El fertilizante de algas (o abono ) es un fertilizante orgánico elaborado a partir de algas que se utiliza en agricultura para aumentar la fertilidad del suelo y el crecimiento de las plantas. El uso de fertilizantes con algas se remonta a la antigüedad y tiene una amplia gama de beneficios para los suelos. El fertilizante de algas se puede aplicar de diferentes formas, incluidos extractos líquidos refinados y material orgánico seco y pulverizado. [1] [2] A través de su composición de varias moléculas bioactivas, las algas marinas funcionan como un fuerte acondicionador del suelo , biorremediador y control biológico de plagas , y cada filo de algas ofrece diversos beneficios para la salud del suelo y los cultivos. [1] Estos beneficios pueden incluir una mayor tolerancia a los factores estresantes abióticos, una mejor textura del suelo y retención de agua, y una menor aparición de enfermedades. [1] [3]
En una escala socioecológica más amplia, la acuicultura de algas y el desarrollo de fertilizantes desempeñan funciones importantes en el ciclo biogeoquímico de los nutrientes a través del almacenamiento de carbono y la absorción de nitrógeno y fósforo. [4] [5] La aplicación de fertilizantes de algas marinas a los suelos también puede alterar la estructura y función de las comunidades microbianas . La acuicultura de algas tiene el potencial de generar servicios ecosistémicos al proporcionar una fuente de nutrición a las comunidades humanas y un mecanismo para mejorar la calidad del agua en los sistemas naturales y las operaciones de acuicultura. [6] [7] [8] La creciente popularidad de las prácticas de agricultura orgánica está atrayendo una mayor atención hacia las diversas aplicaciones de fertilizantes y aditivos para el suelo derivados de algas. Si bien la industria de fertilizantes de algas marinas aún está en su infancia, tiene un potencial significativo para el desarrollo económico sostenible, así como para la reducción de la escorrentía de nutrientes en los sistemas costeros. [9] Sin embargo, existen desafíos actuales asociados con el uso y la producción de fertilizantes de algas marinas, incluida la propagación de enfermedades y especies invasoras , el riesgo de acumulación de metales pesados y la eficiencia y el refinamiento de los métodos de producción. [10] [11] [12]
"Algas marinas" es uno de los nombres comunes que se les da a las macroalgas multicelulares, como las algas verdes ( Chlorophyta ), las algas pardas ( Phaeophyceae ) y las algas rojas ( Rhodophyta ). [6] El término alga marina se utiliza a veces para referirse a las microalgas y Las algas marinas son organismos típicamente bentónicos que tienen una estructura llamada sujeción, que las mantiene ancladas al fondo del mar; también tienen un estípite, también conocido como tallo, y un follaje en forma de cuchilla [6] [13] . El alga sargazo es una excepción a esta anatomía y función, ya que no se adhiere al ambiente bentónico [14] . El color de las algas generalmente sigue la profundidad/claridad, siendo las algas verdes, marrones y rojas las que corresponden a aguas poco profundas, moderadas y poco profundas. y aguas más profundas respectivamente; las algas rojas se encuentran a veces hasta 30 metros de profundidad [6] Las algas más pequeñas crecen sólo unos pocos milímetros de altura, mientras que las algas más grandes pueden crecer hasta 50 metros de altura. Se estima que existen 1.800 especies de algas verdes, 1.800 marrones y 6.200 rojas. Las algas pardas se conocen generalmente como algas marinas, pero también se las conoce con otros nombres comunes, como algas marinas y algas marinas. [15] [6] Las algas rojas son el grupo más diverso de algas y, junto con las algas verdes, están más estrechamente relacionadas con las plantas terrestres, mientras que las algas marrones son las más lejanas relacionadas con las plantas terrestres. [6] Las algas marinas se encuentran ampliamente en entornos naturales poco profundos y se cultivan tanto en el océano como en operaciones de acuicultura terrestres . [7] La mayoría de las algas pardas que se encuentran en la naturaleza son de los géneros Laminaria , Undaria , Hizikia , mientras que la mayoría de las algas pardas que se cultivan para usos como fertilizantes e indicación de metales pesados, son de las especies Ascophyllum , Ecklonia , Fucus , Sargassum. . [7] [8] Las algas verdes que se utilizan como bioindicadores, por ejemplo para la indicación de metales pesados, son de los géneros Ulva y Enteromorpha . [11] Las algas rojas del género Poryphora se utilizan comúnmente como alimento humano. [7]
