Uso de Biofertilizantes en la Agricultura Ecológica


Autor: Dr. Ricardo Hugo Lira Saldivar

Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA)

Saltillo, Coahuila, México

Introducción

Los fertilizantes son fundamentales para incrementar la producción de alimentos en países en desarrollo, especialmente después de la introducción de variedades de alto rendimiento, y de gran respuesta a los fertilizantes nitrógeno (N) fósforo (P) y potasio (K). Sin embargo, un problema global es que el rendimiento se ha ido reduciendo como resultado de una fertilización desbalanceada, y de la reducción en el contenido de la materia orgánica de los suelos, esto como resultado de las malas prácticas agronómicas derivadas de la agricultura moderna causada por la Revolución Verde (Lira-Saldivar y Méndez-Arguello, 2016).

Antecedentes

El N es la principal limitante para aumentar la productividad, el de más alto costo y la principal fuente de contaminación ambiental a través de pérdidas por volatilización y lixiviación. El éxito de la Revolución Verde se debió a la procreación de variedades de alto rendimiento y buena respuesta al uso masivo de fertilizantes, especialmente de N sintético. La agricultura utiliza más de 100 millones de ton de fertilizante N al año. La producción de fertilizante N a través del proceso Haber-Bosch, consume enormes cantidades de combustible fósil, y produce altas cantidades de CO2 (Bernard, G. 2014).

La aplicación de fertilizante consume combustibles fósiles y añade mucho CO2 a la atmósfera. Casi la mitad o menos de los fertilizantes N aplicados son utilizados por los cultivos, el resto se pierde en el ambiente agua-suelo-atmósfera. Un pequeño % se convierte en potente gas efecto invernadero (N2O), lo que contribuye a las emisiones de gases efecto invernadero procedentes de la agricultura. Por lo tanto, los sistemas agrícolas que utilizan gran cantidad de insumos no son sustentables, porque se basan en combustibles fósiles finitos, y debido a sus efectos negativos en ecosistemas.

Las reservas minerales de P se concentran geopolíticamente y se están acabando rápidamente, lo que causará graves problemas agroambientales. Las ineficiencias en el uso del P podrían agravar otros problemas, como la escasez de agua y polución ambiental. La contaminación por P es un factor clave para el desarrollo de condiciones eutróficas en las cuencas agrícolas, y es un nutriente limitante para el crecimiento de las plantas en ambientes acuáticos, ya que el P disuelto provoca enriquecimiento de fitoplancton y la producción de una neurotoxina que secretan colonias de cianobacterias, lo que puede reducir drásticamente la diversidad de especies y ocasionar una ruptura fundamental en el funcionamiento de los ecosistemas (Schoumans et al., 2014).

Consumo de Fertilizantes Tradicionales

De acuerdo con la FAO (2015), México entre 2009-2013 consumió 5.8 millones de ton de fertilizantes N, 1.6 millones de ton de fosfatados y 0.85 millones de potásicos; de estos, el país importó en promedio 71 % de N, 100 % de P y 84 % de K. Si usáramos como referencia el precio promedio de la urea entre 2009-2013 (341 USD; The World Bank, 2015), México gastó alrededor de 1,400 millones de USD, solo por importar fertilizantes N (280 mil millones de USD anualmente).

Para el caso de fertilizantes N, se señala que la eficiencia de uso oscila entre el 10-60% de acuerdo con el tipo de fertilizante, el cultivo y del sistema de producción (Chinnamuthu y Boopathi, 2009). Por lo tanto, la eficiencia del uso de fertilizantes N entre 2009-2013 representó pérdidas entre 5601,260 millones USD. De cualquier modo, suponiendo que la eficiencia en el uso de N fuera la más alta (60 %), por cada punto porcentual que se pueda incrementar la eficiencia de fertilizantes N, se ahorrarían 14 millones de USD cada 5 años.

Ante este desalentador panorama se requieren nuevas tecnologías que nos permitan incrementar el uso eficiente de los fertilizantes y otros insumos. Además, la limitada disponibilidad de agua y suelo, obliga a que la agricultura tradicional sea más eficiente y productiva usando tecnologías modernas como es el uso de biofertilizantes, generados mediante métodos biotecnológicos.

