Entre los nutrientes esenciales para el desarrollo de las plantas, el nitrógenio (N) é es el que se demanda en mayor cantidad. Asociado con compuestos de carbono, este nutriente juega un papel clave en las estructuras y el metabolismo vegetales. En la mayoría de las especies de plantas, alrededor del 90% del N está presente en forma de proteínas (Taiz; Zeiger, 2006). Sin embargo, a pesar de constituir la mayor parte de la atmósfera (78%) y encontrarse en grandes cantidades inmovilizadas en rocas, las plantas solo lo absorben en forma de nitrato (NO3-) o de amonio (NH4+). Por esto, el N es el nutriente que más frecuentemente limita la producción agrícola.
Plantas de la familia de las fabáceas (leguminosas) logran aprovechar el N atmosférico (N2) a través de la asociación simbiótica que establecen con ciertas bacterias, entre las cuales se encuentran especies del género Bradyrhizobium. Ubicados en nódulos radiculares, estos microorganismos tienen la capacidad de transformar el N2 en amonio, el cual ponen a disposición de las plantas a cambio de ciertos nutrientes y carbohidratos (Taiz; Zeiger, 2006). Durante muchos años esta simbiosis natural ha sido ampliamente explotada en la agricultura mundial. Pero, a pesar de la creciente acumulación de evidencias científicas de ocorrencia de fijación simbiótica de N2 en especies de otras familias, principalmente a de las gramíneas (poaceas), entre estas, la explotación comercial amplia de esta simbiosis aún está por suceder.
Así, la producción agrícola de muchas especies depende de la transformación artificial de N2 para las formas asimilables por las plantas. La demanda mundial de estas formas ha sido suplida por el proceso químico-industrial 'Harber-Bosch', desarrollado en la década de 1830. Por él, en grandes equipos industriales hidrógeno (H2) obtido de combustibles fósiles (gas natural, petróleo, carbón) se combina con N2 (atmosférico) bajo altas temperaturas (400 – 600 ℃) y presiones (100 – 200 atms), dando como resultado amonio (NH4+) en forma de un gas incoloro, soluble en agua, a partir del cual se producen otros fertilizantes como sulfato, nitrato, fosfato y urea (Chagas, 2007).
Sin embargo, el costo energético de este proceso es tan alto que se estima que su uso ha sido responsable del consumo del 1 – 2% de todo el suministro mundial de energía. Y, además, su uso contribuye a la acumulación de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera y, en consecuencia, al flagelo del calentamiento climatico global. Se han buscado alternativas para mejorar la eficiencia y eficacia del proceso 'Harber-Bosch' y, de hecho, algunas ya se han implementado o están en proceso de implementación (Qing et al., 2020; Snyder et al., 2023).
Entre los más interesantes, uno ha sido trabajado durante varios años por investigadores científicos japoneses liderados por el profesor Y. Nishibayashi, de la Universidad de Tokio, con resultados sorprendentes. Estes investigadores se propuseran desentrañar los mecanismos de fijación biológica de N2. Mediante trabajos de ingeniería inversa, decifraron el mecanismo de trabajo de la nitrogenasa, una enzima utilizada por los microorganismos en el proceso de fijación. A partir de ahí, buscaron encontrar catalizadores químicos capaces de reproducir la forma en que funciona esta enzima clave.
Descubrieron que reacciones químicas involucrando agua o alcohol catalizadas por una cierta combinación de dos minerales (molibdeno y samario) dieron como resultado la producción de amonio bajo condiciones ambientales inalteradas de temperatura y presión, a tasas similares a las producidas naturalmente por los microorganismos. Este conocimiento les permitió construir un aparato capaz de producir amonio, lo suficientemente pequeño como para colocarlo sobre un banco de laboratorio (Ashida et al., 2019).
En otras palabras: este grupo desarrolló un proceso simple y no contaminante para la producción de amonio, a partir de sustratos abundantes y baratos (agua o alcohol), utilizando reactivos reciclables (los dos minerales) y un mínimo de energía, en condiciones ambientales de temperatura y presión.
Este proceso aún no se utiliza a escala industrial, pero el enorme impacto potencial de esta tecnología es fácil de imaginar. Una de las principales limitaciones a la producción agrícola puede reducirse si este proceso se adopta a gran escala. La producción, disponibilidad y distribución mundial de fertilizantes nitrogenados puede expandirse y consecuencias sobre precios de fertilizantes y costos de la producción agrícola mundial tal vez se vuelvan inevitables.
La llegada de esta tecnología también plantea cuestiones interessantes. Por ejemplo: Si la disponibilidad y el costo de los fertilizantes nitrogenados dejan de limitar la producción agrícola, ¿cuál sería el otro (próximo) nutriente limitante para cultivos agricolas? ¿Y cuáles serían los impactos ambientales probables de expandir el uso de este tipo de fertilizante?
Sin duda, nuevos tiempos, nuevas posibilidades.
Literatura citada:
ASHIDA, Y.; ARASHIBA, K.; NAKAJIMA, K.; NISHIBAYASHI, Y. Molybdenum-catalysed ammonia production with samarium diiodide and alcohols or water. Nature, v.568, p.536-540, 2019. DOI: 10.1038/s41586-019-1134-2
CHAGAS, A.P. A síntese da amônia: alguns aspectos históricos. Química Nova, v.30, n.1, p.240-247, 2007. DOI: 10.1590/S0100-40422007000100039
QING, G.; GHAZFAR, R.; JACKOWSKI, S.T.; HABIBZADEH, F.; ASHTIANI, M.M., CHEN, C.P.; SMITH III, M.; HAMANN, T. W. Recent advances and challenges of electocatalytic N2 reduction to ammonia. Chemical Review, v.120, n.12, p.5437-5516, 2020.
DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00659
SNYDER, B.E.R.; TURKIEWICZ, A.B.; FURUKAWA, H.; PALEY, M.V.; VELASQUEZ, E.O.; DODS, M.N.; LONG, J.R. A ligand insertion mechanism for cooperative NH3 capture in metal- organic frameworks. Nature, v.613, p.287-291, 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05409-2
TAIZ, L.; ZEIGER, E. Assimilation of mineral nutrientes. In: Plant physiology. 4th ed., Sinauer Assoc. In., Sunderland, USA. Chapter 12, p.289-313, 2006.
Este texto puede citarse de la siguiente manera:
SOUZA, F.H.D. Fertilizantes nitrogenados: novos tempos, novas possibilidades. Disponível em: https://progreseed.com.br/fertilizantes-nitrogenados-novos-tempos-novas- possibilidades/. Visitado dia/mês/ano.
