Centro de Resiliencia de Aranjuez

Análisis y recursos eco-sociales de adaptación para la transición del siglo XXI

“Phosphoros: portador de luz” (parte III) – El hambre amenaza al mundo


Una versión con referencias completas se publica en el sitio web de los miembros de ISIS y esta disponible para su descarga aqui.

El mundo está agotando los minerales de fosfato utilizados en los fertilizantes químicos, la recuperación de fosfatos a partir de residuos y la reducción del uso de los mismos en los países ricos, puede aliviar la escasez de estos recursos naturales y al mismo tiempo, evitar la contaminación del medio ambiente.

por el Prof Joe Cummins

Fósforo, un nutriente limitado

Post Fosforo portador de luz parte IIILa Tierra parece que cada vez está más enferma, debido a la amenaza de la seguridad alimentaria mundial. Una de las amenazas que ha sido ampliamente ignorado es la disminución de la disponibilidad de la fertilización de fósforo para los cultivos debido a las fuentes de mineral utilizado para producir el fertilizante y el aumento de los precios de los fertilizantes disminuyendo rápidamente. Países de todo el mundo se dividen en tres grupos: los ricos usuarios de fosfato de los fertilizantes , el fosfato pobres que sufren de escasez de alimentos debido a la baja producción de cultivos alimentarios y la enfermedad incluso humano de la deficiencia de fósforo y la imposibilidad de comprar costosos fertilizantes de fosfato , y los pocos países restantes que son la minería rápidamente fuera de mineral de fosfato [ 1 ] . Organizaciones que se ocupan de rendimiento de los cultivos en África tienden a centrarse en la introducción de variedades con mayor rendimiento en la fertilidad óptima, pero tales variedades no les va bien en las vastas zonas que carecen de nutrientes como fosfato [ 2 ] . El fósforo es un nutriente limitante para la humanidad. El fósforo es clave para el almacenamiento de la información genética en el ADN y el ARN , sino que juega un papel crucial en las membranas celulares y en la práctica totalidad de las transacciones de energía a través de ATP ( trifosfato de adenosina) y otras moléculas de fosfato orgánico . Los fosfatos son omnipresentes en la química de la vida , ya que están involucrados en casi todas las funciones [ 3 ].

La disponibilidad de fosfatos, en declive

La escasez del fósforo ha ido ganando, cada vez más atención, en las agendas de las investigaciones y de la política en los últimos años, debido a los incrementos de los precios en 2008 del orden del 800 % de las rocas de fosfato. Las estimaciones actuales de agotamiento de fosfato o tambien conocido como el “pico del fósforo, varían ampliamente, desde puntos muy restrictivos, en 30-40 años, a otros más optimistas del orden de 300 a 400 años. Estas estimaciones divergen, por diversas razones, que van desde la incertidumbre en el volumen y la calidad de las reservas globales, a la cantidad de la demanda futura. Los mayores consumidores de los fosfatos, China y los Estados Unidos, habrán agotado sus propias reservas, y para las próximas décadas, casi el 90 % de todas las reservas de fosfatos, esenciales para la producción de alimentos, serán controladas por un sólo país – Marruecos [ 4 ]. Las fuentes históricas del fósforo para su uso como fertilizantes, incluido el estiércol, los excrementos humanos, el guano y la roca de fosfato, entrarán en fuerte declive. La fuerte adicción a la roca de fosfato comenzó hace menos de 100 años y este recurso global, ha sido monopolizado por los países ricos [ 5 ].


Fuente

La fuerte aplicación de fosfatos, ha conducido a la contaminación ambiental

El uso extensivo de fertilizantes fosfatados ha llevado a la lixivación por vías fluviales y lagos, causando eutrofización (enriquecimiento excesivo de nutrientes que lleva a la floración de algas). Los florecimientos de algas son peligrosos debido a que algunas algas son tóxicas y las flores también eliminan el oxígeno de los cursos de agua. En los últimos años, ha habido proliferación récord de algas en el Gran Lago Erie causados ​​por las escorrentías agrícolas, junto con las tendencias climáticas hacia el calentamiento [ 6 ]. En China, que produce más del 50 % de las hortalizas en el mundo, el uso excesivo de abonos animales y fertilizantes químicos ha dado lugar a una importante contaminación de fosfatos en el medio ambiente [ 7 ]. En los Estados Unidos, sólo el 5 % del fosfato extraídos de la naturaleza, se incorporan en los alimentos que son ingeridos por los seres humanos, mientras que el resto se pierde en el ambiente [ 8 ]. En Inglaterra, los fosfatos que se obtuvieron de plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, fueron mayores que los vertidos agrícolas en los ríos, los vertidos de fósforo procedente del tratamiento urbano, han comenzado a ser tratados por su fósforo, antes de verterlos al medio ambiente [ 9 ]. Mientras que los países ricos contaminan sus vías fluviales y lagos con excesos de fosfatos, los países pobres de África y América del Sur sufren de bajos rendimientos de los cultivos y de enfermedades humanas, debido a la hambruna de fosfatos que empobrecen sus suelos.

