Bacterias como alternativa a los fertilizantes inorgรกnicos Helena Gimeno CTO, Darwin Bioprospecting Excellence, S.L.
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2020
Cultivo
Bacterias como alternativa a los fertilizantes inorgánicos
Helena Gimeno hgimeno@darwinbioprospecting.com Darwin Bioprospecting Excellence, S.L.
Índice 1. Introducción.......................................................................................... 2 2. Los microorganismos como alternativa a los fertilizantes químicos .... 5 3. Bacterias como fertilizantes prêt à porter............................................ 8 INFORMACIÓN COMERCIAL.............................................................. 14 DARWIN BIOPROSPECTING EXCELLENCE, S.L. ........................................ 15
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1. Introducción La producción agrícola es un sector clave de la actividad económica que contribuye, en gran medida, al crecimiento económico en España. No obstante, es bien sabido que la explotación agrícola se traduce en un consumo abusivo de fertilizantes. Sólo en el periodo 2017/18 se consumieron en España 1,9 millones de toneladas entre abonos nitrogenados, fosfatos y potásicos, en orden creciente de consumo (Fuente ANFFEA). Las prácticas de agricultura intensiva convencional aplican una elevada cantidad de productos fertilizantes, que a nivel global están causando la degradación de los suelos, y por tanto la pérdida de suelo fértil, y la contaminación de las aguas superficiales y subsuperficiales que lleva a la eutrofización y problemas en la salud humana (Galloway et al., 2008). La utilización de fertilizantes inorgánicos, además, conlleva la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) por dos vías: la primera es causada por la fabricación y transporte de los mismos, y la segunda se produce por la emisión tras la aplicación al campo, como son los NOx. Además, y como todo agricultor sabe, los abonos son caros, y el gasto que suponen en un momento crítico para el sector como el actual, hace necesario la búsqueda de soluciones alternativas que permitan mantener o aumentar la productividad reduciendo costes. Uno de los elementos principales para el correcto crecimiento de las plantas es el fósforo. Es esencial para el crecimiento y funcionamiento de la planta y cumple funciones en el metabolismo energético celular y en procesos de fotosíntesis. Sin embargo, en la corteza terrestre se encuentra en baja disponibilidad de forma que la planta lo absorbe en mínimas cantidades (Bertrand et al., 2000). La deficiencia de este macronutriente tiene grandes efectos en el desarrollo de la planta (Figura 1).
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Figura 1. Funciones y efectos de la deficiencia de fosfato en las plantas (Prabhu et al., 2019)
El pH es uno de los principales factores que reducen la disponibilidad del fosfato en el suelo: Al aumentar la acidez (pH<6) del suelo se incrementa la actividad del hierro, del manganeso y del aluminio que actúan como quelantes de forma que los fosfatos solubles quedan fijados como compuestos complejos e insolubles de hierro (Fe2+), aluminio (Al3+) y manganeso (Mn2+) (Sanguino, 1961). En otras palabras, a mayor acidez, menor disponibilidad de fósforo para las plantas. En cambio, cuando se tienen valores de pH básicos o alcalinos en el suelo, se puede reducir la disponibilidad del fósforo debido a la precipitación de sales de fósforo al reaccionar con cationes como el calcio (Ca2+) o magnesio (Mg2+) y formarse fosfatos poco solubles con estos elementos. Los valores óptimos de pH se encuentran entre 6 y 7,5. Ambos escenarios se presentan en España, donde la vertiente oriental la geología tiene una naturaleza calcárea que en su composición produce una edafomorfología básica. Por otro lado, los suelos del occidente
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peninsular tienen un origen geológico granítico, y la meteorización de esas rocas producen suelos más ácidos (Figura 2).
