Impacto de los biofertilizantes en la agricultura*

Impact of biofertilizers in agriculture

Oscar Arath Grageda-Cabrera^1§, Arturo Díaz-Franco¹, Juan José Peña-Cabriales² y José Antonio Vera-Nuñez²

¹ Campo Experimental Bajío. INIFAP. Carretera Celaya-San Miguel de Allende, km 6.5. Celaya, Guanajuato, México. C. P. 38110. Tel. 01 461 6115323. Ext. 233. (diaz.arturo@inifap.gob.mx). ^§Autor para correspondencia: grageda.oscar@inifap.gob.mx.

* Recibido: abril de 2011
Aceptado: septiembre de 2012

Resumen

Este trabajo es el producto de un ejercicio multidisciplinario y examina el significado de la microbiología en la agricultura, haciendo énfasis en el beneficio de los biofertilizantes. Una evaluación de los biofertilizantes puede tratar un gran número de tópicos, cuya relevancia depende del interés del lector o tema concreto; sin embargo, el contenido principal está centrado en los tipos, modos de acción, factores que afectan su eficiencia, producción e impacto en la agricultura. La tecnología relativamente simple de la biofertilización se practica desde hace siglos y en la mayoría de los casos se reportan respuestas positivas sobre el rendimiento; sin embargo, resulta preocupante que en México no ha sido transferida y gran parte de los productores la desconoce. Por lo tanto, se requiere una mayor vinculación entre la industria y los científicos con el fin de colaborar en mejorar los sistemas de producción y calidad de los biofertilizantes. Además, es indispensable contar con asesoría, orientación y capacitación sobre su uso a los productores agrícolas.

Palabras clave: bacterias, fertilizantes, hongos, inoculantes.

Abstract

Key words: bacteria, fertilizers, fungus, inoculants.

El presente de la agricultura

Del área total del planeta (510 072 000 km²), la parte acuática representa 71% y la terrestre 29%; de la parte terrestre, sólo 13% se puede utilizar para la producción agrícola. Aun así, el 98% de los alimentos proviene del área agrícola y un 2% de la acuática. En los últimos años, la tasa de crecimiento de la producción agrícola ha disminuido; existen tres fuentes principales de crecimiento en la producción de cultivos: aumento de la tierra cultivada, incremento de la frecuencia de las cosechas y aumento de los rendimientos. Hay indicios de que podríamos estar llegando al límite de las posibilidades para las tres fuentes (FAO, 2002).

Entre los años sesenta y noventa, la tierra de cultivo en el mundo sólo creció 11% mientras que la población mundial casi se duplicó. Como resultado, la tierra de cultivo per cápita disminuyó 40%, pasando de 0.43 ha a sólo 0.26 ha. No obstante, a lo largo de este mismo período, los niveles de nutrición mejoraron considerablemente y disminuyó el precio de los alimentos. La explicación es que el crecimiento de la productividad redujo la cantidad de tierra necesaria para producir la misma cantidad de alimentos en un 56%. Esta reducción, facilitada por el aumento del rendimiento e intensidad de cultivos, compensó sobradamente la disminución de superficie per cápita.

En las últimas décadas se ha tomado conciencia del agotamiento de los recursos naturales debido a la explotación desmesurada de los mismos. En el ámbito agrícola, el objetivo es lograr altos rendimientos por unidad de superficie para satisfacer la creciente demanda de alimentos, sin considerar la sostenibilidad de la producción (viabilidad técnica, rentabilidad económica y sin contaminación). Los éxitos de esta estrategia han sido importantes, pero es una agricultura muy ineficiente y altamente contaminante, la cual ha ocasionado la pérdida de la diversidad biológica, disminución de los recursos forestales, erosión del suelo, cambios climáticos, etc. Esta situación ha disminuido la superficie apropiada para la agricultura, causando graves problemas ecológicos, económicos y sociales. Por tal motivo, es necesario encontrar soluciones de producción adecuadas. Las nuevas tecnologías deben estar orientadas a mantener la sostenibilidad del sistema mediante la explotación racional de los recursos naturales y aplicación de medidas adecuadas para preservar el ambiente.

