Según Naciones Unidas, se prevé que la población mundial alcance los 9.800 millones de personas en 2050 y los 11.200 millones en 2100 [1]. Este aumento demandará un 70% más de alimentos de los que ya consumimos hoy en día.
Los números indicados arriba tienen en cuenta varios factores, tales como los cambios en los hábitos alimentarios. Teniendo un cuenta que los países en desarrollo incrementarán su poder económico, se predice que la población global acabará comiendo más proteínas animales y productos lácteos. En consecuencia, esto implica una mayor producción de materias primas para la alimentación del ganado en sistemas intensivos. Además, una parte importante de los cereales se utiliza para la producción de biocombustibles en lugar del consumo de alimento [2], lo que desvía el uso de tierras agrícolas en un debate conocido como «alimentación vs. combustibles«. Lo cierto es que la mayor parte de la tierra cultivable disponible hoy en día ya se está utilizando. Por lo tanto, el futuro de la agricultura se enfrenta al desafío de proporcionar un suministro de alimentos sostenible y seguro a esta población creciente, minimizando así tanto el terreno agrícola como los insumos químicos [3].
A día de hoy, el nitrógeno es uno de los principales nutrientes que limitan el crecimiento de las plantas y la productividad de los cultivos. Este elemento es esencial para todos los organismos vivos por ser la base de importantes biomoléculas tales como el ADN y las proteínas. A pesar de ser el gas más abundante en la atmósfera (~78%), ni los animales ni las plantas podemos “respirar” nitrógeno. La razón tras este hecho se esconde tras el triple enlace químico que une los dos átomos de nitrógeno que conforman el nitrógeno atmosférico (N2). Dada las dificultades para «romper» este triple enlace (y, en consecuencia, de incorporarlo fácilmente en nuestros sistemas), la mayoría de seres vivos tenemos la necesidad de incorporar proteína en nuestas dietas como fuente de nitrógeno. Antes de que nuestro organismo pueda utilizar el nitrógeno presente en la proteína consumida, ésta tiene que ser procesada y modificada en otros compuestos químicos tales como amonio (NH3) o nitrato (NO4). En el caso de las plantas, este aporte externo de nitrógeno se realiza a través de fertilizantes químicos.
En Europa, los fertilizantes se han aplicado a los cultivos desde principios del siglo XIX. Su uso comercial comenzó en 1802 cuando el explorador alemán Alexander von Humboldt y el botánico francés Aimé Bonpland trajeron de su expedición en Sudamérica muestras de ‘Guano‘, un fertilizante rico en nitrógeno formado a partir de excrementos de aves acumulados en las islas costeras de Perú durante cientos de años [4]. Estos yacimientos llegaron a ser tan valiosos que dieron lugar a la guerra entre Perú y Chile de 1879 a 1883 (Guerra del Pacífico). A fines del siglo XIX, los depósitos de Guano ya estaban agotados, lo que condujo nuevamente a la escasez de fuentes de nitrógeno para uso agrícola.
En 1909, el proceso Haber-Bosch, considerado uno de los mayores descubrimientos del siglo XX, revolucionó el mundo. Este método fue desarrollado por Fritz Haber, un químico alemán conocido como el padre de la agricultura moderna, aunque también como el de la guerra química [5]. Tras aplicar el método Haber-Bosch, el problema del triple enlace entre los dos átomos de nitrógeno pudo resolverse: el uso de catalizadores de hierro a altas temperaturas y presiones pudo romper el enlace y generar amoníaco. Por este descubrimiento, el cual dio lugar a la fabricación económica de amoníaco, recibió el Premio Nobel de Química en 1918. Este método fue llevado a escala industrial por Carl Bosch, químico que también ganó el Premio Nobel en 1931. Gracias a ambos científicos, los fertilizantes químicos se han utilizado ampliamente en la agricultura desde entonces – ¡los encontramos incluso en los jardines y huertos de nuestras casas! Teniendo en cuenta el impacto de estas aportaciones a nuestro estilo de vida el método Haber-Bosch es conocido a día de hoy como el «detonador de la explosión demográfica» [6].
