Uso de fertilizantes sintéticos

A partir de que los químicos Carl Bosch y Fritz Haber desarrollaran el proceso Haber-Bosch, fue posible sintetizar amoniaco (NH₃) de manera industrial, mediante la reacción entre nitrógeno molecular (N₂) y metano (CH₄) a altas temperaturas y presiones. Este proceso pronto detonó la producción de fertilizantes sintéticos, y asociado a la producción de plaguicidas, el desarrollo de sistemas de irrigación y los avances tecnológicos para la mecanización del cultivo, permitieron un crecimiento exponencial en la agricultura en la década de los 1940’s.

Con la denominada revolución verde, la agricultura pasó de ser una actividad artesanal y poco productiva, a una actividad intensiva, altamente mecanizada y fertilizada. Hoy en día, la producción global de cereales se estima en 2 498 millones de toneladas, con un consumo de fertilizantes de 186.9 millones de toneladas. En 2018, la demanda mundial de fertilizantes se proyectó en 200.5 millones de toneladas: 60% N+23% P₂O₅+17% K₂O.

En México, la agricultura también experimentó un crecimiento acelerado, impulsado por el aumento de la superficie cultivada de riego, incremento de la frecuencia de las cosechas y el aumento en los rendimientos. Actualmente, la agricultura se practica en 32.41 millones de hectáreas, con 79% de temporal y 21% de riego ^{(INEGI, 2017}). La agricultura de temporal es dependiente de las lluvias, permite un cultivo por año, es de baja intensidad, poco productiva y de menor impacto ambiental. La agricultura de riego utiliza un sistema de riego artificial (por gravedad o rodado, goteo, aspersión), permite al menos dos cultivos al año, es altamente mecanizada y fertilizada y por supuesto, más productiva, pero de mayor impacto ambiental. El consumo de fertilizantes en México se estima en unos 4 millones de toneladas por año, con una tasa de crecimiento anual de 3-5% (^{FAO, 2015}).

De acuerdo con ^{Calderón-Salazar (2017)}, el campo mexicano es poco competitivo en el contexto internacional y no permite la autosuficiencia alimentaria; más de 80% del arroz, 31% del maíz y 65% del trigo que se consume en México es importado. La falta de competitividad se debe a que en los últimos 35 años la infraestructura, tecnología, calificación de la mano de obra, organización de la producción, vinculación de mercados y estructuración del sistema financiero se ha rezagado, aunado al hecho de que el Tratado de Libre Comercio de América del Norte ha sido desfavorable para el agro mexicano.

Una explicación a la falta de competitividad es el alto costo de los fertilizantes sintéticos que representan el 60% en los cultivos de temporal y 30% en los de riego (^{Aguado-Santacruz, 2012}; ^{INEGI, 2017}). En 2017, el precio de lista de los fertilizantes granulados varió de $8 002.00 por tonelada para urea granulada a $13 015.00 pesos por tonelada para nitrato de amonio, y los fertilizantes líquidos de $7 831.00 pesos por tonelada para nitrato de amonio+urea a $10 750.00 pesos por tonelada para amoniaco anhidro (^{Secretaría de Fomento Agropecuario, 2018}). Más de 85% del volumen de fertilizantes consumidos se importan. De acuerdo con la Encuesta Nacional Agropecuaria (^{INEGI-SAGARPA, 2014}), 75.7% de los productores agrícolas menciona que los altos costos de los insumos y servicios son el principal problema que enfrentan. Otro problema es la pérdida de cosechas por causas climáticas y biológicas.

Problemas ambientales por el uso de fertilizantes sintéticos

Además del alto costo de los fertilizantes, solo entre 20 y 40% de lo aplicado es aprovechado por las plantas de cultivo y hasta 60% se evapora a la atmósfera en emisiones gaseosas de amoniaco, oxido nítrico y nitroso, mientras que 20% se escurre a los cuerpos de agua (amonio, nitratos) o se infiltra hacia los mantos freáticos (nitratos) (^{GeoHab, 2006}; ^{Páez-Osuna et al., 2007}; ^{Howarth, 2008}). La pérdida de nitrógeno trae asociada contaminación ambiental por la emisión de gases de efecto invernadero, con potencial de lluvia ácida, eutrofización de los ecosistemas costeros y la contaminación de los mantos freáticos con nitratos.

