Investigadores chinos han creado un inhibidor de nitrógeno de doble acción, el 2-ciclopenten-1-ona (CCO), que aumenta el rendimiento y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero mediante la regulación microbiana. Ensayos de campo demuestran que el CCO de origen vegetal aumenta el rendimiento del maíz y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero al alterar los genes del nitrógeno y beneficiar a microbios beneficiosos como Nocardioides y Nitrospira.
Se espera que la población mundial crezca aproximadamente un 35% en las próximas cinco décadas, lo que requerirá un aumento significativo en la producción agrícola.
Los fertilizantes nitrogenados (N) son una fuente importante de nutrientes para los cultivos, pero deben aplicarse de forma responsable. Cabe destacar que la tasa promedio de aplicación de fertilizantes nitrogenados en China es más del triple que la media mundial, lo que refleja los esfuerzos por aumentar el rendimiento de los cultivos. Sin embargo, no todo el nitrógeno llega a las plantas, y el exceso de nitrógeno causa graves problemas ambientales.
Estos impactos incluyen la acidificación del suelo, la contaminación del agua (por ejemplo, la contaminación por nitratos (NO 3 – -N) y amonio (NH 4 + -N)), la contaminación del aire (por ejemplo, las emisiones de amoníaco (NH 3) y óxido de nitrógeno (NO x )) y las emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente óxido nitroso (N 2 O).
Además, la aplicación excesiva de nitrógeno acelera la disminución global de la materia orgánica del suelo (MOS). En consecuencia, mejorar la eficiencia del uso de fertilizantes nitrogenados se ha convertido en un importante desafío global, especialmente para China.
El uso de aditivos nitrogenados, como inhibidores de la ureasa y de la nitrificación, ofrece una alternativa más simple y rentable que las estrategias complejas de gestión del nitrógeno.
En comparación con los fertilizantes convencionales, los inhibidores de ureasa aumentan la eficiencia del fertilizante nitrogenado al retrasar la hidrólisis de la urea.
Los inhibidores de la nitrificación mejoran la eficiencia del uso del nitrógeno (EUN) y el rendimiento de los cultivos al retardar la conversión de NH 4 + -N a NO 3 – -N durante la nitrificación y reducir la desnitrificación posterior en el suelo.
Para regular todo el proceso de conversión de nitrógeno, el uso combinado de estos inhibidores ha atraído un considerable interés investigador debido a sus resultados.
Por ejemplo, la combinación de urea con el inhibidor de la ureasa triamida N-butiltiofosfórica (NBPT) o el inhibidor de la nitrificación ácido 3,4-dimetilpirazolilsuccínico (DMPSA) mantuvo rendimientos y un uso de N comparables, al tiempo que redujo significativamente las emisiones de NH3 y N2O.
Un equipo de científicos del Instituto de Ecología Aplicada de la Academia China de Ciencias ha presentado un nuevo aditivo fertilizante de doble propósito respetuoso con el medio ambiente (que aumenta el rendimiento de los cultivos y reduce las emisiones) y que podría funcionar igualmente bien en condiciones normales, lluviosas o semiáridas.
Con el rápido desarrollo de la agricultura verde, existe un creciente interés en nuevos materiales de origen vegetal como soluciones sostenibles para mitigar la nitrificación del suelo y la pérdida de N.
Los investigadores se centran cada vez más en estas estrategias, lo que ha dado lugar a descubrimientos significativos. Por ejemplo, los pastos o praderas dominados por especies microbianas nitrificantes biogénicas muestran tasas de nitrificación del suelo correspondientemente bajas.
El CCO, un compuesto derivado de la manzanilla, es un prometedor inhibidor de origen vegetal.
El CCO inhibe la ureasa al ocupar su sitio activo y quelar los iones de cobre en el sitio activo de la amoníaco monooxigenasa, inhibiendo así tanto la actividad de la ureasa como la nitrificación.
Sin embargo, a pesar de su potencial, la mayoría de los estudios sobre el CCO se limitan a entornos de laboratorio. Se carece de ensayos de campo sistemáticos, y los mecanismos moleculares de sus interacciones con los microorganismos del suelo siguen siendo inciertos. Esto pone de manifiesto una grave brecha de conocimiento y la necesidad de mayor investigación para aprovechar al máximo el potencial del CCO y otros materiales de origen vegetal en las prácticas agrícolas ecológicas.
Para abordar estas lagunas de conocimiento, investigadores de la Academia de Ciencias de China realizaron un experimento de campo con maíz en la Estación Nacional de Observación del Agroecosistema en Shenyang, provincia de Liaoning, ubicada en la llanura de Liaohe.
El experimento de campo fue diseñado para (i) caracterizar los patrones de emisión de NH3 y gases de efecto invernadero incluyendo metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y N2O después de la aplicación de diferentes inhibidores y (ii) dilucidar los mecanismos biológicos subyacentes a la volatilización de NH3 y las emisiones de gases de efecto invernadero mediante el análisis de la abundancia relativa de genes relacionados con el ciclo del nitrógeno y la diversidad microbiana utilizando secuenciación metagenómica; análisis metagenómico de las funciones del ciclo biogeoquímico con un enfoque en las vías del carbono, nitrógeno, fósforo y azufre; y modelado de vías.
El experimento incluyó cuatro tratamientos, cada uno con tres réplicas: (i) control (sin fertilizante); (ii) fertilizante químico (NPK); (iii) NPK con inhibidores convencionales NBPT y DMPP (NPK+ND) y (iv) NPK con CCO (NPK+CCO).
Los resultados mostraron que los tratamientos con CCO y ND aumentaron eficazmente el rendimiento y redujeron las emisiones.
En comparación con el tratamiento NPK, el tratamiento con CCO redujo significativamente las emisiones de NH3, N2O y CO2 en un 11,4%, 9,9% y 12,8%, respectivamente, y aumentó la absorción de CH4 en 27,32 g ha-1.
Además, el tratamiento con ND reguló eficazmente la abundancia relativa y la estructura de las comunidades microbianas asociadas con genes como amoB, nirS y nisK.
Por el contrario, el tratamiento con CCO actuó más específicamente sobre genes como norB y nirD.
La adición de CCO afectó significativamente a los microorganismos objetivo, incluidos Nocardioides y Nitrospira , al aumentar la abundancia bacteriana y mejorar la competencia en la comunidad.
Por lo tanto, se suprimió el metabolismo microbiano del suelo, especialmente la desnitrificación, lo que redujo las emisiones de gases de efecto invernadero y aumentó el rendimiento del maíz. Estos resultados proporcionan información valiosa para evaluar los mecanismos de retención de nutrientes de nuevos inhibidores y las estrategias de mitigación de gases de efecto invernadero.
En pocas palabras, el CCO aumenta el rendimiento del maíz y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero; altera los genes del nitrógeno para beneficiar a microbios como Nocardioides y Nitrospira ; mejora la salud del suelo y promueve su estabilidad a largo plazo. Es comparable a los inhibidores tradicionales, pero superior en su eficacia a largo plazo para reducir el NH₃ y las emisiones de gases de efecto invernadero.
Fuente: Academia China de Ciencias . DOI: 10.1016/j.still.2025.106668
Autores: Yaqun Li, Ruyuan Lian, Wenyu Wang, Kong Zhang, Zhi Quan, Kai Liu, Jingyuan Li, Dongwei Li, Daijia Li, Lily Zhang, Jie Li.
