Investigadores del Centro de Investigación de Ciencias Ecoambientales (RCEES) de la Academia China de Ciencias han desarrollado una tecnología sostenible para reducir selectivamente el nitrato a amonio.
Por Li Yali, Academia China de Ciencias
Esta innovación ofrece tres beneficios: aumenta la producción de arroz, reduce el uso de fertilizantes y mitiga la contaminación por nitratos en las aguas subterráneas. Los hallazgos se publicaron recientemente en Proceedings of the National Academy of Sciences .
El amoníaco es una sustancia química vital que se utiliza en la producción de fertilizantes y es un potencial portador de energía de alta densidad. Históricamente, su producción ha dependido en gran medida del proceso Haber, que consume mucha energía (N 2 + 3H 2 → 2NH 3 ), que genera más de 420 millones de toneladas de CO 2 al año, equivalentes al 1%–2% de las emisiones energéticas mundiales. Mientras tanto, el uso excesivo de fertilizantes y el vertido de aguas residuales industriales han provocado una grave contaminación por nitratos (NO 3 – ), lo que plantea riesgos significativos para la salud humana y la estabilidad ecológica.
En los últimos años, la producción de amoniaco mediante la reducción electroquímica de nitratos ha surgido como una alternativa ecológica. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones actuales se llevan a cabo en condiciones de pH extremas (ya sea fuertemente ácidas o fuertemente alcalinas), mientras que pocos estudios exploran condiciones neutras. Esta limitación surge de la débil afinidad interfacial del nitrato a pH neutro, lo que conduce a una baja eficiencia de reducción.
Inspirándose en la amplia presencia de iones Fe (II) en la naturaleza, los investigadores del RCEES desarrollaron una estrategia de regulación in situ para las interfaces sólido-líquido (véase la figura 1). FeOOH, un óxido de hierro hidroxilado común, actúa como fuente de Fe y genera una capa de iones Fe (II) in situ tras estimulación eléctrica. Este proceso limita la repulsión electrostática y mejora la agregación de iones de nitrato en la interfaz, lo que mejora significativamente la eficiencia de reducción de nitrato.
El arroz es uno de los tres cultivos básicos del mundo, junto con el trigo y el maíz, y alimenta a más de la mitad de la población mundial. Depende del amonio como fuente principal de nitrógeno. En los arrozales , el agua de riego suele contener abundante nitrato. Para mejorar la absorción de nitrógeno y reducir la dependencia de fertilizantes químicos, los investigadores propusieron una estrategia de conversión de nitrato en amonio (véase la figura 2).
Esta conversión es particularmente crítica durante la etapa de macollamiento, cuando el arroz absorbe más del 90% de sus requerimientos de nitrógeno. Los experimentos de laboratorio en macetas mostraron que este enfoque aumentó los rendimientos del arroz en más del 20% y redujo el uso de fertilizantes en un 50%, lo que representa una mejora significativa con respecto a la práctica convencional.
Sin embargo, el nitrato tiende naturalmente a reducirse a gas nitrógeno en lugar de amonio, lo que presenta un gran desafío. Para abordar este problema, los investigadores se basaron en hallazgos previos sobre FeOOH para introducir un catalizador de hierro de un solo átomo en su sistema electroquímico.
Este catalizador demostró una capacidad de reducción excepcional, logrando una selectividad de más del 90 % para convertir nitrato en amonio. Además, los investigadores utilizaron tecnología avanzada de rastreo de isótopos de 15 N para confirmar que más del 80 % del nitrógeno del nitrato ambiental fue absorbido por el arroz, lo que garantiza un suministro sostenible de nitrógeno para el cultivo.
Dado que la eficiencia de utilización del nitrógeno de los fertilizantes químicos en el arroz es de tan solo el 30%–40%, gran parte del nitrógeno de los arrozales se filtra en las aguas subterráneas en forma de nitrato, lo que plantea importantes riesgos para la seguridad del agua potable. Sin embargo, la reducción selectiva del nitrato ambiental a amonio desarrollada por RCEES ofrece una solución innovadora a este problema.
Al convertir el nitrato «dañino» en amonio «beneficioso», este método evita que más del 70% del nitrato se filtre a las aguas subterráneas, al tiempo que mejora la absorción de nitrógeno por parte del arroz y reduce la necesidad de aportes externos de nitrógeno.
Los análisis de costo-beneficio muestran que este enfoque reduce los costos en un 19% y aumenta los ingresos en un 27% en comparación con la fertilización tradicional con urea. Estos hallazgos resaltan la capacidad de la tecnología para mejorar simultáneamente la seguridad alimentaria y promover la sostenibilidad ambiental.
Dirigido por los investigadores Zhu Guibing y Liu Chunlei del RCEES, este estudio marca el primer uso de tecnología electroquímica para tratar el agua de riego agrícola , allanando el camino para soluciones innovadoras que mejoran la productividad agrícola al tiempo que preservan los recursos naturales.
Más información: Chunlei Liu et al, Reducción electrocatalítica de nitratos mediante átomos individuales de hierro para el suministro sostenible de amonio con el fin de aumentar el rendimiento del arroz, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI: 10.1073/pnas.2408187121