El primer registro escrito del uso agrícola de algas proviene de las antiguas civilizaciones griega y romana del siglo II, donde se utilizaban excrementos de playa para alimentar al ganado y envolver las raíces de las plantas para su conservación. [16] [5] [17] Sin embargo, el análisis de isótopos estables de dientes de ovejas prehistóricos en Orkney indica que los pueblos primitivos usaban algas como forraje para el ganado hace más de 5.000 años, y los investigadores especulan que las algas forrajeras también se usaban como fertilizante porque los restos de algas en cenizas fueron encontrados en sitios arqueológicos. [18] [19] Estas técnicas agrícolas podrían haber sido clave para la supervivencia de los primeros asentamientos en Escocia. Los registros históricos y la evidencia arqueológica del uso de fertilizantes de algas en la costa atlántica son vastos y dispersos, desde Escandinavia hasta Portugal , desde el período neolítico hasta el siglo XX. [16] [20] [18] [5] [21] La mayoría de los detalles sobre el uso de fertilizantes de algas marinas provienen de las Islas Británicas , las Islas del Canal , Normandía y Bretaña (Francia), donde se utilizaron una variedad de técnicas de aplicación a lo largo de los siglos, y algunos continúan hasta el día de hoy. Irlanda tiene una larga historia (siglo XII) de recolección de algas para fertilizar suelos posglaciales pobres en nutrientes utilizando estiércol compostado como enriquecimiento y el aumento de la productividad agrícola permitió que la población irlandesa creciera sustancialmente. [16] Las Islas del Canal (siglo XII) utilizaban una mezcla seca de algas rojas y marrones, llamada "Vraic" o " wrack ", para esparcirla sobre los campos de patatas durante los meses de invierno y enriquecerla antes de plantar el cultivo en la primavera. [16] De manera similar, la población costera de Normandía y Bretaña ha estado recolectando "restos" utilizando rastrillos de madera desde el período neolítico, aunque la composición del fertilizante originalmente incluía todos los desechos marinos que llegaban a la costa. En la Escocia de los siglos XVII y XIX , Fucus spp . Se cultivaron colocando sustrato rocoso en las zonas intermareales para favorecer el asentamiento de algas. [16] La biomasa de algas se utilizó luego en zanjas de compostaje, donde los cultivos (papas, avena, trigo, cebollas) se cultivaron directamente en la mezcla de fertilizante arenoso. Este método de ' cama perezosa ' permitió una rotación mínima de cultivos y permitió cultivar paisajes accidentados y suelos ácidos, donde el crecimiento de las plantas no era adecuado. [18] [21]El alto valor de las algas en estas regiones provocó disputas políticas sobre los derechos de recolección y en Irlanda dichos derechos se establecieron antes que el propio país. [16] Estas primeras aplicaciones de fertilizantes de algas marinas se limitaron a las costas, donde las macroalgas podían recolectarse en el intermareal o después de que una tormenta las arrastrara hasta la costa. Sin embargo, las mezclas de fucus secas o la potasa "fucus" en cenizas podrían transportarse tierra adentro porque pesan menos que las algas húmedas.
Los fertilizantes de algas marinas se extendieron hacia el interior cuando se desarrolló una industria de algas marinas en Escocia, Noruega y Bretaña en los siglos XVIII y XIX. [22] [18] La industria se desarrolló a partir de la demanda de carbonato de sodio o potasa, que se utilizaba para crear vidrio y jabón, y provocó escasez para aplicaciones agrícolas en las comunidades costeras tradicionales. La potasa es un concentrado rico en potasio soluble en agua elaborado a partir de materia vegetal, por lo que también se exportaba como fertilizante. [18] Las comunidades costeras dedicadas a la industria de las algas marinas se expandieron y lucharon por mantenerse al día con la demanda. [21] Las primeras exportaciones comerciales de algas en Escocia devastaron la agricultura tradicional de la región porque se necesitaba mano de obra intensiva durante la temporada de crecimiento de las algas para cosechar y procesar las algas, lo que condujo a una transición laboral de la agricultura al procesamiento de algas. Además, la explotación de los recursos de algas para la producción de potasa dejó pocas algas para fertilizantes locales y las tierras costeras se volvieron más deseables que las regiones del interior. [18] [21] La industria escocesa de las algas marinas pasó por múltiples ciclos de auge y caída, empleando a 10.000 familias y produciendo 3.000 toneladas de cenizas por año durante su apogeo. [23] [ fuente autoeditada? ] [24] [21] [18] El precio de exportación de la ceniza de algas cayó en 1822, lo que provocó una emigración repentina de la zona porque el cultivo ya no era lo suficientemente rentable para sustentar una industria tan grande. La explotación de algas marinas y el procesamiento de cenizas tóxicas causaron daños ecológicos y económicos en Orkney y dejaron a muchas personas enfermas y ciegas. [21] [23] La industria de las algas se recuperó nuevamente para la producción de yodo en 1845 y la producción de alginato (un agente espesante) a principios del siglo XX, lo que revitalizó la cosecha de algas. [21]
La producción mundial de fertilizantes de algas marinas desapareció en gran medida cuando se desarrollaron los fertilizantes químicos en la década de 1920, debido al menor costo de producción. [25] [21] [26] Los fertilizantes químicos revolucionaron la industria agrícola y permitieron que la población humana creciera mucho más allá de los límites de los métodos tradicionales de producción de alimentos. [27] [28] Los fertilizantes sintéticos siguen siendo la fuente mundial predominante para aplicaciones agrícolas comerciales debido al bajo costo de producción y al acceso generalizado. Sin embargo, los agricultores orgánicos a pequeña escala y las comunidades costeras continuaron con las técnicas tradicionales de algas en regiones con una rica historia de algas. [21] [16] El primer fertilizante líquido industrial de algas, Maxicrop , fue creado por Reginald Milton en 1947. [26] La creación de fertilizantes líquidos ha permitido una aplicación más generalizada de fertilizantes derivados de algas en las regiones del interior y ha provocado una creciente demanda agronómica. interés en las algas marinas para una variedad de aplicaciones agrícolas, incluida la pulverización de follaje, bioestimulantes y acondicionamiento del suelo. [26] Curiosamente, el aumento histórico de la acuicultura de algas no se alineó con la producción de fertilizantes porque los países europeos que producen fertilizantes de algas no han desarrollado una industria acuícola significativa; El cultivo de algas marinas también está actualmente dominado por China e Indonesia, donde se cultivan para alimentación y otros usos lucrativos. [5]
