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Fertilizante de algas marinas

El fertilizante de algas marinas es un abono orgánico elaborado a partir de algas que se utiliza en la agricultura para aumentar la fertilidad del suelo y favorecer el crecimien...

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El fertilizante de algas marinas es un abono orgánico elaborado a partir de algas que se utiliza en la agricultura para aumentar la fertilidad del suelo y favorecer el crecimiento de las plantas. Su uso se remonta a la antigüedad y ofrece una amplia gama de beneficios para los suelos.

El fertilizante de algas marinas se puede aplicar en diversas formas, incluyendo extractos líquidos refinados y material orgánico seco y pulverizado. [ 1 ] [ 2 ] Gracias a su composición de diversas moléculas bioactivas, las algas marinas funcionan como un potente acondicionador del suelo , biorremediador y control biológico de plagas , y cada filo de algas marinas ofrece diversos beneficios para la salud del suelo y los cultivos. [ 1 ] Estos beneficios pueden incluir una mayor tolerancia a los factores de estrés abióticos, una mejor textura del suelo y retención de agua, y una menor incidencia de enfermedades. [ 1 ] [ 3 ]

En una escala socioecológica más amplia, el cultivo de algas marinas y el desarrollo de fertilizantes desempeñan un papel importante en el ciclo biogeoquímico de nutrientes mediante el almacenamiento de carbono y la absorción de nitrógeno y fósforo. [ 4 ] [ 5 ] La aplicación de fertilizantes de algas marinas a los suelos también puede alterar la estructura y la función de las comunidades microbianas . El cultivo de algas marinas tiene el potencial de generar servicios ecosistémicos al proporcionar una fuente de nutrición a las comunidades humanas y un mecanismo para mejorar la calidad del agua en sistemas naturales y operaciones acuícolas. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

La creciente popularidad de las prácticas de agricultura orgánica está atrayendo una mayor atención hacia las diversas aplicaciones de fertilizantes y aditivos para suelos derivados de algas marinas. Si bien la industria de fertilizantes de algas marinas aún está en sus inicios, posee un potencial significativo para el desarrollo económico sostenible, así como para la reducción de la escorrentía de nutrientes en los sistemas costeros. [ 9 ] Sin embargo, existen desafíos continuos asociados con el uso y la producción de fertilizantes de algas marinas, incluyendo la propagación de enfermedades y especies invasoras , el riesgo de acumulación de metales pesados ​​y la eficiencia y el perfeccionamiento de los métodos de producción. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Nomenclatura y taxonomía

"Algas marinas" es uno de los nombres comunes que se dan a las macroalgas multicelulares, como las algas verdes ( Chlorophyta ), las algas pardas ( Phaeophyceae ) y las algas rojas ( Rhodophyta ). [ 6 ] El término "algas marinas" también se usa a veces para referirse a microalgas y plantas. Las algas marinas son organismos típicamente bentónicos que tienen una estructura llamada rizoide, que las mantiene ancladas al fondo marino; también tienen un estipe, también conocido como tallo, y follaje en forma de hoja. [ 6 ] [ 13 ] El alga Sargassum es una excepción a esta anatomía y función, ya que no se adhiere al ambiente bentónico. [ 14 ] El color de las algas marinas generalmente sigue la profundidad/luz, correspondiendo las algas verdes, pardas y rojas a aguas poco profundas, moderadas y profundas respectivamente; las algas rojas a veces se encuentran hasta a 30 metros de profundidad. [ 6 ] Las algas marinas más pequeñas crecen solo unos pocos milímetros de altura, mientras que las más grandes pueden crecer hasta 50 metros de altura. [ 6 ] Se estima que existen 1800 especies de algas verdes, 1800 de algas pardas y 6200 de algas rojas. Las algas pardas se conocen generalmente como kelp, pero también se conocen por otros nombres comunes como algas de roca y naufragios. [ 15 ] [ 6 ] Las algas rojas son el grupo más diverso de algas marinas y, junto con las algas verdes, están más estrechamente relacionadas con las plantas terrestres, mientras que las algas pardas son las más distantemente relacionadas con las plantas terrestres. [ 6 ] Las algas marinas se encuentran extensamente en ambientes naturales poco profundos y se cultivan tanto en el océano como en operaciones de acuicultura terrestres . [ 7 ] La mayoría de las algas pardas que se encuentran en la naturaleza son de los géneros Laminaria , Undaria , Hizikia , mientras que la mayoría de las algas pardas que se cultivan para usos como fertilizante e indicador de metales pesados ​​son de las especies Ascophyllum , Ecklonia , Fucus , Sargassum . [ 7 ] [ 8 ] Las algas verdes que se utilizan como bioindicadores, para la indicación de metales pesados, por ejemplo, son de los géneros Ulva y Enteromorpha . [ 11 ] Algas rojas del géneroPoryphora se utiliza comúnmente como alimento humano. [ 7 ]

Historia

El primer registro escrito del uso agrícola de algas marinas data del siglo II, cuando las antiguas civilizaciones griega y romana utilizaban algas recolectadas en la playa para alimentar al ganado y envolver raíces de plantas para su conservación. [ 16 ] [ 5 ] [ 17 ] Sin embargo, el análisis de isótopos estables de dientes de ovejas prehistóricas en Orkney indica que los primeros pobladores utilizaban algas marinas como forraje para el ganado hace más de 5000 años, y los investigadores especulan que las algas recolectadas también se utilizaban como fertilizante, ya que se encontraron restos de algas marinas incineradas en yacimientos arqueológicos. [ 18 ] [ 19 ] Estas técnicas agrícolas podrían haber sido clave para la supervivencia de los primeros asentamientos en Escocia.

