El fósforo como nutriente vegetal limitante en la agricultura mediterránea: Estudio y validación de nuevas formas de fertilización fosfórica biótica y abiótica

Abstract

La fertilización de los cultivos supuso una revolución al permitir incrementar de forma notoria su rendimiento y, así pues, la producción de alimentos necesaria para acompañar el crecimiento de la población a nivel global. El fósforo es un nutriente esencial para la nutrición de las plantas. La fertilización fosfórica ha sido tradicionalmente mineral, siendo los fertilizantes desarrollados fundamentalmente a partir de roca fosfórica. Sin embargo, el empleo de este tipo de fertilización tiene varios problemas y riesgos asociados. Por una parte, la roca fosfórica es un recurso limitado cuya extracción es costosa y, adicionalmente, se encuentra geográficamente muy concentrada. Esto sitúa a muchos países, entre ellos los países europeos, en una situación de alta dependencia de este recurso. Por otra parte, los fertilizantes minerales tienen el fósforo en forma inorgánica. Esto ha resultado ventajoso debido a su rápida disolución y absorción por parte de los cultivos, pero, al mismo tiempo, una gran parte del fósforo contenido en estos fertilizantes que no es inmediatamente absorbido por las plantas acaba siendo fijado en los suelos. Esto afecta a la calidad de los suelos y acarrea riesgos medioambientales como la eutrofización de las aguas. Ante este contexto, son cada vez mayores los esfuerzos por encontrar estrategias de fertilización fosfórica alternativas. En este trabajo se abordan dos estrategias de fertilización fosfórica alternativa. La primera estrategia de fertilización fosfórica alternativa validada en este trabajo fue el desarrollo de fertilizantes órgano-minerales (OMFs) de fósforo basados en compost, en un ensayo en maceta con lechuga (Lactuca sativa L.) como cultivo modelo bajo condiciones controladas de producción. En este ensayo se estudiaron comparativamente fuentes de fósforo convencionales (roca fosfórica (RP), fosfato monoamónico (MAP) y recuperadas a partir de residuos orgánicos (estruvita comercial (STR) y harina de hueso (BM). Como resultados más relevantes, se confirmó el efecto beneficioso de la adición de compost a las fuentes inorgánicas MAP y STR, que permitió mejorar propiedades del suelo como los contenidos en materia orgánica y fósforo disponible, así como aumentar significativamente el rendimiento del cultivo. Además, la estruvita tanto en forma simple como compleja (OMF con compost) se comportó de forma similar al fertilizante convencional MAP, lo que confirma su potencial como fuente alternativa de fósforo. La segunda estrategia estudiada fue la recuperación de fósforo en forma de estruvita a partir de residuos orgánicos ricos en este nutriente: estiércol y lodos de depuradora. Este procedimiento es habitual en las plantas de tratamiento de aguas residuales para reducir la concentración de fósforo de las aguas. El enfoque de este trabajo resulta novedoso al aplicar este tipo de procedimiento a los lodos de depuradora. Básicamente, para conseguir la extracción del fósforo de los residuos es necesario realizar una extracción en condiciones ácidas, lo cual se realiza habitualmente con reactivos químicos. En este trabajo se explora la generación del medio ácido necesario para la extracción de fósforo a través de un proceso fermentativo, es decir, de forma biótica. Para ello, se incubaron los residuos con una fuente de azúcar simple y una suspensión de la bacteria acido-láctica Lactobacillus acidophilus. Tras una fase de centrifugación, se precipitó estruvita a partir de la fase líquida recuperada mediante dosificación de MgCl2 y NaOH. A través del procedimiento implementado, se obtuvo una mezcla de minerales de fósforo recuperado con predominio de la estruvita, lo que fue confirmado a través de difracción de rayos X. Posteriormente, los minerales de fósforo recuperado obtenidos se validaron en el cultivo modelo empleado en el anterior ensayo (lechuga) mediante un ensayo en maceta en condiciones controladas de producción, durante dos ciclos de cultivo consecutivos, evaluando el efecto de la fuente de fósforo aplicada además de la influencia sobre la disponibilidad de fósforo de un factor abiótico, el pH del suelo, y uno biótico, la inoculación del suelo con bacterias solubilizadoras de fósforo. Los resultados obtenidos destacan el potencial de los fertilizantes órgano-minerales con fuentes de fósforo derivadas de residuos orgánicos como sustitutos alternativos a las fuentes inorgánicas convencionales de fósforo, ya que mostraron efectos similares respecto al rendimiento y la calidad del cultivo de lechuga, así como en cuanto al fósforo disponible y las actividades enzimáticas relacionadas con la mineralización de fósforo en el suelo. Por otra parte, el factor abiótico (pH del suelo) tuvo un claro efecto sobre el rendimiento y calidad de la planta, obteniendo los mejores resultados en condiciones ácidas. Sin embargo, la inoculación con bacterias solubilizadoras de fósforo no pareció tener un claro efecto durante los dos ciclos de cultivo en los parámetros estudiados en la planta y el suelo.

