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 la aeroponía se utiliza agua para suministrar nutrientes a las plantas. [1]
El principio fundamental del cultivo aeropónico consiste en suspender las plantas en un entorno cerrado o semicerrado mientras se rocían sus raíces colgantes y tallos inferiores con una solución de agua rica en nutrientes en forma atomizada o pulverizada. [2] La parte superior de la planta, incluidas las hojas y la corona , denominada dosel , se extiende por encima. 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 celdas cerradas alrededor del tallo inferior y se inserta en una abertura en la cámara aeropónica. En el caso de plantas más grandes, se utiliza un enrejado para soportar el peso de la vegetación y los frutos .
El objetivo es mantener un entorno libre de plagas y enfermedades , lo que permite 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 varias 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 "salvavidas" de emergencia.
La aeroponía de alta presión se refiere al método de suministrar nutrientes a las raíces mediante cabezales nebulizadores con un tamaño que varía entre 20 y 50 micrómetros. Esto se logra utilizando una bomba de diafragma de alta presión que opera a alrededor de 80 libras por pulgada cuadrada (550 kPa).
Los cultivos aeropónicos 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 cultivo y aparato aeropónico genuino es la mínima cantidad de elementos de soporte para las plantas. Este diseño permite el máximo flujo de aire alrededor de la planta al minimizar 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 permite un crecimiento sin restricciones, la expansión de las raíces, un acceso sin obstáculos a agua pura, un intercambio de aire adecuado y condiciones libres de enfermedades. [2] [ verificación fallida ]
La disponibilidad adecuada de oxígeno (O2 ) en la rizosfera (zona de las raíces) es esencial para promover el crecimiento saludable de las plantas. En la aeroponía, donde las plantas se cultivan en un entorno 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 cultivadores 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, estimulando el crecimiento y ayudando a prevenir la formación de patógenos . [2] [ verificación fallida ]
El aire limpio desempeña un papel crucial en la purificación del entorno para las plantas en aeroponía. El acceso sin restricciones al aire es necesario para el crecimiento natural de las plantas y el desarrollo fisiológico exitoso. Si la estructura de soporte restringe el crecimiento natural de la planta, puede aumentar el riesgo de daños a la planta y la posterior formación de enfermedades. [2] [ verificación fallida ]
Los investigadores han utilizado la aeroponía para estudiar el impacto de la composición de los gases en la zona de las raíces sobre 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 implicaba un sistema hidropónico y aeropónico de tres niveles con zonas diferenciadas dentro del área de las raíces. Sus resultados indicaron que el oxígeno disuelto es crucial para la formación de las raíces. Además, descubrieron que en la sección nebulizada, donde se proporcionó una niebla de nutrientes, la cantidad y la longitud de las raíces eran consistentemente mayores en comparación con las secciones sumergidas o sin nebulizar. Incluso con la concentración de oxígeno más baja probada, la sección nebulizada demostró un desarrollo exitoso de las raíces. [2] [ verificación fallida ]
La aeroponía también implica la gestión de los niveles de CO2 en el aire del sistema, lo que posteriormente repercute en la tasa de fotosíntesis de 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 de manera eficaz con la aeroponía para optimizar el crecimiento de las plantas. [2] [ 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, afectando a varias plantas. Los invernaderos tradicionales suelen requerir 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. [2] [ verificación fallida ]
Un beneficio importante de la tecnología aeropónica es la capacidad de eliminar rápidamente una planta enferma de la estructura de soporte 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 selección preliminar de genotipos para la resistencia a plagas específicas de plántulas o podredumbres de raíces. [3] La naturaleza aislante de los sistemas aeropónicos permite a los investigadores evitar las complicaciones que surgen al estudiar estas infecciones en cultivos de suelo.
Los equipos aeropónicos emplean pulverizadores, nebulizadores, nebulizadores u otros dispositivos para crear una fina niebla de solución para suministrar nutrientes a las raíces de las plantas. Los sistemas aeropónicos suelen ser sistemas de circuito cerrado diseñados para proporcionar macro y microambientes que sustenten cultivos aéreos fiables y constantes. Se han desarrollado varios inventos para facilitar la pulverización y nebulización aeropónicas. El tamaño de la gota de agua es fundamental para el desarrollo de las raíces en un entorno aeropónico. En aplicaciones comerciales, se utiliza un pulverizador hidroatomizador de 360°, que utiliza la nebulización por presión de aire para cubrir grandes áreas de raíces.