Uno de los requerimientos más importantes es el mantenimiento de la fertilidad del suelo. Tradicionalmente, la deficiencia de nutrimentos, especialmente la de N, es corregida a través de la adición de fertilizantes. Sin embargo, los altos costos limitan su uso, sobre todo en los países en desarrollo, donde la necesidad de incrementar la producción de alimentos es más urgente. Por otro lado, se estima que los cultivos absorben entre un 20 a 40% del fertilizante aplicado, el resto se pierde por diversos mecanismos, generando cuantiosas pérdidas económicas y contaminación ambiental, tal como la eutrofización de cuerpos de agua, lluvia ácida, destrucción de la capa de ozono estratosférica e incremento del efecto de invernadero (Duxbury, 1994).

Se ha valorado que la fijación biológica de nitrógeno (FBN) contribuye con más N al crecimiento de las plantas que la cantidad total de fertilizantes nitrogenados aplicados a los cultivos. Alrededor de 1.75 x 10⁸ Mg N a^-1 se fijan biológicamente, lo que equivale a un poco más de la producción mundial de fertilizantes nitrogenados (8.9 x 10⁷ Mg N a^-1). En contraste, la fertilización nitrogenada en cultivos no-leguminosos es una de los insumos más costosos en la agricultura (FAO, 2008).

Agricultura mexicana

El consumo de fertilizantes sintéticos data desde 1950 y ha crecido ininterrumpidamente hasta llegar al consumo actual de 4.0 x 10⁶ Mg a^-1. En 1943 se crea la empresa pública Guanos y Fertilizantes de México, a la cual en la década de los 1970 se le cambió el nombre a Fertimex. Hasta 1970 se tenían plantas productoras de fertilizantes con las mejores tecnologías disponibles en el mundo y México era un exportador neto. Contaba con gas natural para producir amoniaco, principal insumo para la fabricación de los fertilizantes, aunque se importaba roca fosfórica. A inicios de 1990 incrementó el precio del gas y del amoniaco, lo que provocó que en 1992 Fertimex se privatizara, el gobierno decidió fragmentarlo en 13 unidades productoras y se disparó el precio de los fertilizantes (Figura 1) (Grageda-Cabrera et al, 2000). Así, desde el año 2000 México se convirtió en importador neto, actualmente se importa ca. 63% de los fertilizantes (Cuadro 1).

Prácticamente 80% de la superficie agrícola se fertiliza en diversas dosificaciones, dependiendo de la capacidad económica del productor; en la mayoría de los casos se aplican sin el rigor técnico requerido, lo que se ha reflejado en que muchos productores apliquen cantidades desmesuradas de fertilizantes.

La baja rentabilidad de la actividad agrícola impulsa la investigación para desarrollar nuevos insumos, con el fin de proveer innovaciones tecnológicas que tiendan a maximizar el ingreso. Bajo estas condiciones, se presenta la alternativa de utilizar tecnologías compatibles con la actividad microbiológica para favorecer la nutrición de las plantas.

Microbiología y agricultura

La importancia que tienen los microorganismos en la naturaleza y en sus relaciones con el hombre es cada día más evidente. Cuando la agricultura tiene la necesidad de adoptar medidas conservacionistas, los microorganismos utilizados como biofertilizantes tienen un papel sustancial. El desarrollo y uso de los biofertilizantes se contempla como una importante alternativa para la sustitución parcial o total de los fertilizantes minerales.

b) Biofertilizantes, incrementan el suministro de los nutrimentos por su acción sobre los ciclos biogeoquímicos, tales como la fijación de N₂, la solubilización de elementos minerales o la mineralización de compuestos orgánicos;

c) Mejoradores, mejoran la estructura del suelo por su contribución a la formación de agregados estables; d) Agentes de control biológico de patógenos, desarrollan fenómenos de antagonismo microbio-microbio; e) Biorremediadores, eliminan productos xenobióticos tales como pesticidas, herbicidas y fungicidas; y f) Mejoradores ecofisiológicos, incrementan la resistencia al estrés tanto biótico como abiótico (Bowen y Rovira, 1999).

