Estudio del potencial de biomasa de distintas poblaciones de la especie Typha domingensis Pers. cultivadas en flotación

Typha domingensis Pers. (denominada para este Tesis como espadaña) es una planta emergente perenne presente en la Península Ibérica e Islas Baleares. Tiene un gran desarrollo vegetativo y gran capacidad de adaptación en hábitats acuáticos alterados o contaminados mayor que otras especies de Typha. Como otras especies del género Typha, la espadaña se utiliza en sistemas de fitodepuracion para el tratamiento de aguas residuales debido a su gran capacidad para absorber contaminantes, especialmente nitrógeno y fósforo, que utiliza para su nutrición. Entre los sistemas de fitodepuración más innovadores, los Filtros Flotantes con Helofitas (FFH) tienen los costes más baratos de construcción y mantenimiento. En estos sistemas, las espadañas forman una masa flotante que filtra las aguas residuales mejorando su calidad; pero también pueden producir beneficios económicos como puede ser el aprovechamiento de su biomasa para la producción de biocombustibles y otros bioproductos. Al ser una tecnología reciente, existen lagunas en el conocimiento sobre las ventajas e inconvenientes que plantea el uso de la espadaña en los FFHs. El crecimiento y desarrollo de la espadaña varía según las condiciones ambientales y disponibilidad de nutrientes en el hábitat en que se desarrolla. También presenta diferencias en su crecimiento según el origen del material vegetal que se utilice. El material vegetal utilizado en este trabajo procede de semillas de poblaciones naturales de espadaña de cuatro localizaciones distintas de la Península Ibérica (Badajoz (Ba), Cuenca (Cu), Madrid (Ma) y Sevilla (Se)). Para conocer el comportamiento de germinación de cada población se aplicó el método de tiempo térmico utilizando parámetros ambientales, como el régimen de temperatura y fotoperiodo. Con plántulas de espadaña procedentes de estas semillas, se realizaron ensayos en los que se estudió la respuesta de crecimiento de las poblaciones de espadaña en condiciones donde las concentraciones de nitrógeno fueron distintas y en carencia de algún nutriente esencial. También se estudió su capacidad de evapotranspiración, el potencial energético de su biomasa y se realizó un estudio fenológico aplicando el sistema de codificación universal Biologische Bundesanstalt, Bundessortenamt, CHemische Industrie (BBCH). El modelo térmico de germinación nos permitió determinar que las semillas de espadaña presentaron, una temperatura base de 16,4ºC y una temperatura óptima entre 22,5-25ºC, siendo la mejor temporada para su germinación a comienzos de la primavera. El menor tiempo térmico y mayor velocidad de germinación correspondió a la población de Cu, mientras que el mayor tiempo térmico correspondió a la población de Se. Las poblaciones de espadaña presentaron una gran capacidad para la producción de biomasa, absorción de N y una tendencia a disminuir la eficiencia en el uso de nitrógeno al aumentar el suministro de este en la solución nutritiva. El exceso o defecto en el contenido de N provocó una distinta repartición de la biomasa de espadaña. Los niveles altos de N favorecen el crecimiento de la biomasa aérea pero el crecimiento de los rizomas fue pequeño, mientras que los bajos niveles de N promueven la asignación a las raíces. Entre las diferentes poblaciones de espadaña incluidas en este estudio, las poblaciones de Se y Cu presentaron mayor tasa de crecimiento, contenido de N foliar y capacidad de absorción de nitrógeno. Por otra parte, se observó que la carencia de N es el nutriente más limitante en la fase vegetativa de las plantas de espadaña. La carencia de otros elementos como P, Mg, Fe y Ca también ocasionaron variaciones en su crecimiento y en la propia absorción de N. No obstante, el efecto de estas carencias fue menor que el producido en carencia de N. Respecto al origen de las poblaciones de espadaña, Cu fue la población que presentó una gran capacidad de adquisición de nitrógeno y acumulación de biomasa total en condiciones de déficit de nutrientes. La presencia de espadaña en un sistema de fitodepuración, como el FFH, produjo un aumento considerable de la tasa de evapotranspiración (ET), siendo 415% más alta que la evaporación producida en la misma lámina de agua sin espadaña. La ET promedio de las distintas poblaciones varío de 7,1 a 45,3 mm día-1, alcanzando los valores mayores en función del aumento de temperatura y de la cantidad de biomasa aérea producida. La tasa de ET también fue influenciada por el origen de las poblaciones de espadaña, siendo Ba la población que presentó una mayor área foliar y, por ende, la mayor tasa de ET. El estudio de potencial energético de la biomasa total de espadaña llegó a la conclusión de que ésta tenía un contenido energético alto (18,7 MJ kg−1). Los resultados del análisis inmediato de la biomasa aérea de espadaña señalaron que presenta una calidad baja debido a su alto contenido en cenizas (6,3%), pero que mezclándolo con otras biomasas de mejor calidad se podría utilizar como biocombustible sólido. El resto de los parámetros del análisis inmediato mostraron valores de un 12,1% para la humedad, de un 74,9% para la materia volátil y de un 20,6% para el carbono fijo. En relación con la cantidad de carbohidratos no estructurales, las espadañas acumularon entre 16,8 a 32% en las raíces y rizomas, respectivamente en condiciones de bajos niveles de nutriente, de los cuales, los rizomas acumularon un 24% de almidón. El origen de las poblaciones de espadaña y la fracción de la biomasa influyó en el potencial energético, siendo Cu la población con mayor rendimiento energético para la producción de almidón. Con objeto de mejorar el conocimiento de esta especie, en este estudio, por primera vez, se describió las distintas etapas fenológicas de la espadaña en un cultivo hidropónico y se propuso la escala BBCH para describir dichas etapas. Los resultados obtenidos permitirían ayudar a adoptar prácticas oportunas para mejorar la eficiencia en su cultivo o para su uso en FFH. Respecto a las distintas poblaciones de espadaña, Se y Cu presentaron una mayor estrategia de desarrollo y competencia con un potencial mayor de colonización. El origen de las poblaciones influyó en la capacidad de germinación de semillas, capacidad de adaptación a la carencia o exceso de nutrientes, tasas