Una variación de la técnica de niebla, conocida como fogponics , utiliza nebulizadores ultrasónicos para rociar soluciones nutritivas en dispositivos aeropónicos de baja presión.
El tamaño de las gotas de agua desempeña un papel fundamental en el mantenimiento del crecimiento aeropónico. Las gotas de agua 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 de pelos radiculares sin desarrollar un sistema radicular lateral necesario para el crecimiento sostenido en un sistema aeropónico. [2] [ 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 rociadores y atomizadores metálicos. El acceso restringido al agua puede provocar que las plantas pierdan turgencia y se marchiten.
La NASA ha proporcionado fondos para la investigación y el desarrollo de nuevos materiales avanzados destinados a mejorar la fiabilidad y reducir el mantenimiento en la aeroponía. Se ha determinado que una niebla hidroatomizada a alta presión con microgotas de entre 5 y 50 micrómetros es necesaria para un crecimiento aeropónico sostenido.
Para garantizar un crecimiento a largo plazo, el sistema de nebulización debe tener una presión significativa para penetrar eficazmente en los densos sistemas de raíces. Lograr la repetibilidad es crucial en la aeroponía, y esto incluye mantener el tamaño de gota hidroatomizada adecuado. La degradación de la pulverización causada por la mineralización de los cabezales de nebulización dificulta la distribución de la solución nutritiva de agua, lo que da como resultado un desequilibrio ambiental dentro del sistema de cultivo aéreo.
Para solucionar este problema, se han desarrollado materiales poliméricos especiales de baja masa que se utilizan para evitar la mineralización en la próxima generación de sistemas de nebulización y pulverización hidroatomizadores. Estos materiales ayudan a mantener la eficiencia y la eficacia del sistema de nebulización.
La naturaleza discreta de la aeroponía a intervalos y a 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 manera no destructiva las tasas de absorción de agua e iones en arándanos (Barak, Smith et al. 1996). [4]
En su investigación, el equipo descubrió que midiendo las concentraciones y 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 N. Una vez que se verificó su método analítico, Barak et al. procedieron a recopilar datos adicionales específicos de los arándanos. Esto incluyó el estudio de las variaciones diurnas en la absorción de nutrientes, el examen de la correlación entre la absorción de amonio y la salida de protones , y la exploración de la relación entre la concentración de iones y la absorción. Estos hallazgos resaltan el potencial de la aeroponía no solo 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 de cultivos en entornos cerrados. [5]
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 que las hojas y las raíces se quemen. 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 de pelos radiculares. 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 seguido de aproximadamente 1,5 a 2 minutos de pausa, que se mantiene de forma continua. Sin embargo, cuando se incorpora un sistema acumulador, los tiempos de 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, ya que proporcionaba a los investigadores un método no invasivo para examinar las raíces en desarrollo. Esta tecnología innovadora amplió las posibilidades de realización de experimentos al ofrecer una mayor cantidad de parámetros y una gama más amplia de condiciones experimentales. [6]
El control preciso de los niveles de humedad de la zona radicular y el suministro de agua hacen 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 se puede utilizar en experimentos de fisiología de sequías o inundaciones. [7]
La aeroponía es una mejor opción cuando se trata de investigar la morfología de las raíces . La ausencia de agregados permite a los investigadores acceder fácilmente a toda la estructura intacta de la raíz sin causar daños que pueden ocurrir al retirar las raíces del suelo o de los agregados. Se ha observado que la aeroponía produce sistemas de raíces más naturales en comparación con la hidroponía. [8]
El cultivo aeropónico implica el cultivo de plantas en un ambiente de aire, lo que les permite desarrollarse y crecer de forma natural. [2] [ verificación fallida ]
El crecimiento aeropónico se refiere específicamente al proceso de cultivo de plantas en un cultivo aéreo.