Esta contaminación resulta a su vez en efectos negativos a la salud de las personas y de los ecosistemas. Uno de los problemas de afectación ambiental mas serios es el proceso conocido como eutrofización costera, que se define como un enriquecimiento de nutrientes en el agua, especialmente nitrógeno o fósforo y materia orgánica, que resulta en el abatimiento de oxígeno en las aguas y condiciones de anoxia en los sedimentos, reduce la transparencia del agua, y genera perturbaciones en los ciclos biogeoquímicos del C, N y P. Entre los efectos ecológicos de la eutrofización se incluyen cambios en la abundancia y composición de la comunidad fitoplanctónica y macroalgal, alteraciones en la calidad y diversidad del hábitat, mortalidad de peces e invertebrados, y variaciones en la estructura de la cadena alimenticia (^{GeoHab, 2006}; ^{Páez-Osuna et al., 2007}; ^{Canter, 2018}).

Florecimientos macroalgales en lagunas costeras

El incremento en la frecuencia y magnitud de los florecimientos macroalgales en los sistemas costeros alrededor del mundo, tales como las lagunas costeras y estuarios, es considerado el mayor problema ambiental de los ambientes marinos (^{Valiela et al., 1997}; ^{Orth et al., 2006}; ^{Teichberg et al., 2010}; ^{Barbier et al., 2012}). Las costas de México no han quedado ajenas a esta problemática. Diversos trabajos científicos han documentado la existencia de los problemas ambientales y la pérdida de la calidad del agua por el enriquecimiento de nutrientes en la zona costera (^{Soto-Jiménez et al., 2003a}, ^2003b; ^{Páez-Osuna et al., 2007}).

Los cada vez más frecuentes, intensos y extensos episodios de mareas rojas y florecimientos de macroalgas son una consecuencia del incremento de la eutrofización en aguas costeras. Los florecimientos macroalgales son recurrentes en diferentes áreas costeras de Sinaloa en distintas épocas (Figura 1), derivado del aporte excesivo de nutrientes de actividades agrícolas y pecuarias, desechos urbanos e industriales, quema de combustibles fósiles, y la ocurrencia de procesos naturales de lixiviación de suelos (^{Piñón-Gimate et al., 2009}; ^{Ochoa-Izaguirre y Soto-Jiménez, 2013}; ²⁰¹⁵).

Figura 1 Cuerpos de aguas costeros de Sinaloa con ocurrencia de florecimientos macroalgales observados en nuestros recorridos (en círculo rojo). 

Los florecimientos macroalgales se destacan por la abundancia de una o dos especies que desplazan a otras especies de macroalgas del ecosistema, causando un desequilibrio en las redes tróficas y produciendo una serie de alteraciones ecológicas. El detrimento de la calidad del agua se traduce en consecuencias negativas para la biota y en pérdidas económicas por daño a pesquerías de múltiples especies que emplean los ambientes costeros como sitio de reproducción y crianza. Además, resultan en pérdida del atractivo turístico ya que se producen olores indeseables durante su descomposición y mal aspecto en los sitios donde se generan y acumulan.

Beneficios de las macroalgas como biofertilizantes

Las macroalgas han sido utilizadas durante siglos como alimento y fertilizantes naturales en muchas regiones costeras del mundo (^{Zemke-White y Ohno, 1999}; ^{McHugh, 2003}; ^{Craigie, 2011}; ^{Wijesekara et al., 2011}). El establecimiento del proceso de Haber-Bosch para la elaboración de los fertilizantes químicos sintéticos ocasionó que se perdiera el interés por estos productos naturales. Actualmente, el uso de fertilizantes orgánicos a partir de las algas ha cobrado un mayor interés debido a que se ha observado que el valor de las macroalgas como fertilizantes radica, no solo en su contenido de N y P, sino por que incluyen una amplia gama de elementos trazas esenciales (p. ej. Ca, Mg, S y algunos oligoelementos como B, Cu, Fe, Mn, Mo, y Zn), aminoácidos, vitaminas, auxinas y fitohormonas de tipo citoquininas y giberalinas, que mejoran la calidad de los cultivos (^{Thirumaran et al., 2009}; ^{Khan et al., 2009}; ^{Kim, 2011}; ^{Kurepin et al., 2014}; ^{Seghetta et al., 2016}).

