Del mismo modo que el microprocesador es la parte central de un ordenador, los organismos vegetales son una pieza clave en nuestro planeta. No solo son responsables de generar el oxígeno que respiramos, sino que también sirven como alimento para los seres humanos y los animales. Además son fuente de materias primas como el algodón, el papel o la leña y permiten obtener sustancias con aplicaciones farmacológicas como la aspirina o la morfina.

Por estos motivos el ser humano ha desarrollado una gran cantidad de técnicas para mejorar la productividad de los cultivos de estas especies vegetales, siendo una de las más conocidas el uso de fertilizantes. No obstante, su empleo conlleva algunos aspectos negativos y es por ello que quizá es hora de decir adiós a los fertilizantes y dar la bienvenida a una alternativa más económica y respetuosa con el medio ambiente, los biofertilizantes, que son microorganismos como rizobios o cianobacterias que promueven el crecimiento vegetal.

Un poco de historia sobre los fertilizantes

A lo largo de la historia el ser humano ha sido consciente de la enorme importancia que tenían las plantas y organismos vegetales para su supervivencia. Al comienzo del otoño los mayas realizaban el Jo’ol che’ kool u ofrenda al maíz para garantizar una buena cosecha de este cereal, el cual suponía la base de su dieta. Las malas cosechas implicaban hambrunas y por ello los romanos rendían culto a Ceres, que era la diosa de la agricultura y quien había enseñado a los humanos a cultivar la tierra.

Tal es la relevancia de los vegetales para el ser humano que la Biblia menciona que el lugar que Dios creó para Adán en Edén era un huerto: “Y Dios plantó un huerto en Edén, al oriente; y puso ahí al hombre que había formado.” (Génesis 2:8). Por su parte, el Islam directamente utiliza la palabra árabe Yanna, que significa jardín, para referirse al Paraíso: “Quien obedezca a Allah y a Su mensajero, Él le hará entrar en jardines por cuyo suelo corren los ríos donde serán inmortales.” (Corán 4:13).

Es por ello que, pese a surgir de forma independiente, en todas las grandes civilizaciones que se originaron en nuestro planeta, la agricultura era una pieza clave. Bien fuera el arroz en Asia, el trigo en Europa o el maíz en América, en los tres casos hay un denominador común: un cereal como base de la alimentación. Además de servir como alimento, las plantas también permitían obtener material de construcción o productos medicinales, y nuestros antepasados eran plenamente conscientes de ello. Por eso, junto con el desarrollo de la agricultura, fueron surgiendo técnicas para mejorar la productividad de los cultivos. Una de las más importantes fue el uso de los fertilizantes o abonos, que son sustancias que aportan a la plantas nutrientes que son escasos o no están presentes en el suelo, potenciando así su crecimiento.

Pese a que no conocían cuál era su fundamento científico, se han encontrado evidencias de que los agricultores de Egipto y Mesopotamia empleaban restos óseos, estiércol o cenizas para mejorar la productividad de los cultivos en el primer milenio antes de Cristo. Hoy en día sabemos que los fertilizantes mejoran el desarrollo de los cultivos porque aportan a las plantas nutrientes que son necesarios para su crecimiento, principalmente nitrógeno, fósforo y potasio. Así, aunque fuese de forma inconsciente, los primeros agricultores aportaban fosfatos gracias a los restos óseos, nitratos mediante los excrementos del estiércol y potasio a través de las cenizas, y esto les permitía obtener una mayor producción agrícola.

Pese a su aparente simplicidad, el uso de sustancias naturales como fertilizantes se mantuvo vigente hasta el siglo XX. Todavía hoy se conserva alguno de los carteles del ‘Nitrato de Chile’, que inundaron la España rural en las primeras décadas del siglo XX y que promocionaban el uso de este fertilizante. El ‘Nitrato de Chile’, el cual se obtenía de los grandes depósitos de guano (excrementos de aves) presentes en este país sudamericano, fue durante años uno de los principales abonos empleados en todo el planeta, pues proporcionaba una importante fuente de nitrógeno para los cultivos gracias a su alto contenido en nitratos. Sin embargo, no tardaría en ser reemplazado por los fertilizantes industriales.

