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 las Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
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 (N₂ + 3H₂ → 2NH₃), de alto consumo energético , que genera más de 420 millones de toneladas de CO₂ 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 causado una grave contaminación por nitratos (NO₃ – ) , lo que supone importantes riesgos para la salud humana y la estabilidad ecológica.
En los últimos años, la producción de amoníaco mediante la reducción electroquímica de nitratos se ha convertido en una alternativa ecológica. Sin embargo, la mayor parte de la investigación actual se realiza en condiciones de pH extremas (ya sea fuertemente ácidas o fuertemente alcalinas), mientras que pocos estudios exploran condiciones neutras. Esta limitación se debe a la baja afinidad interfacial del nitrato a pH neutro, lo que resulta en 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 interfaces sólido-líquido (véase la fig. 1). El FeOOH, un óxido de hierro hidroxilado común, actúa como fuente de Fe, generando una capa de iones Fe (II) in situ tras la estimulación eléctrica. Este proceso limita la repulsión electrostática y mejora la agregación de iones nitrato en la interfaz, mejorando significativamente la eficiencia de la reducción de nitratos.
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. Su principal fuente de nitrógeno es el amonio. 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 fig. 2).
Esta conversión es especialmente crítica durante la etapa de macollamiento, cuando el arroz absorbe más del 90 % de sus necesidades de nitrógeno. Experimentos de laboratorio en macetas demostraron que este enfoque incrementó el rendimiento del arroz en más de un 20 %, a la vez que redujo el uso de fertilizantes en un 50 %, lo que representa una mejora significativa con respecto a las prácticas convencionales.
Sin embargo, el nitrato tiende naturalmente a reducirse a nitrógeno gaseoso en lugar de amonio, lo que representa un gran desafío. Para abordar este problema, los investigadores se basaron en hallazgos previos sobre el FeOOH para introducir un catalizador de hierro de un solo átomo en su sistema electroquímico.
Este catalizador demostró una capacidad de reducción excepcional, alcanzando una selectividad superior al 90 % para convertir nitrato en amonio. Además, los investigadores emplearon 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, garantizando así un suministro sostenible de nitrógeno para el cultivo.
Dado que la eficiencia de utilización del nitrógeno del arroz proveniente de fertilizantes químicos es de tan solo un 30%–40%, gran parte del nitrógeno presente en los arrozales se filtra a las aguas subterráneas en forma de nitrato, lo que supone riesgos significativos 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 y 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 y el aumento del rendimiento del arroz, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI: 10.1073/pnas.2408187121