Un sistema aeropónico se refiere al conjunto de hardware y componentes diseñados para apoyar el crecimiento de las plantas en un cultivo aéreo.
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 sustentar el crecimiento de las plantas en un cultivo aéreo, adaptados a las necesidades de una especie de planta 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 luego el exceso de solución gotea o se drena nuevamente hacia el 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 generalmente carecen de las características necesarias para purificar la solución nutritiva y eliminar de manera efectiva las inconsistencias, los desechos y los patógenos dañinos . Debido a sus limitaciones de costo, estas unidades suelen ser más adecuadas para el cultivo de sobremesa 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 plantas y cultivos 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 la eficacia de la instalación aeropónica.
Los sistemas aeropónicos comerciales comprenden 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 calefacción y refrigeración, control térmico de soluciones, conjuntos de luces eficientes con flujo de fotones optimizado, 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. [9]
En 1911, V. M. Artsikhovski publicó un artículo titulado "Sobre el cultivo de plantas en el aire" en la revista "Experienced Agronomy". En este artículo, presentó su método de realización de estudios fisiológicos sobre los sistemas radiculares mediante la pulverización de diversas sustancias en el aire circundante, 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 realizó 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. [10] Desde 2006, la aeroponía se ha utilizado ampliamente en la agricultura en todo el mundo. [11]
En 1944, LJ Klotz hizo un descubrimiento importante al rociar plantas de cítricos, lo que facilitó su investigación sobre enfermedades que afectan las raíces de los cítricos y del aguacate. En 1952, GF Trowel logró cultivar manzanos utilizando una técnica de cultivo por aspersión. [6]
En 1957, FW Went acuñó el término "aeroponia" para describir el proceso de cultivo aéreo. Cultivó plantas de café y tomates con raíces suspendidas en el aire, nutriéndolas mediante la aplicación de una niebla nutritiva en la sección de la raíz. [6]
El primer aparato aeropónico disponible comercialmente fue fabricado y lanzado al mercado por GTi en 1983. En ese momento, se lo denominó Genesis Machine , inspirado en la película Star Trek II: La ira de Khan . La Genesis Machine se comercializó como "Genesis Rooting System". [12]
El dispositivo de GTi contaba con un sistema de circuito abierto impulsado por agua controlado por un microchip . Entregaba un rocío de nutrientes hidroatomizado a alta presión dentro de una cámara aeropónica. La máquina Genesis fue diseñada para conectarse a un grifo de agua y a una toma de corriente eléctrica, proporcionando los recursos necesarios para su funcionamiento. [12]
El cultivo aeropónico ha supuesto una revolución en la clonación (propagación vegetativa) de plantas. Ha hecho que la propagación de numerosas plantas, que antes se consideraba difícil o imposible, sea mucho más fácil mediante esquejes de tallo en aeroponía. Las maderas duras delicadas y los cactus, que eran sensibles a las infecciones bacterianas cuando se propagaban mediante esquejes, ahora se pueden propagar con éxito en sistemas aeropónicos. El éxito de la propagación en aeroponía se puede atribuir al entorno altamente aireado alrededor de las raíces, que promueve el desarrollo de pelos radiculares (Soffer y Burger, 1988), [13] así como a un mejor crecimiento de las raíces y en general debido al suministro de nutrientes a través del sistema aeropónico (Santos y Fisher, 2009). [14] Además, la ausencia de medios de enraizamiento reduce el riesgo de enfermedades de las raíces (Mehandru et al., 2014). [15]
La aeroponía desempeña 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 vegetales específicas. Por ejemplo, Leptadenia reticulata, una importante planta medicinal con bajas tasas de reproducción tanto a través de semillas como de esquejes, [15] ha encontrado una propagación más fácil a través de la aeroponía (Mehandru et al., 2014). [15] 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). [16]
La aeroponía es una alternativa más ventajosa que el método tradicional de utilizar nebulizadores (Peterson et al., 2018). [17] Presenta una mayor tasa de éxito en comparación con los nebulizadores, que tienen inconvenientes como la necesidad de grandes volúmenes de agua, posibles condiciones insalubres, cobertura de nebulización desigual y posible lixiviación de nutrientes foliares (Peterson et al., 2018). [17] En esencia, la clonación se ha vuelto más fácil con el uso de aparatos aeropónicos, ya que inicia un desarrollo radicular más rápido y limpio a través de un entorno estéril, rico en nutrientes, altamente oxigenado y húmedo (Hughes, 1983). [2] [ verificación fallida ]
La aeroponía ha logrado avances significativos en la tecnología de cultivo de tejidos, permitiendo una clonación más rápida de plantas 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 de eliminar la necesidad de plantar en el suelo las etapas I y II, lo que ha sido un desafío para los cultivadores 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 finalmente ser trasplantadas al suelo del campo. Todo este proceso no solo requiere mucha mano de obra, sino que también es propenso a enfermedades, infecciones y fallas.