Los registros históricos y la evidencia arqueológica del uso de fertilizantes de algas marinas en el Atlántico costero son vastos y dispersos, abarcando desde Escandinavia hasta Portugal , desde el período Neolítico hasta el siglo XX. [ 16 ] [ 20 ] [ 18 ] [ 5 ] [ 21 ] La mayoría de los detalles sobre el uso de fertilizantes de algas marinas provienen de las Islas Británicas , las Islas del Canal , Normandía y Bretaña (Francia), donde se utilizaron diversas técnicas de aplicación a lo largo de los siglos, y algunas continúan hasta el día de hoy. Irlanda tiene una larga historia (siglo XII) de cosecha de algas marinas para fertilizar suelos posglaciales pobres en nutrientes utilizando estiércol compostado como enriquecimiento y el aumento de la productividad agrícola permitió que la población irlandesa creciera sustancialmente. [ 16 ] Las Islas del Canal (siglo XII) utilizaban una mezcla seca de algas rojas y marrones, llamada "Vraic" o " wrack ", para esparcir sobre los campos de patatas durante los meses de invierno para enriquecerlos antes de plantar el cultivo en primavera. [ 16 ] De manera similar, los habitantes costeros de Normandía y Bretaña han estado recolectando "restos marinos" con rastrillos de madera desde el período neolítico, aunque la composición del fertilizante originalmente incluía todos los desechos marinos que llegaban a la costa. En Escocia , entre los siglos XVII y XIX , se cultivaban especies de Fucus colocando sustrato rocoso en las zonas intermareales para fomentar el asentamiento de algas marinas. [ 16 ] La biomasa de algas marinas se utilizaba luego en zanjas compostadas, donde se cultivaban directamente en la mezcla de fertilizante arenoso los cultivos (patatas, avena, trigo, cebollas). Este método de " lecho perezoso " permitía una rotación mínima de cultivos y posibilitaba el cultivo de paisajes accidentados y suelos ácidos, donde el crecimiento de las plantas era de otro modo inadecuado. [ 18 ] [ 21 ] El alto valor de las algas marinas en estas regiones provocó disputas políticas sobre los derechos de recolección y, en Irlanda, dichos derechos se establecieron antes de la creación del propio país. [ 16 ] Estas primeras aplicaciones de fertilizante de algas marinas se limitaron a las zonas costeras, donde las macroalgas podían cosecharse en la zona intermareal o recogerse después de que una tormenta las arrastrara a la orilla. Sin embargo, las mezclas de restos secos o la potasa de fucus calcinada podían transportarse tierra adentro porque pesan menos que las algas marinas húmedas.

El fertilizante de algas marinas se extendió tierra adentro cuando se desarrolló una industria de algas en Escocia, Noruega y Bretaña en los siglos XVIII y XIX. [ 22 ] [ 18 ] La industria surgió de la demanda de sosa cáustica, o potasa, que se utilizaba para fabricar vidrio y jabón, y provocó escasez para aplicaciones agrícolas en las comunidades costeras tradicionales. La potasa es un concentrado rico en potasio soluble en agua , elaborado a partir de materia vegetal, por lo que también se exportaba como fertilizante. [ 18 ] Las comunidades costeras que participaban en la industria de las algas se expandieron y, al mismo tiempo, tuvieron dificultades para satisfacer la demanda. [ 21 ] La exportación comercial temprana de algas en Escocia devastó la agricultura tradicional de la región porque se necesitaba mano de obra intensiva durante la temporada de crecimiento de las algas para cosecharlas y procesarlas, lo que provocó una transición laboral de la agricultura al procesamiento de algas. Además, la explotación de los recursos de algas para la producción de potasa dejó pocas algas disponibles para fertilizantes locales, y las tierras costeras se volvieron más deseables que las regiones del interior. [ 18 ] [ 21 ] La industria escocesa de algas marinas pasó por múltiples ciclos de auge y caída, empleando a 10 000 familias y produciendo 3000 toneladas de ceniza por año durante su apogeo. [ 23 ] [ 24 ] [ 21 ] [ 18 ] El precio de exportación de la ceniza de algas cayó en 1822, lo que llevó a una emigración repentina de la zona porque el cultivo ya no era lo suficientemente rentable como para sostener una industria tan grande. La explotación de algas y el procesamiento de ceniza tóxica causaron daños ecológicos y económicos en Orkney y dejaron a muchas personas enfermas y ciegas. [ 21 ] [ 23 ] La industria de las algas se recuperó nuevamente para la producción de yodo en 1845, y la producción de alginato (un agente espesante) a principios de la década de 1900, lo que revitalizó la cosecha de algas. [ 21 ]

