universidad veracruzana
Anuncio
UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS ZONA XALAPA Programa Educativo: Ingeniería Química “Los fertilizantes ante la producción de alimentos agrícolas” MONOGRAFIA Que para acreditar la Experiencia educativa: Experiencia Recepcional Presenta: ROMEO ALEJANDRO GONZALEZ RODRIGUEZ Directores: M. en A. Rafael Gómez Rodríguez Xalapa, Veracruz Mayo 2014 UNIVERSIDAD VERACRUZANA JURADO ASIGNADO: M.A. RAFAEL GÓMEZ RODRÍGUEZ DRA. CARMEN BULBARELA SAMPIERI DRA. LUZ ALICIA PASCUAL PINEDA DIRECTOR DE TESIS: M.A. RAFAEL GÓMEZ RODRÍGUEZ 2 UNIVERSIDAD VERACRUZANA DEDICATORIA Este trabajo está dedicado a mis padres, por su indiscutible apoyo y amor a lo largo de mi vida. A mi hermana por estar siempre disponible para mí. A mi tía Julieta por enseñarme lo que verdaderamente es el coraje y a mi tío Jorge por enseñarme lo que es la vida real. Romeo Alejandro González Rodríguez. 3 UNIVERSIDAD VERACRUZANA AGRADECIMIENTOS Agradezco a dios por darme paciencia a lo largo de este camino. A mis tres amigas Lucero, Samantha y Velia por su increíble amistad. A mi amigo y maestro Rafael Gómez Rodríguez por su constante apoyo a lo largo de mis estudios. Y a todo aquel que directa o indirectamente me apoyo en mi formación como persona. 4 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Índice Índice ....................................................................................................................... 5 Índice de Tablas....................................................................................................... 8 Índice de Diagramas ................................................................................................ 8 Introducción ............................................................................................................. 9 Objetivo General .................................................................................................... 11 Objetivos Específicos ............................................................................................. 12 Planteamiento del Problema .................................................................................. 12 Justificación ........................................................................................................... 12 1 2 Antecedentes de la relación ingeniería-agricultura ......................................... 13 1.1 El Futuro de los alimentos. ....................................................................... 18 1.2 La Agricultura y su futuro .......................................................................... 19 Biotecnología .................................................................................................. 21 2.1 La biotecnología ....................................................................................... 21 2.1.1 2.2 Biotecnología y la agricultura .................................................................... 24 2.2.1 Fitomejoramiento................................................................................ 25 2.2.2 Cultivo de tejidos y micropropagación ................................................ 28 2.2.3 Mejoramiento molecular o selección asistida por marcadores ........... 30 2.2.4 Ingeniería genética y cultivos Genéticamente modificados (GM) ....... 32 2.3 3 Descripción general de las aplicaciones de la biotecnología ............. 22 Biofertilizantes. ......................................................................................... 38 2.3.1 Características potenciales de algunos biofertilizantes ...................... 40 2.3.2 Producción de Biofertilizantes ............................................................ 43 Nutrición de las plantas .................................................................................. 45 5 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3.1 Nutrientes ................................................................................................. 45 3.2 Macro Nutrientes ...................................................................................... 47 3.2.1 Nitrógeno ............................................................................................ 47 3.2.2 Fósforo ............................................................................................... 50 3.2.3 Potasio ............................................................................................... 50 3.3 3.3.1 Calcio ................................................................................................. 52 3.3.2 Magnesio ............................................................................................ 52 3.3.3 Azufre ................................................................................................. 53 3.4 Micro Nutrientes ........................................................................................ 54 3.4.1 Manganeso ........................................................................................ 54 3.4.2 Zinc .................................................................................................... 55 3.4.3 Cobre ................................................................................................. 55 3.4.4 Boro.................................................................................................... 56 3.4.5 Molibdeno ........................................................................................... 56 3.5 Soluciones de nutrientes........................................................................... 57 3.5.1 El pH y las soluciones de nutrientes................................................... 57 3.5.2 La Presión Osmótica y la Conductividad Eléctrica. ............................ 59 3.5.3 Relación de la temperatura y las soluciones de nutrientes. ............... 61 3.5.4 Oxigenación ....................................................................................... 63 3.5.5 Agua ................................................................................................... 63 3.6 4 Nutrientes Secundarios............................................................................. 52 Remplazo de los nutrientes ...................................................................... 66 Fertilizantes .................................................................................................... 67 4.1 Historia de los fertilizantes ........................................................................ 67 6 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.2 Los fertilizantes ......................................................................................... 69 4.2.1 Nitrógeno-Fósforo-Potasio (NPK)....................................................... 69 4.3 Tipos de fertilizantes ................................................................................. 70 4.4 Fertilizantes Orgánicos ............................................................................. 72 4.4.1 4.5 Tipos de fertilizantes orgánicos. ......................................................... 73 Fertilizantes Inorgánicos ........................................................................... 74 4.5.1 Nitrógeno ............................................................................................ 74 4.5.2 Fosforo ............................................................................................... 77 4.5.3 Potasio ............................................................................................... 79 4.5.4 Porque existe una amplia gama de fertilizantes ................................. 80 4.6 La ingeniería de los fertilizantes ............................................................... 81 4.6.1 Materias Primas ................................................................................. 82 4.6.2 Fertilizantes Nitrogenados .................................................................. 84 4.6.3 Fertilizantes Fosfatados ..................................................................... 98 4.6.4 Fertilizantes de Potasio .................................................................... 102 4.6.5 Granulación y mezclado ................................................................... 104 4.6.6 Control de calidad ............................................................................ 105 4.6.7 El medio ambiente y los fertilizantes ................................................ 106 5 Conclusiones ................................................................................................ 109 6 Recomendaciones ........................................................................................ 116 Bibliografía: .......................................................................................................... 117 7 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Índice de Tablas Tabla 1 Elementos esenciales para las plantas. ............................................... 46 Tabla 2 Solubilidad del oxigeno en agua pura a múltiples temperaturas a 760mmHg de presión atmosférica. ................................................................... 62 Tabla 3 Contenido de nutrientes promedio y Materia Seca en fertilizantes orgánicos. Datos proporcionados por YARA .................................................... 73 Tabla 4 Tabla de remoción de nutrientes por cultivo. ....................................... 81 Tabla 5 Insumos en la industria de los fertilizantes........................................... 84 Índice de Diagramas Diagrama 1 Diagrama de Troug........................................................................ 58 Diagrama 2 Diagrama de flujo de la producción de amoniaco .......................... 88 Diagrama 3 Diagrama de flujo de la producción de Nitrato de amonio. ............ 91 Diagrama 4 Diagrama de flujo de la producción de sulfato de amonio ............. 93 Diagrama 5 Diagrama de flujo de la producción del nitrato de calcio ............... 94 Diagrama 6 Diagrama de flujo de la producción de Urea ................................. 97 Diagrama 7 Diagrama de flujo de la producción de fosfato de amonio ............. 99 Diagrama 8 Diagrama de flujo de la producción de superfosfato triple ........... 101 8 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Introducción A lo largo de la historia, el hombre ha tenido que luchar a fin de satisfacer sus necesidades primarias. En ese proceso y desde los tiempos más remotos, la inteligencia humana ha creado y perfeccionado las más diversas herramientas, practicas de trabajo y toda clase de recursos con el objeto de obtener los satisfactores de sus necesidades básicas como es la alimentación. De acuerdo con la antropología, incluso la invención de símbolos y expresiones para la comunicación derivó de la necesidad de unirse unos a otros para poder vencer adversidades, cazar animales y así alimentarse. Sin embargo, es con la sedentarización que aparece la agricultura dando lugar a la vida comunitaria y a la socialización de conocimiento y experiencias productivas. En sus inicios, la cultura agrícola de los integrantes de cada comunidad se nutrió del propio trabajo del hombre sedentarizado que de esa manera generó y acumuló conocimientos en torno a los cultivos propios de cada región del planeta. Posteriormente y conforme las sociedades fueron evolucionando, la experiencia fue objeto de sistematización y estudio de las instituciones educativas, en particular de científicos e ingenieros. Con el surgimiento de las ciudades, el paso del régimen feudal al capitalista, la primera revolución industrial y la creciente masa de trabajadores cuya fuerza era necesario reproducir, el desarrollo científico y tecnológico se ve impulsado por las mismas necesidades de una demanda en expansión lo que a su vez obligó a buscar la manera de hacer más eficiente el trabajo en la producción agrícola de alimentos de consumo generalizado pues era necesario producir más y más volúmenes de productos del campo para atender así la alimentación del creciente número de trabajadores y sus familias, que emigraron del campo y están ahora ubicados en la industria, el comercio y otros servicios. El resto del campesinado que no fue absorbido por estos sectores permaneció en sus prácticas de producción para autoconsumo colocando únicamente pequeños excedentes en el marcado mientras las medianas y grandes unidades de producción agrícola fueron transformando sus procesos productivos incorporando tecnología que hiciera más productiva la tierra. Impulsados por sucesos históricos como guerras y revoluciones, cabe señalar que mayoría de los avances tecnológicos actuales en la producción de fertilizantes son el resultado de la necesidad de sustancias químicas con objetivos bélicos. Hoy en día la producción de compuestos químicos como el amoniaco no tiene objetivos tan mortíferos pero sí de primordial importancia para la producción agrícola. En la actualidad y debido al constante incremento en la población mundial, la agricultura enfrenta una demanda sin precedentes de tal manera el futuro de la humanidad se augura incierto a cusa del progresivo desequilibrio entre la 9 UNIVERSIDAD VERACRUZANA magnitud de las necesidades y la disponibilidad global de alimentos básicos del campo lo que a su vez pone en entredicho la capacidad productiva de los fertilizantes tradicionales obligando a la búsqueda de mejores opciones. Más no solo eso, se añaden otros inconvenientes y es que la producción de fertilizantes químicos – poderosa industria internacional- está basada en la extracción de minerales algunos de los cuales no son inagotables para el planeta. En este contexto cobra importancia el trabajo de científicos e ingenieros que tienen que desarrollar nuevos sistemas industriales o nuevos compuestos para enfrentar esta ineludible realidad con el apoyo y colaboración de múltiples disciplinas. Al respecto y para poder alentar el estudio de innovaciones biotecnológicas o proponer nuevas y eficaces soluciones técnicas que contribuyan a incrementar la productividad agrícola sin los impactos nocivos de los fertilizantes químicos, es útil contar y acudir con visiones monográficas que pueden acotar el camino a los interesados en la materia. Compilaciones de conocimientos que describan en forma sintética los aspectos básicos de la producción de nutrientes. Para investigadores o estudiantes no especializados, adentrarse en los referentes históricos del tema resulta una aventura con todas las posibilidades de extravío en virtud de la abundancia de información y enfoques que se ve intensificada precisamente por el desarrollo actual de las nuevas tecnologías del conocimiento y la comunicación. El enorme poder de las grandes corporaciones de la industrial internacional de fertilizantes químicos tiene sus cuerpos de científicos y difusores de la supuesta inocuidad de los fertilizantes químicos. ¿Qué aliento puede haber para centrar el interés de investigadores en el desarrollo de biofertilizantes cuando los procesos de producción agrícola intensiva y las expectativas de empleo profesional están en la industria de fertilizantes tradicionales? No es un problema ético, de antemano se sabe de evaluaciones que han demostrado los daños ambientales a causa del uso y abuso de los fertilizantes químicos. Esto es como el uso de la quimioterapia utilizada para atacar una enfermedad como el cáncer, resulta eficaz pero de efectos generalmente destructivos; mientras que las opciones que ofrece la medicina alternativa, no obstante lo que se dice de sus bondades, presenta problemas de eficacia y rapidez. Los biofertilizantes pueden ser la opción a la producción agrícola de alimentos con carácter de sustentable y de inocuidad alimentaria en la fase productiva (FAO). Sin embargo, el criterio de rentabilidad de las unidades productivas y de eficacia en la consecución de metas de disponibilidad de alimentos, favorece la opción de los fertilizantes químicos tradicionales. Importa por tanto impulsar más el estudio, la investigación y el interés de lo que mitigue esos efectos, por una parte, y de los biofertilizantes por otra a fin de inclinar el equilibrio por la vía mixta. Se trata de estimular e impulsar esfuerzos en esta nueva dirección. Esta podría ser la modesta contribución de los estudios de tipo monográfico que ofrecen una organización de la información, el conocimiento y las experiencias y destacan tanto la diferencia como la inaplazable necesidad de los biofertilizantes. Esta es la intención del presente trabajo pues se trata de ayudar a que los interesados ni se deslumbren ante el poder y la inercia 10 UNIVERSIDAD VERACRUZANA de los procesos químico industriales ante los retos actuales y le den prioridad a las propuestas innovadoras que demandan las crecientes necesidades de la sociedad. O sea, es necesario entender lo que se ha venido haciendo a lo largo de la historia y en el presente. Este trabajo recopila los conocimientos necesarios para que el ingeniero pueda familiarizarse con el tema y comprender los alcances y las limitaciones que su especialidad enfrenta. Cada uno de los capítulos es clave para el entendimiento de las tecnologías involucradas en las necesidades agrícolas. En el primero capítulo se abordan los antecedentes históricos y tecnológicos, de la situación actual de la agricultura así como de los problemas que enfrenta la humanidad para el abastecimiento de alimentos, la magnitud que se estima alcanzará en el futuro próximo y las consecuentes necesidades de innovación tecnológica. A lo largo del segundo capítulo se introduce al lector nociones básicas que dan sustento a la tecnología responsable del futuro de la agricultura “la biotecnología” pasando por conceptos, objetivos y usos de esta, con la introducción de la ingeniería genética y la producción de biofertilizantes. Introduciendo la importancia de la nutrición adecuada y especializada de las plantas; como se profundiza a lo largo del tercer capítulo desarrollando conocimientos biológicos de la nutrición de las plantas lo que comprende el concepto de nutriente, su importancia y objetivo, al igual que la forma en que se suministran a las plantas dichos nutrientes. Se enfatiza en los aspectos físicos y químicos de dichas soluciones tratando de analizar la manera en que impactan cambios como la temperatura, presión e incluso la calidad y cualidades que presenta el agua. Todo esto con el fin de comprender qué sustancias requiere una planta y en qué forma, para poder asimismo identificar los procesos industriales requeridos para su producción como se presentan en el último capítulo. Donde se analiza el concepto de un fertilizante, los tipos y objetivos de cada uno de ellos y se ofrece una breve introducción a cada proceso industrial involucrado en su producción. Objetivo General Fomentar el estudio de los fertilizantes en la obtención de soluciones al problema de la producción de alimentos agrícolas desde un punto de vista ingenieril, pero haciendo usos de conocimientos de múltiples disciplinas. 11 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Objetivos Específicos Destacar la problemática representada por la producción de alimentos para una población mundial en crecimiento. Describir los fertilizantes que se han utilizado y se utilizan en la actualidad para la producción agrícola desde un punto de vista ingenieril. Introducir los conocimientos “interdisciplinarios” requeridos por el ingeniero para entender la industria de los fertilizantes. Dar una breve introducción a los procesos de elaboración de los principales fertilizantes químicos. Esbozar las tecnologías involucradas en el futuro de la producción agrícola (biotecnológicas). Planteamiento del Problema Es evidente que el ingeniero químico comparte en todas sus fases el reto mundial de la producción de alimentos. Se aborda aquí solo el referente a la producción agrícola primaria. Al respecto, las opciones tecnológicas se encuentran claramente delimitadas; por una parte, la industria de los fertilizantes de base química y, de la otra, los biofertilizantes. El problema para los estudiosos del tema es que estos dos enfoques se presentan como excluyentes y su comprensión enfrenta el reto de la dispersión. Justificación Esta monografía se justifica a partir de que es necesario que el estudioso no se pierda en la controversia excluyente; los fertilizantes químicos ó biotecnológicos y opte por profundizar las líneas de investigación que conduzcan al uso de ambos en forma responsable y equilibrada en la producción de alimentos básicos de origen agrícola. 12 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 1 Antecedentes de la relación ingeniería-agricultura En las relaciones entre la ingeniería y la agricultura se observa un objetivo común y es el incrementar la producción agrícola que tiene por destino su colocación en el mercado. Bajo las más diversas formas de propiedad, de cultivo y de organización de los productores del campo, el uso de tecnología ha sido fundamental para mejorar calidad y cantidad de los productos que se cultivan. Así, por ejemplo en sus inicios, la primera revolución agrícola hace referencia a un período de desarrollo agrícola en Gran Bretaña entre el siglo XVIII y el final del siglo XIX, que trajo como consecuencia un incremento masivo tanto de la productividad como la producción agrícola. Lógico que con mayores volúmenes de producción a ofertar se atendieron mejor las necesidades derivadas del crecimiento de la población y la reproducción de la fuerza de trabajo lo que a su vez impactó positivamente en la llamada Revolución Industrial. Alimentar a una clase obrera en expansión, fue la contribución más importante de la agricultura de aquella época. Son abundantes los ejemplos que muestran la interacción entre la revolución industrial y los procesos de transformación de la producción agrícola. En 1706 y como parte de los impactos de la industrial en la agricultura, en Ginebra se descubre el algodón mediante maquinaria que logra separar con rapidez las semillas y las fibras de algodón, laboriosa tarea que hasta esa época la llevaban a cabo los esclavos en forma manual. Lógico que gracias a ese cambio aumentó la disponibilidad de semilla para nueva siembra y por ende la capacidad de cultivo y de producción se vio incrementado (Marcel Mazoyer and Laurence Roudart, 2006). Los ejemplos de la citada relación ingeniería-agricultura son abundantes y constantes a lo largo de la historia y vale la pena, para los fines de este trabajo, mencionar la utilización de fertilizantes químicos en 1800. Fue un científico químico, J. Liebig quien después de una larga etapa de ensayos logró ofrecer pruebas de que la nutrición de las plantas podía ser objeto de mejora. Sus experimentos se enfocaron primero hacia la importancia del amoniaco y más tarde hacia los minerales inorgánicos. Estaba la revolución industrial en su apogeo y era necesario que la ciencia ofreciera respuestas a las necesidades de los procesos productivos. De esa manera la ciencia debía demostrar y llevar sus novedades como fue el caso del fertilizante a base de fosfato de cal sustraído del polvo de huesos con acido sulfúrico. En casi toda Europa y principalmente en Inglaterra, la fiebre de experimentos y novedades se expandió. Por ejemplo, Sir John Bennet Lawes logró experimentar con cultivos y abonos lo que hizo posible que se pudiera demostrar el efecto que tiene la utilización de fosfato en el desempeño de ciertos cultivos. 13 UNIVERSIDAD VERACRUZANA En Francia, J.B. Boussingault demostró que el nitrógeno en diversos tipos de fertilizantes es importante. Más tarde el uso de cal se volvió en fosfato de calcio, utilizado como fertilizante conocido como fosfato Thomas. A principios del siglo XX el premio Nobel de Química Carl Bosch hizo desarrollos en investigación y experimentación que llevaron a la oxidación de nitratos y nitritos. Otro personaje como E. Johnson trabajó para desarrollar un método industrial para la producción de nitro fosfato. La práctica utilizó acidificantes roca de fosfato con ácido nítrico para producir ácido fosfórico y nitrato de calcio, que, una vez neutralizado, podría ser utilizado como un fertilizante de nitrógeno (Marcel Mazoyer and Laurence Roudart, 2006). A mediados del siglo XIX (1850) los campesinos cortaban el heno a mano con hoces o guadañas. Después se desarrollaron otras herramientas como las de segadoras, los cortacéspedes mecánicos, las trituradoras, las empacadoras, picadoras y máquinas para la fabricación de obleas. La agricultura industrial (1900) se moderniza y logra la producción industrializada de ganado, aves, peces y cultivos. Las técnicas incluyen la innovación en maquinaria agrícola, métodos de cultivo, uso de tecnología genética, técnicas para el logro de economías de escala en la producción, la creación de nuevos mercados de consumo, la aplicación de protección de la patente a la información genética, y el comercio global. Se trata de métodos que se han generalizado en los países desarrollados y su aplicación es cada vez más frecuente en todo el mundo. La mayor parte de la carne, lácteos, huevos, frutas y verduras disponibles en los supermercados son producidos utilizando estos métodos de la agricultura industrial. No es casual que la agricultura industrial coincida con el de la Revolución Industrial. El desarrollo industrial en su primera época creó miles de empleos y disparó la demanda con poder adquisitivo y este a su vez la búsqueda de métodos intensivos de producción agropecuaria. De esa manera la identificación de nitrógeno y fósforo como factores críticos en el crecimiento de plantas llevó a la fabricación de fertilizantes sintéticos, posibilitando más tipos de agricultura intensiva. Por la misma época se descubren las vitaminas y se demuestra su papel en la nutrición animal, lo que llevó a la fabricación de los suplementos vitamínicos, lo que hizo posible la ganadería estabulada en forma intensiva. Al mismo tiempo el descubrimiento de antibióticos y vacunas facilitó la cría de ganado mediante la reducción de la enfermedad. Los productos químicos desarrollados para su uso en la Segunda Guerra Mundial dieron lugar a pesticidas sintéticos. Los avances en redes y tecnologías de transporte han hecho más factible la distribución a distancia de los productos agrícolas (Marcel Mazoyer and Laurence Roudart, 2006). También los registros estadísticos confirman los impactos de la ingeniería en la agricultura ya que la producción agrícola en todo el mundo se duplicó en cuatro 14 UNIVERSIDAD VERACRUZANA ocasiones entre 1820 y 1975 a alimentar a una población mundial de mil millones de humanos en 1800 a 6,5 mil millones en 2002. Durante el mismo período, el número de personas involucradas en la agricultura se redujo ya que el proceso se hizo más automatizado. Con el desarrollo de la aviación también se vio beneficiada la agricultura como lo demuestran múltiples hechos de investigación y experimentación. Así, por ejemplo en 1930 se toman las primeras fotos aéreas para la agricultura y a pesar de que las fotografías aéreas fueron tomadas de globos y cometas ya desde mediados 1800, el reconocimiento aéreo no fue ampliamente utilizado hasta la Primera Guerra Mundial (1914-1918), cuando las cámaras fueron montadas en aviones. Las aplicaciones militares de la fotografía aérea se expandieron durante la Segunda Guerra Mundial (1939-1945). Durante los años 1930 y la década de 1940, se llevaron a cabo los primeros estudios aéreos de grandes áreas de los Estados Unidos para apoyar los programas del gobierno en la conservación del suelo y el manejo forestal. En el año de 1939 investigando el origen de la utilización de pesticidas se encontraron antecedentes previos a la era cristiana, casi 2500 años a. c. Por ejemplo el espolvoreo de azufre en los campos de Sumeria Posteriormente se localizo otro antecedente en el siglo XV mediante productos químicos tóxicos como el arsénico, el mercurio y el plomo aplicado a cultivos para matar plagas. Ya en el siglo XVII se utilizó el sulfato de nicotina extraído de hojas de tabaco para ser aplicado como insecticida. Dos siglos después se utilizaron dos plaguicidas naturales, el piretro extraído de los crisantemos y la rotenona tomada de las raíces de vegetales del trópico. Fue en el año de 1940 cuando un hombre llamado Paul Muller descubrió el DDT como insecticida aplicado como plaguicida en casi todo el mundo. A partir de esta década los industriales comenzaron a producir grandes cantidades de pesticidas sintéticos. Por eso se le considera la “era de los pesticidas”. El incremento fue tal que desde 1950 el uso de plaguicidas aumento 50 %, o sea 2.5 millones de toneladas de pesticidas industriales utilizados por año, la mayor parte aplicado en países desarrollados aunque en los llamados en vías de desarrollo es notorio su incremento progresivo(Marcel Mazoyer and Laurence Roudart, 2006). Este cambio intensivo de utilización de DDT no podía ocurrir sin consecuencias y en 1960 las autoridades sanitarias descubrieron que el DDT estaba impidiendo que miles de aves se alimentaran y que los peces se reprodujeran lo que se consideró una amenaza para la biodiversidad. Fue tal el impacto que no faltaron denuncias y estudios críticos como el realizado por Rachael Carson quien escribió el libro más vendido ese año y titulado La primavera Silenciosa en el que se hace una implacable denuncia de los desequilibrios ecológicos causados por el DDT prohibido ya en por lo menos 90 países aunque en algunos en vías de desarrollo se sigue aplicando para prevenir la malaria y otras enfermedades tropicales matando mosquitos y otros insectos portadores de enfermedades 15 UNIVERSIDAD VERACRUZANA En el caso de México, es al final de la Segunda Guerra Mundial que este país entra a la llamada Revolución Verde con aplicación de tecnología y un incremento significativo de la producción agrícola. Los gobiernos se consideran responsables de fomentar esta transformación y proliferan los programas para ello. La investigación agrícola se desarrolla en instituciones públicas lo mismo que el extensionismo y la inversión en creación de infraestructura hidráulica, de comunicaciones, almacenamiento, etc. Múltiples proyectos y programas fueron apoyados desde el exterior como el caso de la financiada por la Fundación Hailey Ashton, junto con la Fundación Ford y otros organismos importantes. El desarrollo del sector industrial y de la clase trabajadora asalariada en los centros industriales creó una demanda efectiva de alimentos que tuvo que ser abastecida por la revolución verde lo cual a su vez dejo impactos sociales y ecológicos (Marcel Mazoyer and Laurence Roudart, 2006). La Revolución Verde en México dio inicio en 1943 mediante la creación de la Oficina de Estudios Especiales de la Presidencia, y enlace para la colaboración entre la Fundación Rockefeller y las dependencias federales del gobierno del Presidente Manuel Ávila Camacho. Por su parte y para atender la creciente población campesina, el gobierno del General Lázaro Cárdenas reorientó la política agrícola y agraria hacia la llamada de producción de subsistencia campesina. Gracias a ambas experiencias el desarrollo agrícola alcanza un éxito y debido a ello la Fundación Rockefeller trató de propagar la revolución verde a otras naciones. Correspondió a la Oficina de Estudios Especiales en México ser el eje promotor de esas transformaciones convirtiéndose en una institución de investigación internacional informal en 1959, y en 1963 en el (CIMMYT Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo). Al inicio de 1960 la India estaba al borde de la hambruna masiva y Norman Borlaug, conocido como el padre de la revolución verde fue invitado a ese país como asesor del ministro indio de Agricultura MS Swaminathan para atender la problematica. El movimiento orgánico Los impactos por el abuso de agroquímicos pronto despertaron una respuesta y en 1972 se inicio un movimiento de alcance mundial que también crea raíces en México: el llamado movimiento orgánico que en términos generales se refiere a las organizaciones e individuos involucrados en todo el mundo en la promoción de la agricultura ecológica, por considerarla el modo más sostenible de la agricultura. Se puede decir que este movimiento fue la respuesta a las prácticas agrícolas modernas a gran escala de la época. Aunque en los países desarrollados desde el año 1900 aparece como respuesta a la evolución hacia los fertilizantes nitrogenados y plaguicidas sintéticos en los primeros días de la agricultura industrial. En los países desarrollados ese movimiento se encontraba en estado latente y se mantuvo vivo gracias a un grupo relativamente pequeño de 16 UNIVERSIDAD VERACRUZANA agricultores con conciencia ecológica. Estos agricultores se reunieron en diversas asociaciones: (Demeter) Internacional de Alemania, que animó a la agricultura biodinámica y comenzó el primer programa de certificación, la Soil Association del Reino Unido, y Rodale Press en los Estados Unidos, junto con los demás. En 1972 estas organizaciones se unieron para formar la Federación Internacional de Movimientos de Agricultura Orgánica (IFOAM). En los últimos años, la conciencia ambiental ha impulsado la demanda y la conversión a la agricultura ecológica. Algunos gobiernos, entre ellos la Unión Europea, han comenzado a apoyar la agricultura ecológica a través de la reforma de los subsidios agrícolas. Producción y comercialización orgánica han crecido a un ritmo acelerado (Marcel Mazoyer and Laurence Roudart, 2006). La Genética Fue en el año 1996 cuando la investigación científica logró el cultivo comercial de plantas modificadas genéticamente. Las llamadas plantas transgénicas desarrolladas para diversos fines: la resistencia a plagas, herbicidas o condiciones ambientales extremas; una mejor vida de anaquel; un mayor valor nutricional y muchos más. Por ejemplo los eventos de plantas transgénicas tolerantes a glufosinato o glifosato y eventos que producen la toxina, un insecticida, que ha dominado el mercado de herbicidas. Recientemente, una nueva generación de plantas transgénicas que prometen beneficios para los consumidores y los efectos de la industria es cada vez ofertado para entrar en los mercados. Dado que las plantas modificadas genéticamente se cultivan en campos abiertos, a menudo hay una percepción de que podría estar asociado riesgos ambientales. Por lo tanto, la mayoría de los países requieren estudios de bioseguridad antes de la aprobación de un nuevo cultivo de planta de GM, por lo general seguido de un programa de vigilancia para detectar los impactos ambientales. Sobre todo en Europa, la coexistencia de plantas modificadas genéticamente con cultivos convencionales y ecológicos ha planteado muchas preocupaciones. En virtud de que no hay una legislación específica para los cultivos transgénicos y hay una alta demanda de los consumidores por la libertad de elección entre GM y los alimentos no modificados genéticamente, se requieren medidas para separar GM, las plantas convencionales y orgánicas y los alimentos y piensos derivados. Los programas de investigación europeos, como Co-Extra Transcontenedor y SIGMEA investigan herramientas y reglas apropiadas. En el nivel de campo, estos son los métodos de contención biológica, las distancias de aislamiento y barreras de polen (Robert Bud, 1994). 