Introducción
La información de esta publicación tiene como objetivo primeramente destacar la importancia de la fertilización y establecer temas a mejorar el uso de los fertilizantes actualmente aplicados con aquellos derivados del estudio realizado que permiten mejorar las limitantes de los actuales.
La nutrición de las plantas es solo un factor que conjuntamente al mejoramiento genético, resistencia a enfermedades, temperatura (aire y suelo), disponibilidad de agua, así como todo el proceso agro-industrial de los productos (alimento) que componen el sistema, tanto para consumo interno o externo de nuestro país mejoran el producto final.
El uso de fertilizantes ha sido la base de la expansión agropecuaria ya que han permitido el incremento de la producción tanto de granos como en pasturas.
Nuestros suelos han sido deficientes en fosforo (actualmente esto se ha superado), sin necesidad de aplicar potasio (pero ahora se ha comenzado a incluir) y necesidad de fertilizar con nitrógeno principalmente en cultivos.
Hay suficientes resultados (principalmente para fosforo y nitrógeno) de la cantidad de aplicación (kg del nutriente/hectárea) generalmente para pasturas y cultivos. Para la obtención de dicha dosis se realizan en laboratorio (previo muestreo) análisis de suelos o plantas mediante distintas técnicas que se determina el nivel óptimo del nutriente y así transformar en kg/ha de fertilizante.
Con los resultados de la investigación se ha demostrado que la dosis total de fosforo es mejor realizar aplicaciones únicas y re- fertilizaciones anuales en pasturas implantadas obteniendo el óptimo resultado en producción de materia seca y el resultado final (carne o lana).
Con la aplicación de fertilizantes para las plantas, en forma aislada, debe ser realizada conjuntamente con otras medidas con el mejoramiento genético de variedades, resistencia a enfermedades, interacción del clima del lugar, suelos, topografía y otros componentes con los cuales se busca el mismo resultado.
Con referencia al nitrógeno para mejorar su eficiencia y obtener altos rendimiento en grano en cultivos es conveniente dividir la dosis total en los momentos de mayor necesidad del mismo.
En el cultivo de arroz inundado, y, considerando la urea,se realizan aplicaciones divididas de acuerdo al análisis de suelos, a los requerimientos de la planta, a su método de incorporación (lluvia o riego previo, maquinaria) para una mejor eficiencia de aprovechamiento del nitrógeno evitando perdidas.
En la actualidad hay un mayor interés de la sociedad por el cuidado del ambiente como: contaminación del agua, suelo y el efecto de los gases de efecto invernadero (GEI) principalmente por parte de los fertilizantes nitrogenados (amonio y gas nitrógeno) pero también de otros nutrientes.
El procesamiento agro-industria-exportación de los alimentos hace que se tenga en cuenta, tanto para el consumidor interno como externo, su inocuidad, ya que fundamentalmente nuestro país es agroexportador de los mismos y la trazabilidad de los productos es también una preocupación.
El conocimiento de las nuevas tecnologías (resultado de la investigación en todas las áreas, que permiten ir obteniendo mayores rendimientos), exigiendo un uso mayor de fertilizantes que sean más eficientes (con menores perdidas) y el mantenimiento, en el tiempo, de los recursos naturales utilizados.
Otro proceso es el tendiente a obtener la fijación de nitrógeno (N) del aire siendo muy importante la síntesis Haber-Bosch, en 1913, produciendo el amoníaco que permite la fabricación de toda una serie de fertilizantes nitrogenados. Dicha síntesis supone la utilización de altas temperaturas y alta presión (con el uso de recursos no renovables) para combinar el hidrógeno y el N (del aire) tendiente a la producción de amoníaco.
También la fijación del N por las bacterias que actúan en simbiosis con las leguminosas es otra alternativa para el uso del mismo después de la descomposición de los restos vegetales en el suelo que luego son disponibles para las plantas.
Se han realizado numerosas investigaciones, y el objetivo permanece en la actualidad, buscando una mejora de la tecnología de fabricación de fertilizantes para superar las limitaciones mencionadas anteriormente independiente del producto final.
