Nanoburbujas de aire y la remediación de suelos contaminados por metales pesados en plantaciones de cacao

NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO Ana Noemi Sandoval Vergara José BladimirSánchezCruz Ludwig NicolásVillanuevaMori En la obra Nanoburbujas de Aire y la Remediación de Suelos Contaminados por Metales Pesados en Plantaciones de Cacao, los autores Ana Noemi Sandoval, José Bladimir Sánchez y Ludwig Nicolás Villanueva presentan una investigación integral sobre una de las crisis agroambientales más urgentes: la contaminación por cadmio (Cd) y otros metales pesados en los cultivos de cacao. El libro articula meticulosamente la nanotecnología como una solución de vanguardia con un potente doble mecanismo de acción. Por un lado, detalla cómo la "superoxigenación" del agua de riego mediante nanoburbujas optimiza la fisiología del cultivo, mejorando la sanidad de la raíz y la absorción de nutrientes. Por otro lado, y de forma crucial, la obra explora los principios fisicoquímicos que permiten a las nanoburbujas actuar como un agente de remediación in situ, alterando el potencial de óxido-reducción (ORP) del suelo para facilitar la desorción e inmovilización de los contaminantes, reduciendo así su biodisponibilidad. Al culminar con un diseño metodológico específico aplicado a la problemática en la región de San Martín, el texto se consolida como una guía esencial que conecta la teoría científica fundamental con una aplicación práctica y sostenible. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO SANDOVAL / SÁNCHEZ / VILLANUEVA NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO Ana Noemi Sandoval Vergara José Bladimir Sánchez Cruz Ludwig Nicolás Villanueva Mori Todas nuestras publicaciones son sometidas a revisión doble-ciego de pares externo (Peer Review Double Blinded). Esta publicación cuenta con licencia Creative Commons Reconocimiento - NoComercial - SinObraDerivada 3.0 Unported License. ISBN: 978-628-7736-68-9 Nanoburbujas de aire y la remediación de suelos contaminados por metales pesados en plantaciones de cacao © Ana Noemi Sandoval Vergara © José Bladimir Sánchez Cruz © Ludwig Nicolás Villanueva Mori 2025 DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.17554920 ©Editorial Navegante www.editorialnavegante.com Queda prohibida la reproducción bajo cualquier modalidad de toda o una parte de esta obra sin autorización expresa del titular de los derechos. Diseño de carátula y composición: Editorial Navegante Edición electrónica: Editorial Navegante. Impreso en Colombia/ Printed in Colombia NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO Ana Noemi Sandoval Vergara José Bladimir Sánchez Cruz Ludwig Nicolás Villanueva Mori Ana Noemi Sandoval Vergara Correo: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9702-8434 Afiliación: Universidad Nacional de San Martín. José Bladimir Sánchez Cruz Correo: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0009-0000-6427-7824 Afiliación: Universidad Nacional de San Martín. Ludwig Nicolás Villanueva Mori Correo: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6468-9754 Afiliación: Universidad César Vallejo. 7 ÍNDICE DE TABLAS ���������������������������������������������������������������������������������������������11 ÍNDICE DE FIGURAS ������������������������������������������������������������������������������������������12 INTRODUCCIÓN ��������������������������������������������������������������������������������������������������13 CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE LA CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS Y LA TECNOLOGÍA DE NANOBURBUJAS �����������������������������������������������������������������������������������������15 1.1 Metales Pesados en Agroecosistemas de Cacao: Orígenes, especiación y toxicidad ..........................................................................15 1.1.1 Fuentes Antropogénicas y Naturales de Contaminación por Cadmio (Cd), Plomo (Pb) y otros Metales Pesados .............17 1.1.2 Dinámica y Biodisponibilidad de los Metales Pesados en el Suelo: pH, materia orgánica y textura. ................................ 18 1.1.3 Impacto Fisiológico y Sanitario de la Acumulación de Metales Pesados en el Cacao (Theobroma cacao L.). .................21 1.2 Principios Fisicoquímicos de las Nanoburbujas ..................................23 1.2.1 Definición, Generación y Estabilidad de las Nanoburbujas de Aire .........................................................23 1.2.2 Propiedades Interfaciales: Potencial Zeta, Tensión Superficial y Generación de Especies Reactivas de Oxígeno (ROS). .........................................................................26 ÍNDICE 8 1.2.3 Interacción de las Nanoburbujas con la Matriz del Suelo y Contaminantes. ...........................................................................28 1.3 Estado del Arte: Tecnologías de Remediación de Suelos ...................30 1.3.1 Revisión de Métodos Convencionales: Fitorremediación, Enmiendas Químicas y Lavado de Suelos. ... 31 1.3.2 Tecnologías Emergentes y Sostenibles en la Remediación de Suelos Agrícolas ........................................ 33 1.3.3 Potencial de la Tecnología de Nanoburbujas como Estrategia Innovadora. ........................................................34 CAPÍTULO II MECANISMOS DE ACCIÓN DE LAS NANOBURBUJAS DE AIRE EN LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CACAOTEROS ������������������������������������������������������������������������������ 37 2.1 Movilización y Extracción de Metales Pesados ...................................37 2.1.1 Desorción de Metales Pesados de las Partículas del Suelo Inducida por Nanoburbujas...........................................................38 2.1.2 Formación de Complejos Metálicos y su Transporte en la Solución del Suelo. ................................................................40 2.1.3 Sinergias con Agentes Quelantes y Enmiendas Orgánicas. ........42 2.2 Influencia de las Nanoburbujas en las Propiedades del Suelo y la Rizosfera...........................................................................................44 2.2.1 Efectos sobre la Estructura del Suelo: Agregación y porosidad. .....................................................................................44 2.2.2 Modificación del Potencial de Óxido-Reducción (ORP) y del pH del suelo. ..........................................................................46 2.2.3 Impacto en la Comunidad Microbiana del Suelo y su Rol en la Biogeoquímica de los Metales. .............................................49 9 2.3 Interacción Nanoburbuja-planta: Implicaciones para el Cacao .........51 2.3.1. Mejora de la Oxigenación en la Zona Radicular y su Efecto en la Sanidad de la Raíz. ............................................51 2.3.2 Reducción de la Fitoextracción de Metales Pesados por la Planta de Cacao. ...................................................................54 2.3.3 Evaluación de la Respuesta Fisiológica y Bioquímica del Cacao al Tratamiento: .............................................................57 CAPÍTULO III APLICACIÓN PRÁCTICA Y EVALUACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE NANOBURBUJAS EN CAMPO ����������������59 3.1 Diseño e Implementación de un Sistema de Remediación In Situ ......................................................................................................60 3.1.1 Metodologías para la Generación y Aplicación de Nanoburbujas en Parcelas de Cacao. .......................................60 3.1.2 Parámetros Operacionales: Frecuencia de aplicación, dosis y monitoreo. .......................................................................... 65 3.1.3 Protocolos para el muestreo y análisis de Suelo, Agua y Tejido Vegetal. ............................................................................68 3.2 Estudios de Casos y Evaluación de la Eficacia .....................................71 3.2.1 Análisis Comparativo de la Eficiencia de Remoción de Metales Pesados. ........................................................................72 3.2.2 Evaluación de la Calidad del Suelo y la Salud del Cultivo post-tratamiento. ...........................................................................76 3.2.3 Cuantificación de la Reducción de Metales Pesados en Almendras de Cacao. ................................................................78 3.3 Consideraciones Económicas, Ambientales y Futuras líneas de investigación ......................................................................................81 NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 16 en masa por unidad de volumen y que, si bien ciertos tipos resultan ser indispensables en cantidades minúsculas para la vida, su presencia en mayores cantidades conlleva un riesgo significativo, pues el peligro radica en la capacidad que poseen de envenenamiento (toxicidad) y en el modo en que se almacenan y concentran progresivamente (bioacumulación) en los tejidos vivos, llegando a multiplicarse sus efectos a medida que avanza a través de los eslabones de la cadena alimenticia (Méndez et al., 2024). De este modo, la introducción de estos agentes en el medio ambiente es el resultado primordialmente de las actividades humanas, porque prácticas como la extradición de minerales, la fusión de metales y otros procesos como el descarte inapropiado de desechos liberan contaminantes que se dispersan en el agua, suelo y aire mediante filtraciones de líquidos, gases emitidos y vertidos directos. Los metales pesados son el tipo de contaminantes más persistentes y complejos para remediar en la naturaleza. No solamente degradan la calidad de la atmósfera, de los cuerpos de agua y de los cultivos de alimentos, sino que también amenazan la salud y bienestar de animales y seres humanos. Los metales se acumulan en los tejidos de los organismos vivos, ya que, a diferencia de la mayoría de los compuestos orgánicos, no están sujetos a degradación metabólica. (Rodríguez et al., 2019, p.20). Estos contaminantes representan una doble amenaza para las tierras de cultivo, entiéndase por estas, los agroecosistemas, porque por un lado pueden generar daños de alta magnitud sobre las plantas, entorpeciendo su pleno desarrollo y crecimiento, lo que a su vez reduce directamente el rendimiento agronómico, llegando a ser inclusive, elementos absorbidos por los vegetales destinados al consumo, perjudicando de forma directa la salud de las personas que los ingieren, por ejemplo, problemas cardíacos por la ingestión de arsénico, enfermades pulmonares como la presencia de cadmio, afecciones en el riñón por el cromo, u otros padecimientos vinculados a dichos químicos, resultando nocivos para los ambientes agrícolas, tanto en la producción referida a la aplicación de abonos orgánicos como en lo que llega al consumidor final. Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 17 1.1.1 Fuentes Antropogénicas y Naturales de Contaminación por Cadmio (Cd), Plomo (Pb) y otros Metales Pesados Según Galán y Romero (2008) el suelo es un componente natural que sostiene la vida de las plantas y alberga numerosos microorganismos, siendo entonces crucial para la agricultura por su fertilidad, en vista de que es el medio principal que sostiene la biodiversidad y del cual las plantas obtienen los minerales necesarios para su crecimiento. Sin embargo, es frecuente (como se mencionó) encontrar contaminantes como los metales pesados, cuya presencia puede ser perjudicial, llegándose a considerar que hay contaminación cuando sus niveles superan significativamente lo habitual, y que, en consecuencia, afecta las características físicas, químicas y biológicas del suelo, generando riesgos tanto para la salud humana como para los ecosistemas, comprendiendo que: • Cadmio (Cd). Las principales causas de su aparición recaen en las actividades realizadas por el hombre, como la extracción y tratamiento de minerales, la producción de pigmentos y plásticos, así como la quema de residuos. Este metal pesado al ser consumido a través de alimentos contaminados, genera afectaciones en los riñones, pulmones y sistema cardiovascular, además de provocar problemas óseos o que impidan la reproducción. Igualmente, el Cadmio tiende a acumularse en las raíces de las plantas por absorción pasiva, hasta transportarse a través del xilema hacia sus hojas y frutos, siendo su acumulación influenciada por factores como el pH del suelo y las características específicas de cada planta. • Plomo (Pb). Suele ser absorbido por inhalación, ingestión y mediante la piel: 1) Al momento en que se inhalan determinadas partículas producidas por combustión de ciertos materiales; 2) Cuando se ingiere agua o alimentos contaminados previamente y NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 18 3) Ante una exposición directa a él. Una vez que esté en el organismo, se expande en diversos tejidos, órganos y huesos, acumulándose progresivamente. • Arsénico (As). Es un elemento no metálico que se encuentra adherido al suelo como consecuencia de las actividades mineras, las prácticas agrícolas intensivas y los procesos industriales, cuya exposición prolongada puede inducir cáncer en la piel, riñones, vejiga o pulmones, llegando inclusive a generar afecciones en el sistema nervioso central, pues el As suele acumularse en el organismo a lo largo del tiempo, incrementando el riesgo de desarrollar enfermedades. Sucede que, suele ser absorbido por las raíces y hojas de las plantas tanto pasiva o activamente, dependiendo de las condiciones ambientales, pero, una vez dentro se transporta mediante el xilema y floema hacia las partes superiores de la planta (Fowler et al., 2022). Por esta razón, la presencia inicial de Cadmio (Cd) y otros metales pesados en los suelos de cacao se debe a factores naturales intrínsecos a la geología de la región, respectivamente, en vista de que está presente en la roca madre o en el material parental del propio suelo, por tanto, es una fuente natural con altas concentraciones de metales pesados en el suelo (Reyes et al., 2016). En las actividades agrícolas, el Cadmio y el Plomo se introducen en el agroecosistema principalmente a través de la aplicación de fertilizantes inorgánicos fosfatados, lo cual ocurre porque la roca fosfórica utilizada para fabricarlos contiene dichos metales como impurezas naturales, cuya aplicación constante a lo largo del tiempo resulta en una acumulación significativa. 