En los filtros verdes la depuración se da de forma natural, basada en principios ecológicos y biológicos que complementan o sustituyen las obras civiles actuales, constituido por una superficie de plantación forestal (principalmente álamos, sauces o eucaliptos) sobre la que se aplica un caudal controlado de agua residual, donde la filtración física, la sorción en el suelo, la biodegradación y la absorción de la planta son los principales procesos físicos, químicos y biológicos que con la acción conjunta entre el suelo los microorganismos y las plantas son responsables de la atenuación de contaminantes ⁴, óptimos y recomendables para poblaciones inferiores a 25.000 habitantes ⁵.

En este tipo de tratamiento el suelo actúa como medio receptor de las aguas residuales y como agente activo del proceso de depuración eliminando principalmente nutrientes, materia orgánica (MO), microorganismos y otros componentes, como metales pesados o microcontaminantes orgánicos. En los filtros verdes (FVs) se instala vegetación arbórea (álamos, sauces o eucaliptos) y se aplica un caudal controlado de agua residual pretratada como agua de riego. El agua se evapora parcialmente y el resto es captada por las raíces de los árboles y filtrada (en mayor o menor medida dependiendo de los criterios de diseño), a través del suelo ⁶.

Las plantas, microorganismos y suelo se interrelacionan para realizar los procesos de depuración, donde se producen procesos físicos, como la filtración; químicos, como la precipitación o intercambio iónico y biológicos, como la degradación de la MO que se encuentre en el agua ⁷.

A continuación, se describen los mecanismos de eliminación de los contaminantes presentes en las aguas residuales, detallando cuáles son los procesos físicos, químicos y biológicos que darán lugar a la formación de los distintos GEIs.

Sólidos en suspensión. En los sistemas de tratamiento de agua, por aplicación de las aguas residuales al terreno, la eliminación de sólidos en suspensión (SS), orgánicos e inorgánicos, ocurre principalmente por filtración, através del conjunto que forma el suelo con los rizomas y raíces dependiendo de la granulometría y textura del suelo ⁸. Dado que la mayor parte de los SS se eliminan en la superficie del terreno, es preciso diseñar los sistemas de tratamiento de forma que se minimice la pérdida en su capacidad de filtración.

Materia Orgánica. La trasformación de la MO se da por degradación bacteriana, desarrollándose principalmente en la superficie del terreno en condiciones aeróbicas. Las plantas asimilan los nutrientes de la MO (fitoextracción) llevándose a cabo dos procesos principales de transformación: la fotosíntesis y la respiración aeróbica realizadas por bacterias aeróbicas en los llamados horizontes aeróbicos (suelo), donde la degradación se da hasta 5cm de profundidad en las zonas cercanas a las raíces ⁹. A medida que el agua percola en el suelo las cantidades de O₂ se reducen produciendo condiciones de anaerobiosis, donde las bacterias heterótrofas anaeróbicas pueden degradar la MO por vía anóxica, utilizando el nitrato (NO₃ ^-) como aceptor de electrones (proceso de desnitrificación) ⁸. La degradación anaeróbica de la MO básicamente sigue los procesos de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis ¹⁰, para obtener como productos finales principalmente CO₂ y CH₄ (Esquema 1) ¹¹.

El proceso inicia con la hidrólisis de biopolímeros orgánicos complejos (proteínas, carbohidratos y lípidos) en monómeros (aminoácidos, azúcares, ácidos grasos de cadena larga), por acción de bacterias hidrolíticas. Es importante señalar que, en la acidogénesis y acetogénesis los productos finales de la hidrólisis se transforman en ácidos orgánicos de cadena corta, H₂ y CO₂⁸. Finalmente, en la metanogénesis por acción de las bacterias metanogénicas se produce CH₄.

Nitrógeno. Las aguas residuales urbanas se caracterizan por contener N fundamentalmente en forma de NH₄ ⁺, NO₃ ^- y N orgánico ¹². Los mecanismos implicados en la eliminación de N varían en función de la forma en que este nutriente esté presente:

En el tratamiento de aguas residuales con FVs, los nutrientes (N, P) son captados y retenidos por la planta para luego ser expulsado, a través de las hojas y las raíces a la atmósfera. La descontaminación se realizará por bombeo orgánico a través de los nódulos de la raíz, la misma que presenta alta capacidad de absorción de agua. Esta acción de absorción de agua disminuye la lixiviación de los contaminantes hacia capas profundas del suelo ⁷. Se ha informado que existe un acoplamiento exacto del transporte gaseoso a nivel bioquímico que es necesario, porque el CH₄ y el N₂O pueden producirse y consumirse en el suelo, y el eventual flujo a la atmósfera depende de los sitios de reacción y las vías de escape de estos gases ¹⁴.