La producción mundial de fertilizantes de algas marinas se redujo drásticamente cuando se desarrollaron los fertilizantes químicos en la década de 1920, debido a su menor costo de producción. [ 25 ] [ 21 ] [ 26 ] Los fertilizantes químicos revolucionaron la industria agrícola y permitieron que la población humana creciera mucho más allá de los límites de los métodos tradicionales de producción de alimentos. [ 27 ] [ 28 ] Los fertilizantes sintéticos siguen siendo la fuente predominante a nivel mundial para aplicaciones agrícolas comerciales debido a su bajo costo de producción y su amplio acceso. Sin embargo, los pequeños agricultores orgánicos y las comunidades costeras continuaron con las técnicas tradicionales de algas marinas en regiones con una rica historia de algas marinas. [ 21 ] [ 16 ] El primer fertilizante líquido industrial de algas marinas, Maxicrop , fue creado por Reginald Milton en 1947. [ 26 ] La creación del fertilizante líquido ha permitido una aplicación más generalizada de fertilizantes derivados de algas marinas en regiones del interior y ha despertado un creciente interés agronómico en las algas marinas para una variedad de aplicaciones agrícolas, incluyendo pulverización foliar, bioestimulantes y acondicionamiento del suelo. [ 26 ] Curiosamente, el auge histórico de la acuicultura de algas no coincidió con la producción de fertilizantes porque los países europeos que producen fertilizantes de algas no han desarrollado una industria acuícola significativa; el cultivo de algas también está actualmente dominado por China e Indonesia, donde el cultivo se produce para la alimentación y otros usos lucrativos. [ 5 ]

Acuicultura

Imagen satelital de un cultivo de algas marinas frente a la costa sur de Corea del Sur. Los cuadrados oscuros que se muestran en la imagen son campos de cultivo de algas.

El desarrollo de la maricultura /acuicultura moderna de algas marinas ha permitido la expansión de la investigación sobre fertilizantes de algas marinas y la mejora de los métodos de procesamiento desde la década de 1950. [ 26 ] Las algas marinas se han cultivado en países asiáticos para la producción de alimentos durante siglos, pero la acuicultura de algas marinas está creciendo rápidamente en todo el mundo para usos especializados en biocombustibles , agar , cosméticos, medicina y bioplásticos . [ 29 ] [ 10 ] [ 30 ] El incipiente sector agrícola de algas marinas, que incluye alimento para animales, aditivos para suelos y agroquímicos , representa menos del 1% del valor global total de la acuicultura de algas marinas. [ 26 ] Sin embargo, el interés significativo en las aplicaciones agrícolas del cultivo ha aumentado drásticamente desde 1950, ya que se han demostrado usos agroquímicos especializados para materiales de algas marinas a través de la investigación científica. [ 26 ] La creciente preocupación por el agotamiento y la degradación de los recursos marinos en el siglo pasado, junto con las amenazas del cambio climático , ha aumentado el interés global en soluciones sostenibles para el desarrollo económico azul de los océanos. [ 30 ] [ 29 ] [ 10 ] La acuicultura de algas marinas se promueve como una solución para expandir el desarrollo de nuevas industrias y la seguridad alimentaria, al tiempo que restaura ecosistemas dañados. [ 10 ] [ 9 ] A diferencia de los cultivos terrestres, el cultivo de algas marinas no requiere tierra, alimento, fertilizantes, pesticidas ni recursos hídricos. Diferentes algas marinas también ofrecen una variedad de servicios ecosistémicos (que se discuten más adelante), lo que contribuye a la creciente popularidad de las algas marinas como cultivo de biorremediación . [ 31 ] [ 32 ] El fertilizante juega un papel importante en el desarrollo sostenible de la acuicultura de algas marinas porque el cultivo de algas marinas puede ayudar a aliviar la carga excesiva de nutrientes asociada con la escorrentía de fertilizantes químicos terrestres y la aplicación de fertilizante orgánico de algas marinas en el suelo cierra el ciclo de nutrientes entre la tierra y el mar. [ 10 ] [ 32 ] [ 9 ] [ 31 ]Además, el fertilizante de algas marinas puede producirse utilizando subproductos de otras industrias o materias primas que no son aptas para el consumo humano, como biomasa podrida o infectada o productos de biorresiduos de los métodos de procesamiento de carragenina. [ 32 ] [ 26 ] [ 33 ] La acuicultura de algas marinas también es importante para apoyar el crecimiento sostenible de la industria de fertilizantes de algas marinas porque limita el potencial de explotación de algas marinas nativas para intereses comerciales. [ 5 ] [ 34 ] Sin embargo, la incipiente industria de la acuicultura de algas marinas enfrenta una serie de desafíos para el desarrollo sostenible, como se analiza a continuación. [ 10 ] Los impactos ambientales de la cosecha y producción de algas marinas deben examinarse cuidadosamente para proteger a las comunidades costeras y mantener los beneficios socioeconómicos del uso de los recursos de algas marinas en la industria. [ 35 ]

Servicios ecosistémicos

El cultivo de algas marinas, con fines que incluyen la producción de fertilizantes, tiene el potencial de mejorar las condiciones ambientales en los hábitats costeros, especialmente en lo que respecta a las floraciones de algas tóxicas, ya que las algas cultivadas absorben el exceso de nutrientes provenientes de la escorrentía, inhibiendo así el crecimiento de floraciones de algas tóxicas que dañan los ecosistemas locales. [ 8 ] Los fertilizantes de algas marinas también pueden ser más biodegradables, menos tóxicos y menos peligrosos que los fertilizantes químicos, dependiendo del tipo de fertilizante de algas marinas. [ 4 ]