Problemática de los Fertilizantes Sintéticos

La aplicación excesiva de fertilizantes como N-P-K afectan los suelos y las aguas subterráneas, ocasionando eutrofización de sistemas acuáticos y de pozos de agua usados para consumo humano y riego (Naderi y Danesh-Shahraki, 2013). Los fertilizantes han tenido un dramático un aumento en más del 103 % del precio desde octubre de 2007 hasta diciembre de 2009, el mayor aumento lo tuvo el sulfato de potasio en 347 % y el menor la urea con 5 %.

Las fuentes de nitrógeno han sido N-NH4 y N-NO3; el nitrato es un anión que se repele con los coloides del suelo como arcillas y limos, y se mueve libremente a través de arenas, gravas y rocas, además, es muy soluble (> 1 g mL-1); cuando la fuente es amonio que es un catión, éste se transforma a nitratos mediante el proceso de nitrificación. La fertilización excesiva favorece la lixiviación de nitratos al acuífero subterráneo. Niveles de nitratos en el agua superiores a 10 mg/L por el uso de fertilizantes nitrogenados, ha generado un incremento en los compuestos nitrogenados, que pueden transformarse en contaminantes, como las nitrosaminas, que son precursoras del cáncer en los humanos (Covarrubias et al., 2009).

La lixiviación no es la única forma de contaminación, sino también las pérdidas gaseosas como volatilización y desnitrificación que pueden llegar hasta el 60 % en los fertilizantes. Los suelos dedicados a la agricultura emiten de 2 a 3 Tg N año-1 de NOx (N2O, NO, NO2) a la atmósfera, esto representa del 20 al 30 % del total emitido a la atmósfera. Vásquez et al. (1994) reportan que las fuentes nitrogenadas urea y sulfato de amonio producen el doble de N2O respecto al amoniaco anhidro. Por lo general, los reportes de contaminación sólo son enfocados a NO3, pero el NH3 al encontrarse en un pH alcalino del agua de riego o del suelo, puede volatilizarse más del 50 % e incrementar las emisiones de NO y N2O a la atmósfera (Alcantar y Trejo, 2007). Los NOx son gases de efecto invernadero que provocan el calentamiento global actual.

La Fertilización Biológica en la Agricultura.

Para incrementar los rendimientos y calidad en la producción se ha venido recurriendo a diferentes técnicas e insumos como los agroquímicos sintéticos (fertilizantes y pesticidas), sin embargo, estos beneficios al paso del tiempo se vieron opacados por los efectos detrimentales sobre el ambiente que provocan su utilización excesiva. En ese sentido se ha recurrido a técnicas nada nuevas pero poco difundidas y normadas, como es el uso de microorganismos benéficos que minimicen los impactos del método convencional de producción y aseguren la permanencia de la agricultura (Figura 1). Los microorganismos utilizados como biofertilizantes (BF) tienen un papel fundamental cuando la agricultura tiene la necesidad de adoptar medidas conservacionistas y de menor impacto ambiental, ya que minimizan los impactos de la fertilización convencional y aseguran la permanencia de la agricultura sustentable (Lira Saldivar et al., 2013a; Hernández-Pérez, et al., 2017).

El empleo de BF microbianos (rizobacterias y hongos formadores de micorrizas), está considerado como una de las contribuciones más importantes de la biotecnología y la microbiología a la agricultura actual, es una tecnología clave para asegurar la sustentabilidad y productividad agrícola de bajo impacto ambiental, que además de incrementar el rendimiento de los cultivos, mejora la fertilidad del suelo y reduce las poblaciones de microorganismos fitopatógenos, minimizando así los costos de los insumos sintéticos y la contaminación del medio ambiente, coadyuvando de esta manera a la sustentabilidad de la agricultura (Mohammadi y Sohrabi, 2012). El desarrollo y uso de estos agroinsumos se contempla como una importante alternativa para la sustitución parcial o total de los fertilizantes minerales, que son costosos y tienen un impacto adverso sobre la salud y los ecosistemas (Aguado-Santacruz et al., 2012).

 
Microrganismos Benéficos

Figura 1. La producción de organismos benéficos mediante métodos biotecnológicos es una opción sustentable para la elaboración de biofertilizantes para usarse en agricultura orgánica.

