO SISTEMA MULCHING (ACOLCHADO) María Elizabeth ALEMAN HUERTA, Lilia H. MORALES RAMOS, Erick de J. DE LUNA SANTILLANA, Ruby y. SALAZAR ALPUCHE, Katiushka AREVALO NIÑO Instituto de Biotecnología, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad Autónoma de Nuevo León, San Nicolás de los Garza, N.L. México. C.P , karevalo@fcb.uanl.mx Palabras clave: residuos, agrícola, pectina, cáscara de naranja, alcohol polivinílico RESÚMEN Los plásticos biodegradables surgieron como una alternativa viable a la problemática ocasionada por la acumulación de los residuos plásticos convencionales en los diversos ecosistemas naturales, lo anterior debido a la posibilidad de disminuir el volumen de plásticos almacenado en los rellenos sanitarios y ayudar a la preservación de los recursos no renovables, ya que pueden ser producidos a partir de fuentes renovables de energía como los carbohidratos y las proteínas. La aplicación de películas biodegradables se ha enfocado en tres áreas: área médica, área de alimentos para el desarrollo de empaques y en el área agrícola, para el desarrollo de cubiertas tipo mulching. El objetivo del presente estudio fue conocer el comportamiento de las propiedades físicas de membranas elaboradas a base de pectina y alcohol polivinílico en un sistema de mulching establecido a nivel laboratorio. Para lograr dicho objetivo se prepararon membranas de pectina y alcohol polivinílico mediante la técnica casting. Se evaluaron 2 formulaciones de polímeros y 2 membranas como control, una de polietileno de baja densidad (PEBD) y la otra de pectina al 100%. Para medir la permeabilidad al agua, se colocaron muestras de suelos de humedad conocido en cajas petri, las cuales fueron selladas con las películas biodegradables y sometidas a diferentes temperaturas y tiempos de almacenamiento. Posteriormente, la humedad del suelo se determinó por el método gravimétrico. Los valores de % de retención de agua presentados por las películas biodegradables (10.3%), fueron menores que los presentados por las películas sintéticas, indicando ser más permeables. La permeabilidad al vapor de agua para las películas biodegradables no fue afectada por el tiempo y la temperatura. Es posible utilizar películas biodegradables como sistema de mulching, ya que evita la acumulación de residuos persitentes en el suelo, aunque deberán buscarse mejorar las propiedades de barrera para optimizar su uso. INTRODUCCIÓN Los plásticos son materiales de variados usos que se producen a partir de reservas fósiles de energía como el petróleo. Estos polímeros perduran en la naturaleza por largos períodos de tiempo y por tanto se acumulan, generando así grandes cantidades de residuos sólidos. 1

2 Como alternativa viable a esta problemática surgieron los plásticos degradables. Los plásticos degradables se definen como aquellos plásticos que en su cadena de polímeros contienen componentes que pueden desencadenar una reacción de descomposición biológica o fotoquímica, que destruye la estructura encadenada de los polímeros. La pieza plástica primero se torna frágil, desintegrándose mecánicamente en pequeños pedazos. A medida que avanza el proceso de degradación el material se va desintegrando en partículas cada vez más pequeñas, hasta convertirse en anhídrido carbónico y agua. Según el tipo de reacción de descomposición los plásticos degradables se dividen en dos categorías: 1. Biodegradables: las cadenas de polímeros se descomponen por acción de enzimas liberadas por microorganismos (bacterias), degradándose completamente a anhídrido carbónico, agua y biomasa. 2. De degradación fotoquímica: por efecto de la luz solar (radiación ultravioleta) las cadenas de polímeros se degradan formado cadenas moleculares más cortas, que a su vez pueden continuar degradándose por acción de microorganismos (biodegradación) o fotoquímicamente. Los polímeros que se han utilizado para la fabricación de plásticos biodegradables son almidón, pectina, quitosán, entre otros. La pectina, de la palabra griega Pekos (denso, espeso, coagulado), es una sustancia mucilaginosa de las plantas superiores. Esta sustancia se asocia con la celulosa y le otorga a la pared celular la habilidad de absorber grandes cantidades de agua. La celulosa tiene un importante rol en la estructura ya que le da rigidez a las células, mientras que la pectina contribuye a su textura. Desde el punto de vista económico y social, uno de los problemas más fuertes e importantes a que se enfrenta México es la producción agrícola, provocado en gran parte por las condiciones climáticas tan variables que imperan en el país. La distribución espacial de las lluvias y las temperaturas producen una gran variedad de climas desde las condiciones áridas (31%) y semiáridas (36%) en la región norte hasta el trópico húmedo (33%) en el suroeste. En las regiones áridas la precipitación es escasa o nula y sin embargo vive el 76 % de la población, se encuentra el 70 % de las industrias y se localiza el 40% de las tierras arables. En estas regiones es necesario cambiar los patrones de cultivos, sustituyendo los de alto consumo de agua por otros de menor consumo; así como mejorar las prácticas de riego actuales principalmente en la conducción, aplicación, cantidad y oportunidad, para poder incrementar significativamente los rendimientos. (Morán et al. 2005) El uso de materiales plásticos ha tenido una enorme difusión en el campo agrícola gracias a sus enormes ventajas teniendo un campo de aplicación muy diverso que hacen de estos materiales una tecnología importante para el control de factores adversos en la agricultura.el plástico en agricultura se utiliza en invernaderos, macrotúneles, microtúneles, acolchados, mallas, en el control de plagas (plásticos fotoselectivos), en el control de enfermedades (solarización), en el riego, etc. (Robles et al. 2005). 2

