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INTRODUCCIÓN
El saneamiento básico en zonas rurales, sigue constituyendo un serio problema social y ambiental; y de por sí, el acceso al agua de consumo humano de calidad para nuestros ciudadanos en este ámbito es limitado; y falta de infraestructura para el acopio de efluentes residuales o para la eliminación de excretas o su tratamiento de manera adecuada, el gobierno central promueve este tipo de proyectos para implementar las unidades básicas de saneamiento; sin embargo no se ve reflejada la intervención en el ámbito rural o es muy lenta (Lópes, 2020). Los habitantes de zonas rurales, debido a la falta de letrinas, o la adecuada eliminación de sus excretas, las disponen en hoyos y las cubren con tierra o los acopian en xilos con implementación deficiente y no llegan a ser tratados, (Solano, 2010), convirtiéndose en focos infecciosos que repercuten en la calidad de vida de los pobladores y representando un factor de riesgo que linda con la salud pública. Así mismo, son un potencial punto neurálgico de contaminación ambiental y la gran proliferación de cientos de vectores (Sepúlveda, 2013). En ese sentido el trabajo de investigación pretende dar una alternativa de solución a este problema, insertando procesos biológicos en el tratamiento de material orgánico humano (excretas); y que, a través de la utilización de agentes consumidores, desintegradores y transformadores de la materia orgánica, se pueda controlar el problema que atañe a la salud de las personas y consecuente estado de conservación ambiental. Hermetia illucens es un díptero que tiene como hábitos alimenticios en su etapa larval, el consumo de la materia orgánica, transformándola en material compostable libre de patógenos, teniendo la probabilidad de ser utili-zado como abono orgánico. No existe evidencia, que se haya implementado esta metodología en excretas humanas, poniendo a consideración experimental, procesos sistemáticos que nos permitan lograr el objetivo y dar una alternativa de solución a tan álgido problema en el ámbito rural.
El proyecto de investigación tiene relevancia técnica, científica y teórica, porque proporcionará información sobre la utilidad que proporcionan algunos organismos vivos como es la especie Hermetia illucens (Diptera: Stratyiomidae) en estadio larval; debido a que, los adultos viven, se aparean y ponen sus huevos en grietas y hendiduras cerca del hábitat de las larvas y pueden alimentarse de estiércol, carne en descomposición o frutas y vegetales, entre otros (Solano, 2010). Este insecto favorece en la disminución de la Escherichia coli en estiércol o excretas y las larvas pueden digerir los residuos sólidos resultantes de la producción agrícola de banano, palma de aceite y café de acuerdo con la bibliografía (Caruso, 2014).
Es importante conocer el ciclo de vida de esta especie, más aún porque en su estado larval requiere de algún tipo de sustrato para alimentarse (Abduh, 2022) destacando que la hembra puede depositar un promedio de 600 huevos, los cuales pasan por un período de incubación de 3 a 4 días; con lo cual las larvas alcanzan el estado de pupa en 14 días aproximadamente a 30 °C de temperatura, lo que permite que se alimenten de algunos productos antes mencionados (Oliveira, 2014).
Por otra parte, la demanda en los últimos años, pese al esfuerzo de los diferentes niveles de gobierno e instituciones privadas, por brindar un adecuado sistema de saneamiento (eliminación adecuada de excretas humanas) en las zonas rurales, es un problema arduo tanto para la salud de las personas como para el ambiente, debido a que la eliminación de excretas es dispuesta directamente sobre el componente suelo y/o en letrinas secas, con la consiguiente incorporación de patógenos al precitado componente, pudiendo afectar incluso agua subterránea (Kim, 2020).
Así surge la idea de implementar acciones de control y erradicación de patógenos en las excretas humanas que son dispuestas directamente sobre el componente suelo; para lo cual, se emplearía este organismo beneficioso desde el punto de vista ambiental y social; debido a que, en su estadio larval, bajo condiciones de laboratorio, pueda degradar estas excretas, con la finalidad de mejorar su manejo y repercuta en la calidad de vida de los pobladores en el ámbito rural, con la consiguiente eliminación de los patógenos; y obteniendo a su vez un producto capaz de ser incorporado en las áreas de cultivo de estos pobladores.