17 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 1.1 El Futuro de los alimentos. La comida es probablemente la cosa más importante en nuestras vidas. Es nuestra mayor industria, nuestra mayor exportación y una de nuestros mayores placeres. Tiene un efecto enorme en nuestras vidas, y lo que elegimos comer puede ser la causa más importante de enfermedad y muerte. Los seres humanos están programados para temer quedarse sin alimentos. Pocas cosas en el mundo son más aterradoras. El miedo a la hambruna está profundamente arraigada en nuestra psique - nuestros cuerpos todavía almacenan grasa para la próxima hambruna, condenan a los traficantes nos dan visiones apocalípticas sobre las posibles escaseces de alimentos del futuro y que se les recomienda reducir el consumo de alimentos en el mundo occidental como las enfermedades causadas por la obesidad se hace más y más de un problema. La disponibilidad de reservas para la alimentación como la autosuficiencia en la producción de alimentos está considerada por muchas naciones, entre ellas México, como un asunto estratégico para la estabilidad social. El movimiento ecologista también está creciendo en popularidad, más y más personas están buscando alternativas más ecológicas a los fertilizantes y la compra de más alimentos orgánicos y productos para el hogar. Temas como el calentamiento global, la contaminación química de los alimentos y el agua y la escasez de energía son constantes en los medios de comunicación y la política. También existe el desconcertante problema de cómo en el mundo futuro se va a alimentar a las poblaciones en rápido crecimiento en el mundo en desarrollo (International Conference Perspectives For Food, 2030). Hay muchas maneras diferentes para analizar el futuro de la alimentación. Algunas personas predicen la riqueza para el futuro y una continuación de nuestra abundancia actual, mientras que otros ven un desastre global, la escasez de alimentos y la destrucción del medio ambiente. Otros creen que con cosas tales como la ingeniería genética se puede alimentar a más personas sin experimentar una caída en nuestros propios estándares de vivir y consumir. Los que tienen una perspectiva más ambiental están convencidos de que sólo regresando a la producción a menor escala, el cultivo de alimentos orgánicos a nivel local y reduciendo nuestra actual exceso de consumo de alimentos de la tierra se logrará que el mundo sea capaz de sostenerse a sí mismo frente a una población en aumento y cada vez más demanda de alimentos. Tal vez no deberíamos ir demasiado alarmados - después de todo, ha habido escenarios apocalípticos durante siglos. “El debate actual sobre si la bioingeniería es compatible con los ideales agrarios suena un poco como argumentos anteriores sobre hibridación, tractores y pesticidas químicos"1(Warren Belasco, 2007). Este debate a tres 1 Warren Belasco, Profesor de Estudios Americanos de la Universidad de Maryland en los EE.UU. European Commission. (2007). International Conference Perspectives For Food 2030. Brussels. 18 UNIVERSIDAD VERACRUZANA bandas continúa hoy. Algunos creen que la única manera de asegurar una buena calidad y abundante comida en los próximos años es a través del capitalismo de libre mercado y la biotecnología; algunos preocupándose por los límites del crecimiento y algunos dicen que sólo con un sistema económico más justo se puede alimentar a los pobres mismos. Una cosa, sin embargo, está clara. Tiene que haber un debate abierto sobre el futuro de la alimentación. Miedos y pensamientos de las personas sobre las cosas tales como bio- y nanotecnologías deben ser reconocidas y respetadas. 1.2 La Agricultura y su futuro Tratar de predecir la situación de la agricultura en el 2030 es una tarea difícil, por no decir imposible, con el uso de las herramientas y de los mercados de hoy en día para tratar de hacer predicciones sobre el futuro está lleno de dificultades. La población mundial se estima que crecerá por otros dos billones y se asume que la mayor parte de aumento de la producción se llevará a cabo en los países en desarrollo. Las cifras de la demanda de alimentos en el futuro sugieren que el consumo per cápita de alimentos crecerá de manera significativa, lo que significa que la mayoría de la gente estará mejor alimentada y la desnutrición disminuirá. Pero en los países en desarrollo el número de personas subnutridas probablemente disminuya levemente. En la actualidad, a nivel mundial, la producción es igual al consumo, pero esto no es cierto para los países en desarrollo, donde la demanda de alimentos está creciendo más rápido que las tasas de producción. Debido a esto, muchos países en desarrollo han pasado de ser exportadores netos para convertirse en importadores netos de productos agrícolas. Ha habido grandes costos para el medio ambiente por parte de las ganancias sustanciales en la producción agrícola en el pasado, incluyendo la deforestación, la contaminación, la pérdida de hábitat y la pérdida de la biodiversidad. No podemos aumentar la productividad en el futuro sin degradar aún más nuestra base de recursos agrícolas (International Conference Perspectives For Food, 2030). “La necesidad de nuevos aumentos de la producción en el futuro, la conservación de la base de recursos de la agricultura y la minimización de los efectos adversos sobre el medio ambiente en general, exigen grandes aportaciones de la investigación agrícola”2(BABUCHOWSKI, 2007). La investigación debe integrar cada vez más los avances actuales en las ciencias moleculares, en la 2 Profesor Andrzej BABUCHOWSKI, Jefe de la Sección de Agricultura, Representación Permanente de Polonia a la UE. European Commission. (2007). International Conference Perspectives For Food 2030. Brussels. 19 UNIVERSIDAD VERACRUZANA biotecnología y en el control de plagas ecológicamente, con una comprensión más fundamental de la producción vegetal y animal en el contexto de la optimización de los suelos, el agua y los nutrientes. Es importante para el futuro de la producción agrícola dirigir nuevos esfuerzos de investigación para apoyar crecimiento de la producción y mejorar las características nutricionales de los productos, para aumentar la productividad en entornos adversos y minimizar los efectos adversos sobre el medio ambiente. La biotecnología moderna está siendo mencionada como un posible salvador de la producción de alimentos para el futuro. La biotecnología no se limita a la actividad muy publicitada y controvertida de la producción de organismos genéticamente modificados (GMO), sino que también abarca actividades como el cultivo de tejidos, la selección asistida por marcadores y el área más general de la genómica. El uso de técnicas de modificación genética para aumentar los rendimientos de producción puede ser más barato y hay una posibilidad de que pueda ser la única opción para elevar la productividad teniendo en cuenta las dificultades de tratar de hacer esto usando los métodos agrícolas tradicionales. Esta es un área de controversia, sin embargo, ya existe una considerable hostilidad pública hacia los productos modificados genéticamente. También existe incertidumbre sobre los posibles efectos adversos para la salud y la coexistencia de cultivos modificados genéticamente y no modificados genéticamente. Otra área de controversia es el control por parte de una serie de grandes empresas de las tecnologías que los agricultores van a utilizar para producir estos cultivos y del futuro desarrollo científico de este tipo de tecnologías. El sector de producción de alimentos debe ir con cuidado en esta área y mantener un debate público informado sobre los posibles efectos positivos y negativos de los GMO en la agricultura. A menos que se desarrolle la agricultura local y/o de otras oportunidades de generación de ingresos, los alimentos y/o inseguridad de los ingresos determinada por el potencial de producción limitada persistirán. De buena gana o no, la agricultura va a convertirse en una actividad más orientada a los negocios, con un sabor medioambiental y social especialmente. En la UE, es inevitable que la agricultura se someta a una transición de la propiedad agrícola basada en la familia para una actividad económica basada en el conocimiento profesional. Si los productores quieren tener éxito, tendrán que ser educados, flexibles y emprendedores y mantener el ritmo de las tecnologías nuevas e innovadoras. Los agricultores se encuentran en una situación muy difícil en la actualidad. Como a los productores agrícolas que también se espera que sean los custodios de la biodiversidad del medio ambiente. Pero ellos deben estar preparados para el cambio de las condiciones económicas, sociales y ambientales con los instrumentos de las empresas modernas y aprovechar los logros de las nuevas tecnologías. Por ello este trabajo recopila la información requerida de las tecnologías y conocimientos básicos para aquellos que su propósito sea poder enfrentar los retos que el futuro acarree (International Conference Perspectives For Food 2030). 20 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 2 2.1 Biotecnología La biotecnología El término biotecnología fue acuñado en 1919 por Karl Ereky, un ingeniero húngaro. En ese tiempo, el término incluía todos los procesos por los cuales se obtenía un producto a partir de materia prima mediante la ayuda de un organismo vivo. Hoy en día, de acuerdo a la Convención sobre la Diversidad Biológica (CDB), la Biotecnología se define como "toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos, organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos"3 (CBD, 2014). Los organismos vivos o sus derivados que se utilizan con mayor frecuencia incluyen microorganismos, animales y plantas (o sus células aisladas), así como las enzimas. Ellos pueden ser utilizados para procesar sustancias, por lo general otros materiales naturales renovables, o servir ellos mismos como fuentes de sustancias. Varias ramas de la industria confían en las herramientas biotecnológicas para la producción de alimentos, bebidas, productos farmacéuticos y biomedicinas (T. Scheper and A. Fiechter, 2000). Mucho antes de que el término biotecnología fuera acuñado, las personas estaban utilizando micro-organismos vivos para obtener productos de valor, por ejemplo a través del proceso de fermentación. Pero desde mediados del siglo XX, la biotecnología ha progresado y se ha expandió rápidamente. Hace unas tres décadas, con el avance de la biología molecular, la biotecnología se convirtió más en una ciencia que un arte. Se encontraron regiones de ácido desoxirribonucleico (ADN) que contenían información encargada de dirigir la síntesis de proteínas específicas (llamadas genes). Por lo tanto, las proteínas pueden ser consideradas como el producto final de un gen; son las moléculas que llevan a cabo casi todos los procesos esenciales dentro de una célula. Cada proteína tiene su propia identidad y función: muchas son llamadas enzimas catalizadoras (facilitan reacciones químicas), otras son componentes estructurales de las células y órganos. Hoy en día es posible expresar un gen, independientemente de su origen, en una simple bacteria u otros microorganismos, así como para organismos superiores tales como plantas y animales. 3 Convention on Biological Diversity. (2014). http://www.cbd.int/convention/articles/default.shtml?a=cbd-02 21 Article 2: Use of Terms UNIVERSIDAD VERACRUZANA Hace aproximadamente dos décadas, la ingeniería de proteínas se hizo posible como una rama de la tecnología del ADN recombinante. La ingeniería de proteínas difiere de la biotecnología "clásica", ya que se ocupa de la producción de nuevas proteínas, que han sido modificados o mejoradas en algunas de sus características. Las implicaciones comerciales de los desarrollos técnicos mencionados anteriormente son que un gran número de proteínas, que sólo existe en pequeñas cantidades en la naturaleza, ahora pueden ser producidas a escala industrial. Además, los rendimientos de producción se pueden aumentar mucho más rápido de lo que originalmente era posible con la fermentación clásica (T. Scheper and A. Fiechter, 2000). Es importante destacar que la producción de animales transgénicos y plantas que contienen elementos genéticos de fuentes ajenas, que poseen nuevos rasgos y características también se basan en las técnicas descritas anteriormente. Como todos estos enfoques dan lugar a la creación de organismos modificados genéticamente o por sus siglas en ingles (GMOs) estos pueden ser potencialmente dañinos para el medio ambiente y para la salud humana, por lo que la parte de la biotecnología que se ocupa de los GMOs está estrictamente regulada por las leyes y normas de bioseguridad. Las aplicaciones biotecnológicas son desarrolladas por un conjunto de actividades de investigación multidisciplinar, conocidas comúnmente como tecnologías habilitadoras. Además de la fermentación y la tecnología del ADN, otras tecnologías importantes son la de cultivo de células vegetales, animales y la de enzimas. La base de estas tecnologías habilitadoras son las disciplinas científicas como la biología moléculas, la genética, la microbiología, la bioquímica, la química de proteínas, procesos químicos y de ingeniería y ciencias de la computación (Rashmi Tyagi, 2009). 2.1.1 Descripción general de las aplicaciones de la biotecnología Dado el avance de la tecnología del ADN, varias técnicas y aplicaciones se han desarrollado beneficiando a la humanidad en campos como la agricultura, la medicina, el medio ambiente, la industria y la medicina forense. Las siguientes secciones describen brevemente algunas de estas aplicaciones y sus posibles beneficios para la sociedad. Industria 22 UNIVERSIDAD VERACRUZANA La biotecnología industrial aplica las técnicas de la biología molecular moderna para mejorar la eficiencia y reducir los impactos ambientales de los procesos industriales como el textil, el papel, y la fabricación de productos químicos. Por ejemplo, las empresas de biotecnología industriales desarrollan biocatalizadores, tales como enzimas, para sintetizar productos químicos. Las enzimas son proteínas producidas por todos los organismos. Usando la biotecnología, la enzima deseada puede ser fabricada en cantidades comerciales. Productos químicos básicos (por ejemplo los polímeros) y productos químicos especiales se pueden producir usando aplicaciones biotecnológicas. La síntesis química tradicional implica grandes cantidades de energía y de productos a menudo indeseables, tales como el HCl. Usando biocatalizadores, los mismos productos químicos se pueden producir de forma más económica y más respetuosa hacia el medio ambiente. Un ejemplo podría ser la sustitución de la proteasa en los detergentes por otros compuestos de limpieza. Las proteasas de detergentes, que eliminan las impurezas de la proteína, son componentes esenciales de los modernos detergentes, y se utilizan para romper las proteínas, almidón y ácidos grasos presentes en los artículos que son lavados. Resultados de la producción de la proteasa en una biomasa que a su vez produce un útil subproducto - fertilizante orgánico. La biotecnología también se utiliza en la industria textil para el acabado de telas y prendas de vestir. La biotecnología también produce algodón biotecnológico el cual es más cálido, fuerte, mejorado en la captación y retención de tinte y mayor capacidad de absorción. Algunos cultivos agrícolas, tales como el maíz, se pueden utilizar en lugar de petróleo para producir productos químicos. El azúcar de la cosecha puede ser fermentada a ácido, que se puede utilizar entonces como un producto intermedio para producir otras materias primas químicas para diversos productos. Se ha proyectado que el 30 % de las necesidades de productos químicos y combustibles en el mundo podría abastecerse de tales recursos renovables en la primera mitad del siglo siguiente. Salud y medicina En el área de la salud y la medicina, la biotecnología tiene numerosas e importantes funciones. La biotecnología se utiliza para el desarrollo de herramientas de diagnóstico para la identificación de enfermedades. También para producir vacunas más eficaces y eficientes, anticuerpos terapéuticos, antibióticos y otros productos farmacéuticos. La biotecnología es una industria de $ 70 mil millones de dólares al año que ha producido varios medicamentos superventas y vacunas, es decir, fármacos con volúmenes de ventas superiores a 1 mil millones de dólares por año. Además , hay más de 370 productos de drogas y vacunas obtenidas a través de la biotecnología actualmente en ensayos clínicos , con una orientación a más de 200 enfermedades, incluyendo varios tipos de cáncer , enfermedad de Alzheimer , enfermedades del corazón , la diabetes , la esclerosis múltiple , el SIDA y la artritis. 23 UNIVERSIDAD VERACRUZANA A través de la biotecnología de la terapia génica, los científicos están haciendo esfuerzos en la curación de enfermedades genéticas por intentar reemplazar genes defectuosos con la versión correcta. Una estrategia revolucionaria está siendo desarrollada por la cual se utilizan los alimentos básicos, como las patatas, los plátanos, y otros como vehículos de administración para facilitar la vacunación de las personas en las regiones económicamente deprimidas del mundo. Medio ambiente Desarrollo y uso de combustibles alternativos que se quemen más limpios y mejoren la calidad del aire mediante la reducción de la contaminación del medio ambiente es posible por medios biotecnológicos. Los microorganismos se utilizan para descomponer los desechos y limpiar los sitios contaminados por la tecnología de biorremediación. El uso de cultivares resistentes a la enfermedad puede hacer que la producción de cultivos menos intrusivo para el medio ambiente al reducir el uso de agroquímicos. 2.2 Biotecnología y la agricultura Todos los organismos vivos tienen la capacidad de mejorarse a sí mismos a través de medios naturales con el fin de adaptarse a las cambiantes condiciones ambientales. Sin embargo, se necesitan cientos de años antes de que se obtenga una mejora detectable. El hombre aprendió a domesticar y criar plantas con el fin de desarrollar cultivos a su gusto y necesidades utilizando diversos medios, incluida la biotecnología. La biotecnología se define como un conjunto de herramientas que utiliza organismos vivos (o partes de organismos) para hacer o modificar un producto, mejorar plantas, árboles o animales, o desarrollar microorganismos para usos específicos. La biotecnología agrícola es el término utilizado en el mejoramiento de los cultivos y la ganadería a través de herramientas biotecnológicas (Rashimi Tyagi, 2009). Esta monografía se centrará sólo en las innovaciones tecnológicas detrás de la agricultura. La biotecnología abarca una serie de herramientas y elementos de las técnicas convencionales de mejoramiento, bioinformática, microbiología, genética molecular, bioquímica, fisiología vegetal y la biología molecular. Los instrumentos de la biotecnología que son importantes para la biotecnología agrícola son: El fitomejoramiento convencional El cultivo de tejidos y micropropagación 24 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Mejoramiento molecular o la selección asistida por marcadores Cultivos de ingeniería genética y GM 2.2.1 Fitomejoramiento Desde el comienzo de la agricultura hace ocho ó diez mil años, los agricultores han alterando la composición genética de sus cultivos. Los primeros agricultores seleccionaban las mejores plantas y semillas las cuales guardaban para cultivar el próximo año. La selección de características, tales como el crecimiento más rápido, mayor rendimiento, resistencia a plagas y enfermedades, semillas más grandes o frutos más dulces ha cambiado drásticamente las especies domesticadas de plantas en comparación con sus parientes silvestres. El fitomejoramiento surgió cuando el hombre se enteró de que las plantas de cultivo pueden ser acoplados artificialmente o mediante la polinización para poder mejorar las características de la planta. Características deseables de diferentes plantas progenitoras podrían combinarse en la descendencia. Cuando la ciencia del mejoramiento vegetal se desarrolló aún más en el siglo 20, los criadores de plantas comprendieron cómo seleccionar plantas superiores y criarlas para crear nuevas y mejores variedades de distintos cultivos. Esto ha aumentado considerablemente la productividad y la calidad de las plantas que cultivamos como alimentos. El Fitomejoramiento convencional ha sido el método utilizado para desarrollar nuevas variedades de cultivos durante cientos de años. Sin embargo, el fitomejoramiento convencional ya no puede sostener la demanda global con el aumento de la población, la disminución de los recursos agrícolas, como la tierra y el agua, y el aparente estancamiento de la curva de rendimientos de los cultivos básicos. Por lo tanto, las nuevas tecnologías de mejoramiento de cultivos deben ser desarrolladas y utilizadas. 2.2.1.1 Mejoramiento por mutación El arte de reconocer los rasgos deseables e incorporarlos a las futuras generaciones es muy importante en el fitomejoramiento. Criadores inspeccionan campos y viajan largas distancias en busca de plantas individuales que exhiban rasgos deseables. Algunos de estos rasgos de vez en cuando surgen de forma espontánea a través de un proceso llamado mutación, pero la tasa natural de mutación es muy lenta y poco fiable para producir plantas. 25 UNIVERSIDAD VERACRUZANA A finales de 1920, los investigadores descubrieron que podían aumentar considerablemente el número de estas variaciones o mutaciones exponiendo las plantas a rayos X y productos químicos que inducen mutaciones. El "Mejoramiento por mutación" se aceleró después de la Segunda Guerra Mundial, cuando las técnicas de la era nuclear se hicieron ampliamente disponibles. Las plantas fueron expuestas a rayos gamma, protones, neutrones, partículas alfa y partículas beta para ver si éstos inducían mutaciones útiles. Productos químicos tales como azida de sodio y etilmetanosulfonato, también se utilizaron para causar mutaciones. Los esfuerzos de mejoramiento de mutación continúan en todo el mundo hoy en día. 2.2.1.2 La línea pura y la tecnología de semillas híbridas El resultado final del fitomejoramiento es o bien una variedad OP (por sus siglas en inglés de open-pollinated) para el maíz de polinización abierta o de endogámica (para el arroz) o una F1 (por sus siglas en inglés de first fillial) es decir, primera generación filial híbrida. Las OP y las variedades puras, cuando se mantienen y son debidamente seleccionadas y producidas, conservan las mismas características cuando se multiplican. Las semillas híbridas son una mejora con respecto a OP y a las semillas puras en términos de rendimiento, resistencia a plagas y enfermedades, y hasta en el tiempo de maduración. Las semillas híbridas son desarrolladas por la hibridación o cruce de diversas líneas parentales relacionadas. Las líneas puras son descendientes de varios ciclos de auto-polinización o producir descendencia sexual que se parecen mucho a sus padres. El desarrollo de la línea pura implica en primer lugar, la selección de líneas en el germoplasma existentes que expresan las características deseadas, tales como resistencia a plagas y enfermedades, madurez temprana, rendimiento, y otras. Estas características pueden no estar presentes en una sola línea, las líneas seleccionadas de este modo se crían juntas a mano. En las plantas autógamas, las flores están desvirtuadas por la eliminación de las anteras o la parte masculina de la flor con la mano, y son polinizadas por polen de otra línea. El progenitor femenino suele ser la línea que posee la característica agronómica deseada mientras el progenitor masculino es el donante de los nuevos rasgos. Los descendientes F1 (primera generación filial) se plantan y auto fecundan, así como la generación F2. A continuación los criadores, seleccionan en la generación F3 y F4 las líneas que muestran sus características agronómicas deseadas y el rasgo añadido. Las pruebas de resistencias a plagas y estreses abióticos se llevan a cabo también en este momento. Las líneas con los rasgos deseados que son calificadas como intermedio resistentes/tolerantes a las plagas y estreses abióticos son seleccionadas y auto fecundadas en dos o tres generaciones más. Las líneas 26 UNIVERSIDAD VERACRUZANA que no pierden los rasgos nuevos y estables se denominan líneas puras y son estables. En la tecnología de semillas híbridas, dos líneas puras con complemento de los rasgos y se derivan de los padres diversamente relacionados se crían a mano. Los híbridos F1 son la prueba de vigor híbrido en todos los parámetros agronómicos y de rendimiento y en comparación con los dos padres. Las crías resultantes suelen desempeñarse con más fuerza que cualquiera de los padres. La tecnología que se ha desarrollado, ha traído un tremendo impacto en los principales cultivos como el arroz, maíz, trigo, algodón y otros, incluyendo muchas verduras. En los EE.UU., el uso generalizado de los híbridos de maíz, junto con las prácticas de cultivo mejoradas por los agricultores, obteniendo mayor rendimiento de grano de maíz triplicado en los últimos 50 años. Ningún otro cultivo importante en cualquier parte del mundo ni siquiera se acerca a igualar ese tipo de historia de éxito. La tecnología híbrida de arroz ayudó a China a aumentar su producción de arroz de “140 millones de toneladas en 1978 a 188 millones de toneladas en 1990”4 y en otros países indica que la tecnología híbrida de arroz ofrecen oportunidades para aumentar la producción de arroz en un 15-20% más allá de las que se obtienen con la mejora de variedades puras y semi-enanas (Rashmi Tyagi, 2009). Con el impacto de la tecnología probada de semillas híbridas, nuevas herramientas para el mejoramiento de híbridos fueron descubiertas y utilizadas para los cultivos de autopolinización incluida la esterilidad masculina citoplasmática (CMS). La esterilidad masculina citoplasmática es una condición donde la planta es incapaz de producir polen funcional basada en otra fuente de polen para producir semillas. Esto facilita en gran medida la producción de semillas híbridas a gran escala, pasando por alto la polinización manual. La tecnología de la semilla híbrida actual utiliza tres líneas con el fin de producir la semilla híbrida: a) La línea A, que contiene un genoma mitocondrial defectuoso en el citoplasma y un gen restaurador suprimido. b) La línea B, que es genéticamente similar a la línea A, pero contiene un citoplasma normal y un gen restaurador suprimido c) La línea restauradora, una línea claramente no relacionada que contiene citoplasma normal y un gen restaurador activo (dominante). 