1.1.2 Dinámica y Biodisponibilidad de los Metales Pesados en el Suelo: pH, materia orgánica y textura. El sustrato destinado a la agricultura representa un componente esencial para la subsistencia de los seres vivos, toda vez que, su función trasciende de la mera provisión de recursos alimentarios, apoyando la Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 19 estructura de los ecosistemas y posicionándose como un hábitat para una miríada de organismos. La relevancia de dichos terrenos cultivables es extensa: 1) Son superficies que se constituyen como el cimiento de la actividad agraria, pues la productividad y el valor nutritivo de las cosechas están directamente ligados a su estado (Castañeda Méndez et al., 2025); 2) Es determinante para alcanzar cosechas abundantes, asegurando la perdurabilidad de los sistemas de suministro de alimentos; 3) Cumplen una función precisa en la garantía de la calidad de vida humana, al ser considerados un recurso irremplazable para el avance económico, social y ambiental; 4) Colaboran con la estabilidad intrínseca y con la riqueza de las especies, siendo fundamentales para los ecosistemas; 5) Los terrenos de cultivo contienen diversas especies microscópicas y vegetales que son vitales en los procesos biogeoquímicos del planeta propiamente, lo que a mayor escala, contribuye al mantenimiento de la armonía ecológica (Wu et al., 2024). De este modo, la dinámica de los metales pesados en la extensión agrícola es multifactorial, debido a que se encuentra afectada por características inherentes al suelo y naturalmente, por los factores del entorno la contaminación a la que el mismo se haya expuesto, de ahí que, diversas investigaciones pretendan destacar que las propiedades que el suelo ostenta no sólo influyen (de manera inmediata) en la acumulación de elementos químicos tóxicos, sino que también afectan (de manera indirecta) la movilidad y la biodisponibilidad de tales contaminantes, teniendo que tener en consideración ciertas relaciones como: a) MOS (Materia Orgánica del Suelo). Se observa una relación positiva y significativa entre la cantidad de materia orgánica del suelo y la concentración de metales pesados como el zinc y el cobre, lo cual se debe NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 20 a la notable capacidad que tiene la primera de retener estos elementos químicos, donde el uso de estiércol orgánico (fuente común de materia) también contribuye a la incorporación química y contaminante en el suelo. Principalmente, la MOS adsorbe y forma complejos o quelatos con los iones metálicos (como el cobre, plomo y zinc), lo que genera una reducción en su movilidad y en la biodisponibilidad para las plantas y organismos, disminuyendo de esta manera el riesgo de toxicidad (Wang et al., 2023). No obstante, la calidad y tipo de MOS es determinante, porque ciertas formas de materia orgánica, especialmente la fracción soluble (por ejemplo, los ácidos fúlvicos), pueden producir complejos organometálicos asequibles que, paradójicamente, aumentan la movilidad y dispersión de algunos metales en la solución del suelo, lo que, a su vez, podría incrementar la lixiviación o, al ser asimilados, la toxicidad biológica. Por lo tanto, la MOS actúa como un amortiguador clave que, dependiendo de su naturaleza y estado de descomposición, puede estabilizar los metales y reducir sus riesgos, así como también, favorecer en ciertos casos, su transporte y asimilación. b) pH. El nivel de acidez constituye un elemento determinante que incide en la configuración química y en el desplazamiento de los metales pesados dentro del sustrato: 1) En los ambientes de alto pH ciertos metales como el cadmio tienen la capacidad de disociarse de compuestos estables, incrementando su solubilidad y, consecuentemente, su disponibilidad 2) En cambio, el plomo en condiciones similares tiende a generar estructuras minerales que son resistentes a la disolución, lo que limita su capacidad de movimiento Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 21 3) Y, en suelos con carácter básico o alcalino, se observa un descenso en la absorción de elementos metálicos tóxicos por parte de las especies vegetales De manera general, la introducción de nanomateriales al suelo puede elevar el pH, y esta modificación en combinación con una mayor concentración de material orgánico, contribuye a mitigar la acumulación de contaminantes químicos en las prácticas agrícolas (Zhou et al., 2024). d) Textura del Suelo. La composición granulométrica del terreno constituye un factor crucial en la forma en que los metales pesados son retenidos y se desplazan en el medio edáfico, donde las fracciones sólidas de menor tamaño, específicamente las constituidas por arcilla, exhiben un área superficial determinada y considerablemente superior en comparación con las partículas de mayor dimensión, tales como las que componen la arena. Esta característica estructural dota a la arcilla de una capacidad de fijación o adsorción más elevada para los iones de metales pesados, en consecuencia, los suelos con un predominio de partículas finas suelen mostrar una movilidad y lixiviación reducida de estos elementos potencialmente tóxicos, actuando como un sistema de confinamiento más eficaz. (Liu et al., 2024). 1.1.3 Impacto Fisiológico y Sanitario de la Acumulación de Metales Pesados en el Cacao (Theobroma cacao L.). Una de las constantes actividades socio-económicas desarrolladas en las regiones del Perú es el cultivo del cacao, cuya composición en nutrientes es altamente rica en vitaminas, minerales, fibra y antioxidantes, entre los cuales se encuentran los polifenoles, la teobromina y el ácido genístico, lo que hace que sea considerado como un alimento que ofrece múltiples beneficios, pues sus componentes actúan como estimulantes para el sistema nervioso y el corazón, a la vez que posee propiedades NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 22 antinflamatorias y analgésicas. Esta planta de cacao absorbe metales pesados que se encuentran en la superficie y los concentra en las semillas, de ahí que, es posible mencionar que elementos químicos como el cadmio y el plomo se encuentran naturalmente en la corteza terrestre de la planta (como minerales); no obstante, al momento en que es ingerida por el hombre, se instaura un riesgo potencial para la salud humana. En vista de ello, el cadmio es el principal metal presente en el cultivo de cacao, entendido según Huang et al., (2014) como un elemento químico de alta toxicidad, capaz de impedir las funciones biológicas en los organismos vegetales, cuya presencia constante desencadena una serie de alteraciones en la morfología, arquitectura celular, fisiología y bioquímica de las plantas, donde diversos estudios han documentado la desestructuración de los cloroplastos, lo cual perjudica la eficiencia fotosintética, provoca cambios en la cantidad de granos dentro del fruto (almendra) y causa deformaciones en el núcleo de las células radiculares, lo que a su vez limita el desarrollo general, la asimilación de la luz y el intercambio gaseoso, además de reducir la concentración de pigmentos fotosintéticos (Charrupi y Martínez, 2017). De manera consecuente, Pérez (2020) ratifica que el cadmio impacta de manera doble, porque: 1) Reduce la cantidad de pigmentos cruciales como las clorofilas, afectando de manera indirecta el proceso lumínico. 2) Modifica la absorción y el transporte de elementos nutritivos esenciales, lo que afecta la funcionalidad de las enzimas. Esto se debe a que perturba la integridad de las membranas celulares y compite con iones vitales como el potasio, magnesio, cobre y zinc, ocasionando un severo desequilibrio nutricional, con graves repercusiones en el crecimiento y la producción de la planta, la cual también recibe afectaciones en el material genético, las estructuras florales y malformaciones en los embriones seminales. Entonces, puede afirmarse Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 23 que la acumulación del cadmio como metal contaminante se esparce por todo el tejido de cacao, comenzando por la raíz, tallo y hojas, hasta desembocar en las cáscaras y el grano (Mite et al., 2010). Conforme a ello, vale mencionar que la acumulación de metales pesados, particularmente el cadmio y el plomo, plantea un desafío complejo y extenso en las plantaciones peruanas de cacao, porque por una parte su acumulación dentro del tejido foliar y en el grano respectivo interfiere en la captación y transporte de los nutrientes esenciales, lo que genera un desbalance que afecta indirectamente el rendimiento agrícola y, por otro lado, genera un problema sanitario cuando dichos elementos químicos superan los límites máximos permisibles en los granos de cacao, comprometiendo la calidad de exportación y la seguridad alimentaria, pues la ingesta continua de cadmio en humanos a través de chocolate contaminado, está asociada con efectos perjudiciales para la salud, principalmente con un daño renal irreversible, fragilidad ósea y posible hepatotoxicidad a largo plazo, según expresan Meter y Laiberte (2019), siendo un riesgo que requiere de una gestión urgente en las zonas productoras del Perú, donde las concentraciones de metales pesados a menudo exceden los estándares internacionales. 1�2 Principios Fisicoquímicos de las Nanoburbujas Hacen referencia a las propiedades físicas y químicas excepcionales que poseen las burbujas diminutas, debido a su tamaño nanométrico y que procuran explicar su comportamiento único y su utilidad en diversas aplicaciones, por las propiedades distintas que permiten que asciendan rápidamente y por la intensa energía, lo que hace que libere radicales libres que son especies químicas reactivas capaces de oxidar y degradar contaminantes, patógenos y microorganismos. 1.2.1 Definición, Generación y Estabilidad de las Nanoburbujas de Aire Las nanoburbujas conforme a Criollo y Ochoa (2022) son minúsculas burbujas que albergan en su núcleo cuantiosas concentraciones NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 24 de oxígeno bajo presión, cuya dimensión métrica es submicrométrica, es decir, menor a 1μm y superior a la escala nanométrica, esto es, mayor a 1nm, lo cual permite establecerlas como entidades aproximadamente 2500 veces más reducidas que un simple cristal de sal, siendo dicha íntima magnitud la que les confiere la propiedad de permanecer en suspensión acuosa por períodos prolongados, aun cuando su función primordial en entornos líquidos sea elevar o aumentar la concentración de oxígeno disuelto en el agua. Su propósito se cimienta en dos mecanismos esenciales: 1) La oxigenación, que garantiza un suministro constante de oxígeno, actuando de forma efectiva en la neutralización de agentes contaminantes que se encuentren presentes en el agua y; 2) La oxidación, que hace referencia a la degradación de cualquier tipo de residuo hallado en el medio acuático, implicando, por tanto, la liberación de una alta densidad de radicales libres, cuya acción permite la erradicación de microorganismos. De esta manera, dentro del proceso de eliminación de contaminantes, la tensión interna ejercida por estas estructuras nanométricas supera exponencialmente la presión de oxígeno circulante en el medio externo; sin embargo, a pesar de ello, desarrollan una carga eléctrica superficial de naturaleza negativa, lo que las habilita para participar o inmiscuirse en múltiples interacciones intermoleculares gracias a su elevada capacidad para forjar nuevos puentes de hidrógeno, siendo un fenómeno que es conocido como fuerza de cohesión o atracción, donde las nanoburbujas tienden a agregarse en racimos, facilitando la adhesión de partículas contaminantes de diversa índole. Asimismo, muestran una particular afinidad por compuestos de carácter orgánico, tales como residuos de hidrocarburos, surfactantes, grasas y otros, lo que coadyuba al hecho de que una vez un conjunto suficiente de nanoburbujas se une a un contaminante, la densidad del agregado disminuye, promoviendo que la partícula se separe de la fase acuosa circulante, para que luego pueda ser retirada por medio de flotación o Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 25 filtración, siendo un método de separación y eliminación denominado cavitación por las propias funciones que cumple. Su producción requiere de un equipo especializado diseñado para crear un flujo concéntrico que introduce aire a una presión elevada, provocando la colisión de las burbujas macroscópicas convencionales, dando origen a las nanoburbujas (Criollo y Ochoa, 2022). De manera que, esta metodología les confiere una notable estabilidad una vez estén dispersas en el fluido, ralentizando significativamente su ascenso hacia la interfaz líquida, lo que garantiza un periodo de interacción continuo y prolongado con los agentes contaminantes sobre lo que se apliquen (Praveen et al., 2012), siendo una técnica que se distingue por su nula agresión al entorno donde se implementa, dado que su único insumo operativo es el agua, que una vez es efectuada posibilita que las intervenciones de mantenimiento se espacien en el tiempo. Al mismo tiempo, su naturaleza libre de sustancias químicas o disolventes asegura que no se provoquen daños en los materiales de tipo pétreo y evita la adición de contaminantes a las descargas líquidas residuales generadas durante el proceso de saneamiento (Pandit y Sripati, 2016), de lo cual se puede inferir entonces ciertas características que definen y categorizan dichas cavidades: • Su tamaño se mide en metros. • El área de contacto es superior a la de las burbujas comunes, lo que mejora la transferencia de oxígeno. • Es un purificador excepcional debido a la cantidad elevada de iones en su superficie de interacción entre gas y agua. • Posee una carga eléctrica negativa en su apartado externo. • Genera un efecto biológico activo y actúa como un absorbente físicoquímico. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 32 la degradación por microorganismos en la rizosfera (rizodegradación) y la liberación de contaminantes transformados a la atmósfera (fitovolatilización). Entonces, si bien no es un método de remediación considerado “convencional” en el sentido estricto de las tecnologías físicoquímicas, su amplio desarrollo, efectividad y el coste operativo la han convertido en una estrategia biotecnológica viable y prometedora para la rehabilitación de los suelos a gran escala, especialmente en zonas con contaminación leve o superficial, donde los tratamientos tradicionales resultan inasumibles o inviables. En cambio, las enmiendas químicas se establecen como una técnica de remediación que se clasifica dentro de los procesos de esta naturaleza, y que consiste en la incorporación de aditivos químicos al suelo contaminado, ya sea en el lugar o en suelo excavado, con el fin de inmovilizar, estabilizar o transformar los contaminantes en sustancias menos tóxicas o menos biodisponibles. El mecanismo principal es reducir la movilidad de los elementos dañinos como los metales pesados, mediante reacciones como la precipitación, adsorción o intercambio iónico, de ahí que las enmiendas más comunes incluyen materiales como la cal, yeso, fosfato o diversos materiales orgánicos e inorgánicos que alteran el pH o proporcionan superficies reactivas para que los contaminantes queden atrapados en la matriz del suelo, disminuyendo así el riesgo ambiental y para la salud (Bernal et al., 2007). Ya por último, otra técnica especialmente eficaz y rápida es el lavado de suelos, sobre todo en suelos contaminados con metales pesados, la cual puede aplicarse ex situ, ya que es un proceso que opera mediante la excavación del suelo y su posterior tratamiento en una unidad de lavado, donde se implementa un fluido de extracción como agua, soluciones alcalinas, ácidos o agentes complejantes junto con la agitación mecánica para disolver o separar los contaminantes de las partículas del suelo (Fundación Chile, 2019).. Es pues, un método que se basa en que la mayoría de los elementos se adhieren a la fracción más fina del suelo (como la arcilla y el limo), donde el lavado busca concentrar la Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 33 contaminación en un volumen mucho menor, donde el líquido restante debe ser tratado posteriormente para remover los contaminantes antes de su reintroducción al ciclo, reduciendo drásticamente la extensión de material que requiere un tratamiento o disposición final más costosa. 