La aeroponía es el proceso de cultivar plantas en un ambiente de aire o niebla , eliminando la necesidad de tierra o un medio agregado . El término "aeropónico" proviene del griego antiguo : aer (aire) y ponos (trabajo, dificultad o esfuerzo). Se incluye en la categoría de hidroponía , ya que en aeroponía se emplea agua para suministrar nutrientes a las plantas.
El principio fundamental del cultivo aeropónico consiste en suspender las plantas en un ambiente cerrado o semicerrado mientras se rocían las raíces colgantes y los tallos inferiores con una solución de agua rica en nutrientes en forma atomizada o pulverizada. [1] La parte superior de la planta, incluidas las hojas y la corona , conocida como dosel , se extiende hacia arriba. La estructura de soporte de la planta mantiene las raíces separadas. Para minimizar la mano de obra y los gastos, a menudo se comprime espuma de células cerradas alrededor del vástago inferior y se inserta en una abertura de la cámara aeropónica. En el caso de plantas de mayor tamaño, se emplean espalderas para soportar el peso de la vegetación y los frutos .
El objetivo es mantener un ambiente libre de plagas y enfermedades , permitiendo que las plantas prosperen y crezcan más rápido que las cultivadas en un medio de cultivo . Sin embargo, dado que la mayoría de los entornos aeropónicos no están completamente aislados del exterior, las plagas y enfermedades aún pueden representar una amenaza. Los entornos controlados facilitan el avance del desarrollo, la salud, el crecimiento, la floración y la fructificación de las plantas para diversas especies y cultivares de plantas .
Debido a la sensibilidad de los sistemas radiculares, la aeroponía suele combinarse con la hidroponía convencional . Esto sirve como respaldo de nutrición y suministro de agua en caso de cualquier falla en el sistema aeropónico, actuando como un "ahorrador de cultivos" de emergencia.
La aeroponía de alta presión se refiere al método de entregar nutrientes a las raíces utilizando cabezales de niebla con un rango de tamaño de 20 a 50 micrómetros. Esto se logra utilizando una bomba de diafragma de alta presión que funciona a alrededor de 80 libras por pulgada cuadrada (550 kPa).
Los cultivos de aire maximizan la exposición al aire para facilitar el crecimiento óptimo de las plantas. Los materiales y dispositivos que sostienen y sostienen las plantas cultivadas aeropónicamente deben estar completamente libres de enfermedades o patógenos. Una característica vital de un verdadero cultivo y aparato aeropónico son las características mínimas de soporte de las plantas. Este diseño permite el máximo flujo de aire alrededor de la planta minimizando el contacto entre la planta y la estructura de soporte. En el cultivo aeropónico a largo plazo, es crucial garantizar que los sistemas de raíces no tengan restricciones, lo que permita un crecimiento sin restricciones, la expansión de las raíces, el acceso sin obstáculos al agua pura, un intercambio de aire adecuado y condiciones libres de enfermedades. [1] [ verificación fallida ]
La disponibilidad adecuada de oxígeno (O 2 ) en la rizosfera (zona de las raíces) es esencial para promover un crecimiento saludable de las plantas. En aeroponía, donde las plantas crecen en un ambiente de aire y microgotas de agua, casi cualquier planta puede prosperar y alcanzar la madurez con un suministro abundante de oxígeno, agua y nutrientes.
Algunos productores prefieren los sistemas aeropónicos a otros métodos hidropónicos: la mayor aireación de la solución nutritiva proporciona una mayor oxigenación a las raíces de las plantas, estimula el crecimiento y ayuda a prevenir la formación de patógenos . [1] [ verificación fallida ]
El aire limpio juega un papel crucial en la purificación del ambiente para las plantas en aeroponía. El acceso ilimitado al aire es necesario para el crecimiento natural de las plantas y su desarrollo fisiológico exitoso. Si la estructura de soporte restringe el crecimiento natural de la planta, puede aumentar el riesgo de daño a la planta y la posterior formación de enfermedades. [1] [ verificación fallida ]
Los investigadores han utilizado la aeroponía para estudiar el impacto de la composición del gas en la zona de las raíces en el rendimiento de las plantas. Soffer y Burger (1988) realizaron un estudio sobre los efectos de las concentraciones de oxígeno disuelto en un sistema que denominaron "aerohidroponía", que involucraba un sistema hidro y aero de tres niveles con zonas distintas dentro del área de la raíz. Sus resultados indicaron que el oxígeno disuelto es crucial para la formación de raíces. Además, encontraron que en la sección empañada, donde se proporcionó nebulización de nutrientes, el número y la longitud de las raíces eran consistentemente mayores en comparación con las secciones sumergidas o sin nebulización. Incluso con la concentración de oxígeno más baja probada, la sección empañada demostró un desarrollo radicular exitoso. [1] [ verificación fallida ]
La aeroponía también implica la gestión de los niveles de CO 2 en el aire del sistema, lo que posteriormente afecta la tasa de fotosíntesis en las plantas.
El uso de luces artificiales para el crecimiento ofrece ventajas como mayores tasas de crecimiento y mayor confiabilidad en comparación con la iluminación solar. Este método de iluminación se puede combinar eficazmente con la aeroponía para optimizar el crecimiento de las plantas. [1] [ verificación fallida ]
La aeroponía ofrece la ventaja de limitar la transmisión de enfermedades, ya que reduce el contacto entre plantas y cada pulso de pulverización puede mantenerse estéril. Por el contrario, las enfermedades pueden propagarse fácilmente por el suelo, los agregados u otros medios de cultivo y afectar a múltiples plantas. Los invernaderos tradicionales a menudo requieren la esterilización de los medios sólidos después de cada cultivo y, a veces, estos medios simplemente se descartan y se reemplazan por otros nuevos y estériles. [1] [ verificación fallida ]
Un beneficio significativo de la tecnología aeropónica es la capacidad de eliminar rápidamente una planta enferma de la estructura de soporte de la planta sin alterar ni infectar otras plantas, gracias a la naturaleza aislada del sistema.
