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El nitr贸geno en la agricultura

El nutriente m谩s esencial en la producci贸n mundial de cultivos es tambi茅n uno de los m谩s dif铆ciles de manejar.

El nitr贸geno es el nutriente m谩s importante en la producci贸n de cultivos, pero tambi茅n uno de los m谩s dif铆ciles de manejar. El compuesto es fundamental para la producci贸n agr铆cola mundial 鈥攅n particular para los principales cereales鈥 pero si bien muchas partes del mundo no tienen suficientes recursos para lograr la seguridad alimentaria y nutricional, el exceso de nitr贸geno de los fertilizantes se filtra al medio ambiente con consecuencias da帽inas.

驴Qu茅 es el nitr贸geno?

Alrededor del 78% de la atm贸sfera de la Tierra est谩 formada por nitr贸geno gaseoso o N2 鈥 una mol茅cula formada por dos 谩tomos de nitr贸geno unidos por un enlace triple estable.

Aunque constituye una gran parte del aire que respiramos, la mayor铆a de los organismos vivos no pueden acceder a 茅l de esta forma. El nitr贸geno atmosf茅rico debe pasar por un proceso natural llamado fijaci贸n de nitr贸geno para transformarse antes de que pueda usarse para la nutrici贸n de las plantas.

驴Por qu茅 las plantas necesitan nitr贸geno?

Tanto en las plantas como en los seres humanos, el nitr贸geno se usa para producir amino谩cidos, que producen las prote铆nas que construyen las c茅lulas, y es uno de los componentes b谩sicos del ADN. Tambi茅n es esencial para el crecimiento de las plantas porque es un componente importante de la clorofila, el compuesto por el cual las plantas usan la energ铆a de la luz solar para producir az煤cares a partir del agua y di贸xido de carbono (fotos铆ntesis).

El ciclo del nitr贸geno

El ciclo del nitr贸geno es el proceso a trav茅s del cual el nitr贸geno se mueve de la atm贸sfera a la tierra, a trav茅s de los suelos y se libera de nuevo a la atm贸sfera 鈥 convirti茅ndose en sus formas org谩nicas e inorg谩nicas.

Comienza con la fijaci贸n biol贸gica del nitr贸geno, que ocurre cuando las bacterias fijadoras de nitr贸geno que viven en los n贸dulos de las ra铆ces de las leguminosas convierten la materia org谩nica en amonio y posteriormente en nitrato. Las plantas pueden absorber el nitrato del suelo y descomponerlo en el nitr贸geno que necesitan, mientras que las bacterias desnitrificantes convierten el exceso de nitrato nuevamente en nitr贸geno inorg谩nico que se libera a la atm贸sfera.

El proceso tambi茅n puede comenzar con un rayo 鈥攅l calor por el cual se rompen los triples enlaces del nitr贸geno atmosf茅rico鈥 liberando sus 谩tomos para que se combinen con el ox铆geno y generen gas de 贸xido nitroso, que se disuelve en la lluvia como 谩cido n铆trico y es absorbido por el suelo.

El exceso de nitrato o el que se pierde por lixiviaci贸n 鈥 en el que los nutrientes clave se disuelven debido a la lluvia o el riego, puede filtrarse y contaminar las corrientes de agua subterr谩nea.

Un diagrama muestra el proceso a trav茅s del cual el nitr贸geno se mueve de la atm贸sfera a la tierra, a trav茅s del suelo y se libera nuevamente a la atm贸sfera. (Gr谩fico: Nancy Valtierra/CIMMYT)

驴Qu茅 pasa con los fertilizantes nitrogenados?

Durante miles de a帽os, los seres humanos no tuvieron que preocuparse por el nitr贸geno, pero a principios del siglo XX era evidente que la agricultura intensiva estaba agotando el nitrato en el suelo, lo que gener贸 preocupaciones sobre el aumento de la poblaci贸n mundial y una posible crisis alimentaria.

En 1908, un qu铆mico alem谩n llamado Fritz Haber ide贸 un proceso para combinar nitr贸geno atmosf茅rico e hidr贸geno bajo calor extremo y presi贸n para crear amon铆aco l铆quido 鈥 un fertilizante de nitr贸geno sint茅tico. M谩s tarde trabaj贸 con el qu铆mico e ingeniero Carl Bosch para industrializar este proceso y hacerlo comercialmente disponible para los agricultores.