La actividad microbiana, procesos de descomposición química, así como, la respiración heterotrófica de los microorganismos, producen GEI en los suelos. Durante el proceso de depuración con FVs, la respiración anaerobia, aerobia y las reacciones como la metanogénesis y la desnitrificación, se ven afectados por factores externos; como la carga orgánica contenida en el agua residual, que implica mayor producción de gases, en especial CH₄¹⁵.

Temperatura. La temperatura del suelo puede explicar el 74 y el 86 % de las variaciones de las emisiones de NO y N₂O, respectivamente. Un aumento de la temperatura del suelo conduce a emisiones más altas y a tasas de respiración del suelo más altas como respuesta de retroalimentación positiva del aumento del metabolismo microbiano. Las emisiones de CH₄ y N₂O también se ven forzadas por el aumento de las tasas de respiración del suelo con el aumento de las temperaturas del suelo ¹⁶.

Exposición y presión de aire. La exposición del sitio (elevación, posición morfológica, cubierta vegetal) influye en la temperatura y la humedad del suelo. Las emisiones de N₂O son más altas en las depresiones que en las pendientes y crestas debido a la mayor humedad del suelo. Una presión de aire más baja soporta mayores emisiones del suelo debido a la contrapresión reducida en el suelo ¹⁶.

Materia orgánica. La MO del suelo es una mezcla diversa compuesta por biomasa microbiana, raíces muertas, residuos vegetales en diversas etapas de descomposición y humus del suelo ¹⁷, siendo el humus el resultado de la actividad microbiana que comprende el 60-80 % de la MO total del suelo.

La descomposición de la MO constituye un proceso biológico básico en el que el C es recirculado hacia la atmósfera, como CO₂; el N está disponible, como NH₄ ⁺ y NO₃ ^- aparecen en la forma requerida por las plantas superiores. En este proceso una parte del C es asimilado dentro del tejido microbiano (biomasa del suelo) y otra parte es convertido en humus ¹⁸.En el proceso de mineralización y descomposición de la MO, se emite CO₂ a la atmósfera; mientras que, durante el tiempo que el C está formando parte de las estructuras de la planta considerando al mismo, como retenido (sumidero de C). Lo mismo ocurre con el C que forma parte de materiales biodegradables (humus) no biodisponibles ¹⁸.

A mayor contenido de C retenido en las plantas o el suelo y durante mayor tiempo, entonces menor es la cantidad que existirá en la atmósfera. La aplicación de aguas residuales al suelo incrementa significativamente el contenido de C orgánico en todas las formas de C, tanto formas lábiles, como fracción recalcitrante¹⁹. La enmienda del suelo con carbón vegetal que se obtiene de restos vegetales y residuos de biomasa (biochar)evalúa a nivel mundial, como un medio para mejorar la fertilidad del suelo, mitigar el cambio climático ^20,21 y disminuir las emisiones de GEIs del suelo, como el N₂O o el CH₄.

Se ha demostrado que la producción sostenible de biochar (utilizado como enmienda de los suelos) tiene el potencial de mitigación debido a su naturaleza altamente recalcitrante, lo que ralentiza la velocidad a la que el C fijado fotosintéticamente regresa a la atmósfera ²². Es posible que el CO₂ precipite como CO₃ ^2- en superficies de biochar, que tienen pH alto y metales alcalinos abundantes, lo que explicaría la detección reducida de CO₂, a pesar de los aumentos medidos en la biomasa microbiana ²³.

Actividad microbiana. Los microorganismos del suelo representan la fracción viva de la MO, y de ellos va a depender, en gran parte, la obtención de materiales recalcitrantes pero otra gran parte de la MO es transformada por los microorganismos hasta convertirse en MO recalcitrante ²⁴.

El contenido de MO y la cantidad de N del suelo controlan la actividad microbiana. El suelo es un hábitat favorable para la proliferación de microorganismos y en las partículas que lo forman se desarrollan microcolonias. Los microorganismos aislados del suelo comprenden virus, bacterias, hongos algas y protozoos. Las concentraciones de MO son relativamente altas en dichos ambientes, los cuales favorecen el desarrollo de microorganismos heterótrofos. Grandes aportaciones de MO y nutrientes pueden mejorar el crecimiento de organismos microbianos y, por lo tanto, los procesos de nitrificación y desnitrificación proporcionan mayor cantidad de C orgánico disuelto (COD) ²⁵.