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El desarrollo de la maricultura /acuicultura moderna de algas ha permitido la expansión de la investigación sobre fertilizantes de algas y la mejora de los métodos de procesamiento desde la década de 1950. [26] Las algas se han cultivado en países asiáticos para la producción de alimentos durante siglos, pero su acuicultura está creciendo rápidamente en todo el mundo para su uso especializado en biocombustibles , agar , cosméticos, medicinas y bioplásticos . [29] [10] [30] El naciente sector agrícola de algas marinas, que incluye alimentos para animales, aditivos para el suelo y agroquímicos , representa menos del 1% del valor global total de la acuicultura de algas marinas. [26] Sin embargo, el interés significativo en las aplicaciones agrícolas del cultivo ha aumentado dramáticamente desde 1950, a medida que la investigación científica ha demostrado usos agroquímicos especiales para materiales de algas marinas. [26] La creciente preocupación por el agotamiento y la degradación de los recursos marinos en el siglo pasado, junto con las amenazas del cambio climático , ha aumentado el interés global en soluciones sostenibles para el desarrollo económico azul de los océanos. [30] [29] [10] La acuicultura de algas marinas se promueve como una solución para expandir el desarrollo de industrias novedosas y la seguridad alimentaria y, al mismo tiempo, restaurar los ecosistemas dañados. [10] [9] A diferencia de los cultivos terrestres, el cultivo de algas no requiere tierra, piensos, fertilizantes, pesticidas ni recursos hídricos. Las diferentes algas también ofrecen una variedad de servicios ecosistémicos (que se analizan a continuación), que contribuyen a la creciente popularidad de las algas como cultivo de biorremediación . [31] [32] Los fertilizantes desempeñan un papel importante en el desarrollo sostenible de la acuicultura de algas marinas porque el cultivo de algas marinas puede ayudar a aliviar el exceso de carga de nutrientes asociado con la escorrentía de fertilizantes químicos terrestres y la aplicación de fertilizantes orgánicos de algas marinas en el suelo cierra el circuito de nutrientes entre la tierra y el mar. [10] [32] [9] [31] Además, los fertilizantes de algas marinas se pueden producir utilizando subproductos de otras industrias o materias primas que no son aptas para el consumo humano, como biomasa podrida o infectada o productos de residuos biológicos de los métodos de procesamiento de carragenina. [32] [26] [33] La acuicultura de algas también es importante para apoyar el crecimiento sostenible de la industria de fertilizantes de algas porque limita el potencial de explotación de algas nativas para intereses comerciales. [5] [34]Sin embargo, la naciente industria de la acuicultura de algas enfrenta una serie de desafíos para el desarrollo sostenible, como se analiza a continuación. [10] Es necesario examinar cuidadosamente los impactos ambientales de la recolección y producción de algas marinas para proteger a las comunidades costeras y mantener los beneficios socioeconómicos del uso de recursos de algas marinas en la industria. [35]
La maricultura de algas marinas para fines que incluyen la producción de fertilizantes, tiene el potencial de mejorar las condiciones ambientales en los hábitats costeros, especialmente en lo que respecta a las floraciones de algas tóxicas, ya que las algas marinas de la maricultura absorben el exceso de nutrientes resultantes de la escorrentía, inhibiendo así el crecimiento de floraciones de algas tóxicas que dañan las zonas locales. ecosistemas. [8] Los fertilizantes de algas también pueden ser más biodegradables, menos tóxicos y menos peligrosos que los fertilizantes químicos, dependiendo del tipo de fertilizante de algas. [4] Las algas marinas se utilizan en operaciones de acuicultura para absorber los desechos de los peces como nutrientes y mejorar los parámetros de calidad del agua. [7] Los seres humanos utilizan las algas marinas nutricionalmente como alimento, industrialmente como alimento para animales y fertilizantes para plantas, y ecológicamente para mejorar las condiciones ambientales. [7] [6] [8] Los humanos han consumido algas marinas durante siglos porque tienen excelentes perfiles nutricionales, contienen minerales, oligoelementos , aminoácidos y vitaminas , [7] y son ricas en fibra y bajas en calorías. [6] Las algas rojas tienen el mayor contenido de proteínas y las algas marrones tienen el menor contenido de proteínas. [6] De todas las algas rojas, Porphyra , es el género más utilizado para el consumo humano. [7] Las algas pardas son tan abundantes que se utilizan sobre todo para piensos y fertilizantes industriales para animales. [6] Además, actualmente se están investigando las algas marinas como una fuente potencial de biocombustible sostenible, además de como un componente potencial del tratamiento de aguas residuales, porque algunas especies son capaces de absorber y eliminar metales pesados y otros tóxicos de los cuerpos de agua, y También sirven generalmente como indicadores de la calidad del agua. [7] [8] [11]