Las algas marinas se utilizan en operaciones de acuicultura para absorber los desechos de los peces como nutrientes y mejorar los parámetros de calidad del agua. [ 7 ] Los humanos utilizan las algas marinas nutricionalmente como alimento, industrialmente para alimento animal y fertilizante vegetal, y ecológicamente para mejorar las condiciones ambientales. [ 7 ] [ 6 ] [ 8 ] Las algas marinas han sido consumidas por los humanos durante siglos porque tienen excelentes perfiles nutricionales, contienen minerales, oligoelementos , aminoácidos y vitaminas , [ 7 ] y son altas en fibra y bajas en calorías. [ 6 ] Las algas rojas tienen el contenido proteico más alto y las algas pardas tienen el contenido proteico más bajo. [ 6 ] De todas las algas rojas, Porphyra , es el género más utilizado para el consumo humano. [ 7 ] Las algas pardas son tan abundantes que se utilizan principalmente para alimentos animales industriales y fertilizantes. [ 6 ] Además, actualmente se están investigando las algas marinas como una fuente potencial de biocombustible sostenible, así como también como un componente potencial del tratamiento de aguas residuales, ya que algunas especies son capaces de absorber y eliminar metales pesados ​​y otros tóxicos de los cuerpos de agua, y también sirven generalmente como indicadores de la calidad del agua. [ 7 ] [ 8 ] [ 11 ]

Impactos en los ecosistemas

Cualquier impacto en el ecosistema derivado del uso de algas marinas como fertilizante para plantas y cultivos se debe principalmente a la forma en que se cosechan. [ 36 ] El cultivo de algas marinas a gran escala e insostenible puede provocar el desplazamiento y la alteración de los hábitats nativos debido a la presencia de infraestructura agrícola en el agua y a las operaciones antropogénicas cotidianas en la zona. [ 36 ] Actualmente, las algas marinas se cosechan a partir de fuentes cultivadas, fuentes silvestres y mediante esfuerzos de recolección en las playas. [ 37 ] La cosecha de algas marinas silvestres tenderá a tener impactos negativos en los ecosistemas locales, especialmente si las poblaciones existentes se sobreexplotan y se vuelven incapaces de proporcionar servicios ecosistémicos . [ 37 ] También existe el riesgo de que se establezcan grandes monocultivos de algas marinas a escala industrial en entornos bentónicos naturales, lo que conlleva la exclusión competitiva de las algas marinas y los pastos marinos nativos, que habitan las profundidades bajo las granjas de algas marinas. [ 36 ] Además, el cultivo de algas marinas a gran escala industrial puede alterar el entorno bentónico natural en el que se establecen, al modificar parámetros ambientales como la disponibilidad de luz, el movimiento del agua, las tasas de sedimentación y los niveles de nutrientes, y debido al estrés general causado por factores antropogénicos. [ 36 ]

Métodos de producción y aplicación

La composición de diversos minerales presentes en tres especies diferentes de algas marinas.

Las algas pardas se utilizan con mayor frecuencia para la producción de fertilizantes, tanto en la actualidad como históricamente. [ 1 ] El fertilizante de algas se puede utilizar como un aditivo crudo al suelo como mantillo , compostado para descomponer la materia prima resistente, o secado y pulverizado para hacer que los nutrientes sean más biodisponibles para las raíces de las plantas. [ 1 ] [ 38 ] La fertilización con compost es una técnica que cualquier granja orgánica de pequeña escala puede utilizar fácilmente si tiene acceso a algas, [ 39 ] aunque los extractos son más comunes para aplicaciones comerciales a gran escala. [ 1 ] Los procesos de fabricación comerciales suelen ser más técnicos que las técnicas tradicionales que utilizan biomasa cruda y utilizan diferentes procesos bioquímicos para concentrar y extraer los nutrientes más beneficiosos de las algas.

Se puede crear un fertilizante líquido simple fermentando hojas de algas marinas en agua, aunque el proceso se intensifica y acelera industrialmente mediante calor y presión. [ 2 ] [ 26 ] Otros métodos de extracción líquida incluyen una extracción suave con molienda a baja temperatura para suspender partículas finas en agua, calentar la materia prima con sodio o potasio alcalino para extraer nutrientes y la adición de enzimas para ayudar en la descomposición bioquímica. [ 1 ] [ 2 ]

La extracción de nutrientes biodisponibles de las algas crudas se logra mediante la ruptura de las resistentes paredes celulares a través de técnicas físicas, como la extracción por ultrasonido , la ebullición o la congelación-descongelación. También se utilizan técnicas de fermentación biológica para degradar las células. [ 40 ] Las técnicas de extracción física suelen ser más rápidas, pero más costosas y dan como resultado un menor rendimiento de los cultivos en los ensayos. [ 40 ] Dado que el extracto de algas tiene propiedades quelantes que mantienen la biodisponibilidad de iones de metales traza para las plantas, a menudo se agregan micronutrientes adicionales a la solución para aumentar el beneficio de la fertilización para cultivos específicos. [ 26 ]

Las técnicas de fertilización orgánica tienen menores consecuencias ambientales en comparación con la producción de fertilizantes químicos artificiales, ya que no utilizan disolventes orgánicos ni cáusticos agresivos para producir fertilizantes y la materia prima de algas marinas es un recurso renovable, a diferencia de los depósitos minerales y los combustibles fósiles necesarios para sintetizar fertilizantes químicos. [ 1 ] [ 32 ] [ 39 ]

El uso agrícola a gran escala de fertilizantes sintéticos agota la fertilidad del suelo y aumenta la dureza del agua con el tiempo, por lo que las tendencias recientes en el desarrollo agrícola siguen un enfoque orgánico para sostener la producción de alimentos a través de una mejor gestión del suelo y técnicas de biofertilización. [ 41 ]