Los fertilizantes convencionales tienen menos biodisponibilidad para las plantas debido al gran tamaño de las partículas, a su menor solubilidad y nutrientes en la zona de las raíces, que las plantas no pueden absorber.
Independiente del tipo de fertilizante a utilizar se busca sincronizar la demanda de la planta con la oferta de los mismos (Figura 1):
Fertilización ideal: La liberación del mismo debe estar sincronizada con los requerimientos de la planta. Fuente: Trenkel, 2010
Imagen mostrando la meta de lo anteriormente expuesto con dos fuentes de fertilizantes:
El objetivo de esta información es extender la misma para estudiantes, productores y técnicos y los avances en fertilizantes que ha sido el extenso trabajo de investigadores en condiciones controladas y de campo con un resultado en productos que logran extender durante un tiempo más los nutrientes en el suelo, con mayor eficiencia y disminuir las pérdidas cuando son incorporados al suelo para todas las plantas de pasturas, cultivos, campos de deportes, jardines.
El orden de los temas para los fertilizantes tratados es el siguiente: estabilizados, de liberación lenta y controlada, urea recubierta con azufre, matriciales, con polímeros, de vidrio, nano-fertilizantes y técnicas de ultra-localización.
Fertilizantes Estabilizados
Tienen la característica de que contienen un nutriente, que, ni total ni directamente están disponibles para la planta en el momento de su aplicación cuya transformación en nutriente asimilable se produce en un período de tiempo superior diferente de aquellos de liberación rápida.
Se denomina de esta forma a un fertilizante con incorporación de un compuesto (estabilizador) en donde el nitrógeno se mantiene en el suelo por más tiempo liberándose lentamente evitando su perdida y luego termina su acción, pero la planta adquiere en tal periodo un mayor crecimiento y desarrollo. Seguidamente el inhibidor es degradado por los microorganismos del suelo
En los mismos se han estudiado y en el presente se utilizan inhibidores de la enzima ureasa que actúan para disminuir las pérdidas de N en forma gaseosa (volatilización de amoniaco). Se utilizan para reducir temporalmente la actividad de la enzima y la velocidad de transformación de la urea en nitrógeno disponible para las plantas. Hay muchos compuestos que la pueden inhibir, pero solo unos pocos son inocuos y efectivos a bajas concentraciones, químicamente estables y se mezclan o recubren a la urea.
La volatilización del amoníaco ocurre cuando la enzima ureasa descompone la molécula de urea en gas amoníaco, un proceso llamado hidrólisis de urea. Parte de la misma se incorpora al suelo antes de su descomposición, y al final el gas (amoniaco) producido es retenido por las cargas negativas del material coloidal del suelo y las pérdidas se reducen, aunque no haya lluvia ni riego que incorpore el N al suelo si la conversión es por debajo de la superficie. En cambio, si queda en la parte superficial, rápidamente se pierde por volatilización como gas. En contacto con la humedad del suelo se convierte en bicarbonato de amonio a los pocos días de la aplicación y cuando es descompuesta, gran parte del amonio resultante se mantiene en los sitios de intercambio catiónico del suelo.
La enzima ureasa (extracelular) es producida por bacterias, hongos, plantas e invertebrados, estando presente en casi todos los suelos, y su estructura primaria y sitio activo se conservan entre diferentes especies.
Su actividad depende de la humedad del suelo. En condiciones de suelo seco, la tasa de hidrólisis es baja y aumenta gradualmente a medida que aumenta el contenido de agua del suelo. Por encima de ese nivel, no se ve afectada en gran medida por los cambios en la misma y la consiguiente formación de amoniaco tiende a ser alta cuando se aplica en suelos húmedos y temperaturas más altas; y, en suelos secos, es lenta, lo que permite más tiempo para reducir las pérdidas gaseosas por incorporación al suelo con medios mecánicos, de lluvia o riego. El proceso es rápido en los suelos implicando el consumo de protones, aumentando el pH del suelo en el área circundante a los gránulos y la urea se localiza dentro de la cavidad del sitio activo de la ureasa y al final ocurre la hidrólisis.
