Mapeo científico

Para el análisis de la producción y el mapeo científico se utilizaron cinco métodos bibliométricos propuestos por Čater & Zupic ¹². 1. Análisis de citaciones; 2. Análisis de co-ocurrencia de palabras; 3. Análisis de cocitaciones; 4. Análisis de coautores; 5. Análisis de acoplamiento bibliográfico. Su aplicación conjunta en WoS y Scopus ha permitido la expansión exitosa de dominios de conocimientos ¹³, estas dos bases de datos se consideran como las principales y más importantes a nivel mundial ^14,15. La Tabla 1 a continuación enumera los parámetros de búsqueda.

A partir de los criterios de búsqueda se registraron 740 en Scopus y 668 en WoS , al combinar estos dos resultados y eliminar los datos duplicados, se generó un resultado de 817 artículos interesados que equivale una superposición del 42% en estas dos bases de datos, donde se evidencio la oportunidad de usarlas conjuntamente. Al involucrar los términos de búsqueda Biochar, Metals, Metaloids en español e inglés, se procuró cubrir la mayor cantidad de registros dentro de las bases de datos. Se encontró que el 92,9% de las publicaciones encontradas en estas bases de datos se encuentran en inglés, y del 7,1% se encuentran en chino. Se relaciona que el idioma que predomina en el área de interés en las bases de datos es el Inglés, las distintas revistas y autores hacen publicaciones en este idioma con el fin de incrementar la visibilidad ¹⁶. La herramienta que se utilizó en el análisis bibliométrico fue la aplicación Bibliometrix ¹⁷, esta herramienta es de uso libre que facilita trabajar con otras base de datos y que cuentan con diversas y amplias funciones, también ha sido usada y validada por otros estudios ^18-25.

Análisis de red

Se fusionaron los registros obtenidos en WoS y Scopus, se eliminaron los archivos duplicados, para obtener este resultado, se utilizaron paquetes de programación dentro del software R como tosr, ggrepel, rebus, tidytext y lubridate, en donde se extrajo la bibliografía y se diseñó la aplicación de red de citas, tipos y características, así como todos los archivos que componen la red para facilitar la gestión de la información ^26,27.

Seguidamente se cuantificaron tres indicadores bibliométricos: 1. Indegree, este indicador significa la cantidad de veces que han sido citadas o referenciadas por otros ²⁷; 2. Outdegree, este son las veces que un nodo peculiar cita a otros o se considera como el número de interacciones que tiene cada documento ²⁷; 3. Betweenness, este da a conocer el grado de intervención y centralización de cada componente dentro de la red ²⁸, conociendo cuando el documento o artículo es referenciado y cuando cita a otros ²⁹.

Como resultado final se obtiene una red de conocimiento en el campo integrada a través de artículos o documentos extraídos de bases de datos y referencias correspondientes, involucrando trabajos de diversas fuentes, no solo de ellas (Scopus y Wos), involucrando otras Bases de Datos y publicaciones científicas. El análisis de redes se conoce como "gráfico de cocitación", lo que facilita la visualización del diseño o la estructura de los dominios de conocimiento, lo que acelera la identificación de subdominios o tendencias de investigación ^30,31. Se utilizó la herramienta Gephi para proporcionar un gráfico de redes de conocimiento en el campo de la investigación del biochar y su relación con metales ³².

Se utilizaron registros obtenidos de la web, se cuantificaron las métricas en el grado de las entradas, el grado de las salidas y de las intermediaciones, lo que permitió categorizar la investigación utilizando la metáfora de los árboles ^33,34. A partir de esta analogía surgen tres categorías: Raíz (alta), literatura clásica o investigación que muestra una importancia teórica hegemónica dentro del campo de estudio, teniendo en cuenta las publicaciones que son citadas, pero no citadas por otros autores ²⁷. Seguido del cuerpo principal (alta intermediación), hay artículos que son citados, pero también citados por otros ²⁹, esta parte es un trabajo estructurado, entrelazado con la teoría básica clásica y la investigación actual. Finalmente, están las hojas (high out-degree), que se enfocan en artículos recientes y citan otros artículos ²⁷, de igual forma muestran las tendencias actuales en el marco de investigación del campo, también conocidas como "perspectivas", que constituyen frentes de investigación emergentes. Esta técnica metodológica ha sido validada y utilizada en estudios previos ^35-44.