4 Instituto Internacional de Investigación del Arroz (IRRI) 27 UNIVERSIDAD VERACRUZANA El sistema híbrido de dos líneas, otra tecnología de semilla híbrida se basa en la temperatura y la ubicación geográfica que afecta el genoma nuclear de la planta, que se manifiesta como masculina estéril. Esta tecnología de la semilla híbrida asegura vigor híbrido en las progenies pero el descubrimiento y desarrollo de líneas cms requiere mucho trabajo y tiempo. El fitomejoramiento convencional que resulta en variedades de polinización libre o variedades híbridas ha tenido un tremendo impacto en la productividad agrícola en las últimas décadas. Mientras que una herramienta extremadamente importante, el fitomejoramiento convencional también tiene sus limitaciones. En primer lugar, la reproducción sólo se puede hacer entre dos plantas que sean sexualmente compatibles entre sí. Esto limita las nuevas características que se pueden añadir a las que ya existen en esa especie. En segundo lugar, cuando se cruzan plantas, muchos rasgos se transfieren junto con el rasgo de interés incluyendo rasgos con efectos indeseables sobre el potencial de rendimiento. La biotecnología agrícola es una opción para los criadores para superar estos problemas. 2.2.2 Cultivo de tejidos y micropropagación Las plantas suelen reproducirse por medios sexuales - que tienen las flores y semillas para crear la próxima generación. Los óvulos de las flores son fertilizados por el polen de los estambres (parte masculina) de la flor de la misma planta (autopolinización) o de otra planta (cruz). Cada una de estas células sexuales contiene material genético en forma de ADN. Durante la reproducción sexual, el ADN de ambos padres se combina para la creación de descendientes similares a los padres (en cultivos de especies autógamas), o en formas nuevas e impredecibles, la creación de organismos únicos (en cultivos de polinización cruzada). Algunas plantas y árboles en el otro lado necesitan varios años antes de que las semillas de flores se establezcan, por lo que la mejora de plantas es difícil. Los científicos de plantas han desarrollado la ciencia y el arte del cultivo de tejidos para ayudar a los criadores en esta tarea (Jayakumaran Nair, 2010). El cultivo de tejidos es el cultivo de células de plantas, tejidos, u órganos en medios nutrientes especialmente formulados. Bajo las condiciones adecuadas, una planta entera se puede regenerar a partir de una sola célula. El cultivo de tejidos vegetales es una técnica que tiene más de 30 años. Hay varios tipos de cultivo de tejidos en función de la parte de la planta (explante) utilizada. El cultivo de anteras es un método de cultivo de tejidos utilizada para desarrollar variedades mejoradas en poco tiempo. El polen dentro de una antera contiene media dosis del genoma (haploides), que de forma espontánea doble (diploide) durante el cultivo. En algunas especies, sin embargo, el tratamiento con colchicina es necesario para inducir la duplicación. La duplicación del genoma permitirá la 28 UNIVERSIDAD VERACRUZANA expresión de rasgos recesivos que fueron suprimidos, enmascarados o no se detectan en el fitomejoramiento de rutina. Las anteras se colocan en un medio especial, y el polen inmaduro dentro de la brecha de la antera produce una masa de células que se divide denominado como callo. Los callos saludables (plural de callo) son recogidos y se colocan en otro medio para producir brotes y raíces (regeneración). A las plántulas estables se les permite crecer y madurar en el invernadero. Los criadores de plantas pueden seleccionar las plantas deseadas de entre las plantas regeneradas. El cultivo de anteras de plantas F1 que son progenie de un objetivo concreto de cría permitiría muchos tipos diferentes de los regenerantes. Esto es debido a que la constitución genética del polen será más variada que los de las líneas endogámicas, por lo tanto los criadores tendrán una gama más amplia de características para elegir. Esta tecnología ha sido empleada en el desarrollo exitoso de líneas doble haploides de arroz, trigo, sorgo, cebada, y otros cultivos de campo. La micropropagación es un método de cultivo de tejido desarrollado para la producción de material de siembra de alta calidad libre de enfermedad y para la producción rápida de muchas plantas uniformes. Activamente se dividen las células jóvenes (meristemas) las cuales se colocan en un medio especial y tratadas con hormonas de las plantas para producir muchos plántulas hermanas similares. Debido a que el meristemo se divide más rápido que el virus causante de la enfermedad, los materiales de limpieza se propagan y cientos de plántulas uniformes se producen en un corto período de tiempo. A través de la micropropagación, ahora es posible proporcionar materiales de siembra limpios y uniformes en las plantaciones de palma de aceite -, plátano, pino, banano, abacá, de fecha, de árboles de caucho; cultivos de campo berenjena, jojoba, piña, tomate; cultivos de raíces - yuca, ñame, patata; y muchas plantas ornamentales como orquídeas y anturios. Se han encontrado plantas micropropagadas que se establecen más rápidamente, creciendo con más fuerza y más altas, tienen un ciclo de producción más corto y más uniforme, y producen rendimientos más altos que los propágulos convencionales. El rescate de embriones implica el cultivo de embriones inmaduros de plantas en un medio especial para prevenir el aborto del embrión joven y apoyar su germinación. Esto se utiliza de manera rutinaria en la cría de líneas parentales que tienen genoma diferente o incompatibles, tales como en la introducción de rasgos importantes de los parientes silvestres en los cultivos (Jayakumaran Nair, 2010). El desarrollo de un nuevo tipo de planta de arroz para África Occidental (NERICA – Nuevo Arroz para África) fue el resultado de cruzamientos amplios entre la sativa asiática Oryza y el arroz africano Oryza glaberrima. Se emplea el rescate de 29 UNIVERSIDAD VERACRUZANA embriones en la reproducción inicial y en los sucesivos trabajos de cruce de nuevo seguido por cultivo de anteras para estabilizar las líneas de mejoramiento. Las nuevas plantas habrán combinado los rasgos de rendimiento de la sociedad dominante sativa con rasgos de adaptación local de glaberrima. Arroces silvestres son una fuente rica en características para la resistencia a las plagas y estreses abióticos. En el Instituto Internacional de Investigación del Arroz demostró que el rescate de embriones utiliza y facilita la transferencia de genes de resistencia a tizón bacteriano del arroz salvaje Oryza longistaminata a IR24 variedad resultante a una línea resistente tizón bacteriano (IRBB21). El cultivo de tejidos vegetales pertenece al extremo inferior de la escalera de la biotecnología agrícola. Pero la habilidad de la planta para regenerar una nueva planta es un requisito importante en el desarrollo de cultivos mejorados a través de la biotecnología agrícola. Es una técnica sencilla que muchos países en desarrollo ya han dominado. Su aplicación sólo requiere de un lugar de trabajo estéril y mano de obra capacitada. Desafortunadamente, el cultivo de tejidos es un trabajo intensivo, consume tiempo, y puede ser costoso. 2.2.3 Mejoramiento molecular o selección asistida por marcadores El proceso de desarrollo de nuevas variedades de cultivos requiere de muchos pasos y puede tomar casi 25 años. Ahora, sin embargo, las aplicaciones de la biotecnología agrícola han acortado considerablemente el tiempo que se necesita para llevarlos al mercado. En la actualidad, tarda aproximadamente de 7 a 10 años para las nuevas variedades que se desarrollan. Una de las herramientas que hacen más fácil y más rápido para los científicos seleccionar caracteres de la planta se llama selección asistida por marcadores (MAS). Los diferentes rasgos y características físicas de las plantas están codificados en el material genético de la planta, el ácido desoxirribonucleico (ADN). El ADN se produce en pares de cromosomas (hebras de material genético), uno procedente de cada progenitor. Los genes, que controlan las características de la planta, son segmentos específicos de cada cromosoma. Todos los genes de la planta en conjunto conforman su genoma (Jayakumaran Nair, 2010). Algunos rasgos, como el color de la flor, pueden ser controlados por un solo gen. Mientras que otras características más complejas, como el rendimiento del cultivo o el contenido de almidón, se ven influidos por muchos genes. Tradicionalmente, los fitomejoradores han seleccionado las plantas en función de sus rasgos visibles o mensurables, llamado el fenotipo. Pero, este proceso puede ser difícil, lento, influenciado por el medio ambiente, y costoso no sólo en el propio desarrollo, sino también para la economía, ya que los agricultores sufren pérdidas de cosechas. 30 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Como método abreviado, los fitomejoradores utilizan ahora la selección asistida por marcadores moleculares. Para ayudar a identificar genes específicos, los científicos usan lo que se llama marcadores moleculares los cuales son cadenas cortas o secuencia de ácido nucleico que constituye un segmento de ADN. Los marcadores están situados cerca de la secuencia de ADN del gen deseado. Dado que los marcadores y los genes están muy juntos en el mismo cromosoma, estos tienden a permanecer juntos como se produce cada generación de plantas. Esto se llama ligamiento genético. Este vínculo ayuda a los científicos a predecir si una planta contará con el gen deseado. Si los investigadores pueden encontrar el marcador para el gen, significa que el gen en sí mismo está presente. Científicos aprenden que cada uno de los marcadores se produce en un cromosoma, y lo cerca que está a un gen específico, pueden crear un mapa de marcadores de un gene en especial. Este mapa de ligamiento genético muestra la ubicación de los marcadores y genes, y su distancia de otros genes conocidos. Los científicos pueden producir mapas detallados en una sola generación de fitomejoramiento. Anteriormente, científicos producían mapas genéticos muy simples usando técnicas convencionales. Se observó hace mucho tiempo que conforme se cruzaban generaciones de plantas, algunos rasgos aparecían consistentemente juntos en las nuevas generaciones (ligamiento genético). Sin embargo, ya que los investigadores podían concentrarse en sólo unos pocos rasgos en cada intento de cruce, se necesitaron muchos cruces para obtener incluso un mapa genético muy simple. Usando mapas genéticos muy detallados y un mejor conocimiento de la estructura molecular del ADN de una planta, los investigadores pueden analizar un poco de tejido de una planta de semillero recién germinado (Jayakumaran Nair, 2010). Ya no se tienen que esperar a que la planta llegue a crecer en una planta madura para la prueba de la presencia del rasgo específico. Una vez que el tejido se analiza a través de técnicas moleculares, los científicos saben si las plántulas contiene el gen adecuado. Si no es así, pueden pasar rápidamente y concentrar el análisis en otro de las plántulas, invirtiendo tiempo de trabajo sólo con las plantas que contengan el rasgo específico. Actualmente, la selección asistida por marcadores moleculares, es una herramienta de la biotecnología agrícola ya de rutina en la reproducción de la mayoría de los cultivos donde se sabe el gen y los marcadores para un rasgo específico. Esta técnica se utiliza en la introgresión eficiente de genes importantes en el arroz, tales como resistencia al tizón bacteriano, un mayor contenido de beta caroteno, y la tolerancia a la sumersión por nombrar unos pocos. Cabe señalar, sin embargo, que la cría molecular a través de la selección asistida por marcador es algo limitada en su alcance en comparación a la ingeniería genética o modificación debido a que: 31 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 1. Sólo funciona para los rasgos ya presentes en un cultivo. 2. No se puede utilizar eficazmente para criar cultivos que tienen largo tiempo de generación (por ejemplo, cítricos). 3. No se puede utilizar de manera efectiva con los cultivos que se propagan clonalmente porque son estériles o sus descendientes no se parece a los padres. Esto incluye muchos alimentos básicos como el plátano, camote y yuca. 2.2.4 Ingeniería genética y cultivos Genéticamente modificados (GM) Durante los últimos 30 años, el campo de la biotecnología agrícola se ha desarrollado rápidamente debido a la mayor comprensión del ADN como el código de doble hélice químico del que están hechos los genes. La ingeniería genética es una de las herramientas de la biotecnología agrícola moderna que se basa en la tecnología del ADN recombinante. El término ingeniería genética, a menudo referido con términos tales como la tecnología de gen, la modificación genética, o la manipulación de genes, se utiliza para describir el proceso por el cual la composición genética de un organismo puede ser alterado usando "tecnología de ADN recombinante". Esto implica el uso de herramientas de laboratorio y enzimas específicas para cortar, insertar y modificar fragmentos de ADN que contienen uno o más genes de interés “un objetivo importante para los científicos es encontrar maneras de mantener una alta productividad, así como el desarrollo de cultivos con mayor valor nutricional”5(Assis Datta, 2013). La capacidad de manipular los genes individuales y transferir genes entre especies que no cruzarse con facilidad es lo que distingue a la ingeniería genética a partir de fitomejoramiento tradicional. Con el fitomejoramiento convencional, hay poca o ninguna garantía de obtener cualquier combinación genética particular de los millones de cruces generados. Genes indeseables pueden ser transferidos junto con los genes deseables o mientras un gen deseable se gana, otro se pierde porque los genes de ambos padres se mezclan y re-surtido más o menos al azar en la descendencia. Estos problemas limitan las mejoras que los fitomejoradores pueden lograr, consumiendo tiempo y fondos. En contraste, la ingeniería genética permite la transferencia directa de uno o unos pocos genes, entre cualquiera cerca o lejos de organismos relacionados. No todas las técnicas de ingeniería genética implican la inserción de ADN de otros 5 Asis Datta. (2013). Genetic engineering for improving quality and productivity of crops. New Delhi India: Agriculture & Food Security. 32 UNIVERSIDAD VERACRUZANA organismos. Las plantas también se pueden modificar mediante la eliminación o desconexión de genes particulares y los controles genéticos (promotores). La aplicación de la ingeniería genética en la producción agrícola sólo se utiliza cuando todas las demás técnicas se hayan agotado y cuando: 1) El rasgo de ser introducido no está presente en el germoplasma de la cosecha. 2) El rasgo es muy difícil de mejorar por métodos convencionales de mejoramiento. 3) Que tomará mucho tiempo para introducir y/o mejorar estos rasgos en el cultivo por métodos convencionales de mejoramiento. El fitomejoramiento moderno es un proceso multidisciplinario y coordinado donde se utilizan y se integran un gran número de herramientas y elementos de las técnicas convencionales de mejoramiento, la bioinformática, la bioquímica, la genética molecular, la biología molecular y la ingeniería genética. 2.2.4.1 Desarrollo de cultivos transgénicos Aunque hay muchas técnicas diversas y complejas implicadas en la ingeniería genética, sus principios básicos son razonablemente simples. Es sin embargo, muy importante conocer los mecanismos bioquímicos y fisiológicos de acción, regulación de la expresión y la seguridad del gen y el producto del gen para ser utilizado (Jayakumaran Nair, 2010). El proceso de la ingeniería genética requiere la finalización con éxito de una serie de seis pasos. I. Extracción del ácido nucleico (ADN/ARN) Extracción de ácido nucleico, ya sea ADN o ácido ribonucleico (ARN) es el primer paso en el proceso de la ingeniería genética. Por tanto, es importante que los métodos fiables estén disponibles para el aislamiento de estos componentes de la célula. En cualquier procedimiento de aislamiento, el paso inicial es la alteración de la célula del organismo deseado, que puede ser viral, bacteriana o células de plantas, con el fin de extraer el ácido nucleico. Después de una serie de pasos químicos y bioquímicos, el ácido nucleico extraído se puede precipitar para formar gránulos de hilo de ADN/ARN. 33 UNIVERSIDAD VERACRUZANA II. Clonación de genes El segundo paso es la clonación de genes. Hay básicamente cuatro etapas en cualquier experimento de clonación: generación de fragmentos de ADN, de unirse a un vector, propagación en una célula huésped, y la selección de la secuencia requerida. En la extracción de ADN, se extrae todo el ADN del organismo deseado. Esta genómica ADN se trata con enzimas específicas denominadas enzimas de restricción de corte en fragmentos más pequeños con extremos definidos para permitir que se puede clonar en vectores bacterianos. Copias del vector A continuación, albergar muchas inserciones diferentes del genoma. Estos vectores se transforman en células bacterianas y miles de copias se producen (Ilustración 1). Aislamiento de gen ADN plásmido Transformación Bacteria Ilustración 1 La clonación de ADN de fragmentos específicos en un elemento genético auto-replicante Utilizando la información relativa a las secuencias específicas de marcadores moleculares y el fenotipo deseado, se detecta el vector que alberga la secuencia deseada, seleccionada, aislada y se producen clones. Las enzimas de restricción se utilizan de nuevo para determinar si el inserto del gen deseado se clona completa y correctamente. III. Diseño del Gene y Embalaje Una vez que el gen de interés ha sido clonado, y este está ligado a las piezas de ADN que controlan su expresión dentro de la célula de la planta los fragmentos de ADN se encenderán (promotor) y desactivaran (terminador) la expresión del gen 34 UNIVERSIDAD VERACRUZANA insertado. El diseño del Gene y su embalaje se puede hacer mediante la sustitución de un promotor existente por uno nuevo, la incorporación de un gen marcador seleccionable y la adición de fragmentos de gen potenciador, intrones, y secuencias localizables de orgánulos, entre otros (Assis Datta, 2013). Promotores Los promotores permitir la expresión diferencial de genes. Por ejemplo, algunos promotores hacen que los genes insertados se expresen todo el tiempo, en todas las partes de la planta (Constitutivo), mientras que otros permiten la expresión sólo en ciertas etapas de crecimiento de la planta, en ciertos tejidos de la planta, o en respuesta a señales ambientales externas. La cantidad del producto génico que se expresa también está controlada por el promotor. Algunos promotores son débiles, mientras que otros son fuertes. El control de la expresión génica es una ventaja en el desarrollo de plantas modificadas genéticamente. Marcadores seleccionables de genes Los marcadores seleccionables son por lo general relacionados con el gen de interés para facilitar su detección una vez dentro de los tejidos de la planta. Esto permite la selección de células que se han incorporado con éxito con el gen de interés, con el consiguiente ahorro considerable de gasto y esfuerzo. Ingenieros genéticos utilizan marcadores tales como de resistencia a los herbicidas o a antibióticos para detectar las células que contienen el gen insertado. Las células que sobreviven a la adición de agentes de marcador al medio de crecimiento indican la presencia del gen insertado. Aunque es poco probable que se produzcan usando marcadores de resistencia a antibióticos también, se han desarrollado otros tipos de marcadores que están relacionados con el metabolismo de la planta tales como fosfomanosa, isomerasa, la isomerasa de la xilosa y otros (Jayakumaran Nair, 2010). Genes Indicadores Los genes indicadores se clonan en el vector en estrecha proximidad con el gen de interés, para facilitar la identificación de células transformadas, así como para determinar la correcta expresión del gen insertado. Los genes indicadores que se han utilizado incluyen: el gen de la beta glucuronidasa (gen gusA) que actúa sobre un sustrato particular, la producción de un producto azul, por lo tanto, haciendo las células transformadas azules; la proteína fluorescente verde (GFP) que permite a las células brillar con una luz verde; y el gen de la luciferasa que permite a las células que brillan en la oscuridad, entre otros (Jayakumaran Nair, 2010). Potenciadores 35 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Varias secuencias genéticas también se pueden clonar en frente de las secuencias del promotor (Potenciadores) o dentro de la secuencia genética en sí (intrones, o secuencias no codificantes) para promover la expresión de genes. Una vez que el gen de interés se empaqueta junto con el promotor, el indicador y el gen marcador, se introduce entonces en una bacteria para permitir la creación de muchas copias del paquete de gen. El ADN aislado de los clones bacterianos se puede entonces utilizar para la transformación de células de plantas utilizando bombardeo de partículas. Si sin embargo se prefiere el uso de las bacterias Agrobacterium tumefaciens en la transformación de la planta, todo el paquete debe ser clonado entre dos secuencias de borde. Esto permitirá que el procesamiento de la Agrobacterium para que sólo el ADN de transferencia (ADNT) se incorporará en el genoma de la planta. IV. Transformación Los métodos más comunes utilizados para introducir el paquete de genes en las células de la planta es un proceso llamado transformación o inserción de genes, usando la pistola de genes y transformación mediada por Agrobacterium. Bombardeo de partículas El bombardeo de partículas es un método mecánico para la introducción del gen deseado. La secuencia genética deseada se clona en un vector de la planta de ADN y se introduce en la planta utilizando la pistola de genes o pistola de partículas. Al igual que en la pistola común, la pistola de genes utiliza diminutas partículas de tungsteno o de oro como la bala. Estas partículas se revisten con la solución de ADN y dispararon a las células de la planta a través de la fuerza del gas helio dentro de una cámara al vacío. La Partículas de ADN y el tungsteno/oro ingresan al interior de la célula, y dentro de 12 horas, el ADN insertado penetra dentro del núcleo y se integran con el ADN de la planta. Las partículas de tungsteno/oro son secuestradas a la vacuola y eliminadas más tarde. Las células transformadas se cultivan in vitro y se inducen para formar pequeñas plantas (Regeneración) que expresan el gen insertado (Jayakumaran Nair, 2010). Transformación mediada por Agrobacterium tumefaciens El “intercambio” de ADN entre las formas de vida está bien documentado como un fenómeno natural. Durante miles de años, los genes se han trasladado de un organismo a otro. Por ejemplo, Agrobacterium tumefaciens, una bacteria del suelo conocido como el “ingeniero genético de la naturaleza”, tiene la capacidad natural para diseñar plantas genéticamente. Causa enfermedades en una amplia gama de plantas de hoja ancha, tales como manzana, pera, melocotón, cereza, almendra, frambuesa y rosas. Básicamente, la bacteria transfiere parte de su ADN a la planta, y este ADN se integra en el genoma de la planta, causando la producción 36 UNIVERSIDAD VERACRUZANA de tumores y cambios asociados en el metabolismo de la planta (Jayakumaran Nair, 2010). Los biólogos moleculares han utilizado este mecanismo biológico para mejorar los cultivos. Los genes que causan los tumores son removidos y reemplazados por genes que codifican rasgos deseables. Las células vegetales infectadas con la bacteria no forman tumores pero producen células que contienen el gen deseado. El objetivo principal en cualquier procedimiento de transformación es introducir el gen de interés en el núcleo de la célula sin afectar la capacidad de la célula para sobrevivir. Si el gen introducido es funcional, y el producto del gen se sintetiza, entonces se dice que la planta se ha transformado (Assis Datta, 2013). Una vez que el gen insertado es estable, heredable y expresado en las siguientes generaciones, la planta se considera un transgénico. V. Detección de genes insertados Métodos de detección molecular se han desarrollado para determinar la integridad del transgén (gen introducido) en la célula vegetal. Reacción en cadena de la polimerasa o PCR Es una prueba rápida para determinar si las células o plantas transgénicas regeneradas contienen el gen. Se utiliza un conjunto de cebadores (fragmentos de ADN) hacia adelante y hacia atrás, cebadores cuyas secuencias de nucleótidos se basan en la secuencia del gen insertado. Los cebadores y nucleótidos individuales se incuban con la cadena sencilla de ADN genómico y de varios ciclos de la amplificación de ADN se lleva a cabo en una máquina de PCR. El análisis de los productos de PCR en gel de agarosa mostrará si las plantas están muy transformadas, cuando los fragmentos de ADN de tamaño equivalente con el gen insertado estén presentes y amplificados (Jayakumaran Nair, 2010). Análisis de transferencia Southern Determina la integridad del gen insertado: si el gen esta completo y no fragmentado, en la orientación correcta, y con un número de copias. La secuencia de codificación de ADN es la sonda de unión a la cadena sencilla de ADN genómico de la planta transgénica que se implanta en un papel de nitrocelulosa. Una autorradiografía revelará el estado transgénico de la planta. Análisis de transferencia de Northern Determina si la transcripción o el ARN mensajero (ARNm) del ADN introducido está presente y se transcribe correctamente en la planta transgénica. El ARN mensajero de las plantas transgénicas se aíslan y se procesan para unirse a la 37 UNIVERSIDAD VERACRUZANA membrana de nitrocelulosa. El ADN marcado se utiliza para enlazarlo con el ARNm y pueda ser visualizado a través de autorradiografía. Análisis de transferencia de Western Es una técnica analítica utilizada para detectar si las plantas transgénicas producen el producto proteico específico del gen introducido. Las muestras de proteínas se extraen de las plantas transgénicas, transformadas en proteínas desnaturalizadas y transferidas a una membrana de nitrocelulosa. La proteína es entonces sondeada utilizando los anticuerpos específicos a la proteína deseada. VI. Retrocruzamiento (si es necesario) La transformación genética se lleva a cabo normalmente en variedades de élite o comerciales que ya poseen las características agronómicas deseadas pero carecen de la característica importante del transgén. Una vez llevado a cabo con éxito, la planta modificada genéticamente será fácilmente recomendada para su comercialización si muestra estabilidad en varias generaciones y cuando haya superado con éxito y el cumplimiento de los requisitos de registro de variedades. Sin embargo, algunas transformaciones de plantas pueden haber sido realizadas en variedades de plantas que son susceptibles a transformación genética, pero no son importantes en el país de destino, o en una variedad adaptada sólo en el país donde se llevó a cabo la transformación. También puede haber problemas de esterilidad en la planta transgénica. En tales casos, el fitomejoramiento convencional se lleva a cabo donde la planta transgénica se convierte en la fuente de polen en el programa de cría y las líneas de élite o variedades comerciales como el padre recurrente. El retrocruzamiento permite la combinación de los rasgos deseados del progenitor recurrente y la línea transgénica en los descendientes. La longitud de tiempo en el desarrollo de una planta transgénica depende de los genes, especies de cultivos, los recursos disponibles y la aprobación reglamentaria. Esto varía de 6 a 15 años antes de que una nueva planta transgénica o híbrida esté lista para su lanzamiento comercial (Assis Datta, 2013). 2.3 Biofertilizantes. La biotecnología se encuentra en constante mejoramiento al ser un área nueva de investigación. Aparte de las modificaciones genéticas y la hibridación la biotecnología ha desarrollado a su vez fertilizantes más agradables para el medio ambiente. “Los biofertilizantes son vistos como una importante tecnología 38 UNIVERSIDAD VERACRUZANA alternativa, ya que las externalidades negativas de los fertilizantes químicos han llegado a ser bien conocidas”6(NPCS, 2014). Los biofertilizantes no son más que las cepas seleccionadas de microorganismos benéficos del suelo cultivados en el laboratorio y transportados en un vehículo adecuado. Se pueden utilizar ya sea para el tratamiento de semillas o de aplicación en el suelo. Los biofertilizantes generan nutrientes como el nitrógeno y el fósforo a través de sus actividades en el suelo o en la rizosfera y se ponen a disposición de las plantas de una forma gradual. Los biofertilizantes están cobrando impulso recientemente debido al cada vez mayor énfasis en el mantenimiento de la salud del suelo, reduciendo al mínimo la contaminación del medio ambiente y el uso de químicos en la agricultura. En la agricultura de secano, estas entradas tienen importancia en vista de su bajo costo, ya que la mayor parte de los agricultores son pequeños y marginales y no pueden permitirse comprar fertilizantes químicos caros. Los biofertilizantes son también una entrada ideal para reducir el costo de cultivo y para la práctica de la agricultura ecológica. El termino biofertilizante es todavía poco claro. Puede ser fácilmente encontrado que los biofertilizantes son identificados como extractos de la planta, como residuos urbanos compostados, y mezclas microbianas con componentes no identificados, y en ocasiones como formulaciones de fertilizantes químicos complementados con compuestos orgánicos. No obstante el término biofertilizante es más comúnmente usado en los microorganismos del suelo para aumentar la disponibilidad y absorción de los nutrientes minerales para las plantas. Por lo que es necesario definir el término "biofertilizante". Hay una propuesta que "Biofertilizante" se define como una “sustancia que contiene microorganismos vivos que colonizan la rizosfera o el interior de la planta y promueven el crecimiento al aumentar el suministro o la disponibilidad de nutrientes primarios y/o estímulo de crecimiento para el cultivo objetivo, cuando se aplica a la semilla, planta superficies, o el suelo”7(J. Kevin Vessey, 2003). Si la existencia de un microorganismo aumenta el crecimiento de las plantas haciendo más nutrientes disponibles o sustituyendo los nutrientes del suelo o el aumento del acceso de la planta a los nutrientes, siempre y cuando el estado de los nutrientes de la planta se haya mejorado por los microorganismos, la sustancia que se aplica a la planta o el suelo que contiene los microorganismos, puede ser caracterizado como biofertilizante. Esta definición separa biofertilizante a partir de fertilizante orgánico que contiene materia orgánica. 6 NPCS, The complete Technology Book on Biofertilizer and Organic Farming. (2014). NIIR Project Consultancy Services. New Delhi India. 7 J. Kevin Vessey. (2003). Review of Plant Growth promoting rhizobacteria as biofertilizers. Netherlands: Kluwer Academic Publishers. 