Sustainable production of baby leaf lettuce and spinach through the use of compost and its extracts

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En los últimos años se ha producido un incremento de residuos orgánicos procedentes de la industria agroalimentaria, los cuales, generan una serie de problemas medioambientales y económicos. Estos residuos orgánicos junto con otros residuos o subproductos, a través del compostaje, dan como resultado unos compost y extractos de compost, que pueden ser empleados como fuente de nutrientes para las plantas mejorando la productividad de los cultivos. Además de las propiedades biofertilizantes, los compost presentan propiedades que mejoran la calidad de los cultivos, así como características supresivas frente a fitopatogenos, permitiendo así una agricultura más sostenible, puesto que su uso permite reducir el uso de fertilizantes y plaguicidas químicos. Por otro lado, las hortalizas mínimamente procesadas, son un grupo de alimentos, por los cuales en la actualidad se está mostrando un gran interés por parte del consumidor, haciendo que exista una gran demanda. Dentro de este grupo de hortalizas se encuentran la lechuga baby leaf y espinaca baby. La producción de lechuga baby leaf y espinaca baby se viene realizando principalmente en suelo, pero en los últimos años se está llevando en sistemas sin suelo, denominados hidropónicos. En este sistema de cultivo se produce una mayor automatización y por lo tanto un mayor control durante todo el ciclo de cultivo; de tal modo que se consigue una mayor uniformidad en el crecimiento, en la rapidez de los ciclos y en el rendimiento de los cultivos, haciendo un uso eficiente de los fertilizantes, así como un control en la calidad del producto. Uno de estos sistemas de cultivo sin suelo es el floating system, que permite todo lo anteriormente mencionado. Con este tipo de sistemas se pueden corregir y controlar parámetros importantes como son los compuestos nutricionales (vitaminas, fenoles y antioxidantes) y anti-nutricionales (nitratos y oxalatos). Para ello, se están desarrollando alternativas al uso de la turba y otros sustratos, como son los compost y sus extractos biológicos, para favorecer no solo la productividad de los cultivos sino su calidad. Nuestro objetivo es mejorar el rendimiento y la calidad de los cultivos y minimizar la incidencia de los patógenos de las plantas tanto en cultivos sin suelo como en cultivo hidropónico en el sistema flotante para el cultivo de lechuga baby leaf y la espinaca baby. Con ese fin, se estudian diferentes alternativas de compost, incluida la composición y la aplicación. Para el caso de la agricultura sin suelo, se estudian las ventajas, incluyendo su potencial como supresor de patógenos vegetales, de i) utilizar el compost agroindustrial como sustituto de la turba ampliamente utilizada, de ii) la aplicación de un extracto de compost elaborado directamente (añadido en la solución de nutrientes o mediante microaspersores); mientras que para la agricultura con suelo, se evalúan los beneficios de iii) combinar el té de compost y los microorganismos para reducir el uso de pesticidas y fertilizantes de base química. Se llevaron a cabo dos series de experimentos, es decir, dos ciclos, para ambos cultivos, lechuga baby leaf y espinacas, y condiciones experimentales (i-iii). En la utilización de un compost agroindustrial como sustituto de la turba y el té de compost para la agricultura sin suelo, se utilizó Pythium irregulare como patógeno para los bioensayos. En la agricultura en suelo se utilizó una aplicación foliar del té de compost implementado con el microorganismo beneficioso Trichoderma harzianum. Los resultados demostraron que el compost aumentaba el porcentaje de germinación de las semillas y la calidad de la lechuga roja de hoja pequeña al reducir la acumulación de nitratos y aumentar la capacidad antioxidante y el contenido de vitamina C de las hojas en comparación con la turba. Además, bajo presión del patógeno P. irregulare, las plantas cultivadas en el compost mostraron una menor incidencia de la enfermedad (un mayor porcentaje de supervivencia de las plantas) y produjeron mayores rendimientos. El uso de té de compost como solución nutritiva mejoró el crecimiento y la calidad de la lechuga baby leaf, reduciendo el contenido de nitratos y aumentando el contenido de compuestos potencialmente beneficiosos para la salud como los fenoles y los flavonoides y, por lo tanto, la capacidad antioxidante. Por otro lado, la aplicación foliar del té de compost y T. harzianum mejoró el rendimiento de las espinacas baby; a pesar de que su aplicación no supuso un aumento de la actividad de la deshidrogenasa del suelo o del contenido de nutrientes del suelo, lo que hace deducir un efecto biofertilizante o bioestimulante inducido a nivel foliar. El uso combinado del extracto acuoso de compost y T. harzianum mostró el mayor rendimiento, contenido fenólico, capacidad antioxidante y niveles de flavonoides. Finalmente, se puede decir que compost obtenidos a partir de residuos agroindustriales pueden ser una alternativa prometedora a la turba para su uso como sustrato orgánico en un sistema de producción sostenible sin suelo para la lechuga roja de hoja pequeña, ya que no sólo es capaz de controlar el efecto de los patógenos de las plantas, sino también de mejorar el rendimiento y la calidad del producto. De la misma manera, el uso de té de compost se presenta como una alternativa adecuada para un sistema de producción sostenible sin suelo para la lechuga roja de hoja pequeña, mejorando el rendimiento y la calidad del producto y pudiendo controlar la incidencia de los patógenos. Por último, el extracto acuoso de compost enriquecido con T. harzianum se muestra como una alternativa sostenible para mejorar el rendimiento y la calidad de la espinaca baby.