Producción científica

La Figura 1, muestra el modelo de producción de artículos científicos relacionados con temas de biochar y metales publicados en las siguientes bases de datos: WoS y Scopus, entre los años 2000 y 2021, lo que da como resultado 817 artículos representado con la línea de color rojo, esta muestra la cantidad de referencias únicas en las dos bases de datos, eliminando los registros duplicados. A partir de 2013 se puede observar cierto interés en esta área de investigación y un incremento en la publicación de artículos sobre estos dos temas, observándose un aumento considerable y significativo en los años posteriores. En el 2021, fue el año período de mayor producción, alcanzando los 197 artículos. Como se puede observar en la línea de tendencia, la comunidad científica tiene interés en el campo del conocimiento con una tasa de crecimiento anual del 38,37%. También se destaca un comportamiento similar en el número de publicaciones en la base de datos en los últimos 5 años. No se muestran años anteriores al 2010 ya que, no hay investigaciones de interés o relevantes en el área de estudio.

Figura 1 Producción científica nacional 

Al analizar la producción científica nacional, China encabeza ambas bases de datos, con 371 artículos publicados en Scopus y 335 artículos en WoS; la Tabla 2 muestra el impacto global de la producción académica por base de datos en las investigaciones asociadas al biochar y los metales. En la lista de 10 países con la mayor producción, se destaca el continente asiático con un 62,2%, América del Norte ocupa el segundo lugar con un 8,2 %, seguida de Europa (4,2 %) y Oceanía (2,2 %).

En relación con los autores, en la Tabla 3, se muestra la lista de los autores más importantes, quienes son categorizados por el número de documentos publicados en sus respectivas bases de datos, además, se correlaciona su índice H (H-index), el cual se utiliza para describir la producción científica de los investigadores ⁴⁵.

La revista con el mayor número de publicaciones que se asocian al tema es Chemosphere (Q1), en el segundo puesto la sigue la revista Science Of The Total Environment (Q1) y Environmental Science And Pollution Research (Q2) en el tercer puesto, estás revistas se encuentran indexadas en las bases de datos y hacen parte del cuartil 1. Dentro de las 10 primeras y con más importancia se encuentran revistas de Holanda en el primer puesto, el Reino Unido ocupa el segundo lugar y Estados Unidos el tercer lugar (Tabla 4).

En la Figura 2, se ilustran los cuatro elementos principales que forman parte del análisis bibliográfico, en el primer cuadro se ubica la red colaborativa de autor y se puede mostrar el trabajo conjunto de autores mencionados en diferentes grupos, como es el caso de Wang Y., Ok Y. y Zang J. Estos grupos reflejan la interacción entre los 10 investigadores más publicados sobre el tema analizado en las bases de datos Scopus y Wos. En la segunda columna se ubican las redes de co-citación de los autores, lo que ayuda a identificar a los autores más importantes o destacados en términos de conteo de citas ⁴⁶. La co-citación entre los dos grupos de autores es más prominente, el grupo más grande relaciona a los autores Zhang, Wang, Chen, etc. El segundo grupo lo integra autores como Ahmad, Uchimiya, Jehmann, entre otros; siendo los primeros de la lista por el mayor número de citaciones en la red, esto se evidencia en el h-index (google citations), siendo los más autores más relevantes en el campo.

La red de cooperación entre países afirma la importancia de los países asiáticos, el primer grupo es la integración de países con mayor número de publicaciones: China, Canadá, Australia, etc.; el segundo grupo es Reino Unido, República Checa, España, etc.; Estos países cooperan en grupos y se encuentran en el Top 10 de artículos publicados en bases de datos Scopus y Wos. Finalmente, se ubica la red de coocurrencia de palabras, la cual muestra grupos de palabras compuestas; En la primera parte, las palabras en rojo son Biochars, metales pesados ​​y absorción; El otro grupo de palabras en color azul, resalta el tratamiento de contaminantes y metales pesados.

Figura 2 Redes 

Análisis de red

A través de este análisis, se pueden identificar los documentos más relevantes de la región, se usó la metáfora de un árbol científico para seleccionar documentos con las métricas más altas para su revisión y organización. diez clásicos (raíz), diez estructurales (tronco) y diez recientes (hoja). El algoritmo de agrupamiento propuesto por Blondel et al. ⁴⁷, establece subcampos o áreas comunes de investigación. Se identificaron de esta forma cuatro grupos principales, los cuales se pueden apreciar en las hojas, Figura 3.

