El fertilizante de algas (o fertilizante ) es un fertilizante orgánico elaborado a partir de algas que se utiliza en la agricultura para aumentar la fertilidad del suelo y el crecimiento de las plantas. El uso de fertilizantes de algas se remonta a la antigüedad y tiene una amplia gama de beneficios para los suelos. El fertilizante de algas se puede aplicar en varias formas diferentes, incluidos extractos líquidos refinados y material orgánico seco y pulverizado. [1] [2] A través de su composición de varias moléculas bioactivas, las algas funcionan como un fuerte acondicionador del suelo , biorremediador y control biológico de plagas , y cada filo de algas ofrece varios beneficios para la salud del suelo y los cultivos. [1] Estos beneficios pueden incluir una mayor tolerancia a los estresores abióticos, una mejor textura del suelo y retención de agua y una menor aparición de enfermedades. [1] [3]
En una escala socioecológica más amplia, la acuicultura de algas y el desarrollo de fertilizantes tienen papeles importantes en el ciclo biogeoquímico de los nutrientes a través del almacenamiento de carbono y la absorción de nitrógeno y fósforo. [4] [5] La aplicación de fertilizantes de algas a los suelos también puede alterar la estructura y función de las comunidades microbianas . La acuicultura de algas tiene el potencial de producir servicios ecosistémicos al proporcionar una fuente de nutrición a las comunidades humanas y un mecanismo para mejorar la calidad del agua en los sistemas naturales y las operaciones de acuicultura. [6] [7] [8] La creciente popularidad de las prácticas agrícolas orgánicas está atrayendo cada vez más atención hacia las diversas aplicaciones de fertilizantes derivados de algas y aditivos para el suelo. Si bien la industria de fertilizantes de algas todavía está en su infancia, tiene un potencial significativo para el desarrollo económico sostenible, así como para la reducción de la escorrentía de nutrientes en los sistemas costeros. [9] Sin embargo, existen desafíos en curso asociados con el uso y la producción de fertilizantes de algas, incluida la propagación de enfermedades y especies invasoras , el riesgo de acumulación de metales pesados y la eficiencia y el refinamiento de los métodos de producción. [10] [11] [12]
“Alga” es uno de los nombres comunes que se les da a las macroalgas multicelulares, como las algas verdes ( Chlorophyta ), las algas pardas ( Phaeophyceae ) y las algas rojas ( Rhodophyta ). [6] El término alga a veces se usa para referirse a las microalgas y también a las plantas. Las algas marinas son organismos típicamente bentónicos que tienen una estructura llamada fijación, que los mantiene anclados al fondo del mar; también tienen un estípite, también conocido como tallo, y follaje en forma de hoja. [6] [13] El alga Sargassum es una excepción a esta anatomía y función, ya que no se adhiere al entorno bentónico. [14] El color de las algas marinas generalmente sigue la profundidad/luz, con algas verdes, algas pardas y algas rojas correspondientes a aguas poco profundas, moderadas y más profundas respectivamente; las algas rojas a veces se encuentran hasta a 30 metros de profundidad. [6] Las algas marinas más pequeñas crecen solo unos pocos milímetros de altura, mientras que las algas marinas más grandes crecen hasta 30 metros de profundidad. puede crecer hasta 50 metros de altura. [6] Se estima que existen 1.800 especies de algas verdes, 1.800 pardas y 6.200 rojas. Las algas pardas se conocen generalmente como kelp, pero también se conocen por otros nombres comunes como rockweed y wracks. [15] [6] Las algas rojas son el grupo más diverso de algas y, junto con las algas verdes, están más estrechamente relacionadas con las plantas terrestres, mientras que las algas pardas son las más distantemente relacionadas con las plantas terrestres. [6] Las algas se encuentran ampliamente en entornos naturales poco profundos y se cultivan tanto en el océano como en operaciones de acuicultura terrestres . [7] La mayoría de las algas pardas que se encuentran en la naturaleza son de los géneros Laminaria , Undaria , Hizikia , mientras que la mayoría de las algas pardas que se cultivan para usos tales como fertilizantes e indicación de metales pesados, son de las especies Ascophyllum , Ecklonia , Fucus , Sargassum . [7] [8] Las algas verdes que se utilizan como bioindicadores, por ejemplo para la indicación de metales pesados, son de los géneros Ulva y Enteromorpha . [11] Las algas rojas del género Poryphora, se utilizan comúnmente para la alimentación humana. [7]