39 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Funciones microbianas recién sugeridas como biofertilizante: Numerosas especies de bacterias del suelo que florecen en la rizosfera de las plantas, pueden estimular el crecimiento de las plantas. Estas bacterias se conocen colectivamente como rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR). Algunas PGPR parecen promover el crecimiento, actuando tanto como biofertilizantes como biopesticidas. La búsqueda de PGPR y la investigación de sus modos de acción están aumentando a un ritmo rápido mientras se hacen esfuerzos para explotarlos comercialmente como biofertilizantes. Modos de acción PGPR incluyen la fijación de N2, el aumento de la disponibilidad de nutrientes en la rizosfera, que influyen positivamente en el crecimiento de la raíz y la morfología, y la promoción de otras beneficiosas simbiosis planta-microbio. Investigadores del mundo se han interesado por los microorganismos fijadores de nitrógeno, principalmente, solubilizadores de fosfato, degradadores de celulosa y las micorrizas como principales fuentes de biofertilizante y la producción de estas cepas en un medio de bajo costo. Existen varias limitaciones para el uso de biofertilizantes para el sistema agrícola. En primer lugar, la eficacia no es confiable para la mayoría de los biofertilizantes. Esto es debido a que el mecanismo de acción del biofertilizante en la promoción del crecimiento no se entiende bien. Sin embargo, la investigación de biofertilizante es cada vez mayor, tratando de hacer frente a estas cuestiones. Necesidades de investigación que deban realizarse para determinar si y cómo las variaciones en el tipo de suelo, las prácticas de gestión, y el clima afectan a la eficacia del biofertilizante. 2.3.1 Características potenciales de algunos biofertilizantes “Interacciones planta-microorganismo son una característica central de la vida, no sólo de las plantas, a la vez determina la salud del suelo y la salud de las plantas, lo que conduce a un ecosistema saludable. Estas interacciones van desde asociaciones simbióticas ventajosas a estados de enfermedad patogénicos. La comprensión de estas interacciones es esencial tanto para la producción de cultivos comerciales y la gestión de la salud del suelo nativo y para el mantenimiento general de medio ambiente sano”8(Ajay Singh, 2011). Fijadores de nitrógeno Rhizobium: pertenece a la familia Rhizobiaceae, de naturaleza simbiótica, fija nitrógeno (50-100kg/ha) con leguminosas solamente. Es útil para las leguminosas como garbanzo, guisantes, lentejas, leguminosas oleaginosas como la soja y el maní y leguminosas forrajeras como el trébol de Alejandría y la alfalfa. La exitosa 8 Ajay Singh. (2011). Biofertilizer Technology and Pulse Production. Springer Berlin Heidelberg 40 UNIVERSIDAD VERACRUZANA nodulacion de legumbres por Rhizobium depende en gran medida de la disponibilidad de la cepa compatible para una legumbre en particular. Esta coloniza las raíces de las leguminosas específicas para formar tumores llamados nódulos en las raíces, que actúan como fábricas de amoniaco. El Rhizobium tiene la capacidad de fijar el nitrógeno atmosférico en asociación simbiótica con las legumbres y ciertas no-leguminosas. La población de Rhizobium en el suelo depende de la presencia de los cultivos de leguminosas en el campo. En ausencia de las legumbres, la población disminuye. La inoculación de semillas artificialmente es a menudo necesaria para restaurar la población de cepas efectivas de Rhizobium cerca de la rizosfera para acelerar la fijación de N. Cada leguminosa requiere una especie específica de Rhozobium para formar nódulos efectivos. Muchos leguminosas pueden ser moduladas por diversas cepas de rizobios, pero el crecimiento se mejora sólo cuando los nódulos son producidos por cepas efectivas de Rhizobium. Por lo tanto, es extremadamente importante que coincida la microsimbiontes prudente para una máxima fijación de nitrógeno. Una cepa de Rhizobium que nodula y fija una gran cantidad de nitrógeno en asociación con una de las especies de leguminosas también puede hacer lo mismo en asociación con otras especies de leguminosas. Esto debe ser verificado mediante pruebas. Las plantas leguminosas que demuestran esta tendencia a responder de manera similar a las cepas particulares de rizobios son considerados grupo de "eficacia" (Wani y Lee 2002). Azospirillum: pertenece a la familia Spirilaceae, heterótrofa y asociativa en naturaleza. Además de su capacidad de fijación de nitrógeno de aproximadamente (20-40kg/ha), también producen sustancias reguladoras del crecimiento. Aunque hay muchas especies en virtud de este género como, A.amazonense, A.halopraeferens, A.brasilense, la distribución a nivel mundial y beneficios de la inoculación se han demostrado sobre todo con el A.lipoferum y A.brasilense. La Azospirillum forma simbiosis asociativo con muchas. Se recomienda principalmente para el maíz, la caña de azúcar, el sorgo, etc. El Azotobacter colonizar las raíces y no sólo permanece en la superficie de la raíz, sino también una proporción considerable de ellos penetra en los tejidos de la raíz y vive en armonía con las plantas, sin embargo, no producen ningún nódulo visibles o crecimiento hacia fuera del tejido de la raíz (Arun, 2007). Azotobacter: pertenece a la familia Azotobacteriaceae, aeróbica, de vida libre, y heterótrofa en la naturaleza. Azotobacters están presentes en suelos neutros o alcalinos y Achroococcum es la especie que más comúnmente se produce en suelos arables. A. vinelandii, A. beijerinckii, A. insignis y A. macrocytogenes son otras especies que se encuentran. El número de Azotobacter rara vez excede de 104 a 105 g-1 del suelo debido a la falta de materia orgánica y la presencia de microorganismos antagonistas en el suelo. La bacteria produce antibióticos antihongos lo cual inhibe el crecimiento de varios hongos patógenos en la región de la raíz extendiendo en cierta medida la mortalidad de las plántulas (Subba Rao, 41 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 2001). El cultivo aislado de Azotobacter fija alrededor de 10 mg de nitrógeno g-1 de fuente de carbono bajo condiciones in vitro. El Azotobacter también sintetiza sustancias promotoras del crecimiento biológicamente activas, tales como vitaminas del grupo B. Muchas cepas de Azotobacter también pueden mostrar propiedades anti fúngicas contra patógenos tales como Fusarium, Alternaria y Helminthosporium. La población de Azotobacter es generalmente baja en la rizosfera de las plantas de cultivo y en suelos no cultivados. La presencia de este organismo se ha encontrado en la rizosfera de una serie de plantas de cultivo como el arroz, el maíz, la caña de azúcar, bajra, verduras y cultivos de plantación, (Arun, 2007). Algas verdeazules (Cianobacterias) y Azolla: Pertenecen a ocho diferentes familias, fotótrofas en la naturaleza y producen auxina, fijan (20-30kg N/ha) en campos de arroz acuático, ya que son abundantes en el arroz, por lo que también se les hace referencia como "organismos de arroz”. El N es el insumo clave requerido en grandes cantidades para la producción de arroz bajo tierra. Las algas verdeazules forman una asociación simbiótica capas de fijar nitrógeno con hongos, hepáticas, helechos y plantas con flores, pero la asociación simbiótica más común se ha encontrado entre un helecho acuático flotante libre, el Azolla Anabaena y azollae. La Azolla (helecho acuático) contiene 4-5% de N en base seca y 0,2 a 0,4% en base húmeda y puede ser la fuente principal de nitrógeno en la producción de arroz. El factor importante en el uso de Azolla como biofertilizante para la cosecha de arroz es su rápida descomposición en el suelo y eficiente disponibilidad de su nitrógeno para las plantas de arroz (Kannaiyan, 1990). Además de la fijación de nitrógeno, estos biofertilizantes también contribuyen cantidades significativas de P, K, S, Zn, Fe, Mb y otros micronutrientes. La Azolla puede ser aplicada mediante la incorporación en los campos antes de la siembra del arroz. Las especies más comunes que se producen son A. pinnata y este mismo se pueden propagar a escala comercial. Se puede producir en promedio alrededor de 1,5 kg por metro cuadrado en una semana. Solubilizadores de fosfato Existen diferentes especies bacterianas capaces de solubilizar compuestos de fosfato inorgánico insoluble, tales como fosfato tricálcico, fosfato dicálcico, hidroxiapatita, y roca fosforica. Entre las bacterias con esta capacidad están Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Burkholderia, Achromobacter, Agrobacterium, Microccocus, Aereobacter, Flavobacterium y Erwinia. Hay poblaciones considerables de bacterias solubilizadoras de fosfato en el suelo y en la rizosfera de las plantas. Estas incluyen cepas aerobias y anaerobias, con una prevalencia de cepas aerobias en suelos sumergidos. Un considerablemente mayor concentración de bacterias solubilizantes de fosfato se encuentra comúnmente en la rizosfera en comparación con suelos carentes de rizosfera (Raghu y Macrae, 2000). Las bacterias del suelo pertenecientes a los géneros Pseudomonas y 42 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Bacillus y hongos son los más comunes. El medio microbiológico por el cual se movilizan los compuestos insolubles de P es por la producción de ácidos orgánicos, acompañados por la acidificación del medio. Los ácidos orgánicos e inorgánicos convierten el fosfato tricálcico a fosfato di-y-monobásico con el resultado neto de una mayor disponibilidad del elemento a la planta. El tipo de ácido orgánico producido y sus cantidades difieren con diferentes organismos. Triy di-ácidos carboxílicos son más eficaces en comparación a mono ácidos básicos y aromáticos. Ácidos alifáticos son más eficientes en la solubilización de P en comparación con ácidos, cítricos y fumáricos. Absorbedores de fosfato Micorrizas El término micorriza denota "raíces de hongos". Es una asociación simbiótica entre plantas hospederas y cierto grupo de hongos en el sistema de raíces, en la que el socio se beneficia al obtener sus requisitos del carbono de los fotosintatos del huésped y el anfitrión a su vez se ve beneficiado por la obtención de los nutrientes muy necesarios especialmente fósforo, calcio, cobre, zinc, etc, que son de otro modo inaccesibles a esta. Estos hongos están asociados con mayoría de los cultivos agrícolas, con excepción de los cultivos/plantas pertenecientes a las familias de Chenopodiaceae, Amaranthaceae, Caryophyllaceae, Polygonaceae, Brassicaceae, Commelinaceae, Juncaceae y Cyperaceae. Estas se encuentran distribuidas geográficamente en las regiones árticas, templadas y tropicales por igual. De las 150 especies de hongos que se han descrito con el fin Glomales de clase Zigomicetos, sólo pequeñas proporciones son de micorrizas (Sawers, 2007). 2.3.2 Producción de Biofertilizantes Los biofertilizantes son preparaciones que contienen la cepa requerida pudiendo ser microorganismos fijadores de nitrógeno o microorganismos solubilizadores de fosfato. Los biofertilizantes se formulan generalmente como materiales inoculantes. Los materiales de soporte orgánicos son más eficaces para la preparación de inóculos bacterianos. Los inoculantes sólidos tienen más número de células bacterianas y apoyan la supervivencia de las células durante períodos más largos de tiempo. La producción en masa de biofertilizantes implica tres etapas. El cultivo de microorganismos El procesamiento de material de soporte 43 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Mezcla del material y el cultivo; y empaque El proceso de su elaboración es sencillo y de bajo costo por lo que los biofertilizantes presentan una ventaja sobre sus homónimos los fertilizantes inorgánicos los cuales requieren de todo un complejo sistema de industria y extracción para su fabricación como se describirá más adelante. Cómo funcionan los biofertilizantes: Los biofertilizantes fijan el nitrógeno atmosférico en los nódulos de suelo y raíces de cultivos y los ponen a disposición de la planta. Se solubilizan las formas insolubles de fosfatos como tricálcico, fosfatos de hierro y aluminio en formas disponibles. Limpian el fosfato de las capas del suelo. Producen hormonas que promueven el crecimiento. Descomponen la materia orgánica y ayudan en la mineralización en el suelo. Cuando se aplica a las semillas o el suelo, los biofertilizantes aumentan la disponibilidad de nutrientes y mejoran el rendimiento en un 10 a 25% sin adversamente afectar el suelo y el medio ambiente. La aplicación de biofertilizantes es la única opción para mejorar el carbono orgánico del suelo para mantener la calidad del suelo y el futuro de la productividad agrícola. El biofertilizante tiene un papel importante que desempeñar en la mejora del suministro de nutrientes y su disponibilidad de cultivos en los próximos años. Son insumos favorables para medio ambiente no voluminosos y de bajo costo agrícola pero de una u otra forma cualquier fertilizante empleado para incrementar la eficiencia de una plantación es importante entender la relación que existe entre el biofertilizante o fertilizante empleado y la nutrición de la planta. 44 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3 3.1 Nutrición de las plantas Nutrientes Un nutriente para una planta es un elemento químico que es esencial para el crecimiento vegetal y reproductivo. Comúnmente, para que un elemento pueda ser catalogado como un nutriente, este debe encajar en ciertos criterios. El criterio principal es que el elemento debe ser requerido por la planta para poder completar su ciclo de vida. El segundo es que ningún otro elemento puede sustituir a este como un nutriente. El tercero es que todas las plantas requieran este elemento. Todos los elementos que han sido identificados como nutrientes para las plantas, sin embargo, como hay algunos que no cumplen plenamente estos criterios, existe un cierto debate en relación con las normas para la clasificación de un elemento como un “nutriente” (IPNI, 2012). Uno de los pioneros en la identificación de los nutrientes fue el Barón Justus von Liebig, científico alemán que a mediados del siglo IX mostró que los nutrientes son esenciales para la vida vegetal. Él declaró: "Hemos determinado que una serie de elementos son absolutamente esenciales para la vida vegetal porque una planta privada de cualquiera de estos elementos dejaría de existir...." También fue autor de la "ley del mínimo". Conocer los nutrientes necesarios para cultivar plantas es sólo un aspecto de la producción agrícola. Para un rendimiento óptimo también se requiere conocer la cantidad a aplicar, el método y el tipo del elemento. Existen 16 elementos indispensables para el crecimiento de una planta (Tabla 1). Tres de estos nutrientes son el carbono (C), el hidrógeno (H) y el oxígeno (O2) que se adquieren a partir del dióxido de carbono en la atmósfera y el agua. Los otros 13 nutrientes son absorbidos por el suelo y por lo general se agrupan como nutrientes principales o macro nutrientes, nutrientes secundarios y micronutrientes. Los macro nutrientes son los elementos que se requieren en grandes cantidades estos son: el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el potasio (K). Los nutrientes secundarios son aquellos que se requieren en cantidades un poco menores que los macro nutrientes entre los cuales están el calcio (Ca), el magnesio (Mg) y el azufre (S). Los micronutrientes son los que se requieren en las menores cantidades pero a pesar de esto son de gran importancia para el crecimiento adecuado de una 45 UNIVERSIDAD VERACRUZANA planta. Entre estos se encuentra el hierro (Fe), manganeso (Mn), zinc (Zn), cobre (Cu), cloro (Cl), boro (B) y molibdeno (Mo). Nutriente Símbolo Químico Principalmente como absorbido Macro Nutrientes Nitrógeno N Fosforo P Potasio K Nutrientes Secundarios Azufre S Calcio Ca Magnesio Mg Micro Elementos Hierro Fe Manganeso Mn Zinc Zn Boro B Cobre Cu Molibdeno Mo Cloro Cl Tabla 1 Elementos esenciales para las plantas. Ley del mínimo También conocida como Ley de Liebig, pero más comúnmente referida como la Ley del Mínimo, en un principio desarrollada por Carl Sprengel (1828) y más tarde 46 UNIVERSIDAD VERACRUZANA popularizado por Justus von Liebig. Esta establece que “El nutriente que se encuentra menos disponible es el que limita la producción, aún cuando los demás estén en cantidades suficientes”. Afirmo que el crecimiento no es controlado por el total de los recursos disponibles, si no por el recurso más escaso (denominado factor limitante). Liebig utilizó la imagen de un barril que ahora se llama barril de Liebig para explicar su ley. Así como la capacidad de un barril con duelas de longitud desigual está limitada por la duela más corta, por lo que el crecimiento de una planta está limitado por el suministro de nutrientes. 3.2 Macro Nutrientes 3.2.1 Nitrógeno De los tres macro nutrientes, las plantas requieren de nitrógeno en las mayores cantidades. El nitrógeno favorece el rápido crecimiento, aumenta el tamaño de la hoja y la calidad, acelera la maduración del cultivo, y promueve el desarrollo de los frutos y las semillas (IPNI, 2012). Debido a que el nitrógeno es un constituyente de los aminoácidos, que son necesarios para sintetizar las proteínas y otros compuestos relacionados, este desempeña un papel en casi todos los procesos metabólicos de la planta. El nitrógeno también es parte integral de la fabricación de clorofila a través de la fotosíntesis. La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas utilizan la energía de la luz para convertir el dióxido de carbono atmosférico en carbohidratos. Los hidratos de carbono (azúcares) proporcionan la energía necesaria para el crecimiento y el desarrollo. La ecuación química para la fotosíntesis es 6CO2 + 12H 2O + 672 (Kcal de energía) = C6H12O6 + 6H2 O + 6O2 Funciones del nitrógeno: El nitrógeno es combinado biológicamente con C, H, O y S para crear aminoácidos, que son los componentes básicos de las proteínas. Los aminoácidos se utilizan en la formación de protoplasma, el sitio para la división celular y por lo tanto para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Dado que todas las enzimas de las plantas están hechas de proteínas, el nitrógeno es necesario para todas las reacciones enzimáticas en una planta. El nitrógeno es una parte importante de la molécula de clorofila y por lo tanto es necesario para la fotosíntesis. 47 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Es un componente necesario de varias vitaminas. El nitrógeno mejora la calidad y la cantidad de materia seca en las verduras de hojas y las proteínas en los cultivos de cereales. Deficiencia de Nitrógeno Las plantas deficientes en nitrógeno presentan retraso en el crecimiento y su follaje es de color verde pálido. Los síntomas de deficiencia aparecen generalmente en la parte inferior primero. Síntomas de deficiencia: Retraso en el crecimiento debido a la reducción de la división celular. Verde pálido a amarillo claro (clorosis) aparecen primero en las hojas viejas, comenzando en las puntas. Dependiendo de la gravedad de la deficiencia, la clorosis podría resultar en la muerte y/o la caída de las hojas más viejas. La falta de N disminuye el contenido de proteína de las semillas y partes vegetativas. En los casos graves, la floración se reduce en gran medida. La deficiencia de N en algunos cultivos puede generar una madurez, lo que resulta en una reducción significativa en el rendimiento y la calidad. La deficiencia de nitrógeno en general se debe a la aplicación inadecuada de fertilizantes, la desnitrificación por los microbios del suelo, o la pérdida por lixiviación debido al exceso de lluvias. 3.2.1.1 Fuentes de Nitrógeno El nitrógeno atmosférico (N2) es un gas a temperaturas atmosféricas normales y por lo general no está disponible directamente para las plantas. Este requiere pasar primero por una serie de procesos (naturales, industriales o biológicos) antes de que estas puedan utilizarlo. Para que una planta adquiera nitrógeno atmosférico primero este tiene que ser transformado a nitrato (NO3-) o amoníaco (NH4+). Naturalmente esto sucede cuando la energía de un rayo rompe el fuerte vínculo de la molécula de gas (N 2). Dando como resultado óxidos de nitrógeno los cuales adquieren la humedad del aire y se precipitan como NH4+ en forma de lluvia. El nitrógeno (N2) también puede convertirse industrialmente. La molécula de gas se desestabiliza al poner aire a altas temperaturas y presiones y mediante la 48 UNIVERSIDAD VERACRUZANA inyección de una fuente de hidrógeno (generalmente gas natural, o metano) para formar amonio (NH3), el cual es el bloque de construcción de varios fertilizantes inorgánicos de N. Debido a que el proceso utiliza tanta energía, generalmente de combustibles fósiles los fertilizantes a base de N inorgánico, son relativamente caros (J. Keith Syers, 2004). Por otro lado el N2 puede ser convertido por rizobio bacterias que viven en simbiosis con las leguminosas. Los rizobios utilizan procesos enzimáticos para romper el enlace del N2. Además de rizobios, hay otros microorganismos que pueden convertir N2 a NO3-, ya sea en simbiosis (por ejemplo, Frankia, Anabaena) o en formas de vida libre (por ejemplo, Azotobacter, y diversos actinomicetos). Los compuestos orgánicos de nitrógeno se convierten en formas asimilables para las plantas cuando las fuentes tales como estiércoles y residuos vegetales se degradan de forma natural en el suelo. Primero, las proteínas se transforman gracias a microorganismos a sus aminas y aminoácidos constituyentes por aminización: Proteína + H2O = R-NH2 + CO2 + Energía Luego, las aminas y los aminoácidos se amonifican por otros organismos: R-NH2+H2O=NH3+R-OH+Energía NH3 + H2O = NH4 + OHOtros microorganismos del suelo oxidan amonio (NH4 +) a nitrato (NO3 -) en un proceso de dos pasos llamado nitrificación. NH4 + se convierte en nitrito (NO2-) por las bacterias Nitrosomonas: 2HN4++3O2=2NO2-+2H2O+4H+ Después el nitrito es convertido en nitrato por las bacterias Nitrobacter: 2NO2- + O2 = 2 NO3Perdidas de nitrógeno Se pierde nitrógeno cuando se cosechan los cultivos, o cuando se da la lixiviación de los iones de nitrato durante los períodos de fuertes lluvias o el exceso de riego. Si el NO3- no es absorbido por las plantas, este puede ser lixiviado por debajo de la zona de las raíces y en las aguas subterráneas. Una cuidadosa planificación de riegos y la cantidad y ritmo de las aplicaciones de fertilizantes nitrogenados es necesario para evitar la contaminación de las aguas subterráneas. La supervisión del balance hídrico de cultivos puede ayudar a conservar agua de riego y 49 UNIVERSIDAD VERACRUZANA fertilizantes y proteger el medio ambiente. El nitrógeno puede perderse igual por volatilización y desnitrificación. 3.2.2 Fósforo El crecimiento normal de la planta no puede lograrse sin fósforo. Es un constituyente de ácidos nucleídos, fosfolípidos, coenzimas del ADN, y lo más importante del ATP. Su trabajo es activar coenzimas para la producción de aminoácidos utilizados en la síntesis de proteínas, descompone carbohidratos producidos en la fotosíntesis, y está involucrado en muchos otros procesos tales como la fotosíntesis, la glucólisis, la respiración, y la síntesis de ácidos grasos. Mejora la germinación de semillas y fomenta el crecimiento temprano, estimula la floración, ayuda en la formación de semillas, acelera la madurez y proporciona resistencia al invierno a los cultivos plantados a finales de otoño y principios de primavera. Deficiencia de Fósforo Plantas deficientes en fósforo se caracterizan por un crecimiento atrofiado, hojas verde oscuro con una textura correosa, y hojas con márgenes purpuro-rojizas, también puede retrasar la madures y crecimiento de la fruta. Los síntomas generalmente ocurren en las plantas jóvenes, cuando la temperatura del suelo es inferior a 60°F. Los síntomas de deficiencia pueden aparecer si la temperatura del suelo es baja, a menor temperatura menos fósforo disponible para las plantas, esté presente o no una cantidad adecuada. Los síntomas relacionados con el clima frío generalmente desaparecen a medida que aumenta la temperatura del suelo. La deficiencia de fósforo se observa raramente cuando la temperatura del suelo está por encima de 60°F. 3.2.3 Potasio El potasio tiene muchas funciones en el crecimiento vegetal: Es esencial para la fotosíntesis. Activa las enzimas para metabolizar los hidratos de carbono para la fabricación de aminoácidos y proteínas. Facilita la división celular y el crecimiento al ayudar a mover almidones y azúcares dentro de la planta. 50 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Aumenta el tamaño del tallo y le da rigidez. Aumenta la resistencia a las enfermedades. Aumenta la tolerancia a la sequía. Regula la apertura y el cierre de los estomas. Aumenta el tamaño de granos y semillas. Mejora la firmeza, la textura, el tamaño y el color de los cultivos de frutas. Aunque no es una parte integral de la estructura celular, el potasio regula muchos procesos metabólicos necesarios para el desarrollo y crecimiento de frutas y semillas. Muchos cultivos de hortalizas y frutas son ricos en potasio, el cual es vital para la nutrición animal y humana. De hecho, la salud y la supervivencia del hombre y los animales es dependiente del potasio. La deficiencia de potasio Plantas deficientes en potasio presentan clorosis (pérdida del color verde) a lo largo de los márgenes de las hojas o puntas que empiezan por las hojas inferiores y progresan hasta la parte superior de la planta. En casos severos, la planta entera se vuelve amarilla, y las hojas inferiores caen. Al igual que con otros nutrientes, la falta de potasio provoca plantas atrofiadas con pequeñas ramas y poco vigor. Hay algunos síntomas de deficiencia de cultivos específicos asociados con potasio: Cultivos de grano como el maíz, el sorgo y granos pequeños tienen tallos débiles acompañados de la reducción de tamaño de grano y rendimiento del cultivo. Las hojas de algodón se tornan de color marrón rojizo, dando una apariencia quemada. Tomates exhiben maduración del fruto desigual, pobre textura y frutas blandas. La piel de las frutas de hueso se distorsiona. El fruto es pequeño y de mala calidad. El rendimiento de los cultivos forrajeros es baja, y la calidad es pobre. 51 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3.3 Nutrientes Secundarios 3.3.1 Calcio El calcio es un constituyente de la pared celular y está involucrada en la producción de nuevos puntos de crecimiento y de las raíces. Proporciona elasticidad y la expansión de las paredes celulares, previniendo que los puntos de crecimiento se vuelvan rígidos y quebradizos. Es inmóvil dentro de las plantas y se mantiene en el tejido más viejo en toda la temporada de crecimiento. Actúa como base para la neutralización de ácidos orgánicos generados durante el proceso de crecimiento y ayuda en la translocación de hidratos de carbono y la absorción de nitrógeno. Deficiencia de calcio Los síntomas de deficiencia de calcio (Ca) aparecen en las regiones meristemáticas (nuevo crecimiento) de las hojas, tallos, brotes y raíces. Las hojas más jóvenes se ven afectadas primero y por lo general se deforman. En casos extremos, las puntas crecientes mueren. Las hojas de algunas plantas se encorvan hacia abajo y presentan una necrosis marginal. Las raíces de las plantas con deficiencia de calcio son cortas y robustas. En los tomates y los pimientos, un aspecto coriáceo negro se desarrolla en el extremo de la flor de la fruta (un trastorno conocido como podredumbre apical). En tales casos, el fruto deja de desarrollarse y, finalmente, cae. Las plantas deben obtener el calcio desde el suelo y este reponerse mediante la aplicación de cal. El calcio también se puede suministrar mediante la aplicación de fertilizantes tales como nitrato de calcio, sulfato de calcio y el superfosfato normal. 3.3.2 Magnesio El magnesio es un constituyente de la molécula de clorofila, que es la fuerza impulsora de la fotosíntesis. También es esencial para el metabolismo de hidratos de carbono (azúcares). Es un activador de enzimas en la síntesis de ácidos nucleídos (ADN y ARN). Regula la captación de otros elementos esenciales, sirve como un portador de los compuestos de fósforo por toda la planta, facilita la translocación de hidratos de carbono (azúcares y almidones) y aumenta la producción de aceites y grasas. La deficiencia de magnesio es más prevalente en los suelos de las planicies costeras arenosas donde el contenido de magnesio es bajo. 52 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Deficiencia de magnesio La deficiencia de magnesio es más prevalente en los suelos de textura arenosa, los cuales están sujetos a la lixiviación, especialmente durante las temporadas de lluvias. El síntoma predominante es la clorosis (venas verde oscuro con zonas amarillas entre las venas). Las hojas inferiores siempre se ven afectadas primero. A medida que la deficiencia se hace más aguda, los síntomas progresan hasta la parte superior de la planta. Hojas cloróticas generalmente se vuelven rojas y luego desarrollan áreas necróticas. Los cultivos que comúnmente presentan deficiencia de magnesio son el tabaco, maíz, granos pequeños, forrajes y cultivos de hortalizas. La deficiencia de magnesio se produce cuando el pH del suelo es bajo. Dependiendo de la etapa de crecimiento y cosecha, la deficiencia de magnesio se puede corregir por la aplicación al suelo de cal o fertilizantes. Sin embargo, una vez que ha aparecido un síntoma de deficiencia, nada se puede hacer para corregir las hojas afectadas. La aplicación de un fertilizante de magnesio soluble puede evitar que las hojas superiores desarrollen síntomas. Las aplicaciones foliares de magnesio son eficaces en situaciones de emergencia donde se requiere una respuesta inmediata para salvar una cosecha de otra forma, el magnesio se aplica al suelo mediante el uso de fertilizantes comerciales o cal dolomítica. 3.3.3 Azufre El azufre es un componente esencial en la síntesis de aminoácidos requerido para la fabricación de proteínas. También se requiere de azufre para la producción de clorofila y la utilización de fósforo y otros nutrientes esenciales. El azufre al igual que el nitrógeno es esencial para optimizar el rendimiento del cultivo y su calidad. Aumenta el tamaño y el peso de los cultivos de cereales y mejora la eficiencia del nitrógeno para la fabricación de proteínas. Los cultivos que tienen un alto requerimiento de nitrógeno deben tener una adecuada cantidad de azufre para poder optimizar la utilización del nitrógeno. Deficiencia de azufre La deficiencia de azufre se caracteriza por retraso de crecimiento, retraso en la madurez y amarilla miento general de la planta. Plantas amarillentas son también características de la deficiencia de nitrógeno. Sin embargo, a diferencia de la deficiencia de nitrógeno que comienza en las hojas más viejas y progresa hasta la parte superior de la planta, los síntomas de deficiencia de azufre comienzan en las hojas jóvenes. Las deficiencias de azufre son a menudo mal diagnosticadas como 53 UNIVERSIDAD VERACRUZANA problemas de nitrógeno, dejando a los agricultores a preguntarse por qué sus aplicaciones de nitrógeno son ineficaces. En muchos cultivos, una deficiencia de azufre aguda provoca que toda la planta se vuelva amarilla. Pero en cultivos como el maíz y los granos pequeños, se generan, rayas amarillas que corren paralelas a la lámina de la hoja. La deficiencia de azufre se observa con mayor frecuencia en suelos muy arenosos con bajo contenido de materia orgánica durante las temporadas de lluvias excesivas. Los fertilizantes que aportan azufre incluyen sulfato de potasio, sulfato de magnesio, yeso, sulfato de amonio y el azufre elemental. 