¿Cómo ser más eficaces al usar agua y nutrientes en invernaderos y vivero?
Investigación de científicos de la Universidad de Michigan.
Michigan, Estados Unidos | MSU | Todo El Campo | Tom Fernández, profesor del Departamento de Horticultura de la Universidad de Michigan (MSU), ha pasado gran parte de sus 25 años de carrera en la MSU estudiando cómo gestionar eficazmente el agua en invernaderos y viveros para aumentar la eficiencia en el uso del agua y reducir la escorrentía de nutrientes.
Con el apoyo financiero del Proyecto Greeen, la iniciativa de agricultura vegetal de Michigan con sede en MSU y respaldada por la Coalición de Plantas de Michigan, el Departamento de Agricultura y Desarrollo Rural de Michigan, MSU AgBioResearch y MSU Extension, Fernández ha desarrollado estrategias de manejo para garantizar que los insumos agrícolas, como fertilizantes y pesticidas, no se desvíen de sus objetivos previstos, dañando el medio ambiente circundante y disminuyendo el agua calidad.
Según la Agencia de Protección Ambiental de EE.UU., aproximadamente medio millón de toneladas de pesticidas, 12 millones de toneladas de nitrógeno y 4 millones de toneladas de fertilizantes de fósforo se aplican anualmente a los cultivos. La escorrentía de estos insumos contribuye a algunas de las principales tensiones sobre la calidad del agua.
En invernaderos y viveros, es fácil regar en exceso muchas plantas porque los recipientes en los que se encuentran permiten que el agua se drene fácilmente. Fernández ha descubierto que al aplicar agua en función del uso diario de agua de una planta, el riego se puede reducir entre un 30% y un 80% dependiendo de la especie, y los productores pueden conservar el agua y reducir la escorrentía de nutrientes de la mezcla para macetas.
Además de minimizar la escorrentía de nutrientes de los fertilizantes, como nitratos y fosfatos, Fernández también ha examinado cómo disminuir el movimiento de pesticidas del suelo y las áreas no objetivo. Los plaguicidas se rocían sobre la parte superior de las plantas, por lo que, como resultado, golpean espacios no deseados, como los espacios entre las plantas o la cubierta vegetal en invernaderos y viveros. Cuando el riego se aplica por encima de la cabeza, los pesticidas en estos espacios pueden moverse con el agua y afectar su calidad.
Al igual que la forma en que se redujo el movimiento de nutrientes de los fertilizantes en el suelo, Fernández dijo que aplicar menos agua a las plantas puede ayudar a mitigar los pesticidas que se mueven en el suelo y de las superficies no objetivo. También dijo que el microriego de macetas individuales usando estacas de rociado, que ventilan el agua sobre recipientes individuales, demostró reducir significativamente la escorrentía superficial de pesticidas.
“El tiempo realmente está de nuestro lado cuando pensamos tanto en nutrientes como en pesticidas”, dijo Fernández. “Cuanto más tiempo evitemos que ingresen a los sistemas de agua, más les puede suceder biológicamente para que no causen un problema”.
Con estas estrategias, Fernández dijo que se comprendió mejor cómo regar las plantas en macetas sin promover la escorrentía. Desde entonces, ha emprendido un nuevo proyecto: estudiar cómo tratar el agua utilizada en la producción abordando la cantidad de nutrientes y pesticidas que contiene después de la aplicación.
A partir de 2018, Fernández y Gemma Reguera, decana asociada de asuntos de la facultad y desarrollo en la Facultad de Ciencias Naturales de MSU y profesora en el Departamento de Microbiología, Genética e Inmunología, comenzaron a examinar cómo los nutrientes de los fertilizantes interactúan con los biorreactores, así como hasta qué punto los biorreactores los separan del agua utilizada en los invernaderos, una empresa estudiada originalmente por el ex estudiante de doctorado de Fernández, Damon Abdi, ahora profesor asistente de horticultura en la Universidad Estatal de Luisiana.
¿CÓMO SON ESTOS BIORREACTORES?
«Tienen un nombre elegante, pero en realidad son solo grandes tinas de astillas de madera», dijo Fernández.
Fernández dijo que originalmente desarrollaron un sistema de biorreactor de dos etapas compuesto por astillas de madera, que convierten los nitratos en gas nitrógeno, y arcilla expandida por calor, que le da al fósforo de los fosfatos una gran superficie para unirse cuando el agua corre a través de él.
La investigación demostró que cuando el agua corría a través del sistema, más del 95% de los nitratos podían eliminarse, y entre el 80% y el 87% de los fosfatos podían descomponerse y eliminarse. Fernández y su equipo descubrieron que la actividad ocurría principalmente en las astillas de madera, por lo que la segunda etapa del biorreactor que implementaba arcilla expandida con calor ha sido descontinuada desde entonces.