El primer registro escrito del uso agrícola de las algas marinas se remonta a las antiguas civilizaciones griega y romana del siglo II, cuando los excrementos de las playas recolectados se utilizaban para alimentar al ganado y envolver las raíces de las plantas para su conservación. [16] [5] [17] Sin embargo, el análisis de isótopos estables de los dientes de ovejas prehistóricas de Orkney indica que los primeros pueblos utilizaban las algas marinas como forraje para el ganado hace más de 5000 años, y los investigadores especulan que las algas marinas recolectadas también se utilizaban como fertilizante porque se encontraron restos de cenizas de algas marinas en sitios arqueológicos. [18] [19] Estas técnicas agrícolas podrían haber sido clave para la supervivencia de los primeros asentamientos en Escocia. Los registros históricos y la evidencia arqueológica del uso de fertilizantes de algas marinas en la costa atlántica son vastos y dispersos, y abarcan desde Escandinavia hasta Portugal , desde el período neolítico hasta el siglo XX. [16] [20] [18] [5] [21] La mayoría de los detalles del uso de fertilizantes de algas provienen de las Islas Británicas , Islas del Canal , Normandía y Bretaña (Francia), donde se utilizaron diversas técnicas de aplicación a lo largo de los siglos, y algunas continúan hasta el día de hoy. Irlanda tiene una larga historia (siglo XII) de recolección de algas para fertilizar suelos postglaciales pobres en nutrientes utilizando estiércol compostado como enriquecimiento y la mayor productividad agrícola permitió que la población irlandesa creciera sustancialmente. [16] Las Islas del Canal (siglo XII) usaban una mezcla seca de algas rojas y marrones, llamada "Vraic" o " wrack ", para esparcirlas sobre los campos de patatas durante los meses de invierno para enriquecer antes de plantar el cultivo en primavera. [16] De manera similar, la gente de la costa de Normandía y Bretaña ha estado recolectando "wrack" usando rastrillos de madera desde el período neolítico, aunque la composición del fertilizante originalmente incluía todos los desechos marinos que llegaban a la costa. En Escocia , entre los siglos XVII y XIX , se cultivaban especies de Fucus colocando sustrato rocoso en las zonas intermareales para fomentar el asentamiento de algas. [16] La biomasa de algas se utilizaba luego en zanjas compostadas, donde se cultivaban cultivos (patatas, avena, trigo, cebollas) directamente en la mezcla de fertilizantes arenosos. Este método de " cama perezosa " permitía una rotación mínima de cultivos y permitía cultivar paisajes accidentados y suelos ácidos, donde el crecimiento de las plantas no era adecuado de otro modo. [18] [21]El alto valor de las algas en estas regiones provocó disputas políticas sobre los derechos de recolección y, en Irlanda, dichos derechos se establecieron antes que el propio país. [16] Estas primeras aplicaciones de fertilizantes a base de algas se limitaban a las costas, donde las macroalgas podían cosecharse en la zona intermareal o recogerse después de que una tormenta las arrastrara hasta la orilla. Sin embargo, las mezclas de restos secos o la potasa de fucus en cenizas podían transportarse más al interior porque pesan menos que las algas húmedas.
Los fertilizantes de algas marinas se extendieron hacia el interior cuando se desarrolló una industria de algas marinas en Escocia, Noruega y Bretaña en los siglos XVIII y XIX. [22] [18] La industria se desarrolló a partir de la demanda de sosa cenicienta, o potasa, que se usaba para crear vidrio y jabón, y provocó escasez para aplicaciones agrícolas en las comunidades costeras tradicionales. La potasa es un concentrado rico en potasio soluble en agua elaborado a partir de materia vegetal, por lo que también se exportaba como fertilizante. [18] Las comunidades costeras en la industria de las algas marinas se expandieron y lucharon para mantenerse al día con la demanda. [21] La temprana exportación comercial de algas marinas en Escocia devastó la agricultura tradicional en la región porque se necesitaba mano de obra intensiva durante la temporada de crecimiento de las algas marinas para cosecharlas y procesarlas, lo que llevó a una transición laboral de la agricultura al procesamiento de algas marinas. Además, la explotación de los recursos de algas marinas para la producción de potasa dejó pocas algas marinas para fertilizantes locales y las tierras costeras se volvieron más deseables que las regiones del interior. [18] [21] La industria escocesa de las algas pasó por múltiples ciclos de auge y caída, empleando a 10.000 familias y produciendo 3.000 toneladas de ceniza por año durante su apogeo. [23] [ fuente autopublicada? ] [24] [21] [18] El precio de exportación de la ceniza de algas cayó en 1822, lo que llevó a una emigración repentina de la zona porque el cultivo ya no era lo suficientemente rentable como para sostener una industria tan grande. La explotación de las algas y el procesamiento de cenizas tóxicas causaron daños ecológicos y económicos en Orkney y dejaron a muchas personas enfermas y ciegas. [21] [23] La industria de las algas se recuperó para la producción de yodo en 1845, y la producción de alginato (un agente espesante) a principios de la década de 1900, lo que revitalizó la cosecha de algas. [21]
La producción mundial de fertilizantes de algas marinas se eliminó en gran medida cuando se desarrollaron los fertilizantes químicos en la década de 1920, debido al menor costo de producción. [25] [21] [26] Los fertilizantes químicos revolucionaron la industria agrícola y permitieron que la población humana creciera mucho más allá de los límites de los métodos tradicionales de producción de alimentos. [27] [28] Los fertilizantes sintéticos siguen siendo la fuente global predominante para aplicaciones agrícolas comerciales debido al bajo costo de producción y al acceso generalizado. Sin embargo, los agricultores orgánicos a pequeña escala y las comunidades costeras continuaron con las técnicas tradicionales de algas marinas en regiones con una rica historia de algas marinas. [21] [16] El primer fertilizante líquido industrial de algas marinas, Maxicrop , fue creado por Reginald Milton en 1947. [26] La creación de fertilizantes líquidos ha permitido una aplicación más generalizada de fertilizantes derivados de algas marinas en regiones del interior y ha provocado un creciente interés agronómico en las algas marinas para una variedad de aplicaciones agrícolas, incluida la pulverización de follaje, los bioestimulantes y el acondicionamiento del suelo. [26] Curiosamente, el auge histórico de la acuicultura de algas no se alineó con la producción de fertilizantes porque los países europeos que producen fertilizantes de algas no han desarrollado una industria acuícola significativa; el cultivo de algas también está dominado actualmente por China e Indonesia, donde el cultivo se cultiva para alimentación y otros usos lucrativos. [5]