3.4 Micro Nutrientes 3.4.1 Manganeso El manganeso actúa dentro de la planta como un activador de la enzima responsable de la asimilación de nitrógeno. Es esencial para la fabricación de la clorofila por lo que una deficiencia de este provoca que las hojas se tornen amarillas (clorosis). Deficiencia de manganeso La deficiencia de manganeso se caracteriza típicamente por clorosis (venas verde oscuro con manchas amarillas entre las venas), pero los síntomas varían dependiendo del cultivo. Cultivos de granos pequeños pueden tener motas de color gris y rayas que corren paralelas a la lámina de la hoja. Las hojas de tabaco presentan un aspecto oxidado con manchas similares a los daños del ozono. En situaciones agudas, las hojas de tabaco se ponen marrones, se desintegran, y se caen. La deficiencia de manganeso se debe a uno de dos factores: 1. El suelo contiene menos de 4 ppm de manganeso; o 2. El suelo contiene más de 4 ppm de manganeso, pero el pH es superior a 6,2. Las deficiencias se presentan con mayor frecuencia en los suelos de la planicie costera. En tales casos, la deficiencia se hace menos severa a medida que disminuye el pH y puede desaparecer cuando el pH cae por debajo de 6,2. 54 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3.4.2 Zinc Las plantas requieren de zinc, ya que este activa enzimas. Deficiencia de Zinc La deficiencia de zinc es absolutamente rara, puesto que la mayoría de los suelos tienen un suministro adecuado. Pero entre los síntomas de su deficiencia se encuentran: Clorosis en las hojas más jóvenes, de forma similar a la deficiencia de Fe. Sin embargo, en la deficiencia de Zn, esta aparece como bandas en la parte basal de la hoja. En los cultivos de hortalizas, el cambio de color aparece en las hojas más jóvenes primero. Las hojas nuevas son anormalmente pequeñas, moteadas y cloríticas. En los cítricos, la formación del fruto se reduce significativamente. En las legumbres, se genera un retraso del crecimiento con apariciones de clorosis en las hojas inferiores de mayor edad. 3.4.3 Cobre El cobre está implicado como un activador enzimático y se cree que está involucrado en la formación de clorofila aunque su papel específico todavía no está claro. También se cree que participan en la síntesis de proteínas. Deficiencia de cobre La deficiencia de cobre por lo general aparece en las plantas jóvenes. Los primeros síntomas son el color amarillento de las hojas más jóvenes acompañados de un crecimiento ligeramente atrofiado. En los casos de deficiencia severa, las hojas más jóvenes se vuelven de color amarillo pálido. Las puntas de las hojas se curvan hacia abajo, con el tiempo se vuelven marrones y mueren. Esta deficiencia es más notable en granos pequeños. En última instancia, la planta muere. La deficiencia de cobre puede ser corregido mediante la adición de una pequeña cantidad de fertilizante de cobre dado que la cantidad requerida es bastante pequeña. 55 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3.4.4 Boro El boro es un activador de enzimas y está implicado en la producción de almidón el cual es requerido para la producción de celulosa. La función principal de boro es en el transporte de azúcar a las regiones meristemáticas de las raíces. Esto se evidencia por el hecho de que el transporte de los azúcares se retrasa en las plantas deficientes de boro, resultando en un crecimiento reducido. También se cree que el boro está involucrado en la formación celular, en el metabolismo del nitrógeno en la fertilización, en la absorción de sales, en la producción de hormonas, en el metabolismo del fósforo, y en la fotosíntesis. Sin embargo, todos estos procesos metabólicos se benefician directamente de la influencia del boro en el transporte de azúcar en toda la planta por lo que existe un debate del tema. Deficiencia de Boro El primer síntoma visible de la deficiencia de boro es la muerte de las puntas de crecimiento. Este trastorno generalmente es seguido por el crecimiento de brotes laterales, los cuales también pueden deformase o morir. Las hojas de las plantas deficientes en boro generalmente, tienen una textura cobriza, rizada y quebradiza. Otros síntomas incluyen raíces atrofiadas, nula floración, o aborto de flores. La deficiencia de boro hace que los tejidos internos se desintegren, causando anomalías como distorsiona miento, tallos huecos o rotos. 3.4.5 Molibdeno Se requiere de molibdeno para la fijación simbiótica del nitrógeno (nodulación) y la reducción de los nitratos para la síntesis de proteínas. Las plantas requieren niveles de molibdeno de 0,1 a 2,5 ppm en sus tejidos para el crecimiento normal. Deficiencia de molibdeno Los síntomas de deficiencia de molibdeno son muy similares a los del nitrógeno: manchas amarillas en las hojas, clorosis marginal, hojas gruesas ahuecadas, coloración rojiza-marrón de tallos y pecíolos, y hojas estrechas. La clorosis marginal exhibida por algunas plantas tiene una apariencia similar a la deficiencia de potasio. 56 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3.5 Soluciones de nutrientes Al igual que todos los organismos vivos, las plantas están formadas por células. Dentro de estas células ocurrir numerosas reacciones químicas metabólicas que son responsables para el crecimiento y la reproducción. Dado que las plantas no comen alimentos como los animales, estas dependen de los nutrientes en el suelo para proporcionar los productos químicos básicos para estas reacciones metabólicas. El suministro de estos componentes en el suelo es limitado, causando una reducción en la calidad y rendimiento de las plantas. Una solución de nutrientes es una solución acuosa que contiene principalmente iones inorgánicos de sales solubles de elementos esenciales para las plantas. Algunos compuestos orgánicos, tales como quelatos de hierro pueden estar presentes. Un elemento esencial tiene un papel fisiológico claro y su ausencia impide que el ciclo de vida de la planta funcione adecuadamente. Actualmente 17 elementos se consideran esenciales para la mayoría de las plantas, estos son carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio, azufre, hierro, cobre, zinc, manganeso, molibdeno, boro, cloro y níquel. Con la excepción de carbono (C) y oxígeno (O), que se suministra desde la atmósfera, los elementos esenciales se obtienen del medio de crecimiento. Otros elementos tales como sodio, silicio, vanadio, selenio, cobalto, aluminio y yodo entre otros, se consideran beneficiosos porque algunos de ellos pueden estimular el crecimiento, o puede compensar los efectos tóxicos de otros elementos, o incluso reemplazar los nutrientes esenciales en un papel menos específico. Las soluciones más básicas de nutrientes como lo son los fertilizantes comerciales consideran en su composición nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio y azufre, y se complementan con algunos micronutrientes. La composición de nutrientes determina la conductividad eléctrica y el potencial osmótico de la solución. Por otra parte, existen otros parámetros que delimitan una solución de nutrientes como se discute a continuación. 3.5.1 El pH y las soluciones de nutrientes. El pH es un parámetro que mide la acidez o alcalinidad de una solución. Este valor indica la relación entre la concentración de iones libres de H + y OH-presentes en una solución y oscila entre 0 y 14. En el suelo, el diagrama de Troug ilustra el efecto del pH sobre la disponibilidad de nutrientes para las plantas. El realizar cambios en el pH de una solución afecta a su composición, la especiación elemental y biodisponibilidad. El término "especiación" indica la distribución de los elementos entre sus varias formas químicas y físicas como: iones libres, los complejos solubles, quelatos, pares de iones, las fases sólidas y gaseosas y diferentes estados de oxidación. Una 57 UNIVERSIDAD VERACRUZANA característica importante de las soluciones de nutrientes es que deben contener los iones en solución y en formas químicas que pueden ser absorbidos por las plantas, por lo que en los sistemas agrícolas la productividad de la planta está estrechamente relacionada con la absorción de nutrientes y la regulación del pH. Diagrama 1 Diagrama de Troug 3.5.1.1 Regulación del pH. Como se mencionó anteriormente, el valor del pH determina la disponibilidad de nutrientes para las plantas. En consecuencia, su ajuste debe hacerse diariamente. Los cambios en el pH de una solución de nutrientes esta dado en función de la diferencia en la magnitud de la absorción de nutrientes por las plantas, en términos del balance de aniones sobre cationes. Cuando los aniones se absorben en concentraciones más altas que los cationes, por ejemplo nitrato, la planta excreta OH- o HCO3-, para equilibrar las cargas eléctricas en el interior, lo cual produce el aumento en el valor del pH. Este proceso se denomina alcalinidad 58 UNIVERSIDAD VERACRUZANA fisiológica. Por lo tanto, la incorporación de amonio como fuente de N en la solución de nutrientes regula el pH y a su vez garantiza la disponibilidad de nutrientes. Por otra parte, el ajuste químico se utiliza ampliamente, a saber, la adición de ácidos para reducir el valor del pH. El pH está estrechamente relacionada con la concentración de HCO3- y CO32- ; cuando se aplica un ácido, los iones de CO32se transforma en HCO3- , y luego HCO3- en convertido en H2CO3. El ácido carbónico se disocia parcialmente en H2O y CO2. La regulación de pH se lleva a cabo normalmente mediante el uso de ácidos tales como nítrico, sulfúrico o ácido fosfórico, y tales ácidos se pueden utilizar de forma individual o combinada. pH metro: Un pH metro digital es un aparato electrónico utilizado para medir con precisión y registrar los valores de pH de los líquidos. La medición del pH permite determinar la acidez o alcalinidad de una sustancia en estado líquido. El aparato medidor de pH digital consta de un electrodo de vidrio unida al extremo de una sonda y conectado a un dispositivo electrónico con una pantalla digital. Cuando el pH de una sustancia se mide con la sonda, el medidor de pH digital muestra una lectura precisa en unidades de pH. Los medidores de pH digitales funcionan mediante la emisión de una pequeña tensión a través de un electrodo de vidrio, que produce un valor que corresponde al número de átomos de hidrógeno presentes en la solución que se está midiendo. Un medidor de pH digital es similar a un voltímetro con la excepción de la visualización de los valores registrados en unidades de pH en lugar de voltios. Una unidad de pH es equivalente a aproximadamente 0.06 voltios. 3.5.2 La Presión Osmótica y la Conductividad Eléctrica. La concentración iónica total de una solución nutriente determina el crecimiento, desarrollo y producción de las plantas. La cantidad total de iones de las sales disueltas en la solución de nutrientes ejerce una fuerza llamada presión osmótica (PO) , que es una propiedad coligativa de las soluciones nutritivas y es claramente dependiente de la cantidad de solutos disueltos. También, los términos soluto potencial o potencial osmótico son ampliamente utilizados en la solución de nutrientes, que representan el efecto de solutos disueltos en el potencial del agua; los solutos reducen la energía libre del agua al diluirse en el agua. Por lo tanto, los términos de la presión osmótica y potencial osmótico se pueden utilizar indistintamente, siendo importante considerar las unidades que se utilizan, comúnmente como lo son: atm, bar y MPa. Una manera indirecta para estimar la presión osmótica de la solución de nutrientes es la conductividad eléctrica (EC), un índice de concentración de sal que define la cantidad total de sales en una 59 UNIVERSIDAD VERACRUZANA solución. Por lo tanto, la CE de la solución de nutrientes es un buen indicador de la cantidad de iones disponibles para las plantas en la zona de la raíz. Los iones asociados a la CE son Ca2+, Mg2+, K+, Na+, H+, NO3 -, SO42 -, Cl-, HCO3 -, OH-. El suministro de micronutrientes, como Fe, Cu, Zn, Mn, B, Mo y Ni, generan variaciones muy pequeñas en relación a los elementos de mayor cantidad (macronutrientes), por lo que no tiene un efecto significativo en la CE. La CE ideal es específica para cada cultivo y depende de las condiciones ambientales, sin embargo, los valores de la CE para los sistemas más comunes van de 1,5 a 2,5 dS m- 1. Un CE Superior dificulta la absorción de nutrientes por el aumento de la presión osmótica, mientras que un menor CE puede afectar gravemente a la salud de planta y su rendimiento. La disminución de la absorción del agua es fuertemente y linealmente correlacionada con la CE. En particular, los parámetros de calidad de la fruta, como el contenido de sólidos solubles, acidez y materia seca aumentada por el aumento de nivel de la CE de la solución nutritiva de 2 a 10 dS m-1. Como consecuencia, el agua de mar profunda (DSW) se utiliza para la solución de nutrientes debido a su alta cantidad de Na +, Mg2 +, K + y Ca2 +. 3.5.2.1 Regulación de la CE La conductividad eléctrica (CE) es modificado por las plantas a medida que absorben nutrientes y agua de la solución de nutrientes. Por lo tanto, una disminución en la concentración de algunos iones es un aumento en la concentración de otros un suceso que se observa de forma simultánea, tanto en sistemas cerrados como abiertos. Por ejemplo, en un sistema hidropónico cerrado (aquel en donde no existe intercambio de energía con el medio ambiente) con un cultivo de rosas, se observó en la solución de nutrientes que la concentración de Fe disminuyó muy rápido, mientras que la de Ca2, Mg2 + y Cl - aumentó, por otra parte, las concentraciones de K +, Ca2 + y SO42 - no alcanzaron niveles críticos. En cambio, en un sistema abierto con recirculación de la solución de nutrientes, se puede observar un aumento en el valor de la CE debido a la acumulación de altos niveles de algunos iones como bicarbonatos, sulfatos y cloruros. Así, el reciclado de la solución de nutrientes representa un punto de discusión. Por otra parte, los sustratos pueden retener iones y por consiguiente, los aumentos de la CE. Para reducir la acumulación de sal en los sustratos, la lixiviación controlada con agua de buena calidad es una alternativa. Otra forma de controlar la CE es mediante el uso de coberturas de polietileno o polipropileno las cuales a su vez reducen el consumo de agua, aumentando la eficiencia y 60 UNIVERSIDAD VERACRUZANA disminuyendo la CE del sustrato. Por otro lado, se han presentado evidencias positivas de la reutilización de soluciones de nutrientes, el cual necesariamente implica la regulación de la CE. Por lo tanto, el reciclaje y la reutilización de soluciones es una tendencia en la búsqueda de sistemas de producción agrícola sostenibles. 3.5.3 Relación de la temperatura y las soluciones de nutrientes. La temperatura de la solución de nutrientes influye en la absorción de agua y nutrientes dependiendo del cultivo de que se trate. Dos temperaturas en las soluciones de nutrientes han mostrado cambios significativos en el comportamiento de las plantas. En general, una solución fría aumenta la captación de NO3- produciendo raíces delgadas blancas, pero disminuyendo la captación de agua, a su vez una solución fría también influye en el aparato fotosintético. Por otro lado una temperatura elevada muestra un incremento en la longitud de la hoja, número de hojas y el peso de la biomasa fresca y seca por planta. Se ha observado que a temperaturas inferiores a 22 ° C, el oxígeno disuelto en la solución nutritiva es suficiente para cubrir la demanda de este elemento en plantas. Sin embargo, el requisito de oxigeno disminuye como consecuencia de una reducción en un número de procesos fisiológicos, incluyendo la respiración, que impacta mas en el crecimiento de las plantas. Por el contrario, las temperaturas mayores de 22 ° C, han mostrado que la demanda de oxígeno no está cubierta por la solución de nutrientes ya que a temperaturas más altas la difusión de este gas aumenta. A altas temperaturas de la solución nutriente se genera un mayor crecimiento vegetativo en mayor medida de lo deseable debido a que reduce la fructificación. Para evaluar la importancia de la temperatura sobre la solubilidad del oxígeno, la Tabla representa los datos para las temperaturas que normalmente se presenten dentro de los invernaderos, de modo que la temperatura tiene una relación directa con la cantidad de oxígeno consumido por la planta y viceversa con el oxígeno disuelto en la solución de nutrientes. Temperatura, °C Solubilidad del Oxigeno, mg L-1 de agua pura 10 11.29 15 10.08 20 9.09 61 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 25 8.26 30 7.56 35 6.95 40 6.41 45 5.93 Tabla 2 Solubilidad del oxigeno en agua pura a múltiples temperaturas a 760mmHg de presión atmosférica. 3.5.3.1 Control de la temperatura. La temperatura de la solución nutritiva tiene una relación directa con la cantidad de oxígeno consumida por las plantas, y una relación inversa con el oxígeno disuelto en ella, como se indicó anteriormente. La temperatura también afecta a la solubilidad de los fertilizantes y la capacidad de absorción de las raíces, siendo evidente la importancia de controlar esta variable especialmente en climas extremos. Cada especie de planta tiene una mínima, óptima y máxima temperatura para el crecimiento, lo cual requiere de la implementación de sistemas de calefacción y refrigeración para el equilibrio de la temperatura de la solución de nutrientes. El sistema de tuberías de agua subterránea para el ahorro de energía de la solución nutritiva consiste en un tubo de gran tamaño debajo de la tierra, y una válvula para la circulación de la solución de nutrientes entre el cultivo y la solución de nutrientes. La condición de la temperatura en la tubería de agua subterránea a 1,5 m por debajo de la superficie del terreno es estable en comparación con el que se emplea en invernaderos la cual experimenta altas temperaturas en verano y bajas en invierno. Durante la circulación, el calor puede ser intercambiado entre la solución de nutrientes y el agua almacenada en la tubería de agua subterránea. En investigaciones realizadas en california el enfriamiento de la solución de nutrientes a aproximadamente 12°C mediante el uso de un dispositivo de intercambio de calor en la productividad de dos variedades de fresa, mostró que el enfriamiento de la solución nutritiva confirió una mayor productividad de la variedad Dulce Charlie, si bien no causó ningún efecto sobre la segunda variedad. 62 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3.5.4 Oxigenación El consumo de O2 aumenta cuando la temperatura de la solución de nutrientes aumenta también. Consecuentemente, se produce un aumento en la concentración relativa de CO2 en el medio ambiente de la raíz si la aireación de las raíces no es adecuada. La concentración de oxígeno en la solución de nutrientes también depende de la demanda del cultivo, siendo mayor cuando aumenta la actividad fotosintética. Una disminución por debajo de 3 o 4 mg L - 1 de oxígeno disuelto, inhibe el crecimiento de raíces y produce cambios en la planta como coloraciones marrones, que pueden ser considerados como el primer síntoma de la falta de oxígeno. No obstante, los sustratos de cultivo bajo períodos largos suelen presentar aumento del contenido de materia orgánica y la actividad de los microorganismos, los cuales podrían conducir a un aumento de la competencia por el oxígeno en el ambiente de la raíz. Sin embargo, las raíces están densamente enmarañadas dentro del sustrato, lo que altera la difusión y el suministro de oxígeno. El suministro de oxígeno puro, a presión a la solución de nutrientes es un método enriquecido con oxígeno a menudo se utiliza para fines de investigación, y se llama oxifertigación. 3.5.5 Agua El agua es esencial para el crecimiento vegetal. Influye en el crecimiento de plantas en cinco aspectos principales: El agua es el constituyente principal de una planta, que comprende 80 a 90 por ciento del peso fresco. El agua es el "solvente " que proporciona el transporte de nutrientes dentro de la planta. El agua es un reactivo bioquímico en muchos procesos de la planta, el más importante de la fotosíntesis y la respiración. El agua es esencial para mantener la turgencia en las células vegetales, la promoción de la elongación celular y crecimiento de la planta. El agua se utiliza como refrigerante por la planta a través de los procesos de transpiración. 63 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3.5.5.1 ESTADO DEL AGUA Aunque una comprensión bioquímica detallada del estado del agua dentro de la planta no es esencial, esto ayudará a familiarizarse con los conceptos de contenido de agua y el potencial hídrico. El contenido de agua es lo que está presente dentro de la planta en un momento dado. Básicamente el contenido de agua de la planta será determinado por lo que se ha absorbido a través de las raíces, lo mucho que se está perdiendo a través de la transpiración y de cuánto se está almacenada en la propia planta. El contenido de agua de la planta está en constante cambio durante el día, cuando las pérdidas por transpiración a través de las hojas por lo general superan la tasa de absorción de agua por las raíces. El desfase entre la captación de agua y la pérdida de agua crea una condición de estrés hídrico interno dentro de la planta. Este estrés es normal durante las horas del día dentro de los límites normales. Si se permite que la presión llegue a niveles extremos durante períodos prolongados, esto puede ocasionar la disminución en la tasa de crecimiento de la planta y, finalmente, la planta muere. Los buenos productores entienden este concepto de estrés hídrico y gestionan adecuadamente las plantas de los cultivos. El uso de tecnologías ha ayudado a los productores entender la relación del crecimiento vegetal y la deficiencia de humedad. El déficit de humedad es un cálculo, basado en la temperatura y la humedad relativa del aire que le da un valor numérico que se relaciona con la cantidad de pérdida de agua de un cultivo. Demasiado alto o demasiado bajo este puede afectar el crecimiento de la planta. El déficit de humedad se mide en muchas unidades, pero el más comúnmente utilizado es g/m3 de aire. En condiciones de alta humedad el déficit de humedad es bajo y no hay necesidad de que la planta produzca más raíces. En consecuencia hay menos desarrollo de la raíz. Bajo situaciones de alto déficit la tasa de transpiración es alta y si las raíces no pueden satisfacer la demanda de agua esto puede ocasionar el cierre de los estomas lo cual ralentiza la fotosíntesis. 3.5.5.2 POTENCIAL DE AGUA El potencial hídrico de una planta (por sus siglas en ingles WP) es una medida de energía del agua, que por lo general se expresa en unidades de presión y que se expresa de la siguiente forma: 64 UNIVERSIDAD VERACRUZANA WP = OP + PP + MP + GP OP = potencial osmótico (componente producido por solutos disueltos). PP = Potencial de Presión (componente producido por la presión en el interior de las paredes celulares de las plantas o por el peso del agua o la presión de aire en el suelo). MP = Potencial matricial (componente producido por la atracción adhesiva de las moléculas de agua a la superficie o adhesión y cohesión en pequeños capilares). GP = Potencial Gravitacional (componente producido por la fuerza de la gravedad). Potencial Hídrico de Plantas (PWP) es el estado de energía del agua dentro de la planta. El MP es pequeño en plantas bien regadas. GP es insignificante en plantas pequeñas. PWP = OP + PP Potencial Hídrico del Medio de Cultivo (GMWP) es el estado de energía del agua en el medio de cultivo. PP y GP son insignificantes en pequeños contenedores. GMWP = MP + OP Estrés Hídrico (PMS) una manera de describir el estado hídrico de la planta. El Potencial Hídrico de las plantas es dinámico y cambia con el tiempo como la humedad del suelo y el cambio de la demanda atmosférica. En un día soleado típico, una planta comienza a transpirar tan pronto como sale el sol, en el supuesto de que la humedad relativa no sea muy alta. Una vez que comienza la transpiración, el PWP disminuye hasta que los estomas se cierren en cuyo punto los niveles de PWP decrecen. Hacia la puesta del sol, el PWP comienza a aumentar a medida que la demanda atmosférica decrece permitiendo a la planta reponer su contenido de humedad del medio de cultivo. En condiciones de alta demanda evaporativa y un medio de cultivo seco el PWP es bajo por lo que la planta no es capaz de recargar completamente su suministro de humedad durante la noche. El PWP puede declinar aún más al mediodía y continuar por la tarde. Si este patrón continúa, con el tiempo, las plantas pueden mostrar falta de humedad que resulta en un daño en el crecimiento. 3.5.5.3 CALIDAD DEL AGUA 65 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Cuando hablamos de calidad, esto significa diferentes cosas para diferentes personas. Esto se debe al uso que se le pretende dar. Para fines de riego la calidad del agua se determina por dos factores: La concentración y la composición de sales disueltas. La presencia de partículas en suspensión, organismos patógenos, algas, pesticidas y herbicidas como agentes contaminantes. Efectos de las sales sobre la calidad del agua: Una sal se define como un compuesto químico que libera partículas cargadas llamados iones cuando se disuelven en agua. Por ejemplo, el nitrato de potasio (KNO3) libera dos iones, uno un catión cargado positivamente (K+) y el otro cargado negativamente anión (NO-). Las sales pueden ser ya sea beneficioso o perjudicial dependiendo de las características de los iones específicos que intervienen, así como la concentración total de sal. El KNO 3 es una sal fertilizante y tanto K+ y NO3- son iones de nutrientes necesarios por la planta para el crecimiento pero sales tales como el cloruro de sodio (NaCl), consisten en iones nocivos (Na + y Cl -) que pueden dañar o matar el tejido de la planta. 3.6 Remplazo de los nutrientes La eliminación de los cultivos o animales de un área, drena constantemente nutrientes del suelo, y éstos deben ser reemplazados si se quiere que el suelo se mantenga fértil. Los tipos de plantas que se cultivan en la agricultura moderna por lo general requieren niveles más altos de nutrientes para el crecimiento óptimo que los que suelen estar presentes en los suelos. Para aumentar la fertilidad del suelo al nivel requerido por las plantas de “alto crecimiento” que se utilizan en la agricultura moderna, y para mantener los niveles adecuados de la tierra, los nutrientes esenciales para las plantas tienen que ser añadidos regularmente al suelo. Los principales nutrientes requeridos son nitrógeno, fósforo, potasio, azufre, calcio y magnesio. En áreas particulares ciertos elementos, tales como magnesio, azufre, cobre, zinc, boro y molibdeno también pueden ser requeridos, y pueden tener que ser añadido para producir un crecimiento óptimo. Siempre se debe tener en cuenta que los nutrientes adicionados pueden producir un mejor crecimiento en las plantas sólo si estos cumplen con los requisitos específicos de cada cultivo y de las condiciones climáticas y minerológicas del suelo. Hay dos opciones principales para la adición de estos nutrientes, la forma orgánica, utilizando sólo materiales "naturales", y el uso de fertilizantes, que generalmente contienen compuestos inorgánicos relativamente simples como se estudiara a continuación. 66 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4 4.1 Fertilizantes Historia de los fertilizantes Las sustancias fertilizantes se aplicaron incluso en la antigüedad. Su uso puede ser atribuido a la observación de que en la naturaleza las plantas se desarrollaban mejor en lugares donde se dejaban excrementos humanos o animales, residuos de ceniza, lodo del río, o plantas muertas. Por ejemplo, los egipcios sabían acerca de la fertilidad del barro del Nilo, y los babilonios reconocían el valor del estiércol; por ejemplo, Homero menciona el estiércol en la Odisea. Los romanos reconocieron las ventajas del abono verde, cultivo de leguminosas y el arado bajo. Al final del primer milenio, la ceniza de madera fue muy utilizada como fertilizante en Europa Central. Hasta comienzos del siglo 19 se utilizaron como fertilizantes el guano, a sugerencia de Alexander von Humboldt (1800), y caliche de Chile, en la recomendación de Haenkes (1810). Hasta ese momento, sin embargo, todavía se creía que la materia orgánica del suelo, humus, era la verdadera fuente de nutrición. Alrededor de 1800, el problema de la nutrición entró en una fase crítica en Europa. En 1798, Malthus expuso sus tesis pesimistas, diciendo que la cantidad de alimentos podría aumentar sólo en progresión aritmética, mientras que la población creció geométricamente. Combinando los resultados obtenidos por otros (Sprengel, Boussingault) con su propia trayectoria que rompe los estudios, J.von Liebig estableció los principios teóricos de la nutrición de las plantas y la producción de la planta de Química en su aplicación a la agricultura y Fisiología (1840). El consideró algo que ahora parece obvio, que las plantas requieren de nitrógeno, fosfato y sales de potasio como nutrientes esenciales y que los extraen del suelo. La teoría mineral de Liebig fue apoyada por los datos experimentales de JB Boussingault (1802 - 1887) en Francia. Él y también JB Lawes (1814 - 1900) y JH Gilbert (1827 - 1901) en Inglaterra mostraron que las plantas se benefician de fertilizantes de N inorgánicos. Así Liebig se convirtió en el fundador de la teoría de los fertilizantes minerales, y sus doctrinas condujeron a una creciente demanda de ellos. Varias empresas fueron posteriormente fundadas en Europa para la producción de fertilizantes fosfatados y potásicos. El superfosfato fue fabricado por primera vez en 1846, en Inglaterra. En Alemania, este desarrollo industrial comenzó en 1855. La importación de salitre a gran escala comenzó en el área de la Federación Alemana (en 1878). El guano peruano pronto entró en uso pesado (en 1870). El sulfato de amonio, un subproducto del horno de coque, más tarde fue reconocido 67 UNIVERSIDAD VERACRUZANA como un valioso fertilizante, y la extracción de minerales de potasio soluble en agua se llevó a cabo en la década de 1860. La demanda de nitrógeno que se desarrolló a finales del siglo 19 y pronto superó a la disponibilidad de fertilizantes naturales. Un avance importante se produjo con el descubrimiento y la aplicación a gran escala de síntesis de amoníaco por Haber (1909) y su realización industrial de Bosch (1913). Alrededor de la vuelta del siglo, la técnica de hidroponía llevó al descubrimiento de otros nutrientes esenciales para las plantas. La investigación demostró que las plantas en general requieren de diez nutrientes primarios: carbono, hidrógeno, oxígeno. Nitrógeno, fósforo, potasio, calcio, magnesio, azufre, y hierro. Javillier y Laberinto (1908) señalaron para el zinc y Agulhon (1910) señalaron para el boro los efectos nutricionales sobre las plantas. Warington (1923) describió por primera vez los síntomas de la deficiencia de boro, y Brandenburgo (1931) reconoció claramente la podredumbre seca en la remolacha azucarera como la deficiencia de boro. Generalmente micronutrientes fueron puestos a disposición de la planta como abono foliar líquido, un método sugerido por primera vez en 1844. Para 1950, esta lista de micronutrientes se había ampliado para incluir el manganeso, el cobre y el molibdeno. Hace casi 70 años, la investigación seria comenzó sobre las mejores formas de nutrientes para especies de plantas individuales en diversas condiciones de suelo y clima. Además de los fertilizantes clásicos, por ejemplo, fertilizantes de liberación controlada, la mejora de fertilizantes foliares, quelatos de nutrientes, inhibidores de la nitrificación, se han desarrollado en las últimas décadas. Este desarrollo de nuevas formas de nutrientes está aún en pleno desarrollo. En las economías de mercado desarrolladas de Europa Occidental, Estados Unidos y Japón, sin embargo, el nivel de uso de los fertilizantes minerales no ha ido en aumento desde principios de la década de 1980 .En algunos países, la auténtica superproducción agrícola ha ocurrido recientemente. Una mejor prestación de los nutrientes ha llevado a aumentar la confianza, incluso en las economías de otros países como por ejemplo, China, India, Brasil. La producción de abonos está también en aumento en estos países. Por lo tanto la sobreproducción genera más problemas ambientales regionales (nitratos que entran en el agua subterránea) están realmente llevando a una disminución en el uso de fertilizantes minerales en algunas áreas. Esta disminución se verá limitada por la disminución de la fertilidad del suelo en las localidades donde la fecundidad ha sido mejorada por décadas de una fertilización adecuada. 