Hipofosfatemia una enfermedad provocada por carencias en la ingesta de fósforo

La deficiencia crónica de fósforo en humanos causa una miopatía proximal (enfermedad muscular). La Hipofosfatemia aguda puede precipitar hacia la rabdomiolisis (rotura muscular). Un plasma sanguíneo con baja concentración de fósforo inhibe la síntesis y almacenamiento de 2,3 – difosfoglicerato ( 2,3 – DPG ), que desempeña un papel importante en la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno de los eritrocitos. Los síntomas se manifiestan con una disfunción del sistema nervioso, como debilidad, apatía, un estado postrado en cama, y temblores incontrolados, también se observan estos síntomas en la hipofosfatemia severa [ 10 ]. La desnutrición grave contribuye con un 50% en la mortalidad infantil en los países en desarrollo, y se caracteriza frecuentemente por la pérdida de electrólitos, ocasionados por la baja concentración  de fósforo corporal total en los niños tratados en el Hospital Nacional Kenyatta con kwashiorkor (deficiencia de proteína). Entre los niños con hipofosfatemia leve, moderada y severa, el 8, 14 y 21% respectivamente, murieron  [ 11 ]. Es seguro decir que la insuficiencia de fósforo, es un problema grave, que empeorará conforme la oferta mundial de minerales fosfatados, disminuya.

La hambruna de los cultivos por los fosfatos.

La inanición de fósforo afecta profundamente al crecimiento vegetal. El maíz es la especie vegetal más ampliamente cultivada en todo el mundo, y por lo general se ve fuertemente afectado por la deficiencia de fosfatos, pero la base molecular subyacente de los mecanismos de respuesta, aún hoy en día es desconocida. La respuesta transcripcional de las raíces del maíz a las carencias de fosfatos se traduce, a los 3 días después de la privación reveló un total de 283 genes sufrieron una respuesta a estas carencias: 199 y 84 sufrieron manifestaciones de varias índoles respectivamente, durante 2 veces o más al día. Se encontraron los genes – Pi, sensibles a la participación de procesos con el azúcar y metabólicos de nitrógeno, vías de transporte de iones, transcripcción de señales, regulación transcripcional, y otros procesos relacionados con el crecimiento y el desarrollo. Los patrones del maíz de expresión de transportadores inorgánicos del fósforo, la fosfatasa ácida, la fitasa, la sintasa de ácidos 2 – desoximugineico, POD y factores de transcripción MYB se validaron en respuesta a la raíz con bajo estrés de fósforo. Dos genes que codifican la fitasa y la fosfatasa ácida se indujeron de manera significativa por la deficiencia de fosfato, y desempeñan un papel fundamental en la absorción y re- utilización de fosfatos, en el maíz [ 12 ].

Las plantas adquieren los fosfatos del suelo, pero la disponibilidad de fosfatos es factor limitante para el crecimiento de las plantas y el rendimiento de los cultivos en más de un 30 % de las tierras cultivables del mundo. La aplicación de fertilizantes puede compensar la baja disponibilidad en los sistemas de cultivo, pero la entrada de grandes cantidades de fosfatos provoca graves problemas ambientales. La producción de cultivos del tipo de las leguminosas tan importante como el frijol, Phaseolus vulgaris, es a menudo muy limitado por la baja concentración de fósforo en el suelo. Los genotipos, BAT477 y DOR364 del frijol manifiestan contrastadas respuestas a los suelos deficientes en fosfatos. Las plantas con el genotipo tolerante  a la deficiencia, el BAT477 mostraron mayor contenido de fosfato y de biomasa en las raíces que las plantas DOR364, menos tolerantes a las deficiencias de fosfatos en el suelo. Un tipo de gen – señalización de control de la degradación de las proteínas que contienen fosfato estaba presente en el fenotipo tolerante a la deficiencia de fosfato y ausente en el fenotipo sensible [13].