Figura 2. pH del suelo español. Los valores más básicos se muestras en color naranja y los más ácidos en azul. Buena parte del territorio español es ácido, lo cual implica una mala absorción del fósforo del suelo, y una necesidad de suplemento en forma de abonos o, como vemos en este artículo, bacterias
Por otra parte, el potasio a pesar de que es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre, la biodisponibilidad suele ser limitada, lo que lleva a graves reducciones en el crecimiento y rendimiento de la planta. El potasio tiene papeles importantes en la fotosíntesis, osmoregulacón, activación enzimática, síntesis proteica, homeostasis iónica, mantenimiento del balance anión-catión... (Bhandal y Malik, 1988; Marschner, 1986; Zhao et al., 2001; Kanai et al., 2007). Solo entre el 0,1-0,2% del potasio de los suelos se encuentra en forma soluble www.bibliotecahorticultura.com
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y entre el 1-2% en forma intercambiable, mientras que el resto se encuentra adsorbido a las arcillas o formando aluminosilicatos (Bertsch y Thomas, 1985). Por último, el tercer gran elemento requerido para el crecimiento y producción de los cultivos es el nitrógeno. el nitrógeno es el elemento fertilizante más utilizado, aproximadamente el doble que cada uno de los otros dos elementos fun-damentales, el fósforo y el potasio (Fuente MAPA-ANFFE) . A diferencia del caso anterior, el contenido de nitrógeno de los suelos se suele encontrar entre 0,05 y 0,2% y solo una pequeña parte de este porcentaje (en torno a un 5%) puede ser utilizado directamente por las plantas (NO3- y NH4+). El nitrógeno orgánico supone el resto y puede convertirse en nitrógeno asimilable mediante mineralización (Hofman y Van Cleemput, 2004). No obstante, el principal reservorio de nitrógeno de la tierra es la atmósfera, con un 79% de nitrógeno en su composición.
2. Los microorganismos como alternativa a los fertilizantes químicos Con el fin de realizar unas prácticas agrícolas sostenibles, es necesario cambiar los insumos fertilizantes que se aplican al suelo en agricultura convencional y minimizar la producción de residuos agrícolas. La alternativa que se presenta se basa en la valorización de residuos vegetales junto con estiércoles animales mediante compostaje, lo que resulta más sostenible ya que permite: (1) reducir las emisiones de gases de GEI; y (2) valorizar una serie de residuos, ya que para su producción se utilizan residuos agrícolas y agropecuarios como materiales de partida, reciclando los mismos en un producto fertilizante orgánico (Roca Pérez et
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al., 2009; Martínez-Blanco et al., 2013). Así pues, el compostaje es, por lo tanto, una tecnología de bajo costo para convertir residuos en un producto de valor agregado que puede usarse como fertilizante y acondicionador de suelos en la agricultura o como sustratos para viveros. La aplicación de compost mejora las características físicas, químicas y biológicas del suelo. Desde el punto de vista físico, el compost mejora su estructura y la porosidad (Van Ginkel et al., 1999; Diacono y Montemurro, 2010), aumenta su capacidad de retención de agua, mejora la aireación e impide la rápida fluctuación de la temperatura (ROU 2007). Desde el punto de vista químico, el uso de compost aumenta la capacidad de intercambio catiónico y la capacidad de amortiguación del suelo. Además, el compost actúa como fuente de nutrientes (nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio y azufre) y micronutrientes (cobre, zinc, manganeso, boro, molibdeno) necesarios para el crecimiento de diferentes plantas (Boldrin et al., 2009). Además, se ha constatado que el compost promueve el crecimiento de microorganismos beneficiosos e inhibe otros microorganismos causantes de enfermedades (Bonanomi et al., 2007). No obstante, ciertos cultivos presentan grandes requerimientos de macronutrientes y la aplicación de compost resulta insuficiente: cultivos como el hinojo, pepino, maíz dulce y repollo requieren de grandes cantidades de fosfato orgánico; el tomate, pimiento, melón y maíz, entre otros, requieren de altas concentraciones de potasio orgánico (Castellanos, 1997), la soja, el algodón, el maíz destacan por los grandes requerimientos de nitrógeno (Andrade et al., 1996). En este contexto de necesidad de aportación de fuentes externas de macronutrientes y conociendo la problemática de los fertilizantes, surge la biofertilización que consiste en la inoculación de microorganismos que lleva al aumento de la calidad nutricional del compost. Las bacterias que pueden desempeñar este papel son conocidas como PGPRs (Plant Growth-
