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

El papel clave de la agricultura sostenible en la producción mundial de alimentos

Se prevé que la demanda mundial total de alimentos aumente entre un 35% y un 56% entre los años 2010 y 2050, agravada por un aumento constante de la población mundial. En los últimos años, el aumento de los costes de producción y distribución de alimentos se ha visto afectado por la pandemia de COVID-19, la guerra entre Rusia y Ucrania, el cambio climático y los conflictos regionales. El Fondo Monetario Internacional ha subrayado que los cambios políticos son vitales 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 cruciales para mantener las prácticas agrícolas. Los fertilizantes sintéticos utilizan fósforo extraído de rocas fosfáticas, potasio extraído de minerales de potasa y nitrógeno fijado de la atmósfera; sin embargo, los procesos de extracción de estos recursos consumen mucha energía y, por tanto, ejercen un impacto perjudicial a largo plazo sobre el medio ambiente debido a las actividades mineras y al uso de fuentes de energía de combustibles fósiles en su producción. Los fertilizantes orgánicos incluyen estiércol de diversos animales, harina de alfalfa, harina de sangre, harina de pescado y ceniza de madera, así como residuos de agua o alcantarillado. El estiércol y otros residuos que forman los fertilizantes orgánicos son voluminosos y costosos de transportar para su aplicación en el campo o su eliminación, pero los nutrientes derivados de estos tipos de residuos pueden eliminar la necesidad de un transporte costoso si pueden procesarse in situ o cerca de donde se producen.

se muestra un ejemplo de cómo se recuperan, reutilizan y reciclan los nutrientes de las aguas residuales para su uso en fertilizantes.Figura 1

Los macronutrientes de los fertilizantes son uno de esos recursos finitos y agotables. Por ejemplo, las reservas de fosfato podrían agotarse en los próximos 50 a 100 años. Además, los residuos agrícolas también pueden ser perjudiciales para el medio ambiente, lo que provoca problemas como la contaminación de los cultivos con residuos farmacéuticos, patógenos o metálicos, y la eutrofización de las aguas superficiales. Sin embargo, estos residuos presentan un potencial significativo debido a su alto volumen de nutrientes.

En el camino hacia la agricultura sostenible: oportunidades para aprovechar la innovación

El término bioeconomía circular se refiere a las formas de transformar y gestionar nuestros sistemas terrestres, alimentarios, sanitarios e industriales mediante la gestión de los recursos biológicos para lograr un bienestar sostenible en armonía con la naturaleza. Al aprovechar la innovación en la agricultura sostenible, existe un potencial significativo para explotar el contenido de nutrientes de los productos de desecho con el fin de impulsar la producción de alimentos y minimizar el impacto medioambiental. Los métodos biológicos, químicos y físicos de recuperación de nutrientes más utilizados se resumen en la Tabla 1. Los métodos potencialmente sostenibles que han despertado interés en los últimos años incluyen:

• Nanofertilizantes inteligentes: Se espera que los nanofertilizantes nitrogenados aumenten la eficiencia en el uso del nitrógeno al mejorar la eficacia de la administración de nitrógeno a las plantas y reducir las pérdidas de nitrógeno al medio ambiente. Esto puede realizarse de varias maneras, mediante la reducción del volumen de fertilizante a nanopartículas, la suplementación del fertilizante con nanomateriales o la formación de estructuras nanocompuestas mediante encapsulación o almacenamiento en nanoporos para controlar la liberación de nutrientes.

• Biorrefinerías: En comparación con las biorrefinerías de primera generación que utilizaban cultivos como materia prima, las biorrefinerías de segunda generación utilizan flujos residuales y de desechos. La biomasa se convierte en combustibles líquidos y compuestos químicos mediante enzimas y microorganismos utilizando diversas plataformas de conversión.