Los extractos de algas marinas son biofertilizantes que también pueden utilizarse como bioestimulantes , los cuales se aplican para mejorar la eficiencia de los nutrientes y la tolerancia al estrés abiótico. [ 2 ] Se están desarrollando nuevas tecnologías de extracción para mejorar la eficiencia y aislar compuestos específicos para aplicaciones especializadas de bioestimulantes de algas marinas, aunque las técnicas de extracción específicas suelen ser secretos comerciales. [ 2 ] Además, muchos procesos de extracción de fertilizantes líquidos pueden complementar otros usos industriales de las algas marinas, como la producción de carragenina , lo que aumenta el beneficio económico del mismo cultivo de algas. [ 2 ] [ 33 ]

Ciclo de nutrientes

Para apoyar una creciente industria de acuicultura de algas marinas, muchos estudios han evaluado la dinámica del ciclo de nutrientes de diferentes especies de algas marinas, además de explorar aplicaciones de coproducción que incluyen biorremediación y secuestro de carbono. [ 5 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] Las algas marinas pueden formar comunidades altamente productivas en regiones costeras, dominando los ciclos de nutrientes dentro de estos ecosistemas. [ 45 ] Como productores primarios, las algas marinas incorporan carbono inorgánico, luz y nutrientes (como nitrógeno y fósforo) en biomasa a través de la fotosíntesis. [ 4 ] La cosecha de algas marinas de ambientes marinos resulta en la eliminación neta de estos elementos de estos ecosistemas, además de la eliminación de metales pesados ​​y contaminantes. [ 44 ]

Para la fotosíntesis, las algas marinas utilizan nitrógeno inorgánico, en forma de nitrato (NO₃⁻ ) y amonio ( NH₄⁺), y nitrógeno orgánico en forma de urea. [46 ] La producción primaria que utiliza nitrato generalmente se considera producción nueva porque el nitrato se suministra externamente a través de afloramientos y aportes fluviales, y a menudo se ha convertido a partir de formas de nitrógeno liberadas por la respiración biológica. Sin embargo, la producción primaria que utiliza amonio se denomina producción reciclada porque el amonio se suministra internamente a través de la regeneración por heterótrofos dentro de los ecosistemas. [ 46 ] Por ejemplo, el amonio excretado por peces e invertebrados dentro de los mismos ecosistemas costeros que las algas marinas puede sustentar la producción de algas marinas al proporcionar una fuente de nitrógeno. [ 47 ]

El fósforo se suministra inorgánicamente como fosfato (PO₄³⁻ ) y generalmente sigue patrones estacionales similares a los del nitrato. [ 46 ] Además, las algas marinas requieren carbono inorgánico, que normalmente se suministra desde el medio ambiente en forma de dióxido de carbono ( CO₂ ) o bicarbonato ( HCO₃⁻ ) . [ 48 ]

Al igual que otros organismos marinos fotosintéticos como el fitoplancton , las algas marinas también experimentan limitaciones de nutrientes que afectan su capacidad de crecimiento. [ 4 ] [ 46 ] [ 49 ] El nitrógeno es el nutriente limitante más común para la fotosíntesis de las algas marinas, aunque también se ha encontrado que el fósforo es limitante. [ 46 ] La proporción de carbono inorgánico, nitrógeno y fósforo también es importante para asegurar un crecimiento equilibrado. [ 49 ] Generalmente, la proporción N:P para las algas marinas es de 30:1; sin embargo, la proporción puede variar significativamente entre especies y requiere pruebas experimentales para identificar la proporción específica para una especie dada. [ 46 ] [ 47 ] Explorar la relación entre el ciclo de nutrientes y el crecimiento de las algas marinas es vital para optimizar la acuicultura de algas marinas y comprender las funciones y beneficios de las aplicaciones de las algas marinas, incluido su uso como fertilizante, biorremediador y en la economía azul. [ 46 ] [ 50 ]

Eutrofización costera

El crecimiento demográfico y la intensificación de la industria y la agricultura han aumentado el volumen de aguas residuales vertidas en los ecosistemas marinos costeros. [ 51 ] [ 52 ] Estas aguas suelen contener altas concentraciones de nitrógeno y fósforo, y concentraciones relativamente altas de metales pesados, lo que provoca la eutrofización de muchos ecosistemas costeros. [ 42 ] [ 43 ] [ 52 ] La eutrofización resulta de la carga excesiva de nutrientes dentro de estos ecosistemas, derivada de la contaminación de las aguas que llegan a los océanos por la industria, los piensos para animales y los fertilizantes sintéticos, lo que sobrefertiliza estos sistemas. [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

La eutrofización conduce a una alta productividad en los sistemas costeros, lo que puede resultar en hipoxia costera y acidificación oceánica , dos preocupaciones importantes para los ecosistemas costeros. [ 53 ] [ 54 ] Un servicio notable del cultivo de algas marinas es su capacidad para actuar como biorremediador mediante la absorción y eliminación del exceso de nutrientes en los ecosistemas costeros con su aplicación a los usos de la tierra. [ 42 ]

Las algas pardas, debido en parte a su gran tamaño, se han caracterizado por su alta productividad y la consiguiente alta absorción de nutrientes en los ecosistemas costeros. [ 44 ] [ 45 ] [ 55 ] Además, los estudios se han centrado en cómo optimizar el crecimiento de las algas pardas para aumentar la producción de biomasa y, por lo tanto, aumentar la cantidad de nutrientes eliminados de estos ecosistemas. [ 55 ] Los estudios también han explorado el potencial de las algas pardas para secuestrar grandes volúmenes de carbono ( carbono azul ). [ 5 ] [ 45 ] [ 55 ]