METODOLOGÍA
Técnicas de análisis de datos
El análisis microbiológico en los diferentes sustratos antes y después del tratamiento fue realizado en un laboratorio microbiológico para evidenciar la carga patogénica de las excretas humanas a tratar y consecuente resultado luego del tratamiento sometido con Hermetia illucens.
La caracterización espectroscópica se aplicó a fin de evidenciar la presencia de elementos químicos en el sustrato después del tratamiento, para establecer la interpretación de la conductividad eléctrica. Para la técnica de Fluorescencia de Rayos X, se usó el espectrómetro de energía dispersiva marca BRUKER modelo XFlash 6160 y Microscopía electrónica de barrido SEM.
Balance de masa adecuación de materia prima
Debido al contenido de humedad en las deyecciones humanas a trabajar (Entre 70% y 80%), se requiere acondicionar el sustrato para alcanzar una humedad del 90% (en promedio). Hanwen Guo (2020) y otros autores en su estudio estipulan que la relación ideal para la adición del material a tratar es de 4:1, por lo que se establece la siguiente relación para hallar la cantidad de materia fecal que se requiere con respecto a los desechos a disponer en este estudio:
𝑥 = 9,4 𝑘𝑔 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑜𝑠 / 4 = 2,25 kg
Se establece el siguiente balance de masa para conocer el valor del sustrato:
M1 + M2= MTpd
(1)
MT1= 4,5 kg/25d
MT1 = 0,18 kg/d
M1 + M2= MTpd
(2)
MT2= 4,9 kg/25d
MT2 = 0,196 kg/d
A continuación, el balance de la materia prima:
Balance de materia en el bioconversor
Dortmans & Diener (2017) tienen como referente a 10 mil larvas para 15 kg de sustrato en un larvero de 40x60x17 cm con un volumen de 40,8 L. Por otro lado, Hanwen Guo utilizan 14 mil larvas para 25 kg de sustrato en larveros de 30x26x17 cm que equivale a 13,26 L. El primero usa 666 larvas por kg de sustrato y otro usa 560 larvas por kg de sustrato, respectivamente, se decide usar como fuente de referencia a Hanwen Guo ya que, aunque la diferencia no es muy alta, este autor requiere menos larvas por kg de sustrato. Se establece un peso aproximado de 0,19 g y 0,23 g por larva, en edades de 3-4 días. Por ello fue necesario calcular el número de larvas necesarias para disponer de los 0,18 kg/d para la muestra 1 y 0,196 kg/día para la muestra 2 en los bioconversores y su peso promedio.
1 kg ----- 560 larvas*
M1:
4,5 kg----1010 larvas (entre 0,19g - 0,23g)
total de biomasa = 181,2 g
M2:
4,9 kg----1908 larvas (entre 0,19g - 0,23g)
total de biomasa = 362,4 g
En este proceso existe una salida de emisiones por las reacciones de descomposición que suceden en el bioconversor. Las emisiones compuestas por carbono, nitrógeno y metano (Dortmans & Diener, 2017) se calculó un promedio de emisiones para la cantidad de sustrato a trabajar:
1250 𝑘𝑔 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 ------ 630,53 𝑘𝑔 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠*
9.4 𝑘𝑔 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 ------ 5926,98 k𝑔 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
A continuación este balance en forma gráfica:
A continuación, se muestra el balance en el procesa-miento de excretas humanas por bioconversión:
Análisis estadístico
Se utilizó el programa SPSS para establecer la confiabilidad del instrumento para el monitoreo y evaluación de los parámetros que denotan el grado de mineralización aplicando el proceso de biodegradación a través del organismo mediador, de acuerdo con la primera muestra donde se utilizó 181,2 g de biomasa, el factor de reconversión de la materia orgánica otorgó un valor de 0,709 de confiabilidad al proceso (Alfa de Cronbach) (Tabla 1).