La Figura 2 esquematiza los beneficios potenciales del uso de biofertilizantes en un cultivo típico de tomate en Sinaloa. En resumen, este complemento orgánico utilizado como fertilizante basal permite una mejor germinación de las semillas, un incremento en el desarrollo de la raíz, una planta de estabilización más rápida y uniforme, un aumento en la absorción de nutrientes, una explotación más eficiente de los nutrientes. Además, resulta en mejoras de la composición del tejido, mayor resistencia a heladas y sequías y una recuperación más rápida, una mayor resistencia a las enfermedades, plagas (por hongos e insectos) y sequías, y una mayor vida útil (^{Arioli et al., 2015}; ^{Du Jardin, 2015}).

Figura 2 Esquematización de los beneficios de potenciales del uso de biofertilizantes en el cultivo de tomate en Sinaloa. 

Las macroalgas son biodegradables, no tóxicas, no contaminantes y no representan ningún peligro para el ser humano, animales o aves; incluso, en algunos países del oriente (China, Japón y Corea) son altamente consumidas como alimento humano (^{Hong et al., 2007}). Con base a este conocimiento, es posible disminuir el daño ecológico causado a los ecosistemas costeros, aprovechando la biomasa de las macroalgas y de esta manera obtener un beneficio económico al cosechar adecuadamente la biomasa resultante de tales florecimientos para su uso como fertilizantes orgánicos.

Otro beneficio ambiental de utilización de biofertilizantes a partir de macroalgas es su capacidad para el secuestro de CO₂ y la consecuente captación de gases de efecto invernadero de la atmósfera, esto debido a que aumenta las capacidades naturales del suelo y de los cultivos para el secuestro de carbono, comparado con el fertilizante sintético. Por otro lado, se reduce la dependencia de la fijación industrial de nitrógeno y la quema de combustibles fósiles.

Avances en investigación en México

Distintos investigadores del Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) de la SAGARPA y del Centro de Biotecnología Genómica del Instituto Politécnico Nacional han contribuido al desarrollo de biofertilizantes en México. La mayor parte de sus avances han sido en el aprovechamiento de microorganismos vivos, mismos que han probado en diferentes cultivos y en distintas regiones del país (^{Contreras-Cornejo et al., 2009}; ^{Aguirre-Medina et al., 2009}; ^{Grageda-Cabrera et al., 2012}; ^{Aguado-Santacruz, 2012}; ^{Zermeño-González, 2015}). Los primeros estudios del potencial uso de las macroalgas como biofertilizantes en México fueron realizados en la Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro desde los 1980s, en colaboración con la empresa Palau Bioquim, SA de CV (^{Canales-López, 1997}; ²⁰⁰⁰). Tras años de observaciones, estudios e investigaciones, experimentos y pruebas, en 1990 finalmente se logró tener el primer producto comercial a base de extracto de algas marinas en México ALGAENZIMS^MR (http://www.palaubioquim.com.mx).

Más recientemente, investigadores del Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias de la Universidad de Guadalajara, Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas del Instituto Politécnico Nacional, en colaboración con la empresa canadiense Acadian Seaplants Limited, han realizado diversas pruebas con extractos de distintas especies de macroalgas que incluyen a Ulva lactuca, Caulerpa sertularioides, Padina gymnospora y Sargassum liebmannii como bioestimulante de la germinación y crecimiento de tomate (Solanum lycopersicum) y plantas de frijol (^{Hernández-Herrera et al., 2014}; ²⁰¹⁶; ^{Castellanos-Barriga et al., 2017}).