Los biofertilizantes

La interpretación del término biofertilizante es muy amplia, representando desde microorganismos, abonos verdes y estiércoles, hasta extractos de plantas. De manera sintetizada, podemos decir que son productos que contienen microorganismos, que al ser inoculados pueden vivir asociados o en simbiosis con las plantas y le ayudan a su nutrición y protección (Vessey, 2003). Estos microorganismos se encuentran de forma natural en el suelo y abarcan diversos grupos; sin embargo, su población es afectada por el manejo de suelo y uso excesivo de agroquimicos (Caballero-Mellado et al, 1992; Grageda-Cabrera et al., 2003).

Aunque no se conocia la existencia de las bacterias, hasta que en 1683 von Leewenhoek las describió, su utilización para estimular el crecimiento de las plantas se remonta siglos atrás. Teofrasto (287 a.C.) y Virgilio (30 a.C.) sugerían mezclar el suelo donde se habian cultivado leguminosas con suelo donde no se habian cultivado, para remediar sus defectos y adicionarle fuerza (Tisdale y Nelson, 1975).

Desde el siglo XVIII se inocularon hongos en plántulas de encino para incrementar la producción de trufas, que son hongos que tienen alto valor económico por su enorme importancia gastronómica. Las trufas eran colocadas en los "cajetes" donde las plántulas de los encinos eran sembradas. Esto ocurrió mucho antes de que en 1885 se acuñara el vocablo "micorriza" (Smith y Read, 1997).

A finales del siglo XIX, la práctica de mezclar suelo con semillas, se convirtió en un método recomendado para inocular leguminosas en Estados Unidos; poco después, Nitragin registró la primer patente para inocular plantas con bacterias del género Rhizobium spp. En los años 1930's y 1940's, la inoculación con bacterias rizosféricas asociativas con cepas de los géneros Azotobacter y Bacillus fue utilizada a gran escala en Rusia y Europa del Este. Sin embargo, estas prácticas no tuvieron éxito y fueron abandonadas durante la Segunda Guerra Mundial (Barea et al, 2005; Bashan, 2008). Todo apuntaba que el futuro de los biofertilizantes era promisorio en el desarrollo de la agricultura del siglo XX. Sin embargo, la asombrosa industrialización y urbanización que surgió después de 1945, demandó una gran cantidad de materias primas y alimentos. Es aqui donde la demanda de los fertilizantes, que son capaces de generar una rápida respuesta productiva, tuvieron su extensa utilización (Duxbury, 1994).

Aunque por casi 100 años se han producido comercialmente inoculantes a base de Rhizobium spp., con las crisis energéticas en la década de 1970, el estudio de los biofertilizantes avanzó rápidamente en algunos países europeos y asiáticos; sin embargo, el avance fue menor en México y países latinoamericanos (Okon y Labandera-González, 1994).

Actualmente, existe una gran variedad de biofertilizantes con diversas funciones y atendiendo al tipo de cultivo. En general, los biofertilizantes más difundidos se componen de hongos micorrícicos y bacterias (All-Taweil et al., 2009; Pooja et al, 2007).

Hongos

El término micorriza fue creado por el botánico alemán Albert Bernard Frank en 1885, y procede del griego mykos que significa hongo y del latin rhiza que significa raiz, definiendo asi la asociación simbiótica entre el micelio de un hongo y las raíces de un vegetal. De entre las diversas asociaciones benéficas planta-microorganismo, la micorricica es la que se encuentra más ampliamente extendida sobre la superficie terrestre, alrededor del 90% de las plantas terrestres la forman (Smith y Read, 1997), también es la más antigua, se han encontrado fósiles con ca. 4.0 x 10⁸ años (Simon et al, 1993).

Los medios por los cuales las micorrizas pueden mejorar el estado nutricional de las plantas son: 1) incrementan el volumen de exploración de las raíces, ya que las hifas del hongo actúan como una extensión, 2) incrementan la captación de agua y nutrimentos como P, N, K y Ca, 3) incrementan la tolerancia a los cambios de temperatura y acidez extrema del suelo causadas por la presencia de Al, Mg y S, 4) proveen protección contra ciertos patógenos, 5) las raíces permanecen activas más tiempo, y 6) mejoran la estructura del suelo ayudando a mantener unidos a los agregados gracias al micelio y secreción de glomalinas (Alarcón y Ferrara, 2000). Es por ello que a las micorrizas se les reconoce un gran potencial en el contexto de la agricultura sostenible.