Figura 3 Árbol del Biochar y la remoción de contaminantes 

Para establecer inicialmente el tema de cada subregión (Cluster), se aplicó minería de textos, en particular el paquete WordCloud ⁴⁸, que genera nubes de palabras a partir de palabras y títulos clave de artículos, compara documentos con mejor PageRank ⁴⁹⁾ por grupo. Asimismo, se seleccionan los diez más relevantes, haciendo uso del parámetro métrica el cual permite construir citas desde una visión cuantitativa de los documentos más destacados de un conjunto, apoyada en citas ^{50 51}. A continuación, se analizaron el biocarbón, los metales y los metaloides.

Documentos clásicos (Raiz)

Los artículos de investigación asociados al árbol de Biochars y metales, y los artículos enraizados en esta revisión bibliográfica de grado son los más destacados, es decir, se agrupan los artículos clasificados como altamente citados, que muestran disposiciones clásicas y dominantes. Esta sección analiza 7 registros que se consideran dominantes como se describe anteriormente.

Los documentos encontrados en las bases de datos (WoS y Scopus) se clasificaron en dos grupos, en el primero se encuentran los autores que han realizado contribuciones importantes referente al biochar, absorción de contaminantes tóxicos, retención de metales y términos generales para tratamiento de suelos ^{4); (3); (52); (53}. La segunda parte contiene autores evalúan porcentajes de remoción y eficiencia del biochar ^{1); (54); (9}. Entre los investigadores principales sobresalen Luke Beesley y Uchimiya M., confirmando los resultados obtenidos en la red de cocitaciones y ratificando el protagonismo de estos autores en el campo de estudio.

La investigación con mayor impacto en el área de los Biochar y metales es “Biochar como absorbente para el manejo de contaminantes en suelo y agua: una revisión”⁴, en este artículo se evidencia el interés en la aplicación del Biochar en diversas áreas para ayudar a retener o inmovilizar metales y retener carbono, como alternativa para el mejoramiento de la fertilidad del suelo, la remediación de la contaminación y el reciclaje de subproductos/desechos agrícolas. En el año 2010, se publica un artículo llamado “Efectos de las enmiendas de biochar y compost de desechos verdes sobre la movilidad, biodisponibilidad y toxicidad de contaminantes orgánicos e inorgánicos en un suelo contaminado con múltiples elementos”, esta investigación presenta los altos niveles de elementos contaminantes tanto orgánicos como inorgánicos en áreas industriales, y como el biochar puede incidir en la remediación de estos suelos contaminados ⁵². Otros investigadores que realizan aportes considerables en el campo de estudio analizan la capacidad de absorción del biochar y la capacidad de retención de elementos como: arsénico (As), cadmio (Cd) y zinc (Zn) ¹.

Documentos estructurales (Tronco)

Dentro de los documentos que hacen parte del tronco (estructurales) del árbol de Biochar y metales, se establece una tendencia en el desarrollo investigativo de corte aplicado, asociados a la identificación, biodisponibilidad ⁶, sostenibilidad y los impactos de utilizar biochar de plantas ² entre ellas el Conocarpus ⁵; Por otro lado, se presentan estudios e investigaciones enfocadas en analizar la composición ⁵⁵ del biochar, la capacidad de absorción y remediación de metales en suelos ⁵⁵, entre ellos Cd, Cu, Pb, Zn (7), así como la asociación e interrelación de microorganismos como solución ecológica ⁵⁶, para tratar terrenos contaminados ⁵⁷.

Perspectivas (Hojas)

En la revisión realizada, se identificaron 4 líneas principales de investigación a través del algoritmo de clusterización, que se muestran y analizan a continuación. Figura 4.

Figura 4 líneas principales de investigación a través del algoritmo de clusterización 

Perspectiva 1. efectos en suelos contaminados

En esta perspectiva se integran investigaciones que se focalizan en el área de atención de las capacidades de retención y/o absorción de metales y sustancias tóxicas de diversos Biochars, conociendo posibles medios o métodos para la recuperación de los medios contaminados. De acuerdo con Wang Y et. al. ⁸, los biochars se deben diseñar de acuerdo con el objetivo deseado considerando las características del suelo, y recomienda aplicar el 3% de un biochar para la estabilización de los metales en el suelo, de igual manera se ha encontrado que al agregar un 5% mejora el estado nutricional de este ⁵⁸.