En lo que respecta al avance de nuestras investigaciones, nos hemos centrado en evaluar el potencial de los florecimientos macroalgales en las lagunas costeras de Sinaloa para la elaboración de biofertilizantes. A la fecha, hemos recabado información sobre la formación de florecimientos macroalgales, los sitios y épocas de aparición, sus biomasas y variaciones en el tiempo. Se han identificado nueve especies de macroalgas formadoras de florecimientos: Ulva expansa, U. lobata, U. intestinalis, U. clathrata, Codium amplivesiculatum, Caulerpa sertularioides, Gracilaria vermiculophylla, Spyridia filamentosa y Cladophora sp.

Los ecosistemas asociados a los valles agrícolas del Fuerte y de Guasave y a la zona urbana de Mazatlán, son de los mas afectados. Las fotografías mostradas en las Figura 3 y 4 dan evidencia de florecimientos macroalgales de diversas especies en distintos ecosistemas de costeros de Sinaloa. Destacan las especies Spyridia filamentosa y Codium amplivesiculatum en un estero del Complejo Lagunar Ohuira-Topolobampo, el florecimiento de Codium amplivesiculatum y el arribazón de Cladophora sp., en el Sistema Lagunar Navachiste, y los florecimientos de Ulva clathrata y Gracilaria vermiculophylla en el Estero de Urías, en Mazatlán.

Figura 3 Florecimientos de las especies. a) Spyridia filamentosa y Codium amplivesiculatum en un estero del Complejo Lagunar Ohuira-Topolobampo, Ahome, Sinaloa (marzo 2017); b) Codium amplivesiculatum en el Sistema Lagunar Navachiste, Guasave, Sinaloa (marzo 2017); y c) arribazón de Cladophora sp. en el Sistema Lagunar Navachiste, Guasave, Sinaloa (marzo, 2017). 

Figura 4 Florecimientos de las especies a) Gracilaria vermiculophylla en Estero de Urías, Mazatlán, Sinaloa (abril 2017); e) las especies Ulva clathrata y Gracilaria vermiculophylla en Estero de Urías, Mazatlán, Sinaloa (octubre 2017); y c) arribazones costeras de Sargassum sp. en las costas de la Bahía Concepción, BCS, Padina durvillaei en Playa norte, Mazatlán, Sinaloa y Sargassum sp., a las costas del Caribe Mexicano (mayo, 2018). 

Los florecimientos y sus biomasas presentan importantes cambios espaciales y estacionales, relacionados a los cambios en las concentraciones de nutrientes y las condiciones fisicoquímicas de temperatura, salinidad e irradiación solar en las aguas (^{Green-Ruiz et al., 2009}). A su vez, el grado de enriquecimiento de nutrientes presenta variaciones espacio-temporal en respuesta a la magnitud de las descargas que reciben los distintos ecosistemas (^{Ochoa-Izaguirre et al., 2002}; Piñón-Gimate et al., 2008). Sin embargo, no solo al interior de las lagunas costeras se presentan florecimientos macroalgales, sino que también se incluyen sitios en el litoral de los estados de Sinaloa, Sonora y Baja California Sur.

Por ejemplo, se presenta la formación de grandes florecimientos y arribazones de Padina durvillaei y Sargassum sp., en las costas de Mazatlán, Sinaloa y de la península de Baja California Sur, dentro del Golfo de California (Figura 4c). De acuerdo con ^{Godínez-Ortega (2009)}, existen alrededor de 100 especies de algas para el consumo humano o animal que pueden ser explotadas en México, representando una producción de 250 mil toneladas por año. A pesar de tener un gran potencial de explotación, son pocos los estudios hechos en México sobre el uso de macroalgas. Se han reportado grandes arribazones de sargazo en el caribe mexicano (Figura 4c), las cuales representan un serio problema para la Riviera Maya no solo por cuestiones estéticas y olores desagradables propios de su descomposición, sino también por su afectación a la economía y biodiversidad.