 

El Concepto de Biofertilizante (BF)

A lo largo de los años se han dado diferentes denominaciones a los productos que contienen microorganismos utilizados en la agricultura como: fertilizantes bacterianos, fitoestimulantes, biopesticidas, bioinoculantes, etc. y actualmente el termino más utilizado es biofertilizante (Lira-Saldivar et al., 2013b). En un sentido estricto los BF no son fertilizantes que dan directamente la nutrición a las plantas, sino que son cultivos de microorganismos como bacterias, hongos y algas verde-azules, envasados en un material de soporte (Boraste et al., 2009).

Por lo tanto, el término BF o más apropiadamente "inoculante microbiano", puede definirse como: preparados sólidos o líquidos que contienen cepas de células vivas o latentes, que son eficientes para la fijación de nitrógeno, solubilizadores de fosfato o microorganismos celulolíticos, para su aplicación a las semillas o la rizósfera de las plantas, con el objetivo de aumentar el número de esos microorganismos y acelerar los procesos microbianos que aumentan el crecimiento radicular (Figura 2), así como la disponibilidad de nutrientes que pueden ser fácilmente asimilables por las plantas cultivadas (Boraste et al., 2009).

También se ha definido BF como sustancias conteniendo microorganismos vivos, que cuando se aplica a las semillas, superficies de las plantas o al suelo, colonizan la rizósfera o el interior de la planta (endófitos) y promueven el crecimiento al aumentar el suministro o la disponibilidad de nutrientes, mediante la producción de hormonas o por la supresión de patógenos (Aeron et al., 2011). Se han propuesto diferentes clasificaciones de estos microorganismos, pero de manera práctica puede agruparse de acuerdo al modo en que benefician a las plantas.

 
Biofertilizantes bacterianos y fúngicos

Figura 2. Los biofertilizantes bacterianos y fúngicos promueven el crecimiento radicular, lo que permite incrementar la absorción de nutrientes del suelo por las plantas.

Fuente: (Tomado de http://livingsoils.com/benefits-biofertilizers/).

 

Clasificación de los Biofertilizantes Bacterianos por su Mecanismo de Acción

Los BF bacterianos pueden clasificarse de manera general en:

  • Fijadores biológicos de nitrógeno como: Rhizobium sp., Bradyrhizobium sp., Azotobacter sp. y Azospirillum sp.
  • Solubilizadores de fósforo como: Bacillus sp., Pseudomonas sp., Penicillium sp., Trichoderma sp. y Aspergillus sp.
  • Movilizadores de fosfatos como: hongos formadores de micorrizas arbusculares (HFMA), destacando Rhizophagus sp., Endogone sp., Gigaspora sp., Acualospora sp. y Scutellispora sp.
  • Bacterias promotoras de crecimiento vegetal (BPCV) o PGPR (plant growth promoting rizobacteria, por sus siglas en inglés) como: Pseudomonas sp. Agrobacterium sp., Bradyrhizobium sp., Azotobacter sp., Azospirillum, Streptomyces sp. y Xhanthomonas sp.

De acuerdo a la clasificación anterior los microorganismos utilizados en la presente investigación, están catalogados como fijadores de nitrógeno y promotores del crecimiento vegetal (Azospirillum sp.) y solubilizador de fosfatos (Rhizophagus sp.), sin embargo, los efectos que estos provocan en la planta y el suelo son diversos y complejos; a continuación se describen algunos mecanismos de acción de cada uno de ellos (Martínez-Viveros et al., 2010).

Hongos Micorrícicos

Los hongos por carecer de clorofila son incapaces de sintetizar muchos de sus compuestos críticos para su ciclo vital, pero en términos de absorción de los mismos a partir de otras fuentes, tiene mecanismos muy eficaces ya que deben obtener el material que no pueden sintetizar de otras fuentes, dando lugar así a diversas estrategias como las micorrizas, que son relaciones mutualistas simbióticas entre algunos hongos del suelo y las raíces de las plantas; las micorrizas no son ni los hongos ni las raíces, sino las estructuras formadas a partir de estos dos socios (Smith y Read, 2008).