Esta función del biorreactor es fundamental para el agua que no se puede reutilizar en las operaciones, ya que reduce la posibilidad de que los nutrientes se descarguen y contaminen el medio ambiente. Sin embargo, muchos invernaderos y viveros modernos funcionan con sistemas de agua de circuito cerrado en los que el agua se mantiene dentro de las instalaciones y, a menudo, se recicla en la producción. Fernández dijo que para el agua que se recicla, ha recibido consultas sobre el potencial de reciclar nutrientes en el biorreactor mientras se reduce la presencia de pesticidas.
«Nuestros socios querían eliminar los pesticidas, pero mantener los nutrientes en el agua porque están pagando por ellos, es decir, fertilizantes», dijo Fernández.
Para mantener los nutrientes en el agua, el agua debe viajar a través del biorreactor a un ritmo más rápido. Cuando lo hace, hay menos tiempo para que el biorreactor se vuelva anaeróbico, un estado sin oxígeno, lo que evita que nutrientes como los nitratos se desgasifiquen.
Después de modificar el biorreactor para permitir que el agua se moviera a través de él a un ritmo de alrededor de 4 horas en lugar de un ritmo de 72 horas, que era aproximadamente la cantidad de tiempo que tardaban los nutrientes en eliminarse del agua, Fernández dijo que su equipo ha podido reciclar entre el 90% y el 100% de los nutrientes del agua para volver a utilizarlos en la producción.
Fernández y Reguera también observaron que cuando los plaguicidas pasaban por el biorreactor, no afectaban la funcionalidad de los microorganismos que trabajaban dentro del sistema. De hecho, descubrieron que, dependiendo de la movilidad de cada pesticida en el agua, el biorreactor podría reducir la cantidad total de pesticidas en el agua entre un 30% y un 75%.
“En nuestros experimentos de laboratorio, descubrimos que si íbamos a un tiempo de retención bajo, el tiempo en el que el agua se mantiene dentro del biorreactor, podríamos mantener los nutrientes en el flujo de agua y eliminar muchos de los pesticidas”, dijo Fernández.
Amy Upton, directora ejecutiva de la Asociación de Viveros y Paisajismo de Michigan, dijo que los datos de la investigación de Fernández y su equipo ayudan a las industrias de invernaderos y viveros a comercializar su producción de agua limpia, y las demostraciones prácticas ofrecidas por el equipo ayudan a los productores a evaluar y adoptar estas tecnologías.
“La calidad y la seguridad del agua son de vital importancia para las industrias de viveros e invernaderos”, dijo Upton. “La investigación del Dr. Fernández y su equipo no solo aborda la calidad y la seguridad, sino que también incorpora aspectos importantes como sustratos mejorados sin suelo que optimizan la retención de agua y nutrientes y tecnologías de tratamiento a escala comprobadas que reducen los pesticidas y patógenos en las fuentes de agua”.
“Las industrias de viveros e invernaderos de Michigan están agradecidas por el apoyo del Dr. Fernández y su equipo, así como por el continuo apoyo financiero del Proyecto Greeen”.
Jim Kells, coordinador del Proyecto Greeen, dijo que la novedosa capacidad de gestionar los nutrientes en el agua ayudará a los invernaderos y viveros a aumentar la sostenibilidad y la eficiencia.
“A través de la investigación respaldada por el Proyecto Greeen, el Dr. Fernández ha desarrollado sistemas innovadores para minimizar el uso de agua y reducir los pesticidas en el agua, al tiempo que recicla nutrientes valiosos”, dijo Kells. “Esta investigación tiene el potencial de reducir el impacto ambiental de los sistemas de invernaderos y viveros, al tiempo que aumenta la rentabilidad de los productores”.
Este será el tercer año en el que Fernández y su equipo, incluidos los estudiantes de doctorado Henry González y Marcela Tabares, monitorean cómo se comportan los biorreactores dentro de una operación de invernadero a gran escala. Usando tanques de agua de 300 y 600 galones como contenedores del biorreactor, Fernández dijo que actualmente están estudiando cómo los pesticidas se degradan de manera diferente en condiciones anaeróbicas (sin oxígeno) y aeróbicas (con oxígeno), con la esperanza de que la información recopilada pueda avanzar aún más en el grado en que los pesticidas se pueden eliminar del agua.
“Es realmente la primera vez que sé que alguien ha utilizado este tipo de sistema para biorreactores”, dijo Fernández.
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Autor de Jack Falinski.
Foto de Tom Fernández. De e izquierda a derecha se ven a Henry González (estudiante de posgrado, Horticultura), la Dra. Gemma Reguera (profesora, Microbiología, Genética e Inmunología) y Marcela Tabares (estudiante de posgrado, Microbiología, Genética e Inmunología). Los científicos están recolectando muestras de agua de un biorreactor de astillas de madera a escala comercial en un invernadero del oeste de Michigan.
Artículo y fotografía de la Universidad Estatal de Michigan