El uso de fertilizantes químicos ha impulsado la población mundial de 1.600 millones en 1900 a casi 8.000 millones en la actualidad. Ya en 2004, sustentaba aproximadamente a 2 de cada 5 personas. A partir de 2015, sustenta a casi la mitad de las personas del planeta [7]. Como puedes imaginar, la paradoja del nitrógeno es complicada: mientras que la falta de nitrógeno es un problema, el exceso de nitrógeno también lo es: “festín o hambruna” [8]. En muchas regiones tales como el África subsahariana, los rendimientos de los cultivos de cereales están limitados por la inaccesibilidad económica de los agricultores a dichos fertilizantes. De hecho, el reciente incremento en el coste de las materias primas, las interrupciones del suministro y las restricciones comerciales están resultando en una grave escasez de fertilizantes y en el aumento de los precios en todo el mundo: el índice de precios de fertilizantes del Banco Mundial aumentó casi un 15% desde principios de este año, más del triple de los precios de 2020 [9]. En la otra cara de la moneda, el uso excesivo de fertilizantes afecta al medio ambiento y a la salud global, ya que contamina las vías fluviales al filtrarse del suelo y libera gases de efecto invernadero. Para hacer frente a estos problemas ambientales, las estrategias ‘Farm-to-Fork’ and ‘Biodiversity’ de la Comisión de la Unión Europea tienen como objetivo reducir las pérdidas de nutrientes al medio ambiente de los fertilizantes orgánicos y minerales en al menos un 50% para 2030, garantizando a su vez que la fertilidad del terreno no se deteriore [10].
Entonces, he aquí la principal pregunta: ¿cómo podemos gestionar el nitrógeno de manera responsable para alimentar a la creciente población y, a su vez, mantener el planeta? La respuesta la encontramos en las bacterias. Solamente ciertos microorganismos (bacterias) tienen la habilidad de convertir nitrógeno atmosférico en amonio a través de un proceso llamado Fijación Biológica de Nitrógeno (FBN). Este proceso involucra un complejo lenguaje químico entre las plantas leguminosas y bacterias llamadas rizobios. Para que dicha interacción surja, las plantas y las bacterias producen una señal química específica que, si es comprendida por ambas partes, resulta en un «reconocimiento mutuo». A continuación, las leguminosas permiten que los rizobios accedan al interior de las células de la raíz de la planta, lo cual induce la formación de estructuras especializadas llamadas nódulos, lo que se convertirá en la nueva casa de estas bacterias [11]. Una vez dentro, estas bacterias «apagan» la mayoría de sus genes y dependen complentamente de la leguminosa para que provea los nutrientes que necesitan para sobrevivir en forma de carbohidratos. A cambio, estas bacterias que ahora podemos llamar «células simbióticas» se convierten en «fábricas de nitrógeno» porque pueden procesar el nitrógeno atmosférico (N2, el compuesto con el triple enlace difícil de romper) durante un proceso de reducción (véase Figura 4). De este modo, estas células simbióticas pueden biológicamente transformar N2 en amonio. Si esto te resulta familiar, ¡no estás equivocado! En efecto, éste es el mismo resultado derivado del proceso Haber-Bosch [12], aunque sin catalizadores de hierro ni elevadas temperaturas o presiones… Todo sucede de manera natural debido a un proceso biológico llamdo mutualismo o simbiosis: ¡son “fertilizantes biológicos”!