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El desarrollo de la maricultura /acuicultura moderna de algas ha permitido la expansión de la investigación sobre fertilizantes de algas y la mejora de los métodos de procesamiento desde la década de 1950. [26] Las algas se han cultivado en países asiáticos para la producción de alimentos durante siglos, pero la acuicultura de algas ahora está creciendo rápidamente en todo el mundo para su uso especializado en biocombustibles , agar , cosméticos, medicamentos y bioplásticos . [29] [10] [30] El naciente sector agrícola de las algas, que incluye alimentos para animales, aditivos para el suelo y agroquímicos , representa menos del 1% del valor global total de la acuicultura de algas. [26] Sin embargo, el interés significativo en las aplicaciones agrícolas del cultivo ha aumentado drásticamente desde 1950, ya que los usos agroquímicos especiales para los materiales de las algas se han demostrado a través de la investigación científica. [26] La creciente preocupación por el agotamiento y la degradación de los recursos marinos en el siglo pasado, junto con las amenazas del cambio climático , ha aumentado el interés mundial en soluciones sostenibles para el desarrollo económico azul de los océanos. [30] [29] [10] La acuicultura de algas se promueve como una solución para expandir el desarrollo de nuevas industrias y la seguridad alimentaria, al mismo tiempo que se restauran los ecosistemas dañados. [10] [9] A diferencia de los cultivos terrestres, el cultivo de algas no requiere tierra, alimento, fertilizantes, pesticidas ni recursos hídricos. Diferentes algas también ofrecen una variedad de servicios ecosistémicos (que se analizan a continuación), que contribuyen a la creciente popularidad de las algas como cultivo de biorremediación . [31] [32] Los fertilizantes juegan un papel importante en el desarrollo sostenible de la acuicultura de algas porque el cultivo de algas puede ayudar a aliviar la carga excesiva de nutrientes asociada con la escorrentía de fertilizantes químicos terrestres y la aplicación de fertilizantes orgánicos de algas en el suelo cierra el ciclo de nutrientes entre la tierra y el mar. [10] [32] [9] [31] Además, el fertilizante de algas se puede producir utilizando subproductos de otras industrias o materias primas que no son aptas para el consumo humano, como biomasa podrida o infectada o productos de biorresiduos de los métodos de procesamiento de carragenina. [32] [26] [33] La acuicultura de algas también es importante para apoyar el crecimiento sostenible de la industria de fertilizantes a base de algas porque limita el potencial de explotación de las algas nativas para intereses comerciales. [5] [34]Sin embargo, la naciente industria de la acuicultura de algas marinas enfrenta una serie de desafíos para el desarrollo sostenible, como se analiza a continuación. [10] Los impactos ambientales de la cosecha y producción de algas marinas deben examinarse cuidadosamente para proteger a las comunidades costeras y mantener los beneficios socioeconómicos del uso de los recursos de algas marinas en la industria. [35]
La maricultura de algas marinas con fines que incluyen la producción de fertilizantes, tiene el potencial de mejorar las condiciones ambientales en los hábitats costeros, especialmente con respecto a las floraciones de algas tóxicas, ya que las algas marinas de maricultura absorben el exceso de nutrientes que han resultado de la escorrentía, inhibiendo así el crecimiento de floraciones de algas tóxicas que dañan los ecosistemas locales. [8] Los fertilizantes de algas marinas también pueden ser más biodegradables, menos tóxicos y menos peligrosos que los fertilizantes químicos, dependiendo del tipo de fertilizante de algas marinas. [4] Las algas marinas se utilizan en operaciones de acuicultura para absorber los desechos de los peces como nutrientes y mejorar los parámetros de calidad del agua. [7] Los humanos usan las algas marinas nutricionalmente como alimento, industrialmente para alimento animal y fertilizante vegetal, y ecológicamente para mejorar las condiciones ambientales. [7] [6] [8] Las algas marinas han sido consumidas por los humanos durante siglos porque tienen excelentes perfiles nutricionales, contienen minerales, oligoelementos , aminoácidos y vitaminas , [7] y son ricas en fibra y bajas en calorías. [6] Las algas rojas tienen el mayor contenido de proteína y las algas pardas tienen el menor contenido de proteína. [6] De todas las algas rojas, Porphyra es el género más utilizado para el consumo humano. [7] Las algas pardas son tan abundantes que se utilizan principalmente para piensos y fertilizantes industriales para animales. [6] Además, actualmente se están investigando las algas como una fuente potencial de biocombustible sostenible, así como como un componente potencial del tratamiento de aguas residuales, porque algunas especies pueden absorber y eliminar metales pesados y otros tóxicos de los cuerpos de agua, y también sirven generalmente como indicadores de la calidad del agua. [7] [8] [11]
