Luchar contra el cambio climático significa tomarse el gas de la risa en serio

Jun 3 2021

El artículo original fue publicado en Revista conocible el 14 de mayo de 2021 por Ula Chrobak

A medida que las naciones y las industrias intentan reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para abordar el cambio climático, las prácticas agrícolas están en el centro de atención. Hay una buena razón para eso: la agricultura representa del 16 al 27 por ciento de las emisiones de calentamiento climático causadas por el hombre, según el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC). Pero muchas de estas emisiones no provienen del dióxido de carbono, ese conocido villano del cambio climático. Son de otro gas en total: óxido nitroso.

N2O, también conocido como gas de la risa, no recibe la atención que merece, dice David Kanter, investigador de contaminación por nutrientes en la Universidad de Nueva York y vicepresidente de la Iniciativa Internacional del Nitrógeno, una organización enfocada en la investigación y formulación de políticas sobre contaminación por nitrógeno. “Es un gas de efecto invernadero olvidado”, dice. Sin embargo, molécula por molécula, N 2El O es unas 300 veces más potente que el dióxido de carbono para calentar la atmósfera. Y como CO 2, es de larga duración, gastando  un promedio de 114 años en el cielo antes de desintegrarse. También agota la capa de ozono. En general, el impacto climático del gas hilarante no es una broma. Los científicos del IPCC han estimado que el óxido nitroso comprende aproximadamente el 6 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero y aproximadamente las tres cuartas partes de las N 2Las emisiones de O provienen de la agricultura.

Pero a pesar de su importante contribución al cambio climático, los responsables políticos no han direccionado directamente N2Emisiones de O. Y el gas sigue acumulándose. Una revisión de 2020 de fuentes y sumideros de óxido nitroso encontró que  las emisiones aumentaron un 30 por ciento en las últimas cuatro décadas y están superando todos los escenarios de emisiones potenciales menos los más altos descritos por el IPCC. El suelo agrícola, especialmente debido al uso intensivo de fertilizantes nitrogenados sintéticos en el mundo, es el principal culpable.

Hoy en día, los científicos están buscando una variedad de formas de tratar el suelo o ajustar las prácticas agrícolas para reducir el N2O producción.

“Cualquier cosa que se pueda hacer para mejorar la eficiencia del uso de fertilizantes sería grande”, dice Michael Castellano, agroecólogo y científico del suelo en la Universidad Estatal de Iowa.

Desequilibrio de nitrógeno

La humanidad ha desequilibrado el ciclo del nitrógeno de la Tierra. Antes del surgimiento de la agricultura moderna, la mayor parte del nitrógeno disponible para las plantas en las granjas provenía del compost, el estiércol y los microbios fijadores de nitrógeno que toman nitrógeno gaseoso (N2) y convertirlo en amonio, un nutriente soluble que las plantas pueden absorber a través de sus raíces. Todo eso cambió a principios del siglo XX con el debut de la  Proceso Haber-Bosch que proporcionó un método industrial para producir cantidades masivas de fertilizante de amoníaco.

Esta abundancia de fertilizantes sintéticos ha aumentado el rendimiento de los cultivos y ha ayudado a alimentar a las personas en todo el mundo, pero este exceso de nitrato y amonio tiene costos ambientales. La producción de fertilizantes de amoníaco representa aproximadamente 1 por ciento de todo el uso global de energía y 1.4 por ciento de CO 2 emisiones (el proceso requiere calentar gas nitrógeno y someterlo a presiones de hasta 400 atmósferas, por lo que consume mucha energía). Más importante aún, el fertilizante genera un aumento de las emisiones de óxido nitroso porque los agricultores tienden a aplicar el nitrógeno a sus campos en unos pocos lotes grandes durante el año y los cultivos no pueden usarlo todo.