• Biocarbón (carbón vegetal): Aunque el uso de biocarbón es un concepto relativamente novedoso en el secuestro de carbono, la historia de esta sustancia similar al carbón vegetal se remonta a 2000 años atrás, en la cuenca del Amazonas, donde se pensaba que añadir biomasa carbonizada al suelo mejoraba la calidad y la fertilidad del mismo. La pirólisis anaeróbica de materia orgánica, como plantas muertas o hojarasca, es un enfoque limpio y energéticamente eficiente para producir una forma estable de carbono.

• Amoníaco verde: Es el proceso de hacer que el amoníaco sea 100% renovable y libre de carbono, utilizando energía renovable, nitrógeno y agua. Los proyectos de síntesis de amoníaco verde que utilizan la electrólisis del agua para suministrar H2 han sido comercializados en los últimos años por grandes empresas, entre ellas Air Products, Siemens, OCP, thyssenkrupp y Grupo Fertiberia.

• Estruvita: La estruvita, también conocida como guanita o fosfato amónico magnésico (MAP), es un cristal en el que el Mg²⁺, el (NH₄)⁺ y el PO₄³- se combinan en la relación molar o proporciones estequiométricas de 1:1:1. Puede utilizarse 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 un candidato atractivo para la producción comercial de fertilizantes.

Tabla 1. Resumen de los procesos de recuperación de nutrientes a partir de residuos más utilizados

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

La CAS Content Collection™ es un recurso curado por expertos que se utilizó para evaluar los métodos de recuperación de nutrientes y los conceptos que impulsan la innovación y, por tanto, el mantenimiento de nuestra bioeconomía circular. Una búsqueda general sobre fertilizantes recuperó 121 213 patentes y 125 228 publicaciones de revistas durante el periodo 2001-2021 (Figura 2). Los temas relacionados con las revistas se centraron en los efectos de los fertilizantes en el crecimiento de los cultivos, las respuestas biológicas y la fertilidad del suelo, con algunos estudios dedicados a los procesos de recuperación de nutrientes para fertilizantes, a los nutrientes como contaminantes que causan la eutrofización de las aguas receptoras, o a los residuos agrícolas y suelos que contienen contaminantes. Los temas relacionados con las patentes se centraron en sustancias orgánicas y procesos asociados a la recuperación de nutrientes de fertilizantes, formulaciones de fertilizantes y temas de biorresiduos como estiércol, cenizas y fermentación.

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

Tanto en revistas como en patentes, predominaron las clases de sustancias como "moléculas pequeñas orgánicas/inorgánicas", "elementos" y "sales/compuestos", siendo las "mezclas" también frecuentes en las patentes.

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

Los temas clave de interés se centraron en la recuperación de nutrientes a partir de lodos de depuradora, biocarbón y cenizas. Hubo tendencias notables en la producción de biocarbón, la precipitación de estruvita y la síntesis de amoníaco verde.

Se observó una clara tendencia al alza en los temas de carbón vegetal/biocarbón tanto en patentes como en revistas, con un crecimiento continuo en las publicaciones de revistas a pesar de un ligero descenso en 2019. Las publicaciones de patentes sobre agricultura sostenible han crecido, especialmente desde 2013, aunque las cifras interanuales han sido algo variables (Figura 3). Un análisis conceptual reveló relaciones entre los "lodos de depuradora" y el "estiércol" con la "digestión biológica anaerobia".

Las publicaciones sobre estruvita _{aumentaron sustancialmente durante el periodo estudiado. La estruvita en forma de [(NH</w1><w2>4})Mg(PO₄).6H₂O] fue la predominante; se ha publicado muy poco sobre la estruvita de potasio [MgK(PO₄).6H₂O] (Figura 4), aunque algunas investigaciones indican que puede recuperarse con potencial para servir como fertilizante de fosfato de magnesio. Los conceptos clave relacionados con la producción de estruvita incluyeron "precipitación química", "cristalización", "decantación en el tratamiento de aguas residuales" y "tratamiento de aguas residuales por adsorción".