Crop fertilization revolutionized agriculture by significantly increasing crop yield and, thus, the food production necessary to maintain global population growth. Phosphorus is an essential nutrient for plant nutrition. Phosphorus fertilization has traditionally been mineral-based, the fertilizers being mainly developed from phosphate rock. However, the use of this type of fertilization has several associated problems and risks. On the one hand, phosphate rock is a limited resource that is costly to extract and, in addition, is geographically concentrated. This places many countries, including European countries, in a situation of a high dependence on this resource. On the other hand, mineral fertilizers contain phosphorus in inorganic form. This has been advantageous due to its rapid dissolution and absorption by crops, but at the same time, a large part of the phosphorus contained in these fertilizers that is not immediately absorbed by plants ends up being fixed in the soil. This affects soil quality and implies environmental risks such as water eutrophication. In this context, the efforts to find alternative phosphorus fertilization strategies are increasing. Thus, this paper addresses two alternative phosphorus fertilization strategies. The first alternative phosphorus fertilization strategy validated in this study was the development of compost-based organo-mineral phosphorus fertilizers in a pot trial with lettuce (Lactuca sativa L.) as model crop under controlled production conditions. In this trial, inorganic conventional phosphorus sources (phosphate rock (RP) and monoammonium phosphate (MAP)) and recovered phosphorus sources (commercial struvite (STR) and bone meal (BM) were studied comparatively. The most relevant results confirmed the beneficial effect of adding compost to the inorganic sources MAP and STR, which improved soil properties, such as the content in organic matter and available phosphorus, and significantly increased plant yield. In addition, struvite in both simple and complex forms (OMF with compost) performed similarly to conventional MAP fertilizer, confirming its potential as an alternative source of phosphorus. The second strategy studied was the recovery of phosphorus in the form of struvite from organic waste rich in this nutrient: manure and sewage sludge. This procedure is common in wastewater treatment plants to reduce the concentration of phosphorus in water. The approach of this study is novel in that it applies this type of procedure to sewage sludge. Basically, to achieve phosphorus extraction from organic wastes is necessary to carry out an extraction in acidic conditions, which is usually developed using chemical reagents. This study explores the generation of the acidic medium necessary for the phosphorus extraction through a fermentation process, i.e., biotically. To this end, organic wastes were incubated with a simple sugar source and a suspension of the lactic acid bacterium Lactobacillus acidophilus. After a centrifugation phase, struvite was precipitated from the recovered liquid phase by dosing MgCl2 and NaOH. Through the procedure implemented, a mixture of recovered phosphorus minerals mainly based on struvite were obtained, which was confirmed by X-ray diffraction. Later, the recovered phosphorus materials obtained were validated in the model crop used in the previous assay (lettuce) through a pot trial under controlled production conditions during two consecutive crop cycles, evaluating the effect of the type of phosphorus source used and the influence on phosphorus availability of an abiotic factor, soil pH, and a biotic factor, the soil inoculation with phosphorus solubilizing bacteria (PSB). The results obtained highlights the potential of the organo-mineral fertilizers with organic waste-derived phosphorus sources as alternative substitutes for conventional inorganic phosphorus sources, since these materials showed similar effects on the yield and quality of the lettuce crop, as well as in relation to the available phosphorus and the soil enzymatic activities related to the soil phosphorus mineralization. On the other hand, the abiotic factor (soil pH) had a clear effect on the plant yield and quality, with best results in acidic conditions. However, the PSB inoculation seemed not to have a clear effect across the two growing cycles in the parameters studied in the plant and in the soil.