Debido al entorno libre de enfermedades exclusivo de la aeroponía, muchas plantas se pueden cultivar en densidades más altas (plantas por metro cuadrado) en comparación con los métodos de cultivo más tradicionales como la hidroponía , el suelo y la técnica de película de nutrientes (NFT). Los sistemas aeropónicos comerciales incorporan características de hardware que se adaptan a los sistemas de raíces en expansión de los cultivos.
Los investigadores han destacado la aeroponía como un método valioso, simple y rápido para la detección preliminar de genotipos en busca de resistencia a plagas específicas de plántulas o pudriciones de raíces. [2] La naturaleza aislante de los sistemas aeropónicos permite a los investigadores evitar las complicaciones encontradas al estudiar estas infecciones en cultivos del suelo.
Los equipos aeropónicos emplean pulverizadores, nebulizadores, nebulizadores u otros dispositivos para crear una fina niebla de solución para entregar nutrientes a las raíces de las plantas. Los sistemas aeropónicos suelen ser sistemas de circuito cerrado diseñados para proporcionar macro y microambientes que mantengan cultivos de aire confiables y consistentes. Se han desarrollado varios inventos para facilitar la pulverización y nebulización aeropónica. El tamaño de la gota de agua es fundamental para el desarrollo de las raíces en un ambiente aeropónico. En aplicaciones comerciales, se utiliza un spray hidroatomizador de 360°, que utiliza nebulización a presión de aire para cubrir grandes áreas de raíces.
Una variación de la técnica de nebulización, conocida como fogponics , utiliza nebulizadores ultrasónicos para nebulizar soluciones nutritivas en dispositivos aeropónicos de baja presión.
El tamaño de las gotas de agua juega un papel vital en el mantenimiento del crecimiento aeropónico. Las gotas de agua que son demasiado grandes pueden limitar la disponibilidad de oxígeno para el sistema radicular. Por el contrario, las gotas de agua excesivamente finas generadas por los nebulizadores ultrasónicos pueden provocar un crecimiento excesivo del vello radicular sin desarrollar un sistema radicular lateral necesario para un crecimiento sostenido en un sistema aeropónico. [1] [ verificación fallida ]
La mineralización de los transductores ultrasónicos requiere mantenimiento y presenta un riesgo potencial de falla de los componentes. Esto también es un inconveniente de los chorros y nebulizadores metálicos. El acceso restringido al agua puede hacer que las plantas pierdan turgencia y se marchiten.
La NASA ha proporcionado financiación para la investigación y el desarrollo de nuevos materiales avanzados destinados a mejorar la fiabilidad y reducir el mantenimiento en aeroponía. Se ha determinado que una niebla hidroatomizada a alta presión con microgotas que varían de 5 a 50 micrómetros es necesaria para un crecimiento aeropónico sostenido.
Para garantizar un crecimiento a largo plazo, el sistema de niebla debe poseer una presión significativa para penetrar eficazmente los densos sistemas de raíces. Lograr la repetibilidad es crucial en aeroponía, y esto incluye mantener el tamaño de gota hidroatomizada adecuado. La degradación del rocío causada por la mineralización de los cabezales de niebla dificulta la entrega de la solución nutritiva del agua, lo que resulta en un desequilibrio ambiental dentro del sistema de cultivo de aire.
Para abordar este problema, se han desarrollado materiales poliméricos especiales de baja masa que se utilizan para prevenir la mineralización en la próxima generación de chorros de pulverización y nebulización hidroatomizante. Estos materiales ayudan a mantener la eficiencia y eficacia del sistema de nebulización.
La naturaleza discreta de la aeroponía de intervalo y duración permite medir la absorción de nutrientes a lo largo del tiempo, incluso en condiciones variables. Barak et al. realizaron un estudio utilizando un sistema aeropónico para medir de forma no destructiva las tasas de absorción de agua e iones en arándanos (Barak, Smith et al. 1996). [3]
En su investigación, el equipo descubrió que midiendo las concentraciones y los volúmenes de las soluciones de entrada y salida , podían calcular con precisión la tasa de absorción de nutrientes. Para validar sus hallazgos, compararon los resultados con mediciones de isótopos de N. Una vez verificado su método analítico, Barak et al. procedió a recopilar datos adicionales específicos de los arándanos. Esto incluyó estudiar las variaciones diurnas en la absorción de nutrientes, examinar la correlación entre la absorción de amonio y el flujo de protones y explorar la relación entre la concentración y la absorción de iones. Estos hallazgos resaltan el potencial de la aeroponía no sólo como una valiosa herramienta de investigación para estudiar la absorción de nutrientes, sino también como un medio para monitorear la salud de las plantas y optimizar el cultivo en ambientes cerrados. [4]
La atomización a presiones superiores a 65 libras por pulgada cuadrada (450 kPa) aumenta la biodisponibilidad de los nutrientes. En consecuencia, la concentración de nutrientes debe reducirse significativamente para evitar quemaduras en hojas y raíces. Vale la pena señalar las grandes gotas de agua en la foto de la derecha, que indican que el ciclo de alimentación puede ser demasiado largo o el ciclo de pausa demasiado corto. Ambos escenarios desalientan el crecimiento de las raíces laterales y el desarrollo del pelo radicular. Se logran resultados óptimos cuando los ciclos de alimentación son lo más cortos posible, con las raíces ligeramente húmedas pero nunca excesivamente secas. Un ciclo típico de alimentación/pausa es de menos de 2 segundos de alimentación seguidos de aproximadamente 1,5 a 2 minutos de pausa, mantenida continuamente. Sin embargo, cuando se incorpora un sistema acumulador, los tiempos del ciclo se pueden reducir aún más a menos de aproximadamente 1 segundo de alimentación y alrededor de 1 minuto de pausa.