Cuando las raíces de las plantas no absorben ese fertilizante, una parte se escurre del campo y contamina los cursos de agua. Lo que queda es consumido por una sucesión de microbios del suelo que convierten el amoníaco en nitrito, luego en nitrato y, finalmente, de nuevo en N2 gas. norte 2se elabora como un subproducto en un par de puntos durante este proceso.

Dispensar fertilizante con cuidado justo cuando las plantas lo necesitan o encontrar formas de mantener los rendimientos con fertilizante nitrogenado reducido reduciría estos N2O, y los científicos están buscando varias formas de hacerlo. Una estrategia que se está investigando es aprovechar las técnicas de agricultura de precisión que utilizan tecnología de teledetección para determinar dónde y cuándo agregar nitrógeno a los campos, y cuánto. Otra es utilizar inhibidores de la nitrificación, sustancias químicas que inhiben la capacidad de los microbios para convertir el amoníaco en nitrato, impidiendo la creación de N 2O y mantener el nitrógeno en el suelo para que las plantas lo utilicen durante un período de tiempo más largo.

La adopción generalizada de estas dos prácticas reduciría las emisiones de óxido nitroso. alrededor del 26 por ciento de su trayectoria actual para 2030, según una estimación de 2018 realizada por investigadores del Instituto Internacional de Análisis de Sistemas Aplicados en Austria. Pero los autores dicen que se necesitará más que eso para ayudar a cumplir los objetivos de gases de efecto invernadero como los establecidos en el acuerdo climático de París. Entonces, los científicos están explorando estrategias adicionales.

Un método potencial implica aprovechar el potencial de ciertos microbios para suministrar nitrógeno directamente a las plantas, como lo hacen las bacterias fijadoras de nitrógeno en asociación con los frijoles, los cacahuetes y otras legumbres. “Realmente hay una mina de oro viviendo en el suelo”, dice Isai Salas-González, coautor de un artículo sobre la microbioma vegetal en el 2020  Revisión anual de microbiología y un biólogo computacional que recientemente completó un doctorado en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill.

En esa línea, desde 2019 la empresa Pivot Bio comercializa un producto microbiano llamado Pivot Bio Proven que, dicen, forma una simbiosis con las raíces de los cultivos luego de que se vierte un inoculante en los surcos donde se plantan las semillas de maíz. (La compañía planea lanzar productos similares para sorgo, trigo, cebada y arroz). Los microbios alimentan nitrógeno con cuchara poco a poco a cambio de azúcares filtrados por la planta, lo que reduce la necesidad de fertilizantes sintéticos, dice Karsten Temme, director ejecutivo. de Pivot Bio.

Temme dice que los científicos de la compañía crearon el inoculante aislando una cepa de la bacteria. Kosakonia sacchari que ya tenía la capacidad de fijar nitrógeno en su genoma, aunque los genes en cuestión no eran naturalmente activos en condiciones de campo. Usando tecnología de edición de genes, los científicos pudieron reactivar un conjunto de 18 genes para  que se produce la enzima nitrogenasa incluso en presencia de fertilizantes sintéticos. “Los convencimos para que comiencen a producir esta enzima”, dice Temme.

Steven Hall, un biogeoquímico de la Universidad Estatal de Iowa, ahora está probando el producto en contenedores grandes del tamaño de un contenedor de basura con maíz que crece en ellos. Los investigadores aplican el inoculante, junto con diferentes cantidades de fertilizante sintético, al suelo y miden el rendimiento del maíz, la producción de óxido nitroso y la cantidad de nitrato que se filtra de la base de los contenedores. Aunque los resultados de la prueba aún no se han publicado, Hall dice que existe un "buen apoyo inicial" para la hipótesis de que los microbios reducen la necesidad de fertilizantes, reduciendo así las emisiones de óxido nitroso.

