Investigadores de la Universidad Estatal de Dakota del Sur trabajan con bacterias capaces de fijar nitrógeno usando luz solar para producir biofertilizantes más sostenibles
Redactor: Javier Morales O.
Editor: Karem Díaz S.
Hace miles de millones de años, cuando la Tierra todavía no tenía oxígeno en su atmósfera, un grupo de bacterias microscópicas comenzó a transformar el planeta. Esos organismos, conocidos hoy como cianobacterias, tenían una capacidad decisiva: podían usar luz solar y agua para liberar oxígeno y generar energía química. Con el tiempo, ese proceso cambió la atmósfera terrestre y abrió el camino para la vida tal como se conoce hoy.
Ahora, investigadores de la Universidad Estatal de Dakota del Sur trabajan con esas mismas bacterias antiguas para responder a uno de los grandes desafíos de la agricultura moderna: reducir la dependencia de fertilizantes nitrogenados sintéticos, cuyo coste económico y ambiental sigue siendo elevado.
El proyecto está liderado por Ruanbao Zhou, profesor y director del BioNitrogen Economy Research Center, un centro respaldado por la National Science Foundation. La iniciativa reúne a científicos de South Dakota State University, South Dakota Mines, University of South Dakota, Oglala Lakota College y Houdek, con el objetivo de aprovechar el potencial de las cianobacterias para producir fertilizantes ricos en nitrógeno de forma más sostenible.
El problema del amoníaco en la agricultura
El nitrógeno representa cerca del 78% de la atmósfera terrestre, pero las plantas no pueden usarlo directamente en su forma gaseosa. Para sostener la producción agrícola a gran escala, el sector depende de fertilizantes nitrogenados, especialmente derivados del amoníaco.
La producción mundial usa más de 130 millones de toneladas métricas de amoníaco para fertilizantes nitrogenados, y la demanda podría seguir aumentando a medida que crecen la población y la necesidad de alimentos. El proceso industrial dominante para producir amoníaco es Haber-Bosch, desarrollado hace más de un siglo, y permitió incrementar de forma decisiva la capacidad de producción agrícola.
Sin embargo, este proceso tiene un coste ambiental importante. Requiere gas natural, consume mucha energía y genera emisiones. El artículo original señala que por cada tonelada de amoníaco producida se emiten aproximadamente 1,8 toneladas de dióxido de carbono. Además, la producción de amoníaco representa alrededor de 1,2% de las emisiones globales, de acuerdo con datos citados por el Foro Económico Mundial.
El uso excesivo de fertilizantes nitrogenados también puede afectar ríos, lagos y arroyos. Cuando el nitrógeno llega a cuerpos de agua, puede provocar eutrofización, floraciones de algas tóxicas, contaminación y muerte de vida acuática. Por eso, la búsqueda de alternativas se ha convertido en una prioridad científica y agrícola.
Cianobacterias que fijan nitrógeno con luz solar
La propuesta de Zhou parte de una capacidad natural de las cianobacterias: algunas cepas pueden convertir nitrógeno atmosférico en formas utilizables, como el amoníaco, mediante fijación biológica. Esta función las convierte en candidatas para desarrollar biofertilizantes capaces de reducir la presión sobre los fertilizantes sintéticos.
El equipo estudia cepas capaces de sobrevivir en condiciones difíciles. Tres años antes del trabajo difundido, Zhou y sus colegas Lan Xu y Liping Gu recolectaron muestras en el Parque Nacional Badlands, en Dakota del Sur, buscando cianobacterias microscópicas que resistieran ambientes similares a la sequía.
Las cianobacterias pueden encontrarse en ambientes muy distintos, desde hielo ártico hasta aguas termales. Algunas tienen la capacidad de usar la luz solar como fuente de energía y fijar nitrógeno a temperatura ambiente y presión atmosférica, una diferencia notable frente al proceso Haber-Bosch, que requiere temperaturas de entre 400 y 550 °C y presiones de 150 a 200 atmósferas.