La acción del inhibidor es ideal cuando se aplique en el momento de 5 días para inundar un campo de arroz en particular, en suelo seco y luego se inunde, ya que en suelo húmedo aumenta la volatilización y no será beneficioso si se aplica al agua de la inundación en el momento de fertilización previo a la inundación.
Hay trabajos que han estudiado la estructura química de la enzima e informan que los grupos oxidrilos interactúan con iones de níquel presentes en su centro activo provocando su desactivación.
Se han descubierto inhibidores que se unen a la misma y son compuestos que tienen estructuras análogas a la molécula de urea y uno o más grupos estructurales diferentes haciéndolos inactivos que posteriormente se degradan.
El principio fundamental es desactivar las enzimas para retrasar su hidrólisis que ocurre dentro de los 5 a 7 días posteriores a la aplicación en condiciones aerobias. En este período, dependiendo de la humedad y temperatura del suelo, el potencial inhibitorio es alto y el efecto de los mismos es más importante en anaerobiosis. La acción de los mismos mejora con la incorporación mecánica, lluvia o riego.
El más utilizado es la triamida tiofosfórica (NBPT), que se convierte en triamida fosfórica activa (NBPTO). Es un proceso indirecto que primero se convierte en NBPTO, su análogo para facilitar la reacción y ocurre en condiciones aeróbicas. Después se degrada en cuatro compuestos, siendo el principal factor de degradación la acidez del suelo. Así, el NBPT y NBPTO en suelos ácidos a ligeramente alcalinos son inactivos y en los alcalinos su actividad es mayor. En suelos inundados con baja aireación, esta es lenta, lo que reduce la eficiencia de la aplicación de nitrógeno, demorando la tasa de disociación de la urea y atenuando la disminución del pH alrededor del gránulo
Se han incluido otros inhibidores como el NPPT (triamida N-propiltiofosfórica) y el 2- NPT (N-(2-nitrofenil-triamida-fosfórica).
NPPT
Ha ganado un interés creciente como un nuevo inhibidor en los últimos años y actualmente es utilizado en una nueva formulación comercial, junto con NBPT que contiene un 25% de NPPT y 75% de NBPT. La estructura de NPPT difiere de la de NBPT por un solo grupo metilo y, por lo tanto, es probable que se comporte de manera similar al NBPT en términos de modo de acción, inocuidad y degradación.
2-NPT
Es relativamente nuevo y se ha mostrado eficiente en la reducción de la volatilización del amoniaco. El mecanismo de acción es similar al NBPT, ya que bloquea el sitio activo de la enzima ureasa. Las ventajas es su estabilidad con respecto al NBPT en condiciones de alta temperatura y considerado no inocuo para el suelo.
Aditivos de los inhibidores
Estos agregan a los mismos:
- Un secado más rápido mejorando el tiempo de mezcla
- Mejor viscosidad por lo que el recubrimiento es más resistente en temperaturas a partir de los -6.6º C
- Propiedades optimizadas de manejo en climas fríos y un tiempo de secado más rápido cuando se aplica a la urea
- Se adhieren a los gránulos de urea sin agregar humedad adicional a la mezcla
- Hay una protección más duradera contra la volatilización del amoníaco en una gama más amplia de condiciones del suelo.