Tabla 1 Análisis de fiabilidad (Muestra 1) - Alfa de Cronbach
| Estadísticas de fiabilidad | ||
|---|---|---|
| Alfa de Cronbach | Alfa de Cronbach basada en elementos estandarizado | N° de elementos |
| 0,709 | 0,969 | 6 |
Se hizo lo mismo para el monitoreo y evaluación de los parámetros que denotan el grado de minerali-zación aplicando el proceso de biodegradación a través del organismo mediador, de acuerdo con la segunda muestra donde se utilizó 362,4 g de biomasa, el factor de reconversión de la materia orgánica otorgó un valor de 0,724 de confiabilidad al proceso (Alfa de Cronbach) (Tabla 2).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En el desarrollo de la investigación se utilizó como agente de prueba a la especie Hermetia illucens, para observar las respuestas fisiológicas que presentan estos organismos en el proceso de biodegradación y transformación de excretas humanas en condiciones de laboratorio.
Para la muestra 1 se dispuso 181,2 g de biomasa inicial en 4,5 kg de sustrato inicial de tratamiento, el mismo que fue incrementado paulatinamente, llegando a un peso final de 1,5 kg en los 25 días de tratamiento a fin de evaluar el balance másico diferencial de las excretas humanas sometidas a tratamiento y el rendimiento del proceso (Tabla 3).
Tabla 3 Datos generales (Muestra 1)
| Propiedad | Dato |
| Peso inicial de biomasa | 181,2 g |
| Peso inicial de sustrato | 4,5 kg |
| Peso final de sustrato tratado | 1,5 kg |
| Días de tratamiento | 25 |
| Fase biológica | larva-prepupa |
La Tabla 4 muestra el seguimiento sistemático de los parámetros en los 25 días de evaluación, estableciendo un incremento importante del potasio (K) y la electroconductividad (EC) hecho que traduce en el aumento de minerales en el sustrato producto de la biodegradación de la materia fecal. En la Figura 1 se muestra la evolución de los principales parámetros.
La evolución del Nitrógeno (N) mineralizado desde la implementación del tratamiento en la muestra 1, evidenció un incremento sustancial a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El valor del Nitrógeno (N) en la materia fecal de la muestra 1 antes del proceso de biodegradación fue de 263 mg y finalizado los 25 días fue de 407 mg, con una biomasa de 181,2 g teniendo una línea de tendencia creciente. El Fósforo (P) mineralizado desde la implementación del tratamiento en la muestra 1, evidenció un incremento sustancial a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El valor del Fósforo (P) en la materia fecal de la muestra 1 antes del proceso de biodegradación fue de 337 mg y finalizado los 25 días fue de 590 mg, con una biomasa de 181,2 g teniendo una línea de tendencia creciente. El Potasio (K) mineralizado desde la implementación del tratamiento en la muestra 1, evidenció un incremento sustancial a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El valor del Potasio (K) en la materia fecal de la muestra 1 antes del proceso de biodegradación fue de 804 mg y finalizado los 25 días de 1315 mg, con una biomasa de 181,2 g con una tendencia creciente. La Electroconductividad (EC) desde la implementación del tratamiento en la muestra 1, evidenció un incremento sustancial a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El valor de la Electroconductividad (EC) en la materia fecal de la muestra 1 antes del proceso de biodegradación fue de 1536 µS/cm y finalizado los 25 días fue de 5487 µS/cm, con una biomasa de 181,2 g teniendo una línea de tendencia creciente. Esto evidenció un gran factor de mineralización del sustrato.