Cualquier impacto en el ecosistema por el uso de algas como fertilizante para plantas y cultivos se debe principalmente a la forma en que se recolectan las algas. [36] El cultivo de algas marinas insostenible a gran escala puede provocar el desplazamiento y la alteración de los hábitats nativos debido a la presencia de infraestructura agrícola en el agua y a las operaciones antropogénicas cotidianas en la zona. [36] Actualmente, las algas marinas se recolectan de fuentes cultivadas, de fuentes silvestres y de esfuerzos de recolección en la playa. [37] [ fuente autoeditada? ] La recolección de algas silvestres tenderá a tener impactos negativos en los ecosistemas locales, especialmente si las poblaciones existentes se sobreexplotan y se ven incapaces de proporcionar servicios ecosistémicos . [37] También existe el riesgo de que se establezcan monocultivos de algas marinas a gran escala industrial en ambientes bentónicos naturales, lo que llevaría a la exclusión competitiva de las algas y pastos marinos nativos, que habitan en las profundidades debajo de las granjas de algas. [36] Además, el cultivo de algas marinas a gran escala industrial puede alterar el entorno bentónico natural en el que se establecen, al alterar parámetros ambientales como la disponibilidad de luz, el movimiento del agua, las tasas de sedimentación y los niveles de nutrientes, y debido a la situación general. Estrés causado por factores antropogénicos. [36]
Las algas pardas se utilizan con mayor frecuencia para la producción de fertilizantes, en la actualidad e históricamente. [1] El fertilizante de algas marinas puede usarse como una adición cruda al suelo como mantillo , convertirse en abono para descomponer la materia prima resistente o secarse y pulverizarse para hacer que los nutrientes estén más biodisponibles para las raíces de las plantas. [1] [38] [ ¿ fuente autoeditada? ] La fertilización con abono es una técnica que cualquier granja orgánica de pequeña escala puede utilizar fácilmente si tiene acceso a algas marinas, [39] [ ¿ fuente autoeditada? ] aunque los extractos son más comunes para aplicaciones comerciales a gran escala. [1] Los procesos de fabricación comercial suelen ser más técnicos que las técnicas tradicionales que utilizan biomasa cruda y utilizan diferentes procesos bioquímicos para concentrar y extraer los nutrientes más beneficiosos de las algas marinas.
Se puede crear un fertilizante líquido simple fermentando hojas de algas en agua, aunque el proceso se intensifica y acelera industrialmente mediante calor y presión. [2] [26] Otros métodos para la extracción líquida incluyen una extracción suave con molienda a baja temperatura para suspender partículas finas en agua, calentar la materia prima con sodio o potasio alcalino para extraer nutrientes y la adición de enzimas para ayudar en la descomposición bioquímica. . [1] [2] La extracción de nutrientes biodisponibles de las algas crudas se logra rompiendo las resistentes paredes celulares mediante técnicas físicas, como la extracción por ultrasonido , la ebullición o la congelación y descongelación. También se utilizan técnicas de fermentación biológica para degradar las células. [40] Las técnicas de extracción física suelen ser más rápidas, pero más caras y dan como resultado un peor rendimiento de los cultivos en los ensayos. [40] Dado que el extracto de algas tiene propiedades quelantes que mantienen la biodisponibilidad de iones metálicos traza para las plantas, a menudo se agregan micronutrientes adicionales a la solución para aumentar el beneficio de fertilización para cultivos específicos. [26] Las técnicas de fertilización orgánica tienen menores consecuencias ambientales en comparación con la producción de fertilizantes químicos artificiales, porque no utilizan solventes cáusticos u orgánicos agresivos para producir fertilizantes y la materia prima de las algas es un recurso renovable, a diferencia de los depósitos minerales y los combustibles fósiles. necesaria para sintetizar fertilizantes químicos. [1] [32] [39] El uso agrícola a gran escala de fertilizantes sintéticos agota la fertilidad del suelo y aumenta la dureza del agua con el tiempo, por lo que las tendencias recientes en el desarrollo agrícola están siguiendo un enfoque orgánico para sostener la producción de alimentos a través de una mejor gestión del suelo y la biofertilización. técnicas. [41] Los extractos de algas marinas son biofertilizantes que también pueden usarse como bioestimulantes, que se aplican para mejorar la eficiencia de los nutrientes y la tolerancia al estrés abiótico. [2] Se están desarrollando nuevas tecnologías de extracción para mejorar la eficiencia y apuntar al aislamiento de compuestos específicos para aplicaciones especializadas de bioestimulantes de algas marinas, aunque las técnicas de extracción específicas suelen ser secretos comerciales. [2] Además, muchos procesos de extracción de fertilizantes líquidos pueden complementar otros usos industriales de las algas, como la producción de carragenina , lo que aumenta el beneficio económico del mismo cultivo de algas. [2] [33]