Por otro lado, el hongo del género Trichoderma es habitante común en la rizosfera, tiene varios mecanismos a través de los cuales influye el desarrollo de las plantas tales como la producción de reguladores de crecimiento, la solubilización y absorción de P, Cu, Fe, Zn, y Mn, y capacidad antagónica contra ciertos hongos fitopatógenos de plantas de interés agrícola (Gravel et al., 2007; Osman et al., 2010).

Bacterias promotoras del crecimiento vegetal

Las bacterias promotoras del crecimiento vegetal (BPCV) representan una amplia variedad de bacterias del suelo, las cuales cuando crecen en asociación con las plantas estimulan su crecimiento. Los medios por los cuales las BPCV pueden mejorar el estado nutricional de las plantas son: 1) fijación biológica de N₂, 2) producción de reguladores del crecimiento, vitaminas y otras sustancias, 3) disponibilidad de nutrimentos en la rizosfera, 4) incremento en el área superficial de la raíz y 5) control de microorganismos patogénicos (Lugtenberg y Kamilova, 2009).

La capacidad de producir reguladores de crecimiento está ampliamente distribuida entre las bacterias que viven asociadas a las plantas y aproximadamente el 80% son productoras de auxinas (Bowen y Rovira, 1999). La auxina más importante en términos cuantitativos es el ácido-3-indol-acético (AIA), la producción de este regulador incrementa el sistema radical y se relaciona con la mayor absorción de nutrimentos (Okon y Kapulnik, 1986).

A pesar de las intensas investigaciones sobre la FBN en no-leguminosas a finales de 1970, hay poca evidencia de la inoculación de BPCV en no-leguminosas que alcancen niveles significantes de FBN. Por ejemplo, se creyó que los efectos benéficos de Azospirillum brasilense en plantas no-leguminosas era vía FBN, ahora se reconoce que el efecto en la estimulación del crecimiento se debe predominantemente a otros mecanismos i.e. producción de reguladores del crecimiento y sus efectos sobre la fisiología y morfología de la raíz (Bashan, 2008).

Producción de biofertilizantes

En los diferentes países latinoamericanos, existe una amplia gama de factores tanto favorables como desfavorables que influyen en la calidad, producción y distribución de los biofertilizantes. En ocasiones, las empresas no cuentan con almacenes apropiados a gran escala o la estructura necesaria para su transportación. En otros, la tecnología e infraestructura para su producción no está desarrollada. Es evidente que se necesita un organismo regulatorio que ejerza un fuerte control de los inoculantes presentes en el mercado para evitar que el agricultor adquiera productos de baja calidad (Elliott y Lynch, 1995).

En México, la producción actual de biofertilizantes se realiza por pequeñas empresas, instituciones de educación e investigación y por el INIFAP, apoyada por el gobierno federal y/o por gobiernos estatales. A pesar de este desarrollo, la distribución y aplicación a gran escala ha tenido serias dificultades, principalmente por problemas de promoción y distribución.

Casos exitosos

En la literatura es común encontrar sólo aquellos reportes exitosos del uso de inoculantes. Por consiguiente, es difícil identificar los factores involucrados con la poca o nula respuesta de los cultivos. La aplicación eficaz de inoculantes a base de Rhizobium, Mesorhizobium, Bradyrhizobium (Sessitsch et al., 2002); Azospirillum (Caballero-Mellado et al., 1992; Okon y Labandera-González, 1994); Azotobacter (Lakshmanan, 2000; Somers et al., 2004), Pseudomonas (Gravel et al, 2007), microorganismos solubilizadores de fosfato (Lugtenberg y Kamilova, 2009) y Trichoderma (Gravel et al, 2007), para mejorar la nutrición de las plantas y la producción agrícola está bien documentado.

En países como Argentina, Brasil, Paraguay y Uruguay, los biofertilizantes constituyen la base de su producción de leguminosas. Uno de los cultivos más importantes es la soya, ésta presenta una alta acumulación de proteínas en la semilla que la convierte en el cultivo con la mayor demanda de N. Se estima que se requieren entre 70 y 80 kg N por Mg de grano. Un rendimiento promedio de 3 Mg ha^-1 equivale a una demanda de 240 kg N, la soya puede fijar desde 0 a450kg N ha^-1 y abastecer hasta un 90% de los requerimientos de N del cultivo.