de evapotranspiración y el potencial energético bajo las mismas condiciones climáticas de un cultivo hidropónico, similar a los sistemas de FFH. Cu fue la población que presentó un menor tiempo térmico de germinación y una mayor velocidad de germinación, una mayor producción de biomasa en niveles altos de nitrógeno y mejor respuesta de adaptación a la carencia de nutrientes. Además, Cu produce una gran cantidad de rizomas que presenta un gran potencial energético para ser utilizado como materia prima para la producción de biocombustibles. ----------ABSTRACT---------- Typha domingensis Pers. (Commonly known as cattail) is a perennial emergent plant that can be found in the Iberian Peninsula and Balearic Islands. Cattail has the capacity to produce more biomass and shows higher adaptation to disturbed or contaminated areas compared to other Typha species. It has been used in phytodepuration systems for wastewater treatment due to its great capacity to remove nutrients, mainly nitrogen and phosphorus, which they use for its nutrition. Among the most innovative phytodepuration systems, Green Floating Filters (GFFs) have the lowest cost of construction and maintenance. In these systems, cattails grow as floating plants in a water body to form a floating and filtering plant mat to enhance wastewater treatment. Cattails managed in this system could provide economic benefits by generating renewable energy and bioproducts from biomass. GFFs are a recent technology, there are gaps in the knowledge about the advantages and disadvantages of the use of cattails in GFFs. The growth and development of the cattail varies according to the environmental conditions and availability of nutrients in the habitat in which it develops. Moreover, there are differences in its growth depending on the origin of the plant material used. Plant material used in this work comes from seeds of natural populations of cattail from four different locations in the Iberian Peninsula (Badajoz (Ba), Cuenca (Cu), Madrid (Ma) and Seville (Se)). Thermal time model was applied to environmental parameters, such as temperatures regimes and photoperiods to know the germination behaviour of each cattail population. Different studies were carried out on seedlings such the growth response of each cattail population to different concentrations of nitrogen and deficit of some essential nutrients, moreover, the evapotranspiration capacity and the energy potential of its biomass was also studied and a phenological study was carried out applying the universal coding system BBCH. The thermal time model allowed us to determine that the base temperature of cattail seeds was 16,4ºC and an optimum temperature between 22,5-25ºC, and that early spring was the best season for germination. The shortest thermal time and the highest germination rate corresponded to the Cu population, while the longest corresponded to the Se population. Cattail populations had a great capacity for biomass production, N uptake, and low nitrogen efficiency with increasing N supply in the nutrient solution. A deficit and excess N levels caused a different distribution of cattail biomass. High levels of N favoured the growth of the emerged biomass, but rhizome growth was small, whereas a low N level promoted biomass allocation to roots. Among the cattail populations, Se and Cu populations presented higher growth rate, leaf N content, and nitrogen uptake capacity. On the other hand, N deficiency seems to be the most limiting nutrient in the vegetative phase of cattails. The deficiency of other elements such as P, Mg, Fe, and Ca also caused variations in their growth and in N uptake. However, the effect of these deficiencies was lower compared with N deficit. Regarding the origin of cattail populations, Cu presented a great capacity for nitrogen acquisition and biomass accumulation under conditions of nutrient deficiency. The use of cattails in a phytodepuration system, such as GFF, showed a considerable increase in the evapotranspiration rate (ET), which was 415% higher than the evaporation in the same sheet of water without cattail. The average ET of the different populations was to range from 7,1 to 45,3 mm d-1, reaching higher values that were influenced by the increase in temperature and the amount of aerial biomass produced. ET rate was also influenced by the origin of the cattail populations, being Ba population with the largest leaf area and, therefore, the highest ET rate. The study of the energy potential of cattail biomass total concluded that it had a high energy content (18,7 MJ kg− 1). Results of proximate analysis indicated that it had a low quality due to its high ash content (6,3%); however, blending cattail with other feedstocks of better quality could be used as solid biofuel. The other parameters of the proximate analysis showed values of 12,1% humidity, 74,9% volatile matter, and 20,6% fixed carbon. In relation to the amount of nonstructural carbohydrates, cattails accumulated from 16,8 to 32% in roots and rhizomes, respectively, in low- nutrient conditions, of which, rhizomes accumulated 24% starch. The origin of the cattail populations and the biomass fraction influenced the energy potential, being Cu population with the highest energy yield to produce starch. To improve the knowledge about this species, the current study, for the first time, describes the distinct phenological stages of cattails in hydroponic culture and proposes BBCH scale to describe the stages. The results obtained will help in adopting timely management practices suitable to improve the efficiency of its cultivation or for use in GFFs. According to distinct cattail populations, Se and Cu presented a greater development and competition strategy with a greater potential for colonization. The origin of the population was influenced by the capacity of seed germination, the capacity to adapt to deficit or excess nutrients, evapotranspiration rates, and the energy potential under the same climatic conditions of a hydroponic crop, similar to the GFF system. Cu was the population with lower thermal germination time and higher germination rate, higher biomass production at high N supply conditions, and a better adaptive character to nutrient deficiency. In addition, Cu populations yield a great amount of rhizomes that have great energy potential to be used as a biofuel feedstock