3 La técnica del acolchado que consiste en cubrir el suelo a cultivar, con materiales plásticos se utiliza para ahorrar agua, controlar malezas, aumentar la temperatura y con esto lograr una cosecha precoz y de mayor rendimiento. [3] El incremento de la temperatura en el suelo en los tratamientos acolchados, genera aceleración en el crecimiento del cultivo, mayor disponibilidad de los nutrientes, adelanto en el inicio de la cosecha, incremento en la producción y eficiencia productiva del agua. Por lo anterior, los plásticos han permitido convertir tierras aparentemente improductivas en modernísimas explotaciones agrícolas. Ejemplo de ello es la provincia de Almería, que de una agricultura de subsistencia ha pasado a contar con una gran concentración de invernaderos que la hacen modelo del desarrollo agrícola en muchas partes del mundo. En Almería España, se encuentra la mayor concentración de invernaderos del mundo, unas ha cubiertas por plástico y que han permitido la producción de hortalizas en territorios prácticamente desérticos; así el valor de la producción hortofrutícola en Almería ha pasado de millones de pesetas en 1975 a los casi millones de pesetas en 1997 (más de 1,2 billones americanos de dólares) (Fuente: CEPLA, 2000). Sandoval y Durán, en el 2005, encontraron una tendencia de mejor respuesta en el crecimiento y desarrollo de la sábila cuando se usó acolchado plástico, ya sea e transparente o negro, expresado en una mayor altura de planta (51 cm), mayor intensidad de color (3.7 de 0 a 5), mayor temperatura (29 ºC), y un menor daño por heladas (2.3 de 0 a 5), en comparación a cuando no se usó acolchado plástico. Yu-Zhon Wang, et al, en el 2004, reportaron el desarrollo de películas fotobiodegradable de polietileno conteniendo almidón y al utilizarlas en la agricultura como sistema mulching encontraron que las películas podían conservar la humedad del suelo alcanzando rendimientos altos comparados con las de polietileno común, aparte de degradarse en el ambiente después de utilizarse. Miranda,S.P et al, en el 2003 evaluaron el comportamiento de pelícuas de quitosán, encontrando que la composición de las películas y la temperatura tuvieron efecto significativo sobre la permeabilidad efectiva al vapor de agua. En Hokkaido, Japón, se evaluaron plásticos biodegradables (PBD) elaborados a partir de almidón de maíz, como acolchado en cultivos de repollo. Los PBD mostraron un desempeño igual que los films de polietileno usados como control. La disponibilidad de los PBD se mantuvo durante todo el cultivo de repollo desde Mayo 1999 a Agosto de 1999, aunque mediante escaneo con el microscopio electrónico, se logró observar que dos meses después de la aplicación en campo, comenzaba su deterioro biológico. En conclusión, los plásticos biodegradables pueden ser utilizados para aplicaciones prácticas como acolchados en la ciudad en estudio (Tamura, et al, 2001). 3