1.3.2 Tecnologías Emergentes y Sostenibles en la Remediación de Suelos Agrícolas Hablar de tecnologías emergentes y sostenibles en los suelos agrícolas centran su eje en el uso de procesos naturales para descontaminar y restaurar o remediar la salud del suelo de una forma que sea ecológica y rentable, desplazando en extensión los métodos físico-químicos tradicionales que son más costosos y agresivos. Dicho esto, las principales técnicas sostenibles se basan en la biología, utilizando seres vivos para así lograr tratar los contaminantes, siendo las dos más destacables la biorremediación y la fitorremediación (in supra), donde la primera emplea microorganismos que son capaces de descomponer contaminantes orgánicos en sustancias no tóxicas, lo cual puede llevarse o ejecutarse en el lugar contaminado o fuera de tal lugar, por ejemplo, en lechos biológicos; mientras que, la segunda utiliza plantas para sanear el suelo. Este último se trata entonces de un proceso que se materializa de una manera distinta dependiendo del tipo de elemento y especie vegetal considerado, incluyendo variantes que van desde la absorción y acumulación de metales pesados en tejidos aéreos, los cuales se cosechan y se eliminan de manera segura, hasta la inmovilización de los contaminantes en la zona de raíz, impidiendo que se dispersen a las aguas subterráneas o al aire, contribuyendo en su conjunto, a la conocido como la Agricultura Regenerativa. Además de técnicas biológicas, resalta la tecnología digital y la agricultura de precisión, que cumplen un rol emergente para la sostenibilidad, ya que el uso de sensores, drones y análisis de microbioma del suelo permite a los NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 34 agricultores identificar las zonas exactas de contaminación o degradación, siendo información detallada que facilita la aplicación y localiza los insumos biológicos o de los métodos de remediación, evitando la aplicación uniforme e innecesaria en todo el campo. Esto no solo optimiza los recursos y reduce los costos, sino que también previene la sobrecarga de químicos y el exceso de nutrientes en el ecosistema, cerrando el ciclo hacia una gestión del suelo más inteligente, eficiente y verdaderamente sostenible a largo plazo (Altieri y Nicholls, 2005). 1.3.3 Potencial de la Tecnología de Nanoburbujas como Estrategia Innovadora. Primeramente, se amerita comprender una correcta aprehensión del concepto de “Nanociencia” por vincularse directamente con el estudio de fenómenos y la manipulación de materiales a una escala nanométrica, es decir que, dentro de dicho estudio, se fomenta el desarrollo y la práctica de átomos y moléculas en una escala considerablemente menor, obteniendo, por tanto, propiedades que difieren de las que caracterizan a los materiales convencionales. Ahora bien, de allí surgen un vasto número de metodologías, ejecuciones y estructuras que adquieren trascendencia en el sector agrario y medioambiental, debido a su potencial para solventar problemáticas que, con productos a escala ordinaria, resultan sumamente onerosas y no siempre resuelven con la debida eficacia, exteriorizando su importancia ante las repercusiones o efectos que su utilización conlleva en determinados procesos o fenómenos. Así, en lo que respecta a la producción agrícola, el principio fundamental es minimizar las mermas y reducir las consecuencias adversas sobre los ecosistemas, causados por el empleo excesivo de insumos tales como fertilizantes y plaguicidas, lo cual se consigue con el empleo de nanopartículas, las cuales abarcan la generación de fertilizantes especializados, sustancias estimulantes del crecimiento y plaguicidas de acción sistémica. A su vez, esta nanotecnología posee utilidad como Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 35 una herramienta para la preservación ecológica, cuyo propósito es salvaguardar el entorno natural, ya sea mediante acciones de prevención, el saneamiento o la depuración de zonas afectadas por residuos nocivos (Karn et al., 2009). Dichos expertos determinaron que la aplicación in situ ofrece múltiples beneficios; puesto que, disminuye el gasto total y el tiempo requerido para higienizar lugares y suelos contaminados, permitiendo su implementación a escala extensiva, pues elimina la exigencia de procesar y disponer de la tierra afectada, logrando reducir las concentraciones de agentes contaminantes a niveles casi nulos. Estos procedimientos emplean nanomateriales con capacidad reactiva para la transformación y neutralización de las sustancias dañinas, favoreciendo la reducción química y facilitando la catálisis para la atenuación de los contaminantes, de ahí que las implementaciones ambientales de la nanotecnología se agrupan en tres categorías: 1) Productos sostenibles y ecológicamente inofensivos (química verde o evitación de la polución); 2) Rehabilitación de sustancias afectadas por elementos peligrosos y; 3) Dispositivos de detección para losagentes presentes en el medio ambiente. De esta forma, en la remediación de los suelos agrícolas cobra relevancia el término de “Nanoburbujas” por el hecho de que ofrece una estrategia innovadora que supera los simples métodos físico-químicos que tradicionalmente, han sido empleados, radicando su potencial en la capacidad que poseen de permanecer estables por un lapso de tiempo prolongado, lo que permite una transferencia de gases altamente eficiente en el suelo, pues significa que es posible inyectar estos agentes de manera más uniforme y profunda, facilitando la biodegradación de contaminantes orgánicos por microorganismos aeróbicos o la oxidación química de sustancias tóxicas como los metales pesados. La baja flotabilidad y la alta NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 36 área superficial de las nanoburbujas aseguran una reactividad constante y un impacto ambiental mínimo, ya que el proceso puede optimizarse para ser más rápido, y menos disruptivo que las técnicas de excavación o lavado, promoviendo una agricultura más sostenible y resistente (Karn et al., 2009). Puede asegurarse así, que la implementación de este tipo de tecnología en los cultivos no es sólo una solución técnica, sino un cambio de paradigma hacia la ingeniería de precisión ambiental, invitando a una consideración más completa y extensa sobre cómo optimizar la interacción entre el gas y la matriz del suelo, mejorando la calidad química este al mismo tiempo que aumenta la calidad de la salud biológica y su respectiva estructura, debido a que, la provisión de oxígeno de manera eficaz, revitaliza la microbiota nativa que es esencial para la fertilidad a largo plazo, lo que al final se termina por alinear con los principios de la economía circular y la sostenibilidad, ofreciendo un método limpio y de bajo consumo energético para recuperar terrenos degradados, garantizando la seguridad alimentaria y la protección de los recursos hídricos subterráneos, subrayando entonces, la importancia de la nanociencia para abordar desafíos microscópicos como la degradación del suelo a escala global. 37 CAPÍTULO II MECANISMOS DE ACCIÓN DE LAS NANOBURBUJAS DE AIRE EN LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CACAOTEROS La tecnología de las nanoburbujas constituye una estrategia eficaz, económica y natural para optimizar la calidad del suelo al disminuir o reducir su compactación, lo que facilita notablemente la penetración del agua de riego y proporciona una respuesta inmediata y duradera al problema de la sanidad. Gracias a la súper oxigenación y a las características químicas y físicas singulares de esta materia, junto al agua tratada que también potencia la salud del suelo, incrementa la disponibilidad de nutrientes para las plantas y mejora la capacidad de las raíces para absorber dichos nutrientes, siendo necesario profundizar en los componentes que interactúan en la acción que ejecutan. 2�1 Movilización y Extracción de Metales Pesados En vista de ello, múltiples estudios han evidenciado que, a lo largo del beneficio del cacao (el conjunto de operaciones que se realizan después de la cosecha), las propiedades físico-químicas del grano experimentan modificaciones, siendo variaciones que dependen del tipo de recipiente utilizado para la fermentación y la duración del secado, factores que tienen el potencial de alterar la concentración de los metales, afectando así la calidad y la seguridad alimentaria del producto final (Ghosh y Ramakrishna, 2009). Dentro de este largo proceso, opera un ciclo donde primero ocurre NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 38 la movilización que es el paso del metal de su estado sólido en el suelo a la solución acuosa, proceso que es potenciado por condiciones de baja acidez y la presencia de materia orgánica o agentes quelantes; una vez solubles, los metales pueden extraídos del suelo de diversas formas: con el lavado de agua o soluciones químicas; por la absorción y concentración por plantas hiperacumuladores o por la extracción física directa que implica la remoción y disposición del suelo contaminado. 2.1.1 Desorción de Metales Pesados de las Partículas del Suelo Inducida por Nanoburbujas. La desorción de metales pesados en palabras de Ceglowski y Schroeder (2015) refiere a la liberación que resulta ser intencional de iones metálicos que previamente han sido absorbidos (capturados o retenidos) en la superficie de un material sólido, de vuelta a una solución líquida, constituyéndose como el paso inverso de la absorción que se lleva a cabo para consumar dos objetivos principales: Regenerar y reutilizar el material absorbente, haciéndolo económicamente viable en lo que respecta a tratamientos en un periodo de tiempo prolongado y; para obtener una solución concentrada de los metales, facilitando su posterior recuperación en los casos en los que sí tiene valor o su tratamiento y disposición final como residuo concentrado. Generalmente la desorción se logra típicamente al modificar las condiciones del medio, exponiendo el material cargado a un agente desorbente, que suele ser una solución ácida que rompe los enlaces entre el metal y el absorbente, desplazando los metales a una fase líquida (Fomina y Gadd, 2014). En este procedimiento las nanoburbujas representan una tecnología prometedora para la remediación de suelos contaminados con metales pesados, toda vez que, como burbujas gaseosas exhiben una estabilidad excepcional en el agua debido a su alta presión interna y su carga superficial negativa, pues al inyectarse en el agua intersticial del suelo, las nanoburbujas facilitan la liberación de los iones metálicos que se Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 39 encuentran fuertemente unidos a la matriz sólida, lo que se logra a través de mecanismos, incluyendo la agitación física y la generación de microcorrientes que aumentan el contacto y la eficiencia de lavado entre el fluido y las partículas contaminadas (Ceglowski y Schroeder, 2015). De este modo, la efectividad de la etapa de desorción depende significativamente del tipo de gas utilizado para generar nanoburbujas, ya que es esto lo que influye en los componentes físico-químicos del medio, por ejemplo, se ha observado que aquellas que están definidas por aire son más eficientes en la liberación de metales como el plomo, a diferencia de las de hidrógeno al modificar el pH y el potencial de óxido reducción en el agua del poro. Conforme a ello, la alteración de estas propiedades es determinante, porque la solubilidad y la especiación de los metales pesados son sensibles en grandes cantidades a estos parámetros, entonces, al cambiar la forma química de los metales absorbidos, las nanoburbujas de gases reactivos facilitan su paso de la fase sólida (partículas del suelo) a la fase líquida (agua del poro), convirtiéndolos accesibles para su posterior extracción o tratamiento, según lo expresa Pintado (2018). En términos de su aplicación de en la remediación, es una tecnología que ha sido evaluada a través de pruebas de columna de suelo, donde se simula el flujo de agua mediante la superficie contaminada, validando que la inyección de agua con nanoburbujas promueve un aumento considerable en la liberación de metales como el zinc, plomo o cadmio al lixiviado, siendo un fenómeno que no solo se atribuye a los cambios químicos inducidos, sino también a la capacidad que tienen para generar un proceso de fluidización parcial y abrir los poros, donde se mejora la permeabilidad y el transporte de los contaminantes liberados, ofreciendo por tanto, un método de lavado de suelos más rápido y eficiente, permitiendo la movilización y remoción efectiva de metales pesados para mitigar su riesgo ambiental y su ingreso a la cadena nutritiva. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 40 2.1.2 Formación de Complejos Metálicos y su Transporte en la Solución del Suelo. Las sustancias de coordinación, también denominadas complejos, se caracterizan por poseer un átomo o un ion metálico central al cual se encuentran enlazados diversos aniones o moléculas sin carga eléctrica que lo rodean, a los cuales se les da el nombre de ligantes y, es a partir de esta asociación molecular que puede originarse una entidad química con carga eléctrica (ion complejo), siendo posible que sea estabilizada a nivel de carga mediante la interacción de iones de carga opuesta, conocidos como contraiones; por ejemplo, la combinación de un metal con los ligantes produce un ion complejo, el cual se puede neutralizar con dos contraiones de otro elemento químico no metálico. A razón de ello, debe entenderse por un complejo una especie química singular, la cual exhibe propiedades tanto físicas como químicas inherentes, diferentes de los que posee el ion metálico y los ligantes que lo constituyen de forma individual, siendo una generación capaz de modificar significativamente otras características del ion metálico, tales como su potencial de oxidación o reducción (Santos Ruiz, 1959). En la solución del suelo, Gracia y Snodgrass (2007) manifiestan que la formación de complejos metálicos se establece como un proceso químico indispensable para la movilidad y la biodisponibilidad de los elementos, cuyo fundamento radica en la capacidad de los iones metálicos como el cobre (Cu2+), el zinc (Zn2+) o el hierro (Fe3+), de relacionarse electrostática o covalentemente con los ligandos, que son moléculas o iones con pares de electrones no compartidos, y que pueden tener una naturaleza orgánica (como aminoácidos) o inorgánica (como el cloruro); la estructura del complejo resultante, que a menudo es más soluble y menos reactivo que el ion metálico libre, es dependiente de factores como el pH, la fuerza iónica, la naturaleza metálica y el ligando involucrados, en aras de regular la toxicidad y la nutrición vegetal al modular la concentración del metal libre. Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 41 Por esta razón, el transporte de estos complejos metálicos mediante la solución del suelo está intrínsecamente vinculado a su estabilidad y solubilidad, las cuales son de mayor intensidad que las de los iones metálicos simples, especialmente el pH neutro o alcalino donde la precipitación de hidróxidos o carbonatos es termodinámicamente favorable. Entonces, el complejo interacciona como una unidad de transporte que evita la adsorción o precipitación del metal, permitiendo su movimiento por flujo de masas y difusión hacia la superficie de las raíces o capas más profundas del suelo, donde los ligandos orgánicos de bajo peso molecular resultan eficaces en este proceso debido a su alta solubilidad y la fuerte estabilidad que los conforman, pues desde una perspectiva estructural, se encuentra compuesto por un átomo central que es el metal, rodeado por un número definido de ligandos en una geometría específica, determinada por el número de coordinación, donde la unión se constituye mediante un enlace de coherencia en el que el ligando dona el par de electrones al orbital vacío del metal (Sparks, 2003). La eficiencia en el transporte está unida a la carga neta y el tamaño del complejo, porque aquellos que son neutros o aniónicos pequeños suelen tener una movilidad mayor que los catiónicos o las formas absorbidas, puesto que, este equilibrio dinámico entre el metal libre, el acomplejado y el precipitado es el que rige la cantidad disponible de mental para ser lixiviado o absorbido por la biota, siendo los procesos de absorción – desorción en la matriz del suelo y la degradación microbiana de los ligados elementos determinantes en el proceso. De manera que, el fundamento químico de la complejación se sustenta en la minimización de la energía libre del sistema al formar un enlace más estable, asegurando que componentes esenciales permanezcan accesibles para las plantas, incluso en suelos o superficies con mayor capacidad de fijación, siendo un estudio crucial en la agronomía y remediación ambiental poque permite predecir la toxicidad de metales pesados o, en su defecto, ayuda a corregir las deficiencias nutricionales, utilizando agentes quelantes sintéticos o promoviendo la producción natural de sideróforos NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 48 orgánica, lo cual se debe a que se incorpora al sistema en un estado químico reducido a través de los aportes de biomasa y necromasa, donde el metabolismo del propio suelo tiende a oxidar esta materia mediante la intervención de otros elementos que, al reaccionar, pasan a formas más reducidas; en contraparte, es el oxígeno el agente oxidante primerio. Dentro de este espectro de reacciones, una gran variedad de componentes estructurales del suelo posee la capacidad intrínseca de oxidarse o reducirse (fenómeno conocido como carga variable), siendo una dualidad donde cobra relevancia directa el entorno predominante en el medio edáfico, porque una ventilación adecuada promueve la oxidación, mientras que, la saturación hídrica o hidromorfia conduce a la escasez de oxígeno, generando un ambiente químico reductor. Así, el potencial de óxidoreducción es un factor determinante para aquellos elementos que pueden existir en la matriz del suelo con dos o más estados de oxidación, como son el oxígeno, carbono, nitrógeno, azufre, hierro y cobre, donde las condiciones del redox son de importancia en los procesos de meteorización o transformación de los minerales que se encuentran presentes en el suelos o en las rocas de origen, lo que hace que incidan de manera directa tanto en la clasificación y génesis de los tipos de suelo, como en la actividad biológica que se desarrolla en ellos (Ibáñez, 2008). Asimismo, estas condiciones tienen un efecto significativo sobre la fertilidad del suelo, ya que regulan la biodisponibilidad de múltiples nutrientes esenciales para el desarrollo vegetal, frecuentemente a través de la modificación del pH, pues es el contexto en donde el color del suelo sirve como un indicador visual fiable de su potencial redox. Por otra parte, la oxidación de la materia orgánica en ausencia de ambientes reductores resulta finalmente en la descomposición de estos compuestos en dióxido de carbono (CO2) y agua (H20); no obstante, si el entorno es anóxico (carente de oxígeno), este proceso de degradación puede culminar con la liberación de gas metano (CH4) a la atmósfera. Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 49 En la práctica agrícola, su impacto directo recae sobre la disponibilidad de nutrientes y en la actividad microbiana, ya que, el pH regula la solubilidad de minerales determinantes, por ejemplo, muchos micronutrientes metálicos son menos disponibles en suelos alcalinos, mientras que, el aluminio puede ser tóxico en ciertos suelos ácidos, entonces, modificar el pH usando cal para subirlo optimiza la asimilación de elementos. Por su parte, el ORP mide la capacidad del suelo para oxidar o reducir sustancias, afectando además de la forma química, la movilidad de elementos como el nitrógeno o el hierro, determinando las condiciones de aireación o anegamiento, de ahí que, un manejo adecuado de ambos parámetros ayude a fomentar un ambiente de suelo saludable que maximice la eficiencia de los fertilizantes y el crecimiento de los cultivos (Ibáñez, 2008). 2.2.3 Impacto en la Comunidad Microbiana del Suelo y su Rol en la Biogeoquímica de los Metales. a) Las nanoburbujas generan en la comunidad microbiana un impacto que se define por el simple aumento significativo del oxígeno disuelto en el agua de riego, que puede llegar a posicionarse en concentraciones más altas que la saturación normal, siendo un ambiente que favorece a los microorganismos aeróbicos beneficiosos, por ejemplo, los encargados de la descomposición de la materia orgánica y la fijación de nitrógeno, promoviendo su crecimiento y la actividad metabólica (Moleaer, 2023). b) La carga superficial negativa de las NB y su capacidad para reducir la tensión superficial del agua mejoran la infiltración y aireación del suelo, lo que indirectamente genera beneficios en la biota microbiana al minimizar las condiciones de anoxia y compactación, lo que, a su vez, potencia la biodiversidad y la funcionalidad ecosistémica del suelo. c) En el área de la biogeoquímica de los metales, el incremento del ORP y la superoxigenación que es inducida por las NB adquieren un papel dual, especialmente en la movilización o no de metales pesados NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 50 y nutrientes, debido a que, la alta disponibilidad de oxígeno puede incrementar la oxidación de metales como el hierro y el manganeso, lo que suele derivar en su precipitación e inmovilización, reduciendo así su biodisponibilidad y toxicidad. Sin embargo, la alteración del entorno puede afectar en los ciclos del azufre, donde inciden en la formación y disolución de sulfuros metálicos, siendo cambios que están mediados por las interacciones entre los metales y los productos de la actividad microbiana aeróbica. d) Otro mecanismo sobre la comunidad microbiana involucra la generación de radicales libres cuando las NB colapsan debido a la diferencia de presión interna, y que al ser agentes oxidantes potentes, producen un efecto directo en la lisis celular de patógenos y el control de organismos indeseados como algas y hongos, lo que contribuye a la sanidad del suelo y las raíces, modulando la composición de la comunidad microbiana, ofreciendo una alternativa a los agroquímicos promoviendo un equilibrio microbiano más saludable para el crecimiento vegetal. e) La relación entre las NB, los microorganismos y los metales es compleja y aún sigue siendo objeto de estudio, no obstante, es determinante para la biorremediación de suelos contaminados y la optimización de la nutrición vegetal, por ejemplo, al favorecer los microorganismos que bioestimulan la disponibilidad de nutrientes como la movilidad iónica mejorada por la carga negativa de las NB, se aumenta la captación de macro y micronutrientes por las plantas. f) En el caso de contaminantes metálicos, la oxidación mediada por las NB y/o microorganismos puede cambiar o modificar formas tóxicas en especies menos reactivas, primeramente, es necesario comprender una correcta interacción sinérgica de las mismas con enmiendas orgánicas y otras sustancias específicas puede maximizar la eficacia en la remediación y en la productividad agrícola, asentando los fundamentos para las tecnologías futuras en la agronomía y claro está, en la gestión ambiental (Moleaer, 2023). Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 51 2�3 Interacción Nanoburbuja-planta: Implicaciones para el Cacao Tal como se mencionó anteriormente, la relación que existe entre las nanoburbujas y el cacao se centra en la aplicación de la primera como una tecnología agrícola innovadora dentro de los sistemas de fertirrigación, debido a que, estas son introducidas en el agua de riego, logrando una mejor disolución y transferencia de oxígeno y nutrientes hacia las raíces de planta, optimizando su absorción, lo que permite que la productividad del cultivo incremente, mitigando la incidencia de enfermedades, obteniendo plantas de cacao más sanas y eficientes. 2.3.1. Mejora de la Oxigenación en la Zona Radicular y su Efecto en la Sanidad de la Raíz. La presencia de oxígeno en el sustrato de crecimiento es determinante para la orientación de las raíces y su condición metabólica, resaltando entre ello, el fenómeno conocido como “Oxitropismo” que faculta a las raíces para evitar áreas del medio del cultivo con baja concentración de gas, constituyéndose esta respuesta fisiológica como un mecanismo para mitigar la competencia que existe entre las mismas por recursos vitales como el agua, nutrientes y el propio oxígeno (Porterfield y Musgrave, 1998). La disponibilidad adecuada de oxígeno es esencial para el desarrollo de las plantas, siendo un elemento imprescindible en múltiples procesos metabólicos, que incluye el procesamiento de carbohidratos, la fijación de nitrógeno mediante simbiosis, la conservación del gradiente de protones y la asimilación de nutrientes por las raíces (para mencionar algunas). Lo que deriva de esta disponibilidad se manifiesta o exterioriza de manera inmediata en el crecimiento de la raíz y del vástago, llegando a afectar, por ejemplo, la progresión general de la planta (Morard et al., 2000). NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 52 De manera que, la respiración vegetal se posiciona como un proceso oxidativo que está regulado por diversas formas metabólicas, cuyo propósito versa en la prevención de escenarios de insuficiencia energética, incluso bajo condiciones de hipoxia (que es cuando existe carencia de oxígeno en los tejidos de la planta), pues es habitual que se presente ausencia de oxígeno en la rizosfera, lo que se debe a un alto ritmo de respiración radicular provocado por temperaturas elevadas, a una aireación deficiente del medio de cultivo o a una simple gestión de riego inadecuada (Carazo et al., 2015). Ahora bien, el proceso respiratorio de las raíces cuando se llega a cabo en condiciones aeróbicas, exige necesariamente un suministro constante de oxígeno hacia la rizosfera, cuya intensidad está determinada por factores como la temperatura ambiental, la concentración salina, la presencia de metales pesados, la tensión hídrica y el nivel de saturación del espacio poroso (Liao y Lin, 2001). Sin embargo, debe destacarse que el elemento más directamente relacionado con la respiración es la disponibilidad el O2, porque es el gas que posibilita o impide (según el caso) el desarrollo del proceso, erigiéndose como un factor limitante indispensable tanto en suelos naturales, como en sustratos artificiales, pues una escasez del mismo puede provocar que las plantas presenten una disminución en la captación de agua, pueden demostrar síntomas de marchitamiento o pueden experimentar una reducción en la conductancia estomática. Estos efectos evidentemente se traducen en otras connotaciones negativas como un crecimiento lento y una merma en la productividad, incluso el deterioro y la necrosis padecidas por plantas, son atribuidas a la privación de O2 en el sistema radicular (Boru et al., 2003). Se destaca así, que el oxígeno desempeña un papel central debido a su participación en el metabolismo energético a través de la respiración en las vías del metabolismo del nitrógeno y como reactivo en las reacciones de desaturación de ácidos grasos y en la biosíntesis de fitohormonas esenciales como el etileno, el ácido abscísico y las giberelinas (Van y Licausi, 2015). Por el contrario, un bajo tenor de O2 incrementa la vulnerabilidad de la planta a las infecciones por agentes patógenos, lo cual ocurre porque Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 53 las esporas son estimuladas por los exudados liberados en la rizosfera, promoviendo entonces, la formación de las estructuras de infección. No obstante, para Lui et al., (2020) al introducir agua enriquecida con nanoburbujas de oxígeno se logra aumentar la concentración de oxígeno disuelto de forma estable y uniforme en la zona de la raíz, porque un suministro más alto y consistente es crucial para la respiración radicular, siendo un proceso metabólico que impulsa la absorción de nutrientes y agua, asegurando que haya un crecimiento más vigoroso y una mayor biomasa. Lo último ocasiona un efecto profundo en la sanidad de la planta al mitigar condiciones de estrés hídrico o anoxia, porque el oxígeno adicional disponible más allá de estimular el desarrollo de raíces más fuertes y densas, también se posiciona como una defensa biológica, donde en entornos con baja concentración de O2, las raíces se vuelven susceptibles a la proliferación de patógenos anaeróbicos o facultativos. Al mantener niveles óptimos de OD en la rizosfera, las nanoburbujas crean un ambiente menos favorable para estos organismos dañinos, reduciendo significativamente la incidencia de enfermedades radiculares, manteniéndose como un control pasivo respecto a los patógenos, porque disminuye la necesidad de fungicidas químicos, impulsando sistemas de cultivo más sostenibles, donde claramente exista una salud vegetal intrínseca. En resumen, esta nueva tecnología mejora la sanidad radicular a través de oxigenación superior y persistente en la rizosfera, llegando a optimizar las funciones metabólicas de planta, lo que se traduce en una mejor absorción de nutrientes y un crecimiento robusto, actuando a su vez, como una estrategia preventiva al fortalecer la defensa natural de la raíz, lo que dificulta la colonización por agentes dañinos, promoviendo entonces, un mayor rendimiento y calidad de los cultivos al aprovechar el oxígeno como un agente determinante para el bienestar vegetal. