Doctorado en Ingeniería - Énfasis en Ingeniería Sanitaria y Ambiental

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Technological alternative to enhance biological nitrogen fixation in the rhizosphere of non-leguminous plants

Sanabria Gómez, Irma Janeth | 2021

Esta tesis explora la fijación biológica de nitrógeno (FBN) realizada por microorganismos del suelo como alternativa a los fertilizantes químicos nitrogenados en plantas no leguminosas. En primer lugar, se destacan los profundos impactos ambientales provocados por la producción y aplicación de fertilizantes nitrrogenados, el último en la agricultura. Se expone la necesidad de alimentar a la humanidad y cómo esto depende de una fertilización adecuada. Luego se propone un enfoque ecológico basado en comunidades microbianas fijadores de nitrógeno para resolver este desafío. En segundo lugar, se revisa el estado del arte para restaurar las funciones microbianas del suelo a través del aislamiento, selección, formulación y aplicación de inoculantes microbianos y consorcios sintéticos. Aquí, se identifican dos deficiencias clave: la dificultad de diseñar biofertilizantes complejos de múltiples especies y el cuello de botella en la ampliación de su producción. Para abordar este desafío se propone fusionar la teoría ecológica con la ingeniería de bioprocesos para producir “comunidades auto ensambladas” enriquecidas, seleccionando gremios particulares y adaptados producir “comunidades auto ensambladas” enriquecidas, seleccionando gremios particulares y adaptados a un suelo objetivo y una planta huésped específica, utilizando el problema del nitrógeno como ancla. En tercer lugar, se presenta la construcción de tres reactores de biopelícula de lecho compacto aireado a escala de laboratorio, inoculados con una comunidad microbiana previamente previamente adaptada, derivada de suelo restaurado naturalmente y alimentada con solución modificada de Hoagland. El nitrógeno solo es proporcionado por aire. Los reactores comunitarios fijan nitrógeno y producen más biomasa que el reactor de cultivo puro del fijador de Nitrógeno Azotobacter vinelandii. Se obtienen y analizan muestras de ADN, resultando 1616 OTUs, que asignan bacterias con un predominio a nivel de filo o familiar que varia entre las muestras, pero similares después que los reactores comunitarios alcanzan el estado estacionario. Finalmente, plantas de tomate son fertilizadas con la solución modificada de Hoagland, con N suministrado solo por biomasa microbiana, a tres concentraciones diferente. Esto permitió que las plantas crecieran significativamente. Además, los análisis de ADN reflejan una comunidad microbiana compleja fijadora de nitrógeno en las rizosferas en cada caso. Los tratamientos N1 y N2 Parecen similares entre sí y con el Inóculo. El suelo original con la diversidad más baja y el N3 con la más alta fueron similares en términos de la ecología funcional. El siguiente paso en futuros estudios será evaluar el nivel de colonización y la interacción entre el microbioma que viene con las semillas y el proporcionado por el tratamiento

Modelo basado en conocimiento para la planeación de cuencas hidrográficas con el uso de inteligencia artificial.

Restrepo Tarquino, Inés | 2014

Esta tesis de doctorado propone un modelo conceptual y operativo para el apoyo a la toma de decisiones en un proceso de planeación de una cuenca hidrográfica (CH) a través de la gestión de conocimiento. El modelo conceptual incluye un conjunto de conceptos fundamentales vinculados al sistema cuenca hidrográfica donde se representa un cuerpo de conocimiento basado en los conceptos más recientes sobre la planeación de cuencas hidrográficas. A través de la gestión de conocimiento se tipifican los principales problemas en cada uno de los subsistemas definidos en el sistema cuenca hidrográfica. Se construye un modelo basado en conocimiento y un prototipo en Web de sistema de apoyo a las decisiones, denominado cuencandina, integrando los modelos de lógica difusa y los indicadores de presión, estado, respuesta. El prototipo cuencandina se aplica en una microcuenca andina de la cuenca alta del Río Cauca en su paso por el Departamento del Valle del Cauca, Colombia. El modelo conceptual y el sistema de apoyo a las decisiones son un aporte fundamental en el proceso de planeación de cuencas hidrográficas.