En más de 300 ensayos realizados desde 1990 a 2006 en Argentina, inoculando la soya con cepas altamente eficientes, se determinó una respuesta positiva en el incremento del rendimiento en 11% de los casos (Agrositio.com 31/08/2009 INTA 23/03/2010).

Castellanos et al. (1995), en un análisis retrospectivo de ensayos experimentales de inoculación de frijol con cepas élite llevados en México en el periodo de 1980 a 1995, encontraron éxito sólo en el 11% de los 47 casos analizados, los tratamientos inoculados superaron a los testigos sin inocular y sin N. Estos datos indican que la vía de inoculación en nuestro país no ha sido exitosa para incrementar la FBN en frijol. La falla en la inoculación quizás se debe a la gran diversidad de cepas nativas, las cuales predominantemente son cepas inefectivas (Peña-Cabriales y Grageda-Cabrera, 1997). También se evaluaron los biofertilizantes a base de Azospirillim brasilense, Glomus intraradices y Rhzobium etli durante los ciclos agrícolas Primavera-verano y otoño-invierno 1999-2000 en 1.9 x 10⁶ ha en prácticamente todo el país. Los resultados mostraron que cuando se aplicaron biofertilizantes los rendimientos incrementaron en un 62% respecto al testigo absoluto y en un 30% con relación a la aplicación de fertilizantes sintéticos (Aguirre-Medina, 2004). Actualmente, se estima que se aplican biofertilizantes en ca. 2.5 x 10⁶ ha.

A través del empleo de técnicas convencionales e isotópicas con ¹⁵N, se han encontrado grandes diferencias en cuanto a efectividad de fijar N₂ en diferentes especies de leguminosas y sus microsimbiontes. Estudios realizados en leguminosas cultivadas en El Bajio Guanajuatense, México, muestran tasas de fijación de N₂ muy contrastantes, desde 31 hasta 552 kg N₂ fijado ha^-1 a^-1 (Cuadro 2) (Peña-Cabriales y Grageda-Cabrera, 1997).

Diversos estudios han demostrado que la inoculación de cereales con Azospirillum spp. promueve el crecimiento de las plantas, observándose un incremento en la emergencia, vigor, biomasa, desarrollo del sistema radical e incremento en el rendimiento en diferentes proporciones. En México, se han obtenido incrementos en el rendimiento de maiz entre el 30 al 70% y en cebada del 39% en comparación con el testigo sin inocular (Aguirre-Medina, 2004). Okon y Labandera-González ( 1994), citan resultados favorables en el rendimiento en el 70% de los resultados de investigación realizados de 1974 a 1994 en Latinoamérica. Por su parte, Dobbelaere et al. (2001), reporta efectos positivos de la inoculación para el 62 al 95% de los casos.

Una de las pocas relaciones asociativas, en la cual se fijan cantidades considerables de N₂, es la simbiosis entre caña de azúcar y diazótrofos endofiticos, en los cuales comúnmente la caña obtiene de un 20 al 60% de su requerimiento de N a través de la fijación de N₂ (Boddey et al, 2001). Por su parte, Shamsuddin (1994) empleando la técnica isotópica de ¹⁵N, encontró que hasta un 89% del requerimiento de N de plantas de palma de aceite es suplido por la simbiosis con Azospirillum.

Al inocular con BPCV se ha observado un incremento en la calidad de los frutos de jitomate y chile. Además, cuando se inoculan hongos micorricicos y BPCV los resultados son mejores. En chile el rendimiento se incrementó 40% y se redujo el tiempo de cosecha. En pimiento morrón se incrementó la calidad en un 30% (Olalde y Serratos, 2004).

Por otro lado, varios estudios indican que la inoculación de cereales con BPCV y micorrizas permite reducir la dosis de aplicación de fertilizantes N, P y K sin que disminuya el rendimiento del cultivo. Se ha reportado que la principal tasa de retorno económico es cuando se fertiliza con el 75% de la dosis recomendada (Okon y Labandera-González, 1994; El-Sirafy et al, 2006; Bashan, 2008).

Factores que afectan la simbiosis

La eficiencia de la simbiosis depende de los microorganismos, la planta hospedadora y las condiciones ambientales (Hardarson, 1993; Okon y Kapulnik, 1986; Kiely et al, 2006).