En las primeras décadas del siglo XX, Carl Bosch y Fritz Haber, dos químicos alemanes, desarrollaron un proceso industrial que permitía la obtención de amoniaco a partir del nitrógeno presente en la atmósfera y que, haciendo honor a sus descubridores, recibe el nombre de proceso Haber-Bosch. Esta reacción tuvo tal importancia que supuso la concesión de dos Premios Nobel (en 1918 para Haber y en 1931 para Bosch) y proporcionó a los alemanes una importante fuente de amoniaco para fabricar explosivos durante la Primera Guerra Mundial.

Además de con fines bélicos, el proceso Haber-Bosch tenía otra aplicación muy importante, y es que permitía la obtención de abonos nitrogenados de forma industrial. De hecho, junto con el uso de variedades de plantas más productivas y de nuevos métodos de cultivo, los fertilizantes industriales fueron uno de los pilares de la Revolución Verde, que consistió en un gran incremento de la productividad agrícola en la segunda mitad del siglo XX.

Los abonos industriales, un arma de doble filo

A nivel conceptual, el proceso de Haber Bosch es muy sencillo, pues consiste en la reacción del nitrógeno molecular (N₂) con hidrógeno molecular (H₂) para formar amoniaco (NH₃), el cual puede ser transformado en otras formas de nitrógeno llamadas nitratos y nitritos y ser asimilado por las plantas. Sin embargo, a nivel industrial se trata de un proceso muy complicado, ya que el nitrógeno molecular es una molécula muy estable y poco reactiva. Esto se debe a que los dos átomos de nitrógeno que forman el nitrógeno molecular (N₂) están conectados por un enlace triple y por tanto se mantienen fuertemente unidos. Por ello, dado que la formación del amoniaco implica romper este enlace triple, el proceso industrial requiere condiciones de alta presión (150-300 veces la presión atmosférica) y alta temperatura (200-300 ºC) y su rendimiento es bajo, de en torno al 10-20 %.

Su importancia es innegable, pues se estima que la reacción Haber-Bosch produce más de 100 millones de toneladas de fertilizantes al año, que son responsables del sustento de más de un tercio de la población mundial. Sin embargo este proceso no está exento de desventajas. Las condiciones de alta presión y alta temperatura necesarias para que tenga lugar esta reacción ocasionan que en torno al 8 % del consumo de energía de nuestro planeta se destine a este proceso. Además del alto consumo de energía, con el consecuente impacto a nivel ambiental y a nivel económico, otra de las principales desventajas del uso de fertilizantes químicos es que pueden dar lugar a problemas de eutrofización.

La eutrofización consiste en un incremento excesivo de nutrientes en ecosistemas acuáticos, principalmente nitrógeno y fósforo, que dan lugar a un crecimiento desmedido de algas y otros organismos acuáticos, los cuales terminan cubriendo toda la superficie del agua. La proliferación de estos organismos provoca un enturbiamiento del agua, lo que impide que la luz penetre al fondo del ecosistema acuático y, como consecuencia, ocasiona que la vegetación presente en el agua no pueda realizar la fotosíntesis y muera. Esto implica, por un lado, la desaparición de la principal fuente de oxígeno del ecosistema acuático y, por otro, el aumento de la actividad de organismos descomponedores, que al descomponer las plantas muertas consumen oxígeno y disminuyen todavía más los niveles de este gas en el agua.

Como consecuencia, finalmente se termina agotando el oxígeno del ecosistema, ocasionando la muerte de las formas de vida ahí presentes, como peces o moluscos. Por tanto, la eutrofización provoca un enorme desequilibrio en el ecosistema, dando lugar a graves pérdidas de biodiversidad. Además puede tener graves consecuencias en la producción piscícola y afectar a la calidad de las aguas, pues la descomposición de los organismos puede generar malos olores y algunos de los brotes de algas pueden producir toxinas.