Desde esta asociación mutualista, ambos organismos se benefician, el huésped autótrofo (la planta), proporciona compuestos carbonados (azúcares), procedentes de la fotosíntesis al simbionte  heterótrofo (el hongo), así como un micro hábitat protegido (Lira-Saldivar et al., 2013a), a cambio el hongo le proporciona nutrientes minerales a las plantas, principalmente fósforo, hormonas de crecimiento; protección contra ciertos patógenos y mejor absorción de agua, mediante un sistema ramificado de hifas extra radicales capaz de explorar el suelo más allá de la zona de influencia de la raíz, actuando como una extensión del sistema radical (Figura 3) y con ello, mayor tolerancia a la sequía, aumento de las tasas fotosintéticas, concentraciones más bajas de elementos tóxicos como el cadmio y el arsénico en tejidos vegetales, además de mejorarlas propiedades físicas del suelo (Muchovej et al., 2001). Cuando se establece la interacción, los hongos por lo general modifican la morfología de la raíz, desarrollando nuevas estructuras que caracterizan a los diferentes tipos de micorrizas (Aguilera et al., 2007).

 
Inoculación del biofertilizante

Figura 3. Esquema que ilustra la inoculación del biofertilizante y los efectos positivos que causan los microorganismos en las características físicas del suelo, así como en el aumento de la comunidad microbiana del suelo.

 

Clasificación e Importancia de las Micorrizas.

Los diferentes tipos de micorrizas presentes en el suelo, pueden distinguirse por su morfología y en cierta medida en su fisiología (Turk et al., 2006). Su clasificación se basa en el tipo de relación hongo-planta y al estado de la comunicación entre células de la raíz con el micelio del hongo. Se reconocen a cinco grupos de micorrizas basándose en criterios morfológicos, anatómicos y sistemáticos tanto de las plantas como de los hongos. Esos grupos son; ectomicorrizas, micorrizas de ericales, micorrizas de Orchidaceae, ectoendomicorrizas y micorrizas arbusculares también llamadas endomicorrizas.

Las investigaciones sobre el uso de microorganismos benéficos en la agricultura, entre los principales los HMA han marcado un gran avance, ya que la relación simbiótica que se produce entre microrganismos y el sistema radicular de las plantas influye de manera determinante en el desarrollo, productividad y supervivencia de las mismas en las diferentes zonas agrícolas.

Los HMA están asociados con un mayor crecimiento de muchas especies de plantas debido adquisición efectiva de agua y nutrientes atribuido al extenso crecimiento de las hifas más allá de la zona de agotamiento que rodea a la raíz, lo que proporciona una mayor tolerancia a los ambientes extremos (sequía), a la salinidad y a ciertos patógenos, además de la producción de sustancias promotoras de crecimiento, reducción del shock de trasplante y la interacción sinérgica con otros microorganismos beneficiosos del suelo, tales como fijadores de N y solubilizadores de P, permitiendo a la planta un mejor crecimiento bajo condiciones de estrés (Muchovej, 2001).

Cita correcta de este artículo

Lira, S. R. H. 2017. Uso de Biofertilizantes en la Agricultura Ecológica. Serie Agricultura Orgánica Núm. 14. Artículos Técnicos de INTAGRI. México. 9 p.

Literatura citada

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Anónimo comentó:
Publicado: 2017-11-02 13:38:41

Muy interesante estos temas me ayudan en mi formación como profesional 

alvaro_bonilla comentó:
Publicado: 2017-11-02 13:39:54

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Anónimo comentó:
Publicado: 2017-12-05 08:08:43

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alvaro_bonilla comentó:
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Anónimo comentó:
Publicado: 2018-01-08 10:52:12

Buenos Días Amigos de intagri

 Saludos desde Otuzco departamento de la Libertad- País Perú  para  agradecerles por excelente información

 Ing. Luis Vergara Tuset

alvaro_bonilla comentó:
Publicado: 2018-01-09 17:09:05

Muchas gracias Luis. Esperamos que este 2018 continúes visitando los artículos que tenemos publicados.


Saludos hasta Otuzco.

Anónimo comentó:
Publicado: 2018-01-26 13:09:43

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alvaro_bonilla comentó:
Publicado: 2018-01-26 13:11:31

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