Para apoyar una creciente industria de la acuicultura de algas, muchos estudios han evaluado la dinámica del ciclo de nutrientes de diferentes especies de algas, además de explorar aplicaciones de coproducción que incluyen la biorremediación y el secuestro de carbono. [5] [42] [43] [44] Las algas marinas pueden formar comunidades altamente productivas en las regiones costeras, dominando los ciclos de nutrientes dentro de estos ecosistemas. [45] Como productoras primarias, las algas marinas incorporan carbono inorgánico, luz y nutrientes (como nitrógeno y fósforo) a la biomasa a través de la fotosíntesis. [4] La recolección de algas marinas en ambientes marinos da como resultado la eliminación neta de estos elementos de estos ecosistemas, además de la eliminación de metales pesados y contaminantes. [44]
Para la fotosíntesis, las algas utilizan tanto nitrógeno inorgánico, en forma de nitrato (NO 3 − ) y amonio (NH 4 + ), como nitrógeno orgánico en forma de urea . [46] La producción primaria que utiliza nitrato generalmente se considera nueva producción porque el nitrato se suministra externamente a través de surgencias y aportes fluviales y, a menudo, se ha convertido a partir de formas de nitrógeno que se liberan mediante la respiración biológica. Sin embargo, la producción primaria que utiliza amonio se denomina producción reciclada porque el amonio se suministra internamente mediante la regeneración por heterótrofos dentro de los ecosistemas. [46] Por ejemplo, el amonio excretado por peces e invertebrados dentro de los mismos ecosistemas costeros que las algas marinas puede sustentar la producción de algas al proporcionar una fuente de nitrógeno. [47] El fósforo se suministra inorgánicamente como fosfato (PO 4 3- ) y generalmente sigue patrones estacionales similares a los del nitrato. [46] Además, las algas marinas requieren carbono inorgánico, generalmente suministrado desde el medio ambiente en forma de dióxido de carbono (CO 2 ) o bicarbonato (HCO 3 − ). [48]
Al igual que otros organismos marinos fotosintetizadores como el fitoplancton , las algas también experimentan limitaciones de nutrientes que afectan su capacidad de crecer. [4] [46] [49] El nitrógeno es el nutriente limitante más comúnmente encontrado para la fotosíntesis de las algas, aunque también se ha encontrado que el fósforo es limitante. [46] La proporción de carbono inorgánico, nitrógeno y fósforo también es importante para garantizar un crecimiento equilibrado. [49] Generalmente, la proporción N:P para las algas marinas es 30:1; sin embargo, la proporción puede diferir significativamente entre especies y requiere pruebas experimentales para identificar la proporción específica para una especie determinada. [46] [47] Explorar la relación entre el ciclo de nutrientes y el crecimiento de las algas es vital para optimizar la acuicultura de algas y comprender las funciones y beneficios de las aplicaciones de las algas, incluido su uso como fertilizante, biorremediador y en la economía azul. [46] [50]
Una población en crecimiento y la intensificación de la industria y la agricultura han aumentado el volumen de aguas residuales vertidas en los ecosistemas marinos costeros. [51] [52] Estas aguas suelen contener altas concentraciones de nitrógeno y fósforo, y concentraciones relativamente altas de metales pesados, lo que lleva a la eutrofización de muchos ecosistemas costeros. [42] [43] [52] La eutrofización resulta de la carga excesiva de nutrientes dentro de estos ecosistemas resultante de la contaminación de las aguas que ingresan a los océanos debido a la industria, la alimentación animal y los fertilizantes sintéticos y, por lo tanto, fertiliza excesivamente estos sistemas. [42] [43] [44] La eutrofización conduce a una alta productividad en los sistemas costeros, lo que puede resultar en hipoxia costera y acidificación de los océanos , dos preocupaciones importantes para los ecosistemas costeros. [53] [54] Un servicio notable del cultivo de algas marinas es su capacidad para actuar como biorremediador mediante la absorción y eliminación del exceso de nutrientes en los ecosistemas costeros con su aplicación a los usos de la tierra. [42] Las algas pardas, debido en parte a su gran tamaño, se han destacado por su alta productividad y su correspondiente alta absorción de nutrientes en los ecosistemas costeros. [44] [45] [55] Además, los estudios se han centrado en cómo se puede optimizar el crecimiento de las algas pardas para aumentar la producción de biomasa y, por lo tanto, aumentar la cantidad de nutrientes eliminados de estos ecosistemas. [55] Los estudios también han explorado el potencial de las algas pardas para secuestrar grandes volúmenes de carbono ( carbono azul ). [5] [45] [55]
