Reducir, reutilizar, reciclar: el camino hacia la agricultura sostenible

El papel crucial de la agricultura sostenible en la producción global de alimentos

Según las predicciones disponibles, la demanda total de alimentos en nuestro planeta aumentará entre un 35 y un 56 % de 2010 a 2050, lo que se verá agravado por un crecimiento constante de la población mundial. En los últimos años, los costes crecientes de la producción y la distribución de los alimentos se han visto afectados por la pandemia de COVID-19, la guerra entre Rusia y Ucrania, el cambio climático y diversos conflictos regionales. El Fondo Monetario Internacional ha subrayado la importancia de acometer cambios políticos para reducir la inseguridad alimentaria y mejorar el acceso a los fertilizantes, especialmente en los países más pobres.

Los fertilizantes sintéticos y orgánicos siguen siendo esenciales para las prácticas agrícolas. Los fertilizantes sintéticos usan fósforo extraído de rocas de fosfato, potasio extraído de menas de potasa y nitrógeno fijado de la atmósfera, pero los procesos empleados para extraer estos recursos consumen una gran cantidad de energía y, a largo plazo, tienen un efecto nocivo en el medioambiente a causa de las actividades de minería y el uso de fuentes de energía de combustibles fósiles en su producción. Entre los fertilizantes orgánicos se incluyen el estiércol de diversos animales, la harina de alfalfa, la harina de sangre, la harina de pescado y las cenizas de madera, así como los residuos del agua o las aguas negras. El estiércol y otros residuos que componen los fertilizantes orgánicos son voluminosos y caros de transportar para el uso en el campo o la eliminación, pero los nutrientes derivados de estos tipos de residuos pueden eliminar la necesidad de transportarlos a un coste elevado si se pueden procesar in situ o cerca del lugar en el que se producen.

Un sistema de agricultura sostenible requiere un uso eficiente del agua, la energía y los nutrientes, la reducción del impacto medioambiental, el mantenimiento de la fortaleza económica y la minimización de la dependencia de recursos finitos que se están agotando con el fin de que las generaciones actuales y futuras puedan prosperar. Puede ver un ejemplo del proceso empleado para recuperar, reutilizar y reciclar los nutrientes de las aguas residuales para el uso en fertilizantes en la figura 1.

Los macronutrientes de los fertilizantes son uno de esos recursos limitados que se están agotando. Es posible, por ejemplo, que las reservas de fosfato se agoten en los próximos 50 o 100 años. Además, los residuos agrícolas también pueden ser perjudiciales para el medioambiente y causar problemas como la contaminación de las cosechas con productos farmacéuticos, patógenos y residuos metálicos, o la eutrofización de las aguas superficiales. Sin embargo, estos residuos presentan un potencial considerable por su elevado volumen de nutrientes.

El camino hacia la agricultura sostenible: oportunidades para aprovechar la innovación

El término "bioeconomía circular" hace referencia a los procesos utilizados para transformar y gestionar el uso del suelo y los sistemas alimentarios, sanitarios e industriales mediante la gestión de los recursos biológicos con el fin de lograr un bienestar sostenible en armonía con la naturaleza. La aplicación de la innovación en la agricultura sostenible puede permitir explotar los nutrientes de los productos residuales para incrementar la producción de alimentos y minimizar el impacto medioambiental. Los métodos biológicos, químicos y físicos de recuperación de nutrientes más extendidos se resumen en la tabla 1. Entre los métodos potencialmente sostenibles que han generado interés en los últimos años se incluyen los siguientes:

• Nanofertilizantes inteligentes: se espera que los nanofertilizantes de nitrógeno aumenten la eficiencia del uso del nitrógeno mejorando la eficacia del suministro de nitrógeno a las plantas y reduciendo el nitrógeno liberado a la atmósfera. Esto se puede conseguir con varios métodos, como reducir el volumen del fertilizante a nanopartículas, suplementar el fertilizante con nanomateriales o formar estructuras de nanocompuestos mediante la encapsulación o el almacenamiento en nanoporos para controlar la liberación de los nutrientes.

• Biorrefinerías: a diferencia de las biorrefinerías de primera generación, que utilizaban los cultivos como materia prima, las de segunda generación usan corrientes residuales. La biomasa se transforma en combustibles líquidos y en compuestos químicos por la acción de enzimas y microorganismos que usan diversas plataformas de conversión.