Cualquier impacto en el ecosistema por el uso de algas marinas como fertilizante para plantas y cultivos se debe principalmente a la forma en que se cosechan las algas marinas. [36] El cultivo de algas marinas a gran escala e insostenible puede conducir al desplazamiento y alteración de los hábitats nativos debido a la presencia de infraestructura agrícola en el agua y las operaciones antropogénicas diarias en el área. [36] Las algas marinas se cosechan actualmente de fuentes cultivadas, fuentes silvestres y de esfuerzos de recolección en la playa. [37] [ fuente autopublicada? ] La cosecha de algas marinas silvestres tenderá a tener impactos negativos en los ecosistemas locales, especialmente si las poblaciones existentes están sobreexplotadas y se las vuelve incapaces de proporcionar servicios ecosistémicos . [37] También existe el riesgo de que se establezcan monocultivos de algas marinas a gran escala a escala industrial en entornos bentónicos naturales, lo que conduce a la exclusión competitiva de las algas marinas y pastos marinos nativos, que habitan las profundidades debajo de las granjas de algas marinas. [36] Además, el cultivo de algas a gran escala industrial puede alterar el entorno bentónico natural en el que se establecen, al alterar parámetros ambientales como la disponibilidad de luz, el movimiento del agua, las tasas de sedimentación y los niveles de nutrientes, y debido al estrés general causado por factores antropogénicos. [36]
Las algas pardas son las más utilizadas para la producción de fertilizantes, en la actualidad e históricamente. [1] El fertilizante de algas se puede utilizar como una adición cruda al suelo como mantillo , compostado para descomponer la materia prima resistente, o secado y pulverizado para hacer que los nutrientes sean más biodisponibles para las raíces de las plantas. [1] [38] [ ¿ fuente autopublicada? ] La fertilización con compost es una técnica que cualquier granja orgánica a pequeña escala puede usar fácilmente si tiene acceso a algas marinas, [39] [ ¿ fuente autopublicada? ] aunque los extractos son más comunes para aplicaciones comerciales a gran escala. [1] Los procesos de fabricación comercial son a menudo más técnicos que las técnicas tradicionales que utilizan biomasa cruda y utilizan diferentes procesos bioquímicos para concentrar y extraer los nutrientes más beneficiosos de las algas marinas.
Se puede crear un fertilizante líquido simple fermentando hojas de algas en agua, aunque el proceso se intensifica y acelera industrialmente mediante calor y presión. [2] [26] Otros métodos para la extracción líquida incluyen una extracción suave con molienda a baja temperatura para suspender partículas finas en agua, calentando la materia prima con sodio o potasio alcalinos para extraer nutrientes y la adición de enzimas para ayudar en la descomposición bioquímica. [1] [2] La extracción de nutrientes biodisponibles de las algas crudas se logra rompiendo las paredes celulares resistentes a través de técnicas físicas, como la extracción por ultrasonidos , la ebullición o la congelación-descongelación. También se utilizan técnicas de fermentación biológica para degradar las células. [40] Las técnicas de extracción física suelen ser más rápidas, pero más caras y dan como resultado un rendimiento de cultivo más bajo en los ensayos. [40] Dado que el extracto de algas tiene propiedades quelantes que mantienen la biodisponibilidad de iones metálicos traza para las plantas, a menudo se agregan micronutrientes adicionales a la solución para aumentar el beneficio de la fertilización para cultivos específicos. [26] Las técnicas de fertilización orgánica tienen menores consecuencias ambientales en comparación con la producción de fertilizantes químicos artificiales, porque no utilizan solventes orgánicos o cáusticos agresivos para producir fertilizantes y la materia prima de las algas es un recurso renovable, a diferencia de los depósitos minerales y combustibles fósiles necesarios para sintetizar fertilizantes químicos. [1] [32] [39] El uso agrícola a gran escala de fertilizantes sintéticos agota la fertilidad del suelo y aumenta la dureza del agua con el tiempo, por lo que las tendencias recientes en el desarrollo agrícola están siguiendo un enfoque orgánico para sostener la producción de alimentos a través de una mejor gestión del suelo y técnicas de biofertilización. [41] Los extractos de algas son biofertilizantes que también se pueden utilizar como bioestimulantes, que se aplican para mejorar la eficiencia de los nutrientes y la tolerancia al estrés abiótico. [2] Se están desarrollando nuevas tecnologías de extracción para mejorar la eficiencia y apuntar al aislamiento de compuestos específicos para aplicaciones especializadas de bioestimulantes de algas, aunque las técnicas de extracción específicas son con frecuencia secretos comerciales. [2] Además, muchos procesos de extracción de fertilizantes líquidos pueden complementar otros usos industriales de las algas, como la producción de carragenina , lo que aumenta el beneficio económico del mismo cultivo de algas. [2] [33]