4 1. ELABORACIÓN DE LAS PELICULAS MATERIALES Y MÉTODOS Las biopelículas fueron elaboradas mediante el método de casting utilizando placas de vidrio de 20 x 20cm, las cuales fueron lavadas y desengrasadas con alcohol-acetona antes de vaciar las mezclas de las diferentes formulaciones (Tabla I). Las mezclas se extendieron con una cuchilla de acero inoxidable con la finalidad de obtener un grosor uniforme. Se dejaron las placas a temperatura ambiente (23-24 C) por 24 hrs. Posteriormente, se recuperaron las películas desprendiéndolas cuidadosamente con una aguja y guantes. Se almacenan a temperatura de 25 C entre (50 60)% de Humedad Relativa en una cámara de acondicionamiento. Tabla 1. Composición de las películas en estudio Composición Clave Pectina:PVOH:RL Plastificante (%) A 1:0.075:1 2 B 1:1.75:1 2 C 1.25:0:0 2 D Polietileno 100% 0 RL = residuos lignocelulósicos 2. Determinación de propiedades físicas Grosor. El grosor de las películas fue medido antes y después de someterlas a un sistema de acolchado con un micrómetro Multitoyo modelo Digimatic con una resolución de 0.001mm. Se le hicieron 10 mediciones a un área conocida. Peso. Para conocer el cambio en el peso de las películas se pesó antes y después de someterlas a un sistema de acolchado en una balanza analítica. 3.- Evaluación de permeabilidad al vapor de agua Se extrae suelo de jardín húmedo, posteriormente se pesa (Peso inicial) y se coloca en una caja petri desechable, las cuales se sellan con las películas en estudio, cuya área, grosor y peso fueron previamente medidos. Se colocaron las cajas petri a diferentes temperaturas y tiempos (30 y 40 por 5, 10 y 15 días). El procedimiento se hace por triplicado. Una vez finalizado el tratamiento se determinó el peso y grosor de las películas y se registró el peso del suelo. Una vez registrado el peso del suelo (tanto antes como después del tratamiento), éste fue colocado en la mufla a 105 C hasta peso constante para después determinar el porcentaje de humedad. El % de pérdida de humedad fue calculado mediante la siguiente ecuación: % humedad = ((Phúmedo Pseco) / Pseco) x 100 RESULTADOS y DISCUSION 4

5 Las tablas II y III presentan el valor promedio del grosor, de tres repeticiones para cada formulación. Después de ser sometidas a una temperatura de 30 C a tiempos de 5, 10 y 15 días. Aunque las películas presentaron cambios en el grosor, al someterlas a los diferentes tiempos y temperaturas, como lo es la película A, C y D quienes presentaron un comportamiento semejante al disminuir su grosor (Ver Tabla II) el análisis estadístico no presentó diferencia significativa entre los tratamientos (P<0.05) Tabla II. Efecto del tiempo y temperatura en el grosor de películas biodegradables. Grosor (mm) Formulación TIEMPO A B C D 30 C 40 C 30 C 40 C 30 C 40 C 30 C 40 C 5 días 2.33E E E E E E E E días 1.73E E E E E E E E días 1.03E E E E E E E-02 Tabla III. Efecto del tiempo y temperatura en el peso de las películas en estudio. Grosor (mm)* Tie m A B C D 30 C 40 C 30 C 40 C 30 C 40 C 30 C 40 C 1.58E- 5 d 3.31E-04bc 3.59E-04bc 2.70E-04abc 6.41E-04c 2.44E-04abc 3.62E-04bc 6.98E-05abc 04abc 10 d 2.29E-04ab 3.79E-04a 3.74E-04bc 1.55E-04abc 7.68E-05abc 2.75E-04abc 1.97E-04abc 3.82E- 05abc 15 d 4.67E-05abc 7.54E-05abc 1.49E-04abc 6.58E-05abc 1.33E-04abc 2.44E-5abc 1.92E-04abc 1.83E-04ab *Valores seguidos de letras minúsculas diferentes, son significativamente diferentes (P<0.05) La tabla III nos muestra que el análisis estadístico de los resultados de grosor de las películas sometidas a los diferentes tratamientos, arrojó tres grupos de homogeneidad, resaltando que la película biodegradable A presentó un comportamiento inverso al presentado por la película de origen sintético, disminuyendo y aumentando su grosor respectivamente. Tanto los cambios presentados para grosor como para peso se pueden atribuir a la naturaleza química de las membranas, que en el caso de la formulación D, es impermeable al agua, lo cual facilita la adhesión de partículas de agua en su superficie, evitando el paso de ésta y provocando el incremento en el peso registrado; mientras que en el caso de las películas biodegradables (A, B y C) cuyos componentes poliméricos son altamente hidrofílicos, facilitan el intercambio de agua, ocasionando pérdida de peso por exposición a la temperatura. Con los resultados obtenidos, podemos considerar que el sistema implementado mostró que es difícil monitorear los parámetros peso y grosor, sin 5