Además, hemos recabado información de la composición química de las macroalgas y sus variaciones taxonómicas, espaciales y temporales. Todas las macroalgas estudiadas presentan una alta calidad nutricional en términos de aminoácidos y su contenido de minerales; sin embargo, las especies G. vermiculophylla, U. expansa, U. lobata y C. amplivesiculatum presentan una mejor composición química. La composición química de las poblaciones de macroalgas estudiadas varió con la temporada de muestreo, con una mayor acumulación de nutrientes en el invierno.

Cambios en la composición química de poblaciones de macroalgas en México han sido reportadas previamente (^{Castro-González et al., 1996}; ^{Peraza-Yee, 2011}; ²⁰¹⁴; ^{Di Filippo Herrera, 2014}). Finalmente, se ha avanzado en el desarrollo de técnicas para la producción de los biofertilizantes a partir de las macroalgas, garantizando la mayor eficiencia de extracción y la mejor calidad en términos de concentración de compuestos benéficos.

Salvo cuestiones técnicas pendientes por afinar, el procesamiento de la macroalga fresca requiere de molienda, hidrólisis ácida y alcalina bajo temperaturas controladas y regulación de pH, filtración y centrifugación, secado y molienda a polvo y estabilización del producto final. Esto permite obtener productos con diferentes presentaciones y formas de aplicación, incluyendo polvos, líquidos, suspensiones y geles.

Impactos de la explotación de los florecimientos en la producción de biofertilizantes

Se observó que el uso de macroalgas para producir biofertilizantes no es novedoso, pero si el aprovechamiento de los florecimientos macroalgales inducidos antropogénicamente. Los florecimientos son más frecuentes, se extienden por periodos más largos, el área que abarcan es mayor y aparecen en más sitios. El uso de biofertilizantes producidos a partir de florecimientos de macroalgas en las lagunas costeras fomentará la agricultura orgánica y ambientalmente amigable, ya que permite el reciclaje de los nutrientes y también la producción de alimentos orgánicos.

La demanda de productos orgánicos, a nivel mundial y nacional, está aumentando y la perspectiva para el futuro es que este tipo de agricultura será cada vez más importante. En nuestra propuesta, el biofertilizante obtenido a partir de macroalgas de ecosistemas naturales (materia orgánica sin tratar), y su aplicación en cultivo de plantas, permite certificar que se trata de un cultivo ecológico (producto biodegradable y benéfico para los suelos) y que los frutos son orgánicos.

De acuerdo con lo establecido en normas nacionales e internacionales como la UE No. 2092/1 (Unión Europea), USDA/NOP regla final (Estados Unidos de América) y el JAS Estándares Agrícolas de Japón para Productos Agrícolas Orgánicos (Japón), el biofertilizante cumple con los estándares para ser considerado fertilizante orgánico. Además, el uso de tales biofertilizantes permite cumplir con los lineamientos para la operación orgánica de las actividades agropecuarias, por lo que los frutos producidos pueden cumplir con las normas establecidas en la Ley de Productos Orgánicos y ostentar el sello ‘Orgánico SAGARPA México’.

Conclusiones

La sociedad esta tomando conciencia de los impactos ambientales que las actividades humanas producen a los ecosistemas y de la producción de bienes y servicios en forma sustentable. Por otro lado, la demanda de frutos y alimentos de origen orgánico está incrementado, asimismo, la demanda de fertilizantes orgánicos. La producción de biofertilizantes; a partir, de los florecimientos macroalgales, es una alternativa sustentable y económicamente viable que abona en esa dirección.

Entre las limitaciones del aprovechamiento de los florecimientos de macroalgas, se pueden citar: a) las variaciones espacio-temporales de los florecimientos macroalgales, en relación a las especies, la biomasa, y contenido nutricional, lo cual dificulta la producción de biofertilizantes con características y calidad estandarizada; b) la presencia de contaminantes químicos y microbiológicos cuando los florecimientos proceden de sitios que presentan contaminación ambiental; c) las dificultades para la extracción de las lagunas costeras; y d) la presencia en el mercado de productos de origen chino de muy bajo costo pero sin una calidad garantizada.