Para apoyar una creciente industria de acuicultura de algas marinas, muchos estudios han evaluado la dinámica del ciclo de nutrientes de diferentes especies de algas marinas, además de explorar aplicaciones de coproducción que incluyen biorremediación y secuestro de carbono. [5] [42] [43] [44] Las algas marinas pueden formar comunidades altamente productivas en regiones costeras, dominando los ciclos de nutrientes dentro de estos ecosistemas. [45] Como productores primarios, las algas marinas incorporan carbono inorgánico, luz y nutrientes (como nitrógeno y fósforo) a la biomasa a través de la fotosíntesis. [4] La recolección de algas marinas de entornos marinos da como resultado la eliminación neta de estos elementos de estos ecosistemas, además de la eliminación de metales pesados y contaminantes. [44]
Para la fotosíntesis, las algas marinas utilizan nitrógeno inorgánico, en forma de nitrato (NO 3 − ) y amonio (NH 4 + ), y nitrógeno orgánico en forma de urea . [46] La producción primaria que utiliza nitrato generalmente se considera producción nueva porque el nitrato se suministra externamente a través de afloramientos y aportes fluviales, y a menudo se ha convertido a partir de formas de nitrógeno que se liberan de la respiración biológica. Sin embargo, la producción primaria que utiliza amonio se denota como producción reciclada porque el amonio se suministra internamente a través de la regeneración por heterótrofos dentro de los ecosistemas. [46] Por ejemplo, el amonio excretado por peces e invertebrados dentro de los mismos ecosistemas costeros que las algas marinas puede respaldar la producción de algas marinas al proporcionar una fuente de nitrógeno. [47] El fósforo se suministra inorgánicamente como fosfato (PO 4 3- ) y generalmente sigue patrones estacionales similares a los del nitrato. [46] Además, las algas marinas requieren carbono inorgánico, normalmente suministrado por el medio ambiente en forma de dióxido de carbono (CO 2 ) o bicarbonato (HCO 3 − ). [48]
Al igual que otros organismos fotosintetizadores marinos como el fitoplancton , las algas marinas también experimentan limitaciones de nutrientes que afectan su capacidad de crecimiento. [4] [46] [49] El nitrógeno es el nutriente limitante más común para la fotosíntesis de las algas marinas, aunque también se ha descubierto que el fósforo es limitante. [46] La proporción de carbono inorgánico, nitrógeno y fósforo también es importante para garantizar un crecimiento equilibrado. [49] Generalmente, la proporción N:P para las algas marinas es de 30:1, sin embargo, la proporción puede diferir significativamente entre especies y requiere pruebas experimentales para identificar la proporción específica para una especie determinada. [46] [47] Explorar la relación entre el ciclo de nutrientes y el crecimiento de las algas marinas es vital para optimizar la acuicultura de algas marinas y comprender las funciones y los beneficios de las aplicaciones de las algas marinas, incluido su uso como fertilizante, biorremediador y en la economía azul. [46] [50]
Una población creciente y la intensificación de la industria y la agricultura han incrementado el volumen de aguas residuales vertidas en los ecosistemas marinos costeros. [51] [52] Estas aguas típicamente contienen altas concentraciones de nitrógeno y fósforo, y concentraciones relativamente altas de metales pesados, lo que lleva a la eutrofización de muchos ecosistemas costeros. [42] [43] [52] La eutrofización resulta de la carga excesiva de nutrientes dentro de estos ecosistemas resultante de la contaminación de las aguas que ingresan a los océanos provenientes de la industria, los alimentos para animales y los fertilizantes sintéticos, y por lo tanto sobrefertiliza estos sistemas. [42] [43] [44] La eutrofización conduce a una alta productividad en los sistemas costeros, lo que puede resultar en hipoxia costera y acidificación de los océanos , dos preocupaciones importantes para los ecosistemas costeros. [53] [54] Un servicio notable del cultivo de algas marinas es su capacidad de actuar como un biorremediador a través de la absorción y eliminación de nutrientes excesivos en los ecosistemas costeros con su aplicación a los usos de la tierra. [42] Las algas pardas, debido en parte a su gran tamaño, se han destacado por su alta productividad y la correspondiente alta absorción de nutrientes en los ecosistemas costeros. [44] [45] [55] Además, los estudios se han centrado en cómo se puede optimizar el crecimiento de las algas pardas para aumentar la producción de biomasa y, por lo tanto, aumentar la cantidad de nutrientes eliminados de estos ecosistemas. [55] Los estudios también han explorado el potencial de las algas pardas para secuestrar grandes volúmenes de carbono ( carbono azul ). [5] [45] [55]