Al utilizar la aeroponía, los cultivadores pueden clonar y trasplantar directamente plantas con raíces aéreas en el suelo del campo. Las raíces aeropónicas son más resistentes al marchitamiento, la pérdida de hojas y el impacto del trasplante en comparación con los métodos tradicionales como la hidroponía. Además, las plantas con raíces aéreas tienden a ser más saludables y menos susceptibles a las infecciones por patógenos. [6] Sin embargo, es importante mantener la humedad relativa (HR) de la cámara de raíces por debajo de los 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 en el soporte de vida 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 requerida ] La aplicación económica de la aeroponía en la agricultura está en desarrollo en el siglo XXI. [ cita requerida ]
En 1985, GTi presentó la segunda generación de equipos de aeroponía, conocidos como "Genesis Growing System". Este nuevo aparato representó un avance significativo en la tecnología de aeroponía, ya que introdujo un sistema de circuito cerrado. El Genesis Growing System utilizaba efluentes reciclados, que se controlaban con precisión mediante 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 de cultivo y cosecha de plantas del mundo.
Vale la pena señalar que muchos de estos primeros sistemas aeropónicos de circuito abierto y circuito cerrado continúan funcionando con éxito hasta el día de hoy.
La aeroponía pasó de los laboratorios al sector de cultivo comercial. En 1966, Bruce Briggs, un pionero en aeroponía comercial, indujo con éxito 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 sufrir un shock de trasplante, que a menudo se observa en los trasplantes hidropónicos . [18]
En 1982, Isaac 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 poliestireno [ aclaración necesaria ] dentro de grandes contenedores de metal. [19]
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. [20] En colaboración con John Prewer, un cultivador comercial llamado Kings Nurseries en la Isla de Wight utilizó un diseño diferente de sistema aeropónico en 1984 para cultivar plantas de fresas . Las fresas florecieron, produciendo una cosecha abundante que fue muy apreciada por los clientes, especialmente los ancianos , que valoraban la limpieza, la calidad y el sabor de la fruta, así como la comodidad de recogerla sin agacharse.
En 1983, Richard Stoner presentó una patente para la primera interfaz de microprocesador diseñada para suministrar agua corriente y nutrientes a una cámara aeropónica cerrada hecha de plástico. Posteriormente, Stoner estableció varias empresas dedicadas a investigar y desarrollar hardware, interfaces, controles biológicos y componentes aeropónicos para la producción comercial de cultivos aeropónicos. [6]
La empresa de Stoner, Genesis Technology Inc, 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. [21]
En la década de 1990, General Hydroponics [Europe] (GHE) intentó introducir la aeroponía en el mercado de la hidroponía para aficionados y presentó el sistema Aerogarden. Aunque el Aerogarden no cumplía los criterios de la aeroponía "verdadera", ya que producía gotitas en lugar de una fina niebla, creó una demanda de cultivo aeropónico en el mercado de aficionados. [ ¿Por quién? ] La distinción entre aeroponía por niebla y aeroponía por gotas se volvió borrosa a los ojos de muchos. [¿ Quién? ] Sin embargo, una empresa del Reino Unido llamada Nutriculture realizó ensayos de aeroponía por niebla verdadera, que mostraron resultados positivos en comparación con las técnicas de cultivo tradicionales como la Técnica de Película Nutriente (NFT) y Ebb & Flood. A pesar de los inconvenientes del costo y el 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 de marca X-stream y luego transfiriéndolas al sistema de cultivo aeropónico de gotas especialmente diseñado.