Poco después de su desarrollo, la aeroponía surgió como una valiosa herramienta de investigación, proporcionando a los investigadores un método no invasivo para examinar las raíces en desarrollo. Esta innovadora tecnología amplió las posibilidades de realizar experimentos al ofrecer una mayor cantidad de parámetros y una gama más amplia de condiciones experimentales. [5]
El control preciso sobre los niveles de humedad de la zona de las raíces y el suministro de agua hace que la aeroponía sea particularmente adecuada para estudiar el estrés hídrico. K. Hubick evaluó la aeroponía como un medio para producir plantas de manera constante con un estrés hídrico mínimo, que puede utilizarse en experimentos de fisiología de sequías o inundaciones. [6]
La aeroponía se destaca como la herramienta ideal para investigar la morfología de las raíces . La ausencia de agregados permite a los investigadores acceder fácilmente a toda la estructura de la raíz intacta sin causar daños que puedan ocurrir al retirar las raíces del suelo o los agregados. Se ha observado que la aeroponía produce sistemas de raíces más naturales en comparación con la hidroponía. [7]
El cultivo aeropónico implica cultivar plantas en un cultivo aéreo, lo que les permite desarrollarse y crecer de forma natural. [1] [ verificación fallida ]
El crecimiento aeropónico se refiere específicamente al proceso de cultivo de plantas en un cultivo aéreo.
Un sistema aeropónico se refiere a la colección de hardware y componentes diseñados para apoyar el crecimiento de las plantas en un cultivo de aire.
Un invernadero aeropónico es una estructura de ambiente controlado hecha de vidrio o plástico, equipada con las herramientas necesarias para cultivar plantas en un ambiente de aire/ niebla .
Las condiciones aeropónicas se refieren a los parámetros ambientales específicos necesarios para sostener el crecimiento de las plantas en un cultivo de aire, adaptados a las necesidades de una especie de planta en particular.
Las raíces aeropónicas se refieren al sistema de raíces que se desarrolla cuando las plantas se cultivan en un cultivo aéreo.
En la mayoría de los jardines aeropónicos de baja presión, las raíces de las plantas están suspendidas sobre un depósito de solución nutritiva o dentro de un canal conectado a un depósito. Se utiliza una bomba de baja presión para suministrar la solución nutritiva a través de chorros o transductores ultrasónicos, y el exceso de solución luego gotea o drena nuevamente al depósito. Sin embargo, a medida que las plantas maduran en estas unidades, es común que ciertas secciones de los sistemas de raíces se sequen, lo que dificulta la absorción adecuada de nutrientes. Estas unidades normalmente carecen de las características necesarias para purificar la solución nutritiva y eliminar eficazmente las inconsistencias, los residuos y los patógenos dañinos . Debido a sus limitaciones de costos, estas unidades suelen ser más adecuadas para el cultivo de mesa a pequeña escala y para demostrar los principios de la aeroponía.
Las técnicas aeropónicas de alta presión, que emplean la generación de niebla a través de bombas de alta presión, se emplean comúnmente en el cultivo de cultivos y especímenes de plantas de alto valor. Los beneficios de utilizar este método en horticultura pueden compensar los mayores costos de instalación involucrados.
Los sistemas aeropónicos de alta presión incorporan tecnologías avanzadas para la purificación del aire y el agua , la esterilización de nutrientes, la utilización de polímeros de baja masa y sistemas de suministro de nutrientes presurizados. Estas características mejoran la eficiencia y eficacia de la configuración aeropónica.
Los sistemas aeropónicos comerciales comprenden hardware de dispositivos de alta presión junto con sistemas biológicos. La matriz de sistemas biológicos incorpora diversas mejoras destinadas a prolongar la vida de las plantas y promover la maduración de los cultivos.
Los subsistemas biológicos y los componentes de hardware abarcan varias características y funcionalidades, como sistemas de control de efluentes , medidas de prevención de enfermedades, mecanismos de resistencia a patógenos, sincronización precisa y presurización de soluciones nutritivas, sensores para calentamiento y enfriamiento, control térmico de soluciones, matrices de luz eficientes con fotones optimizados. flujo, capacidades de filtración de espectro, sensores a prueba de fallas y mecanismos de protección, mantenimiento reducido y características de ahorro de mano de obra, así como diseño ergonómico y características de confiabilidad a largo plazo.
Estos sistemas aeropónicos comerciales, incluidos los dispositivos de alta presión, se utilizan principalmente para cultivar cultivos de alto valor, lo que permite múltiples rotaciones de cultivos a escala comercial continua.
Los sistemas comerciales avanzados van un paso más allá al incorporar recopilación de datos, monitoreo, retroalimentación analítica y conectividad a Internet a varios subsistemas, mejorando la eficiencia y la productividad generales. [8]
En 1911, VM Artsikhovski publicó un artículo titulado "Sobre los cultivos de plantas del aire" en la revista "Experienced Agronomy". En este artículo presentó su método para realizar estudios fisiológicos de los sistemas radiculares mediante la pulverización de diversas sustancias en el aire circundante, lo que ahora se conoce como método aeropónico. Artsikhovski diseñó los primeros sistemas aeropónicos y demostró su eficacia para el cultivo de plantas.
