Fijación biológica del nitrógeno como estrategia alternativa a la producción industrial de fertilizantes nitrogenados

Abstract

La creciente aplicación de fertilizantes nitrogenados es uno de los factores clave para responder a la demanda progresiva de alimentos a nivel mundial. La reciente diversificación de la agricultura para la producción de agrobiocombustibles ha incrementado la demanda de este insumo. El proceso industrial de Harber-Bosch constituye en la actualidad la principal fuente de fertilizantes nitrogenados y consume aproximadamente el 2% de la energía mundial. En contraposición con los beneficios que la síntesis química de fertilizantes ha representado para la Humanidad, su uso desmedido en los países más desarrollados y emergentes ocasiona una diversidad de efectos detrimentales para el medioambiente. Por otra parte, los países menos desarrollados tienen acceso restringido a este insumo y sufren la baja productividad de sus cultivos.El cultivo de microalgas representa una alternativa promisoria como complemento a la agricultura para la producción de alimentos, biocombustibles y biomateriales. Sin embargo, dado el alto contenido de nitrógeno de la biomasa algal, su cultivo masivo representaría una práctica inviable si no se contemplan alternativas a la aplicación convencional de fertilizantes.La fijación biológica del nitrógeno consiste en la biosíntesis de amonio a partir del nitrógeno del aire y representa una forma natural de fertilización nitrogenada. La aplicación de bioinoculantes conteniendo bacterias fijadoras de nitrógeno se viene utilizando exitosamente desde hace décadas en el cultivo de leguminosas. La gran especificidad de esta interacción planta-bacteria limita una mayor versatilidad de los inoculantes.En nuestro laboratorio desarrollamos prototipos de inoculantes bacterianos de amplio espectro. La mayor parte de los mismos utilizan a la bacteria modelo Azotobacter vinelandii, en la cual se combinan diferentes mutaciones por medio de herramientas de ingeniería genética que contribuyen a la desviación del flujo fisiológico del nitrógeno para optimizar la excreción de amonio como fertilizante nitrogenado de óptima calidad. Estas bacterias biofertilizantes permitieron el reemplazo de una parte sustancial del fertilizante químico cuando fueron introducidas en el cultivo de microlgas hiperproductoras de aceite, como materia prima para biodiesel. En estos modelos de sistemas productivos, la energía necesaria para la fijación del nitrógeno proviene de productos de desecho ricos en energía que producen las microalgas, estableciéndose una estrecha relación funcional entre el cultivo y el inoculante.Otro desarrollo del laboratorio consiste en la obtención a bajo costo y procesamiento de biomasa de cianobacterias fijadoras de nitrógeno para la producción de un biofertilizante nitrogenado natural, el cual mejoró el rendimiento de biomasa algal en relación a los fertilizantes convencionales.En el futuro inmediato el laboratorio se dispone a la optimización de estos inoculantes y a expandir su potencial campo de aplicación a otros cultivos, incluyendo plantas de interés agronómico.