Una de las principales causas de la eutrofización es el uso de cantidades excesivas de fertilizantes químicos. Cuando los fertilizantes se añaden en exceso a los cultivos, las plantas no pueden absorben todos los nutrientes, de modo que éstos terminan filtrándose en la tierra y llegando a ríos o aguas subterráneas. Por ello, es de interés implementar alternativas a los fertilizantes industriales que tengan un menor coste económico y un menor impacto ambiental. Por suerte, la solución a este problema ya existe y se encuentra en la propia naturaleza: los biofertilizantes

Los biofertilizantes: rizobios y cianobacterias

Los biofertilizantes consisten en microorganismos que colonizan la rizosfera (la parte del suelo más cercana a las raíces de las plantas) y promueven el crecimiento vegetal al aumentar el suministro o la disponibilidad de nutrientes. Sus actividades principales se pueden resumir en tres: la fijación de nitrógeno atmosférico, que aporta compuestos nitrogenados a la planta; la solubilización de potasio o fosfatos insolubles del suelo; y la producción de sustancias que estimulan el crecimiento de las plantas. No obstante, los más importantes y más ampliamente estudiados son los organismos fijadores de nitrógeno.

La fijación biológica de nitrógeno es un proceso que, a nivel químico, recuerda al proceso de Haber-Bosch, pues consiste en la transformación del nitrógeno molecular presente en la atmósfera, el cual no puede ser asimilado por las plantas, en amoniaco, que si puede ser incorporado por estos organismos. Dentro de las bacterias el proceso es posible gracias a la presencia de una enzima que recibe el nombre de nitrogenasa, que sería una especie de reactor químico molecular equivalente al reactor químico donde tiene lugar el proceso de Haber Bosch.

No obstante, a diferencia del proceso industrial, la fijación biológica de nitrógeno es llevada a cabo por microorganismos y no requiere de condiciones de alta presión y temperatura. Esto evita el enorme gasto energético necesario para producir los fertilizantes nitrogenados lo que, además de disminuir el coste económico, reduce el enorme impacto ambiental que conlleva la producción industrial de abonos, paliando así efectos negativos como el cambio climático o el calentamiento global. Además, los biofertilizantes son más respetuosos con el medio ambiente y más eficientes a la hora de suministrar compuestos nitrogenados a la planta, evitando los problemas de eutrofización mencionados anteriormente.

A grandes rasgos, existen principalmente dos tipos de bacterias fijadoras de nitrógeno que pueden usarse como biofertilizantes: los rizobios y las cianobacterias.

Los rizobios son una familia de bacterias que forman nódulos en las raíces de plantas leguminosas como tréboles, soja, alfalfa o alubias. Estos organismos establecen una relación de cooperación con la planta que recibe el nombre de simbiosis rizobio-leguminosa, gracias a la cual los rizobios fijan el nitrógeno atmosférico y proporcionan compuestos nitrogenados a la planta. La simbiosis rizobio-leguminosa ha sido empleada desde la antigüedad, pues ya en la Edad Media los agricultores llevaban a cabo rotación de sus cultivos con leguminosas y de esta manera, gracias a la fijación de nitrógeno llevada a cabo por los rizobios, aportaban nitrógeno a los suelos y permitían abonarlos para futuros cultivos.

Las cianobacterias son el otro tipo de organismos capaces de fijar nitrógeno atmosférico. Estos organismos ya han aparecido en artículos anteriores, pues se ha puesto de manifiesto que tienen un conjunto de características idóneas para servir como base de futuros ecosistemas en otros planetas. Sin embargo, no es necesario llevarlas al espacio para que sean de utilidad, puesto que en nuestro planeta desempeñan un papel muy importante en los ecosistemas y tienen numerosas aplicaciones biotecnológicas.