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Promoting Rhizobacteria) que son bacterias de la rizosfera con una gran capacidad de adaptación a diferentes ambientes, crecimiento rápido y gran versatilidad metabólica. Los géneros bacterianos como Agrobacterium, Arthrobacter, Azotobacter, Azospirillum, Bacillus, Burkholderia, Caulobacter, Chromobacterium, Erwinia, Flavobacterium, Micrococcous, Pseudomonas y Serratia pertenecen a ePGPR (extracelular Plant Growth Promoting Rhizobacteria). Las iPGPR (Intracellular Plant Growth Promoting Rhizobacteria) incluye las especies endófitas (Allorhizobium, Azorhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium y Rhizobium) y Frankia. Las PGPRs pueden mejorar el desarrollo de las plantas mediante una gran variedad de mecanismos: fijación de nitrógeno (iPGPR), producción de fitohormonas, solubilización de fosfato, aumento en la disponibilidad de minerales como el hierro, producción de moléculas con capacidad antibiótica y enzimas líticas, promoción del ISR (Induced Systemic Resistance), producción de HCN (herbicida natural) y, por último, desplazamiento de cepas patógenas por competición biológica (Bertrand et al., 2000). Estos microorganismos producen sustancias promotoras del crecimiento en grandes cantidades que influyen indirectamente en la morfología general de las plantas (Bhattacharyya et al., 2012). El principal mecanismo de promoción del crecimiento vegetal es la solubilización de fosfato mediante la producción de ácidos orgánicos de bajo peso molecular (fórmico, acético, propiónico, láctico...) ya que los grupos carboxilo e hidroxilo pueden quelar los cationes unidos a fosfatos (Wei et al., 2018) Del mismo modo, las solubilizadoras de potasio pueden solubilizar potasio unido a minerales y convertir las formas insolubles de potasio en solubles, de modo que puedan ser aprovechadas por las plantas a través de la producción de ácidos orgánicos e inorgánicos,
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polisacáridos o quelantes (Anjanadevi et al., 2016). Ambos tipos de bacterias pueden encontrarse en diferentes ambientes. Por otra parte, la principal estrategia para enriquecer los suelos en nitrógeno asimilable por las plantas es a través de la adición de bacterias fijadoras de nitrógeno, capaces de convertir en nitrógeno atmosférico (N2) en amonios que pueden ser convertidos posteriormente en nitritos y nitratos. Se pueden seleccionar las bacterias que presenten dichas capacidades in vitro, utilizando medios específicos o que señalen las capacidades de interés.
3. Bacterias como fertilizantes prêt à porter En nuestra empresa, Darwin Bioprospecting Excellence, hemos estudiado el efecto del uso de compost enriquecido en bacterias (Figura 3), asegurando un mantenimiento a lo largo del tipo de la cepa que genera un beneficio en la planta, concretamente: solubilización de fosfato, de potasio, capacidad antifúngica frente fitopatógenos, fijación de nitrógeno y, potencial, producción de fitohormonas. Para ello, hemos aislado los microorganismos de interés a partir de muestras del proceso de producción del compost, generado una colección de microorganismos y una vez identificados, se seleccionaron las cepas que presentan mayor potencial para estudiar su efecto en planta.
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Figura 3. Comparativa entre el control (izquierda) y una cepa seleccionada aislada del compost (derecha). Ambos cultivos se han mantenido en las mismas condiciones: 24℃, 45% HR y 20 horas de luz. La altura de las plantas inoculadas con la cepa seleccionada es un 20% mayor que el control tras cinco semanas de crecimiento
A modo de resumen, y como muestra la Figura 3, la utilización de bacterias promotoras del crecimiento vegetal, bien solas, bien como componentes de un compost de calidad, permite un aumento muy significativo del crecimiento y productividad de las plantas. Además, es posible desarrollar soluciones microbianas a la carta, escogiéndose las bacterias que más aumentan la productividad de cada cultivo. Todo esto supone una alternativa económica y ecológicamente muy interesante frente al uso masivo de fertilizantes químicos.
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DARWIN BIOPROSPECTING EXCELLENCE, S.L. DARWIN BIOPROSPECTING EXCELLENCE es una empresa fundada por científicos de la Universitat de València y del CSIC, así como por expertos en el sector económico e industrial. Los servicios que ofrece se basan en la bioprospección, es decir, en la obtención de microorganismos naturales para su aplicación en procesos industriales o biomédicos. Consiste en un servicio íntegro de principio a fin, que incluye desde la recogida de muestras iniciales, pasando por el cultivo, aislamiento e identificación de cepas de interés en el laboratorio, hasta la producción a gran escala de los microorganismos seleccionados por su sobresaliente actividad biológica.
DARWIN BIOPROSPECTING EXCELLENCE, S.L. Parc Científic de la Universitat de València c/Catedrático Agustín Escardino, 9 46980 PATERNA - ESPAÑA Telf.: +34- 683 67 20 15 info@darwinbioprospecting.com http://darwinbioprospecting.com/
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