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 54 2.3.2 Reducción de la Fitoextracción de Metales Pesados por la Planta de Cacao. Desde un punto de vista general, la fitoextracción constituye una metodología tecnológica que se basa en la utilización de vegetales con capacidad de acumular tanto sustancias tóxicas como compuestos orgánicos, manteniendo como objetivo primordial la remoción de dichas sustancias del medio edáfico al ser absorbidas y concentradas en las porciones de la planta que pueden ser cosechadas (Carpena y Bernal, 2007). Este mecanismo se articula a partir de componentes fisiológicos intrínsecos de la planta, los cuales le confieren la función de un agente extractivo, y es justo en el proceso de fotosíntesis donde la planta consigue captar los elementos metálicos presentes en el suelo a través de su sistema radicular para, posteriormente, almacenarlos en su biomasa aérea. Figura 1 Proceso General de Fitoextracción Nota: Tomado de Volke et al. (2025). Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 55 Ahora, entre los grupos vegetales que presentan una mayor idoneidad para esta aplicación, se destacan las especies metalófitas, que son entendidas como plantas que poseen una alta tolerancia a concentraciones elevadas de metales y que, además, prosperan de forma natural en tales entornos. Específicamente, en lo que respecta a la extradición de metales, los pastos (gramíneas) se catalogan como el género más apropiado para la fitorremediación de contaminantes, tanto en sus formas orgánicas como inorgánicas, cuya preferencia se justifica debido a su patrón de crecimiento y su notable adaptabilidad a una diversidad de condiciones climáticas y suelo (edáficas). Por esta razón, debe conceptualizarse como una estrategia de saneamiento de carácter prolongado que, potencialmente demandará la ejecución de múltiples ciclos de cultivo sucesivos para lograr una reducción de la concentración de contaminantes hasta umbrales considerados aceptables, donde la extensión temporal requerida es directamente dependiente de variables clave como la naturaleza y concentración del agente contaminante, la duración del ciclo vegetativo y, la eficacia de remoción inherente a la especie vegetal seleccionada (Volke et al., 2005), los cuales son tomados en cuenta no sólo en ola fitoextracción, sino también en los otros mecanismos con los cuales se involucra y trabaja conjuntamente (rizodegradación; fitodegradación y la fitoestabilización). En el contexto del cultivo de cacao, para Casteblanco (2018) esta reducción de la fitoextracción hace referencia a las estrategias agronómicas y de postcosecha que están direccionadas a disminuir la absorción y acumulación de metales pesados, principalmente el cadmio, lo cual va desde el suelo hasta las semillas del grano de cacao, siendo un mental que se encuentra presente de forma natural o por contaminación antropológica de la planta que al situarse en las hojas y acumularse en las almendras, representa un riesgo para la salud de las personas. Por ello, dicha técnica de reducción (junto a las otras) pretende limitar la biodisponibilidad del cadmio en la rizosfera o sencillamente, bloquear su traslocación dentro de la planta, NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 56 pues el cacao no es un fitoextractor eficiente en el sentido de limpiar el suelo, sino que por lo contrario, acumula el mental en su parte comestible. Esto se logra mediante prácticas como la aplicación de enmiendas al suelo que aumentan el pH, lo que inmoviliza los elementos metálicos contaminantes hasta el punto de reducir su solubilidad o, en caso tal, se puede lograr mediante el manejo de la genética seleccionando clones de cacao que exhiben una menor capacidad natural de absorción y traslocación del metal a la semilla. Además, existen otras técnicas de mitigación que se enfocan en la fitorremediación asistida, donde se implementan otras especies de plantas conocidas como hipercumuladoras cultivadas junto al cacao, las cuales sí están diseñadas para la fitoextracción porque absorben grandes cantidades de cadmio y lo almacenen en su biomasa foliar y radical, que luego es removida del campo, lo que reduce el contenido total del metal en el suelo disponible para el cacao, procurando asegurar la inocuidad del chocolate y garantizando la sostenibilidad económica de los productores. Tabla 1 Ventajas y Desventajas de la Fitoextracción de Metales Pesados en la Agricultura Ventajas Desventajas Suele ser más económica que los métodos físico-químicos tradicionales Requiere de un período de tiempo extenso que depende del ciclo de crecimiento de las plantas Método sostenible que no implementa en su configuración químicos tóxicos, por lo tanto, no altera la estructura ni la fertilidad del suelo significativamente, generando una menor perturbación en el sitio Sólo es efectiva hasta la profundidad a la que llegan las raíces de la planta en cuestión Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 57 2.3.3 Evaluación de la Respuesta Fisiológica y Bioquímica del Cacao al Tratamiento: Actualmente, el estudio que existe respecto al tema de la nanotecnología versa en una investigación que se enfoca en la aplicación de nanoburbujas en el sistema de fertirrigación, relativamente reciente para el clon del cacao CCN-51 en condiciones de campo. La aplicación de nanoburbujas en el sistema de riego busca optimizar la absorción de nutrientes y la oxigenación en la zona radicular del cacao, aunque el estudio se centra en parámetros agronómicos y nutricionales, los mismos se vinculan de manera directa con la respuesta fisiológica y bioquímica de la planta (Cruz et al., 2021), donde la metodología en cuestión utiliza la Ventajas Desventajas Permite tratar la contaminación en el propio sitio, evitando costos y riesgos de transporte de suelo contaminado. Es más efectiva para contaminantes con concentraciones bajas o moderadas, ya que un nivel alto de concentración de metales puede dificultar su remoción La vegetación colabora en la reducción de la erosión del suelo y permite estabiliza los metales pesados en la zona de las raíces Después de producirse la cosecha, la biomasa vegetal contaminada debe ser manipulada y tratada, lo cual puede ser un gran desafío La biomasa cosechada en algunos casos puede ser utilizada para la producción de bioenergía Puede aumentar la solubilidad y movilidad de ciertos contaminantes, aumentando el riesgo de migración Nota: Elaboración propia NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 64 En cuanto a las metodologías que instan a la aplicación de las nanoburbujas en las parcelas de cacao una vez generadas, la aplicación principal de las mismas se da a través del sistema de riego, donde a menudo combinado con la fertilización posee en principio el nombre de “nano fertirrigación”, compuesta por dos etapas: 1) Nano Fertirrigación: Es el método de aplicación más común, donde el equipo generador de nanoburbujas se instala en el sistema de riego cerca del punto de inyección del agua o en el cabezal de riego para que el generador infunda el agua con millones de pequeñas nanoburbujas Metodología Principio Físico Esencial Mecanismo de Fragmentación Ventaja Operacional Clave Mezclador Estático Turbulencia y mezcla de alta velocidad Cizallamiento hidráulico y división del flujo al pasar por elementos fijos Requiere bajo mantenimiento, porque no tiene partes móviles Electrólisis Reacción Electroquímica Nucleación de gases (Ejem: O2, H2) directamente en la superficie del electrodo Método libre de compresión de gas con aplicación comprobada en fertirrigación de cacao Ultrasonido Cavitación Acústica Colapso violento de microcavidades de gas inducido por ondas supersónicas Puede generar especies reactivas de oxígeno adicionales Nota: Elaboración propia Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 65 de oxígeno que también pueden transportar nutrientes disueltos si en el proceso de riego se usa de la fertirigacción para enriquecer las propiedades del agua. El agua con nanoburbujas, en este caso, se distribuye a las parcelas de cacao a través de un sistema de riego que típicamente se da por medio del riego por goteo o bien, por microaspersión, lo que asegura la entrega directa a la zona radicular (raíces) de las plantas de cacao, donde al ser las nanoburbujas estables y pequeñas, penetran con facilidad el suelo incrementando el OD en la zona de las raíces, siendo crucial para un árbol como el de cacao (Theobroma Cacao) que es sensible a la falta de aireación en suelos pesados o mal drenados (Lahmod y Altaee, 2021). 2) Aplicación para la Purificación de Agua: Antes de la distribución al campo, las nanoburbujas son inyectadas en embalses o balsas de riego para purificar el agua reduciendo la presencia de microorganismos y patógenos en el agua, protegiendo tanto la salud de la planta como la integridad del sistema de riegos, reduciendo los tapones que se puedan generar en los goteros. 3.1.2 Parámetros Operacionales: Frecuencia de aplicación, dosis y monitoreo. La optimización del proceso de aplicación de nanoburbujas en parcelas de cacao y la remediación del suelo depende de un control riguroso de parámetros operacionales que son clave para su proceso, como ocurre con la dosis empleada, que se traduce en la concentración de oxígeno disuelto aplicado al suelo, la frecuencia de aplicación y el monitoreo de sus efectos; dado que el cacao es un cultivo perenne sensible a la falta de oxígeno radicular, estos parámetros deben poder ajustarse a las necesidades que requiera el cultivo y las condiciones del suelo donde es sembrado, por lo que, los parámetros operacionales en cuanto a la frecuencia, dosis o monitoreo no son universales para todas las plantaciones, sino que se ajustan a la función del tipo de suelo y al objetivo de la producción. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 66 La aplicación de nanoburbujas en los cultivos de cacao está íntimamente ligados al calendario de riego y fertirrigación de la plantación, dado que, como el cacao es una planta que requiere de constante humedad, especialmente en los meses más secos del año, la aplicación tiende a ser muy regular, por lo que, en estos casos el método más eficiente es integrar el generador de nanoburbujas en el sistema de riego por goteo, que normalmente es el que se prefiere en las siembras de cacao. La frecuencia de aplicación es, por lo general, la misma que la del riego necesario para el cultivo dependiendo de las condiciones de humedad del suelo, no obstante, en estudios de nano fertirrigación en cacao, se ha aplicado el agua tratada con nanoburbujas en la misma frecuencia que el abono para optimizar la absorción de nutrientes y el desarrollo de la mazorca (Jun-Lei et al., 2023). Por otro lado, la dosis aplicada a las burbujas no se mide respecto al volumen líquido inyectado sino en la saturación de gas en el agua y el tiempo de exposición que como se ha hecho mención antes, normalmente el gas que se utiliza para el cacao en estos casos suele ser oxígeno (O2) para crear condiciones aeróbicas óptimas en la zona radicular; esta dosificación es definida también por la capacidad del equipo generado en la saturación del agua, donde el principal objetivo es incrementa u optimizar los niveles de Oxígeno Disuelto (OD) en el agua de riego, llevándolos más allá de los niveles de saturación que naturalmente tiene, puesto que, un alto OD suele ser clave para que las raíces prosperen y aumenten en producción de energía (ATP), así como en el transporte de nutrientes, donde la alta eficiencia de las nanoburbujas en la entrega de nutrientes permite un parámetro de dosificación indirecto producido por la reacción en la cantidad de fertilizante requerido, comprendiendo que, la nanotecnología puede permitir la reducción de fertilizantes sin sacrificar el rendimiento (Medina, 2024). Asimismo, el efecto de la dosis puede amplificarse gracias a las propiedades físico-químicas de las nanoburbujas en uso de mecanismos de acción como los siguientes: Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 67 • La sanidad vegetal: Cuando se usan gases como oxígeno u ozono, las nanoburbujas suelen generar radicales libres, como compuestos oxidantes que actúan directamente en el agua de riego y el suelo, ayudando a destruir virus, parásitos y bacterias que causan enfermedades en las plantaciones de cacao. • Física del suelo: Al modificar la tensión superficial del agua, las nanoburbujas facilitan que el agua se mueva mucho mejor a través del suelo, por lo que, este cambio físico resulta en una mayor infiltración y contribuye significativamente a disminuir la compactación. En el caso del proceso del monitoreo, este no solo se verifica con el funcionamiento del equipo, sino por la respuesta del cultivo y del suelo a la intervención con nanoburbujas, validando la inversión dispuesta para esta tecnología (Jun-Lei et al., 2023), por lo que, en lo que respecta al monitoreo en la calidad del agua que, por supuesto, está directamente ligado con la actividad operacional del sistema de generación y aplicación de nanoburbujas, este se mide típicamente en el agua justo después del generado y antes de que llegue a la planta, siendo parte de sus mediciones más importantes: a) Los niveles de Oxígeno Disuelto (OD), para confirmar que el generador está funcionando y que se está entregando la dosis de gas adecuada. b) El Potencial de Óxido-Reducción (ORP), donde un aumento de estos niveles puede indicar un ambiente más oxidativo en el agua y la zona radicular, lo que se relaciona con la mitigación de patógenos anaeróbicos y la degradación de biofilm en el sistema de riesgo. c) El diámetro y concentración de nanoburbujas, y por último, que, aunque es más técnico se pueden aun así utilizar equipos especializados para verificar que se están generando las nanoburbujas ultrafinas en la concentración esperada. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 68 Los resultados de la aplicación se evalúan también mediante la comparación con un grupo de control, por lo que, en el monitoreo agronómico del cacao, este se enfoca en la productividad y la salud de la planta, centrando el monitoreo final se centra en el aumento de la actividad y la calidad del grano, analizando a nivel nutricional las hojas y el suelo para verificar que la absorción de nutrientes sea óptima, confirmando la eficiencia de la nanoburbuja en el transporte de insumos, donde la aplicación de las nanoburbujas puede demostrar la reducción de presencial de enfermedades comunes del cacao (Foudas et al., 2023). 3.1.3 Protocolos para el muestreo y análisis de Suelo, Agua y Tejido Vegetal. Según indica López (2024), el muestreo es la fase inicial y más crítica para evaluar la eficacia de la aplicación de nanoburbujas en la optimización de la producción del cacao, de modo que, los protocolos para ello utilizado deben estar rigurosamente ajustados para capturar los cambios específicos que la nanotecnología provoca en el suelo, en el agua de riego y en la fisiología de la planta: a) Muestreo del suelo: En cuanto al muestreo del suelo, puede decirse que este tiene un doble objetivo, comenzando por el de evaluar la fertilidad, seguido de monitorear las condiciones fisicoquímicas del suelo que han sido afectadas por la inyección de nanoburbujas, lo que puede verse en el proceso de la siguiente forma: • Para analizar los niveles de nutrientes, respecto al muestreo de fertilidad estándar, se sigue un protocolo agronómico tradicional con una adaptación importante para la experimentación con nanoburbujas, donde se utiliza un patrón sistemático (zigzag) para asegurar su representatividad, tomando múltiples submuestras dentro de cada unidad de manejo para formar una muestra completa, sin sobrepasar una profundidad de 0 a 30cm que corresponde a la Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 69 zona radicular activa del cacao y el área de influencia de riego por goteo, siendo necesario que en su adaptación sea posible analizar por separado las zonas que llegan a recibir el tratamiento con nanoburbujas en contraste a aquellas zonas de control que reciben un riego normal, para atribuir los cambios en la disponibilidad de nutrientes a la tecnología (Foudas et al., 2023). • Igualmente, se elabora un muestreo de oxigenación, como una medición específica para la tecnología de nanoburbujas, el cual debe realizarse in situ para obtener de ello datos más precisos, razón por la que en su instrumentación se emplean sondas electroquímicas portátiles de alta precisión para medir el Oxígeno Disuelto (OD) y el Potencial de Óxido-Reducción (ORP) en el agua del suelo, donde las lecturas se toman directamente en la zona de la raíz activa que suele estar cerca del emisor cuando el riego es por goteo, para lo que es fundamental medir la profundidad efectiva del riego en pro de verificar la penetración del agua tratada en los suelos, con una frecuencia temporal de mediciones hechas inmediatamente antes de su activación y aproximadamente 30 minutos después de un ciclo de riego con nanoburbujas, repitiendo el mismo ciclo periódicamente para monitorear la capacidad de estas en lo que respecta a la estabilización de OD en el suelo. • También en cuanto al efecto de las nanoburbujas en la floculación y la reducción de la compactación del suelo requieren de un monitoreo físico, por lo que, se hace uso de un penetrómetro para medir la resistencia a la penetración del suelo en distintos puntos de la zona, pudiendo tomar a su vez muestras del núcleo para determinar la densidad aparente y la porosidad en laboratorio, repitiéndose las mediciones con intervalos de tiempo definitivos, con una línea base de medición previa al inicio del tratamiento. b) Muestreo de agua: Este muestreo es el que garantiza que el diseño del sistema de generación de nanoburbujas esté funcionando como NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 70 corresponde, cumpliendo con los estándares de calidad para el agua tratada: • Lo primero es un muestreo para verificar la dosis de gas entregada por el equipo, donde las muestras son tomadas directamente después de que el agua sale del generador de nanoburbujas, y luego al final de la línea de riego, donde está el punto con la presión más baja, donde es la medición al final de la línea la que confirma que la estabilidad de las nanoburbujas es suficiente para mantener los altos niveles de gas a lo largo de todo el sistema que lo distribuye. • Aunque no resulta exclusivo de la nanotecnología, también se hace un muestreo en la calidad del agua para medir el pH, la Conductividad Eléctrica, y la presencia de sales y alcalinidad en el agua. Este monitoreo continuo de la CE y del pH contribuye a la comprensión de cómo la inyección de gas y la posterior reducción de la tensión superficial del agua (como efecto de las nanoburbujas) pueden influenciar la dinámica de las sales y nutrientes en el agua del muestrario (Foudas et al., 2023). • Por último, se emplea un muestreo para biofilm, que es una inspección visual regular de las cintas y emisores de goteo, tomando muestras de raspado de las paredes internas de las tuberías (de ser necesario), para verificar el éxito de la tecnología en la reducción de taponamientos y el mantenimiento de la uniformidad del riego (López, 2024). c) Muestreo de Tejido Vegetal: Por último, este análisis de tejido vegetal es el que proporciona la evidencia de que las mejoras en el suelo y el agua se están traduciendo en una mejor nutrición y salud de la planta: • Principalmente, se inicia con un muestreo de nutrientes foliares, donde el estándar está en muestrear las hojas fisiológicamente maduras y estables en su contenido nutricional, seleccionando una Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 71 muestra compuesta de entre 50 a 100 hojas sanas por lote, debiendo coincidir este muestreo con la época de máxima demanda nutricional del cacao o realizarse bien al inicio y al final de la temporada para comparar el estado y evolución nutricional a lo largo del tiempo (López, 2024). • En relación, dentro del proceso se realiza un muestreo de productividad y sanidad, realizando un conteo sistemático y periódico de la incidencia de enfermedades en los frutos y hojas para cuantificar el efecto mitigador de las nanoburbujas, monitoreando su rendimiento durante la cosecha, registrando el conteo total de mazorcas y el peso de las almendras secas por planta o unidad de área, para concluir con el indicador final de la viabilidad económica de la tecnología. 3�2 Estudios de Casos y Evaluación de la Eficacia Dada la escaza información que hoy día se maneja sobre la aplicabilidad de las nanoburbujas en el sector agrónomo, las pocas investigaciones que se pueden encontrar sobre su uso, sirven una línea de contenido dispuesta no solo a demostrar la actividad operativa del sistema de riego utilizado para la generación y aplicación de esta tecnología, sino que también van dirigidas a comprobar y evaluar la eficacia con que este sistema es aplicado en los cultivos o bien, en las aguas que ameritan ser tratadas por su alto contenido contaminante, siendo una prueba casi irrefutable y comparable a las medidas tradicionales, la efectividad de las nanoburbujas a la hora de reducir o mitigar los metales pesados de un sector específico, como ocurre con las plantaciones de cacao en Perú, proveyendo una estrategia innovadora que a largo plazo apunta a una mayor adaptabilidad, economía y personalización en la siembra. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 72 3.2.1 Análisis Comparativo de la Eficiencia de Remoción de Metales Pesados. El problema central de la absorción de metales pesados en las plantaciones de cacao, resulta del hecho de que el árbol de cacao es un acumulador natural de cadmio (Cd) porque lo toma directamente del suelo y lo transporta instantáneamente al grano, debido a su alta movilidad en el sistema de suelo-planta natural, superando los límites permitidos para la exportación (Jiménez, 2015), asimismo, el plomo (Pb) también es un contaminante relevante, aunque hay menos datos comparativos de remoción específica en el contexto cacaotero. Las técnicas de remediación, como son conocidas, se dividen en estrategias de inmovilización/ disminución de la biodisponibilidad en el suelo y en estrategias de remoción/captura directa (Cayotopa-Torres et al, 2021), donde entran a posibilidad la comparación entre la biorremediación y la fitorremediación como mecanismos para mitigar el cadmio en las plantaciones de cacao, consideradas ambas como tecnologías prometedoras amigables al ambiente. 1) Biorremediación / Bioinmovilización: La biorremediación en los suelos cacaoteros, según Casteblanco (2018), se centra en el uso de organismos vivos (microorganismos como bacterias y hongos) o los productos que de ellos se generan para reducir la movilidad, toxicidad o concentración del cadmio en el producto natural de interés, para degradar, transformar o bien, inmovilizar, contaminantes ambientales, su principal ventaja radica en que es un proceso natural menos costoso y más sostenible que los métodos fisicoquímicos tradicionales. En el caso de los metales pesados, al no ser degradables sino transformables o inmovilizables, la biorremediación se enfoca en proveer dos procesos principales para su mitigación: a) La biosorción y la bioacumulación, como el mecanismo de mayor eficiencia, que ocurre: Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 73 1) De manera pasiva cuando no requiere de energía metabólica activa para darse (biosorción), porque en este caso el metal se una a la superficie celular del microorganismo mediante fuerzas fisicoquímicas (como el intercambio iónico o la precipitación); 2) De manera activa, cuando el proceso metabólico es dependiente de la energía por donde el metal es transportado activamente a través de la membrana celular y secuestrado dentro de la cédula (Bioacumulación). b) La biotransformación y bioprecipitación, cuando mediante los microorganismos pueden alterar el estado de oxidación o solubilidad del metal (Casteblanco, 2018), todo ello a través de la producción de metabolitos como ácidos orgánicos, sulfuros o fosfatos para que el microorganismo pueda inducir a la precipitación del cadmio, lo que genera que el metal pase de tener una forma soluble y biodisponible a una forma insoluble, que no ex tóxica ni inerte. La bioinmovilización, por otro lado, según enfoca Casteblanco (2018) se considera una subcategoría de la biorremediación o mejor dicho, en una estrategia de mitigación que ataca directamente a la rizosfera para buscar más eficazmente la reducción de la biodisponibilidad de un contaminante sin que exista la necesidad de removerlo del suelo, razón por la que, en lo que refiere al cacao, la actividad agrícola de los sembradíos suele optar por esta estrategia de para “encerrar” el cadmio (Cd) y que la planta no pueda absorberlo. Así, en los cultivos de cacao el objetivo principal no está realmente en “limpiar” el suelo por completo, sino en impedir que el árbol de cacao el cadmio y lo transporte al grano, punto en el cual la bioinmovilización se vuelve crítica, porque comienza a actuar en la raíz donde ocurre la absorción (Chancay et al., 2021). La inmovilización, como se espera, es lograda mediante la aplicación de agentes biológicos o sus derivados para alterar las condiciones del suelo, lo cual puede darse a través de tres métodos: NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 80 b) Estrategías biológicas. También existen estrategias biológicas en el campo que muestran efecto en la verificación final del grano, donde la fórmula de efecto de los hongos y bacterias suponen una reducción que viene indirectamente del resultado dado por la bioinmovilización del metal, donde la cuantificación de la reducción en el grano resulta más variable que otras, pues dependerá enteramente de la capacidad del microorganismo para sobrevivir y continuar actuando en las difíciles condiciones del suelo donde se aplica (Cayotopa-Torres et al., 2021). c) Estrategias post-cosecha. Por último, diversos estudios han calificado la eficacia de la reducción del metal a través de estrategias post-cosecha, que, aunque no eliminan el cadmio que ya ha sido absorbido por la planta durante su crecimiento, sí pueden influir cuantificablemente en la concentración final, donde por medio de la fermentación y secado se pueden lixiviar o reducir ligeramente el contenido de los metales en la almendre, aunque por sí solo no sea capaz de cumplir con los parámetros estimados. No obstante, así como por varios medios es posible cuantificar y calificar la reducción de metales pesados en el cacao, del mismo modo se atraviesan desafíos complejos que van desde lo metodológico hasta lo agronómico para su eficacia, comenzando por las complicaciones de la heterogeneidad del suelo, donde la distribución del metal pesado a menudo es irregular en la parcela, haciendo que los resultados cuantificados deban promediarse sobre múltiples muestras para obtener una representación real de los efectos del tratamiento, cosa que en el área agronómica, resulta complejo porque estas estrategias deben enfrentarse a la variedad natural del cacao, que es un factor genético clave que interviene y afecta la cuantificación, al ser ciertas almendras de cacao menos propensa a acumular cadmio que otras (Jiménez, 2015). Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 81 Figura 2 Proceso de Reducción de Metales Pesados en Almendras de Cacao Nota: Elaboración propia. 3�3 Consideraciones Económicas, Ambientales y Futuras líneas de investigación El abordaje de la mitigación de metales pesados en las almendras de cacao requiere que dentro de su proyección sean integradas dimensiones como la sostenibilidad económica y ambiental del proceso, además de apuntar a futuras áreas de investigación donde también un análisis presupuestal y sostenible es necesario para considerar una inversión que NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 82 genere resultados, cuestión que es movida principalmente por la necesidad de cumplir con las regulaciones internacionales que convierten a la eliminación del cadmio y de otros metales contaminantes en un desafío que directamente afecta la viabilidad económica de los cacao-cultores y la salud del ecosistema. 