Las cianobacterias son un tipo de microorganismos que, al igual que las plantas, son capaces de llevar a cabo la fotosíntesis, es decir, pueden producir sus propios nutrientes a partir de dióxido de carbono y agua, empleando la energía proporcionada por la luz y generando oxígeno en el proceso. Además de poder llevar a cabo la fotosíntesis, hay algunas especies de cianobacterias como Anabaena que también disponen de la enzima nitrogenasa, el pequeño reactor biológico capaz de transformar el nitrógeno atmosférico en nitrógeno asimilable por las plantas. Por tanto, al igual que los rizobios, las cianobacterias tienen también un gran potencial como biofertilizantes.

Sin embargo, la nitrogenasa presenta una peculiaridad, y es que es extremadamente sensible al oxígeno. Teniendo en cuenta que las cianobacterias generan oxígeno durante la fotosíntesis esto aparentemente supone un problema, pero las cianobacterias han desarrollado mecanismos que les permiten llevar a cabo ambos procesos.

Algunas especies de cianobacterias como Anabaena, que crecen formando filamentos de células, son capaces de diferenciar a algunas de las células del filamento a heterocistos, que son células especializadas en fijación de nitrógeno. Los heterocistos se caracterizan por la ausencia de la maquinaria fotosintética y por la presencia de dos gruesas envueltas celulares, lo que permite crear un ambiente anaeróbico en el que puede funcionar la nitrogenasa. Así, las cianobacterias son capaces de llevar a cabo tanto la fotosíntesis como la fijación de nitrógeno en el mismo filamento.

Al igual que los agricultores medievales aprovechaban la simbiosis rizobio-leguminosa para abonar los suelos con nitrógeno, los agricultores asiáticos se han aprovechado a lo largo de la historia de la simbiosis de Anabaena con Azolla, un tipo de helecho, para fertilizar campos de arroz. Pese aunque todavía queda camino por recorrer, la sustitución de los fertilizantes industriales por biofertilizantes basados en cianobacterias no es ciencia ficción, pues en los últimos años se ha evidenciado el gran potencial que tienen estos organismos para fertilizar cultivos de forma muy eficiente.

Varios trabajos recientes, que además se han llevado a cabo en España, han puesto de manifiesto que cianobacterias fijadoras de nitrógeno como Anabaena tienen un gran potencial como biofertilizantes y que esta especie de cianobacterias podría establecer simbiosis con plantas de arroz y proporcionarle a este cereal el nitrógeno necesario para su crecimiento mediante la fijación biológica del nitrógeno presente en el aire. Estos trabajos son de gran interés, pues abren la puerta a poder usar las cianobacterias como biofertilizantes en el cultivo de cereales, sustituyendo a los abonos nitrogenados. De este modo, quizá en el futuro veamos como los icónicos carteles de ‘Abonad con Nitrato de Chile’ son sustituidos por carteles de ‘Abonad con cianobacterias’.

Conclusión

El cultivo de especies vegetales ha sido crucial para el desarrollo del ser humano a lo largo de toda la historia y por ello se han implementado estrategias para mejorar la productividad vegetal. Una de ellas es el uso de fertilizantes que, pese a mejorar el crecimiento de los cultivos, tienen un elevado coste económico y consecuencias negativas sobre el medio ambiente como la eutrofización. Una alternativa más económica y más respetuosa con el medio ambiente es el uso de biofertilizantes, que son microorganismos que promueven el crecimiento vegetal.

Dentro de los microorganismos biofertilizantes, los más importantes son aquellos capaces de fijar el nitrógeno atmosférico, como los rizobios y las cianobacterias, que transforman el nitrógeno atmosférico en otras formas de nitrógeno que pueden ser empleadas por las plantas. Por ello, actualmente se está explorando el potencial de estos organismos para remplazar a los fertilizantes industriales, con todas las ventajas tanto a nivel ambiental como a nivel económico que ello supone.

Artículo editado por Ada Muñoz Cazalla

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