Biorremediación en ecosistemas eutróficos

Las algas marinas han recibido una atención significativa por su potencial para mitigar la eutrofización en ecosistemas costeros a través de la absorción de nutrientes durante la producción primaria en la acuicultura multitrófica integrada (IMTA). [ 5 ] [ 42 ] [ 4 ] La biorremediación implica el uso de organismos biológicos para reducir las concentraciones de nitrógeno, fósforo y metales pesados ​​en los ecosistemas marinos. [ 44 ] [ 51 ] El potencial de biorremediación de las algas marinas depende, en parte, de su tasa de crecimiento que está controlada por numerosos factores que incluyen el movimiento del agua, la luz, la desecación , la temperatura, la salinidad, la etapa de vida y la clase de edad. [ 45 ] [ 4 ] [ 42 ] [ 56 ] También se ha propuesto que en los ecosistemas eutróficos el fósforo puede convertirse en un factor limitante para el crecimiento de las algas marinas debido a la alta relación N:P de las aguas residuales que ingresan a estos ecosistemas. [ 57 ] Las prácticas de biorremediación se han utilizado ampliamente debido a su capacidad rentable para reducir el exceso de nutrientes en los ecosistemas costeros, lo que conlleva una disminución de las floraciones de algas nocivas y una oxigenación de la columna de agua. [ 43 ] [ 52 ] Las algas marinas también se han estudiado por su uso potencial en la biosorción y acumulación de metales pesados ​​en aguas contaminadas, aunque la acumulación de metales pesados ​​puede afectar el crecimiento de las algas. [ 44 ] [ 52 ]

Carbono azul

Los métodos de carbono azul implican el uso de ecosistemas marinos para el almacenamiento y enterramiento de carbono. La acuicultura de algas marinas muestra potencial para actuar como un sumidero de CO₂ a través de la absorción de carbono durante la fotosíntesis, la transformación de carbono inorgánico en biomasa y, finalmente, la fijación de carbono que luego puede ser exportado y enterrado. [ 5 ] [ 31 ] [ 50 ] Duarte et al. (2017) describen una estrategia potencial para una iniciativa de carbono azul de cultivo de algas marinas. [ 31 ] Sin embargo, la contribución de las algas marinas al carbono azul ha sido objeto de controversia sobre la capacidad de las algas marinas para actuar como un sumidero neto de carbono atmosférico. [ 31 ] [ 50 ] Krause-Jensen et al., (2018) discuten dos criterios principales para que el cultivo de algas marinas sea considerado una iniciativa de carbono azul: debe ser extensivo en tamaño y tasa de secuestro y poseer la capacidad de ser accionado por humanos, de modo que la tasa de secuestro pueda ser manejada por la acción humana. [ 50 ] El cultivo de algas marinas, incluido el uso de algas marinas como fertilizante, podría convertirse en un importante contribuyente a las estrategias de mitigación del cambio climático a través del secuestro y almacenamiento de carbono. [ 31 ]

Los efectos positivos que el fertilizante de algas marinas aporta a los cultivos.

Funciones y beneficios del fertilizante de algas marinas

Fertilización

Las algas marinas funcionan como un biofertilizante orgánico. Debido a su riqueza en micro y macronutrientes , ácidos húmicos y fitohormonas , mejoran la fertilidad del suelo . [ 1 ] Además, los fertilizantes derivados de algas marinas contienen polisacáridos , proteínas y ácidos grasos que mejoran la retención de humedad y nutrientes del suelo, contribuyendo a un mejor crecimiento de los cultivos. [ 1 ] Se encuentran más oligoelementos en las algas marinas que en los producidos con subproductos animales. [ 58 ]

La aplicación de fertilizantes de algas marinas también puede resultar en una mayor tolerancia a los factores de estrés abióticos que generalmente inhiben el crecimiento y el rendimiento de los cultivos, como la baja humedad, la alta salinidad y las temperaturas bajo cero. [ 3 ] Estos beneficios de tolerancia al estrés parecen estar impulsados ​​por cambios fisiológicos inducidos en los cultivos por las algas marinas, incluyendo un mejor almacenamiento de energía, una mejor morfología de la raíz y un mayor potencial metabólico, lo que mejora la capacidad de la planta para sobrevivir en condiciones desfavorables. [ 3 ] Los extractos de Kappaphycus alvarezzi también han resultado en reducciones considerables en la fuga de electrolitos , así como una mayor producción de clorofila y carotenoides , y contenido de agua. [ 3 ] La investigación también ha demostrado que las plantas de trigo tratadas con extractos de algas marinas han acumulado osmoprotectores clave como prolina , otros aminoácidos y proteína total. [ 3 ]

Se ha demostrado que las aplicaciones foliares de extracto de fertilizante de algas marinas mejoran la absorción de nitrógeno, fósforo, potasio y azufre en la soja, como la Glycine max . [ 59 ] La investigación también ha demostrado que los extractos de algas pardas pueden mejorar el crecimiento de la planta de tomate, el rendimiento general del cultivo y la resistencia a los factores de estrés ambiental. [ 60 ] Otros beneficios documentados del uso de algas marinas como fertilizante incluyen la reducción del estrés del trasplante , el aumento de la superficie foliar y el aumento del contenido de azúcar. [ 61 ]

Acondicionamiento del suelo

Como acondicionador de suelos, el fertilizante de algas marinas puede mejorar las cualidades físicas del suelo, como la aireación y la retención de agua. [ 1 ] Los suelos arcillosos que carecen de materia orgánica y porosidad se benefician del ácido húmico y los alginatos solubles que se encuentran en las algas marinas. [ 1 ] [ 62 ] Estos compuestos se unen a radicales metálicos que hacen que las partículas de arcilla se agreguen, mejorando así la textura, la aireación y la retención del suelo al estimular la desagregación de la arcilla. [ 62 ] La degradación de los alginatos también complementa el suelo con materia orgánica, mejorando su fertilidad. [ 1 ]