Vegetación. La selección de la vegetación a implantar en los FVs dependerá de la función del tipo de cultivo y la edad, siendo óptimos aquellos que presenten una elevada capacidad de asimilación de nutrientes, rápido crecimiento, gran consumo de agua por transpiración, tolerancia a los suelos húmedos, escasa sensibilidad a los componentes del agua residual y unas mínimas exigencias de explotación ²⁶.

Entre los cultivos que reúnen todas, o la mayoría, de estas condiciones se encuentran diferentes especies herbáceas (césped grama (Cynodon dactylon), raigrás (Lolium), raigrás italiano (Lolium multiflorum), etc.) y ciertas especies arbóreas como sauce (Salix spp.) álamo o chopo (Populus spp.) y eucalipto (Eucalyptus spp). El uso de especies arbóreas con una alta tasa de evapotranspiración y el hecho de que sus sistemas radiculares muestren una excelente tolerancia a las condiciones anaeróbicas, permite la aplicación de cantidades considerables de aguas residuales. Generalmente las especies arbóreas como son los sauces (Salix spp.) álamos o chopos (Populus spp.) y eucalipto (Eucalyptus spp.) ²⁵.

Los sistemas agroforestales (AFS, por sus siglas en inglés de Agroforestry System) han recibido mayor atención debido a su capacidad de secuestrar CO₂ de la atmósfera en la biomasa aérea, tallos, ramas y follaje, y en la biomasa subterránea, es decir, en raíces y en el suelo. Se cree que los AFS tienen un gran potencial de secuestro de C debido a su capacidad de captura y utilización de recursos de crecimiento (luz, nutrientes y agua) que los sistemas de monocultivos o pastos ²⁷.

El volumen de biomasa aérea y los sistemas de raíces profundas de árboles en los AFS han recibido una mayor atención para la adaptación y mitigación del cambio climático. En los sistemas agroforestales hasta 1m de profundidad en el suelo, las estimaciones globales del potencial de secuestro de C en un período de 50 años oscilan entre 1,1 y 2,2 mg C año^-1 pero en particular, las estimaciones del área terrestre son muy inciertas ²⁸.

El sauce (Salix spp.), álamo o chopo (Populus spp.) y eucalipto (Eucalyptus spp.) son los principales tipos de vegetación arbórea utilizada en los FVs. En particular, la presencia de sauces y álamos influye positivamente en el proceso de tratamiento de GEIs ²⁹. De igual manera estudiaron el rendimiento del álamo, ya que el proceso de fotosíntesis está entre los más altos debido a su gran capacidad de crecimiento, y por fijar CO₂ de la atmósfera ²⁵.

En países como Suecia, Polonia, Dinamarca y Estonia se ha comprobado la eficiencia de sauce como filtro verde en la purificación de aguas residuales donde las raíces tienen la capacidad de absorber del 75-95 % del nitrógeno (N) y el fósforo (P) en las aguas residuales ³⁰. Cuando se utiliza sauce con fines energéticos, es decir, para la conversión de electricidad de calor, esta fuente de energía puede ser considerado como CO₂ neutral, debido a que no afecta a la cantidad de los llamados gases de efecto invernadero en la atmósfera.

Durante el crecimiento, el sauce recupera la misma cantidad de CO₂ a medida que se libera durante la combustión, y el tiempo de demora es una cuestión de meses en lugar de años ³⁰.

In green filters, purification occurs naturally, based on ecological and biological principles that complement or replace current civil works. It consists of a forest plantation area (mainly poplars, willows or eucalyptus) on which a controlled flow is applied of residual water, where the physical filtration, the absorption in the soil, the biodegradation and the absorption of the plant are the main physical, chemical and biological processes. With the joint action between the soil the microorganisms and the plants are responsible for the attenuation of pollutants ⁴, optimal and recommended for populations of less than 25,000 inhabitants ⁵.