La escasa disponibilidad de Fósforo en los suelos y las consecuencisa de las deficiencia del fósforo – son las principales limitaciones para la producción de cultivos a nivel mundial. El fósforo es absorbido por las plantas como ortofosfato. Sin embargo, en los suelos más ampliamente cultivados, el fósforo orgánico constituye entre el 30-80 % del fósforo total, y existe aproximadamente un 60-80 % de fósforo orgánico en forma de fitato, que no es directamente absorvido para las plantas. Por lo tanto, la mejora de biodisponibilidad de los fitatos es importante para la disponibilidad de fósforo para las plantas, y para el desarrollo agrícola sostenible, con forme los recursos de minerales del fósforo se están agotando en todo el mundo [ 14 ]. El ácido fítico (también conocido como el inositol hexakisfosfato en forma de sal), un ácido cíclico saturado, es la forma principal de almacenamiento de fósforo en muchos tejidos de las plantas, especialmente en los salvados y semillas. El fitato no es digerible para los seres humanos o animales no rumiantes, por lo que no es una fuente de fósforo si se comen directamente. Por otra parte, los quelatos y el ácido fítico hace posible la disposición de minerales menores no absorbibles muy importantes, tales como el zinc y el hierro, y en menor medida, macro minerales tales como el calcio y el magnesio [ 15 ]. El fitato es una forma de almacenamiento de fósforo en las semillas de cereales y leguminosas, que durante la germinación de las semillas, la enzima vegetal fitasa activa la liberación de ortofosfato para el crecimiento de las plantas [ 16 ]. El fitato puede ser degradado por hongos y bacterias que habitan en el compost [ 17 ].

Remedios caseros para la caída de mineral de fosfato

A medida que la oferta mundial del mineral de fosfato desciende, el mundo debe girar hacia el reciclaje del fósforo y un uso más económico de los fosfatos en la agricultura. Hay varias maneras de reciclar el fósforo.

La recuperación de los residuos municipales

Mediante el reciclaje de los vertidos urbanos de fosfatos. En la Unión Europea el 25% del fósforo vertido en aguas residuales municipales se recupera y se reutiliza, predominantemente en forma de lodos. Los residuos de los cultivos de gramíneas (por ejemplo, la paja, cáscaras y tallos) son una fuente importante y común de fósforo, mientras que los residuos orgánicos de la elaboración de alimentos y de la producción (como peelings, tortas de aceite, la preparación de alimentos y otros) también se puede volver a utilizar de manera productiva por su contenido en fósforo. Inicialmente desarrollado por la Universidad de Columbia Británica en Canadá para reducir la aparición de obstrucciones de las tuberías y facilitar el tratamiento de las aguas residuales, la tecnología de recuperación de nutrientes Ostara recupera el fósforo y amonio en plantas de tratamiento de aguas residuales a través de un reactor de lecho fluidizado [ 18 ]. El concentrado de las aguas residuales (agua que sale de una centrífugadora después de la mayoría de los sólidos se han depositado) influente de deshidratación de lodos secundarios corrientes entra en el reactor desde la parte inferior. El magnesio se añade para facilitar el proceso de cristalización. La estruvita resultante se recolecta a continuación del reactor, se seca y se empaqueta para su venta. La operación comercial a gran escala en la planta de tratamiento de aguas residuales de Durham Portland procesa el 100% de las aguas residuales a través del reactor a una tasa de recuperación del 90%. Actualmente, gran parte de los lodos de las aguas residuales urbanas se incineran. La empresa holandesa de tratamiento de lodos de depuradora, NV Slibverwerking Noord-Brabant (SNB ) recupera el fósforo de ceniza de lodo de aguas residuales y la vende a un productor internacional de fosfatos.

Impulsado por el objetivo de la seguridad alimentaria local, este sistema de recuperación de fósforo en el sur de Níger, implica a 700 hogares (ocho aldeas) en el reciclaje de nutrientes y materia orgánica de los excrementos humanos a través de simples urinarios e inodoros sin agua. Los rendimientos de las verduras y los cereales fertilizados con excretas humanas, eran iguales o superiores a los que recibieron cantidades equivalentes de fertilizantes químicos [ 19 ]. La recuperación de fosfato está produciendo un alivio claro e inmediato ante la creciente escasez del mineral de fosfato.