El amoníaco verde se trató principalmente en publicaciones de revistas, y los documentos de patentes alcanzaron el 20 % del volumen total de publicaciones en 2020. Se produjo un crecimiento espectacular de las sustancias con un papel en la síntesis catalítica de amoníaco verde entre 2017 y 2021; las cifras aumentaron de menos de 100 sustancias distintas en 2017 a casi 500 en 2021. Las sustancias de interés fueron aquellas que componen nuevos catalizadores utilizados en la síntesis de amoníaco verde, por ejemplo, materiales inorgánicos, moléculas pequeñas orgánicas/inorgánicas, elementos y compuestos de coordinación (Figura 5). Además, la proporción de publicaciones de revistas que presentan reducción de nitrógeno fotocatalítica o electrocatalítica creció del 1 % en 2001 al 25 % en 2021, lo que pone de relieve el rápido avance de este método.

¿Está cerca una agricultura resiliente al clima?

El auge de la población mundial conlleva una creciente presión sobre la industria agroalimentaria. Tanto la producción de fertilizantes como la acumulación de residuos agrícolas contribuyen a daños medioambientales irreversibles. La sostenibilidad y el concepto de bioeconomía circular se han convertido en un principio fundamental de las prácticas agrícolas responsables. Los principios de la agricultura sostenible han inspirado la investigación en el desarrollo de sistemas integrados para el tratamiento de residuos, la recuperación de nutrientes y la eficiencia energética.

Los procesos alternativos "más ecológicos" para la producción de fertilizantes, como la síntesis de amoníaco verde y la recuperación de nutrientes de fertilizantes a partir de residuos y formulaciones microbianas, tienen el potencial de cambiar la forma en que se producen nuestros alimentos y pueden convertir los residuos en subproductos valiosos.

Los procesos de recuperación de nutrientes se están comercializando para ayudar a optimizar la eficiencia, reducir los costes y minimizar el impacto medioambiental. Algunas tecnologías agrícolas sostenibles destacadas incluyen:

• Las tecnologías Pearl® y WASSTRIP® (Waste Activated Sludge Stripping to Remove Internal Phosphorus) (Ostara Nutrient Recovery Technologies Inc., Canadá) son procesos clave para la eliminación de fósforo utilizados para producir Crystal Green®, un fertilizante de liberación lenta recuperado de forma sostenible que contiene fósforo, nitrógeno y magnesio. La liberación Root-Activated™ optimiza la absorción y protege los recursos hídricos locales, al tiempo que aumenta el rendimiento.

• AirPrex® (CNP CYCLES GmbH, Alemania) es un proceso patentado de optimización de lodos que mejora la eliminación biológica de fosfato. En el reactor AirPrex®, los lodos digeridos se tratan para acabar provocando la precipitación de MAP, o estruvita, que puede utilizarse como fertilizante.

• El proyecto RecoPhos (El consorcio RecoPhos) es un proyecto multidisciplinar llevado a cabo por el mundo académico, la industria y la empresa. El objetivo es recuperar fósforo (como fósforo blanco o ácido fosfórico) a partir de aguas residuales, lodos y cenizas utilizando un reactor innovador. Este trabajo servirá de base para la implementación de un reactor a escala de laboratorio totalmente operativo y el diseño de una planta a escala piloto. También se evaluará el impacto económico, medioambiental y social del proceso RecoPhos.

• El proceso Aqua2™N (Easymining Services, Suecia) recupera nitrógeno del licor de lodos. El nitrógeno se adsorbe y se recolecta en forma de cristales, que posteriormente se recuperan en un formato fácilmente aplicable para la producción de fertilizantes. El agente de absorción puede reutilizarse sin complicaciones.

Iniciativas como estas demuestran que la colaboración intersectorial entre la ciencia, la tecnología y la industria es el camino a seguir, no solo para superar los desafíos de la producción alimentaria, sino también para optimizar la recuperación de residuos. La agricultura sostenible representa una vía segura para preparar a nuestra sociedad ante el futuro.

Obtenga más información sobre las tendencias de agricultura sostenible en los procesos de recuperación de nutrientes en nuestro Informe de Perspectivas.