Estrategias para la optimización de la fertilización nitrogenada y reducción de la lixiviación de nitratos en sistemas productivos de plantas aromáticas

Urrutia Cobo, Norberto | 2018

Esta tesis doctoral tuvo como objetivo proponer un plan de manejo integral para la optimización de la fertilización nitrogenada (FN) en plantas aromáticas para reducir la lixiviación de nitratos. El trabajo se realizó en seis etapas: 1) usando lisímetros de drenaje (LD) se determinaron curvas de la constante del cultivo (Kc). 2) se instalaron LD y se evaluaron dosis nitrogenadas (DN) usando urea como fertilizante, 3) se valoraron fertilizantes orgánicos e inorgánicos de liberación lenta (FLL) y se determinaron curvas de mineralización, 4) se evaluó una enmienda órgano-mineral y su efecto en la lixiviación de nitrógeno (N) 5) se evaluó la aplicación de consorcios diazótrofos (CD) en la reducción de la DN, y 6) se evaluó un plan de manejo integral que combinó las estrategias estudiadas. Como resultados obtenidos se tienen las curvas del Kc. Se obtuvieron las DN adecuadas de fertilizante teniendo en cuenta la mejor respuesta de la planta y la menor pérdida de nitratos por lixiviación, usando fertilizantes convencionales y abonos orgánicos. Las curvas de mineralización mostraron que la época adecuada de aplicación de abonos orgánicos es antes de tres semanas al trasplante. La proporción de la enmienda órgano mineral, en relación abono: bentonita fue de 1:1; las dosis de enmienda órgano mineral con mejores resultados fueron 1,34 y 2,68 Mg¿ha-1. El CD logró reducir la DN en 25% para estevia y albahaca. Se presentó una propuesta de plan de manejo para mejorar la eficiencia de la FN teniendo en cuenta todas las estrategias evaluadas

Método de evaluación del impacto ambiental de la explotación de recursos minerales en el marco de la evaluación del ciclo de vida.

Restrepo Tarquino, Inés | 2019-10-17

Esta tesis de doctorado propone un método objetivo de evaluación del impacto ambiental para proyectos mineros que requieran de licenciamiento ambiental, que además es de interés y utilidad para aquellas empresas mineras comprometidas con la minería responsable, y que requieran comunicar de forma objetiva a las diferentes partes interesadas sus logros o avances en este tema. El modelo se desarrolla tomando la metodología del Análisis del Ciclo de Vida (ACV) como marco de referencia y como estudio de caso la minería del carbón y del oro en Colombia, tanto a cielo abierto como subterránea. El modelo evalúa los impactos teniendo en cuenta tres áreas de protección: Salud Humana (Human Health); Calidad de los Ecosistemas (Ecosystem Quality) y Agotamiento de los Recursos (Resources). El modelo está basado en el método de Pfister (2009), el cual evalúa el impacto del consumo del agua dulce en las tres áreas de protección antes mencionadas, así pues, para probar la validez de éste método se hace aplicación del mismo tomando una cuenca con estrés hídrico como estudio de caso. Así mismo, y para entender mejor los alcances y limitaciones de la metodología del ACV en cuanto a la evaluación regionalizada del impacto y su capacidad de mostrar escenarios de producción más limpia en la actividad minera, se presenta la implementación de ésta metodología haciendo uso de las directrices de la norma ISO 14044:2006 en uno de los escenarios mineros tomados como estudio de caso. Finalmente, se propone un método detallado para obtener un indicador de impacto regionalizado de agotamiento de los recursos minerales, en el marco del análisis del ciclo de vida, el cual integra tres áreas de protección, y que permite calcular de manera objetiva los impactos ambientales de la extracción minera, razón por la cual se convierte en una herramienta válida para mejorar o ampliar el sistema de evaluación de impacto ambiental en Colombia y en la región.

Modelo termodinámico para analizar procesos de biorremediación en un ecosistema acuático construido caso laguna facultativa para depuración de aguas residuales municipales.