- Extienden la protección del nitrógeno que actualmente lo ofrece solo el NBPT
- Permiten resistir en varios ambientes y mezclas de fertilizantes estando diseñados para extender la protección del nitrógeno, permitiendo que el fertilizante se incorpore con más tiempo al suelo
- Las operaciones de recubrimiento son más eficientes a través de una amplia variedad de métodos de impregnación reduciendo la acumulación del fertilizante en el equipo con su mezcla
- Son resistentes a los factores desencadenantes de la degradación permitiendo extender su ventana de protección de nitrógeno sobre el suelo
- Mejoran la eficiencia de los fertilizantes nitrogenados al mejorar la unión del amonio a los coloides del suelo y prevenir su volatilización
- Su acción es destinada a abrir los sitios de intercambio del coloide del suelo y mejorar su unión
- Estabilizadores de nitrógeno para unirlo y protegerlo conteniendo una combinación de NBPT y DCD (Diciandiamina)
- Igual efecto del anterior cuando se agregan a la urea que conservan el nitrógeno en forma de amonio para que las plantas lo utilicen
- Mantienen la colocación de nitrógeno sin perturbar la biología del suelo
- Los inhibidores pueden degradarse por distintas condicionantes y los aditivos extienden aún más el periodo de protección
Inhibidores de la nitrificación
Los inhibidores de la nitrificación (proceso de formación de gas nitrito) que actúan sobre las enzimas de bacterias que evitan las pérdidas de N debido a lavado a través del suelo o gas. Este proceso depende de temperatura ya que por encima de 10º C inhiben, pero no por debajo de los 0º C. Luego del proceso de inhibición las poblaciones de bacterias del suelo se recuperan y continúan su actividad.
Los dos primeros compuestos para prolongar el proceso fueron la unión en un solo inhibidor (DMPP y el NBPT) en una única formulación comercial que tiene la función de inhibir la reacción de nitrificación y la actividad de la ureasa en el suelo, respectivamente.
Los inhibidores de la nitrificación son compuestos químicos que retrasan la oxidación bacteriana del amonio a nitrito en el suelo, enlenteciendo las enzimas de las bacterias nitrificantes que producen amoníaco.
Imagen traducida tomada de: Do Enhanced Efficiency Fertilizers save farmers money and keep nitrogen in fields? by Nutri Star, Jun 15, 2021. Tom Morris, Researcher/Professor. University of Connecticut and Karen Chapman. Nutrient Star Administrator, Appleseed Consulting, LLC
Un inhibidor de la nitrificación ideal debería reunir las siguientes características:
1) Especificidad, actuando selectivamente sobre bacterias y no sobre otros microorganismos del suelo;
2) Movilidad, para facilitar su actuación conjunta con la solución fertilizante;
3) Persistencia, para que su tiempo de actuación sea suficiente para alcanzar el objetivo previsto;
Los más usados son los siguientes: DCD (diciandiamina, aminotriazol), Nitrapirina (tricloro-metil-piridina), DMPP (dimetilpirazol fosfato), DMPSA (resina fosilizada de origen vegetal, proveniente principalmente de restos de coníferas), Pirazol, Triazoles. Actualmente la DCD y el DMPP son los inhibidores más comercializados, utilizados, estudiados y son inocuos. El primero se degrada totalmente en el suelo sin dejar residuos. Las poblaciones de los géneros nitrosomas y nitrobacter, hongos y otros (naturales o sintéticos), que convierten el N de compuestos amoniacales a nítricos quedan disminuidas en un determinado tiempo por los inhibidores de la nitrificación inactivando la actividad microbiana para evitar el proceso de convertir el amonio en nitrato durante un período de tiempo. Debido a que la molécula de amonio está estabilizada en el suelo, no se moverá con el agua ni quedará el perfil del suelo. Luego de tal periodo las plantas cambian su estado fenológico, la actividad microbiana se restablece y los inhibidores se degradan.
Si bien se conocen muchos inhibidores, actualmente solo hay tres disponibles comercialmente: DMP, que se aplica comúnmente como sal de ácido fosfórico (DMPP), DCD y piridina. Recientemente se ha informado de uno nuevo, referentes a los 1,2,3- triazoles sustituidos como una nueva clase prometedora de inhibidores de la oxidación como el MPT que presenta acción particularmente en suelos ácidos, donde los demás inhibidores tienen poca actividad.