Las algas marinas han recibido mucha atención por su potencial para mitigar la eutrofización en los ecosistemas costeros mediante la absorción de nutrientes durante la producción primaria en la acuicultura multitrófica integrada (IMTA). [5] [42] [4] La biorremediación implica el uso de organismos biológicos para reducir las concentraciones de nitrógeno, fósforo y metales pesados en los ecosistemas marinos. [44] [51] El potencial de biorremediación de las algas marinas depende, en parte, de su tasa de crecimiento, que está controlada por numerosos factores que incluyen el movimiento del agua, la luz, la desecación , la temperatura, la salinidad, la etapa de vida y la clase de edad. [45] [4] [42] [56] También se ha propuesto que en los ecosistemas eutróficos el fósforo puede llegar a ser limitante para el crecimiento de las algas debido a la alta proporción N:P de las aguas residuales que ingresan a estos ecosistemas. [57] Las prácticas de biorremediación se han utilizado ampliamente debido a su capacidad rentable para reducir el exceso de nutrientes en los ecosistemas costeros, lo que lleva a una disminución de la proliferación de algas nocivas y a la oxigenación de la columna de agua. [43] [52] Las algas marinas también se han estudiado por su uso potencial en la biosorción y acumulación de metales pesados en aguas contaminadas, aunque la acumulación de metales pesados puede afectar el crecimiento de las algas. [44] [52]
Los métodos de carbono azul implican el uso de ecosistemas marinos para el almacenamiento y entierro de carbono. La acuicultura de algas marinas muestra potencial para actuar como sumidero de CO 2 mediante la absorción de carbono durante la fotosíntesis, la transformación de carbono inorgánico en biomasa y, en última instancia, la fijación de carbono que luego puede exportarse y enterrarse. [5] [31] [50] Duarte et al. (2017) describen una estrategia potencial para una iniciativa de carbono azul del cultivo de algas. [31] Sin embargo, la contribución de las algas al carbono azul ha enfrentado controversia sobre la capacidad de las algas para actuar como un sumidero neto de carbono atmosférico. [31] [50] Krause-Jensen et al., (2018) analizan dos criterios principales para que el cultivo de algas marinas se considere una iniciativa de carbono azul: debe ser extenso en tamaño y tasa de secuestro y poseer la capacidad de ser ejecutado por los humanos. , que la tasa de secuestro puede controlarse mediante la acción humana. [50] El cultivo de algas marinas, incluido su uso como fertilizante, podría convertirse en un importante contribuyente a las estrategias de mitigación del clima mediante el secuestro y almacenamiento de carbono. [31]
Las algas funcionan como biofertilizante orgánico. Debido a que las algas son ricas en micro y macronutrientes , ácidos húmicos y fitohormonas , mejoran la fertilidad del suelo . [1] Además, los fertilizantes derivados de algas marinas contienen polisacáridos , proteínas y ácidos grasos que mejoran la humedad y la retención de nutrientes del suelo, contribuyendo a un mejor crecimiento de los cultivos. [1] Se encuentran más oligoelementos en las algas marinas que en los producidos con subproductos animales. [58]
La aplicación de fertilizantes de algas marinas también puede dar lugar a una mayor tolerancia a factores estresantes abióticos que generalmente inhiben el crecimiento y el rendimiento de los cultivos, como la baja humedad, la alta salinidad y las temperaturas bajo cero. [3] Estos beneficios de tolerancia al estrés parecen estar impulsados por cambios fisiológicos inducidos en los cultivos por las algas marinas, incluido un mejor almacenamiento de energía, una mejor morfología de las raíces y un mayor potencial metabólico, lo que mejora la capacidad de la planta para sobrevivir en condiciones desfavorables. [3] Los extractos de Kappaphycus alvarezzi también han dado lugar a reducciones considerables en la fuga de electrolitos , así como a una mayor producción de clorofila y carotenoides , y al contenido de agua. [3] La investigación también ha demostrado que las plantas de trigo tratadas con extractos de algas marinas han acumulado osmoprotectores clave como la prolina , otros aminoácidos y proteínas totales. [3]
Se ha demostrado que las aplicaciones foliares de extracto de fertilizante de algas marinas mejoran la absorción de nitrógeno, fósforo, potasio y azufre en la soja como G lycine max . [59] La investigación también ha demostrado que los extractos de algas pardas pueden mejorar el crecimiento de las plantas de tomate, el rendimiento general de los cultivos y la resistencia a los factores estresantes ambientales. [60] Los beneficios adicionales documentados del uso de algas marinas como fertilizante incluyen una reducción del impacto del trasplante , un aumento de la superficie foliar y un mayor contenido de azúcar. [61]
Como acondicionador del suelo, el fertilizante de algas puede mejorar las cualidades físicas del suelo, como la aireación y la retención de agua. [1] Los suelos arcillosos que carecen de materia orgánica y porosidad se benefician del ácido húmico y los alginatos solubles que se encuentran en las algas marinas. [1] [62] Estos compuestos se unen con radicales metálicos que hacen que las partículas de arcilla se agreguen, mejorando así la textura, la aireación y la retención del suelo al estimular la desagregación de la arcilla. [62] La degradación de los alginatos también complementa el suelo con materia orgánica, mejorando su fertilidad. [1]