En 1942, W. Carter llevó a cabo una investigación pionera sobre el cultivo en aire y describió un método para cultivar plantas en vapor de agua para facilitar el examen de las raíces. [9] Desde 2006, la aeroponía se ha utilizado ampliamente en la agricultura en todo el mundo. [10]
En 1944, LJ Klotz hizo un importante descubrimiento al rociar plantas de cítricos, lo que facilitó su investigación sobre las enfermedades que afectaban a las raíces de los cítricos y del aguacate. En 1952, GF Trowel cultivó con éxito manzanos utilizando una técnica de cultivo por aspersión. [5]
En 1957, FW Went acuñó el término "aeroponía" para describir el proceso de cultivo en el aire. Cultivó cafetos y tomates con raíces suspendidas en aire, nutriéndolos mediante la aplicación de una niebla nutritiva en la sección de la raíz. [5]
El primer aparato aeropónico disponible comercialmente fue fabricado y lanzado al mercado por GTi en 1983. En ese momento, recibió el nombre de Máquina Génesis , inspirada en la película Star Trek II: La ira de Khan . La máquina Génesis se comercializó como el "Sistema de enraizamiento Génesis". [11]
El dispositivo de GTi presentaba un sistema de circuito abierto impulsado por agua controlado por un microchip . Entregó un spray de nutrientes hidroatomizado a alta presión dentro de una cámara aeropónica. La Máquina Génesis fue diseñada para ser conectada a un grifo de agua y a un tomacorriente eléctrico, proporcionando los recursos necesarios para su funcionamiento. [11]
El cultivo aeropónico ha supuesto una revolución en la clonación (propagación vegetativa) de plantas. Ha facilitado mucho la propagación de numerosas plantas, antes consideradas difíciles o imposibles, mediante esquejes de tallos en aeroponia. Las delicadas maderas duras y los cactus, que eran sensibles a las infecciones bacterianas cuando se propagaban mediante esquejes, ahora pueden propagarse con éxito en sistemas aeropónicos. El éxito de la propagación en aeroponia se puede atribuir al ambiente altamente aireado alrededor de las raíces, que promueve el desarrollo del cabello radicular (Soffer y Burger, 1988), [12] así como a un mayor crecimiento radicular y general debido al suministro de nutrientes a través del sistema aeropónico ( Santos y Fisher, 2009). [13] Además, la ausencia de medios de enraizamiento reduce el riesgo de enfermedades de las raíces (Mehandru et al., 2014). [14]
La aeroponía juega un papel crucial en la propagación de plantas que tienen bajas tasas de éxito en la propagación vegetativa, plantas con usos medicinales importantes, plantas de alta demanda y en la creación de nuevos cultivares de especies de plantas específicas. Por ejemplo, Leptadenia reticulata, una importante planta medicinal con bajas tasas de reproducción tanto a través de semillas como de esquejes, [14] ha encontrado una propagación más fácil mediante aeroponía (Mehandru et al., 2014). [14] La aeroponía también ha contribuido a la disponibilidad de olmos, incluidos los cultivares de Ulmus Americana, que se vieron gravemente afectados por la enfermedad del olmo holandés (Oakes et al., 2012). [15]
La aeroponía sirve como una alternativa más ventajosa al método tradicional de utilizar nebulizadores aéreos (Peterson et al., 2018). [16] Cuenta con una mayor tasa de éxito en comparación con los nebulizadores aéreos, que tienen inconvenientes como la necesidad de grandes volúmenes de agua, posibles condiciones insalubres, una cobertura de nebulización desigual y una posible lixiviación de nutrientes foliares (Peterson et al., 2018). [16] En esencia, la clonación se ha vuelto más fácil con el uso de aparatos aeropónicos, ya que inicia un desarrollo de raíces más rápido y limpio a través de un ambiente estéril, rico en nutrientes, altamente oxigenado y húmedo (Hughes, 1983). [1] [ verificación fallida ]
La aeroponía ha logrado avances significativos en la tecnología de cultivo de tejidos, permitiendo una clonación de plantas más rápida y reduciendo los pasos intensivos en mano de obra asociados con las técnicas tradicionales de cultivo de tejidos. Uno de los beneficios notables de la aeroponía es su capacidad para eliminar la necesidad de plantaciones en el suelo en las etapas I y II, lo que ha sido un desafío para los productores de cultivos de tejidos. En el cultivo de tejidos, las plantas se plantan inicialmente en medios estériles (etapa I) y luego se transfieren a suelo estéril (etapa II) antes de trasplantarse finalmente a suelo de campo. Todo este proceso no sólo requiere mucha mano de obra sino que también es propenso a enfermedades, infecciones y fracasos.
Al utilizar aeroponía, los productores pueden clonar y trasplantar directamente plantas con raíces aéreas al suelo del campo. Las raíces aeropónicas son más resistentes al marchitamiento, la pérdida de hojas y el shock del trasplante en comparación con los métodos tradicionales como la hidroponía. Además, las plantas con raíces aéreas tienden a ser más sanas y menos susceptibles a las infecciones por patógenos. [5] Sin embargo, es importante mantener la humedad relativa (RH) de la cámara de raíces por debajo de 70 °F (21 °C) para evitar el desarrollo de problemas como mosquitos de los hongos, algas y bacterias anaeróbicas.
Los esfuerzos de GTi por desarrollar un método aeropónico totalmente de plástico y un aparato controlado por un microprocesador han marcado el comienzo de una nueva era de soporte vital artificial para las plantas, permitiéndoles crecer de forma natural sin el uso de tierra o hidroponía tradicional. De hecho, GTi obtuvo una patente para su innovador sistema aeropónico en 1985.