Fertilizantes de liberación lenta y controlada (FLL y FLC)
Se denominan “Fertilizantes de eficiencia mejorada” y los gránulos están rodeados recubiertos por una membrana por lo cual enlentece la liberación de los nutrientes (no están disponibles inmediatamente, sino que es paulatino) y los factores para la rotura de aquella es diferente entre FLL y FLC. En los primeros los nutrientes deben ser descompuestos por microorganismos y la acción de estos están de acuerdo a la humedad y temperatura del suelo, también por hidrólisis y además son de baja solubilidad.
En el caso de los FLC, los patrones de entrega, en cantidad y tiempo, se pueden predecir, aunque dentro de ciertos límites, y no se ven afectados por las condiciones del suelo, como el pH, la actividad microbiana, y otros procesos, sino más bien por la temperatura del suelo y las propiedades de los materiales de recubrimiento (espesor y composición).
Si bien los fertilizantes convencionales brindan un impulso inmediato de nutrientes a las plantas, los FLL liberan nutrientes gradualmente durante un período prolongado, mientras que los FLC lo hacen de una manera más adecuada y el objetivo de estos es que la entrega de sus nutrientes coincida con la demanda de la planta.
Para conseguir la sincronización entre el suministro y la absorción de nutrientes es necesario predecir la tasa de liberación y en la práctica los fertilizantes de liberación controlada y lenta lo permiten. Ambos patrones de liberación están vinculados de acuerdo a la temperatura del suelo, tal como ocurre con la tasa de absorción de la planta, pero también dependen del tipo de suelo, situación climática, los mecanismos de liberación, espesor del recubrimiento y la formulación en cierta cantidad de días.
Además, hay conocimiento de fertilizantes recubiertos con hidrogel que se aplican como un nuevo método de aplicación de nutrientes, aunque su uso es conocido. Es como una red que absorben y retienen el agua utilizados como cobertura de FLL y FLC.
Estos compuestos tienen capacidad de absorber una gran cantidad de agua y liberarla durante un largo período de tiempo y se han usado en la encapsulación de fertilizantes. Al entrar en contacto con el agua estos compuestos absorben y atrapan agua en las redes poliméricas aumentando su tamaño. Debido a esta propiedad se encapsulan nutrientes para formar FLL y FLC.
El Comité Europeo de Normalización propuso que se considere como fertilizantes de liberación lenta a aquellos que, bajo ciertas condiciones, incluida la temperatura de 25º C, cumplan con lo siguiente:
- No se libere más del 15 % en 24 horas,
- No se libere más del 75 % en 28 días y
- Al menos, el 75 % sea liberado durante el tiempo establecido.
FLL y FLC se pueden clasificar adicionalmente según su patrón de liberación de nutrientes, que puede ser lineal o sigmoidea (patrón en forma de S). El patrón sigmoideo consiste en un período inicial en el que se libera solo una pequeña cantidad de nutriente, una etapa lineal y una etapa final, en la que la tasa de liberación disminuye.
Otra forma de diferenciar los FLL y FLC es su solubilidad en agua. Los primeros son de baja solubilidad, algunos son solubles en agua, y están fácilmente disponibles, y los últimos se liberan gradualmente durante un período más largo.
En los FLC, según la bibliografía, el tipo de suelo, como la humedad, el pH y la actividad microbiana, no afectan el ritmo de liberación, pero inciden la temperatura y el contenido de humedad.
La mayoría de los FLL son poco solubles en agua o se descomponen en forma lenta por la acción microbiana.
En la degradación influye el tamaño de granulo, la temperatura y la actividad microbiana del suelo.
En FLC, la duración y el patrón de liberación se pueden controlar mediante la selección de los materiales de recubrimiento, la relación específica entre los polímeros, el espesor del recubrimiento y el tamaño de las partículas. El recubrimiento actúa como una membrana semipermeable. El efecto de liberación controlada se logra cuando el agua se difunde a través del recubrimiento y disuelve lentamente los nutrientes. La velocidad de difusión y la solubilidad de los nutrientes se ven afectadas por la temperatura del suelo y cuando las temperaturas son más altas dan como resultado una velocidad de liberación mayor. El porcentaje de recubrimiento del granulo está directamente relacionado a la liberación de los nutrientes del mismo. Esta es reducida cuando aquel aumenta.