Una vez que se industrializ贸 la producci贸n, los fertilizantes nitrogenados sint茅ticos 鈥攗tilizados en combinaci贸n con nuevas variedades de semillas de alto rendimiento鈥 ayudaron a impulsar la Revoluci贸n Verde e impulsar significativamente la producci贸n agr铆cola mundial desde finales de la d茅cada de 1960 en adelante. Durante este tiempo, M茅xico se volvi贸 autosuficiente en la producci贸n de trigo, al igual que India y Pakist谩n, que estaban al borde de la hambruna.

En los sistemas agr铆colas intensivos actuales, los fertilizantes nitrogenados sint茅ticos se han vuelto cada vez m谩s importantes. En todo el mundo, las empresas producen actualmente m谩s de 100 millones de toneladas m茅tricas de este producto cada a帽o, y la Organizaci贸n de las Naciones Unidas para la Alimentaci贸n y la Agricultura predice que la demanda seguir谩 aumentando de manera constante, especialmente en 脕frica y el sur de Asia.

驴Es sostenible?

A medida que la demanda contin煤a aumentando en todo el mundo, el desaf铆o de la gesti贸n del nitr贸geno es proporcionar suficiente para satisfacer las necesidades de seguridad alimentaria mundial y, al mismo tiempo, minimizar el flujo de nitr贸geno no utilizado, que es 300 veces m谩s contaminante que el di贸xido de carbono, al medio ambiente.

Si bien en muchas regiones hay escasez de nitr贸geno disponible para lograr la seguridad alimentaria y nutricional, en otras casi la mitad del nitr贸geno fertilizante aplicado en la agricultura se filtra al medio ambiente, con consecuencias negativas que incluyen un aumento de los peligros ambientales, la degradaci贸n irreparable de la tierra y la contaminaci贸n de los recursos acu谩ticos.

Este desaf铆o se puede abordar mejorando la eficiencia del uso del nitr贸geno, un c谩lculo complejo que a menudo implica una comparaci贸n entre la biomasa de los cultivos (principalmente rendimiento econ贸mico) o el contenido/absorci贸n de nitr贸geno (rendimiento) y el nitr贸geno aplicado (insumo) a trav茅s de cualquier abono o fertilizante sint茅tico. Mejorar esta proporci贸n no solo mejora la productividad de los cultivos, sino que tambi茅n minimiza las p茅rdidas ambientales a trav茅s de un manejo agron贸mico cuidadoso y ayuda a mejorar la calidad del suelo con el tiempo.

En la actualidad, la eficiencia media global en el uso de nitr贸geno no supera el 50%, lo que no llega al 67% estimado necesario para satisfacer la demanda mundial de alimentos en 2050 y, al mismo tiempo, mantener el exceso de nitr贸geno dentro de los l铆mites para mantener la calidad aceptable del aire y el agua.

Se vislumbran opciones tecnol贸gicas de vanguardia para el manejo del nitr贸geno, aunque a corto plazo la eficiencia en el uso del nitr贸geno puede mejorarse para los agricultores, mediante la aplicaci贸n de fertilizantes, el uso de fertilizantes de nitr贸geno de liberaci贸n lenta, el uso de herramientas de precisi贸n para la aplicaci贸n de nitr贸geno (como el Green Seeker) o la fertirrigaci贸n mediante el microriego.

A woman in India uses a precision spreader to apply fertilizer on her farm. (Photo: Wasim Iftikar)
Una mujer en India usa un esparcidor de precisi贸n para aplicar fertilizante en su granja. (Foto: Wasim Iftikar)

Tecnolog铆a ideal

Se ha avanzado mucho en el desarrollo de tecnolog铆as para un manejo eficiente del nitr贸geno, que junto con una buena agronom铆a ha demostrado mejorar la cosecha de los cultivos y la eficiencia del uso de nitr贸geno con un menor excedente del mismo.

Los cient铆ficos est谩n investigando los m茅ritos de la inhibici贸n biol贸gica de la nitrificaci贸n, un proceso mediante el cual una planta excreta material que influye en el ciclo del nitr贸geno en el suelo. Cuando este proceso ocurre naturalmente, en algunos pastos y parientes silvestres del trigo, ayuda a reducir significativamente las emisiones de nitr贸geno.

En 2007, los cient铆ficos descubrieron rasgos biol贸gicos de nitrificaci贸n en un pariente del trigo y en 2018 lograron transferirlos a una variedad china de trigo de primavera. El resultado inicial mostr贸 una baja productividad y permanece en las primeras etapas de desarrollo, pero los investigadores est谩n ansiosos por evaluar si este proceso puede aplicarse a las variedades comerciales de trigo en el futuro. Si es as铆, esta tecnolog铆a podr铆a cambiar las reglas del juego para alcanzar los objetivos globales de eficiencia en el uso del nitr贸geno.