Valorización industrial de compuestos naturales en las áreas agrícola y forestal

The 21st century presents significant challenges for agriculture, including the adoption of more efficient and sustainable production methodologies and adaptation to climate change. Climate change is altering local climatic conditions, impacting forestry and agriculture, and potentially exacerbating desertification by disrupting patterns of solar radiation, and winds. This could lead to a reduction of 30,000 km² in the country's forested area over 60 years. Water availability is also closely tied to climate change, affecting precipitation and temperature patterns and aquatic ecosystems, resulting in algal blooms and water eutrophication. This Industrial PhD is marked applied corresponding to I+D+i projects for developing three products: the first is enhanced ZOIBAC®, composed of a microbial consortium; the second is BIO100®, and the third is B2P. Their development was focused on improving the fertilizing capacity of livestock waste, controlling algal growth, exerting a positive effect on soils, enhancing vegetative vigour, and increasing stress tolerance. Improved ZOIBAC® was applied to livestock slurry, achieving substantial quality improvements on slurry. ZOIBAC® reduced toxicity by decreasing the content of N, P, K, and heavy metals. This was confirmed using Lolium perenne (Lp), where treated slurry (TS) showed no phytotoxic effects on germination, unlike untreated slurry. TS demonstrated strong bio-fertilizing capacity, enhancing vegetative growth, biomass, and carbon and nitrogen content. The physiological effect of BIOPROD was assessed on Lp in hydroponic conditions, revealing no adverse effects. BIOPROD effects were assessed in desert-Martian-like substrates (DMLS), showing that DMLS negatively impacted germination, but the bioproduct application positively influenced germination without affecting growth. BIO100® was developed to prevent algal growth in irrigation water. Its efficacy in eliminating algae was confirmed, and it had no negative impact on Lp growth. The physiological and molecular effects of one cellulose of bacterial origin (CelB) were studied in Sl under hydroponic and micro-pot systems with standard and DMLS. CelB was found to be beneficial, inducing genes related to plant development. The treatment increased Sl biomass, substrate water content, and the bioavailability of elements essential for plant growth. One of the biopolymers assessed in this PhD was chitin. The chitin applied in micro-pot systems with standard substrate and DMLS revealed enhanced aerial growth and chlorophyll content and increased bioavailability of plant-beneficial compounds. B2P positively affected plant growth (aerial and root biomass) in both micro-pot and greenhouse conditions. The treatment increased the number of definitive leaves, leaf area, and photosynthetic pigment content. Additionally, massive soil microbiome sequencing revealed that the bioproduct application induced changes in microbiome structure and abundance, promoting increases in the presence of Actinobacteria and Proteobacteria. Three effective bioproducts were developed: the first for livestock slurry treatment, the second for irrigation water treatment, and the third for improving soil quality and plant growth. RESUMEN El siglo XXI presenta importantes desafíos para la agricultura, incluyendo la adopción de metodologías de producción más eficientes y sostenibles, así como la adaptación al cambio climático. Este último está alterando las condiciones climáticas locales, impactando la silvicultura y la agricultura, y exacerbando la desertificación al modificar los patrones de radiación solar y vientos. Esto ha conducido a una reducción de 30,000 km² en la superficie forestal del país en los últimos 60 años. La disponibilidad de agua también está estrechamente vinculada al cambio climático, afectando los patrones de precipitación y temperatura, así como los ecosistemas acuáticos, lo que resulta en floraciones de algas y eutrofización del agua. Este Doctorado Industrial está enmarcado en proyectos de I+D+i destinados al desarrollo de tres productos el primero es ZOIBAC® mejorado formado por un consorcio microbiano, el segundo es BIO100®, y el tercero es B2P. Su desarrollo perseguía la mejora de la capacidad fertilizante de los residuos ganaderos, del control del crecimiento de algas, ejercer un efecto positivo en los suelos, mejora del vigor vegetativo e incremento de la tolerancia al estrés. Se aplicó ZOIBAC® mejorado a purines de ganadería, logrando mejoras sustanciales en la calidad del purín. ZOIBAC® redujo la toxicidad al disminuir el contenido de N, P, K y metales pesados. Esto se confirmó mediante ensayos con Lolium perenne (Lp), donde los purines tratados (PT) no mostraron efectos fitotóxicos en la germinación, a diferencia de los purines no tratados. PT demostró una alta capacidad biofertilizante, mejorando el crecimiento vegetativo, la biomasa y el contenido de carbono y nitrógeno. Se evaluó el efecto fisiológico de BIOPROD sobre Lp en hidroponía, sin encontrar efectos adversos. Los efectos de BIOPROD fueron probados en sustratos desérticos tipo marciano (DMLS), mostrando que Los DMLS afectaban negativamente la germinación, pero la aplicación del bioproducto mejoró la germinación sin afectar el crecimiento. BIO100® se desarrolló para prevenir el crecimiento de algas en aguas de riego. Se confirmó su eficacia para eliminar algas y no generó impacto negativo en el crecimiento de Lp. Los efectos fisiológicos y moleculares de celulosa de origen bacteriano (CelB) se estudiaron en Solanum lycopersicum (Sl) en sistemas hidropónicos y de micromaceta con sustrato estándar y DMLS. Se encontró que CelB era beneficiosa, induciendo genes relacionados con el desarrollo de las plantas. El tratamiento aumentó la biomasa de Sl, el contenido de agua en el sustrato y la biodisponibilidad de elementos esenciales para el crecimiento vegetal. Uno de los biopolímeros evaluados en esta tesis fue la quitina. Una mezcla de quitina (Qq) aplicada en sistemas de micromaceta con sustrato estándar y DMLS mostró un incremento en crecimiento aéreo, mayor contenido de clorofila y aumento de la biodisponibilidad de compuestos beneficiosos para las plantas. El bioproducto B2P ejerció un efecto positivo en el crecimiento de las plantas (biomasa aérea y radicular) tanto en condiciones de micromaceta como de invernadero. El tratamiento aumentó el número de hojas definitivas, el área foliar y el contenido de pigmentos fotosintéticos. Además, la secuenciación masiva del microbioma del suelo reveló que la aplicación del bioproducto indujo cambios en la estructura y abundancia del microbioma, promoviendo un incremento en la presencia de Actinobacteria y Proteobacteria. Se desarrollaron tres bioproductos efectivos: el primero para el tratamiento de purines ganaderos, el segundo para el tratamiento de aguas de riego y el tercero para mejorar la calidad del suelo y el crecimiento vegetal.