La aeroponía ha ganado reconocimiento como una técnica que ahorra tiempo y costos. [ cita necesaria ] La aplicación económica de la aeroponía en la agricultura está en desarrollo en el siglo XXI. [ cita necesaria ]
En 1985, GTi presentó la segunda generación de hardware aeropónico, conocida como "Genesis Growing System". Este nuevo aparato representó un avance significativo en la tecnología aeropónica ya que introdujo un sistema de circuito cerrado. El sistema de cultivo Genesis utilizó efluentes reciclados, que estaban controlados con precisión por un microprocesador. Con esta innovación, la aeroponía amplió sus capacidades para incluir el apoyo a la germinación de semillas, lo que convirtió al sistema de GTi en el primer sistema aeropónico para plantas y cosechas del mundo.
Vale la pena señalar que muchos de estos primeros sistemas aeropónicos de circuito abierto y cerrado continúan funcionando con éxito hasta el día de hoy.
La aeroponía hizo su transición de los laboratorios al sector del cultivo comercial. En 1966, B. Briggs, un pionero en aeroponía comercial, logró inducir raíces en esquejes de madera dura mediante enraizamiento aéreo. Descubrió que los esquejes con raíces aéreas eran más robustos y endurecidos en comparación con los formados en el suelo, y concluyó que el enraizamiento aéreo era un principio sólido. Briggs también descubrió que los árboles con raíces aéreas podían trasplantarse al suelo sin experimentar el shock del trasplante, que a menudo se observa en los trasplantes hidropónicos . [17]
En 1982, L. Nir en Israel desarrolló una patente para un aparato aeropónico que utilizaba aire comprimido a baja presión para suministrar una solución nutritiva a plantas suspendidas sostenidas por espuma de poliestireno [ se necesita aclaración ] dentro de grandes contenedores de metal. [18]
En 1976, el investigador británico John Prewer llevó a cabo una serie de experimentos aeropónicos en el Reino Unido, donde se cultivaron lechugas desde la semilla hasta la madurez en 22 días utilizando tubos de película de polietileno . Las gotas de niebla utilizadas en estos experimentos fueron generadas por equipos suministrados por Mee Industries de California. [19] En colaboración con John Prewer, un productor comercial llamado Kings Nurseries en la Isla de Wight utilizó un diseño diferente de sistema aeropónico en 1984 para cultivar plantas de fresa . Las fresas florecieron, dando una abundante cosecha muy apreciada por los clientes, especialmente las personas mayores , que valoraban la limpieza, la calidad y el sabor de la fruta, así como la comodidad de recogerla sin agacharse.
En 1983, R. Stoner presentó una patente para la primera interfaz de microprocesador diseñada para suministrar agua del grifo y nutrientes a una cámara aeropónica cerrada hecha de plástico. Posteriormente, Stoner estableció varias empresas dedicadas a la investigación y el avance de hardware, interfaces, biocontroles y componentes aeropónicos para la producción comercial de cultivos aeropónicos. [5]
La empresa de Stoner, GTi, desempeñó un papel pionero en la fabricación, comercialización y aplicación de sistemas aeropónicos de circuito cerrado a gran escala en invernaderos para la producción de cultivos comerciales. [20]
En la década de 1990, General Hydroponics [Europa] (GHE) intentó introducir la aeroponía en el mercado de la hidroponía para aficionados e introdujo el sistema Aerogarden. Aunque el Aerogarden no cumplió con los criterios de la aeroponia "verdadera" ya que producía gotas en lugar de una fina niebla, creó una demanda de cultivo aeropónico en el mercado de hobby. [ ¿por quién? ] La distinción entre aeroponía de niebla y aeroponía de gotas se volvió borrosa a los ojos de muchos. [ ¿OMS? ] Sin embargo, una empresa del Reino Unido llamada Nutriculture realizó pruebas de aeroponía de niebla verdadera, que mostraron resultados positivos en comparación con técnicas de cultivo tradicionales como Nutrient Film Technique (NFT) y Ebb & Flood. A pesar de los inconvenientes de costo y mantenimiento, Nutriculture desarrolló un sistema aeropónico de gotas escalable y fácil de usar llamado Amazon, reconociendo que se podrían lograr mejores resultados propagando plantas en su propagador aeropónico X-stream de marca y luego transfiriéndolas al Sistema de cultivo aeropónico de gotas especialmente diseñado.