In this type of treatment, the soil acts as a receiving medium for wastewater and as an active agent in the purification process, mainly eliminating nutrients, organic matter (OM), microorganisms and other components, such as heavy metals or organic micro-contaminants. In the green filters, (FVs) arboreal vegetation is installed (poplars, willows or eucalyptus) and a controlled flow of pre-treated residual water is applied as irrigation water. The water evaporates partially and the rest is captured by the roots of the trees and filtered (to a greater or lesser extent depending on the design criteria), through the soil ⁶.

Plants, microorganisms and soil interrelate to carry out purification processes, where physical processes, such as filtration, occur; chemical, such as precipitation or ion exchange and biological, such as the degradation of OM found in water ⁽⁷.

Next, the mechanisms of elimination of the pollutants present in the wastewater are described, detailing which are the physical, chemical and biological processes that will lead to the formation of the different GHGs.

Suspended solids. In water treatment systems, by applying residual water to the ground, the removal of suspended solids (SS), organic and inorganic, occurs mainly by filtration, through the whole that forms the soil with the rhizomes and roots depending on the grain size and texture of the soil ⁸. Since most of the SS is removed on the ground surface, treatment systems need to be designed in a way that minimizes loss in filtration capacity.

Organic Matter. The transformation of OM occurs by bacterial degradation, developing mainly on the ground surface in aerobic conditions. Plants assimilate the nutrients from OM (phytoextraction), carrying out two main transformation processes: photosynthesis and aerobic respiration carried out by aerobic bacteria in the so-called aerobic horizons (soil), where degradation occurs up to 5 cm deep in the areas near the roots ⁹. As water percolates in the soil, the amounts of O₂ are reduced, producing anaerobic conditions, where anaerobic heterotrophic bacteria can degrade OM by anoxic route, using nitrate (NO₃ ^-) as electron acceptor (denitrification process) ⁸. Anaerobic degradation of OM follows the processes of hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis ¹⁰, to obtain mainly CO₂ and CH₄ as final products (Scheme 1) ¹¹.

The process begins with the hydrolysis of complex organic biopolymers (proteins, carbohydrates and lipids) into monomers (amino acids, sugars, long-chain fatty acids), by the action of hydrolytic bacteria. It is important to note that, in acidogenesis and acetogenesis, the products of hydrolysis are transformed into short-chain organic acids, H₂ and CO₂⁸. Finally, CH₄ is produced in the methanogenesis by action of the methanogenic bacteria.

Nitrogen. Urban wastewater is characterized by containing N mainly in the form of NH₄ ⁺, NO₃ ^- and organic N ¹². The mechanisms involved in the elimination of N vary depending on the way in which this nutrient is present:

In the treatment of residual waters with FVs, the nutrients (N, P) are captured and retained by the plant to be later expelled through the leaves and roots into the atmosphere. Organic pumping through the root nodules, which has a high water absorption capacity, will carry out decontamination. This action of water absorption decreases the leaching of pollutants into deep layers of the soil ⁷. It has been reported that there is an exact coupling of gas transport at the biochemical level that is necessary, because CH₄ and N₂O can be produced and consumed in the soil, and the eventual flow to the atmosphere depends on the reaction sites and the escape routes of these gases ¹⁴.

Microbial activity, chemical decomposition processes, as well as the heterotrophic respiration of microorganisms, produce GHG in soils. During the purification process with VFs, anaerobic, aerobic respiration and reactions such as methanogenesis and denitrification are affected by external factors; as the organic load contained in the waste water, which implies greater production of gases, especially CH₄¹⁵.

Temperature. Soil temperature can explain 74 and 86 % of the variations in NO and N₂O emissions, respectively. An increase in soil temperature leads to higher emissions and higher soil respiration rates as a positive feedback response to increased microbial metabolism. CH₄ and N₂O emissions are also by increasing soil respiration rates forced with increasing soil temperatures ¹⁶.

Exposure and air pressure. Exposure of the site (elevation, morphological position, vegetation cover) influences soil temperature and humidity. N₂O emissions are higher on troughs than on slopes and ridges due to higher soil moisture. Lower air pressure supports higher soil emissions due to reduced backpressure in the ground ¹⁶.

Organic matter. The OM of the soil is a diverse mixture composed of microbial biomass, dead roots, plant residues in various stages of decomposition and soil humus ¹⁷, being the humus the result of microbial activity that comprises 60-80 % of the total OM of the soil.