Los resultados han llevado a evaluar la efectividad de biochars de diferentes compuestos en la remoción de metales en suelos contaminados, como es el caso de los residuos verdes, el cual tiene una eficiencia de remoción de 42,7% de Cd, 0,901% de Cu y 72,9% de Pb ³; En el caso del producto resultante de la combustión incompleta de la biomasa, se encontraron concentraciones de C (90,8%), el O (7,2%) y H (1,7%) ⁵⁹. Por otro lado, se están trabajando asociaciones o mezclas para incrementar la eficiencia del tratamiento, entre estos la del cacahuete, soja, arroz y canola ⁶⁰, biochar con compost ⁶¹, enmiendas de recuperación de suelos ⁶², nanosilices ⁶³, o la de residuos de estiércol de pollo con materia verde que ha logrado retener 88,4% Cd, el 93,5% de Pb ³; de igual manera se han combinado con procesos de Fito extracción con la especie Amaranthus tricolor, alcanzando una eficiencia del 55% en suelos controlados ⁶⁴.

Perspectiva 2. métodos de solución y absorciones

La experimentación con diferentes métodos para producir biochar más estables o eficientes es un tema que está generando diversos resultados particulares, en el caso de Shang J. ⁶⁵, utiliza el método Brunauer Emmet Teller (BET) con residuos verdes para lograr concentraciones de C de un 44,98% a 9,37% y del Fe 39,51% a 5,67%; por otro lado se ha utilizado el método pirolítico a temperaturas de 200°C, 400°C, 600°C con residuos sólidos urbanos municipales ⁶⁶, virutas ⁶⁷, sauce ⁶⁸, logran reducciones en la concentración de N y C ⁶⁹. Se resaltan otras técnicas como la activación con vapor y ácido fosfórico para el caso de la cáscara de nuez ⁷⁰⁾ para suprimir iones metálicos reteniendo casi el 100% de estos, o la modificación de PH en la solución como agentes de aceleración en reacciones superficiales logrando la eliminación de 99,99% para Cr (VI) a pH 1, 99,86% para Pb (II) a pH 3 y 99,67% para Cd (II) a pH 5 ⁷¹.

Perspectiva 3. lodos de aguas residuales

Los lodos depuradores contienen altas tasas de metales por lo cual no se usan con fines ambientales y/o agrícolas, sin embargo, los Biochars (BC) derivados de lodos alcanza recuperaciones entre el 80 - 100% ⁷², siendo necesario conocer el porcentaje de metales después de la licuefacción (80%), esto afecta la biodisponibilidad, los procesos de adsorción - desorción, la composición iónica del agua y la movilidad de los metales en el suelo ⁷³. La eficiencia y calidad del Biochars (BC) varían según la pirólisis; Se conoció que a 300 °C el rendimiento es del 62,5% y a 400 °C es del 28,5% ⁷⁴, por otro lado, al aplicar sustancias como el DTPA (ácido dietilentriaminopentaacético) en los BC y a una pirólisis adecuada, se extrae metales como Zn (82%); Pb (16%); Cu (43%); Cd (54%); Fe (6%) y Mn (34%) ⁷⁵. Conociéndose las temperaturas adecuadas disminuye el contenido de material volátil del 27,4% al 5,5%, incrementa el de cenizas del 65,8% al 86,8% y de carbono fijo de 6,8% a 9,2% ⁷⁶.

Considerando lo anterior, los BC derivados de lodos depuradores y por pirólisis, los convierte en un método propicio y eficiente en la retención de metales ⁷⁷, y que al agregar aserrín de bambú para la co-pirólisis, disminuye el 16% en el contenido de cenizas y alrededor del 50% de metales en el lodo y en el biocarbón ⁷⁸. Por otro lado, Los BC derivados de lodos teñidos de textiles a temperaturas entre 300°C y 700°C, retiene metales entre el 60,96% y el 80,85% ⁷⁹. Igualmente, se conoce compuestos orgánicos en los aceites de pirólisis: bencenos, fenoles, nitrilos, ácidos orgánicos, entre otros; Al agregar 50% BC de mazorca de maíz disminuye el 37,5% al 19,8% (p/p) de Nitrilos, el 4,5% (p/p) de esteroides ⁸⁰; Finalmente, los BC trata las aguas/aguas residuales reteniendo: 46% de metales, 39% de contaminantes orgánicos, 13% en otros nutrientes y 2% en otros contaminantes, esto se debe al área superficial específica, la estructura porosa y grupos funcionales superficiales del BC ⁸¹.

Perspectiva 4. aplicación de microorganismos en materia orgánica

En la investigación de Ahmad M. et al. ⁴ se presenta que la absorción de contaminantes orgánicos haciendo uso de biochars se beneficia más que los contaminantes inorgánicos, con una eficiencia de eliminación del 99,5% de fenantreno (biocarbón de tallo de soja), mientras que una solución acuosa elimina el 86,4% de Hg (II). Xu H. et. al ⁸²⁾ indica que al agregar un biochar se incrementa el pH del suelo Las altas concentraciones de microorganismos (Proteobacteria, Acidobacteria, Chloroflexi, entre otros), representan el 91%, la acidobacteria fue la más sensible al biocarbón disminuyendo el 17,8% al 6,1% con colza y del 17,2% al 5,9% sin colza.