En 1986, Stoner logró un hito importante al convertirse en la primera persona en comercializar con éxito alimentos frescos cultivados aeropónicamente en una cadena de supermercados nacional. Su logro llamó la atención y fue invitado a una entrevista en NPR , donde destacó la importancia de la aeroponía en términos de conservación del agua, tanto en la agricultura moderna como incluso en la exploración espacial. [10]
Las plantas tuvieron sus primeros encuentros con la órbita de la Tierra en 1960 durante dos misiones separadas, a saber, Sputnik 4 y Discoverer 17 (para una revisión exhaustiva del crecimiento de las plantas en el espacio durante los primeros 30 años, consulte Halstead y Scott, 1990). [21] La misión Sputnik 4 implicó transportar semillas de trigo , guisantes , maíz , cebolleta y Nigella damascena , mientras que células de Chlorella pyrenoidosa fueron puestas en órbita en la misión Discoverer 17. [10] [22]
Después de estos primeros esfuerzos, se llevaron a cabo experimentos con plantas en varias misiones que involucraron a Bangladesh , China y esfuerzos conjuntos soviético-estadounidenses, incluidos Biosatellite II, Skylab 3 y 4 , Apollo-Soyuz , Sputnik , Vostok y Zond . Los resultados iniciales de la investigación arrojaron luz sobre cómo la baja gravedad afectaba la orientación de raíces y brotes (Halstead y Scott, 1990). [10]
Investigaciones posteriores profundizaron en investigar el impacto de la baja gravedad en las plantas en diferentes niveles, como el organísmico, celular y subcelular. A nivel orgánico, varias especies, incluidas el pino , la avena , el frijol mungo , la lechuga, el berro y Arabidopsis thaliana , exhibieron una disminución del crecimiento de plántulas, raíces y brotes en condiciones de baja gravedad. Sin embargo, la lechuga cultivada en la misión Cosmos mostró el efecto contrario, mostrando un mayor crecimiento en el espacio (Halstead y Scott, 1990). También se descubrió que la absorción de minerales en las plantas cultivadas en el espacio se veía afectada. Por ejemplo, los guisantes cultivados en el espacio demostraron niveles elevados de fósforo y potasio , mientras que los cationes divalentes calcio , magnesio , manganeso , zinc y hierro exhibieron niveles reducidos (Halstead y Scott, 1990). [23]
En 1996, la investigación de Richard Stoner sobre el control de enfermedades orgánicas (ODC) recibió financiación de la NASA. El objetivo era desarrollar una solución de biocontrol líquido natural para sistemas hidropónicos de circuito cerrado que pudiera prevenir enfermedades de las plantas y aumentar los rendimientos sin necesidad de pesticidas. En 1997, la NASA llevó a cabo experimentos de biocontrol con la solución ODC de Stoner. Los experimentos se llevaron a cabo utilizando la tecnología GAP de BioServe Space Technologies, que consistía en cámaras de crecimiento en miniatura. Las semillas de frijol se trataron con la solución ODC en experimentos por triplicado realizados a bordo de la estación espacial MIR, en el Centro Espacial Kennedy y en la Universidad Estatal de Colorado en condiciones de oscuridad total para eliminar la luz como variable. El objetivo del experimento de la NASA fue únicamente estudiar los beneficios del biocontrol.
Los resultados de los experimentos con frijoles en ambiente cerrado de la NASA en la estación espacial MIR y el transbordador confirmaron que el ODC promovía mayores tasas de germinación, mejores brotes, mayor crecimiento y activaba mecanismos naturales de enfermedades de las plantas. Aunque inicialmente fue desarrollado para la NASA, ODC no se limita a aplicaciones espaciales. Los productores de suelo e hidroponía también pueden incorporar ODC en sus técnicas de plantación, ya que cumple con los estándares NOP del USDA para agricultura orgánica.
Un ejemplo notable de la expansión de ODC en la agricultura es su aplicación en la industria del cannabis . La línea de productos ODC se ha desarrollado específicamente para cultivos agrícolas emergentes como el cannabis. Los ingredientes activos de la línea de cannabis ODC incluyen el ingrediente original quitosano en una concentración del 0,25%, así como un 0,28% de nitrógeno coloidal y un 0,05% de calcio. [24] [25]
Para mejorar la resiliencia de los sistemas hidropónicos y aeropónicos contra las enfermedades de las plantas y reducir la dependencia de aditivos químicos, la NASA explora la integración de biocontroles ambientales en el diseño de estos sistemas. El Advanced Plant Habitat (APA), desplegado en la Estación Espacial Internacional (ISS) desde 2018, ejemplifica este enfoque. Equipado con más de 180 sensores, el APA optimiza el crecimiento y la salud de las plantas al tiempo que reduce la necesidad de biocontroles de aditivos químicos. Los sensores monitorean diversos factores ambientales, incluida la intensidad de la iluminación, el espectro y el fotoperíodo, la temperatura, los niveles de CO2, la humedad relativa, el riego, así como la depuración de etileno y compuestos orgánicos volátiles (COV) de origen vegetal. Además, el APA cuenta con sensores de temperatura de la zona de las hojas y las raíces, sensores de humedad de la zona de las raíces y medidores de concentración de oxígeno. [26] [27] [28]
Estos controles ambientales tienen dos propósitos principales: inhibir las enfermedades de las plantas. En primer lugar, mantienen condiciones ambientales que dificultan directamente el crecimiento de enfermedades, hongos y plagas. Al regular cuidadosamente factores como la temperatura y la humedad, el riesgo de infecciones, como la botritis en las hojas, se reduce a medida que el ambiente se vuelve menos propicio para la proliferación de enfermedades. En segundo lugar, estos controles crean condiciones que promueven los mecanismos naturales de prevención de enfermedades de la planta, inhibiendo indirectamente los efectos de las enfermedades de las plantas. Por ejemplo, experimentos con pimientos realizados en condiciones de luz azul han demostrado una mayor resistencia al mildiú polvoriento. [29]
En 1998, Stoner recibió financiación de la NASA para desarrollar un sistema aeropónico de alto rendimiento adecuado para su uso tanto en la Tierra como en el espacio. A través de su investigación, Stoner demostró aumentos significativos en las tasas de crecimiento de las plantas de lechuga cultivadas en sistemas aeropónicos en comparación con otras técnicas de cultivo. Posteriormente, la NASA adoptó muchos de los avances aeropónicos desarrollados por Stoner.
Los esfuerzos de investigación se han centrado en identificar y desarrollar tecnologías para el rápido crecimiento de las plantas en diferentes entornos gravitacionales. Los entornos de baja gravedad presentan desafíos como el suministro eficiente de agua y nutrientes a las plantas, así como la recuperación de productos de desecho. La producción de alimentos en el espacio también requiere abordar cuestiones como la gestión del agua, minimizar el uso de agua y reducir el peso del sistema. Además, la futura producción de alimentos en cuerpos planetarios como la Luna y Marte implicará lidiar con entornos de gravedad reducida. Dada la diferente dinámica de fluidos en diferentes niveles de gravedad, la optimización de los sistemas de suministro de nutrientes ha sido un enfoque importante en el desarrollo de sistemas de crecimiento de plantas.