También hay diferencias en los materiales utilizados para fabricar el encapsulado. Es importante entender que estas diferencias existen y que afectan directamente a la eficiencia de la liberación de nutrientes. La tecnología más eficiente es la que se ha desarrollado más recientemente como encapsulados de polímeros. Permiten el mejor control sobre la liberación de los nutrientes y, además, satisfacen con más precisión las demandas de las plantas, sin picos ni caídas en el ritmo. Cuando se determina usar un FLC es por su contenido en distintos nutrientes, las combinaciones e incluso su nivel de encapsulado. Cuanto más cerca de las raíces de un cultivo se aplique el fertilizante, más importante será usarlo totalmente encapsulado.
Se caracterizan por su tiempo de liberación dependiendo del espesor del revestimiento que rodea al gránulo y está basado en temperaturas promedio de 21 - 25˚C, de acuerdo a cada fabricante. Así, determinado tiempo de liberación puede incrementarse mediante un simple aumento del espesor.
Los recubrimientos utilizados para los FLL se clasifican en orgánicos e inorgánicos. Se han probado muchas sustancias no utilizando aquellas con cierta dificultad de degradación.
Los FLC se envuelven en una capa, controlando la entrada de agua, lo cual reduce la disolución de nutrientes y se degradan lentamente en el suelo, dependiendo del grosor del revestimiento. Varios temas relacionados con una mejor eficiencia del uso del nitrógeno e inocuidad ambiental merecen mayor atención de los siguientes conocimientos:
Mejor comprensión de los mecanismos que controlan la tasa, patrón de liberación y los principales factores ambientales (temperatura, humedad, microorganismos, acidez, tipo de suelo) que los afectan
Desarrollo de recubrimientos degradables, que es la capacidad que tiene un material de descomponerse en los ambientes más comunes, donde el material es eliminado dentro de cierto tiempo a través de un proceso biológico natural evitando la acumulación de polímeros no deseados en el suelo.
La liberación de nutrientes de estos gránulos pueden ser de uno o más de los siguientes mecanismos: (a) el vapor de agua que ingresa al núcleo con n nutrientes y se disuelve, el recubrimiento se rotura debido a la acumulación de presión osmótica interna , (b) la degradación del recubrimiento por microbios u otros agentes ambientales y la posterior penetración de agua en el núcleo a través de la parte degradada, disolución y posterior emisión y (c) el movimiento del agua hacia el núcleo interno, disolución y la posterior liberación de la solución hacia el exterior controlada por los microporos del recubrimiento.
La desventaja de los dos primeros mecanismos es que una vez que la membrana del recubrimiento se rompe o se degrada, la liberación será muy rápida. El tercer mecanismo es muy útil para reducir la velocidad de la liberación a medida que el agua ingresa al núcleo a través de pequeños poros y, luego, los nutrientes salen al suelo.
Los nutrientes de los FLL y FLC que no se liberan para la planta en el suelo durante la temporada de crecimiento se denominan "bloqueados o indisponibles" que es de aproximadamente un tercio y otra cantidad de gránulos de "liberación por roturas, grietas o fracturas" donde los nutrientes se liberan inmediatamente.
Para la fabricación de preparación de fertilizantes de liberación lenta o controlada se mezclan nutrientes con materiales que reducen su velocidad de disolución.
El proceso, en general, se compone de cuatro etapas: 1) calentamiento del recubrimiento, 2) calentamiento del agente a encapsular y fundido del recubrimiento, 3) dispersión de este en el nutriente a encapsular, y finalmente 4) enfriamiento del sistema para permitir que las gotas tengan una película uniforme de recubrimiento
La adición de una capa a una partícula de fertilizante implica un costo adicional, por lo que los fertilizantes recubiertos son más costosos que los materiales no recubiertos.