Las algas marinas han recibido una atención significativa por su potencial para mitigar la eutrofización en los ecosistemas costeros a través de la absorción de nutrientes durante la producción primaria en la acuicultura multitrófica integrada (IMTA). [5] [42] [4] La biorremediación implica el uso de organismos biológicos para reducir las concentraciones de nitrógeno, fósforo y metales pesados en los ecosistemas marinos. [44] [51] El potencial de biorremediación de las algas marinas depende, en parte, de su tasa de crecimiento que está controlada por numerosos factores, incluidos el movimiento del agua, la luz, la desecación , la temperatura, la salinidad, la etapa de vida y la clase de edad. [45] [4] [42] [56] También se ha propuesto que en los ecosistemas eutróficos el fósforo puede limitar el crecimiento de las algas marinas debido a la alta relación N:P de las aguas residuales que ingresan a estos ecosistemas. [57] Las prácticas de biorremediación se han utilizado ampliamente debido a su capacidad rentable para reducir el exceso de nutrientes en los ecosistemas costeros, lo que lleva a una disminución de las floraciones de algas nocivas y una oxigenación de la columna de agua. [43] [52] Las algas marinas también se han estudiado por su posible uso en la biosorción y acumulación de metales pesados en aguas contaminadas, aunque la acumulación de metales pesados puede afectar el crecimiento de las algas. [44] [52]
Los métodos de carbono azul implican el uso de ecosistemas marinos para el almacenamiento y entierro de carbono. La acuicultura de algas marinas muestra potencial para actuar como un sumidero de CO2 a través de la absorción de carbono durante la fotosíntesis, la transformación de carbono inorgánico en biomasa y, en última instancia, la fijación de carbono que luego puede exportarse y enterrarse. [5] [31] [50] Duarte et al. (2017) describen una posible estrategia para una iniciativa de carbono azul de cultivo de algas marinas. [31] Sin embargo, la contribución de las algas marinas al carbono azul ha enfrentado controversia sobre la capacidad de las algas marinas para actuar como un sumidero neto para el carbono atmosférico. [31] [50] Krause-Jensen et al., (2018) discuten dos criterios principales para que el cultivo de algas marinas sea considerado una iniciativa de carbono azul: debe ser extenso en tamaño y tasa de secuestro y poseer la capacidad de ser accionable por humanos, que la tasa de secuestro pueda ser manejada por la acción humana. [50] El cultivo de algas marinas, incluido su uso como fertilizante, podría convertirse en un importante contribuyente a las estrategias de mitigación del cambio climático a través del secuestro y almacenamiento de carbono. [31]
Las algas marinas funcionan como un biofertilizante orgánico. Debido a que las algas marinas son ricas en micro y macronutrientes , ácidos húmicos y fitohormonas , mejoran la fertilidad del suelo . [1] Además, los fertilizantes derivados de las algas marinas contienen polisacáridos , proteínas y ácidos grasos que mejoran la retención de humedad y nutrientes del suelo, lo que contribuye a un mejor crecimiento de los cultivos. [1] Se encuentran más minerales traza en las algas marinas que en las producidas con subproductos animales. [58]
La aplicación de fertilizantes de algas marinas también puede resultar en una mayor tolerancia a los factores estresantes abióticos que generalmente inhiben el crecimiento y el rendimiento de los cultivos, como la baja humedad, la alta salinidad y las temperaturas bajo cero. [3] Estos beneficios de la tolerancia al estrés parecen estar impulsados por los cambios fisiológicos inducidos en los cultivos por las algas marinas, incluido el mejor almacenamiento de energía, la morfología mejorada de las raíces y un mayor potencial metabólico, lo que mejora la capacidad de la planta para sobrevivir en condiciones desfavorables. [3] Los extractos de Kappaphycus alvarezzi también han dado como resultado reducciones considerables en la fuga de electrolitos , así como una mayor producción de clorofila y carotenoides y contenido de agua. [3] La investigación también ha demostrado que las plantas de trigo tratadas con extractos de algas marinas han acumulado osmoprotectores clave como prolina , otros aminoácidos y proteína total. [3]
Se ha demostrado que las aplicaciones foliares de extracto de fertilizante de algas marinas mejoran la absorción de nitrógeno, fósforo, potasio y azufre en la soja, como Glycine max . [59] La investigación también ha demostrado que los extractos de algas pardas pueden mejorar el crecimiento de las plantas de tomate, el rendimiento general del cultivo y la resistencia a los factores estresantes ambientales. [60] Los beneficios documentados adicionales del uso de algas marinas como fertilizante incluyen un menor impacto del trasplante , un aumento de la superficie de las hojas y un mayor contenido de azúcar. [61]
Como acondicionador del suelo, el fertilizante de algas marinas puede mejorar las cualidades físicas del suelo, como la aireación y la retención de agua. [1] Los suelos arcillosos que carecen de materia orgánica y porosidad se benefician del ácido húmico y los alginatos solubles que se encuentran en las algas marinas. [1] [62] Estos compuestos se unen con radicales metálicos que hacen que las partículas de arcilla se agreguen, mejorando así la textura, la aireación y la retención del suelo al estimular la desagregación de la arcilla. [62] La degradación de los alginatos también complementa el suelo con materia orgánica, mejorando su fertilidad. [1]