Actualmente se emplean varios métodos de entrega de nutrientes, tanto en la Tierra como en entornos de baja gravedad. Los métodos que dependen del sustrato incluyen el cultivo tradicional del suelo, la zeopónica, el agar y las resinas de intercambio iónico cargadas de nutrientes. Además de los enfoques dependientes del sustrato, se han desarrollado métodos no relacionados con el suelo, incluida la técnica de la película de nutrientes, el flujo y reflujo, la aeroponía y otros. Los sistemas hidropónicos, con su alto rendimiento de solución nutritiva, pueden lograr un rápido crecimiento de las plantas. Sin embargo, esto requiere grandes volúmenes de agua y un reciclaje significativo de la solución, lo que plantea desafíos para controlar soluciones en condiciones de microgravedad.
Los sistemas aeropónicos utilizan aerosoles hidroatomizados para administrar nutrientes, lo que resulta en un uso mínimo de agua, una mayor oxigenación de las raíces y un excelente crecimiento de las plantas. El rendimiento de la solución nutritiva de los sistemas aeropónicos es mayor en comparación con otros sistemas diseñados para entornos de baja gravedad. La aeroponía elimina la necesidad de sustratos y reduce la cantidad de material de desecho que deben gestionar otros sistemas de soporte vital. Al eliminar el requisito de sustrato, los procesos de plantación y cosecha se simplifican, la automatización se vuelve más fácil, se reduce el peso y el volumen de los materiales fungibles y se elimina una vía potencial para la transmisión de patógenos. Estas ventajas resaltan el potencial de la producción aeropónica en entornos de microgravedad y su eficiencia en la producción de alimentos para el espacio exterior. [1] [ verificación fallida ]
En 1999, la NASA asignó fondos para apoyar el desarrollo de un sistema aeropónico inflable de baja masa (AIS) para la producción de alimentos de alto rendimiento tanto en el espacio como en la Tierra. [30] El AIS es un sistema autónomo y autoportante diseñado para suministrar nutrientes y niebla a las raíces de las plantas en un entorno aeropónico. Su estructura inflable ofrece la ventaja de ser liviana y puede desinflarse para ocupar menos volumen durante el transporte y almacenamiento. Esta versión actual de AIS representa una mejora con respecto a diseños anteriores que utilizaban estructuras rígidas, que tienden a ser más costosas de fabricar y transportar. [20]
En la Tierra, el costo de los materiales y el transporte puede plantear desafíos a la viabilidad económica de los sistemas aeropónicos para los productores comerciales. Sin embargo, estos desafíos se vuelven aún más pronunciados cuando se consideran las limitaciones impuestas por la masa de carga útil para el transporte espacial.
Para superar estas limitaciones, la NASA ha desarrollado materiales especializados capaces de resistir el duro entorno espacial para estructuras y hábitats inflables. Estos materiales, similares a las fibras de aramida, están siendo utilizados actualmente por Bigelow Aerospace en el desarrollo de hábitats ampliables. Se han realizado pruebas exitosas en el espacio con uno de los módulos de actividad expandibles de Bigelow, lo que demuestra la viabilidad de este tipo de estructuras inflables en el entorno espacial. [31] [32]
La aeroponía posee numerosas características que contribuyen a su eficacia y eficiencia como método de cultivo de plantas.
Las plantas cultivadas con aeroponia pasan el 99,98% de su tiempo en el aire, y solo el 0,02% en contacto directo con la solución nutritiva hidroatomizada. Este contacto mínimo con el agua permite que las raíces capturen oxígeno de manera eficiente. Además, la niebla hidroatomizada juega un papel importante en la oxigenación eficaz de las raíces. Una comparación entre la aeroponía y la técnica de película de nutrientes (NFT) revela que la aeroponía tiene un rendimiento de nutrientes menor, de 1,5 mililitros por minuto, en contraste con el 1 litro por minuto de la NFT.
El volumen reducido de rendimiento de nutrientes en la aeroponía conduce a una reducción en la cantidad total de nutrientes necesarios para el desarrollo de las plantas.
Otra ventaja del rendimiento reducido, especialmente relevante para aplicaciones espaciales, es el menor volumen de agua utilizado. Esta reducción en el volumen de agua no solo aligera el peso necesario para sostener el crecimiento de las plantas sino que también reduce el volumen de amortiguación. Además, en aeroponía se minimiza el volumen de efluente producido por las plantas, lo que se traduce en una reducción de la cantidad de agua que requiere tratamiento para su reutilización.
El uso de volúmenes de solución relativamente pequeños en aeroponía, combinado con la exposición limitada de las raíces a la niebla hidroatomizada, minimiza el contacto de raíz a raíz y reduce la propagación de patógenos entre las plantas.
La aeroponía proporciona un mayor control sobre el entorno que rodea la zona de las raíces en comparación con otros sistemas de crecimiento de plantas como la hidroponía. En aeroponía, las raíces de las plantas no están rodeadas continuamente por ningún medio.
La aeroponía ofrece la flexibilidad de administrar varias soluciones nutritivas en la zona de la raíz sin la necesidad de eliminar soluciones o matrices anteriores. Este alto nivel de control es particularmente valioso para estudiar el impacto de diferentes regímenes de nutrientes en especies de plantas específicas. Además, la aeroponía permite una gama más amplia de condiciones de crecimiento en comparación con otros sistemas de suministro de nutrientes. Por ejemplo, el intervalo y la duración de la pulverización de nutrientes se pueden ajustar con precisión para satisfacer las necesidades específicas de una especie de planta. Esto significa que el tejido aéreo puede experimentar un ambiente diferente al de las raíces.