• Biocarbón (carbón vegetal): aunque el uso del biocarbón es un concepto relativamente nuevo en el ámbito del secuestro del carbono, la historia de esta sustancia similar al carbón se remonta a dos mil años atrás en la cuenca del Amazonas, donde se creía que añadir biomasa calcinada a la tierra mejoraba su calidad y su fertilidad. La pirólisis anaerobia de materia orgánica como las plantas muertas o la hojarasca es un método limpio y eficiente desde el punto de vista energético para producir una forma estable de carbono.

• Amoníaco verde: proceso de fabricación de amoníaco 100 % renovable y sin carbono con energía renovable, nitrógeno y agua. En los últimos años, algunas empresas importantes, como Air Products, Siemens, OCP, thyssenkrupp y el Grupo Fertiberia, han comercializado proyectos de síntesis de amoníaco verde que usan la electrolisis del agua para suministrar H2.

• Estruvita: la estruvita, también conocida como guanita o fosfato de amonio y magnesio (MAP), es un cristal en el que se combinan Mg²⁺, (NH₄)⁺ y PO₄³- con una relación molar o unas proporciones estequiométricas de 1:1:1. Se puede usar sola o en formulaciones complejas de fertilizantes con otros productos derivados de residuos, inoculantes microbianos o fertilizantes inorgánicos convencionales. Su composición rica en nutrientes y sus propiedades de liberación lenta la convierten en una candidata atractiva para la producción de fertilizantes comerciales.

Tabla 1. Resumen de los procesos de recuperación de nutrientes de residuos que se usan con más frecuencia

Tendencias de la agricultura sostenible en la investigación sobre fertilizantes y recuperación de nutrientes

CAS Content Collection™ es un recurso seleccionado por expertos que se ha usado para evaluar los métodos de recuperación de nutrientes y los conceptos que impulsan la innovación y contribuyen al mantenimiento de nuestra bioeconomía circular. Una búsqueda general de fertilizantes recuperó 121 213 patentes y 125 228 artículos de revistas en el periodo 2001-2021 (figura 2). La búsqueda reveló que los temas relacionados con las revistas se centraban en los efectos de los fertilizantes en el crecimiento de las plantas de los cultivos, las respuestas biológicas y la fertilidad del suelo. Algunas de las publicaciones analizaban los procesos de recuperación de nutrientes para fertilizantes y los nutrientes como contaminantes que causan la eutrofización de las aguas receptoras o los residuos agrícolas y los suelos que contienen contaminantes. Los temas relacionados con patentes se centraban en las sustancias orgánicas y los procesos asociados con la recuperación de nutrientes de fertilizantes, las formulaciones de fertilizantes y temas relacionados con residuos biológicos como el estiércol, las cenizas y la fermentación.

Se realizó una búsqueda para identificar las tendencias de la agricultura sostenible relacionadas con la explotación del nitrógeno, el fósforo y el potasio como fuentes de nutrientes, así como con los procesos de recuperación asociados.

Se vio que tanto en las revistas como en las patentes predominaban clases de sustancias como "moléculas pequeñas orgánicas/inorgánicas", "elementos" y "sales/compuestos", y el término "mezclas" también resultó tener una presencia importante en las patentes.

Los procesos biológicos fueron los más destacados para la recuperación de nutrientes, con un 66 % de las publicaciones de revistas y patentes, seguidos por los métodos físicos (22 %) y los métodos químicos (12 %).

Los principales temas de interés fueron los relacionados con la recuperación de nutrientes de los fangos del tratamiento de aguas residuales, el biocarbón y las cenizas. Se detectaron tendencias destacables sobre la producción de biocarbón, la precipitación de estruvita y la síntesis de amoníaco verde.

Se encontró una tendencia creciente clara en los temas asociados con el carbón y el biocarbón en las patentes y las revistas, y los artículos de revistas reflejaron un crecimiento continuo a pesar de una pequeña disminución en 2019. Las publicaciones de patentes relacionadas con la agricultura sostenible han aumentado, especialmente desde 2013, aunque las cifras interanuales presentan algunas variaciones (figura 3). Un análisis conceptual reveló relaciones de “fangos de tratamiento de aguas residuales” y “estiércol” con “digestión biológica anaerobia”.

Las publicaciones sobre la estruvita aumentaron sustancialmente durante el periodo estudiado. La estruvita en la forma de [(NH₄)Mg(PO₄).6H₂O] fue la dominante; se ha publicado muy poco sobre la estruvita de potasio [MgK(PO₄).6H₂O] (figura 4), aunque algunas investigaciones indican que se puede recuperar y podría servir como fertilizante de fosfato de magnesio. Entre los principales conceptos relacionados con la producción de estruvita se incluían "precipitación química", "cristalización", "sedimentación en el tratamiento de aguas residuales" y "tratamiento de aguas residuales por adsorción".