En particular, se sabe que las algas pardas, como el sargazo, tienen valiosas propiedades acondicionadoras del suelo. Esta alga contiene alginatos solubles, así como ácido algínico, que cataliza la descomposición bacteriana de la materia orgánica. [1] [62] Este proceso mejora la calidad del suelo al aumentar las poblaciones de bacterias fijadoras de nitrógeno y al complementar el suelo con acondicionadores adicionales a través de los productos de desecho producidos por estas bacterias. [62]
Las algas marinas funcionan como un biorremediador a través de su adsorción de contaminantes dañinos. Los grupos funcionales en la superficie de las algas, como los grupos éster , hidroxilo, carbonil amino, sulfhidrilo y fosfato, impulsan la biosorción de iones de metales pesados. [1] [63] [64] Las algas marinas como Gracilaria corticata varcartecala y Grateloupia lithophila eliminan eficazmente una amplia variedad de metales pesados, incluidos cromo (III) y (IV), mercurio (II), plomo (II) y cadmio (II) de su entorno. [64] Además, se ha demostrado que Ulva spp. y Gelidium spp. mejoran la degradación del DDT en suelos contaminados y pueden reducir su biodisponibilidad. [65] Aunque existe un potencial significativo para que las algas marinas sirvan como biorremediador para suelos contaminados, se necesita más investigación para desarrollar completamente los mecanismos para este proceso en el contexto de la agricultura. Los metales pesados acumulados por los fertilizantes de algas pueden transferirse a los cultivos en algunos casos, lo que causa importantes consecuencias para la salud pública. [66]
La aplicación de biocarbón es otra estrategia que puede remediar y mejorar los suelos infértiles. Las algas marinas se pueden transformar en biocarbón y utilizar como un medio para aumentar la materia orgánica y el contenido de nutrientes del suelo. [67] Diferentes tipos de algas marinas parecen producir nutrientes y parámetros únicos; las algas rojas, por ejemplo, crean biocarbón que es rico en potasio y azufre y es más ácido que el biocarbón generado a partir de algas pardas. [67] Si bien este es un nuevo campo de investigación, los datos actuales muestran que la cría dirigida de algas marinas puede dar como resultado biocarbones que se pueden adaptar a diferentes tipos de suelo y cultivos. [67]
La adición de algas al suelo puede aumentar la salud de los cultivos y la resistencia a las enfermedades. [1] Las algas contienen una variedad de moléculas bioactivas que pueden responder a enfermedades y plagas, incluidos esteroides , terpenos , acetogeninas y polímeros derivados de aminoácidos . [1] La aplicación de extractos de algas reduce la presencia de plagas dañinas, incluidos nematodos e insectos. [61] [68] [12] Si bien la aplicación de algas parece reducir los efectos nocivos de la infestación de nematodos, la combinación de la aplicación de algas y carbofurano , un nematocida químico , parece ser más efectiva. [68] Además, varias especies de algas parecen obstaculizar el crecimiento y desarrollo temprano de numerosos insectos perjudiciales, incluidos Sargassum swartzii , Padina pavonica y Caulerpa denticulata . [12]
Los cambios en las comunidades bacterianas y fúngicas, en respuesta al tratamiento con fertilizantes de algas marinas, se han estudiado recientemente. La composición y funcionalidad de la comunidad microbiana del suelo está impulsada en gran medida por la salud del suelo subyacente y las propiedades abióticas. [69] [70] Se han utilizado muchos enfoques basados en secuenciación de ADN y ómica , combinados con experimentos de invernadero , para caracterizar las respuestas microbianas al tratamiento con fertilizantes de algas marinas en una amplia variedad de cultivos. [71] [72] [73] [74] [75] La secuenciación profunda del amplicón de ARN ribosómico (ARNr) 16S de las bacterias encontradas en los suelos de las parcelas de tomate, tratadas con un fertilizante de algas fermentadas de Sargassum horneri , mostró un gran cambio en los índices de diversidad alfa y diversidad beta entre suelos no tratados y suelos después de 60 días. [71] Este cambio en la composición de la comunidad se correlacionó con un aumento de 1,48 a 1,83 veces en el rendimiento del tomate en suelos tratados. [71] Aunque los filos bacterianos dominantes permanecieron similares entre los grupos de tratamiento, se observaron cambios en la abundancia de la clase, Bacilli y la familia, Micrococcaceae . [71] Los ensayos enzimáticos también mostraron un aumento en la actividad de la proteasa , polifenol oxidasa , deshidrogenasa , invertasa y ureasa , [71] que se pensó que era inducida por alteraciones de la comunidad microbiana. [71] Se observó que cada uno de los resultados microbianos y enzimáticos enumerados anteriormente mejoraba la renovación y la calidad de los nutrientes en los suelos tratados con fertilizantes. [71] Para investigar las interacciones entre las rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPR) y el extracto derivado de algas marinas, Ngoroyemoto et al. trataron Amaranthus hybridus con Kelpak y PGPR y midieron los impactos en el crecimiento de las plantas. [72] Se encontró que el tratamiento de las plantas con Kelpak® y las bacterias, Pseudomonas fluorescens y Bacillus licheniformis , disminuyeron las respuestas al estrés de las plantas y aumentaron la producción. [72] El estudio mencionado más recientemente proporciona implicaciones para los beneficios de los cultivos cuando la aplicación de fertilizantes de algas marinas a los suelos favorece el crecimiento de PGPR.