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. In recent years there has been an increase in organic waste from the agroindustrial, which generates a number of environmental and economic problems. These organic wastes together with other wastes or by-products, through composting, result in compost and compost extracts, which can be used as a source of nutrients for the plants improving the productivity of the crops. In addition to the biofertilizing properties, compost has properties that improve the quality of the crops, as well as suppressive characteristics against phytopathogens, thus allowing a more sustainable agriculture, since its use allows reducing the use of chemical fertilizers and pesticides. On the other hand, minimally processed vegetables are a group of foods for which there is currently great consumer interest, resulting in a high demand. Within this group of vegetables are baby leaf lettuce and baby spinach. The production of baby leaf lettuce and baby spinach has been carried out mainly in soil, but in recent years it is being carried out in soilless system, called hydroponic. In this system cultivation a greater automation in produced and therefore greater control during all the cycle of cultivation; in such a way that a greater uniformity in the growth is obtained, in the speed of the cycles and in the yield of the cultures, doing an efficient use of the fertilizers, as well as a control in the quality of the product. One of these soilless cultivation systems is the floating system, which allows for all of the above. With this type of system important parameters can be corrected and controlled such as nutritional compounds (vitamins, phenols and antioxidants) and anti-nutritional compounds (nitrates and oxalates). To this end, alternatives to the use of peat and other substrates, such as compost and its biological extracts, are being developed to favour not only the productivity of the crops but also their quality. We aim to improve the yield and quality of crops, and minimize the incidence of plant pathogens in both soilless and hydroponic crop in the floating system for de cultivation of baby leaf lettuce and baby spinach. To this end, different alternatives of compost, including composition and application, are studied. For the soilless case, the advantages, including its potential as suppressive for plant pathogens, of i) using agroindustrial compost as substitute of the widely used peat, and of ii) the application of a directly brewed compost extract (added in the nutrient solution or by microsprinkler), are studied; while for the soiled agriculture, the benefits of iii) combining compost tea and microorganisms to reduce the use of chemical-based pesticides and fertilizers are evaluated. Two set of experiments, i.e., two cycles, were carried out for both crops baby leaf lettuce and baby spinach, and experimental conditions (i-iii). In the use of agroindustrial compost as a substitute of peat and compost tea for soilless agriculture, Pythium irregulare was used as pathogen for the bioassays. In the soiled agriculture, a foliar application of the compost tea implemented with the beneficial microorganism Trichoderma harzianum was used. The results showed that compost increased the percentage of seed germination and the quality of baby leaf red lettuce by reducing nitrate accumulation and increasing the antioxidant capacity and vitamin C content of leaves compared with peat. Furthermore, under the pathogen P. irregulare pressure, plants grown in compost showed less incidence of the disease (a higher percentage of plant survival) and produced higher yields. The use of compost tea as nutrient solution improved the growth and quality of baby leaf lettuce, reducing the nitrate content and enhancing the content of potentially health-promoting compounds such as phenols and flavonoids and therefore the antioxidant capacity. On the other hand, foliar application of compost tea and T. harzianum improved the yield of baby spinach; although its application did not increase soil dehydrogenase activity or soil nutrient content, which suggests a biofertilizing or biostimulating effect induced at the foliar level. The combined use of the aqueous compost extract and T. harzianum showed the highest yield, phenolic content, antioxidant capacity and flavonoid levels. Finally, it can be said that compost obtained from agro-industrial residues can be a promising alternative to peat for use as an organic substrate in a sustainable soilless production system for small leaf red lettuce, as it is not only able to control the effect of plant pathogens, but also to improve yield and product quality. Similarly, the use of compost tea is presented as a suitable alternative for a sustainable production system without soil for red lettuce, improving the yield and product quality and can control the incidence of pathogens. Finally, the aqueous compost extract enriched with T. harzianum is shown as a sustainable alternative to improve the yield and quality of baby spinach.This PhD Thesis has been possible thanks to the financing received from the Ministry of Economy and Competitiveness of Spain, projects AGL-2014-52732-C2-1-R, AGL-2014-52732-C2-2-R, AGL2017-84085-C3-1-R, AGL2017-84085-C3-2-R and AGL2017-84085-C3-3-R.Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de tres artículos: 1. Giménez, A., Fernández, J.A., Pascual, J.A., Ros, M., Lopéz-Serrano, M. and Egea-Gilabert, C. 2019. An agroindustrial compost as alternative to peat for production of baby leaf red lettuce in a floating. Scientia Horticulturae. 246, 907-915. http://doi.org/10.1016/j.scienta.2018.11.080. 2. Giménez, A., Fernández, J.A., Pascual, J.A., Ros, M. and Egea-Gilabert, C. 2020. Application of directly brewed compost extract improves yield and quality in baby leaf lettuce grown hydroponically. Agronomy. 10, 270. http://doi.10.3390/agronomy10030370. 3. Ros, M., Hurtado-Navarro, M., Giménez, A., Fernández, J.A., Egea-Gilabert, C., Lozano-Pastor, P. and Pascual, J.A. 2020. Spraying Agro-industrial compost tea on baby spinach crops: evaluation of yield, plant quality and soil health in field experiments. Agronomy. 10, 440. http://doi.10.3390/agronomy10030440Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Técnicas avanzadas en investigación y desarrollo agrario y alimentari