En 1986, Stoner alcanzó un hito importante al convertirse en la primera persona en comercializar con éxito alimentos frescos cultivados aeropónicamente en una cadena nacional de supermercados. 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 en la exploración espacial. [11]
Las plantas tuvieron su primer encuentro con la órbita de la Tierra en 1960 durante dos misiones separadas, a saber, Sputnik 4 y Discoverer 17 (para una revisión completa del crecimiento de las plantas en el espacio durante los primeros 30 años, consulte Halstead y Scott, 1990). [22] La misión Sputnik 4 implicó llevar semillas de trigo , guisante , maíz , cebolla de verdeo y Nigella damascena , mientras que las células de Chlorella pyrenoidosa se llevaron a la órbita en la misión Discoverer 17. [11] [23]
Tras estos primeros esfuerzos, se llevaron a cabo experimentos con plantas en varias misiones en las que participaron Bangladesh , China y esfuerzos conjuntos soviético-estadounidenses, entre ellos Biosatellite II, Skylab 3 y 4 , Apollo-Soyuz , Sputnik , Vostok y Zond . Los hallazgos iniciales de la investigación arrojaron luz sobre cómo la baja gravedad afectaba la orientación de las raíces y los brotes (Halstead y Scott, 1990). [11]
Investigaciones posteriores se adentraron en la investigación del impacto de la baja gravedad en las plantas a diferentes niveles, como el organísmico, el celular y el subcelular. A nivel organísmico, varias especies, entre ellas el pino , la avena , el frijol mungo , la lechuga, el berro y la Arabidopsis thaliana , mostraron una disminución del crecimiento de las plántulas, las raíces y los brotes en condiciones de baja gravedad. Sin embargo, la lechuga cultivada en la misión Cosmos mostró el efecto opuesto, mostrando un crecimiento mejorado en el espacio (Halstead y Scott, 1990). También se encontró que la absorción de minerales en las plantas cultivadas en el espacio se vio afectada. Por ejemplo, los guisantes cultivados en el espacio demostraron mayores niveles de fósforo y potasio , mientras que los cationes divalentes calcio , magnesio , manganeso , zinc y hierro exhibieron niveles disminuidos (Halstead y Scott, 1990). [24]
En 1996, la investigación de Richard Stoner sobre el control orgánico de enfermedades (ODC) recibió financiación de la NASA. El objetivo era desarrollar una solución líquida natural de control biológico 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 realizó experimentos de control biológico 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 enfoque del experimento de la NASA se centró únicamente en estudiar los beneficios del control biológico.
Los resultados de los experimentos con frijoles en ambientes cerrados de la NASA en la estación espacial MIR y el transbordador confirmaron que el ODC promovía mayores tasas de germinación, mejor brotación, mejor crecimiento y activaba los mecanismos naturales de las enfermedades de las plantas. Aunque inicialmente se desarrolló para la NASA, el ODC no se limita a las aplicaciones espaciales. Los cultivadores de suelo e hidroponía también pueden incorporar el ODC en sus técnicas de plantación, ya que cumple con los estándares NOP del USDA para la 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 de quitosano en una concentración del 0,25 %, así como un 0,28 % de nitrógeno coloidal y un 0,05 % de calcio. [25] [26]
Para mejorar la resiliencia de los sistemas hidropónicos y aeropónicos frente a las enfermedades de las plantas y reducir la dependencia de los aditivos químicos, la NASA explora la integración de controles biológicos ambientales en el diseño de estos sistemas. El Hábitat Avanzado para Plantas (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 controles biológicos con aditivos químicos. Los sensores monitorean varios factores ambientales, incluida la intensidad de la iluminación, el espectro y el fotoperiodo, la temperatura, los niveles de CO2, la humedad relativa, el riego, así como la depuración de etileno y compuestos orgánicos volátiles (VOC) derivados de las plantas. 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. [27] [28] [29]
Estos controles ambientales tienen dos propósitos principales en la inhibición de enfermedades de las plantas. En primer lugar, mantienen las condiciones ambientales que obstaculizan directamente el crecimiento de enfermedades, hongos y plagas. Al regular cuidadosamente factores como la temperatura y la humedad, se reduce el riesgo de infecciones, como la botrytis en las hojas, ya que el entorno 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, los experimentos con pimientos realizados bajo condiciones de luz azul han demostrado una mayor resistencia al mildiú polvoroso. [30]
En 1998, Stoner recibió financiación de la NASA para desarrollar un sistema aeropónico de alto rendimiento apto 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 la identificación y el desarrollo de tecnologías para el crecimiento rápido 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, la minimización del uso de agua y la reducción del 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 dinámica de fluidos variable en diferentes niveles de gravedad, la optimización de los sistemas de suministro de nutrientes ha sido un enfoque principal en el desarrollo de sistemas de crecimiento de plantas.