Tabla 4 Bitácora de monitoreo biológico- Heces humanas - Muestra 1
| Parámetro | 1º | 2º | 3º | 4º | 5º | 6º | 7º | 8º |
| N (mg kg-1) | 263 | 129 | 235 | 400 | 370 | 383 | 472 | 407 |
| P (mg kg-1) | 337 | 176 | 418 | 464 | 478 | 565 | 603 | 590 |
| K (mg kg-1) | 804 | 538 | 1028 | 1338 | 1201 | 1174 | 1472 | 1315 |
| pH | 7,1 | 6,8 | 6,8 | 7,8 | 7,9 | 7,3 | 7,5 | 7,4 |
| T (°C) | 24,7 | 24,9 | 24,6 | 23,1 | 27,2 | 24,5 | 27,9 | 26,6 |
| Humedad (HR%) | 65,7 | 32,5 | 68,5 | 60 | 98,5 | 94 | 92,6 | 92 |
| Conductividad eléctrica (µS/cm) | 1536 | 1930 | 4773 | 5724 | 5125 | 5675 | 6863 | 5487 |
Figura 1. Coeficientes de correlación entre concentración y días de tratamiento del Nitrógeno (A), Fósforo (B), Potasio (C) y Conductividad Eléctrica (D) de la muestra 1.
El pH desde la implementación del tratamiento en la muestra 1, se mantiene estable a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El pH en la materia fecal de la muestra 1 antes del proceso de biodegradación fue de 7,1 y finalizado los 25 días fue de 7,4 con una biomasa de 181,2 g sin marcar una tendencia de incremento o decremento. La Temperatura (T) desde la implementación del tratamiento en la muestra 1, se mantiene estable a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. La T en la materia fecal de la muestra 1 antes del proceso de biodegradación fue de 24,7 °C y finalizado los 25 días fue de 26,6 °C con una biomasa de 181,2 g sin marcar una tendencia de incremento o decremento. Se trató de mantener esta temperatura estable, a fin de garantizar que el potencial biótico de la larva de Hermetia illucens no viera afectada su actividad y que la temperatura no represente un factor de resistencia ambiental. La Humedad Relativa (HR) expresada en porcentaje, se vio incrementada de manera inducida, procurando mantener altos niveles de humedad para que las larvas pudieran verse favorecidas por el factor y desarrollen su potencial biótico. La Humedad Relativa (HR) de la materia fecal al momento de la implementación del proceso fue de 65,7%, transcurridos los 25 días de evaluación terminó con una HR de 92% a fin de garantizar la idoneidad del medio, para una biomasa de 181,2 g.
Tabla 5 Datos generales (Muestra 2)
| Propiedad | Dato |
| Peso inicial de biomasa | 362,4 g |
| Peso inicial de sustrato | 4,942 kg |
| Peso final de sustrato tratado | 1,1 kg |
| Días de tratamiento | 25 |
| Fase biológica | larva - prepupa |
Para la muestra 2 se dispuso 362,4 g de biomasa inicial en 4,942 kg de sustrato inicial de tratamiento, el mismo que fue incrementado paulatinamente, llegando a un peso final de 1,1 kg en los 25 días de tratamiento a fin de evaluar el balance másico diferencial de las excretas humanas sometidas a tratamiento y el rendimiento del proceso.
En la Tabla 6 muestra el seguimiento sistemático de los parámetros en los 25 días de evaluación, estableciendo un incremento importante del Nitrógeno (N) Fósforo (P) potasio (K) y la electroconductividad (EC) hecho que traduce en el aumento de minerales en el sustrato producto de la biodegradación de la materia fecal, a mayor número de individuos (biomasa) mejores resultados.
La evolución del Nitrógeno (N) mineralizado desde la implementación del tratamiento en la muestra 2, evidenció un incremento sustancial a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El valor del Nitrógeno (N) en la materia fecal de la muestra 2 antes del proceso de biodegradación fue de 128 mg y finalizado los 25 días fue de 407 mg, con una biomasa de 362,4 g teniendo una línea de tendencia creciente. El Fósforo (P) mineralizado desde la implementación del tratamiento en la muestra 2, evidenció un incremento sustancial a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El valor del Fósforo (P) en la materia fecal de la muestra 2 antes del proceso de biodegradación fue de 258mg y finalizado los 25 días fue de 590 mg, con una biomasa de 362,4 g teniendo una línea de tendencia creciente. El Potasio (K) mineralizado desde la implementación del tratamiento en la muestra 2, evidenció un incremento sustancial a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El valor del Potasio (K) en la materia fecal de la muestra 2 antes del proceso de biodegradación fue de 603 mg y finalizado los 25 días fue de 796 mg, teniendo picos de 1103 mg, con una biomasa de 362,4 g teniendo una línea de tendencia creciente.