3.3.1 Análisis de costo-beneficio de la Tecnología de Nanoburbujas frente a métodos tradicionales. La dimensión económica en la intervención de la nanotecnología en los cultivos de cacao, es trascendental para la consolidación de un mercado donde la mayoría de los productores de cacao son considerados como pequeños agricultores cuyos recursos son escasos y limitados, por lo que, a la hora de escoger y aplicar una estrategia de remediación, esta debe demostrar una clara rentabilidad y a la par, un bajo costo de implementación inicial, lo que logra que estas opciones puedan dividirse en costo-efectividad (Tabla 3). El dilema de la contaminación por cadmio en el cacao exige esta comparación rigurosa de las tecnologías de mitigación, por lo que, el análisis de costo-beneficio es fundamental para determinar qué estrategia, entre la innovación de las nanoburbujas y los métodos tradicionales (geoquímicos/biológicos) ofrece la mayor rentabilidad y sostenibilidad a largo plazo para los productores (Chancay et al., 2021), cuestión que lleva resaltar cómo la tecnología de las nanoburbujas representan un enfoque de alta tecnología y baja disrupción del suelo, siendo su principal ventaja el hecho de que se trata de un mecanismo de acción rápida y de doble beneficio en cuanto mejora agronómicamente la oxigenación de la planta y produce la remediación química. Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 83 Tabla 4 ClasificacióndeCosto-Efectividad Clasificación de CostoEfectividad Estrategia de Mitigación Mecanismo Principal Inversión Inicial Viabilidad Operaciones Alto Costo - Efectividad Encalado / Enmiendas de pH Aumentando el pH en el suelo se provoca la precipitación química del cadmio en formas insolubles Baja, porque los materiales son accesibles y de bajo costo Alta, puesto que, es una práctica agrícola conocida, y requiere de monitoreo periódico del pH Adición de Zinc Por su competencia iónica, el zinc compite con el cadmio por los mismos transportadores en la raíz del cacao, reduciendo la absorción del contaminante Media-baja, el fertilizante es asequible y necesario como nutriente esencial Alta, pues resulta compatible con la fertilización regular Medio Costo -Efectividad Bioinmovilización (biocarbón) Mediante adsorción y secuestro se aumenta el pH y la Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) fijando el cadmio de forma estable Media, porque posee un alto costo inicial para la producción o compra del biocarbón. Media, ya que requiere de una aplicación inicial muy grande, en contraste a sus efectos duraderos Genotipos de Baja Absorción Se propaga clones de cacao genéticamente menos eficientes para transportar el cadmio al grano. Media, porque posee un alto costo inicial en investigación y viveros especializados. Muy alta, pues su solución es permanente y sin costo para el agricultor después de la siembre. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 84 Clasificación de CostoEfectividad Estrategia de Mitigación Mecanismo Principal Inversión Inicial Viabilidad Operaciones Bajo Costo - Efectividad Fitoextracción (Plantas hiperacumuladores) Plantar especies que absorben grandes cantidad de cadmio del suelo para su posterior cosecha y eliminación Baja, por el económico precio de las semillas Mínima, porque genera pérdidas de ingresos por la interrupción del cultivo de cacao y crea residuos tóxicos Nanoburbujas y tecnologías hídricas avanzadas Inmovilización acelerada, por el uso de nanoburbujas de oxígeno, que promueven la precipitación química y una mejor biota del suelo Alta, porque su inversión en equipos generadores y sistemas de riego son significativos Media, pues posee un bajo costo operacional, pero requiere mantenimiento técnico y energía Nota: Elaboración propia Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 85 Sin embargo, para ser decisivos en su implementación, vale comparar cómo su costo-beneficio contrasta el de otros métodos tradicionales, normalmente de origen geoquímico, para mitigar del mismo modo metales pesados como el cadmio; de este modo, debe plantearse en principio la existencia de la mitigación geoquímica tradicional como el método estándar a utilizar por los agricultores, donde el uso de cal agrícola es implementado para elevar los niveles de pH del suelo, haciendo más favorable para los pequeños productores este tipo de estrategias que permiten una baja inversión inicial y una alta accesibilidad de los materiales, dado el bajo costo de la cal, pero sobre todo por su reducción confiable del Cd biodisponible del suelo, asegurando una inversión mínima sin mayores riesgos (Chancay et al., 2021). De manera similar, cabe resaltar que muchas veces la intención estratégica de los productores opta por la aplicación de componentes como el sulfato de Zinc (ZnSO4) que actúa como inhibidor competitivo del cadmio y posee un costo moderado para su uso, logrando ofrecer un beneficio no solo directo en la remediación, sino también en la nutrición posterior del cultivo sin que los costos de oportunidad sean exagerados o muy elevados, ya que esta estrategia es por completo compatible con la producción continua del cacao, donde los costos operacionales requieren únicamente de aplicaciones periódicas que mantengan los altos niveles de pH en el suelo, mientras se transportar grandes volúmenes de material. En respuesta, la tecnología de las nanoburbujas se posiciona como un extremo opuesto del espectro económico, caracterizado principalmente por una alta inversión inicial inducida por la necesidad de adquirir e instalar en el cultivo un generador especializado y un sistema de inyección integrado al riego, lo que bien se puede considerar como una barrera persistente entre el uso de la nanotecnología y los pequeños productores de cacao. No obstante, esta tecnología posee beneficios de alto contraste en las plantaciones, puesto que, promete un significativo beneficio agronómico y ambiental que a largo plazo logra compensar y justificar su inversión, así como lo hace su costo operacional, que es relativamente bajo NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 86 en comparación a otros medios, ya que se limita al consumo energético y al mantenimiento del sistema (Cayotopa-Torres et al., 2021). Sus beneficios se basan en una doble acción natural, pues por un lado facilita la inmovilización acelerada del Cd en la rizosfera a través de la alcalinización superficial del suelo o la generación de radicales libres, mientras que por otro, ofrece un suministro sostenido de oxígeno para las raíces, lo que ayuda a mejorar la absorción de nutrientes como el Zinc, contribuyendo a la salud general de la planta, cuestión que se traduce como un aumento cuantificable del rendimiento de la misma, con una reducción más eficiente del cadmio en la almendra de cacao, haciéndolo más limpio. El análisis costo-beneficio para las nanoburbujas solo puede verse positivo en escenarios donde es posible amortizar la inversión inicial a gran escala o mediante modelos cooperativos auxiliados, por ello, otras opciones como la bioinmovilización con biocarbón sitúan a las nanoburbujas en un término bajo de costo-beneficio, pues el biocarbón implica un costo inicial medio derivado de su producción, pero ofrece un beneficio ambientar muy superior, al ser un subproducto de la economía circular que mejora la Capacidad de Intercambio Catiónico y la salud del suelo a largo plazo (Cayotopa-Torres et al., 2021); si a esta estrategia se le contrasta con la fitoextracción, se tiene que esta última presenta un costo de oportunidad mucho peor, aunque su costo inicial sea bajo, ya que la necesidad de detener o de rotar el cultivo con la colocación de plantas hiperacumuladoras conlleva a una pérdida directa de ingresos insostenible para los productores. De esta forma, mientras que los métodos tradicionales geoquímicos como el uso de cal agrícola, que es indiscutiblemente la opción de mejor costo y efectividad inmediata para los pequeños productores, aunque funcional para el cumplimiento normativo, no aborda el potencial agronómico de la parcela ni ofrece mejoras sustanciales en la productividad del cultivo de cacao, como indican Chancay et al., (2021), por el contrario, la tecnología Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 87 de las nanoburbujas aunque presentan un bajo costo-efectividad inicial, dado que requiere de una alta inversión para los equipos generadores, dicho gasto representa una inversión estratégica que apuesta por la eficiencia y el rendimiento agronómico que bajo las condiciones adecuadas de financiamiento y proyección, pueden convertirse en una estrategia superior a largo plazo para la sostenibilidad integral del sembradío cacaotal. 3.3.2 Evaluación del Impacto Ambiental a largo plazo y sostenibilidad de la técnica. La implementación de nanoburbujas tiene por propósito la mitigación de metales pesados en la agricultura, que es lo que ocurre con el Cadmio (Cd) en el cacao, razón por la que también el impacto ambiental que tiene esta intervención en el ambiente y su sostenibilidad es comparado con otras prácticas estándar y tradicionales, por ello, aunque las nanoburbujas se promocionan como una solución ambientalmente amigable y no disruptiva a la plantación, su sostenibilidad real depende de factores energético, de la periodicidad de su mantenimiento y de la no toxicidad de sus subproductos, pues la principal fortaleza ambiental de la nanotecnología radica en su capacidad para lograr la bioinmovilización química del cadmio sin tener que introducir grande volúmenes de enmiendas en el suelo o generar residuos tóxicos contaminantes, a diferencia de otras técnicas de remediación (Huang, 2022). En este caso, diferente de la fioextracción que produce biomasa contaminada que amerita ser tratada como un residuo peligroso, la aplicación de las nanoburbujas no generan residuos sólidos de este tipo contaminante, pues su mecanismo se basa en la transformación del contaminante in situ, donde el cadmio u otros metales pesados pasan de tener una forma soluble y fácilmente movible a una forma insoluble e inerte, fijándose químicamente a la matriz del suelo, lo que es una ganancia ambiental de mucho significado porque ello evita los costos y riesgos que están asociados con la gestión de los residuos peligrosos que otros medios NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 88 producen. Así, la sostenibilidad a largo plazo de las nanoburbujas en la rizosfera de la planta se ve relacionada con su contenido de gas, donde al inyectar las nanoburbujas de oxígeno, se logra un suministro sostenido y uniforme de oxígeno disuelto en la zona radicular, como indica Huang (2022), siendo este entorno aerobio el que optimiza la actividad de los microorganismos beneficiosos. Este es el modo en que la nanotecnología logra contrastar con otros métodos agresivos que pueden desequilibrar aunque sea temporalmente la microflora del suelo, puesto que, en el caso de la implementación de las nanoburbujas el riesgo ambiental es mucho menor, ya que el subproducto es un gas esencial para la vida; sin embargo, para que la tecnología sea sostenible a largo plazo, la fijación del cadmio debe ser permanente, por lo que se ha teorizado que la precipitación del Cd inducida por las nanoburbujas a través de medios como el pH loca o radicales libres crea formas estables (como los hidróxidos o carbonatos) que son poco probables de volver a solubilizarse a menos que el pH del suelo caiga en picada (Jiménez, 2015), por ello, la implementación continua o periódica de nanoburbujas de oxígeno puede ayudar a mantener las condiciones del suelo estables y favorables, asegurando que el contaminante de la planta permanezca inerte a lo largo del tiempo de la plantación. Es cierto decir además que la generación de nanoburbujas requiere de generadores eléctricos (a menudo mediante cavitación o cizallamiento) para micronizar el gas, lo que indica, por evidencia, un empleo energético continuo durante la operación, lo que genera dos vertientes en su operatividad: 1) El impacto negativo generado cuando la energía proviene de fuentes no renovables (combustibles fósiles) haciendo que el uso de las nanoburbujas pueda contribuir en dejar una mayor huella de carbono en contraste con el encalado tradicional que no requiere energía. Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 89 2) La mitigación del impacto que viene dada por la sostenibilidad elevada significativamente cuando los sistemas de nanoburbujas se alimentan con energía solar fotovoltaica o fuentes de energía hidroeléctrica limpia, lo cual es una tendencia común en la agricultura moderna y un requisito, casi obligatorio, para la sostenibilidad a largo plazo de esta estrategia en regiones tropicales como las de Perú. En este sentido, la durabilidad y el mantenimiento continuo de los generadores de nanoburbujas poseen un papel importante en lo que refiere a la sostenibilidad logística de la estrategias, pues en regiones remotas donde existen plantaciones de cacao, el acceso a las piezas de repuesto, a los técnicos calificados y el servicio especializado de quien pueda realizar su reparación (Macassi, 2017), es ciertamente limitados, de modo que, si los equipos fallan de manera frecuente o tienen una vida útil corta, la tecnología se vuelve insostenible por el alto grado de costo de reemplazo, generando un impacto ambiental que surge del desecho de equipos electrónicos sofisticados, cosa que en el caso de los métodos tradicionales, cuando se trata de la aplicación de cal o biocarbón, suele ser más sencillo porque depende de una maquinaria agrícola básica, que bajo distintos medios es posible y fácil de mantener. En conclusión, a largo plazo la tecnología de las nanoburbujas posee suficiente potencial para ser una solución altamente sostenible, siempre que se cumpla con dos condiciones críticas, como indica López (2024): 3) Una fuente de energía limpia, donde la transición de estrategias tradicionales a los sistemas de generación de nanoburbujas sea alimentada por energía renovable para minimizar la huella de carbono e impactar menos negativamente el ambiente. 