The decomposition of OM constitutes a basic biological process in which C is recirculated into the atmosphere, as CO₂; N is available, as NH₄ ⁺ and NO₃ ^- appear as required by higher plants. In this process, part of the C is assimilated into the microbial tissue (soil biomass) and another part is converted into humus ¹⁸. In the process of mineralization and decomposition of OM, CO₂ is emitted into the atmosphere; while, during the time that C is forming part of the plant structures, considering C as retained (C sink). The same occurs with C, which is part of non-bioavailable biodegradable materials (humus) ¹⁸.

The higher the content of C retained in plants or soil and for a longer time, then the less is the amount that will exist in the atmosphere. The application of wastewater to the soil significantly increases the content of organic C in all forms of C, both labile forms and recalcitrant fraction ¹⁹. The amendment of the soil with charcoal obtained from plant remains and biomass residues (biochar) is evaluated worldwide, as a means to improve soil fertility, mitigate climate change ^20,21 and decrease GHG emissions from the ground, such as N₂O or CH₄.

Sustainable biochar production (used as a soil amendment) has been shown to have the mitigation potential due to its highly recalcitrant nature, slowing down the rate at which photosynthetically bound C returns to the atmosphere ²². It is possible that CO₂ precipitates as CO₃ ^2- on biochar surfaces, which have high pH and abundant alkali metals, which would explain the reduced detection of CO₂, despite the increases measured in microbial biomass ²³.

Microbial activity. The microorganisms in the soil represent the living fraction of the OM, and the obtaining of recalcitrant materials will largely depend on them but microorganisms to become recalcitrant OM ²⁴ transform another large part of OM.

The MO content and the amount of N in the soil control microbial activity. The soil is a favorable habitat for the proliferation of microorganisms and microcolonies develop in the particles that form it. Microorganisms isolated from the soil include viruses, bacteria, fungi, algae and protozoa. OM concentrations are relatively high in such environments, which favor the development of heterotrophic microorganisms. Large contributions of OM and nutrients can improve the growth of microbial organisms and, therefore, the nitrification and denitrification processes provide a greater amount of dissolved organic C (COD) ²⁵.

Vegetation. The selection of the vegetation to be implanted in the FVs will depend on the function of the cultivation type and the age. Being optimal those that present a high capacity of assimilation of nutrients, rapid growth, great consumption of water by transpiration, tolerance to humid soils, low sensitivity to the components of the wastewater and minimal operating requirements ²⁶.

Among the crops that meet all, or most, of these conditions are different herbaceous species (couch grass) (Cynodon dactylon), ryegrass (Lolium), Italian ryegrass (Lolium multiflorum), and certain tree species such as willow (Salix poplar) or poplar (Populus spp.) and eucalyptus (Eucalyptus spp). The use of tree species with a high rate of evapotranspiration, and the fact that their root systems show excellent tolerance to anaerobic conditions, allows the application of considerable amounts of wastewater. Generally tree species such as willows (Salix spp.) Poplars (Populus spp.) and eucalyptus (Eucalyptus spp.) ²⁵.

Agroforestry systems (AFS) have received increased attention due to their ability to sequester CO₂ from the atmosphere in aerial biomass, stems, branches and foliage, and in underground biomass, i.e. roots and on the ground. AFS are to have great potential for C sequestration believed due to their ability to capture and use growth resources (light, nutrients and water) than monoculture or pasture systems ²⁷.

The volume of aboveground biomass and deep tree root systems in the AFS have received increased attention for adaptation and mitigation of climate change. In agroforestry systems up to 1m deep in the ground, global estimates of C sequestration potential over a 50-year period range from 1.1 to 2.2 mg C year^-1 but in particular, land area estimates are very uncertain ²⁸.

Willow (Salix spp.), Poplar (Populus spp.) and eucalyptus (Eucalyptus spp.) are the main types of tree vegetation used in PV. In particular, the presence of willows and poplars positively influences the GHG treatment process ²⁹. In the same way, they studied the performance of the poplar, since the photosynthesis process is among the highest due to its great capacity for growth, and for fixing CO₂ from the atmosphere ²⁵.

In countries such as Sweden, Poland, Denmark and Estonia, the efficiency of willow as a green filter in wastewater purification has been proven where the roots have the capacity to absorb 75-95 % of nitrogen (N) and phosphorus (P) in wastewater (30). When willow is used for energy purposes, that is, for the conversion of electricity from heat, this energy source can be considered as CO₂ neutral, because it does not affect the amount of so-called greenhouse gases in the atmosphere.

During growth, willow recovers the same amount of CO₂ as it is released during combustion, and the delay time is a matter of months rather than years ³⁰.