La Electroconductividad (EC) desde la imple-mentación del tratamiento en la muestra 2, evidenció un incremento sustancial a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El valor de la Electroconductividad (EC) en la materia fecal de la muestra 2 antes del proceso de biodegradación fue de 2463 µS/cm y finalizado los 25 días fue de 4825 µS/cm, con una biomasa de 362,4 gr teniendo una línea de tendencia creciente. Esto evidenció un gran factor de mineralización del sustrato.
La evolución pH desde la implementación del tratamiento en la muestra 2, se mantiene estable a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. El pH en la materia fecal de la muestra 2 antes del proceso de biodegradación fue de 6,5 y finalizado los 25 días fue de 6,9 con una biomasa de 362,4 g sin marcar una tendencia de incremento o decremento. La Temperatura (T) desde la implementación del tratamiento en la muestra 2, se mantiene estable a medida que el proceso de biodegradación de la materia fecal fue ocurriendo. La T en la materia fecal de la muestra 2 antes del proceso de biodegradación fue de 21,3 °C y finalizado los 25 días fue de 22,4 °C con una biomasa de 362,4 g sin marcar una tendencia de incremento o decremento.
Tabla 6 Bitácora de monitoreo biológico- Heces humanas - Muestra 2
| Parámetros | 1º | 2º | 3º | 4º | 5º | 6º | 7º | 8º | 9º | 10º | 11º |
| N (mg kg-1) | 128 | 210 | 256 | 311 | 289 | 383 | 472 | 407 | 407 | 407 | 407 |
| P (mg kg-1) | 258 | 225 | 357 | 415 | 406 | 565 | 603 | 590 | 590 | 590 | 590 |
| K (mg kg-1) | 603 | 720 | 805 | 689 | 657 | 874 | 960 | 805 | 1103 | 985 | 796 |
| Ph | 6,5 | 6,3 | 7,1 | 6,9 | 6,5 | 7,1 | 6,9 | 6,7 | 7,2 | 6,8 | 6,9 |
| T(ºC) | 21,3 | 20,4 | 21,6 | 21,9 | 22,4 | 20,4 | 22,1 | 20,9 | 21,6 | 21,8 | 22,4 |
| Humedad (HR%) | 65,1 | 68,8 | 71,8 | 74,1 | 88,9 | 87,6 | 79,1 | 81,6 | 88,7 | 78,9 | 84,5 |
| Conductividad eléctrica (µS/cm) | 2463 | 3640 | 2986 | 3049 | 4289 | 4698 | 5096 | 5136 | 4982 | 5041 | 4825 |
Figura 2 Coeficientes de correlación entre concentración y días de tratamiento del Nitrógeno (A), Fósforo (B), Potasio (C) y Conductividad Eléctrica (D) de la muestra 2.
Se mantuvo la temperatura estable a fin de garanti-zar que el potencial biótico de la larva no se viera afectada y que la temperatura no represente un factor de resistencia ambiental. La Humedad Relativa (%HR) se vio incrementada de manera inducida, procurando mantener altos niveles de humedad para que las larvas pudieran verse favorecidas por el factor y desarrollen su potencial biótico. La HR de la materia fecal al momento de la implementación del proceso fue 65,1%, transcurri-dos los 25 días de evaluación terminó con de 84,5% a fin de garantizar la idoneidad del medio, para una biomasa de 362,4 g.
En el análisis SEM (Microscopia electrónica de barrido) a una escala de 20 µm y EHT de 20,00 kV a una magnificancia de 524 X no se observaron presencia de quistes de protozoarios (Blastocystis hominis) ni huevos de helmintos. A una escala de 20 µm y EHT de 20,00 kV a una magnificancia de 1,02 K X no se observaron presencia de quistes de protozoarios (Blastocystis hominis) ni huevos de helmintos.