En la actualidad, se emplean diversos métodos de suministro de nutrientes, tanto en la Tierra como en entornos de baja gravedad. Los métodos que dependen del sustrato incluyen el cultivo tradicional en el suelo, la zeopónica, el agar y las resinas de intercambio iónico cargadas de nutrientes. Además de los enfoques que dependen del sustrato, se han desarrollado métodos que no utilizan el suelo, incluida la técnica de 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 las soluciones en condiciones de microgravedad.
Los sistemas aeropónicos utilizan pulverizadores hidroatomizados para suministrar nutrientes, lo que da como resultado un uso mínimo de agua, una mejor 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, se simplifican los procesos de plantación y cosecha, la automatización se vuelve más fácil, se reduce el peso y el volumen de los materiales desechables 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. [2] [ 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. [31] 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 el almacenamiento. Esta versión actual del AIS representa una mejora con respecto a los diseños anteriores que utilizaban estructuras rígidas, que tienden a ser más costosas de fabricar y transportar. [21]
En la Tierra, el costo de los materiales y el transporte pueden suponer un desafío para 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 la carga útil para el transporte espacial.
Para superar estas limitaciones, la NASA ha desarrollado materiales especializados capaces de soportar el duro entorno espacial para hábitats y estructuras inflables. Estos materiales, similares a las fibras de aramida, se están utilizando actualmente en el desarrollo de hábitats expandibles por Bigelow Aerospace. Se han realizado pruebas exitosas en el espacio con uno de los módulos de actividad expandibles de Bigelow, lo que demuestra la viabilidad de tales estructuras inflables en el entorno espacial. [32] [33]
La aeroponía posee numerosas características que contribuyen a su eficacia y eficiencia como método de cultivo de plantas.
Las plantas cultivadas mediante aeroponía pasan el 99,98 % de su tiempo en el aire, y solo el 0,02 % está en contacto directo con la solución nutritiva hidroatomizada. Este contacto mínimo con el agua permite que las raíces capturen el oxígeno de manera eficiente. Además, la niebla hidroatomizada desempeña un papel importante en la oxigenación eficaz de las raíces. Una comparación entre la aeroponía y la técnica de película nutritiva (NFT) revela que la aeroponía tiene un menor rendimiento de nutrientes de 1,5 mililitros por minuto, en contraste con el litro por minuto de la NFT.
El volumen reducido de procesamiento de nutrientes en la aeroponía conduce a una reducción en la cantidad total de nutrientes necesarios para el desarrollo de las plantas.
Otra ventaja de la reducción del rendimiento, especialmente relevante para las aplicaciones espaciales, es la reducción del volumen de agua utilizado. Esta reducción del volumen de agua no solo aligera el peso necesario para sostener el crecimiento de las plantas, sino que también reduce el volumen de reserva. Además, el volumen de efluente producido por las plantas se minimiza en la aeroponía, lo que da como resultado una menor 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 entre raíces y reduce la propagación de patógenos entre las plantas.
La aeroponía proporciona un mayor control sobre el entorno que rodea la zona radicular en comparación con otros sistemas de crecimiento de plantas como la hidroponía. En la aeroponía, las raíces de las plantas no están rodeadas continuamente por ningún medio.