El diseño de un sistema aeropónico permite un manejo conveniente de las plantas. Esto se debe a la separación individual de las plantas y su suspensión en el aire, libres de cualquier matriz que pueda atrapar las raíces. Como resultado, cosechar cada planta se convierte en una tarea sencilla. De manera similar, eliminar cualquier planta infectada se puede hacer fácilmente sin riesgo de arrancar o contaminar las plantas cercanas.
Los sistemas aeropónicos ofrecen ventajas rentables en comparación con otros sistemas. El volumen reducido de rendimiento de la solución, como se mencionó anteriormente, se traduce en menores requisitos de agua y nutrientes en el sistema. Además, la eliminación de sustratos y la necesidad de muchas piezas móviles contribuyen al ahorro de costes.
La aeroponía ofrece una solución para minimizar el impacto negativo de los patógenos en las reservas de semillas. Como se mencionó anteriormente, la separación de las plantas y la ausencia de una matriz de crecimiento compartida contribuyen a esta ventaja. Además, la aeroponía proporciona un entorno cerrado y controlado, lo que la convierte en un sistema ideal para cultivar semillas libres de patógenos. La cámara de crecimiento cerrada, combinada con el aislamiento de las plantas entre sí, sirve para prevenir la contaminación inicial de patógenos externos y limita la propagación de cualquier patógeno existente entre las plantas.
La aeroponía representa un avance significativo en el soporte vital artificial para las plantas, ya que ofrece beneficios como soporte no dañino para las plantas, germinación eficiente de semillas, control ambiental preciso y crecimiento sin restricciones. En comparación con las técnicas agrícolas tradicionales como la hidroponía y el riego por goteo, que se han utilizado durante décadas, la aeroponía proporciona mejoras notables en el cultivo de plantas.
Las técnicas aeropónicas contemporáneas se han investigado exhaustivamente en BioServe Space Technologies de la NASA (archivado el 15 de junio de 2018 en Wayback Machine ), ubicada en el campus de la Universidad de Colorado en Boulder, Colorado. Este centro de investigación se centra en el desarrollo y comercialización de sistemas aeropónicos. Además, los científicos del Centro de Investigación Ames han realizado investigaciones sobre sistemas de circuito cerrado, investigando métodos para cultivar alimentos en entornos de baja gravedad para apoyar futuros esfuerzos de colonización espacial .
En 2000, Stoner obtuvo una patente para su tecnología de control biológico de enfermedades orgánicas, que permite el cultivo sin pesticidas en sistemas aeropónicos.
Un hito notable en la aeroponia se produjo en 2004, cuando Ed Harwood, fundador de AeroFarms , inventó un innovador sistema aeropónico que utiliza una tela de microvellón para cultivar lechugas. [33] [34] AeroFarms, aprovechando la tecnología aeropónica patentada de Harwood, actualmente opera la granja vertical cubierta más grande del mundo basándose en su capacidad de crecimiento anual en Newark, Nueva Jersey. Esta granja de última generación emplea tecnología aeropónica para producir y distribuir hasta dos millones de libras de verduras de hojas verdes sin pesticidas cada año.
La biofarmacia aeropónica es un enfoque innovador que se utiliza para cultivar medicamentos farmacéuticos dentro de las plantas. Esta tecnología proporciona una contención completa, asegurando que los efluentes y subproductos de los cultivos biofarmacéuticos queden confinados dentro de una instalación de circuito cerrado. En un avance notable en 2005, el Dr. Neil Reese de la Universidad Estatal de Dakota del Sur llevó a cabo una investigación sobre OGM utilizando aeroponía para cultivar maíz genéticamente modificado .
El Dr. Reese considera un logro significativo cultivar maíz con éxito en un sistema aeropónico para biomasa . Los intentos anteriores de cultivar varios tipos de maíz mediante hidroponía habían fracasado.
Mediante la implementación de técnicas aeropónicas avanzadas, el Dr. Reese pudo cosechar mazorcas maduras de maíz genéticamente modificado y al mismo tiempo contener eficazmente el polen del maíz y el agua efluente gastada, evitando así su liberación al medio ambiente. Esta contención garantiza que el entorno circundante permanezca libre de contaminación por OGM.
El Dr. Reese enfatiza que la aeroponía ofrece el potencial para prácticas biofarmacéuticas económicamente viables, lo que la convierte en una vía prometedora para la producción farmacéutica. [10]
En 2006, el Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional de Agricultura de Vietnam , en colaboración con Stoner, estableció un programa de doctorado de posgrado centrado en aeroponía. El Centro de Investigación de Agrobiotecnología, dirigido por el profesor Nguyen Quang Thach, está utilizando laboratorios aeropónicos para avanzar en la producción de papa minitubérculos de Vietnam para el cultivo de semilla de papa certificada.
Este desarrollo tiene una importancia histórica significativa, ya que marca la primera vez que una nación ha priorizado específicamente la aeroponía para reforzar su sector agrícola, promover el crecimiento económico en la agricultura, satisfacer las crecientes demandas, mejorar la calidad de los alimentos y aumentar la producción general.
"Hemos demostrado que la aeroponía, más que cualquier otra forma de tecnología agrícola, mejorará significativamente la producción de patatas de Vietnam. Tenemos muy poca tierra cultivable, la aeroponía tiene mucho sentido económico para nosotros", afirmó Thach. [35]
La integración de la aeroponía en la agricultura vietnamita comienza con la producción de minitubérculos orgánicos certificados y de bajo costo libres de enfermedades. Estos minitubérculos sirven luego como suministro local para los agricultores que se dedican a la siembra en el campo de patatas de siembra y patatas comerciales. La adopción de la aeroponía beneficiará a los agricultores de patatas al proporcionarles semillas de patatas libres de enfermedades cultivadas sin el uso de pesticidas. Es importante destacar que también reducirá sus costos operativos y aumentará sus rendimientos, según Thach. [10]
