Tom Fernández, profesor del Departamento de Horticultura de la MSU, ha pasado gran parte de sus 25 años de carrera en la MSU estudiando cómo gestionar eficazmente el agua en invernaderos y viveros para aumentar la eficiencia del uso del agua y reducir la escorrentía de nutrientes.
Por Jack Falinski, Universidad Estatal de Michigan
Fernández ha desarrollado estrategias de gestión para garantizar que los insumos agrícolas, como fertilizantes y pesticidas, no se desvíen de sus destinos previstos, dañando el medio ambiente circundante y disminuyendo la calidad del agua.
Según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, anualmente se aplican a los cultivos alrededor de medio millón de toneladas de pesticidas, 12 millones de toneladas de fertilizantes nitrogenados y 4 millones de toneladas de fósforo. La escorrentía de estos insumos contribuye a algunas de las principales presiones sobre la calidad del agua .
En invernaderos y viveros, es fácil regar en exceso muchas plantas porque los recipientes en los que se encuentran permiten que el agua se escurra fácilmente. Fernández ha descubierto que al aplicar agua en función del uso diario de agua de una planta, el riego se puede reducir entre un 30% y un 80% según la especie, y los productores pueden conservar agua y reducir la escorrentía de nutrientes de la mezcla para macetas.
Además de minimizar la escorrentía de nutrientes de los fertilizantes, como nitratos y fosfatos, Fernández también ha examinado cómo disminuir el movimiento de pesticidas desde el suelo y áreas no objetivo.
Los pesticidas se rocían por encima de las plantas, por lo que llegan a espacios no previstos, como los huecos entre las plantas o la cubierta vegetal de los invernaderos y viveros. Cuando se aplica riego por encima, los pesticidas que se encuentran en estos espacios pueden desplazarse con el agua y afectar a su calidad.
Fernández dijo que, al igual que se redujo el movimiento de nutrientes de los fertilizantes en el suelo, aplicar menos agua a las plantas puede ayudar a mitigar el movimiento de los pesticidas en el suelo y desde superficies no deseadas. También dijo que el riego por microriego de macetas individuales con estacas rociadoras, que dispersan el agua sobre los recipientes individuales, demostró reducir significativamente la escorrentía superficial de los pesticidas.
«El tiempo realmente está de nuestra parte cuando pensamos en nutrientes y pesticidas», dijo Fernández. «Cuanto más tiempo evitemos que entren en los sistemas hídricos , más les puede pasar biológicamente y no causan problemas».
Con estas estrategias, Fernández afirmó que se logró una mejor comprensión de cómo regar las plantas en contenedores sin promover la escorrentía. Desde entonces, ha asumido un nuevo proyecto: estudiar cómo tratar el agua utilizada en la producción abordando la cantidad de nutrientes y pesticidas que contiene después de su aplicación.
A partir de 2018, Fernández y Gemma Reguera, decana asociada de asuntos de la facultad y desarrollo en la Facultad de Ciencias Naturales de la MSU y profesora del Departamento de Microbiología, Genética e Inmunología, comenzaron a examinar cómo los nutrientes de los fertilizantes interactúan con los biorreactores, así como en qué medida los biorreactores los separan del agua utilizada en los invernaderos, una tarea originalmente estudiada por el ex estudiante de doctorado de Fernández, Damon Abdi, ahora profesor asistente de horticultura en la Universidad Estatal de Luisiana.
¿Cómo son estos biorreactores?
«Tienen un nombre elegante, pero en realidad son sólo grandes cubos de astillas de madera», dijo Fernández.
Fernández dijo que originalmente desarrollaron un sistema de biorreactor de dos etapas compuesto de astillas de madera, que convierten los nitratos en gas nitrógeno, y arcilla expandida con calor, que le da al fósforo de los fosfatos una gran superficie a la cual unirse cuando el agua corre a través de él.