La recuperación de la médula

Se ha sugerido que la brecha de fertilizantes de fosfato en los países en desarrollo se puede aliviar inmediatamente. Productos óseos de procedencia animal (derivados de la molienda o el tratamiento térmico de hueso en bruto) contienen una mayor concentración de fósforo disponible para las plantas  que en los fertilizantes de fosfato de roca comercial. Por ejemplo, entre 2008 y 2011, la cabaña ganadera en Etiopía se componía de más de 50 millones de bovinos, 23 millones de ovejas y 22 millones de cabras, y se habría producido aproximadamente 192.000 a 330.000 toneladas de residuos de hueso al año. El reciclaje de estos huesos habría producido alrededor de entre el 28 al 58 % de los suministros de fertilizantes de fósforo anuales para Etiopía durante el mismo período. La importación de una cantidad equivalente de fertilizantes fosforados cuesta aproximadamente a los EE.UU.  entre 50 a 104 millones $. Los países en desarrollo ya tienen acceso a un suministro indígena de fertilizantes de fosfato, en forma de productos orgánicos de desecho. Al hacer uso de este recurso, estos países pueden obtener una fracción significativa de sus demandas de fósforo sin depender de los mercados internacionales o de la benevolencia de los países ricos [ 20 ]. También es cierto que los países en desarrollado se beneficiarían mucho de la recuperación de la harina de hueso a partir de los residuos de los alimentos, en una escala mucho más grande que la actual producción de harina de hueso.

La recuperación mediante abono verde

El abono procedentes de cultivo, como el trébol o de la hierba, que se ara bajo el suelo para mejorar la fertilidad. Legumbres muy arraigada que va a extraer fosfato de estratos de suelo profundo que no están disponibles para las raíces de los cultivos de alimentos. La Crotalaria (rattlepods) resultó ser un abono verde adecuado en los sistemas de cultivo de maíz y frijol en Uganda [ 21 ]. La Veza (Vicia sativa) y la avena, son abonos verdes eficaces para aliviar la deficiencia de nutrientes en el suelo del centro de México [ 22 ]. El uso de abonos verdes proporciona un alivio inmediato a la deficiencia de nutrientes del suelo en los países en desarrollo, pero a la larga, puede requerir un poco de fertilizante de fosfato para mantener la productividad de los cultivos de los alimentos.

La ingeniería genética en la inanición de fósforo

El cultivo de ingeniería genética microbiana se está promoviendo para el alivio de la escasez mundial del mineral de fosfato. Sin embargo, la mayor parte de la investigación parece estar centrada en la reducción de fitatos en los granos. Este tipo de investigación no es probable que proporcione mejoras que compensen de manera efectiva el consumo mundial de mineral de fosfato [ 3 ]. Los ejemplos de la investigación en ingeniería genética actual incluyen la comparación de maíz transgénico que contiene genes de fitasa bacteriana con el maíz tratado con enzimas de fitasa purificada a partir de bacterias en la dieta de los pollos, que al igual que los humanos, excretan fitato no digerido en grano de maíz cuando se alimentan. Los pollos transgénicos que digerieron, fitato de maíz transgénico es comparable a la fitasa tratada en grano [23 ].

El Arroz de bajo contenido en fitato se produce mediante la transformación del arroz con un pequeño ARN de genes ( ARNi ) dirigido por un promotor de arroz, que reduce la producción de fitato en grano del arroz. El silenciamiento del gen de la síntesis de fitato condujo a una reducción sustancial de los niveles de fitato de las semillas sin obstaculizar el crecimiento y desarrollo de plantas de arroz transgénicas [ 24 ]. Investigadores chinos encontraron que un gen Ta – PHR1 – A1 está implicado en la señalización de fosfato en el trigo y, cuando sobre-expresado, aumentó la absorción de fosfato y el rendimiento de grano de trigo [ 25 ]. Varias publicaciones se ocupan de modificaciones transgénicas que llevan a mejoras en la captación de fosfato y la utilización de cultivos alimentarios. Sin embargo , esos cultivos modificados no tienen la capacidad de fabricar fósforo para reemplazar la que se requiere para la nutrición humana en el largo plazo.

Para concluir

El mundo se enfrenta a una crisis inmediata por la disminución de la disponibilidad del mineral de fosfato para cubrir las necesidades alimentarias del globo. Hay una necesidad crítica, para recuperar el fosfato que se fuga por las alcantarillas y de las tierras agrícolas, contaminando el medio ambiente. Ese debe ser el primer paso para proteger la salud de la población humana, al mismo tiempo que se protege el medio ambiente. En segundo lugar, la selección de los cultivos de alimentos que prosperan en terrenos desprovistos de fosfato es un objetivo muy importante, siempre y cuando, las necesidades de fósforo de los seres humanos y de los animales sean cubiertas, y no comprometidas por el consumo de los cultivos que contienen un mínimo de fósforo.

Lecturas adicionales:


Foto Carnet Blanco y negro Bubokpor Fernando Valdepeñas CRA Editor

Como la “inercia de falta del tiempo”, no tiene muchos visos de finalizar, he optado por apretar el botón del “traslate de google” dando como resultado el siguiente texto. Es “razonadamente legible”, he retocado aquellas palabras que no traducía correctamente, pero la estructura y sintáxis, tal cual queda. Os pido disculpas, pero sólo dos manos, dan para lo que dan.

 

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