Entre los factores agronómicos y ambientales que afectan la efectividad de la biofertilización se incluye la temperatura, humedad, acidez y otros componentes quimicos del suelo, tales como el contenido de N, P, Ca, S, Mg, Mo, Fe y Co, estos pueden disminuir rápidamente la población de cualquier especie microbiana introducida (Abbott y Robson, 1991; Bowen y Rovira, 1999). Generalmente, la fertilización inhibe o disminuye la efectividad de la relación planta-microorganismo.

Uno de los factores que limita la FBN es la presencia de formas combinadas de N en el suelo. Los suelos fértiles con disponibilidad de formas inorgánicas de N afectan el establecimiento de la simbiosis ya que retardan el inicio de la nodulación e inhiben el funcionamiento del sistema fijador, para la planta es más económico tomar N del suelo y/o del fertilizante que a través de la FBN (Read, 1998).

En el caso de las micorrizas, la principal dificultad para que se produzca una adecuada colonización radica en que los hongos poseen una baja especificidad por la planta hospedera, a pesar de lo cual, se han observado diferencias en la efectividad de la simbiosis (Abbott y Robson, 1991). Cada cultivo tiene diferente grado de dependencia a las micorrizas. Por ejemplo, el maíz y el sorgo tienen alta dependencia micorrícica mientras que el trigo, la avena y la cebada poseen baja dependencia. Consecuentemente, el orden de la rotación de cultivos tiene un efecto significativo sobre la nutrición vegetal de fósforo y otros nutrimentos debido a que la población de micorrizas decrece en el suelo cuando se cultivan especies de baja dependencia a las micorrizas (Afzal et al., 2005). Los movimientos del suelo ocasionados por las labranzas rompen el entramado de micelio del hongo con lo cual destruyen el efecto benéfico sobre la estructura del suelo. Una buena estrategia es cultivar, luego de barbechos prolongados, especies de alta dependencia a las micorrizas para incrementar la población de hongos en el suelo.

Los microorganismos involucrados en la asociación pueden influenciar el grado de efectividad. Otra característica importante de los inoculantes es su capacidad para sobrevivir en el soporte y en el suelo, para colonizar la rizosfera y para migrar en el suelo, ya que en algunas ocasiones hay una gran cantidad de capas nativas que son inefectivas. También, los cultivares de las plantas hospederas y las condiciones de producción varían grandemente en términos de efectividad de la simbiosis (Khalid et al., 2004; Peña-Cabriales et al, 1993).

Perspectivas

El uso a gran escala de los biofertilizantes en cualquier sistema de producción agrícola traería grandes beneficios sin ejercer un impacto perjudicial sobre el ambiente. Sin embargo, resulta preocupante que en México la tecnología relativamente simple de la biofertilización no ha sido transferida a la mayoría de los productores.

A corto y mediano plazo, la investigación deberá enfocarse en el desarrollo de inoculantes de mejor calidad y más económicos (Díaz-Franco y Mayek-Pérez, 2008). En términos generales, se puede decir que los biofertilizantes tienen un costo para el productor de sólo 10% del costo de la fertilización química, y en la mayoría de los casos no debe representar más del 2 a 3% del costo de producción del cultivo. Además, es necesario desarrollar "tecnologías de punta" in situ, con las condiciones locales, ya que las desarrolladas en otros países y aplicadas al nuestro son la principal causa de la crisis económica y ecológica que agobia a la agricultura mexicana del presente. Es indispensable contar con asesoría, orientación y capacitación que debieran ofrecer las autoridades correspondientes.

Finalmente, es necesario mencionar que el control de calidad es una herramienta necesaria para mejorar los inoculantes que se ofrecen en el mercado, para que exista una adecuada tecnología para su producción. Asimismo, se requiere de mayor vinculación entre la industria y los científicos con el fin de colaborar en mejorar los sistemas de producción y calidad de los inoculantes.

Agradecimientos

Esta contribución fue financiada por la SAGARPA a través del proyecto "Impulso a nuevos productos y procesos de la bioeconomía y de investigación, transferencia de tecnología y uso de biocombustibles, biofertilizantes y abonos orgánicos.

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