Las investigaciones demostraron que, al hacer pasar agua por el sistema, se podía extraer más del 95 % de los nitratos y descomponer y eliminar entre el 80 % y el 87 % de los fosfatos. Fernández y su equipo descubrieron que la actividad se producía principalmente en las astillas de madera, por lo que la segunda etapa del biorreactor que utilizaba arcilla expandida por calor se ha interrumpido desde entonces.
Esta función del biorreactor es fundamental para el agua que no se puede reutilizar en las operaciones, ya que reduce la posibilidad de que los nutrientes se descarguen y contaminen el medio ambiente. Sin embargo, muchos invernaderos y viveros modernos funcionan con sistemas de agua de circuito cerrado en los que el agua se mantiene dentro de las instalaciones y, a menudo, se recicla en la producción.
Fernández dijo que en el caso del agua reciclada, ha recibido consultas sobre el potencial de reciclar nutrientes en el biorreactor y al mismo tiempo reducir la presencia de pesticidas.
«Nuestros socios querían eliminar los pesticidas pero mantener los nutrientes en el agua porque ellos están pagando por ellos; eso es fertilizante», dijo Fernández.
Para mantener los nutrientes en el agua, el agua debe pasar por el biorreactor a un ritmo más rápido. Cuando esto sucede, el biorreactor tiene menos tiempo para volverse anaeróbico (un estado sin oxígeno), lo que evita que los nutrientes, como los nitratos, se desgasifiquen.
Después de modificar el biorreactor para permitir que el agua se mueva a través de él a un ritmo de alrededor de 4 horas en lugar de 72 horas, que era aproximadamente el tiempo que tardaban los nutrientes en eliminarse del agua, Fernández dijo que su equipo ha podido reciclar entre el 90% y el 100% de los nutrientes del agua para usarlos nuevamente en la producción.
Fernández y Reguera también observaron que cuando los pesticidas pasaban por el biorreactor, no afectaban la funcionalidad de los microorganismos que trabajaban dentro del sistema. De hecho, descubrieron que, dependiendo de la movilidad de cada pesticida en el agua, el biorreactor podía reducir la cantidad total de pesticidas en el agua entre un 30% y un 75%.
«En nuestros experimentos de laboratorio , descubrimos que si aplicábamos un tiempo de retención bajo (el tiempo que el agua se mantiene dentro del biorreactor), podíamos mantener los nutrientes en la corriente de agua y eliminar muchos de los pesticidas», dijo Fernández.
Amy Upton, directora ejecutiva de la Asociación de Viveros y Paisajismo de Michigan, dijo que los datos de la investigación de Fernández y su equipo ayudan a las industrias de invernaderos y viveros a comercializar su producción de agua limpia, y las demostraciones prácticas ofrecidas por el equipo ayudan a los productores a evaluar y adoptar estas tecnologías.
«La calidad y la seguridad del agua son de vital importancia para las industrias de viveros e invernaderos», afirmó Upton. «La investigación del Dr. Fernández y su equipo no solo aborda la calidad y la seguridad, sino que también incorpora aspectos importantes como sustratos mejorados sin suelo que optimizan la retención de agua y nutrientes y tecnologías de tratamiento probadas a escala que reducen los pesticidas y patógenos en las fuentes de agua.
Este será el tercer año en que Fernández y su equipo, incluidos los estudiantes de doctorado Henry González y Marcela Tabares, monitorean el desempeño de los biorreactores dentro de una operación de invernadero a gran escala.
Fernández dijo que, utilizando tanques de agua de 300 y 600 galones como contenedores del biorreactor, actualmente están estudiando cómo los pesticidas se degradan de manera diferente en condiciones anaeróbicas (sin oxígeno) y aeróbicas (con oxígeno), con la esperanza de que la información recopilada pueda avanzar aún más en el grado en el que los pesticidas pueden eliminarse del agua.
«Es realmente la primera vez que tengo conocimiento de que alguien ha utilizado este tipo de sistema para biorreactores», dijo Fernández.