En particular, se sabe que las algas pardas como el Sargassum poseen valiosas propiedades acondicionadoras del suelo. Esta alga contiene alginatos solubles, así como ácido algínico, que cataliza la descomposición bacteriana de la materia orgánica. [ 1 ] [ 62 ] Este proceso mejora la calidad del suelo al aumentar las poblaciones de bacterias fijadoras de nitrógeno y al aportar acondicionadores adicionales al suelo a través de los productos de desecho producidos por estas bacterias. [ 62 ]

Biorremediación de suelos contaminados

Las algas marinas funcionan como biorremediadores mediante la adsorción de contaminantes nocivos. Los grupos funcionales en la superficie de las algas, como éster , hidroxilo, carbonilo, amino, sulfhidrilo y fosfato, impulsan la bioadsorción de iones de metales pesados. [ 1 ] [ 63 ] [ 64 ]

Las algas marinas como Gracilaria corticata varcartecala y Grateloupia lithophila eliminan eficazmente una amplia variedad de metales pesados, incluyendo cromo (III) y (IV), mercurio (II), plomo (II) y cadmio (II) de su entorno. [ 64 ] Además, se ha demostrado que Ulva spp. y Gelidium spp . mejoran la degradación del DDT en suelos contaminados y pueden reducir su biodisponibilidad. [ 65 ] Si bien existe un potencial significativo para que las algas marinas sirvan como biorremediadores de suelos contaminados, se requiere más investigación para desarrollar completamente los mecanismos de este proceso en el contexto de la agricultura. Los metales pesados ​​acumulados por el fertilizante de algas marinas pueden transferirse a los cultivos en algunos casos, causando implicaciones significativas para la salud pública. [ 66 ]

La aplicación de biocarbón es otra estrategia que puede remediar y mejorar suelos infértiles. Las algas marinas pueden transformarse en biocarbón y utilizarse para aumentar la materia orgánica y el contenido de nutrientes del suelo. [ 67 ] Los diferentes tipos de algas marinas parecen producir nutrientes y parámetros únicos; las algas rojas, por ejemplo, crean un biocarbón rico en potasio y azufre , y más ácido que el biocarbón generado a partir de algas pardas. [ 67 ] Si bien este es un campo de investigación nuevo, los datos actuales muestran que el mejoramiento genético dirigido de algas marinas puede dar como resultado biocarbones que se pueden adaptar a diferentes tipos de suelo y cultivos. [ 67 ]

Manejo integrado de plagas

La adición de algas marinas al suelo puede aumentar la salud de los cultivos y la resistencia a las enfermedades. [ 1 ] Las algas marinas contienen una amplia gama de moléculas bioactivas que pueden responder a enfermedades y plagas, incluyendo esteroides , terpenos , acetogeninas y polímeros derivados de aminoácidos . [ 1 ] La aplicación de extractos de algas marinas reduce la presencia de plagas dañinas, incluyendo nematodos e insectos. [ 61 ] [ 68 ] [ 12 ] Si bien la aplicación de algas marinas parece reducir los efectos nocivos de la infestación de nematodos, la combinación de la aplicación de algas marinas y carbofurano , un nematicida químico , parece ser la más efectiva. [ 68 ] Además, varias especies de algas marinas parecen obstaculizar el crecimiento y desarrollo temprano de numerosos insectos perjudiciales, incluyendo Sargassum swartzii , Padina pavonica y Caulerpa denticulata . [ 12 ]

Respuesta microbiana del suelo al tratamiento con fertilizantes de algas marinas

Los cambios en las comunidades bacterianas y fúngicas, en respuesta al tratamiento con fertilizantes de algas marinas, se han estudiado recientemente. La composición y funcionalidad de la comunidad microbiana del suelo dependen en gran medida de la salud subyacente del suelo y de sus propiedades abióticas. [ 69 ] [ 70 ]

Muchos enfoques basados ​​en secuenciación de ADN y ómicas , combinados con experimentos en invernadero , se han utilizado para caracterizar las respuestas microbianas al tratamiento con fertilizantes de algas marinas en una amplia variedad de cultivos. [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] La secuenciación profunda de amplicones de ARN ribosomal 16S (ARNr) de las bacterias encontradas en los suelos de parcelas de tomate, tratadas con un fertilizante de algas marinas fermentadas Sargassum horneri , mostró un gran cambio en los índices de diversidad alfa y diversidad beta entre suelos no tratados y suelos después de 60 días. [ 71 ] Este cambio en la composición de la comunidad se correlacionó con un aumento de 1,48 a 1,83 veces en el rendimiento del tomate en suelos tratados. [ 71 ] Aunque los filos bacterianos dominantes se mantuvieron similares entre los grupos de tratamiento, se observaron cambios en la abundancia de la clase Bacilli y la familia Micrococcaceae . [ 71 ] Los ensayos enzimáticos también mostraron un aumento en la actividad de proteasa , polifenol oxidasa , deshidrogenasa , invertasa y ureasa , [ 71 ] que se pensó que era inducido por alteraciones de la comunidad microbiana. [ 71 ] Se observó que cada uno de los resultados microbianos y enzimáticos mencionados anteriormente mejoraba el ciclo de nutrientes y la calidad en suelos tratados con fertilizante. [ 71 ]

Para investigar las interacciones entre las rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR) y el extracto derivado de algas marinas, Ngoroyemoto et al. trataron Amaranthus hybridus con Kelpak y PGPR y midieron los impactos en el crecimiento de la planta. [ 72 ] Se encontró que el tratamiento de las plantas con Kelpak® y las bacterias Pseudomonas fluorescens y Bacillus licheniformis disminuyó las respuestas de estrés de la planta y aumentó la producción. [ 72 ] El estudio mencionado más recientemente proporciona implicaciones para los beneficios de los cultivos cuando la aplicación de fertilizante de algas marinas a los suelos favorece el crecimiento de PGPR.

