Colombia importa grandes volúmenes de fertilizantes sintéticos, de los cuales se aplican en los cultivos cerca de 392,5 kg por hectárea, una práctica costosa que además deja fuertes huellas ambientales. En contraste, el estiércol de cerdo —uno de los residuos agroindustriales más abundantes y ricos en carbono— suele desecharse sin aprovechamiento, pese a su potencial como insumo. Cuando este se descompone de forma controlada libera moléculas que actúan como fuente de energía para bacterias que pueden fijar nitrógeno de manera natural y favorecer el crecimiento de los cultivos como el tomate.
Es urgente hacer un cambio, ya que hasta el 50 % del
nitrógeno aplicado se pierde en el suelo, y las emisiones de óxido nitroso —un
gas 300 veces más potente que el CO₂— siguen en aumento. A esto se suma que
desde 2020 los precios de los fertilizantes han aumentado más del 300 %
debido a la crisis de insumos provocada por la pandemia de Covid-19, un impacto
fuerte para los productores.
En este contexto, convertir los ácidos derivados del
estiércol porcino en alimento para bacterias fijadoras de nitrógeno abre una
ruta sostenible para producir una alternativa biológica, reducir costos y
disminuir la contaminación asociada tanto con el uso de químicos como con los
55 billones de toneladas de residuos animales que se generan cada año.
Frente a este crítico panorama es necesario buscar
soluciones en los procesos y organismos naturales, y en esa línea la
investigación realizada por Nicolás Rodríguez Romero, magíster en Ciencias
Agrarias de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Palmira, en
conjunto con la Universidad del Valle, extrajo ácidos grasos volátiles del
estiércol de cerdo y los convirtió en el alimento de comunidades microbianas
capaces de fijar nitrógeno en las raíces del tomate.
Selección natural en pro de la abundancia
La fijación de nitrógeno es el segundo proceso biológico más
importante para sostener la vida en el planeta, por lo que el punto de partida
fue aislar microorganismos capaces de realizarla de manera eficiente. Estas
bacterias funcionan mejor cuando actúan en comunidad, pues juntas potencian su
capacidad para producir biofertilizantes.
En lugar del camino tradicional de trabajar con cepas
aisladas, el investigador implementó un método de ingeniería de microbiomas,
partiendo de una muestra de suelo rica en biodiversidad microbiana. A partir de
allí se creó un sistema en donde solo podían prosperar los organismos capaces
de fijar nitrógeno.
Durante 6 semanas los microorganismos se expusieron en
biorreactores a condiciones altamente selectivas. El medio de cultivo incluía
los ácidos grasos volátiles como única fuente de carbono y el aire como la
única fuente de nitrógeno, una configuración que generó una presión evolutiva
intensa, ya que allí solo sobrevivieron y se multiplicaron las bacterias
capaces de consumir los ácidos grasos y fijar nitrógeno atmosférico al mismo
tiempo.
El monitoreo reveló una especie de selección natural en
miniatura. Semana tras semana, el magíster registró la disminución de los
ácidos grasos y el aumento de nitrógeno disponible. “La desaparición de los
ácidos grasos nos indicaba que estaban siendo consumidos, mientras que el
aumento de nitrógeno en el medio nos confirmaba que la fijación biológica
estaba ocurriendo de manera efectiva”, señala.
Las comunidades obtenidas lograron usar los ácidos grasos
volátiles como alimento y aumentaron en 76 % su capacidad de fijación de
nitrógeno, lo que se reflejó en un mejor crecimiento del tomate tanto en
hidroponía como en suelo, frente a las plantas que no recibieron el tratamiento
microbiano.
Además del seguimiento a los ácidos grasos y al nitrógeno
total, se evaluó el desempeño de las comunidades en diferentes diluciones, se
comparó su respuesta frente a mezclas de ácidos grasos volátiles (AGVs) tanto
sintéticos como provenientes del estiércol, y se midió el nitrógeno acumulado
en el sobrenadante, que alcanzó valores de hasta 9,8 mg·mL⁻¹.
Las pruebas en invernadero confirmaron que la inoculación
modificó la composición microbiana de la rizosfera y mejoró la producción,
equiparando resultados obtenidos con fertilización química convencional.
El análisis de estas comunidades reveló 3 géneros
bacterianos dominantes: Taibaiella, Aureimonas y Sinirhodobacter,
poco comunes en biofertilizantes comerciales y con un potencial biotecnológico
aún por explorar. Para identificarlos, se extrajo ADN de los cultivos, se
secuenció y se realizó un análisis bioinformático a partir del efluente de los
reactores, procedimiento aplicado específicamente a los tratamientos con
mezclas de AGVs de cerdo y AGVs sintéticos.
Este análisis permitió detectar taxones poco conocidos
asociados con la fijación de nitrógeno y sugirió interacciones sinérgicas en la
comunidad, un comportamiento compatible con el aumento de pH (acidez) y la
mayor disponibilidad de nitrógeno observada durante el proceso.
Otro hallazgo fundamental fue el comportamiento “social” de
estas comunidades al interactuar con la planta. “El tomate no aceptaba a toda
la comunidad, sino que, través de señales químicas, seleccionaba activamente a
los microorganismos más compatibles con su fisiología, estableciendo una
simbiosis personalizada”, explica el investigador. Este proceso sugiere que
cada cultivo podría elegir sus propios socios microbianos ideales, abriendo la
puerta a biofertilizantes ajustados a las necesidades de cada planta.
De desechos orgánicos a alimento microbiano
Una vez la comunidad estaba establecida, había que buscar su
alimento. Por eso, el punto de partida para obtener esos ácidos fue la
digestión anaerobia realizada con el estiércol, un proceso que, en condiciones
sin oxígeno, descompone la materia orgánica. De esto se obtiene biogás, pero
también ácidos grasos ricos en moléculas conocidas como el acético, propiónico
y butírico, “compuestos ricos energéticamente para el metabolismo microbiano”,
explica el investigador Rodríguez.
El líquido resultante, rico en estos compuestos, pero aún
con una composición compleja y presencia de sólidos, se sometió a un proceso de
filtración y centrifugación para eliminar impurezas y partículas mayores. El
resultado fue un licor que contenía la mezcla de ácidos, y para hacerlo aún más
puro, el investigador implementó una fase de destilación, un método de
separación que aprovecha los diferentes puntos de ebullición para generar una
evaporación controlada de los componentes volátiles.
El producto final fue un sustrato líquido rico en carbono
que constituyó la base del medio de cultivo para las comunidades microbianas.
Esta transformación no solo resuelve un problema ambiental al darle un uso de
alto valor a un desecho, sino que además reduce drásticamente los costos
potenciales de producción del biofertilizante, ya que el sustrato principal
proviene de una fuente gratuita y abundante.
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