Zapata Rivera, Andrés Mauricio | 2019-09-16

Las lagunas facultativas son ecosistemas acuáticos construidos con el propósito de descontaminar aguas residuales. Estas, son sistemas de tratamiento de bajo costo, fácil operación y mantenimiento por lo que son ampliamente utilizadas en países en desarrollo, especialmente aquellos ubicados en zonas tropicales donde hay disponibilidad de radiación solar en cualquier época del año. Su diseño debe favorecer el desarrollo de una amplia variedad de microorganismos y procesos físicos, químicos y biológicos que al interrelacionarse favorecen la depuración de las aguas contaminadas. Esto, ha cautivado la atención de los investigadores quienes han buscado entender cómo se desarrollan los procesos de biorremediación en este tipo de ecosistemas. Para ello, se han desarrollado herramientas como los modelos computacionales, especialmente aquellos que involucran técnicas de dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en ingles). Los modelos CFD han sido una de las herramientas más utilizadas en los últimos 20 años y han permitido representar fenómenos como la hidrodinámica de la laguna y la transformación de algunas especies químicas asociadas a los ciclos del carbono y nitrógeno. Recientemente, se han comenzado a acoplar modelos CFD y ecológicos con el objetivo de obtener una mejor representación de este tipo de ecosistemas. Por lo anterior, en esta investigación, se construyeron dos modelos CFD en 3 dimensiones de una laguna facultativa secundaria, usada para descontaminar las aguas residuales del municipio de Ginebra - Valle del Cauca - Colombia. Los modelos se desarrollaron usando el software ANSYS Inc. Fluent® (V.16.1) en una estación de trabajo Dell Precisión TX3500. Se empleó el método de volúmenes finitos dividiendo el dominio computacional en 161890 elementos hexagonales, usando el software Ansys Inc® ICEM CFDTM meshing software (V.16.0). Uno de los modelos CFD fue un modelo monofásico, el cual incluyó agua como fluido. El otro modelo, fue un modelo bifásico que incluyó además del agua los sólidos suspendidos del afluente. El campo hidrodinámico de ambos modelos fue validado con dos estudios experimentales de trazadores utilizando el trazador Rodamina WT (RWT). Con el modelo bifásico se simuló el fenómeno de transporte de sólidos en la laguna, la penetración de la radiación solar incidente en el cuerpo de agua, el efecto del viento en la superficie, la transferencia de calor a través de las paredes circundantes, los perfiles de temperatura transversal y longitudinal y el transporte de un contaminante orgánico persistente. Este contaminante correspondió al retardante de llama BDE 99 el cual se seleccionó porque se identificó su presencia en el afluente de la laguna. El fenómeno de transporte de sólidos se validó con datos experimentales de la concentración de sólidos suspendidos. Los fenómenos de transferencia de energía con datos experimentales de temperatura y el transporte del retardante de llama con datos experimentales de la concentración del BDE 99. Estos últimos fueron medidos en el laboratorio del Grupo de Investigación en Contaminación Ambiental por Metales y Plaguicidas (GICAMP) de la Universidad del Valle. Como complemento a los modelos CFD se construyó un módulo ecológico para representar el calor de reacción de los procesos de biorremediación de amonificación, nitrificación, fotosíntesis y respiración. Para ello, las correlaciones entre variables ecológicas se construyeron utilizando un artificio estadístico conocido como modelos lineales mixtos generalizados. Estos, fueron implementados en el software Stella by Isee System. Los modelos lineales mixtos generalizados se construyeron siguiendo una estrategia que describe la relación entre una variable respuesta y una o varias variables explicativas. Con estos modelos y gracias a la incorporación de factores fijos y aleatorios se intentó dar cuenta de la complejidad del ecosistema estudiado, haciéndola más próxima a la realidad.

Estrategias para la optimización del proceso y la calidad del producto del compostaje de biorresiduos en municipios menores de países en desarrollo.

Torres Lozada, Patricia | 2018-11-30

El compostaje es una de las tecnologías con mayor potencial para el aprovechamiento de biorresiduos en municipios menores de países en desarrollo, no obstante su aplicación no ha sido efectiva, mostrando la necesidad de estudiar las causas de sus limitaciones y de proponer opciones para mejorar su desempeño. En esta tesis se evaluaron estrategias para optimizar el proceso y la calidad del producto del compostaje de biorresiduos en municipios menores a 15.000 habitantes de países en desarrollo. Se consideró este rango poblacional, teniendo en cuenta que estos municipios se clasifican como menores por instituciones como la Organización Panamericana de Salud (OPS) y presentan limitaciones para la gestión de los residuos sólidos municipales (RSM). El análisis de los sistemas de compostaje permitió identificar que: i) su funcionamiento está orientado por cuatro subsistemas integrados: calidad de la materia prima, desarrollo tecnológico, calidad del producto y comercialización, y gestión empresarial, y ii) se requieren políticas públicas para el fortalecimiento de la separación en la fuente y recolección selectiva, el reconocimiento tarifario, la revisión de estándares de calidad del producto, el estímulo al uso y comercialización de compost y el desarrollo tecnológico contextualizado. La evaluación de la calidad de la materia prima del compostaje de biorresiduos en un municipio menor a 15.000 habitantes evidenció un alta variabilidad y características típicas de biorresiduos de países en desarrollo que presentan condiciones críticas para un adecuado proceso de compostaje, entre las que se encuentran exceso de humedad, pH ácido, deficiencias en el contenido de carbono y fósforo y bajas relaciones carbono: nitrógeno. La evaluación de opciones para mejorar el proceso y la calidad del producto, incluyó estrategias como la incorporación de materiales de enmienda y soporte (seleccionados considerando las condiciones del contexto) y el incremento en la frecuencia de volteo. La incorporación de pasto estrella, bagazo de caña y material compostado, fue efectiva para acelerar el inicio del proceso, tener mayores condiciones para la higienización del material y mejorar la calidad del producto, llevándolo al cumplimiento de los estándares de calidad del producto. La adición de ceniza de madera no incidió en la duración del proceso y afectó la calidad del producto ya que aumentó su fitotoxicidad. El incremento en la frecuencia de volteo permitió mejores condiciones de proceso en las etapas mesofílica y termofílica, pero disminuyó el contenido de carbono y nutrientes en el producto. La aplicación de pruebas de estabilidad y madurez ratificó la importancia de complementar las pruebas empleadas rutinariamente en las instalaciones de compostaje con las realizadas en laboratorio, para lo cual es necesario hacer adaptaciones de monitoreo acorde con las condiciones de operación de las instalaciones de compostaje. En general, los resultados de esta investigación muestran que estrategias que mejoren la calidad de los sustratos y simultáneamente las condiciones del proceso, fueron efectivas para la optimización del proceso y la calidad del producto. Este trabajo proponen la adaptación de opciones tecnológicas y de esquemas de operación, control y monitoreo acordes con las condiciones de contexto, que pueden contribuir a mejorar el desempeño de las instalaciones de compostaje en países en desarrollo.