Wang et al. encontraron que las plántulas de manzana tratadas con fertilizante de algas marinas diferían marcadamente en diversidad de hongos y riqueza de especies, en comparación con los grupos de control sin tratamiento. [ 73 ] Estos hallazgos se complementaron con aumentos en la calidad del suelo y las actividades enzimáticas en los grupos de suelo tratados, lo que apoya la hipótesis de que el fertilizante promovió el crecimiento de especies de hongos beneficiosas para las plantas. Con el uso de la secuenciación del ARNr 16S y del espaciador transcrito interno (ITS) de hongos, Renaut et al. examinaron el efecto del tratamiento con extracto de Ascophyllum nodosum en las rizosferas de plantas de pimiento y tomate en invernaderos. [ 74 ] Este grupo encontró que la composición de especies bacterianas y fúngicas y las estructuras de la comunidad diferían según el tratamiento. [ 74 ] Un aumento de la abundancia de ciertas variantes de secuencia de amplicón (ASV) también se correlacionó directamente con aumentos en la salud y el crecimiento de las plantas. [ 74 ] Estas ASV incluían hongos de la familia Microascaceae , el género Mortierella spp. y varios otros ASV no cultivados. [ 74 ] Se identificó una gran diversidad de ASV bacterianos que se correlacionaron positivamente con el crecimiento en este mismo estudio, incluidos Rhizobium , Sphingomonas , Sphingobium y Bradyrhizobium . [ 74 ]

Resistencia a patógenos vegetales

La aplicación del fertilizante de algas marinas también puede aumentar la resistencia a los patógenos vegetales. En muestras de invernadero, Ali et al. probaron el tratamiento con extracto de Ascophyllum nodosum en cultivos de tomate y pimiento dulce y encontraron que mejoraba la salud de las plantas y reducía la incidencia de patógenos vegetales. [ 75 ] Investigaciones posteriores mostraron que la regulación positiva de enzimas relacionadas con la defensa contra patógenos condujo a la reducción de los patógenos Xanthomonas campestris pv. vesicatoria y Alternaria solani . [ 75 ]

Chen et al. descubrieron que el tratamiento con Ascophyllum nodosum impactó positivamente la composición de la comunidad de la rizosfera del maíz. [ 76 ] Esto puede tener implicaciones críticas para la salud de las plantas, ya que la estructura de las comunidades microbianas de la rizosfera puede contribuir a la resistencia de las plantas a los patógenos transmitidos por el suelo. [ 77 ]

Otras reducciones de patógenos incluyen la mitigación de enfermedades fúngicas foliares de la zanahoria después del tratamiento con Ascophyllum nodosum y la inoculación con los patógenos fúngicos Alternaria radicina y Botrytis cinerea . [ 78 ] Se observó una menor gravedad de la enfermedad a los 10 y 20 días posteriores a la inoculación en comparación con las plantas de control, y se encontró que el tratamiento con algas marinas era más efectivo para reducir la patología de la enfermedad que el ácido salicílico , un conocido protector de plantas contra el estrés biótico y abiótico. [ 79 ] Islam et al. obtuvieron resultados similares al tratar Arabidopsis thaliana con extractos de algas pardas, seguido de la inoculación con el patógeno fúngico Phytophthora cinnamomi . [ 80 ] Este grupo analizó los transcritos de ARN de la planta y encontró que el extracto de algas marinas preparó a A. thaliana para defenderse contra el patógeno fúngico antes de su inoculación, lo que condujo a una mayor supervivencia del huésped y una menor susceptibilidad a la infección. [ 80 ]

Se han realizado pocos estudios para analizar el impacto del tratamiento con fertilizantes de algas marinas en la resistencia de las plantas a los patógenos virales ; sin embargo, se han demostrado resultados prometedores limitados. [ 3 ] Se ha demostrado que las algas verdes, pardas y rojas contienen polisacáridos que activan vías de respuesta a patógenos en las plantas, lo que prepara la defensa contra virus, bacterias y hongos. [ 81 ] Específicamente, se activan enzimas de defensa, como la fenilalanina amoníaco liasa y la lipoxigenasa , lo que conduce a la defensa viral. [ 81 ]

Se ha demostrado que los extractos acuosos y etanólicos del alga parda Durvillaea antarctica disminuyen los síntomas patológicos del virus del mosaico del tabaco (TMV) en las hojas de tabaco. [ 82 ] Otro estudio realizado en plantas de tabaco encontró que los oligosacáridos de fucano sulfatados , extraídos de algas pardas, indujeron resistencia adquirida local y sistémica al TMV. [ 83 ] Con base en los resultados anteriores, se puede afirmar que la aplicación de fertilizantes de algas marinas tiene un potencial considerable para brindar amplios beneficios a los cultivos agrícolas y resistencia a patógenos vegetales bacterianos, fúngicos y virales .

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