La aeroponía ofrece la flexibilidad de administrar diversas soluciones nutritivas a la zona radicular sin necesidad de eliminar las soluciones o matrices anteriores. Este alto nivel de control es particularmente valioso para estudiar el impacto de diferentes regímenes de nutrientes en especies vegetales 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 las pulverizaciones de nutrientes se pueden ajustar con precisión para satisfacer los requisitos específicos de una especie de planta. Esto significa que el tejido superficial puede experimentar un entorno diferente al de las raíces.
El diseño de un sistema aeropónico permite una manipulación cómoda de las plantas, gracias a la separación individual de las mismas y su suspensión en el aire, libre de cualquier matriz que pueda atrapar las raíces. De esta forma, la cosecha de cada planta se convierte en una tarea sencilla. Asimismo, la eliminación de cualquier planta infectada se realiza fácilmente sin el riesgo de arrancar o contaminar las plantas cercanas.
Los sistemas aeropónicos ofrecen ventajas rentables en comparación con otros sistemas. El menor volumen de solución que se debe procesar, como se mencionó anteriormente, se traduce en menores requerimientos de agua y nutrientes en el sistema. Además, la eliminación de sustratos y la necesidad de muchas partes móviles contribuyen al ahorro de costos.
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 el cultivo de reservas de 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 de vida artificial para las plantas, ofreciendo beneficios como un soporte que no daña a las plantas, una germinación eficiente de las semillas, un control ambiental preciso y un 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 han sido ampliamente investigadas en BioServe Space Technologies de la NASA ( Archivado el 15 de junio de 2018 en Wayback Machine ) ubicado en el campus de la Universidad de Colorado en Boulder, Colorado. Este centro de investigación se centra en el desarrollo y la 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 biocontrol orgánico de enfermedades, que permite el cultivo sin pesticidas en sistemas aeropónicos.
Un hito notable en la aeroponía se produjo en 2004 cuando Ed Harwood, el fundador de AeroFarms , inventó un innovador sistema aeropónico que utiliza tela de microvellón para cultivar lechugas. [34] [35] AeroFarms, aprovechando la tecnología aeropónica patentada de Harwood, actualmente opera la granja vertical de interior más grande del mundo en función de su capacidad de cultivo 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 hoja verde sin pesticidas cada año.
La biofarmacia aeropónica es un método innovador que se utiliza para cultivar medicamentos farmacéuticos dentro de plantas. Esta tecnología proporciona una contención completa, lo que garantiza que los efluentes y los subproductos de los cultivos biofarmacéuticos se confinen 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 modificado genéticamente .
El Dr. Reese considera que es un logro significativo cultivar maíz con éxito en un sistema aeropónico para la producción de biomasa . Los intentos anteriores de cultivar varios tipos de maíz mediante hidroponía no habían tenido éxito.
Mediante la implementación de técnicas avanzadas de aeroponía, el Dr. Reese pudo cosechar mazorcas maduras de maíz modificado genéticamente y al mismo tiempo contener eficazmente el polen del maíz y el agua residual residual, evitando así su liberación al medio ambiente. Esta contención garantiza que el entorno circundante permanezca libre de contaminación por OGM.
El Dr. Reese destaca que la aeroponía ofrece el potencial para prácticas biofarmacéuticas económicamente viables, lo que la convierte en una vía prometedora para la producción farmacéutica. [11]
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 la aeroponía. El Centro de Investigación Agrobiotecnológica, dirigido por el profesor Nguyen Quang Thach, está utilizando laboratorios aeropónicos para avanzar en la producción de minitubérculos de patata de Vietnam para el cultivo de semillas de patata certificadas.
Este desarrollo tiene una importancia histórica significativa ya que marca la primera vez que una nación ha priorizado específicamente la aeroponía para impulsar 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 un sentido económico total para nosotros", afirmó Thach. [36]
La integración de la aeroponía en la agricultura vietnamita comienza con la producción de minitubérculos orgánicos de bajo costo y certificados libres de enfermedades. Estos minitubérculos luego sirven como un suministro local para los agricultores que se dedican a la plantación de papas de semilla y papas comerciales. La adopción de la aeroponía beneficiará a los productores de papa al proporcionarles papas de semilla libres de enfermedades cultivadas sin el uso de pesticidas. Es importante destacar que también reducirá sus costos operativos y aumentará sus rendimientos, según Thach. [11]