Sin embargo Paz-Ferreiro et al. ⁸³ presenta que la biomasa microbiana C disminuyó en el suelo tratado con lodos depurados (56%), y que el coeficiente metabólico (qCO2 ) fue menor en los suelos tratados con lodos depurados para el control del suelo (60%), por otro lado, el CO2 fue 1,5 veces mayor en lodo depurado que en el suelo de control, y la mineralización de N fue de 8,7 más alto y 12,6 más altos en comparación con el suelo de control.

En el estudio de XU N. et al. ⁸⁴ un antes y después del medio recuperado con biocarbón, evaluando el cambio de la diversidad bacteriana, los cuales reducen el nitrógeno lixiviado total del orden del 18,8% agregando biochar al 2%, con biochar al 4% se reduce el nitrógeno lixiviado total en 19,5% y con un biochar al 8% se reduce el nitrógeno lixiviado en 20,2%; con respecto al nitrato lixiviado, este se reduce en 16,0% agregando Biochar al 2%, 16,7% agregando Biochar al 4% y 19,3% agregando Biochar al 8%, sin embargo la cantidad de microorganismos (Acidobacteria, Chloroflexi y Gemmatimonadetes) disminuye aplicando el biocarbón, por otro lado, se incrementa otros microorganismos (Proteobacteria ,Bacteroidetes y Actinobacteria aumentaron).

Con la investigación realizada por Chen Z. Et. Al. ⁸⁵ se da a conocer que el biochar y agua tiene la capacidad de retener As(V) entre el 10 - 13 % y un 87 - 90%, Fe(III) 2 - 17% y un 83 - 88 % en condiciones abióticas y bióticas; También se puede identificar que al agregar el biochar transforman la comunidad microbiana del suelo, aumentando las bacterias reductoras (Geobacter, Anaeromyxobacter, Desulfosporosinus y Pedobacter) de As (V) y Fe (III).

Asimismo, Wang N. Et. Al. ⁸⁶ da a conocer que los medios de recuperación con biochars incrementa con exceso ciertos microorganismos, de Clostridia del 44,5% al 51,4%, y de bacilos del 5,89% al 8,05%; Igualmente se incrementa el nivel de género, Clostridum del 22,7 % al 27,3%, Bacillus del 2,39% al 3,34%, Caloramator del 3,88% al 4,46%, Desulfitobacterium del 0,62% al 0,84%, Desulfosporosinus del 0,65% al 0,95% y Geobacter del 0,92% al 1,17%.

En la investigación de Prayogo et al. ⁸⁷ también se conoce que un biochar generado al 2% disminuye liberación de CO2, reduciendo el 10% en la mineralización, y se ve el incremento del 29% en el análisis de ácidos grasos de fosfolípidos, y ciertos microorganismos como bacterias totales en un 28%, bacterias gramnegativas al 27% y actinobacterias del 62%.

De acuerdo con Gómez J. et al. ⁸⁸ se analizaron distintos suelos con perfiles de ácidos grasos de fosfolípidos con variables del 88% en la dinámica temporal de estos perfiles, se analiza que al agregar el 20% del biochar cambian los perfiles de ácidos grasos de fosfolípidos totales en CO. Por lo anterior, se considera que la valoración sobre la reacción microbiana del suelo tiene un déficit del 77%, utilizando la dinámica temporal de los ácidos grasos de fosfolípidos.

Igualmente, una investigación de Li X. Et. Al. ⁸⁹ diseña tres biochars con altas capacidades de retención, el de mayor contenido de cenizas tiene el 43,82%, la cual retiene el 92,78% de SiO2, el 33,18% de K2O, así como retención de otros minerales del 70,60%; Estos biocarbones contienen el 40% de grupos funcionales orgánicos hidroxilo y carboxilo, de igual manera cerca del 60% de coprecipitación o complejo en superficies minerales.

Por último, en el estudio de BASS A. et al. ⁹⁰ se conoce que se incrementa los cationes de ciertas sustancias agregando el 27,5% de un biochar y del 24,7% de una mezcla de biochar/Compost, incrementando las tasas de mineralización de carbono y reformando la estructura microbiana.