Figura 3 Imágenes SEM: Análisis de presencia de Blastocystis hominis o huevos de helmintos. (A) muestra 1, 20 µm. EHT: 20,00 kV. Magnificancia: 722 X. (B) muestra 1, 20 µm. EHT: 20,00 kV. Magnificancia: 524 X. (C) muestra 2, 100 µm. EHT: 20,00 kV. Magnificancia: 452 X. (D) muestra 2, 100 µm. EHT: 20,00 kV. Magnificancia: 328 X.
CONCLUSIONES
Se determinó la efectividad de la larva de Hermetia illucens (Diptera: Stratyiomidae) como organismo degradador de excretas humanas bajo condiciones de laboratorio, habiendo logrado la mineralización del sustrato orgánico y consecuente biodegra-dación, reduciendo la materia orgánica significa-tivamente, de 4,5 kg para la muestra 1 a 1,5 kg aplicando una biomasa de 181,2 g y para la muestra 2 de 4,942 kg a 1,1 kg aplicando una biomasa de 362,4 g, mitigando olores y eliminando los protozoarios presentes en la muestra a tratar durante 25 días de monitoreo sistemático, no habiendo encontrado marcada diferencia entre ambos tratamientos en cuanto a la reducción de sustrato para los parámetros establecidos. En el análisis espectroscópico porcentual por Fluorescencia de rayos X, se observó un 4,4% de Nitrógeno, 1,9% de Fósforo y 2,5% de Potasio para la muestra 1 tratada y 4,9% de Nitrógeno, 2,9% de Fósforo y 2,5% de Potasio para la muestra 2 tratada, lo que representa un alto nivel de mineralización.
Se evaluaron las condiciones ambientales idóneas para el crecimiento larval de Hermetia illucens como organismo degradador de excretas humanas bajo condiciones de laboratorio, logrando un estándar de HR del 92%, una temperatura de 25,4 °C donde las larvas alcanzaron su potencial metabólico.
Se describieron sistemáticamente los parámetros fisicoquímicos de pH, NPK, EC, T y HR de las excretas humanas antes del tratamiento con Hermetia illucens como organismo degradador de excretas humanas bajo condiciones de laboratorio como parámetros de instalación siendo éstos para la muestra 1: pH-7.1, Nitrógeno (N): 263 mg, Fósforo (P): 337 mg, Potasio (K): 804 mg, EC: 1536 µS/cm, T: 24,7 °C y HR: 65,7%. Para la muestra 2: pH-6.5, Nitrógeno (N): 128 mg, Fósforo (P): 258 mg, Potasio (K): 603 mg, EC: 2463 µS/cm, T: 21,3 °C y HR: 65,1%, denotando características propias de las deyecciones humanas.
Se describieron los parámetros fisicoquímicos de pH, NPK, T, HR y EC de las excretas humanas después del tratamiento con Hermetia illucens como organismo degradador de excretas humanas bajo condiciones de laboratorio, siendo éstos para la muestra 1: pH-7.4, Nitrógeno (N): 407 mg, Fósforo (P): 590 mg, Potasio (K): 1315 mg, EC: 5487 µS/cm, T: 26,6 °C y HR: 92%. Para la muestra 2: pH-6.9 Nitrógeno (N): 407 mg, Fósforo (P): 590 mg, Potasio (K): 796 mg, EC: 4825 µS/cm, T: 22,4 °C y HR: 84,5%, evidenciando una plena minera-lización después del tratamiento.
Se identificaron los agentes microbiológicos pato-génicos de las excretas humanas antes del tratamiento con Hermetia illucens como organismo degradador de excretas humanas bajo condiciones de laboratorio, siendo el encontrado Blastocystis hominis.
Se evaluó la disminución de agentes microbio-lógicos patogénicos de las excretas humanas después del tratamiento con Hermetia illucens como organismo degradador de excretas humanas bajo condiciones de laboratorio a través de SEM, no encontrando ningún quiste de protozoarios descritos antes del tratamiento, concluyendo en una desinfección absoluta durante el tratamiento.