Los resultados mostraron que el amoníaco verde se trataba principalmente en artículos de revistas y los documentos de patentes representaron el 20 % del volumen total de publicaciones en 2020. De 2017 a 2021 hubo un crecimiento importante de las sustancias que intervienen en la síntesis catalítica del amoníaco verde; los números pasaron de menos de 100 sustancias diferentes en 2017 a casi 500 sustancias distintas en 2021. Las sustancias de interés resultaron ser las que integraban los nuevos catalizadores empleados en la síntesis de amoníaco verde; por ejemplo, los materiales inorgánicos, las moléculas pequeñas orgánicas e inorgánicas, los elementos y los compuestos de coordinación (figura 5). Además, la proporción de artículos de revistas relativos a la reducción fotocatalítica o electrocatalítica del nitrógeno pasó de un 1 % en 2001 a un 25 % en 2021, lo que pone de relieve el rápido avance de este método.

¿Está más cerca la agricultura resiliente ante el cambio climático?

El rápido crecimiento de la población mundial va acompañado de presiones cada vez mayores sobre el sector agroalimentario. Tanto la producción de fertilizantes como la acumulación de residuos agrícolas están contribuyendo a un deterioro medioambiental irreversible. La sostenibilidad y el concepto de bioeconomía circular se han convertido en principios básicos de una práctica agrícola responsable. Los principios de la agricultura sostenible han inspirado la investigación sobre el desarrollo de sistemas integrados para el tratamiento de residuos, la recuperación de nutrientes y la eficiencia energética.

Los procesos alternativos “más verdes” para la producción de fertilizantes, como la síntesis del amoníaco verde y la recuperación de nutrientes de fertilizantes de los residuos y las formulaciones microbianas, tienen el potencial de cambiar nuestra forma de producir alimentos y pueden convertir los residuos en subproductos valiosos.

Se están comercializando procesos de recuperación de nutrientes que contribuirán a mejorar las eficiencias, reducir los costes y minimizar el impacto medioambiental. Entre las tecnologías de agricultura sostenible más destacables se incluyen las siguientes:

• Las tecnologías Pearl® y WASSTRIP® (Waste Activated Sludge Stripping to Remove Internal Phosphorus, Liberación para la eliminación del fósforo interno en fangos activados) (Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., Canadá) son procesos esenciales para la extracción de fósforo que se usan para producir Crystal Green®, un fertilizante de liberación lenta recuperado de forma sostenible que contiene fósforo, nitrógeno y magnesio. La liberación mediante la tecnología Root-Activated™ optimiza la captura y protege los recursos acuáticos locales, además de aumentar el rendimiento.

• AirPrex® (CNP CYCLES GmbH, Alemania) es un proceso patentado de optimización de fangos que mejora la eliminación biológica del fosfato. En el reactor AirPrex®, el fango digerido se trata para provocar la precipitación de la estruvita, que se puede usar como fertilizante.

• El sistema AshDec® Thermochemical P-Recovery (Metso Outotec, Finlandia) mejora la disponibilidad de la planta y reduce el contenido de metales pesados mediante la recuperación del fósforo de las cenizas de los fangos de tratamiento de aguas residuales. El producto de fósforo es soluble en citrato y, por tanto, respetuoso con el medioambiente. Además, la liberación del fósforo se da de manera controlada, solo se produce en presencia de los exudados radiculares de los cultivos.

• El proyecto RecoPhos (The RecoPhos Consortium) es un proyecto multidisciplinar en el que participan el mundo académico, la industria y la empresa. El objetivo es recuperar fósforo (como fósforo blanco o ácido fosfórico) de aguas residuales, fango y cenizas usando un innovador reactor. Este trabajo proporcionará las bases para implementar un prototipo de reactor a escala totalmente operativo y diseñar una planta piloto a escala. El impacto económico, medioambiental y social del proceso RecoPhos también se evaluará.

• El proceso Aqua2™N P (Easymining Services, Suecia) recupera el nitrógeno del licor de aguas residuales. El nitrógeno se adsorbe y se captura como cristales, que se recuperan a su vez en una forma que se puede utilizar directamente en la producción de fertilizantes. El agente de absorción se puede reutilizar.

Este tipo de iniciativas demuestran que la colaboración entre la ciencia, la tecnología y la industria es el camino a seguir no solo para resolver los desafíos de la producción de alimentos, sino también para mejorar la recuperación de residuos. La agricultura sostenible ofrece una forma segura de garantizar la supervivencia futura de nuestra sociedad.

Puede obtener más información sobre las tendencias de la agricultura sostenible relacionadas con los procesos de recuperación de nutrientes en nuestro informe de CAS Insights.