68 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.2 Los fertilizantes El fertilizante es una sustancia que se añade al suelo para mejorar el crecimiento y rendimiento de las plantas. Típicamente están compuestos de: Nitrógeno (N), que es el principal constituyente de las proteínas y esencial para el crecimiento y desarrollo de plantas. El suministro de nitrógeno determina el crecimiento, el vigor, el color y el rendimiento de una planta. Fósforo (P) de importancia vital para el desarrollo radicular; ayuda a la planta a resistir la sequía. También es importante para el crecimiento de la planta como para la maduración de las semillas y los frutos. Potasio (K) es central para la translocación de la fotosíntesis y para cultivos de alto rendimiento. El potasio ayuda a mejorar la resistencia de los cultivos a enfermedades. Además de los tres nutrientes principales, los nutrientes secundarios como el azufre, el magnesio y el calcio son necesarios para el crecimiento óptimo de los cultivos. El calcio es especialmente importante para la capacidad de rendimiento, calidad y almacenamiento de los cultivos de alto valor, tales como frutas y verduras (Flores González Fernando, 2006). Como los cultivos absorben los nutrientes del suelo, una parte importante de estos se eliminan del campo cuando se cosechan los cultivos. Aunque algunos nutrientes pueden ser devueltos al campo a través de residuos de cultivos y otras materias orgánicas, esto por sí solo no puede proporcionar la fertilización de cultivos y rendimientos óptimos. Los fertilizantes minerales pueden proporcionar un equilibrio óptimo de nutrientes, adaptado a las exigencias de las condiciones específicas de cultivo, suelo y clima, lo que maximiza el rendimiento del cultivo y la calidad a la vez que minimiza el impacto ambiental. 4.2.1 Nitrógeno-Fósforo-Potasio (NPK) Un NPK es el término normalmente utilizado para un producto que contiene los tres principales nutrientes. Estos fertilizantes pueden tener una amplia gama de formulas que se pueden adaptar a las necesidades de un sector de los cultivos o del mercado. Fertilizantes similares también están disponibles y que contienen sólo dos de los principales nutrientes por ejemplo, NK, NP o PK. Algunos NPKs también están especialmente formulados para contener nutrientes secundarios o 69 UNIVERSIDAD VERACRUZANA micro nutrientes. Estos se fabrican ya sea como un producto complejo o como una mezcla. ¿Hay una diferencia entre un NPK complejo y una mezcla de NPK? Con un NPK complejo, todos los ingredientes se mezclan antes de ser formados en partículas. Cada partícula contiene N, P y K. Las partículas se tamizan para asegurar que el intervalo de tamaño de producto se ajusta a una especificación. NPK del complejo tienden a tener una densidad aparente coherente. Hay que destacar que la mezcla implica la mezcla física de los materiales. Por ejemplo, una mezcla de fertilizantes NPK, puede contener los tres nutrientes en partículas completamente separadas. Debido a la pobre calidad de dichas mezclas, a menudo hay una gran variación en la densidad aparente y el tamaño de partícula de entre los componentes, lo que puede generar incompatibilidad en la humedad y la naturaleza química. Esto puede causar segregación y el apelmazamiento de los componentes individuales durante la manipulación y propagación, resultando en la aplicación desigual de los nutrientes. Esto puede derivar en una disminución del rendimiento y la calidad del cultivo. 4.3 Tipos de fertilizantes Los fertilizantes son los alimentos que las plantas necesitan. Es uno de los tres componentes de las plantas necesitan para su crecimiento siendo los otros dos agua y suelo. Así como los seres humanos necesitan diferentes elementos nutritivos, tales como proteínas, vitaminas y carbohidratos, las plantas necesitan diferentes nutrientes y minerales para el crecimiento saludable. Los fertilizantes proporcionan estos a la planta (Arnold Finck, 1988). Una forma de clasificar los fertilizantes es por su origen: Fertilizantes naturales son los que se producen en la naturaleza y pueden ser utilizados sin ninguna modificación. Fertilizantes manufacturados, son los que necesitan algún tipo de procesamiento antes de que puedan ser utilizados. A su vez los fertilizantes manufacturados pueden ser clasificados como: Los realizados mediante la inducción de un proceso natural (como por ejemplo el compostaje). Las realizadas a través de medios sintéticos. Éstos generalmente se llaman minerales, químicos, fertilizantes simples o compuestos. 70 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Los fertilizantes sintéticos pueden además clasificarse en fertilizantes agrícolas y hortícolas. Los fertilizantes agrícolas por lo general contienen macro nutrientes. Estos se utilizan principalmente en la agricultura. Ellos están destinados a ser aplicados con poca frecuencia y normalmente antes de o junto con la siembra. Por otra parte, los fertilizantes hortícolas o de la especialidad, se formulan a partir de muchos de los mismos compuestos como fertilizantes agrícolas y algunos otros para producir fertilizantes bien balanceados que también contengan micronutrientes. Los fertilizantes hortícolas pueden ser divididos de acuerdo a su solubilidad pudiendo ser altamente solubles (de liberación inmediata) o relativamente insolubles (liberación controlada). Los fertilizantes de liberación controlada también se les conocen como de liberación sostenida o liberación programada. Muchos fertilizantes de liberación controlada están destinados a ser aplicados aproximadamente cada 3-6 meses, dependiendo de riego, las tasas de crecimiento, y otras condiciones, mientras que los fertilizantes solubles en agua (liberación inmediata) se deben aplicar al menos cada 1-2 semanas y se pueden aplicar tan a menudo como cada riego si es lo suficientemente diluido. A diferencia de los fertilizantes agrícolas, los fertilizantes hortícolas se comercializan directamente a los consumidores y se convierten en parte de las líneas de distribución de productos al por menor. Estos se utilizan en los hogares, jardines, y en todos tipos de granjas. Los fertilizantes también se pueden clasificar en función del origen de sus compuestos. Esto significa que los fertilizantes pueden ser: Inorgánicos: fabricados a partir de productos químicos, minerales generalmente extraídos de la tierra. Orgánicos: integrados por biomaterial o las que se originan en un organismo vivo, como una planta o un animal. El término "orgánico" no se refiere a la composición química. En química, un compuesto orgánico significa que sus componentes constituyentes principales son el carbono y el hidrógeno mientras que los compuestos inorgánicos se refiere a los que están hechos de otros elementos. En fertilizantes (y la agricultura), el término "orgánico " se refiere al uso de compuestos de origen natural y subproductos vegetales o animales como los principales o únicos constituyentes. Un ejemplo común es el estiércol. La mayoría de los fertilizantes sintéticos disponibles en el mercado son inorgánicos. El pensamiento actual es que los fertilizantes orgánicos son una fuente de nutrición más equilibrada. 71 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.4 Fertilizantes Orgánicos Los fertilizantes orgánicos son compuestos de fertilizantes que contienen uno o más tipos de materia orgánica. Los ingredientes pueden ser materia animal o vegetal o una combinación de ambas. Hoy en día es posible comprar marcas comerciales de fertilizante rico en materia orgánica, así como la preparación de fertilizantes orgánicos en el hogar mediante la construcción de una pila de composta. Al describir los fertilizantes, es importante recordar que la definición de trabajo de la materia orgánica es el mismo que se aplica a los alimentos orgánicos. Es decir, el fertilizante se compone de elementos que se producen de una manera completamente natural, sin la ayuda de cualquiera de los componentes o aditivos fabricados sintéticamente. Muchos elementos naturales diferentes pueden entrar en la creación de abono orgánico. Por ejemplo, el estiércol y la orina de los animales de granja mas cabe destacar que el contenido de nutrientes en el estiércol es dependiente de la fuente, en particular de la especie animal, el tipo de alimentación y el método de almacenamiento. Algunos abonos son una mezcla de las formas húmedas o secas y se denominan lodos. Así como los nutrientes, estos también son una fuente de materia orgánica que ayuda a mejorar la estructura del suelo. La mayoría de los estiércoles producidos en granjas tienen un alto contenido de agua y una concentración baja y variable de nutrientes. Sólo una parte de los nutrientes en el estiércol son inmediatamente disponibles para un cultivo. El resto tiene que ser descompuesta por microorganismos en el suelo. La disponibilidad de estos nutrientes es difícil de predecir ya que su liberación depende de muchos factores diferentes. La eficacia de los nutrientes también depende del tiempo de aplicación. Abonos aplicados justo antes del invierno o estación lluviosa pierden una parte importante de sus nutrientes disponibles a través de la lixiviación (Félix Legrand, 2008). De igual manera estos se pueden utilizar de manera picada o molida en partículas pequeñas materiales en descomposición, harina de huesos, y plantas en descomposición retiradas al final de la temporada. Esencialmente, cualquier asunto que sea de origen natural y sujetos a la descomposición es un buen candidato para su inclusión en el producto. Fertilizantes elaborados orgánicamente se pueden utilizar para cultivar hortalizas, criar flores, e incluso para producir un césped verde y exuberante. Al igual que con cualquier tipo de producto fertilizante, el fertilizante orgánico se distribuye uniformemente en toda la extensión de la tierra. A menudo, el proceso de fertilización se lleva a cabo antes de que se siembren las semillas de la hierba. Una vez que el suelo se labra adecuadamente y se mezcla con el fertilizante 72 UNIVERSIDAD VERACRUZANA orgánico del césped, las semillas se distribuyen y el área se riega. La presencia de los materiales naturales ayuda a las semillas a echar raíces, lográndose con el tiempo la producción de una hermosa alfombra de hierba sobre el césped. De la misma manera el fertilizante orgánico se puede utilizar en huertos para reponer el contenido de nutrientes en el suelo. Esto suele hacerse antes de la próxima ronda de los cultivos. Para ello es necesaria la preparación del suelo en un lugar ideal para que las semillas recién plantadas o plantas jóvenes puedan echar raíces y crecer rápidamente. Incluso los jardines de flores pueden beneficiarse de la utilización de fertilizantes orgánicos, al igual que con los céspedes y huertos, se agrega el fertilizante a la tierra antes de la siembra. Dependiendo del clima y de los tipos de flores en el jardín, el uso de fertilizante líquido orgánico también puede ser recomendado para las plantas maduras. Un fertilizante de nitrógeno orgánico también puede ser útil durante el proceso de crecimiento tanto para las flores como para el césped. Contenido de nutrientes promedio y Materia Seca en fertilizantes orgánicos. Nutrientes kg / tonelada de lodo o estiércol Materia seca % Total N Total P2O5 6 3.0 1.2 25 6.0 3.5 4 4.0 2.0 25 7.0 7.0 30 16.0 13.0 Lodo vacas Estiércol vacas Lodo cerdos Estiércol cerdos Estiércol gallinas Tabla 3 Contenido de nutrientes promedio y Materia Seca orgánicos. Datos proporcionados por YARA Total K2O 3.5 8.0 2.5 5.0 9.0 en fertilizantes 4.4.1 Tipos de fertilizantes orgánicos. Algas marinas o algas fertilizantes Kelp (alga marina marrón seca que) es por lo general un tipo de abono no tratado que está en una forma de té de algas. Es un buen tipo de abono, y por lo general se crea con sólo añadir algas secas en agua. Esto se remoja en agua, al igual como se preparan tés comunes. Aparte de eso, esta mezcla entonces se puede utilizar como un fertilizante líquido al pulverizarse sobre las plantas. Se trata de un producto orgánico que no daña ni quema las plantas, y también está lleno de nutrientes ya que contiene minerales y hormonas de crecimiento de las plantas(Félix Legrand, 2008). La harina de pescado o emulsión de pescado contiene mezclas de pescado (sobras de la producción comercial de peces) que ya se han descompuesto. Éstas 73 UNIVERSIDAD VERACRUZANA contienen nitrógeno y fósforo, ingredientes importantes cuando se trata de la salud de las plantas, y es un fertilizante que funciona de forma rápida. La harina de semilla de algodón es otro tipo de abono natural (una de las más), que también pasa por un proceso de compostaje. Se debe usar este fertilizante para las plantas que son tolerables a los ácidos, ya que por lo general tiene una reacción ácida, cuando entra en contacto con el suelo. Aparte de eso, también se puede aplicar en plantas con flores. Por otro lado, el uso de estiércol animal es uno de los fertilizantes más comunes ya que está muy bien balanceado. Éste se utiliza cuando se trata de cultivar un huerto orgánico. Y a pesar de que puede ser bajo en nutrientes, se utiliza. También se puede optar por utilizar Guano, considerado como uno de los mejores fertilizantes orgánicos, el cual es un subproducto de los murciélagos que se utiliza hoy en día. Éste básicamente se compone de humus, que es un material que ayuda a mantener la tierra exuberante y rica. Otra opción es la harina de hueso que se compone básicamente de los huesos triturados de organismos. También contiene fósforo y calcio. La harina de hueso es un tipo de fertilizante que proporciona una solución a la fertilización a largo plazo. 4.5 Fertilizantes Inorgánicos 4.5.1 Nitrógeno El nitrógeno es el nutriente que más influye en el rendimiento de los cultivos a través del efecto sobre la clorofila y proteína. Intensifica el color verde (clorofila). Aumenta el tamaño de la hoja. Aumenta la tasa de crecimiento. Aumenta el rendimiento final. Aumenta el contenido de proteínas. 74 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Plantas deficientes en nitrógeno tienen pálidas hojas verdes o amarillas debido a la falta de clorofila y convertido retraso en el crecimiento a través de la falta de expansión de las hojas. Aunque el nitrógeno constituye casi el 80 % de la atmósfera de la tierra, la mayoría de las plantas no son capaces de hacer uso de ella en esta forma. El suelo contiene una cantidad significativa de nitrógeno pero esta es en gran parte presente en formas orgánicas complejas. Estos se convierten lentamente a nitrato que será absorbida por las plantas. La cantidad de suministro de nitrógeno natural varía considerablemente con diferentes suelos y climas. En promedio entre 40 y 60 kg de N por hectárea por año (principalmente de la descomposición de materia orgánica). En la producción agrícola, tales como carne, leche, huevos, cereales, etc. todos eliminan el nitrógeno del campo. El nitrógeno también puede perderse del suelo por lixiviación de nitratos, la desnitrificación y volatilización. Los fertilizantes nitrogenados más comunes son: El nitrato de amonio (33,5-34,5 % N) : NH4NO3 Trioxonitrato de amonio Se encuentra disminuyendo su uso en la actualidad debido a los problemas de almacenamiento asociados con incendios y explosiones. Es un material excelente para muchos propósitos, sin embargo, la mitad del N es en forma de nitrato lo que hace que sea inmediatamente susceptible a potenciales pérdidas por lixiviación y desnitrificación después de la aplicación. Nitrato de amonio Calcico (26 a 28 % de N) 5Ca(NO3)2•NH4NO3•10H2O nitro-cal Mezcla de nitrato de amonio y piedra caliza triturada. 75 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Sulfato de amonio ( 21 % N ) (NH4)2SO4 Sulfato diamónico Subproducto de algunas industrias. Es un buen material para suelos de pH alto (pH > 7,0) y se puede utilizar donde la deficiencia de azufre es sospecha. Se aplica a suelos alcalinos o de calcio para eliminar las pérdidas por volatilización de amoniaco. Tiene la desventaja de ser la forma más acidificante de fertilizante nitrogenado y que requiere más piedra caliza para neutralizar la acidez formada por el fertilizante N. El costo de sulfato de amonio es por lo general mayor que la urea, debido a su menor análisis y mayores costos de transporte. Nitrato de calcio ( 15,5 % N ) Ca(NO3)2 Nitro calcita Contiene la totalidad de su N en la forma de nitrato, y es altamente susceptible a la lixiviación y desnitrificación tan pronto como es aplicado. Se utiliza ampliamente en la mayoría de las industrias de frutas y vegetales, donde una fuente disponible de nitrato de N puede ser deseable. También se utiliza como una fuente soluble de calcio. La urea (46 % N) CO(NH2)2 Diaminocetona Es el fertilizante N seco más utilizado. Una vez aplicado al suelo, la urea se convierte en amoniaco que reacciona con agua para formar amonio dentro de dos o tres días (más rápido bajo condiciones de calor). La volatilización del amoniaco puede ocurrir cuando la urea es aplicada en la superficie. 76 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.5.2 Fosforo El fósforo es importante en el desarrollo de la raíz, el proceso de maduración y en particular en la fabricación y el uso de azúcares y carbohidratos complejos. Un buen suministro de fósforo es esencial en las primeras etapas de la vida de la planta y para la madurez temprana. Estimula el desarrollo radicular. Ayuda a las plantas a mantenerse estables. Alienta a la madurez. El fósforo ayuda a las plantas para producir un gran sistema de raíces eficaz que absorban el agua y los nutrientes del suelo. La aplicación de fósforo también se traduce en un mejor ajuste de las semillas y las frutas y la maduración de los cultivos. El fósforo en el suelo es poco soluble en agua. Esto significa que muy poco de este se disuelve en el agua, lo que limita la disponibilidad de este para la planta. Debido a la baja solubilidad, muy poco fósforo se lixivia desde el suelo y el movimiento está restringido. Algunos de los residuos de fósforo que quedan en el suelo son fijos o convertidos en formas aprovechables por su combinación con otros elementos de forma gradual. Parte de este fósforo almacenado estará disponible para alimentar a las plantas futuras. Poco fósforo es generalmente indicada por, hojas verdes azuladas con teñido de color púrpura o bronce, pero puede verse indicado solamente por una disminución del crecimiento. Esto hace que la identificación de la deficiencia de fósforo difícil en muchos cultivos. La deficiencia es más pronunciada en los suelos muy ácidos (por ejemplo, turba o arenas) o suelos alcalinos (por ejemplo tiza). El fósforo (P) se le refiere comúnmente como fosfato (P2O5). Los fertilizantes fosfatados más comunes son: Fosfato di-amónico (46-53 % de P2O5) (NH4)2HPO4 fosfato de monohidrógeno de amonio Es un material seco ampliamente utilizado para la mezcla a granel y de aplicación directa donde los suelos no necesitan K o donde K es de difusión. Tiene la ventaja de ser altamente soluble en agua, posee un alto análisis y a menudo un 77 UNIVERSIDAD VERACRUZANA precio ventajoso. El fosfato diamonioco tiene un efecto sobre el suelo ácido similar a amoníaco anhidro debido al alto contenido de amoníaco, este material puede causar lesiones en la germinación si se utilizan en contacto directo con la semilla. Fosfato mono-amónico (48 - 55 % de P2O5) NH4H2PO4 Tiene un contenido de amoníaco menor y puede ser menos perjudicial para la germinación de semillas que el fosfato de diamonio. Superfosfato simple (16 - 22 % de P2O5) Ca(H2PO4)2 También conocido como superfosfato ordinario, ya no se utiliza en grandes cantidades. Debido a su bajo análisis y altos costos de transporte ha sido sustituido por el superfosfato concentrado o superfosfato triple. Superfosfato triple (42 - 46 % de P2O5) Ca(H2PO4)2•H2O Tiene varias ventajas agronómicas que hacen de ella una fuente P popular durante muchos años. Cuenta con el mayor contenido de P de los fertilizantes secos que no contengan N. Más del 90% del P total en el es soluble en agua, por lo que se convierte rápidamente disponible para las plantas. Como la humedad del suelo disuelve el gránulo, la solución del suelo concentrada se vuelve ácida. También contiene 15% de calcio (Ca), proporcionando un nutriente vegetal adicional. Un uso importante del superfosfato triple es en situaciones en las que varios fertilizantes sólidos se mezclan juntos para la radiodifusión en la superficie del suelo o para la aplicación en una banda concentrada debajo de la superficie. También es conveniente para la fertilización de los cultivos de leguminosas, como la alfalfa o frijol, que no necesita la fertilización de N adicional para complementar la fijación biológica de N. 78 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.5.3 Potasio El potasio se asocia con la regulación del agua dentro de la planta y con el control de la pérdida de agua de las hojas. Es particularmente importante en las plantas que almacenan grandes cantidades de azúcar y almidón, por ejemplo patatas. También es vital para las bacterias de nódulos de la raíz de las leguminosas que fijan el nitrógeno del aire. Alienta el crecimiento saludable. Cultivos más resistentes a la sequía y a enfermedades. Mejora la calidad del producto. El potasio es un nutriente especialmente importante para las patatas, remolacha, alfalfa, tomates, arbustos y árboles frutales. Poco potasio conduce a la producción de hojas de crecimiento restringido que son verde muy oscuro. Más tarde se desarrollan manchas amarillas en los bordes, que se vuelven marrones y mueren. La deficiencia de potasio es más frecuente en los suelos arenosos ligeros que en los suelos más pesados de arcilla (International Plant Nutrition Institute, 2012). El potasio (K) se expresa comúnmente en fertilizantes como potasa (K2O). Los fertilizantes más comunes son: Cloruro de potasio (60 - 62% K2O) KCl Cloruro potásico, También conocido como muriato de potasa, es la principal fuente de K utilizado. Está disponible en cuatro tamaños: fino, estándar, grueso y granular. El tamaño fino se utiliza principalmente para suspensiones líquidas. Los tamaños estándar, grueso y granular se utilizan para los procesos de granulación de mezcla, a granel y aplicación directa. La potasa varía en color desde el rosa o rojo a blanco, dependiendo de la minería y proceso de recuperación utilizado. Potasa Blanca, a veces referida como la potasa soluble, es generalmente de análisis más alto y se utiliza principalmente para la fabricación de fertilizantes líquido. 79 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Sulfato de potasio ( 50 % K2O) K2SO4 Sulfato potásico También conocido como sulfato de potasa, se utiliza en medida limitada en cultivos tales como tabaco, patatas y unos cultivos de hortalizas, donde el cloruro a partir de cloruro de potasio podría ser indeseable y también puede ser una fuente de azufre cuando se requiere de azufre. Nitrato de potasio ( 46 % de K2O ) KNO3 Trioxonitrato de potasio Se utiliza principalmente en cultivos de alto valor como el apio, los tomates, las patatas, hortalizas y algunos cultivos frutales. Éste tiene un índice bajo en sal y proporciona nitrato de N, que puede ser deseable para estos cultivos especiales. Sin embargo los costos de producción han limitado su uso general para la mayoría de los cultivos. 4.5.4 Porque existe una amplia gama de fertilizantes Para un crecimiento sano de la planta debe tenerse acceso a todos los nutrientes adecuados, en el momento adecuado, en las cantidades adecuadas y en las proporciones correctas. Las recomendaciones de fertilización tienen en cuenta los requisitos de la cosecha (que dependen de las especies de cultivo, la variedad y el potencial de rendimiento) y la oferta estimada de nutrientes de otras fuentes. De mayor importancia es la contribución del suelo, que varía de un campo a otro. Recomendaciones publicadas están generalmente disponibles a partir de servicios de asesoramiento oficiales para ayudar a los agricultores a la aplicación correcta. Es posible hacer algunas recomendaciones de fertilización basadas únicamente en las cantidades de los nutrientes extraídos por un cultivo. Cultivo Arroz Kg/ha N 110 P2O5 35 80 K20 150 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Maíz 120 60 Trigo 220 80 Patata 200 75 Caña de azúcar 200 90 Vegetales 80 80 Tabla 4 Tabla de remoción de nutrientes por cultivo. 70 90 300 100 100 Los agricultores cultivan cosechas en secuencias (llamados cultivos rotatorios) en función de las costumbres locales y las buenas prácticas agrícolas. En algunos casos esta práctica es esencial para el control de malezas, plagas y enfermedades. Cuando no se dispone de los fertilizantes, las rotaciones se utilizan para construir los suministros de nutrientes en el suelo. Rotaciones típicas para un solo campo podrían ser. El lugar de cada cultivo en la rotación tiene un efecto muy significativo sobre los fertilizantes que el agricultor tendrá que aplicar. Con el uso de fertilizantes y pesticidas modernos hay menos necesidad de rotar los cultivos. Muchos agricultores usan ahora rotaciones muy simples y algunos incluso crecen un solo cultivo sobre una base continua. Debido a que los suelos, los cultivos, las condiciones climáticas y las rotaciones de cultivos varían ampliamente en el mundo, hay una correspondiente necesidad de una gama de fertilizantes. 4.6 La ingeniería de los fertilizantes La industria de los fertilizantes es basta produciendo muchas sustancias diferentes por lo que es necesario entender las entradas y las técnicas de procesamiento con el fin de comprender esta industria. Como se mencionó con anterioridad, los fertilizantes se pueden clasificar de diversas formas, fertilizantes naturales y sintéticos. Los fertilizantes sintéticos incluyen diferentes tipos según su composición química, el estado físico y la solubilidad en agua. De acuerdo a su composición química, los fertilizantes se clasifican en tres grupos principales, a saber: Fertilizantes fosfatados que contienen fósforo como un elemento de base, que se expresa por P2O5 Los fertilizantes nitrogenados que contienen nitrógeno como un elemento de base, que se expresa por N2. 81 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Fertilizantes de potasio que contengan potasio como un elemento de base, que se expresa por K2O 4.6.1 Materias Primas Los insumos para la industria de fertilizantes varían según el tipo de fertilizante. La roca fosfórica es considerada como la principal materia prima para la producción de fertilizantes de tipo fosfato, mientras que en el caso de los fertilizantes nitrogenados, el amoníaco se considera la principal materia prima. El amoníaco se produce por síntesis de nitrógeno y de hidrógeno. Este último se genera ya sea por el reformado con vapor del gas natural, o electrólisis del agua. Por otro lado, el nitrógeno se produce ya sea a partir de la licuefacción de aire, o de combustión de gas natural. También se utilizan grandes cantidades de ácidos, tales como el ácido sulfúrico, ácido nítrico y ácido fosfórico. En mayoría de todas las plantas de fertilizantes estos ácidos se producen en el mismo corredor industrial. El azufre en bruto se considera la principal materia prima para la producción de ácido sulfúrico, mientras que la producción de ácido fosfórico depende de la roca de fosfato como materia prima. La producción de ácido nítrico se basa en el amoniaco producido en el lugar. Entre las sustancias químicas requeridas por la industria de los fertilizantes los catalizadores generalmente no se consideran como insumos, sino que se consideran parte de los equipos. Esto se debe a la naturaleza de los reactores, por lo tanto los catalizadores sólo ayudan a la reacción, sin reaccionar a sí mismos. De acuerdo a varios factores, los catalizadores pierden su actividad después de largas horas de funcionamiento que difieren de un catalizador a otro. Por consiguiente, tienen que ser regenerados, por lo general en el sitio, excepto para los catalizadores muy costosos, como catalizadores de aleación de platino. Otro insumo importante para la industria de los fertilizantes el cual es requerido en grandes cantidades es el agua la cual se consumen para diversos fines relacionados con la refrigeración, proceso, producción de vapor, lavado de piso y de limpieza, etc. Al igual el vapor es generado en grandes cantidades para la calefacción, la refinación, la remoción y para otros fines. Este vapor se genera por lo general en calderas de combustión de combustible. El tipo de combustible difiere de una industria a otra, incluyendo, gasóleo, energía solar o gas natural. El aire también es necesario para algunas operaciones, tales como el secado y la refrigeración. 