En particular, se sabe que las algas pardas como el sargazo tienen valiosas propiedades acondicionadoras del suelo. Esta alga contiene alginatos solubles y ácido algínico, que cataliza la descomposición bacteriana de la materia orgánica. [1] [62] Este proceso mejora la calidad del suelo al mejorar las poblaciones de bacterias fijadoras de nitrógeno y al complementar el suelo con acondicionadores adicionales a través de los productos de desecho producidos por estas bacterias. [62]
Las algas funcionan como biorremediadores mediante la adsorción de contaminantes nocivos. Los grupos funcionales en la superficie de las algas, como los grupos éster , hidroxilo, carbonilamino, sulfhidrilo y fosfato, impulsan la biosorción de iones de metales pesados. [1] [63] [64] Las algas marinas como Gracilaria corticata varcartecala y Grateloupia lithophila eliminan eficazmente una amplia variedad de metales pesados, incluidos el cromo (III) y (IV), el mercurio (II), el plomo (II) y el cadmio ( II) de su entorno. [64] Además, Ulva spp. y Gelidium spp. Se ha demostrado que mejoran la degradación del DDT en suelos contaminados y pueden reducir su biodisponibilidad. [65] Aunque existe un potencial significativo para que las algas sirvan como biorremediador de suelos contaminados, se necesita más investigación para desarrollar completamente los mecanismos de este proceso en el contexto de la agricultura. Los metales pesados acumulados por los fertilizantes de algas pueden transferirse a los cultivos en algunos casos, lo que tiene importantes implicaciones para la salud pública. [66]
La aplicación de biocarbón es otra estrategia que puede remediar y mejorar suelos infértiles. Las algas pueden transformarse en biocarbón y utilizarse como medio para aumentar la materia orgánica y el contenido de nutrientes del suelo. [67] Los diferentes tipos de algas parecen producir nutrientes y parámetros únicos; Las algas rojas, por ejemplo, crean biocarbón que es rico en potasio y azufre y es más ácido que el biocarbón generado a partir de algas pardas. [67] Si bien este es un nuevo campo de investigación, los datos actuales muestran que la cría selectiva de algas marinas puede dar como resultado biocarbón que se puede adaptar a diferentes tipos de suelo y cultivos. [67]
La adición de algas al suelo puede mejorar la salud de los cultivos y su resistencia a las enfermedades. [1] Las algas marinas contienen una amplia gama de moléculas bioactivas que pueden responder a enfermedades y plagas, incluidos esteroides , terpenos , acetogeninas y polímeros derivados de aminoácidos . [1] La aplicación de extractos de algas marinas reduce la presencia de plagas dañinas, incluidos nematodos e insectos. [61] [68] [12] Si bien la aplicación de algas parece reducir los efectos nocivos de la infestación de nematodos, la combinación de la aplicación de algas y carbofurano , un nematocida químico , parece ser más efectiva. [68] Además, varias especies de algas marinas parecen obstaculizar el crecimiento y desarrollo temprano de numerosos insectos perjudiciales, incluidos Sargassum swartzii , Padina pavonica y Caulerpa denticulata . [12]
Sólo recientemente se han estudiado los cambios en las comunidades bacterianas y fúngicas, en respuesta al tratamiento con fertilizantes de algas marinas. La composición y funcionalidad de la comunidad microbiana del suelo depende en gran medida de la salud subyacente del suelo y de las propiedades abióticas. [69] [70] Se han utilizado muchos enfoques basados en secuenciación de ADN y ómicos , combinados con experimentos en invernadero , para caracterizar las respuestas microbianas al tratamiento con fertilizantes de algas marinas en una amplia variedad de cultivos. [71] [72] [73] [74] [75] La secuenciación profunda del amplicón de ARN ribosomal (ARNr) 16S de las bacterias encontradas en los suelos de parcelas de tomate, tratadas con un fertilizante de algas marinas fermentadas Sargassum horneri , mostró un gran cambio en alfa índices de diversidad y diversidad beta entre suelos no tratados y suelos después de 60 días. [71] Este cambio en la composición de la comunidad se correlacionó con un aumento de 1,48 a 1,83 veces en el rendimiento de tomate en suelos tratados. [71] Aunque los filos bacterianos dominantes permanecieron similares entre los grupos de tratamiento, se observaron cambios en la abundancia de la clase Bacilli y la familia Micrococcaceae . [71] Los ensayos enzimáticos también mostraron un aumento en la actividad de proteasa , polifenol oxidasa , deshidrogenasa , invertasa y ureasa , [71] que se pensaba que era inducido por alteraciones de la comunidad microbiana. [71] Se observó que cada uno de los resultados microbianos y enzimáticos enumerados anteriormente mejora la renovación y la calidad de los nutrientes en suelos tratados con fertilizantes. [71] Para investigar las interacciones entre las rizobacterias promotoras del crecimiento de las plantas (PGPR) y el extracto derivado de algas, Ngoroyemoto et al. trataron Amaranthus hybridus con Kelpak y PGPR y midieron los impactos en el crecimiento de las plantas. [72] Se descubrió que el tratamiento de las plantas con Kelpak® y las bacterias Pseudomonas fluorescens y Bacillus licheniformis disminuía las respuestas al estrés de las plantas y aumentaba la producción. [72] El estudio mencionado más recientemente proporciona implicaciones para los beneficios de los cultivos cuando la aplicación de fertilizantes de algas marinas a los suelos favorece el crecimiento de PGPR.