Esta línea de investigación conecta con el creciente interés por los biofertilizantes basados en cianobacterias, que ya han sido estudiados como alternativa para mejorar suelos, reducir costes y aprovechar procesos biológicos naturales.
Heterocistos: pequeñas fábricas de nitrógeno
Una parte clave del funcionamiento de estas bacterias está en unas células especializadas llamadas heterocistos. Cuando las cianobacterias detectan escasez de nitrógeno, algunas células del filamento se transforman en heterocistos. Estas células crean condiciones internas con poco oxígeno y activan la enzima nitrogenasa, responsable de convertir nitrógeno atmosférico en formas aprovechables.
Zhou explica que aproximadamente 10% de las células se convierten en heterocistos, distribuidas a intervalos semirregulares dentro de los filamentos. Esa organización permite que las cianobacterias realicen al mismo tiempo fotosíntesis oxigénica y fijación de nitrógeno, dos procesos que normalmente pueden entrar en conflicto por la sensibilidad de la nitrogenasa al oxígeno.
El desafío es que el proceso natural no produce todavía suficientes nutrientes para sostener cultivos a gran escala. Para superar esa limitación, el equipo está identificando genes clave relacionados con la fijación de nitrógeno mediante modelos de inteligencia artificial y secuenciación genómica.
Los genes nif, responsables de codificar el complejo de la nitrogenasa, son uno de los objetivos centrales. Con herramientas de biología sintética e inteligencia artificial, los investigadores buscan crear cepas de cianobacterias más eficientes en fijación de nitrógeno, fotosíntesis y resistencia a condiciones ambientales adversas.
Del laboratorio al invernadero
En los invernaderos de la Universidad Estatal de Dakota del Sur, Zhou ha realizado experimentos con plantas de trigo cultivadas con distintas cepas de fertilizantes basados en cianobacterias y con fertilizantes sintéticos estándar. Las plantas alcanzaron alturas y apariencias similares, lo que para el equipo sugiere que las cianobacterias pueden ser una opción viable como biofertilizantes.
El avance no depende solo de la biología. También requiere tecnología para producir biomasa en grandes cantidades. Por eso, Lin Wei, profesor del Departamento de Ingeniería Agrícola y de Biosistemas de la universidad, trabaja en equipos que permitan escalar la producción.
En laboratorio, las cianobacterias se cultivan en fotobiorreactores cerrados, donde se controlan luz, gases y nutrientes. Pero esos sistemas apenas permiten volúmenes de 15 a 20 litros. Para acercarse a una escala agrícola, el equipo construyó un fotobiorreactor tipo “raceway pond”, con forma ovalada, capaz de producir entre 400 y 500 litros.
Después de tres meses de cultivo de una cepa seleccionada, el equipo diseñó una máquina para cosechar la biomasa. El sistema, llamado Cyanobacterial Biomass Harvester, incluye tambor rotatorio, separador, lavado y componente de vacío para secado. El producto final sería una biomasa seca de color verdoso, convertida en polvo para aplicar sobre los campos.
Un biofertilizante vivo para el suelo
La idea del equipo es que, en lugar de aplicar fertilizante de nitrato de amonio dos o tres veces durante la temporada de crecimiento, el agricultor pueda aplicar una sola vez un polvo rico en cianobacterias. Estas bacterias fijarían nitrógeno desde el aire y aportarían nutrientes al suelo durante el desarrollo del cultivo.
Zhou sostiene que las cianobacterias fijadoras de nitrógeno pueden liberar nitrógeno biodisponible en el suelo mediante su actividad sobre la superficie del suelo o de las hojas, creando un ambiente más favorable para el crecimiento de los cultivos y mejorando la salud del suelo.
Este enfoque se relaciona con una línea más amplia de investigación sobre microorganismos del suelo y futuro agrícola, donde bacterias, hongos y otros organismos son vistos como aliados de la fertilidad, la estructura del suelo y la sostenibilidad productiva.
