El arroz es un alimento básico de la seguridad alimentaria mundial. Sin embargo, el uso excesivo de fertilizantes químicos ha provocado la acumulación de nitratos en el agua de riego de los campos de arroz, que es una de las principales fuentes de contaminación mundial de las aguas subterráneas por nitratos.
Investigadores chinos han propuesto una estrategia innovadora que utiliza tecnología electroquímica para proporcionar un suministro sostenible de amonio a partir del agua de riego de los campos de arroz para fertilizar el arroz, aumentando el rendimiento del arroz en un 30,4% y evitando que más del 70% de los nitratos se filtren al agua subterránea.
Esta estrategia conceptual ofrece oportunidades para aumentar el rendimiento de los cereales y al mismo tiempo garantizar agua potable segura procedente de aguas subterráneas.
Científicos del Centro de Investigación de Ciencias Ecoambientales (RCEES) de la Academia de Ciencias de China han desarrollado una tecnología sostenible para reducir selectivamente el nitrato a amonio. Esta innovación ofrece tres beneficios: aumenta el rendimiento del arroz, reduce el uso de fertilizantes y mitiga la contaminación por nitratos en las aguas subterráneas. Los resultados se publicaron recientemente en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, dijo Li Yali en un comunicado de la Academia de Ciencias de China.
El amoníaco es una sustancia química vital utilizada en la producción de fertilizantes y un potencial portador de energía de alta densidad. Históricamente, su producción ha dependido en gran medida del proceso Haber Bosch, que consume mucha energía (N 2 +3H 2 →2NH 3), que genera más de 420 millones de toneladas de CO 2 al año, lo que equivale a entre el 1 % y el 2 % de las emisiones energéticas mundiales. Mientras tanto, el uso excesivo de fertilizantes y la descarga de aguas residuales industriales han provocado una grave contaminación por nitratos (NO 3 -), lo que plantea riesgos importantes para la salud humana y la estabilidad ambiental.
En los últimos años, la producción de amoníaco mediante la reducción electroquímica de nitratos se ha convertido en una alternativa ecológica. Sin embargo, la mayoría de los estudios actuales se realizan en condiciones de pH extremas (fuertemente ácidas o fuertemente alcalinas), mientras que pocos estudios examinan condiciones neutras. Esta limitación surge de la débil afinidad interfacial del nitrato a pH neutro, lo que resulta en una baja eficiencia de reducción.
Inspirándose en la presencia generalizada de iones Fe(II) en la naturaleza, los investigadores del RCEES han desarrollado una estrategia de control in situ para interfaces sólido-líquido (ver Figura 1). FeOOH, un óxido de hierro hidroxilado común, sirve como fuente de Fe al generar una capa in situ de iones Fe (II) tras la estimulación eléctrica. Este proceso limita la repulsión electrostática y mejora la agregación de iones nitrato en la interfaz, aumentando significativamente la eficiencia de la reducción de nitrato.
Arroz. 1. Nueva estrategia de control de interfaz para alto rendimiento de amoníaco. Autor: Liu Chunlei.
El arroz es uno de los tres principales cultivos del mundo -junto con el trigo y el maíz- y alimenta a más de la mitad de la población mundial. Depende del amonio como principal fuente de nitrógeno. En los campos de arroz, el agua de riego suele contener altos niveles de nitrato. Para mejorar la absorción de nitrógeno y reducir la dependencia de los fertilizantes químicos, los investigadores han propuesto una estrategia para convertir el nitrato en amonio (ver Figura 2).
Arroz. 2. Autor: Liu Chunlei.
Esta transformación es especialmente importante durante la etapa de macollamiento, cuando el arroz absorbe más del 90% de sus reservas de nitrógeno. Los experimentos de laboratorio en macetas demostraron que este enfoque aumentó el rendimiento del arroz en más del 20% y redujo el uso de fertilizantes en un 50%, una mejora significativa con respecto a la práctica tradicional.
Sin embargo, el nitrato tiende naturalmente a reducirse a gas nitrógeno en lugar de amonio, lo cual es un problema grave. Para resolver este problema, los investigadores se basaron en hallazgos anteriores sobre FeOOH para introducir un catalizador de hierro monoatómico en su sistema electroquímico.
Este catalizador demostró una capacidad de reducción excepcional, logrando una selectividad superior al 90 % para convertir nitrato en amonio. Además, los investigadores utilizaron tecnología avanzada de seguimiento de isótopos 15N para confirmar que más del 80% del nitrógeno de nitrato ambiental fue absorbido por el arroz, proporcionando un suministro sostenible de nitrógeno para el cultivo.
Debido a que la eficiencia del arroz en la utilización del nitrógeno procedente de los fertilizantes químicos es sólo del 30% al 40%, la mayor parte del nitrógeno de los campos de arroz se lixivia al agua subterránea en forma de nitrato, lo que plantea riesgos importantes para la seguridad del agua potable. Sin embargo, la reducción selectiva de 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 al agua subterránea, al tiempo que mejora la absorción de nitrógeno por el arroz y reduce la necesidad de aplicación externa de nitrógeno.
Un análisis de costo-beneficio muestra 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 resultados resaltan la capacidad de la tecnología para mejorar simultáneamente la seguridad alimentaria y promover la sostenibilidad ambiental.
Este estudio, dirigido por los investigadores Zhu Guibing y Liu Chunlei del RCEES, marca la primera aplicación de tecnología electroquímica para tratar el agua de riego en la agricultura, allanando el camino para soluciones innovadoras que aumentan la productividad agrícola y al mismo tiempo conservan los recursos naturales.
Fuente: Academia China de Ciencias. Autor: Li Yali.