Pero algunos científicos del suelo y microbiólogos se muestran escépticos ante una solución microbiana rápida. Los “biofertilizantes” como estos han tenido un éxito desigual, según el suelo y el medio ambiente en el que se aplican, dice Tolu Mafa-Attoye, estudiante de posgrado en microbiología ambiental de la Universidad de Guelph en Canadá. En un estudio de campo del trigo, por ejemplo, la inoculación de los cultivos con microbios beneficiosos mejoró el crecimiento de las plantas, pero solo resultó en rendimientos ligeramente mayores. Abundan las incógnitas, escribieron los colegas de Guelph de Mafa-Attoye en febrero en  Fronteras en los sistemas alimentarios sostenibles - por ejemplo, si los microbios afectarán negativamente la ecología del suelo o serán superados por los microbios nativos.

En lugar de agregar un microbio, puede tener más sentido fomentar el crecimiento de microbios deseables que ya existen en el suelo, dice Caroline Orr, microbióloga de la Universidad de Teesside en el Reino Unido. Ella descubrió que reducir el uso de pesticidas condujo a una comunidad microbiana más diversa y una mayor cantidad de fijación natural de nitrógeno. Además, la producción de óxido nitroso está influenciada por la disponibilidad de carbono, oxígeno y nitrógeno, y todos se ven afectados por el ajuste del uso de fertilizantes, el riego y el arado.

Tomemos como ejemplo la labranza. Un análisis de más de 200 estudios descubrió que las emisiones de óxido nitroso aumentaron en los primeros 10 años después de que los agricultores detuvieran o redujeran el arado de sus tierras. Pero después de eso, las emisiones cayeron. Johan Six, coautor del análisis y agroecólogo de ETH Zürich en Suiza, cree que eso se debe a que los suelos comienzan en un estado muy compactado después de años de equipos que los pasaron por encima. Sin embargo, con el tiempo, el suelo inalterado forma una estructura similar a una miga de galleta que permite que entre más aire. Y en entornos con alto contenido de oxígeno, los microbios producen menos óxido nitroso. Estos sistemas de labranza cero también resultan en más almacenamiento de carbono porque menos arado significa una conversión reducida de carbono orgánico en CO - proporcionando un beneficio climático adicional.

Incluso puede ser posible que los agricultores ahorren dinero en fertilizantes y agua y reduzcan las emisiones, todo mientras mantienen los rendimientos. En una investigación sobre granjas de tomate en el Valle Central de California, Six descubrió que las parcelas de estudio con labranza reducida y un sistema de riego por goteo que supuraban lentamente el nitrógeno a las plantas, reduciendo la cantidad de nutrientes acumulados en el suelo, reducían el N2Emisiones de O en un 70 por ciento en comparación con las parcelas gestionadas de forma convencional. El agricultor que implementó esos cambios también fue compensado por su reducción de gases de efecto invernadero a través del programa estatal de límites y comercio. Con los incentivos adecuados, convencer a los agricultores de que reduzcan sus emisiones podría no ser tan difícil, dice Six.

En Missouri, el agricultor Andrew McCrea cultiva 2,000 acres de maíz y soja en un sistema de labranza cero. Este año, planea recortar su uso de fertilizantes y ver si el inoculante Pivot Bio puede mantener sus rendimientos más o menos iguales. "Creo que todos los agricultores se preocupan por el suelo", dice. "Si podemos reducir los costos, eso también es genial".

Y si los responsables de la formulación de políticas se dedican a abordar el óxido nitroso, debería haber grandes beneficios para todos nosotros, dice Kanter de la Universidad de Nueva York. Algunos de ellos podrían ser más rápidos y tangibles que abordar el cambio climático. Las mismas medidas que bajan N2Los niveles de O también reducen la contaminación del aire y el agua locales, así como las pérdidas de biodiversidad. "Esas son cosas que la gente verá y sentirá de inmediato", dice Kanter, "dentro de años, en lugar de décadas o siglos".

Este artículo apareció originalmente en Revista conocible, un esfuerzo periodístico independiente de Annual Reviews. Regístrese para el Newsletter.