El biofertilizante podría ser especialmente útil en regiones con suelos deficientes en nitrógeno o donde los fertilizantes convencionales resultan caros o difíciles de conseguir. En esas condiciones, una fuente biológica de nitrógeno podría mejorar la disponibilidad de nutrientes y optimizar rendimientos con menor dependencia de insumos industriales.
Un mercado potencial de miles de millones
El potencial económico también es relevante. El mercado global del amoníaco podría alcanzar 313.000 millones de dólares anuales para 2030. Si los bioproductos basados en cianobacterias captaran apenas 1% de ese mercado, podrían representar alrededor de 3.000 millones de dólares.
John Blanton Jr., director de la South Dakota Agricultural Experiment Station y decano asociado de investigación del College of Agriculture, Food and Environmental Sciences de la universidad, considera que la visión del BioNitrogen Economy Research Center puede reducir costes para productores, crear nuevas industrias de biomanufactura y abrir oportunidades laborales STEM de alta calidad en Dakota del Sur.
La investigación también coincide con otros avances que exploran el papel de los microorganismos para mejorar la producción agrícola. En Mundo Agropecuario se ha seguido cómo los hongos del suelo pueden reducir fertilizantes sintéticos, una señal de que la fertilidad biológica está ganando espacio frente a enfoques basados únicamente en insumos químicos.
Más allá de los fertilizantes
La producción de fertilizantes es el primer foco del proyecto, pero Zhou considera que las cianobacterias pueden tener aplicaciones más amplias. El investigador plantea una economía del bionitrógeno impulsada por luz solar, gas nitrógeno y bacterias capaces de transformar recursos abundantes en productos útiles.
Una de las líneas futuras más llamativas es la producción de biofuels. El equipo ya ha desarrollado “cyanofactories”, es decir, cianobacterias modificadas genéticamente capaces de convertir aire y agua en moléculas de combustible, como limoneno y linalool, con potencial para combustibles de aviación.
Las cianobacterias también producen hidrógeno como subproducto de la fijación biológica de nitrógeno. Aunque esta línea se encuentra en una etapa muy temprana, el hidrógeno podría combinarse en el futuro con otros elementos o compuestos para generar un biocombustible relativamente limpio.
La investigación muestra que la respuesta al desafío de los fertilizantes no necesariamente llegará de una sola tecnología. Puede surgir de la combinación entre microbiología, ingeniería genética, inteligencia artificial, fotobiorreactores y manejo del suelo. En esa convergencia también se ubican estudios sobre bacterias del suelo como aliadas naturales, que refuerzan la idea de una agricultura más apoyada en procesos biológicos.
Una transición desde el carbono hacia el bionitrógeno
Zhou plantea una reflexión más amplia: aunque el nitrógeno es 2.000 veces más abundante que el carbono en la atmósfera, la economía moderna se ha organizado alrededor de combustibles fósiles baratos y no renovables. Esa dependencia tiene límites ambientales, económicos y energéticos.
Su propuesta es avanzar hacia una economía del bionitrógeno alimentada por luz solar, nitrógeno atmosférico y cianobacterias. En la práctica, eso significaría utilizar organismos capaces de fijar nitrógeno y producir biomasa para crear fertilizantes, combustibles y otros bioproductos con menor dependencia de recursos fósiles.
La investigación todavía enfrenta retos de eficiencia, escala, regulación y adopción por parte de agricultores. Pero el trabajo de la Universidad Estatal de Dakota del Sur muestra que organismos que transformaron la Tierra hace miles de millones de años podrían volver a tener un papel decisivo, esta vez en la búsqueda de una agricultura más sostenible, menos dependiente del gas natural y más conectada con los procesos vivos del suelo.
Fuente(s) referenciales
Phys.org. Can ancient bacteria help solve one of agriculture’s biggest challenges? Publicado el 12 de junio de 2026. https://phys.org/news/2026-06-ancient-bacteria-agriculture-biggest.html