82 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Operación Entradas Producción de superfosfato simple Acidulacion - Roca fosfórica - Acido sulfúrico - Agua Secado - Aire Embolsado - Bolsas de Polietileno Producción de superfosfato triple Reacción - Harina de fosforita - Acido fosfórico Secado - Aire caliente Embolsado - Bolsas de Polietileno Producción de acido fosfórico Lavado - Harina de fosforita - Acido fosfórico debil Reacción - Acido sulfurico Producción de amoniaco Desulfuración - Gas natural Reforma de Primaria - Vapor De reformado secundario - Aire caliente comprimido - Disolvente mono-etanol o carbonato de Separación de CO 2 potasio y otros disolventes Producción de Ácido nítrico Filtración - Aire Vaporización - Amoniaco - NH3 Gaseoso Oxidación - Aire No x absorción - Acido Nítrico Absorción - Proceso y refrigeración por agua Blanqueamiento - Aire Producción de Nitrato de amonio Reacción (neutralización) - Amoniaco gaseoso - Acido Nítrico Concentración - Solución de nitrato de amonio Mezclado - Dolomita, caolín o piedra caliza - Nitrato de amonio Revestimiento - Tierra de diatomeas, piedra caliza o dolomita Embolsado - Bolsas de polietileno Producción de Sulfato de amonio Evaporación - Amoniaco - Vapor 83 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Reacción y cristalización - Acido sulfúrico El secado - Vapor caliente de aire Embolsado - Bolsas de polietileno Producción de Fosfato de amonio - Amoniaco Reacción - Acido fosfórico Revestimiento - Materiales de revestimiento Embolsado - Bolsas de polietileno Producción de Nitrato de calcio Reacción (torre de - Piedra de cal disolución) - Acido Nítrico Neutralización - Amoniaco Embalaje - Barriles plásticos Producción de Urea - Dióxido de carbono Síntesis - Amoniaco liquido Evaporación - Vapor Granulación - Aire frio Embolsado - Bolsas de polietileno Tabla 5 Insumos en la industria de los fertilizantes La industria de fertilizantes se considera uno de los sectores químico más complejos, incluyendo varias líneas de producción y unidades de servicio. 4.6.2 Fertilizantes Nitrogenados Los fertilizantes nitrogenados se consideran el tipo de fertilizantes mas ampliamente producidos y utilizados. Incluye muchos fertilizantes tales como nitrato de amonio (NH 4 NO 3), sulfato de amonio (NH4)2 SO4, nitrato de calcio Ca (NO3)2 y la urea CO(NH2)2. El amoníaco, que es la materia prima esencial para fertilizantes de base de nitrógeno, se produce dentro de las propias instalaciones, este se produce por la reacción catalítica de H2 y N2. El hidrógeno puede ser producido por la electrólisis del agua, o a partir de gas natural y la oxidación parcial de la nafta y combustible. El nitrógeno es obtenido a partir de aire. 4.6.2.1 Amoniaco Como se ilustra en el diagrama 2, el amoníaco sintético, producido a partir de gas natural, se produce haciendo reaccionar hidrógeno con nitrógeno. Se requieren 84 UNIVERSIDAD VERACRUZANA seis pasos de procesamiento para producir amoníaco sintético usando el método de reformado catalítico con vapor de la siguiente manera: 1. Desulfuración de gas natural En esta operación, el contenido de azufre (principalmente como H2S) se reduce hasta por debajo de 280 microgramos/m 3 para evitar el envenenamiento del catalizador utilizado en la etapa de reformado con vapor. La desulfuración tiene lugar por adsorción de H2S de gas en la superficie del óxido de zinc o carbón activo. El adsorbente se reactiva mediante arrastre con vapor sobrecalentado. El gas de alimentación se precalienta a 350-400°C y después se trata en un recipiente de desulfuración en donde los compuestos de azufre se hidrogenan a H2S usando un catalizador de molibdeno-cobalto (CoO y MgO 3) y, a continuación adsorbidos por óxido de zinc. 2. Reformado catalítico con vapor El gas natural desulfurado se precalienta mediante la mezcla con vapor sobrecalentado 500 – 600°C a continuación, entra en el reformador primario y pasa sobre el catalizador de Ni en donde se convierte a hidrógeno, CO y CO 2 de acuerdo con la siguiente ecuación: Ni CH4 + H2O CO+ 3H2 o 790- 820 C CO + H2O →C2 + H2 La reacción es altamente endotérmica y se requiere calor adicional para elevar la temperatura a 780-830°C en la salida del reformador. Sólo 30 - 40% de la alimentación de metano se reforma en el reformador primario. El gas del reformador primario se envía entonces al reformador secundario, donde se mezcla con aire caliente comprimido a alrededor de 600°C y se hace pasar sobre un catalizador de níquel. Se añade suficiente aire para producir un gas de síntesis final que tiene un hidrógeno a nitrógeno relación molar de tres a uno. El gas que sale del reformador secundario (H2, N2, CO, CO2 y H2O) se enfría a 360 º C en una caldera de recuperación antes de ser enviado a la conversión del monóxido de carbono. Ni Catalizador CH4 + ½O2 + 2N2 CO + 2H 2 + 2 N 2 900-1200°C o 900 – 1200 C 85 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3. Cambio del monóxido de carbono Después de enfriar, el gas, que contiene 12 - 15%, de gas seco, el CO entra al convertidor de desplazamiento de alta temperatura (350-400ºC) donde el CO se convierte en CO2 utilizando un catalizador de óxido de hierro y un iniciador de óxido de cromo. La siguiente reacción se lleva a cabo: CO + H2O → CO2 + H2 El gas de salida se enfría en un intercambiador de calor antes de ser enviado a un convertidor de desplazamiento a baja temperatura, donde el CO se convierte en CO2 por un catalizador de óxido de cobre/óxido de zinc. El contenido de CO residual en el gas de convertidor es de aproximadamente 0,2-0,4% (base de gas seco) el contenido de CO es importante para la eficiencia del proceso. 4. Eliminación de dióxido de carbono El gas obtenido del proceso anterior se enfría desde 210 a 110ºC y el vapor se condensa y se separa del gas. El gas se purifica de CO 2 en un proceso de absorción física o química. Los disolventes utilizados en la absorción química son principalmente soluciones acuosas de amina (mono etanolamina), Di-etanolamina o soluciones de carbonato de potasio caliente. Algunos disolventes físicos son éteres de glicol, carbonato de propileno y otros. V 2O5 se utiliza como un inhibidor de la corrosión. El proceso de mono etanolamina tiene un alto consumo de regeneración de energía. El vapor condensado contiene amoníaco y metanol, y una pequeña cantidad de aminas, ácido fórmico, ácido acético, sodio, hierro, cobre, zinc, aluminio y calcio. Este condensado se envía al separador. Trazas de metales restantes en el condensado del procedimiento se pueden eliminar en plantas de tratamiento de aguas residuales mediante intercambio iónico. El disolvente se regenera mediante el precalentamiento y separación por vapor. 5. Metanización El CO2 residual y el CO, en el gas de síntesis, debe ser eliminado por metanización catalítica mediante el uso de catalizador de Ni a 400-600ºC de acuerdo con la siguiente reacción: CO2 + H2→CO + H2O CO + 3H2→CH4 + H2O El metano es un gas inerte con respecto al catalizador de amoniaco, mientras que el CO2 y CO pueden envenenar el catalizador. 86 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 6. Síntesis del amoníaco El gas proveniente de la metanización es casi un puro. Tres a uno relación molar de hidrógeno a nitrógeno se convierte en amoniaco de acuerdo con la siguiente reacción: N2 + 3H2 → 2NH3 En primer lugar el gas se comprime desde 30atm a 200atm de presión, reflejando un incremento de su temperatura siendo introducido al reactor conteniendo como catalizador hierro resultando en una porción del gas siendo convertido a amoniaco (15%), que se condensa y se separa en un separador de vapor del líquido y se envía a un separador. El gas sin convertir se comprime más y se calienta a 180ºC antes de entrar en el reactor que contiene un catalizador de óxido de hierro. Un catalizador de síntesis de amoníaco recientemente desarrollado que contiene rutenio sobre un soporte de grafito tiene una actividad mucho mayor por unidad de volumen y tiene un potencial para aumentar la conversión y presiones de funcionamiento más bajas. El gas de amoníaco desde el reactor se condensa y se separa a continuación enviado lo al separador donde una pequeña parte de del gas se purga para evitar la acumulación de gases inertes tales como argón en el sistema de gas circulante. El amoníaco es flasheado para deshacerse de gases disueltos. Estos gases se lavan para eliminar las trazas de NH3 en la forma de hidróxido de amonio. El amoníaco líquido se puede almacenar en un almacenamiento a presión o en un tanque refrigerado aislado. 87 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Entradas Operaciones Salidas Gas Natural H2S, compuestos orgánicos volátiles Desulfuración Adsorbente (ZnO/ Carbón activado) Catalizador agotado Catalizador CoO, MoO3 y/o ZnO Calor, El catalizador agotado Vapor Vapor primario Reformado Catalizador de níquel Emisiones (CO, CO2, H2, CH4) Emisiones del combustible Combustible o gas Calor Aire caliente comprimido Vapor secundario Reformado Aguas residuales Catalizador de níquel Catalizador de níquel agotado Caldera Residual Agua del proceso Conversion CO Convertidor Catalizadores (óxido de hierro/óxido de cromo y oxido de cobre/óxido de zinc) Calor Condensación del vapor extracción de (CO, CO2, Na, Ca, Al) Catalizador gastado Separacion CO2 Solvente (K2, CO3, Mono etanolamina) Solvente regenerado y reciclado Emisiones de H 2, CH 4 Metanización Catalizador de Níquel Calor Catalizador agotado Fugas de amoniaco Catalizador de Fe Síntesis de amoníaco Agua Caldera Residual Agua de refrigeración a torres Purga de gas a reformador primario,Catalizador agotado Vapor Fugas de amonio Enfriamiento Refrigeración Diagrama 2 Diagrama de flujo de la producción de amoniaco NH3 88 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.6.2.2 Nitrato de Amonio El nitrato de amonio es en primer lugar un abono nitrogenado que representa. 12,4% del consumo total de nitrógeno en todo el mundo. Es de más fácil acceso a los cultivos que la urea. En segundo lugar, debido a sus poderosas propiedades oxidantes se utiliza con aditivos adecuados como explosivo comercial. El proceso de producción consta de tres operaciones principales: la neutralización, evaporación, la solidificación (perlado y granulación). 1. Neutralización: El amoníaco líquido se evapora en un evaporador con agua de refrigeración. Las cantidades estequiometrias de ácido nítrico (55% de concentración en peso/peso) y el amoníaco gaseoso se introducen por un controlador de relación automática a un neutralizador. La reacción entre el amoníaco y el ácido nítrico produce solución de nitrato de amonio de acuerdo con la siguiente reacción exotérmica. NH3 + HNO3 NH4 NO3 La neutralización se puede realizar en una sola etapa o en dos etapas. El neutralizador puede llevarse a cabo a presión atmosférica (Donde la temperatura no supere los 105°C) o a presión elevada de casi 4 atmósferas. Los neutralizadores normales son seguidos generalmente por evaporadores instantáneos con el fin de incrementar la salida. Durante la evaporación algo de amoníaco se pierde de la solución. El vapor de agua está contaminado. El control del neutralizador es importante. El pH y la temperatura deben ser estrictamente controlados, tanto para limitar las pérdidas por el neutralizador. Todas las instalaciones deben incluir controles de pH y temperatura. La solución de nitrato de amonio del neutralizador puede ser alimentada al almacenamiento sin más procesamiento, pero, si se utiliza en la fabricación de nitrato de amonio sólido, se concentra por evaporación. 2. Evaporación para la concentración de nitrato de amonio La salida desde el neutralizador se recibe en un depósito intermedio. La solución debe hacerse alcalina antes de ser bombeada (sin necesidad de bombas en caso de neutralizadores de presión pues la presión mantendrá el flujo) a la sección de evaporación (multi-efecto) que se ejecuta bajo vacío. La solución se calentara por medio de vapor en el evaporador multi-efecto. La solución se concentrara hasta 97,5 a 99,5% (normalmente más del 99%) dependiendo de si el nitrato de amonio se pretende granular. 89 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 3. Mezclado del material de relleno: Con el fin de reducir el contenido de nitrógeno del nitrato de amonio del 35% al 33,5%, se añade el material de relleno apropiado (aproximadamente 4% en peso de polvo de piedra caliza o dolomita o incluso caolín) 4. Granulación El fundido concentrado caliente es o granulado (granulación en lecho fluidizado, granulación en tambor, etc) o comprimido. El nitrato de amonio se forma en gotas que caen hacia una torre de almacenamiento donde se enfrían y solidifican. La granulación requiere más procesos y variedad de equipos para llegar al tamaño deseado. 5. Secado y Presentación El nitrato de amonio (perlas o gránulos) se seca (por lo general en los tambores) con aire caliente (calentado por vapor), a continuación, se tamiza para separar el producto de tamaño correcto. 6. Enfriamiento final Los gránulos calientes del tamaño adecuado, se enfrían (contra aire frio y libre de humedad) a 40°C y tratados con anti-apelmazamientos (generalmente aminas) y luego recubiertos con un material inerte (por lo general, caolín, caliza o dolomita) y después trasladado al área de almacenamiento. 90 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Entradas Operaciones Salidas Evaporación Amoníaco líquido Emisiones de amoniaco Neutralización Ácido nítrico Condensado de vapor (NH3, Nitrato de amonio) Evaporación Flash Vapores a separador de nitrato de amonio Almacen Inyección de amoníaco Vapores a separador de amonio Evaporación secundaria Vapor Vapor Condensado amonio) (NH3, Nitrato de Partículas de dolomita, caolín, o piedra caliza Mezclado Dolomita, caolín o piedra caliza Granulación Partículas Aire Granulación Vapor calienta Partículas (nitrato de amonio y NH3) Secado Calor y vapor de agua Partículas, Ruido Cribado Aire frío y seco Partículas Enfriamiento Bolsas de polietileno Arcilla o tierra de diatomeas Embolsado recubrimiento y Diagrama 3 Diagrama de flujo de la producción de Nitrato de amonio. 91 Almacenamiento UNIVERSIDAD VERACRUZANA Sulfato de amonio El sulfato de amonio es un fertilizante nitrogenado con una fuente adicional de azufre soluble el cual es un nutriente vegetal secundario. El sulfato de amonio es producido por la reacción directa de ácido sulfúrico concentrado y amoníaco gaseoso y procede de acuerdo con los siguientes pasos. 1. Reacción de ácido sulfúrico y amoníaco: El amoníaco líquido se evapora en un evaporador con 16 bares de vapor y precalentado utilizando vapor a baja presión. Las cantidades estequiométricas de amoníaco gaseoso precalentado y ácido sulfúrico concentrado (98,5% peso/peso) se introducen en el evaporadorcristalizador (que opera bajo vacío). Estas cantidades son mantenidas por un controlador de flujo y bien mezcladas por una bomba de circulación (de la parte superior del cristalizador para el evaporador) 2. Cristalización La reacción tiene lugar en el cristalizador en el que el calor generado de la reacción provoca la evaporación de agua que hace la solución sobresaturada. La solución sobresaturada se establece en la parte inferior del cristalizador en el que se bombea al vacío luego por medio de un filtro metálico se separan los cristales, mientras que el licor madre se recicla al cristalizador. 3. Secado El sulfato de amonio húmedo en forma de cristales se transportan (por cintas transportadoras) para el secador rotatorio a secar contra el aire caliente (calentado por vapor) y luego transportado a la zona de almacenamiento donde de forma natural se enfría y se empaqueta. 92 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Entradas Operaciones Amoniaco liquido Salidas Evaporación Vapor Emisiones de amoniaco Calor Acido sulfúrico Reactor y Cristalizador Filtración Vapor de amoniaco y acido Agua residual amonio) (sulfato Tanque Vapor caliente de aire Deshidratación y secado Transportador de banda Agua residual Residuos sólidos (cristales) Almacenamiento Bolsas de polietileno Embolsado Diagrama 4 Diagrama de flujo de la producción de sulfato de amonio 93 de UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.6.2.3 Nitrato de calcio El nitrato de calcio se produce disolviendo el carbonato de calcio (piedra caliza) con ácido nítrico, de acuerdo con la siguiente reacción: CaCO3 + 2HNO3 → Ca (NO3)2 + CO2 + H2O La piedra de cal se transporta al sitio como piedras de tamaño pequeño y se introduce a la torre de disolución. El ácido nítrico se alimenta a la parte inferior de la torre de disolución y el nitrato de calcio formado se alimenta al tanque de sedimentación. Después de sedimentarse, el exceso de ácido se neutraliza con amoníaco. El contenido de nitrógeno se ajusta con nitrato de amonio. El fertilizante se produce en estado líquido y el contenido de nitrógeno del producto final se ajusta a las especificaciones requeridas utilizando nitrato de amonio. Entradas Caliza Acido nítrico Operaciones Salidas Torre de disolución CO 2 y vapor de acido Residuos sólidos Sedimentador Residuos sólidos de CaCO3 Amoniaco Nitrato de amonio Neutralización Mesclado (Ajuste de N2) Fugas de amoniaco y vapor de acido Perdidas de liquidos Perdidas por el Envasado Barriles Envasado Almacenamiento Diagrama 5 Diagrama de flujo de la producción del nitrato de calcio 94 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.6.2.4 Urea La urea (Diaminocetona) es un fertilizante nitrogenado de alta concentración, con un contenido de nitrógeno de 46%. Se produce a partir de amoníaco líquido y dióxido de carbono gaseoso a alrededor de 170 - 190º C y 135 a 145 bares, de acuerdo con las siguientes reacciones: CO 2 + 2NH 3→NH 2 COONH 4 (1) NH 2 COONH 4↔NH 2 CONH 2 + H 2 O (2) La segunda reacción es la deshidratación del carbamato para producir la urea en fase líquida. Las plantas de producción de urea constan de secciones de alta y baja presión. La sección de alta presión se compone de: La síntesis de urea en particular el separador y condensador. Operación de rectificación Urea. Considerando que, en la sección de baja presión se compone de: La evaporación. Recuperación. Granulación. El dióxido de carbono se suministra desde la planta de amoníaco y se comprime en el compresor centrífugo de CO2 después se introducen en la parte inferior del separador de alta presión, que es una parte de la sección de síntesis de urea. El amoníaco líquido se bombea desde el tanque de almacenamiento a la planta de urea y se precalienta a una temperatura alrededor de 10 º C. La bomba de alta presión de NH 3 eleva la presión a 165 bares y lo entrega al condensador de carbamato de alta presión. NH 3 y CO 2 son alimentados a la sección de síntesis en la relación molar de 2 para NH 3 / CO 2. En el reactor de urea una mayor parte del carbamato condensado se convierte en urea y agua. La mezcla de reacción, que abandona el reactor, se distribuye sobre la parte superior de los tubos de descarga. El CO 2 se introduce a contracorriente. Los gases que salen de la parte superior del separador son conducidos a la alta presión del condensador de carbamato. Mayor parte de los gases obtenidos por el 95 UNIVERSIDAD VERACRUZANA separador de gases son gases condensados y no condensados NH 3, CO 2. Estos se introducen en la parte inferior del reactor, donde la conversión de carbamato en urea se lleva a cabo. Lo que no se convierte de NH 3 y CO 2 abandona el reactor y se transportan al lavador de alta presión, donde las partes principales de NH 3 y CO 2 se recuperan y se mezclan con NH 3 fresco a través del eyector de alta presión. La solución de carbamato de urea que sale de la parte inferior del separador se pulveriza sobre un lecho de anillos de bolas en una columna de rectificación. La solución de urea que sale de la parte inferior fluye a un tanque de evaporación instantánea y luego al tanque de almacenamiento de solución de urea (aproximadamente el 70 - 80% de concentración). Esta solución se concentra aun más llegando a una masa fundida de (98% de urea) por evaporación en vacío en dos etapas. La masa fundida de urea se bombea a la torre de granulación. Los gránulos se reciben en los transportadores y se transportan a la sección de ensacado. El condensado que contiene NH3, CO 2 y la urea se bombea desde el depósito de NH 3 y agua a la parte superior del primer desorbedor, que es despojado por los vapores del segunda desorbedor. El efluente de la primera de desorción se bombea a la columna hidrolizada. En el hidrolizador la urea se descompone en NH 3 y CO 2 y se alimenta a la primera de desorción después de la separación en el segundo dispositivo de desorción. El condensado del proceso se descarga desde la parte inferior del segunda desorbedor al sistema de alcantarillado de la planta. La temperatura deseada de los gránulos varía de 60ºC a 65ºC. Si la temperatura es mayor a 80 º C-85 º C los gránulos pueden provocar estiramiento y rotura, de las bolsas de polietileno después de la operación de ensacado. 96 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Entradas Operaciones Salidas Reactor Calor Urea, CO2, NH3. Amoniaco liquido Dióxido de carbono Condensador de alta presion Separador Rectificación Tanque Flash 75% Vapor Emisiones de (NH3, CO2, H2O) Evaporación al vacio 98% Aire frio Emisión de (CO2, NH3) Emisiones de (NH3, CO2, H2O) Granulación Partículas de NH3, CO2 y Urea Recolección del condensado Primera desorción Recirculación de NH3 y CO2 Segunda desorción Vapor como agente de separación Agua residual (urea, NH3, CO2) Vapor Hydrolizador Enfriamiento y cribado Perdidas de NH3, CO2 Partículas Ruido Formaldehido de urea Recubrimiento y embolsado Bolsas de polietileno 97 Almacenamiento UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.6.3 Fertilizantes Fosfatados Industria de fertilizantes de fosfato es considerada una de las industrias más contaminantes en el mundo más se han venido creando nuevas formas de reducción y tecnologías para su control. Existen varios fertilizantes de fosfato, dependiendo de su composición, tienen diferentes solubilidades en el suelo y por lo tanto, son asimilados por las plantas de diferentes maneras. Los fertilizantes de fosfato incluyen superfosfato simple y superfosfato triple. El superfosfato simple es una mezcla de fosfato mono cálcico y yeso (teniendo una disponibilidad de P2O5 entre un 16 - 22%), mientras que el superfosfato triple se compone principalmente de fosfato mono cálcico (disponible P2O5), casi 46%). 4.6.3.1 Fosfato de amonio Hay dos tipos de fosfato de amonio: fosfato mono-amónico y fosfato de diamónico. Fosfato mono-amónico se hace por reacción de amoníaco con ácido fosfórico, centrifugándolo y secándolo en un secador rotatorio. Por otro lado el fosfato de di-amónico requiere un sistema de reactores de dos etapas con el fin de evitar la pérdida de amoníaco. Seguido de un proceso de granulación completándolo con un secador rotatorio que se calienta mediante un horno de combustible. Para producir fosfato mono-amónico, la relación de amoniaco-ácido fosfórico es de 0,6 en el pre-neutralizador y luego 1.0 en el granulador. Para la producción de fosfato di-amónico, las relaciones son 1,4 y 1,0 respectivamente. El fosfato de amonio resultante se tamiza. Las partículas de tamaño inferior se reciclan de nuevo a la operación de granulación, mientras que las partículas de gran tamaño se muelen primero antes de reciclar al granulador. Después de tamizar los gránulos de fertilizante estos se recubren con materiales específicos con el fin de regular su proceso de disolución en el suelo. 98 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Entradas Operaciones Amoniaco evaporado Salidas Reacción Acido fosfórico Gases Fugas de amoniaco Agua de refrigeración Amoniaco Combustible para calefacción y aire Granulación y secado Gases de combustión Partículas Enfriamiento Partículas de amoniaco Aire de refrigeración Reciclado Cribado Reciclado de molienda Partículas y NH3 Molienda Partículas y Ruido Recubrimiento Partículas Materiales de recubrimiento Almacenado Embolsado Bolsas de polietileno Diagrama 7 Diagrama de flujo de la producción de fosfato de amonio 99 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.6.3.2 Superfosfato Triple Este tipo de fertilizantes es mucho más concentrado que el superfosfato ordinario, conteniendo alrededor de 45 - 46% de P2O5. El superfosfato triple es fabricado por la acción del ácido fosfórico en la roca fosfórica. La reacción principal es: CaF2∙ 3Ca3 (PO4)2 + 14H3PO4 → 10CA (H2PO4) 2 + 2HF↑ (Roca fosfórica) (Superfosfato triple) Para su producción se utiliza un sistema, en el que se pulveriza la roca fosfórica para luego ser mezclada con ácido fosfórico en un reactor de dos etapas. La suspensión resultante se pulveriza en el granulador. La suspensión se pulveriza en el tambor de granulación en corriente directa con gases de combustión (gas natural o combustible líquido y aire). El producto se tamiza y si esta fuera del tamaño requerido se recicla de nuevo al granulador. El producto final se enfría y se almacena listo para ser embolsado. Los gases de escape del reactor, granulador y refrigerador se depuran para eliminar los compuestos fluóricos debido a su alta toxicidad. 100 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Entradas Operaciones Salidas Trituración, molienda y cribado Roca fosfórica Reacción de dos etapas Acido fosfórico Ruido Polvo y partículas Emisiones de HF, a depurador Vapor de agua Agua Reciclado Granulación Emisiones de HF (depurador) Gases de combustión Gases de combustión (calordirecto) Cribado Aire Frio Bolsas de Polietileno Partículas Enfriamiento Almacenamient o y embolsado Súper fosfato granulado Diagrama 8 Diagrama de flujo de la producción de superfosfato triple 101 Partículas Agua de enfriamiento Partículas UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.6.4 Fertilizantes de Potasio El potasio es el séptimo elemento más abundante en la corteza de la Tierra, sin embargo, sólo un dos por ciento está disponible para las plantas. El resto se fija con otros minerales y no es disponible para las plantas. A menudo los agricultores aplican fertilizantes de potasio para el crecimiento óptimo de las plantas. La mayoría del potasio se extrae de los depósitos subterráneos y se extrae como el carbón. Algunos pozos son perforados a una profundidad de 3.000 pies. En algunos casos, la minería por medio de soluciones es ampliamente utilizada en cuyo caso el agua se bombea para disolver el mineral. La solución se extrae y se deja evaporar, dejando atrás sales de potasio. Otro caso de extracción de potasio es atreves de la evaporación de agua de lagos de sal natural, tales como el Gran Lago Salado en Utah Estados Unidos, y el Mar Muerto en Israel y Jordania. Existen alrededor de 50 tipos de minerales que se ha encontrado contienen potasio y se clasifican de la siguiente manera: 1. Minerales altamente solubles en agua encontrados en salmueras o depósitos de sal: Silvita Kcl Carnalita KCl∙MgCl2∙6 H2O Langbeinita K2SO4∙MgSO4 Kainita KCl∙MgSO4∙3 H2O 2. Minerales menos solubles en agua: K2SO4∙Mg SO4∙2CaSO4∙2H2O Polihalita 3. Minerales insolubles en agua: Glauconita KFeSi2O6∙2H2O Feldespatos Ortoclasa KAlSi3O8 Micas Moscovita y Biotita 102 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 4.6.4.1 Cloruro de potasio El cloruro de potasio se fabrica comúnmente a partir de Silvita y Carnalita. Existen dos pasos principales involucrados en la fabricación de este fertilizante. I. La minería para la obtención del mineral que contenga K. II. La separación del ingrediente principal y la purificación. Los depósitos se encuentran por lo general de 650 a 2.500 metros por debajo de la superficie de la tierra. Muchos métodos de minería son empleados, de los cuales el método de cámaras y pilares es el más empleado. Para la purificación se sigue el siguiente proceso: 1. Molienda. El mineral, después de la extracción de la mina y traslado a la fábrica, se muele a un tamaño fino y se tamiza para obtener sólo el mineral de tamaño requerido. 2. Lixiviación o la conversión del mineral en forma de solución. El mineral se disuelve en agua caliente y a esta se añade la solución de NaCl (salmuera) para la obtención de una mezcla de KCl + NaCl. La temperatura de la mezcla se incrementa para que más y más silvinita se disuelva y la solubilidad del NaCl se detendrá después de una etapa. Esto se continúa hasta que se obtiene una solución saturada de KCl. 3. Cristalización. La solución saturada que contiene tanto KCl y NaCl se enfría instantáneamente a vacío y el KCl se separa en forma de cristales, mientras que el NaCl permanece en la solución. 4. Separación, secado, etc. El cristalizado de KCl se puede separar por medios mecánicos y ser secado 4.6.4.2 Sulfato de potasio Este se fabrica a partir kainita (KCl∙MgSO4∙3 H2O) o langbeinita (K2SO4∙MgSO4), siendo este último comúnmente utilizado. Las materias primas requeridas son el mineral langbeinita y KCl. K2SO4∙MgSO4 + 2 KCl → 2K2SO4 + MgCl2 103 UNIVERSIDAD VERACRUZANA El MgCl2 es desechado. El KCl se utiliza en forma de un licor madre obtenido del proceso de fabricación de KCl. El método es eficiente sólo en la presencia de una proporción adecuada entre K2SO4 y MgSO4 de la materia prima y de mantener una proporción adecuada de, KCl o kainita. Las reacciones se encuentran a tener lugar de diferentes maneras. 2(K2SO4. 2MgSO4) + 2KCl + 12H2O → 3(K2 SO4 Mg SO44H2O) + MgCl2 (K2SO4. 2Mg SO4) + KCl + 2H2O 3H2O → K2 SO4 MgSO4 4H2O + KClMgSO4 + (K2SO4. Mg SO4) 4H2O +2KCl → 2K2 SO4 + Mg Cl2 + 4 H2O KCl MgSO4 3H2O + KCl → K2SO4 + MgCl2 + 3H2O La langbeinita, suele pasar a través de un tamiz de malla 200 y se mescla con el licor madre del proceso de KCl las sales se reciclan con agua fresca y con langbeinita nueva. Las reacciones pueden llevarse a cabo en tanques interconectados y el K2SO4 cristalizado se separa por medio de centrifugación. El K2SO4 húmedo se seca y se transporta al lugar de almacenamiento. Son fabricados únicamente cantidades limitadas de K2SO4, como el coste de fabricación es mayor, pero se prefiere para los cultivos en los que se desea la calidad o donde resulta toxico el uso de cloro. 4.6.5 Granulación y mezclado Para producir fertilizantes en la forma más fácil de usar, cada uno de los diferentes tipos de fertilizantes se granulan y se mezclan entre sí. Un método de granulación consiste en colocar los materiales sólidos en un tambor giratorio que tiene un eje inclinado, al girar el tambor, las piezas del fertilizante sólido toman pequeñas formas esféricas las cuales se pasan a través de una pantalla que separa las partículas de tamaño adecuado. Un recubrimiento de polvo inerte se aplica entonces a las partículas, manteniendo cada uno discreta y la inhibición de la retención de humedad. Finalmente, las partículas se secan, completando el proceso de granulación. Los diferentes tipos de partículas se mezclan en proporciones adecuadas para producir un fertilizante compuesto. La mezcla se realiza en un gran tambor de mezcla que gira un número determinado de vueltas para producir la mejor mezcla posible. Después de mezclar, el fertilizante se vacía sobre una cinta transportadora para el proceso de embolsado. Los fertilizantes se suministran normalmente a los agricultores en bolsas grandes. Para llenar estas bolsas de fertilizante se entrega primero en una gran tolva. Una cantidad apropiada se libera de la tolva en una bolsa que se mantiene abierta por un dispositivo de sujeción. La bolsa es colocada sobre una superficie vibratoria, 104 UNIVERSIDAD VERACRUZANA que permite un mejor empaquetamiento. Cuando se haya completado el llenado, la bolsa se transporta en posición vertical a una máquina que sella cerrado. La bolsa se coloca y apila, preparándose para su envío a los distribuidores y, finalmente, a los agricultores. 