Wang et al. encontraron que las plántulas de manzana tratadas con fertilizante de algas marinas diferían notablemente en la diversidad de hongos y la riqueza de especies, en comparación con los grupos de control sin tratamiento. [73] Estos hallazgos se complementaron con aumentos en la calidad del suelo y las actividades enzimáticas en los grupos de suelo tratado, lo que respalda la hipótesis de que el fertilizante promovió el crecimiento de especies de hongos beneficiosas para las plantas. Con el uso de ARNr 16S y secuenciación de espaciador transcrito interno (ITS) fúngico, Renaut et al. examinaron el efecto del tratamiento con extracto de Ascophyllum nodosum en las rizosferas de plantas de pimiento y tomate en invernaderos. [74] Este grupo encontró que la composición de especies bacterianas y fúngicas y las estructuras de la comunidad diferían según el tratamiento. [74] Un aumento de la abundancia de ciertas variantes de secuencia de amplicón (ASV) también se correlacionó directamente con aumentos en la salud y el crecimiento de las plantas. [74] Estas ASV incluían hongos de la familia Microascaceae , el género Mortierella spp. y varias otras ASV no cultivadas. [74] En este mismo estudio se identificó una gran diversidad de ASV bacterianos que estaban correlacionados positivamente con el crecimiento, incluidos Rhizobium , Sphingomonas , Sphingobium y Bradyrhizobium . [74]
La aplicación de fertilizantes de algas también puede aumentar la resistencia a los patógenos de las plantas. En muestras de invernadero, Ali et al. probaron el tratamiento con extracto de Ascophyllum nodosum en cultivos de tomate y pimiento dulce y descubrieron que aumentaba la salud de las plantas y reducía la incidencia de patógenos de las plantas. [75] Investigaciones posteriores mostraron que la regulación positiva de las enzimas relacionadas con la defensa de los patógenos condujo a la reducción de los patógenos, Xanthomonas campestris pv. vesicatoria y Alternaria solani . [75] Chen et al. descubrieron que el tratamiento con Ascophyllum nodosum impactó positivamente en la composición de la comunidad de las rizosferas del maíz. [76] Esto puede tener implicaciones críticas para la salud de las plantas porque la estructura de las comunidades microbianas de la rizosfera puede ayudar en la resistencia de las plantas a los patógenos transmitidos por el suelo. [77]
Otras reducciones de patógenos incluyen la mitigación de enfermedades fúngicas foliares de zanahoria después del tratamiento con Ascophyllum nodosum y la inoculación con los patógenos fúngicos Alternaria radicina y Botrytis cinerea . [78] Se observó una reducción de la gravedad de la enfermedad a los 10 y 20 días después de la inoculación en comparación con las plantas de control, y se encontró que el tratamiento con algas marinas era más eficaz para reducir la patología de la enfermedad que el ácido salicílico , un conocido protector de las plantas contra el estrés biótico y abiótico. [79] Islam et al. obtuvieron resultados similares al tratar Arabidopsis thaliana con extractos de algas pardas, seguido de la inoculación con el patógeno fúngico Phytophthora cinnamomi . [80] Este grupo analizó las transcripciones de ARN de la planta y descubrió que el extracto de algas marinas preparaba a A. thaliana para defenderse del patógeno fúngico antes de su inoculación, lo que condujo a una mayor supervivencia del huésped y una menor susceptibilidad a la infección. [80]
Menos estudios han analizado el impacto del tratamiento con fertilizantes de algas marinas en la resistencia de las plantas a los patógenos virales , sin embargo, se han demostrado resultados auspiciosos limitados. [3] Se ha demostrado que las algas verdes, marrones y rojas contienen polisacáridos que desencadenan vías de respuesta a patógenos en las plantas, lo que prepara la defensa contra virus, junto con bacterias y hongos. [81] Específicamente, las enzimas de defensa, incluidas la fenilalanina amoniaco liasa y la lipoxigenasa , se activan y conducen a la defensa viral. [81] Se demostró que los extractos acuosos y etanólicos del alga marrón, Durvillaea antarctica, disminuyen los síntomas patológicos del virus del mosaico del tabaco (TMV) en las hojas de tabaco. [82] Otro estudio realizado en plantas de tabaco encontró que los oligosacáridos de fucano sulfatados , extraídos de algas pardas, inducían resistencia adquirida local y sistémica al TMV. [83] Con base en los resultados anteriores, se puede afirmar que la aplicación de fertilizantes de algas marinas tiene un potencial considerable para brindar amplios beneficios a los cultivos agrícolas y resistencia a patógenos vegetales bacterianos, fúngicos y virales.