Modelo de valoración y definición campesina de alternativas propias para el manejo y la preservación colectiva del agua en territorios de los ríos Tuluá y Morales.

Urrutia Cobo, Norberto | 2017-10-31

Este estudio constituye una metodología direccionada a minimizar conflictos socioambientales en territorios de vocación campesina y a preservar los lugares del agua. Es una aplicación de Investigación Acción Participativa, bajo un enfoque de ingeniería centrada en plantear alternativas de cambio desde los intereses y la participación activa de las bases sociales. La investigación partió cuestionando la culpabilidad atribuida a la naturaleza sobre las avalanchas, sequías e inundaciones. Así, el estudio se centró en los territorios afectados por supuestos 'desastres naturales", integrando las formas y valoraciones en la generación del conocimiento local para identificar orígenes de la problemática. El estudio de caso se enfocó en las ruralidades de los ríos Tuluá y Morales, considerando lo representativo de los conflictos socioambientales presentados durante las oleadas invernales desde finales del año 2010 hasta el 2012. Para ello, se realizó un recuento histórico que señala claramente el origen de esos conflictos en la implantación de las diferentes fases del modelo de desarrollo y modernización rural. Esto mediante estrategias generadas por el gobierno para legalizar el despojo de los derechos colectivos campesinos sobre el agua y el territorio. Dado que la problemática está relacionada con el manejo territorial del agua, se empleó la perspectiva de la Ecología Política de 'Ciclos Hidrosociales' bajo un enfoque epistemológico de caso denominado 'Ciclos Socionaturales del Agua Campesina". Para ello, se examinaron las dinámicas relacionales del agua desde su naturaleza social y desde la unidad hibrida que constituyen la sociedad y la naturaleza. La forma de abordar el estudio fue escalar, partiendo de lo local hasta escalas de influencia global. De esta forma, el problema central identificado indica una relación directa entre estas afectaciones y la marginación del campesinado en resistencia política a las intervenciones de la modernización rural, donde se advierten dificultades para empoderar la agencia campesina al punto de lograr emancipar las situaciones. Con miras a visualizar y ordenar las amenazas de esa modernización rural, las formas de resistencia existentes y el principio campesino que mueve esa resistencia, esta IAP emprendió con el colectivo un modelo de valoración local participativa. En él se caracterizó un tipo de resistencia política campesina afín con la teorización del ecosocialismo raizal, las ontologías relaciona les y con la práctica de la agroecología. La construcción del modelo, se referenció en el 'Modelo de análisis de la naturaleza de los procesos de subversión en Colombia', que integrando los intereses colectivos de este estudio se transformó en el 'Modelo sobre la naturaleza del cambio en los ciclos socionaturales del agua campesina, hacia la proyección de nuevos ciclos socionaturales raizales'. Este se fundamenta en el manejo autónomo y soberano del agua territorial en custodia de los lugares de vida y la vocación agroalimentaria campesina. La proyección de nuevos ciclos socionaturales raizales a nivel regional, se estructuró en un sub-modelo denominado 'Modelo de proyección del ciclo socionatural del agua raizal: acción en la gobernanza del agua campesina'. Aquí se incorpora el intento hacia otras formas de gobernanza para la custodia del agua y del territorio