6 embargo los datos obtenidos nos presentan un panorama previo a lo que pudiese ocurrir a nivel campo, bajo condiciones no controladas. Evaluación de permeabilidad al agua La película D (polietileno de baja densidad) muestra un % mayor de humedad en el suelo con respecto a las demás; por lo tanto es la menos permeable. Se presentó un notable efecto de la temperatura y tiempo en la capacidad de retención de humedad. Por otra parte las películas biodegradables elaboradas presentaron menor capacidad de retención de humedad en comparación con la sintética, sin embargo, en base al análisis estadístico las películas A, B Y C presentaron diversos grupos de homogeneidad entre ellas, siendo la que mayor eficiencia presentó a 30 C fue la película C>A>B y para 40 C fue de la siguiente manera C>B>A. Tabla IV. Efecto del tiempo y temperatura en el % de humedad del suelo para las diferentes formulaciones a la temperatura de 30 C. Formulación % DE HUMEDAD (D.S.) 5 DÍAS 10 DIAS 15 DIAS A 9.83b (0.31) 10.36ab (0.32) 7.92a (0.80) B 8.29ab (0.49) 10.38ab (0.18) 7.50ab (1.56) C 10.93bc (0.35) 9.68bc (0.66) 8.34ab (0.20) D 67.49f (2.13) 67.61f (4.03) 55.94de (8.02) Valores seguidos de letras minúsculas diferentes son significativamente diferentes (P<0.05). DS=desviación estándar Tabla V. Efecto del tiempo y temperatura en el % de humedad del suelo para las diferentes formulaciones a la temperatura de 40 C. FORMULACIÓN % DE HUMEDAD 6

7 5 dias DS 10 dias DS 15 días DS A 8.21ab ab a 0.36 B 8.28ab ab a C 12.68ab b ab 0.06 D 60.22ef e c 8.83 CONCLUSIONES El sistema mulching implementado a nivel laboratorio, nos permitió monitorear las propiedades de películas biodegradables para predecir su comportamiento en ambientes naturales, con la limitante de que las condiciones a nivel campo son similares pero no iguales, ya que la temperatura en este estudio se mantuvo constante, lo cual no sucede en el exterior. Por otra parte se pudo observar que el grosor y el peso de las películas en estudio son parámetros que pueden verse afectados en diferentes grados, por la temperatura y el tiempo. Las películas sintéticas presentaron mejores propiedades de barrera que las biodegradables. La temperatura y el tiempo afectan la permeabilidad al vapor de agua de las películas biodegradables. Se recomienda establecer condiciones del sistema a nivel laboratorio similares a las de campo, incluyendo fotoperíodos, así como realizar modificaciones en las formulaciones que permitan mejorar sus propiedades de barrera. AGRADECIMIENTOS A la Universidad Autónoma de Nuevo León. A la I.Q. Janett Mendoza Espinoza REFERENCIAS 7

8 Gusev E.M. and Dzhogan, L.Ya. (2000) Evaluation of the Effect of Soil Mulching with Plant Residues on the Water Regimen of Agrosystem. Eurasian Soil Science. Vol.33. No.11, pg Morán R., Sánchez I., Moreno L., García G., López A., Sepúlveda M. (2005). Interacción Agua-nutrimentos en tres sistemas de Producción en sandia citrullus lanatus (thunb.) con riego por cintilla y acolchado plastico. Revista Chapingo serie: zonas Áridas. Publicación semestral de difusión de investigación científica y tecnológica agropecuaria y forestal. Vol. IV núm. 1. pag Pedroza A., Duran S. (2005). Efecto del acolchado plastico, fertilización nitrogenada y composta orgánica en el crecimiento y desarrollo de sábila aloe barbadensis miller con riego por goteo automatizado. Revista Chapingo Serie Zonas Aridas. 4:1-7. Robles T., Santos L, Martínez J., (2005). Desarrollo vegetativo de melón (cucumis melo l.)establecido por trasplante, con guiado vertical y acolchado plástico en la comarca lagunera. Revista Chapingo serie Zonas Áridas. 4: 9-13,14. Tamura H, Nakano H, Saito H, Yamada Y, Hocino Y, Sato H. (2001). Evaluation of the biodegradable plastic films for mulching in Hokkaido. Research Bulletin of the University Farm. Hokkaido University. 32: Yu-Zhon Wang, Ke-ke Yang, Xiu-Li Wang, Qian Zhou, Chang-Yi Zhong and Ze- Fang Chen. (2004). Journal Of Polymers and the Environment. Vol.12, No. 1, January