Este proceso biológico ocurre principalmente cuando los rizobios establecen una asociaciación mutualística con las plantas leguminosas. De este modo, las leguminosas acaban siendo esenciales en los programas de rotación de cultivos en todo el mundo. En agricultura, esta simbiosis reduce la dependencia de los fertilizantes químicos, aprovechando así los recursos del suelo y maximizando la producción de cultivos. En consecuencia, los costes y el consumo de combustibles fósiles que conlleva la aplicación de fertilizantes a gran escala se reducen, disminuyendo también el impacto ecológico [13]. Sin embargo, todavía existen muchos desafíos para usar estos bioinoculantes como una práctica agrícola de rutina para cada cultivo. En primer lugar, los principales cultivos en todo el mundo como el trigo, el arroz, el maíz y otros cereales no pueden asociarse con estas bacterias, así que siguen dependiendo de los fertilizantes químicos. La interacción entre bacterias y leguminosas es tan compleja que una bacteria en particular solo se asocia con un número específico de plantas — ¡son muy selectivas! Además, los bioinoculantes que se comercializan están diseñados en base a bacterias específicas de un suelo en particular. Por lo tanto, éstos podrían no funcionar cuando se aplican a otro suelo diferente ya que, a menudo, no logran competir con las bacterias nativas del suelo, lo que resulta en bajos rendimientos.
Comprender los procesos moleculares responsables del establecimiento de esta simbiosis conducirá a rendimientos sostenibles de los cultivos y resultará en un impacto positivo en el medio ambiente, siendo el objetivo final establecer la fijación biológica de nitrógeno en cultivos de cereales [14]. La gran relevancia de esta área de investigación es el control y la mejora de la fijación de nitrógeno para reducir el uso de fertilizantes químicos de cara a conseguir una producción agrícola sostenible. Actualmente hay diferentes enfoques que se están llevado a cabo gracias a la ingeniería genética:
- Insertar genes de la nitrogenasa, el complejo proteico clave responsable de la fijación biológica del nitrógeno, en cereales para que se conviertan en fábricas de fertilizantes produciendo ellos mismos el nitrógeno que necesitan.
- Diseñar cereales que puedan imitar el lenguaje químico y establecer una relación simbiótica con las bacterias fijadoras de nitrógeno.
- Implementar la fijación de nitrógeno en los microorganismos que ya colonizan las raíces de los cereales para que sean capaces de liberar amonio a cambio de carbohidratos producidos por la planta huésped.
Como Fritz Haber dijo en su discurso del Premio Nobel en 1918, refieriéndose al proceso Haber-Bosch: “Puede ser que esta solución no sea la definitiva. Las bacterias fijadoras de nitrógeno nos enseñan que la naturaleza, con sus formas sofisticadas de química de la materia viva, comprende y utiliza métodos que no sabemos todavía cómo imitar”.
Por Carmen Sánchez Cañizares (@carmen_agro). Investigadora postdoctoral en la Universidad de Oxford, Reino Unido.
Más información:
- World Population (2021). Fuente: Nations, U., Department of Economic and Social Affairs. Acceso online aquí.
- EU consumption of crops for biofuels could feed around 150 million people (2022). Fuente: CONCITO. Acceso online aquí.
- Food Matters: Towards a strategy for the 21st Century (2008). Fuente: Cabinet Office Strategy Unit. Acceso online aquí.
- Highfield R. (2011).
- Clara Immerwahr y la responsabilidad moral en la ciencia (2022). Fuente: Blog CERU, entrada escrita por Carmen Sánchez Cañizares. Acceso online aquí.
- Smil V. (1999).
- Fryzuk MD. (2004).
- Feast or Famine: Fertilizer Use Worldwide, a Story of Deficiency and Excess (2013). Fuente: National Geographic. La entrada original no se ha encontrado, aunque un enlace al mapa incluído en dicha entrada está disponible en Maps on the Web aquí.
- Fertilizer prices expected to remain higher for longer. Fuente: World Bank Blogs, entrada escrita por by John Baffes and Wee Chian Koh. Acceso online aquí.
- The European Grean Deal, un comunicado de la Comisión Europea. Fuente: EUR-Lex. Documento accesible online aquí.
- Oldroyd G. et al. (2011).
- Dixon R. and Kahn D. (2004).
- Griesmann M. et al. (2018).
- Stokstad E. (2016).
Lectura adicional: También puedes consultar la entrada que Olaya Muñoz Azcárate publicó en el Blog CERU en 2016 titulada «Legumbres: la importancia ecológica de un alimento básico«, ya que complementa el contenido de esta entrada. Disponible online aquí.