4) Un diseño robusto de generación y aplicación de nanoburbujas que sea duradero, de bajo mantenimiento y económicamente accesible para los pequeños productores, habituado para condiciones ambientales rigurosas y remotas de las plantaciones de cacao. NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 96 de que estas condiciones han generado la pérdida de oportunidades de exportación y con ello, la penosa disminución de ingresos que obtienen las familias agrarias, así como también ha acrecentado las dudas sobre una posible viabilidad de esta actividad a largo plazo si no son mejoradas las condiciones del cultivo (GORE San Martín, 2020). Las soluciones de remediación actuales, disponibles para el agricultor, como la fitorremediación o la aplicación de enmiendas químicas son insuficientes a causa de sus grandes limitaciones, donde no solo su dificultad de implementación sino también sus deficientes resultados en el campo engrosan el problema para las familias productoras de cacao, quienes carecen tanto de recursos como de conocimiento técnico para abordar una correcta remediación (Paredes, 2021); por lo tanto, en este contexto, las nanoburbujas se posicionan como una alternativa innovadora, donde con burbujas sumamente pequeñas que poseen propiedades fisicoquímicas únicas y son estables en el agua, es posible paralizar u oxidar los metales pesados contaminantes mediante mecanismos como la alteración del pH local y la interacción con la materia orgánica. Debido a lo antes expuesto, la presente investigación logra plantear la necesidad de iniciar una investigación en el impacto que tienen las nanoburbujas de aire en el proceso de remediación de suelos cacaoteros por metales pesados en las plantaciones ubicadas en San Martín, donde se impulsa un doble propósito en su análisis: 1) Generar conocimiento científico a futuros investigadores del área, y 2) Aportar una herramienta práctica que contribuya a mejorar el suelo y la producción agrícola, reivindicando al cacao peruano dentro de la competición de los mercados internacionales donde tiene presencia. Estudios etnográficos del área agrícola, vale decir, han revelado que, aunque los productores reciben información sobre la afección de los metales pesados, a la gran mayoría le es complejo conectar con estas condiciones y afrontarlas bajo prácticas comunes en el rubro, haciendo Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 97 todavía más difícil que se adopten medidas de corrección o prevención en las zonas, razón por la que toma impulso el objeto de estudio en el presente trabajo, como una propuesta resolutiva a largo plazo. 4.2.1 Formulación del Problema ¿Cuál es el efecto de las nanoburbujas en la remediación de suelos contaminados por metales pesados en plantaciones de cacao (Theobroma cacao) en la región de San Martín? 4.2.2 Justificación En cuanto a su justificación, la tecnología de nanoburbujas se presenta como un método incipiente que todavía da pasos cortos pero que muestra un gran potencia en lo que respecta a la remediación de los suelos, como la técnica más amable con el área a la hora de convertir metales pesados en formas menos peligrosas y menos susceptibles de ser transportadas por el suelo a los granos de cacao, siendo esto posible gracias a la capacidad de las burbujas ultradelgadas para generar radicales libres en el suelo, impulsando así las reacciones de oxidación y reducción; no obstante, su aplicación en ambientes tropicales, como ocurre en el Perú, carece de estudios suficientes para concebir su real actividad en las plantaciones, creando la necesidad de generar nuevo conocimiento que respalde su uso (Jin et al, 2020). Esta línea de estudio busca evaluar cuán eficientes logra ser el uso de las nanoburbujas (estén compuestas por aire, ozono u oxígeno), como una alternativa de remediación mucho más económica y ambientalmente amigable para los suelos contaminados, siendo una opción ecológica el uso de la tecnología del campo, que puede dejar atrás otro métodos físicos o químicos que aunque produzcan resultados, son más costosos y requieren de mayor conocimiento técnico en comparación. Especialmente en regiones como San Martín, como indica INIA (2021) la acumulación de cadmio (Cd) y otros metales pesados que afectan a los granos de cacao, NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 98 la presencia de estos amenaza la sostenibilidad agrícola del cultivo y directamente presiona a la economía rural, razón por la que es debido desarrollar fácilmente accesibles como el uso de nanoburbujas, las cuales no solo pueden mejorar la calidad del producto final, sino que además, al reducir los riesgos para la salud del consumidor, logra proteger el ingreso generado por la comercialización del cacao en condiciones óptimas. 4.2.3 Objetivo General Evaluar el efecto de las nanoburbujas en la remediación de suelos contaminados por metales pesados en plantaciones de cacao (Theobroma cacao) en la región San Martín. 4.2.4 Objetivos Específicos 1) Analizar las propiedades físicas del suelo antes y después de la aplicación de nanoburbujas de aire. 2) Analizar las propiedades químicas del suelo antes y después de la aplicación de nanoburbujas de aire. 3) Analizar las propiedades biológicas del suelo antes y después de la aplicación de nanoburbujas de aire. 4) Comparar la eficiencia de las nanoburbujas de aire con el tiempo de aplicación en suelos cultivados con cacao 4.2.5 Hipótesis El efecto de las nanoburbujas de aire en suelos contaminados por metales pesados en plantaciones de cacao reduce significativamente la concentración de metales pesados. Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 99 Tabla 5 Variables Variable Dimensiones Indicadores Escala de Medición Variable Independiente: Nanoburbujas Nanoburbujas de aire Temperatura Razón - Intervalo Número de burbujas en una gota Diámetro de la burbuja Presión interna Nanoburbujas de oxígeno Velocidad de ascenso Presión de aire Nanoburbujas de ozono Tiempo de tratamiento Temperatura Variable Dependiente: Suelos Contaminados Parámetros físicos Textura del suelo Humedad gravimétrica Densidad aparente y real Porosidad total Parámetros químicos Metales pesados pH Conductividad eléctrica Materia orgánica Capacidad de intercambio iónico. Nutrientes disponibles Parámetros biológicos en el suelo Biomasa microbiana Recuento de microorganismos Diversidad microbiana Enzimas en el suelo. Nota: Elaboración propia 4.2.6 Variables NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 100 4.2.6 Diseño de la Investigación El diseño del presente estudio puede clasificarse como una investigación del tipo aplicada, ya que, su objetivo está en proporcionar una solución práctica al problema de la contaminación por metales pesados en los suelos agrícolas, utilizando las nanoburbujas como la tecnología predilecta para el proceso de remediación (Hernández et al, 1991). Del mismo modo, la investigación emplea un enfoque cuantitativo, lo cual implica que el enfoque estará en la comprobación y cálculo de variables numéricas, incluyendo las concentraciones de metales pesados en el suelo, así como sus diversas propiedades físicas y químicas, haciendo su diseño experimental y comparativo a la hora de manipular la variable independiente vista en la aplicación de nanoburbujas con diferentes tiempos de exposición, evaluando a partir de ello los efectos de esta manipulación respecto a los indicadores relacionados con la contaminación por metales pesados en las plantaciones de cacao. 4.6.7 Procedimiento de Muestreo Asimismo, en cuanto al muestreo y el área de estudio, este se realizará específicamente en las zonas de plantación agrónoma de cacao ubicadas en la región de San Martín, las cuales fueron previamente registradas e identificadas como zonas altas en presencia de metales pesados, por lo cual, fueron seleccionadas tres parcelas representativas en total, en las cuales se recogerán muestras compuestas de suelos con una profundidad de 0 a 20 cm. Para asegurar que estas muestras sean representativas del área, cada una resultará de la combinación de al menos cinco submuestras recolectadas en zigzag, las cuales se depositarán en bolsas de polietileno resistentes y serán rotuladas con un código de identificación, la fecha y el lugar exacto de recolección, las cuales serán transportadas al laboratorio previsto en hieleras, asegurando que su temperatura se mantenga controlada, y donde el procesamiento inicial se realizará en un plazo que no exceda a las 24 horas posteriores a su recolección. Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 101 En cuanto a la preparación del suelo, una vez que las muestras llegan al laboratorio se someten a un proceso de preparación: 1) El secado de muestras expuestas al ambiente, en un lugar con sombra y sin exposición directa a la luz del sol; 2) Tamizado y homogeneización, donde el suelo se pasará por una malla de 2 mm para tamizarlo y mezclarlo por completo, y 3) La distribución, donde se pesarán y se distribuirán 2.5 kg de suelo seco en recipientes de plástico, asegurando que todas las unidades experimentales reciban la misma cantidad de suelo para cada tratamiento. Para este estudio, las nanoburbujas se generarán utilizando un equipo patentado y diseñado por el Dr.Jhonny Wilfredo Valverde Flores, el cual es capaz de disolver gases en agua a una escala nanométrica, donde el aire atmosférico será la fuente de gas utilizada para producir las nanoburbujas de aire, operando el sistema de producción bajo la funcionalidad de una entrada de gas, una entrada de agua limpia, y una salida para el flujo de agua enriquecida con las nanoburbujas. La administración de nanoburbujas a las unidades experimentales previamente preparadas se realizará mediante un sistema de goteo que estará conectado a la bomba del reactor generador de nanoburbujas, para lo cual se establecerán tres intervalos de aplicación distintos en las muestras cada 30, 45 y 60 minutos, con una duración de 20 segundos por aplicación a cada unidad. El experimento completo se desarrollará conforme indica el proyecto, durante el lapso total de 3 días consecutivos, con ciclos de aplicación de 5 horas diarias ya definidas, donde el “grupo control” no recibirá el tratamiento con nanoburbujas, para esto, se utilizará entonces un Diseño Completamente Aleatorizado (DCA) que incluirá un total de cuatro tratamientos aplicados en cuatro repeticiones por cada uno, que resultará en unas 20 unidades experimentales, distribuidas por azar en NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 102 condiciones de temperatura, iluminación y humedad similares entre todas, expresadas en la Tabla 6. Tabla 6 Procedimiento de Muestreo Tratamiento Descripción Frecuencia de Aplicación Repeticiones T0 Control (sin nanoburbujas) - 5 T1 Nanoburbujas cada 30 minutos 30 min 5 T2 Nanoburbujas cada 45 minutos 45 min 5 T3 Nanoburbujas cada 60 minutos 60 min 5 Nota: Elaboración propia Para determinar la eficiencia comparativa de los tratamientos, generalmente es utilizado el porcentaje para medir la capacidad de mejora de un tratamiento respecto al control, la cual se expresa de la siguiente forma: Eficiencia relativa (%) = CC C inicialfinal inicial      100 Pero para compararlo contra el control lo que necesitas es: Eficiencia comparativa (%) = RR R TT T       0 0 100 Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 103 Donde: RT = Reducción lograda por el tratamiento (T1, T2, T3) RT0 = Reducción (o cambio) en el control 4.2.8 Técnicas de Recolección de Datos Tabla 7 Técnicas de Recolección de Datos Parámetro Técnica de recolección Instrumento / Método Frecuencia Físicos del suelo Textura del suelo Análisis mecánico Método del hidrómetro o tamizado Inicial Humedad gravimétrica Secado de muestra Balanza de precisión, estufa a 105 °C Inicio, mitad, fin Densidad aparente Método del cilindro o clod Cilindro de acero, balanza, estufa Inicial y final Densidad real Picnómetro o método del helio Pícnometro, balanza Inicial Porosidad total Cálculo indirecto Porosidad = 1 – (Densidad aparente / Densidad real) Derivado del anterior Químicos del suelo Metales pesados (Cd, Pb, As) Digestión ácida + análisis instrumental Espectrofotómetro de absorción atómica (AAS) o ICP-MS Inicio, mitad, final pH del suelo Lectura directa Potenciómetro digital Inicial y final Conductividad eléctrica Medición en extracto 1:2.5 Conductímetro NANOBURBUJAS DE AIRE Y LA REMEDIACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR METALES PESADOS EN PLANTACIONES DE CACAO 104 Parámetro Técnica de recolección Instrumento / Método Frecuencia Químicos del suelo Materia orgánica Oxidación húmeda o método de Walkley-Black Reactivos químicos, balanza analítica Inicial y final Capacidad de intercambio catiónico Intercambio con acetato de amonio Espectrofotómetro / titulador automático Nutrientes disponibles (N, P, K, etc.) Extracción química y análisis colorimétrico o AAS Kits de análisis, espectrofotómetro, conductímetro Biológicos del suelo Biomasa microbiana Fumigaciónextracción Método de fumigación con cloroformo y extracción con K₂SO₄ Inicial y final Recuento de microorganismos Cultivo en medios selectivos Placas Petri, estufa de cultivo, cámara de conteo Diversidad microbiana PCR y secuenciación (opcional) Extracción de ADN, electroforesis, bioinformática Actividad enzimática del suelo Ensayo colorimétrico (ureasa, fosfatasa, etc.) Kits enzimáticos, espectrofotómetro Nota: Elaboración propia 4.2.9 Técnicas Estadísticas o de Análisis de Información Los datos experimentales serán procesados mediante un Análisis de Varianza (ANOVA), seleccionado específicamente para adaptarse al Ana Noemi SANDOVAL VERGARA / José Bladimir SÁNCHEZ CRUZ / Ludwig Nicolás Villanueva Mori 105 diseño de bloques utilizado en el estudio, razón por la que, para identificar si existen diferencias que estadísticamente sean consideradas significativas entre los efectos de los distintos tratamientos de nanoburbujas (dada la diferencia de intervalos en su aplicación) se aplicará una prueba de comparación de medidas, como la prueba de Tukey o una alternativa apropiada; adicionalmente, se realizarán análisis de correlación, donde el objetivo de los mismos será comprender y cuantificar la relación que existe entre las diferentes concentraciones de metales que se midan en el suelo. 4.3 Hallazgos y Discusión Para el desarrollo del presente proyecto experimental que involucra la aplicación de nanotecnología emergente, como son las nanoburbujas en el territorio agrícola del Perú que posee un alto contenido de metales pesados, especialmente en cultivos de cacao, se requiere de una gran consideración sobre los aspectos éticos, regulatorios y administrativos bajo los cuales se trazan las líneas de actividad de la investigación, entendiéndolos todos desde un enfoque en que se destaca la forma en que suman criterio y veracidad al estudio, conforme podrá verse en lo siguiente: En cuanto al aspecto ético, este no puede girar en torno a otra cosa sino a la responsabilidad científica y el impacto socio-ambiental al que también se ciñe la investigación, comprendiendo que, en el caso de San Martín, donde el proyecto involucra parcelas de agricultores locales, resulta necesario del consentimiento libre, previo e informado públicamente a los productores del cacao, asegurando su total comprensión con el objetivo, la metodología, y los posibles riesgos y beneficios que se esperan abordar, al garantizarles una mejora en la sostenibilidad agrícola, mientras se evalúan a su vez los posibles efectos no deseados de las nanoburbujas o subproductos en la microbiota del suelo, interviniendo e impactando mínimamente al ambiente, haciendo accesibles y equitativos los beneficios de esta tecnología para los pequeños agricultores de la región. 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