Wang y cols. encontraron que las plántulas de manzana tratadas con fertilizantes de algas marinas diferían notablemente en diversidad de hongos y riqueza de especies, en comparación con los grupos de control sin tratamiento. [73] Estos hallazgos se complementaron con aumentos en la calidad del suelo y las actividades enzimáticas en los grupos de suelos tratados, lo que respalda la hipótesis de que el fertilizante promovió el crecimiento de especies de hongos beneficiosas para las plantas. Con el uso de ARNr 16S y secuenciación del espaciador transcrito interno (ITS) de hongos, Renaut et al. examinaron el efecto del tratamiento con extracto de Ascophyllum nodosum en las rizosferas de plantas de pimiento y tomate en invernaderos. [74] Este grupo encontró que la composición de especies de bacterias y hongos y las estructuras comunitarias diferían según el tratamiento. [74] Un aumento en la abundancia de ciertas variantes de secuencia de amplicones (ASV) también se correlacionó directamente con aumentos en la salud y el crecimiento de las plantas. [74] Estos ASV incluían hongos de la familia Microascaceae , el género Mortierella spp. y varios otros ASV incultos. [74] En este mismo estudio se identificó que una gran diversidad de ASV bacterianos se correlacionan positivamente con el crecimiento, incluidos Rhizobium , Sphingomonas , Sphingobium y Bradyrhizobium . [74]
La aplicación de fertilizantes de algas también puede aumentar la resistencia a los patógenos de las plantas. En muestras de invernadero, Ali et al. Probaron el tratamiento con extracto de Ascophyllum nodosum en cultivos de tomate y pimiento dulce y descubrieron que mejoraba la salud de las plantas y reducía la incidencia de patógenos vegetales. [75] Investigaciones adicionales demostraron que la regulación positiva de las enzimas relacionadas con la defensa de patógenos condujo a la reducción de los patógenos, Xanthomonas campestris pv. vesicatoria y Alternaria solani . [75] Chen y cols. encontró que el tratamiento con Ascophyllum nodosum impactó positivamente la composición comunitaria de las rizosferas de maíz. [76] Esto puede tener implicaciones críticas para la salud de las plantas porque la estructura de las comunidades microbianas de la rizosfera puede ayudar en la resistencia de las plantas a los patógenos transmitidos por el suelo. [77]
Otras reducciones de patógenos incluyen la mitigación de las enfermedades fúngicas foliares de la zanahoria después del tratamiento con Ascophyllum nodosum y la inoculación con los hongos patógenos Alternaria radicina y Botrytis cinerea . [78] Se observó una reducción de la gravedad de la enfermedad a los 10 y 20 días después de la inoculación en comparación con las plantas de control, y se descubrió que el tratamiento con algas marinas era más efectivo para reducir la patología de la enfermedad que el ácido salicílico , un conocido protector de las plantas contra el estrés biótico y abiótico. [79] Islam y otros. Tuvo resultados similares al tratar Arabidopsis thaliana con extractos de algas pardas, seguido de la inoculación con el hongo patógeno Phytophthora cinnamomi . [80] Este grupo analizó las transcripciones de ARN de las plantas y descubrió que el extracto de algas preparó a A. thaliana para defenderse contra el patógeno fúngico antes de su inoculación, lo que condujo a una mayor supervivencia del huésped y una menor susceptibilidad a la infección. [80]
Menos estudios han analizado el impacto del tratamiento con fertilizantes de algas sobre la resistencia de las plantas a los patógenos virales , aunque se han demostrado resultados auspiciosos limitados. [3] Se ha demostrado que las algas verdes, marrones y rojas contienen polisacáridos que activan vías de respuesta ilícitas a patógenos en las plantas, lo que prepara la defensa contra virus, junto con bacterias y hongos. [81] Específicamente, las enzimas de defensa, incluidas la fenilalanina amoníaco liasa y la lipoxigenasa , se activan y conducen a la defensa viral. [81] Se demostró que los extractos acuosos y etanólicos del alga parda Durvillaea antarctica disminuyen los síntomas patológicos del virus del mosaico del tabaco (TMV) en las hojas de tabaco. [82] Otro estudio realizado en plantas de tabaco encontró que los oligosacáridos de fucano sulfatados, extraídos de algas pardas, inducían resistencia local y sistémica adquirida al TMV. [83] Con base en los resultados anteriores, se puede afirmar que la aplicación de fertilizantes de algas marinas tiene un potencial considerable para proporcionar amplios beneficios a los cultivos agrícolas y resistencia a patógenos vegetales bacterianos, fúngicos y virales.