4.6.6 Control de calidad Para garantizar la calidad del fertilizante que se produce, los fabricantes deben monitorear el producto en cada etapa de la producción. Las materias primas y los productos terminados se someten a una batería de pruebas físicas y químicas para demostrar que se cumplen las especificaciones desarrolladas previamente. Algunas de las características que se prueban en fertilizantes incluyen: Su densidad aparente El contenido de nutrientes. Su contenido de humedad. La resistencia de la partícula. Distribución del tamaño de partícula. Densidad aparente: La densidad aparente es el peso de un volumen dado de fertilizante. Esto afecta el tiempo necesario para distribuir el fertilizante. Cuando la densidad aparente es menor, menos fertilizante puede sostener la tolva del esparcidor. El contenido de nutrientes Cuando un cliente compra fertilizantes, el contenido de nutrientes estipulado en el fertilizante, debe ser correcta. Con algunos, productos baratos y de baja calidad, este no es siempre el caso. El contenido de humedad Un alto contenido de humedad puede causar apelmazamiento. Apelmazamiento significa que el fertilizante se ha endurecido en bulto. Fertilizantes apelmazados puede causar problemas de difusión. Esto puede conducir a una reducción en el rendimiento y la calidad del cultivo. Resistencia de la partícula 105 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Un material que tiene una baja resistencia en sus partículas es más probable de ser aplastado y convertido en polvo. Esto causará problemas con el almacenamiento, perdida de fertilizantes, pérdida de tiempo, mala difusión y pérdidas de inversión. Distribución de tamaño de partículas La distribución del tamaño de partícula afecta tanto a la uniformidad de la difusión como a su máxima difusión. 4.6.7 El medio ambiente y los fertilizantes El papel de los fertilizantes es complementar los suministros naturales de nutrientes de las plantas a un nivel que apoye el rendimiento de los cultivos. Los fertilizantes no añaden productos químicos al suelo que no estén ya presentes. Por lo tanto, correctamente utilizados, los fertilizantes no deben tener efectos adversos sobre el medio ambiente. El objetivo del agricultor es usar sólo el suficiente fertilizante para que coincidir la oferta demanda de nutrientes necesarios del cultivo. Existen varios métodos de asesoramiento, incluyendo personal capacitado, folletos y programas de computadora todos estos sistemas están disponibles para ayudar en las decisiones. Para poder hacer coincidir el suministro de nutrientes a las demandas del cultivo y asi poder evitar dañar el medio ambiente. Los problemas pueden ocurrir cuando: Se aplica más nutriente que las necesidades de los cultivos, ya sea en todo el campo o una parte del campo (debido, por ejemplo, a la propagación desigual). Una deficiencia de un nutriente puede dar lugar a una nutrición desequilibrada y a la incorrecta utilización de otros nutrientes. Los nutrientes aplicados en fertilizantes orgánicos no se tienen en cuenta al momento de aplicar fertilizantes inorgánicos. Los problemas que pueden ocurrir a continuación, son: La lixiviación de nitratos en los acuíferos o aguas superficiales. La pérdida de partículas de fósforo enriquecido a las aguas superficiales pueden causar eutrofización. 106 UNIVERSIDAD VERACRUZANA La pérdida de amoníaco o óxidos de nitrógeno a la atmósfera por volatilización o desnitrificación. Todos estos procesos se producen naturalmente, pero los fertilizante puede contribuir a ello. Es importante, por lo tanto, que el consumo de fertilizantes se gestione adecuadamente. Cuando se usan correctamente los fertilizantes mejoran y protegen el medio ambiente de varias maneras: Al mejorar la productividad de la tierra destinada a cultivo se evita la necesidad de destruir otras áreas de bosques y prados. Mejora el sistema de raíces de los cultivos para que puedan hacer un mejor uso de tanto el suministro de nutrientes del suelos como de los fertilizantes aplicados. Esto reduce el riesgo de nutrientes de entrar en el agua subterránea. El aumento de la materia orgánica del suelo a través de la incorporación de mayores cantidades de restos orgánicos, paja y tallos de residuos asociados a mayores rendimientos de los cultivos. 4.6.7.1 Relación entre la agricultura, el cambio climático y los fertilizantes “El objetivo principal de la agricultura es alimentar el mundo. En el contexto del crecimiento de la población y la mejora de los ingresos, la demanda agrícola para el año 2050 se estima en un rango de 50 a 80 % sobre los niveles actuales de producción”9. Sin embargo, se espera que el aumento de la superficie de la tierra cultivable vaya a ser mucho menor, lo que implica la necesidad de continuar mejorando la productividad de la tierra. Debido a una reducción de la intensidad de la producción, esta tendría que ser compensada por medio de la producción adicional en otro lugar. Para optimizar la producción agrícola por unidad de tierra con el fin de satisfacer la demanda, es imprescindible hacer uso de técnicas que minimicen los impactos no deseados como las emisiones de gases de efecto invernadero, la eutrofización y la acidificación. La producción eficiente y responsable de fertilizantes como su distribución y uso de es fundamental para el logro de estos objetivos. 9 Britt Bailey and Marc Lappé. (2002) 107 UNIVERSIDAD VERACRUZANA “Se ha estimado que casi la mitad de las personas en la Tierra (alrededor del 48 %) se alimentan en la actualidad como consecuencia de labores del uso de fertilizantes nitrogenados”10. La agricultura también proporciona fibra, energía y materias primas para un número cada vez mayor de los procesos industriales. Sin embargo, según los datos, la producción de fertilizantes, el transporte y el uso, sólo representan alrededor de una décima parte del total de emisiones agrícolas (incluidas las emisiones directas e indirectas, y el cambio de uso de suelo respectivo). A medida que la población sigue creciendo y la alimentación junto con esta, el uso de fertilizantes se incrementará en el futuro. Es ampliamente aceptado que las actividades humanas, incluyendo la agricultura, tienen un impacto significativo en el clima del mundo. El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) publica regularmente informes para evaluar la situación. El último informe afirma que una serie de cambios se han observado inequívocamente a nivel regional y mundial. La industria de los fertilizantes reconoce que la producción, la distribución y el uso de fertilizantes contribuyen directa o indirectamente a las emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono (CO2) y óxido nitroso (N2O). 10 The European Nitrogen Assesmen J.W. Erisman. Cambridge University Press 2011. 108 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 5 Conclusiones El futuro de las necesidades alimentarias de la humanidad es incierto como a escala mundial es incierto el futuro de la capacidad de producción de alimentos agrícolas. Se trata de una brecha creciente que desde hace varias décadas se viene observando en estadísticas reconocidas por organismos internacionales como la FAO que describe una realidad que es amenazadora para la supervivencia y de inestabilidad financiera para todos y especialmente para aquellas naciones crecientemente dependientes de la importación de alimentos. Cada año hay menos dinero para comprar los volúmenes faltantes e incluso se endeuda en dólares para las compras. La producción y el uso de ciertos fertilizantes para incrementar la productividad y la producción mundial de alimentos agrícolas parecen haber entrado en una fase declinante debido entre otras causas a las implicaciones ambientales y al relativamente reciente desarrollo de los biofertilizantes. Sin embargo todo indica que la humanidad continuará utilizando una diversidad de tecnologías con variación en las proporciones en que se utiliza cada una de ellas. Advertidos de la grave tendencia, gobiernos de naciones dependientes han puesto el grito en el cielo con llamados a luchar por la “soberanía alimentaria” sin que tal objetivo se traduzca en políticas agrícolas consecuentemente eficaces que incrementen la producción local y reduzcan la excesiva dependencia. Organizaciones mundiales están advirtiendo de esto a los gobiernos del mundo, preparándolos para el panorama que será de una población mundial cerca del doble. Sin embargo unos son los objetivos y los buenos propósitos y otra la aplicación de políticas agrícolas eficaces y congruentes. Responder a la pregunta de qué tipo de investigación fomentar y qué tecnologías crear o desarrollar, es asunto de enfoques sumamente controversiales que involucra inercias, tradiciones, y, desde luego, intereses económicos. Por ejemplo, la problemática ecológica ha dado origen a fórmulas que han venido impulsando estos avances mediante la creación de fertilizantes ecológicos tales como la composta. Sin embargo a pesar ello y de una conciencia ecológica que día a día se expande por todo el planeta este tipo de soluciones no dan señales de poder resolver el gran problema. La razón es muy simple, las necesidades sociales crecen a mucha mayor velocidad que la oferta que pudiera generarse en base a soluciones ecológicamente sustentables y no por causa de estas sino del escaso respaldo por 109 UNIVERSIDAD VERACRUZANA parte de algunos gobiernos y la lentitud con la que los avances científicos derivados de la biotecnolgía se incorporan a los procesos productivos. Por otro lado, la producción de fertilizantes químicos ha sido el principal soporte de la actual situación de suministro de alimentos mundialmente, llegando a un virtual equilibrio producción-consumo de los alimentos pero lamentablemente tal tecnología también ha sido la principal responsable de la situación actual ecológica del planeta por lo que su continuo uso no solucionaría la demanda de una población mundial aumentada en dos billones. La problemática sigue sin respuesta, científicos de todo el mundo debaten alrededor del uso de las tecnologías biotecnológicas como posible respuesta a este panorama cuestionándose su uso y hasta qué punto es adecuado utilizarla. En resumen, la respuesta tecnológica a la producción agrícola se debate entre la orgánica, la química y la biotecnológica. Cada una tiene sus promotores, sus críticos y sus intereses mientras la humanidad se acerca a una catástrofe intensificada por el calentamiento global y los desastres naturales derivados. Cualquier solución que se proponga enfrentará un gran reto social y de eficiencia por ello es de vital importancia que investigadores y casas de estudio centren sus esfuerzos en generar respuestas a esta problemática mundial. Este trabajo recoge y describe cada opción tecnológica procurando introducir al lector en los conocimientos básicos requeridos como base para la proposición de nuevas respuestas a la problemática de la producción de alimentos. Tradicionalmente las sociedades se apoyaron en la abundancia de recursos naturales para abastecerse de alimento seguro. Conforme esto ya no fue posible se desarrolló la agricultura y la ganadería extensiva. Posteriormente vino la industria de los fertilizantes y se desarrolló la agricultura de explotación intensiva. Actualmente este esquema no ha sido capaz de resolver las necesidades alimentarias de países como México cada vez más dependiente de sus importaciones. En este contexto y volviendo la mirada a las naciones desarrolladas, en particular la Comunidad Europea, vemos que están teniendo mucho éxito los procesos de producción en base a las aportaciones de la biotecnología. Sin embargo, la biotecnología es una ciencia relativamente joven en México. Poco se ha avanzado en esta materia para reducir la distancia que nos separa de las naciones industrializadas. Por ejemplo el Instituto de Biotecnología de la UNAM apenas tiene dos décadas de haberse fundado y en las entidades federativas el atraso aun es mayor. Desafortunadamente llegamos a esta etapa en un momento en que la poca experiencia regulatoria, las tensiones y la mezcla de diversos 110 UNIVERSIDAD VERACRUZANA intereses genera desconfianzas o incluso campañas amarillistas sobre los supuestos efectos nocivos de los productos transgénicos. No obstante, está demostrado que la biotecnología es un complemento - no un sustituto - para muchas áreas de la investigación agrícola convencional tan necesaria para apoyar a la producción y a los productores de una entidad como Veracruz. De recibir el impulso requerido la biotecnología significaría contar con una amplia gama de herramientas para mejorar la comprensión y la gestión de los recursos genéticos para la alimentación y la agricultura. Una asignatura de primordial importancia para una nación como México que presenta un sector agrícola extenso, diverso pero abandonado. No se trata de ocurrencias en el vacío. De hecho la biotecnología cuenta con herramientas que en otros países ya están haciendo una contribución a los programas de mejoramiento y conservación y facilitando el diagnóstico, tratamiento y prevención de las enfermedades de plantas y animales. La Universidad Veracruzana tiene el reto mayor con el sector agrícola de la entidad. Las políticas y programas de vinculación deberían incluir esfuerzos institucionales para el fomento y desarrollo de la investigación en materia de biotecnología cuya aplicación proporciona al investigador nuevos conocimientos y herramientas que hacen el trabajo más eficiente y eficaz. De esta manera, los programas de investigación basados en la biotecnología pueden ser vistos como una extensión más precisa de los métodos convencionales. Al mismo tiempo, la ingeniería genética puede significar una salida dramática de la cría convencional porque da a los científicos la potencia para mover el material genético entre organismos que no podrían obtenerse por los medios clásicos. Ciertamente el reto para centros de estudio como la Universidad Veracruzana enfrenta la dificultad de articular equipos especializados y abiertos a la interacción ya que la biotecnología agrícola es fundamentalmente intersectorial e interdisciplinaria. Así, por ejemplo, la mayor parte de las técnicas moleculares y sus aplicaciones son comunes a todos los sectores de la alimentación y la agricultura, pero la biotecnología no puede valerse por sí misma. La ingeniería genética en los cultivos, por ejemplo, no puede proceder sin el conocimiento derivado de la genómica y es de poca utilidad práctica en la ausencia de un programa eficaz de fitomejoracion. Es sabido que todo objetivo de investigación requiere el dominio de un conjunto de elementos tecnológicos. La biotecnología debe formar parte de un programa global e integrado de investigación agrícola que se aprovecha del trabajo de otros programas sectoriales, disciplinarios y nacionales como de diversas instituciones de investigación y fomento agrícola existentes en México. 111 UNIVERSIDAD VERACRUZANA La biotecnología agrícola es internacional. Aunque la mayor parte de la investigación básica en biología molecular está teniendo lugar en los países desarrollados esta investigación puede ser benéfica para los países en desarrollo como México, ya que proporciona información sobre la fisiología de las plantas y los animales. Los impactos pueden ser múltiples ya que los resultados de los proyectos humanos y el genoma de ratones proporcionan beneficios directos para los animales de granja, y viceversa, mientras que los estudios sobre el maíz y el arroz pueden proporcionar paralelismos para aplicaciones en cultivos de subsistencia como el sorgo. Sin embargo, se requiere un trabajo específico sobre las razas y especies de importancia en los países en desarrollo el cual podría ser objeto de cooperación entre centros de investigación del sector público y el privado. A pesar de la destrucción del capital natural por diversas causas, lo cierto es que los países en desarrollo como México albergan la mayor biodiversidad agrícola en el mundo, pero poco se ha trabajado en la caracterización de estas especies de plantas y animales a nivel molecular para evaluar su potencial de producción y su capacidad para resistir enfermedades y tensiones ambientales o para garantizar su conservación a largo plazo. Esto hace más vulnerable a la biodiversidad que queda y ninguna medida regulatoria de su explotación podría contrarrestar los nocivos efectos del cambio climático y otras enfermedades. Al parecer la aplicación de las nuevas biotecnologías moleculares y las nuevas estrategias de mejoramiento a los cultivos y razas de ganado de interés específico para los sistemas de producción de pequeños productores en los países en desarrollo está limitada en un futuro próximo por una serie de razones. Por ejemplo la falta de financiamiento a la investigación a más largo plazo, la falta de capacidad técnica y operativa, el escaso valor comercial de los cultivos y razas, la falta de programas adecuados de mejoramiento convencional y la necesidad de seleccionar en los entornos de producción pertinentes. Sin embargo, en estos países ya se enfrentan a la necesidad de evaluar (GM) los cultivos modificados genéticamente y es posible es llegar a evaluar el uso de GM árboles, ganado y peces. Estas innovaciones pueden ofrecer oportunidades para el aumento de la producción, la productividad, la calidad del producto y la capacidad de adaptación, pero sin duda va a crear desafíos para la investigación y la capacidad reguladora de los países en desarrollo. En México, no obstante la politización deformante sobre transgénicos, hasta ahora, en los países donde se han producido cultivos transgénicos, no ha habido informes verificables de que causen alguno para la salud o daños al medio ambiente. Las mariposas monarca no han sido exterminadas. Las plagas no han desarrollado resistencia a Bt. Cierta evidencia de malezas tolerantes a los herbicidas, pero no han invadido ecosistemas agrícolas o naturales. Por el contrario, algunos de los beneficios ambientales y sociales importantes están emergiendo. Los agricultores están utilizando menos plaguicidas y están 112 UNIVERSIDAD VERACRUZANA sustituyendo productos químicos tóxicos por otros menos dañinos. Como resultado, los trabajadores agrícolas y los suministros de agua están protegidos de los venenos, y los insectos benéficos y aves están regresando a los campos de los agricultores. Mientras tanto, en el escenario mundial la ciencia está avanzando rápidamente. Algunas de las preocupaciones asociadas con la primera generación de cultivos transgénicos tienen soluciones técnicas. Las nuevas técnicas de transformación genética están eliminando los genes marcadores antibióticos y los genes promotores que son de preocupación para algunos. Variedades incluyendo dos genes Bt diferentes reducen la probabilidad de que la resistencia a plagas se desarrollará. Las estrategias de manejo y técnicas de genética están evolucionando para evitar el flujo de genes. Sin embargo, la ausencia de efectos negativos observados hasta ahora no significa que no se pueden producir, y los científicos coinciden en que nuestra comprensión de los procesos de seguridad y de los alimentos ecológicos es incompleta. Todavía se desconoce mucho. Completar la seguridad nunca puede estar seguro, y los sistemas de regulación y de las personas que los administran no son perfectos. ¿Cómo debemos proceder ante la falta de certeza científica? El GM Science Review Panel sostiene que: "Hay una clara necesidad de la comunidad científica a hacer más investigación en una serie de áreas, para que las empresas puedan tomar buenas decisiones en cuanto al diseño de transgenes y plantas hospederas, y desarrollar productos que satisfagan los deseos sociales más amplios. Por último, el sistema regulatorio... debería seguir operando de manera que es sensible al grado de riesgo e incertidumbre, reconocer los rasgos distintivos de GM, las diferentes perspectivas científicas y las lagunas en los conocimientos asociados, así como tomar en cuenta el contexto de cría convencional y líneas de base." El Consejo Nuffield recomienda que "las mismas normas deben aplicarse a la evaluación de los riesgos derivados de GM y de las plantas y los alimentos no modificados genéticamente, y que los riesgos de no actuar reciban el mismo análisis atento que los riesgos de la acción" Llegan a la conclusión ulterior: “Nosotros no tomamos la opinión de que hay pruebas suficientes de peligro real o potencial para justificar una moratoria de la investigación, las pruebas de campo, o la liberación controlada de los cultivos transgénicos en el medio ambiente en esta etapa. Por lo tanto recomendamos que la investigación sobre cultivos modificados genéticamente sostenerse, gobernada por una aplicación razonable del principio de precaución”11. La FAO apoya un sistema de evaluación de base científica que determine objetivamente los beneficios y riesgos de cada OMG. Esto requiere un enfoque prudente caso por caso para afrontar las preocupaciones legítimas por la bioseguridad de cada producto o proceso antes de su lanzamiento. Los posibles efectos sobre la biodiversidad, el medio ambiente y la seguridad alimentaria deben 11 Declaración de la FAO sobre biotecnología. 113 UNIVERSIDAD VERACRUZANA ser evaluados, y el grado en que los beneficios del producto o proceso compensan los riesgos calculados. El proceso de evaluación también debería tener en cuenta la experiencia adquirida por las autoridades nacionales de normalización al aprobar tales productos. Monitorización cuidadosa de los efectos posteriores a la liberación de estos productos y procesos es también esencial para asegurar su continua seguridad de los seres humanos, los animales y el medio ambiente. El conocimiento científico es esencialmente probabilístico. La ciencia no puede declarar una tecnología completamente libre de riesgos. Los cultivos genéticamente modificados pueden reducir algunos riesgos ambientales asociados con la agricultura convencional, pero también introducirá nuevos desafíos que deben ser abordados. La sociedad tendrá que decidir cuándo y dónde la ingeniería genética es suficientemente segura. En el campo de la biotecnología los avances de esta y su impacto en la economía apenas son perceptibles "una cifra récord de 175,2 millones de hectáreas de cultivos biotecnológicos fueron cultivadas a nivel mundial en 2013, a una tasa de crecimiento anual del 3 %”12(ISAAA, 2013). Un estudio a los orígenes de la esfera de la biotecnología muestra claramente que una serie de avances científicos, han producido una revolución científica y tecnológica. A su vez, la aplicación rápida y generalizada de estos avances científicos y tecnológicos en la agricultura, la salud y una serie de otras industrias ha producido una revolución socio-económica que todavía está en su infancia. Impactos socioeconómicos potenciales serán los impactos tanto positivos como negativos de la revolución biotecnológica. Algunos de los resultados negativos podrían ser graves y en este caso es probable que sea muy difícil, si no imposible, para invertir. Hay un potencial significativo para la biotecnología para ser utilizado con una intención maligna. Sigue habiendo una gran incertidumbre acerca de los resultados concretos de la revolución una variedad de factores impredecibles influirá en el curso de la revolución, y muchos de los impactos se verá sólo en el largo plazo. Sin embargo, sigue siendo evidente que hay beneficios particulares para ser promovidos, los riesgos de ser identificados y gestionados, así como los impactos negativos que hay que evitar, y la regulación puede desempeñar un papel importante en el logro de estos objetivos. El contexto en que se produce la revolución es una de alta interdependencia internacional en una serie de campos interconectados (política, economía, medio ambiente, salud, etc.) y de grandes desigualdades y sufrimientos humanos en gran escala. El gobierno tiene que gestionar la biotecnología con el fin de 12 International Service For The Acquisition of Agri-Biotech Applications Brief 46-2013 114 UNIVERSIDAD VERACRUZANA promover los impactos positivos, gestionar los riesgos y minimizar o evitar los impactos negativos. Es importante destacar que la biotecnología tiene el potencial de contribuir significativamente a la mitigación de la pobreza y el sufrimiento asociado. Sin embargo, este potencial está obstaculizado por distorsiones en los mercados mundiales que perjudican a los intereses de la política y la economía pobre y corto plazo que no reconocen las implicaciones de la interdependencia o actuar de manera adecuada sobre los imperativos del desarrollo sostenible. A menos eficaz, en lugar de los beneficios que llegan a aquellos que tienen la necesidad más urgente de ellos, la revolución de la biotecnología puede en lugar de exacerbar las desigualdades existentes. Esto representaría un incumplimiento grave de la gobernanza internacional. Existe, por tanto, también una necesidad urgente de crear capacidad para permitir una distribución más equitativa de los beneficios. 115 UNIVERSIDAD VERACRUZANA 6 Recomendaciones Los beneficios de la aplicación de la biotecnología a las necesidades de la producción agrícola para la alimentación esta fuera de discusión. Lo que se requiere es que el gobierno mexicano invierta más recursos en el desarrollo de proyectos específicos que evalúen los impactos de la importación de alimentos, y desarrollen tecnología utilizable por los productores mexicanos. Es necesario que se evalúe la experiencia del Instituto de Biotecnología a la luz de las necesidades del país ya que se requiere replicar esa experiencia en otras universidades como la Universidad Veracruzana. Se requiere fortalecer la capacidad técnica de las dependencias del gobierno responsables de la regulación a fin de que su labor sea eficaz lo mismo para detectar beneficios que posibles riesgos. Dado el carácter multidisciplinario de la biotecnología se requiere que varias facultades de la Universidad Veracruzana lleven a cabo ciclos de conferencias en las que se den a conocer los avances y perspectivas de la biotecnología en México y en el mundo a fin de fomentar el estudio y la investigación en las preferencias de los universitarios. Hacen falta promover y suscribir acuerdos de cooperación con centros educativos y de investigación del país y de otros países desarrollados a fin de apoyar la formación de recursos humanos y la realización de proyectos específicos derivados de esfuerzos de vinculación con la sociedad o con organizaciones de productores. 116 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Bibliografía: Ajay Singh. (2011). Biofertilizer Technology and Pulse Production. Springer Berlin Heidelberg Alma Velia Ayala Garay. (2012). Hortalizas en México: competitividad frente a EE.UU. y oportunidades de desarrollo. Journal Globalization, competitiveness & Governability. Asis Datta. (2013). Genetic engineering for improving quality and productivity of crops. New Delhi India: Agriculture & Food Security. Arnold Finck. (1988). Fertilizantes y fertilización: fundamentos y métodos para la fertilización de los cultivos. Reverte. Arun K.S. (2007). Bio-fertilizers for sustainable agriculture. Mechanism of Psolubilization. 6° ed., Agribios publishers. Jodhpur, India Britt Bailey and Marc Lappé. (2002). Engineering the Farm: The Social and Ethical Aspects of Agricultural Biotechnology. Island Press. Convention on Biological Diversity. (2014). Article 2: http://www.cbd.int/convention/articles/default.shtml?a=cbd-02 Use of Terms Cornell University, College of Agriculture and Life Sciences. (2014). Agricultural Biotechnology: Informing the Dialogue. Recuperado de http://blogs.cornell.edu/gmodialogue/ Cornell University. (2014). Genetically Engineered Organisms. Recuperado de http://www.geo-pie.cornell.edu/ European Commission. (2007). International Conference Perspectives For Food 2030. Brussels. FAO. (2000). Fertilizers And Their Use (4nd. ed.). Roma: IFA. FAO 2002 Crop Biotechnology: A working paper for administrators and policy makers in sub-Saharan Africa. Kitch, L., Koch, M., and Sithole-Nang, I. Félix Legrand. (2008). Los Abonos. España Valladolid: MAXTOR 117 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Flores González Fernando. (2006). Técnicas analíticas para la caracterización de la roca fosfórica utilizada como materia prima en la fabricación de fertilizantes y la aplicación de estos en el campo. Tesis de licenciatura no publicada, UNAM, México DF. Garcia Martinez Enrique. (2008). La biotecnología en la estrategia geopolítica de México y los Estados Unidos. Tesis de maestría no publicada, UNAM, México DF. History of Plant Breeding TransgenicCrops/history.html http://www.colostate.edu/programs/lifesciences/ International Service For The Acquisition of Agri-Biotech Applications Brief 462013: http://www.isaaa.org/resources/publications/briefs/46/ International Plant Nutrition Institute. (2012). Management of Plant Nutrition. (4ª. Ed.). IPNI. Manual for Improving the International Plant Nutrition Institute. (2012). Potassium Fertilizer Production and Technology. IPNI. Instituto Internacional de Investigación del Arroz (IRRI): http://irri.org/ Ives, C. L., Johanson, A., Lewis. J. (2001). Agricultural Biotechnology: A Review of Contemporary Issues. USAID. J. Keith Syers and John R. Freney. (2004). Agriculture and the Nitrogen Cycle. A project of Scope. The Scientific Committee on Problems of the Environment, of the International Council for Science. J. Kevin Vessey. (2003). Review of Plant Growth promoting rhizobacteria as biofertilizers. Netherlands: Kluwer Academic Publishers. J. A. Silva and R. Uchida. (2000). Plant Nutrient Management in Hawaii’s Soil. Hawaii Manoa: College of Tropical Agriculture and Human Resources. Jayakumaran Nair. (2010). Principles of Biotechnology and Genetic Engineering (2nd. ed.). New Delhi: Laxmi Publications Pvt. Ltd. Kannaiyan. (1990). Blue green algae biofertilizers. The biotechnology of biofertilizers for rice crops. Tamil Nadu Agric. University publications, Coimbatore, India. 118 UNIVERSIDAD VERACRUZANA Lemaux, Peggy G. 2008. Genetically Engineered Plants and Foods: A Scientist’s Analysis of the Issues (Part 11). Annual Review of Plant Biology. Vol. 60:http://arjournals.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.arplant.043008.09 2013 Marcel Mazoyer and Laurence Roudart. (2006). A history of world agriculture: from the Neolithic age to the current crisis. Earthscan. London Uk. NPCS, (2014). The complete Technology Book on Biofertilizer and Organic Farming. NIIR Project Consultancy Services. New Delhi India. Rashmi Tyagi. (2009). A Texbook of Biotechnology. Laxmi Publications Pvt. Ltd. Raghu K, Macrae. (2000). Review of the Ocurrence of phosphate-dissolving microorganisms in the rizosphere of rice Plants and in submerged soils. Robert Bud. (1994). The uses of life: a history of biotechnology. Cambridge University Press. Ney York, USA. Sawers, J.H. Caroline, G. and Paszkowski, U. (2007). A study about cereal mycorrhiza, an ancient symbiosis in modern Agricuture. Department of Plant Molecular Biology, University of Lausanne, Biophore Building, Lausanne, Switzerland. Subba Roa, N.S. (2001). An appraisal of biofertilizers in India. The biotechnology of biofertilizers, S.Kannaiyan, Narosa Pub. House, New Delhi The European Nitrogen Assesmen J.W. Erisman. (2011). Cambridge University Press. T. Scheper and A. Fiechter. (2000). History of Modern Biotechnology I. Springer. Berlin, Germany. Wani, S.P. and Lee, K.K. (1995). Microorganisms as biological inputs for sustainable agriculture in Organic Agriculture (Thampan, P.K.ed.) Peekay Tree Crops Development Foundation, Cochin, India. 119