Fertilizantes de Liberación Lenta
Para formación de un gránulo, se rocían con un material de recubrimiento y se humedecen, se dejan cristalizar para finalizar con la formación del gránulo. Durante este proceso, los nutrientes solubles en agua quedan recubiertos de una cápsula impidiendo su disolución inmediata cuando se aplica al suelo y su espesor determina el periodo de liberación de los mismos.
Proceso de liberación de nutrientes en un fertilizante de lenta liberación
El agua penetra primero en los gránulos a través del recubrimiento, los nutrientes se disuelven en su núcleo y son liberados lentamente fuera del mismo. Luego, la presión osmótica en la parte central aumenta gradualmente, resultando en la destrucción de la capa de recubrimiento.
Cuando el valor de la presión osmótica es mayor que la capacidad de resistencia proporcionada por el material de recubrimiento, la carcasa recubierta se descompone, lo que provoca la rápida liberación de todos los nutrientes del fertilizante. Cuando el recubrimiento es lo suficientemente fuerte para resistir la presión osmótica acumulada hay liberación muy lenta siguiendo el proceso de difusión, en el que la fuerza que impulsa todo el proceso es la concentración o la diferencia de presión, o ambas. Esta es una etapa en la que se liberan continuamente nutrientes. Mientras que hay una lenta transferencia entre la solución saturada dentro del fertilizante recubierto y las partículas sólidas restantes y la tasa de liberación permanece constante. La diferencia de concentración entre el interior y el exterior induce a una fuerza impulsora estable para promover la transferencia de nutrientes. El volumen del núcleo permanece básicamente sin cambios en esta etapa porque los huecos que dejan los nutrientes se llenan con el agua que entra continuamente. Con la liberación continua y cuando las partículas de fertilizante están completamente disueltas, la concentración dentro del núcleo disminuye gradualmente, lo que resulta en una reducción continua de la fuerza impulsora y finalmente entra en un período de decadencia (llamado de “cola”). Este efecto se produce después de que se liberan entre el 80% y el 85% de los nutrientes y los restantes se liberan de manera prolongada.
La tasa de difusión depende de la temperatura del suelo, incrementando con el aumento de misma e igualmente ocurre con la absorción de los nutrientes. Una mayor entrada de agua en el gránulo lo disuelve más. En una determinada fase, todo el contenido del gránulo está disuelto, listo para su difusión y liberación. Una vez completada la misma, la cápsula vacía se rompe y se degrada, sin dejar residuos en el suelo.
Los nutrientes disueltos se difunden hasta la zona de las raíces, proporcionando a la planta los nutrientes disponibles en cantidades adecuadas, según las necesidades de crecimiento.
La temperatura del suelo tiene mucha influencia en la liberación de los nutrientes, pero si es inferior a los 10˚C, el proceso es más lento, y superando los 32˚C, es excesiva e inmediata, pudiendo perderse por la degradación, inmovilización, volatilización, evaporación y/o lixiviación del mismo. Esto imposibilita que sea utilizado por la planta en etapas tardías del desarrollo.
Fertilizantes de liberación controlada
Están fabricados como cápsulas o esferas, gránulos revestidos y matrices. En las mismas, el ingrediente activo forma el núcleo y está rodeado por una envoltura o membrana, la cual puede ser un polímero orgánico/inorgánico o incluso un óxido metálico.
Una población típica de gránulos consta de tres tipos de recubrimientos: dañados, con grietas, regulares y gruesos.
El uso de polímeros como recubrimiento es la estrategia más empleada para llevar a cabo la generación de sistemas de liberación controlada. Son macromoléculas formadas por la unión de moléculas más chicas, denominadas monómeros; que pueden ser naturales o sintéticos, y se caracterizan por propiedades físicas y químicas diferentes a las de sus monómeros. En general poseen todas las características que se requieren para desarrollar formulaciones de liberación controlada y pueden ser biodegradables o no.
Los polímeros naturales son fácilmente biodegradables, pero con pocas propiedades para ser utilizados. Por tanto, es preferible utilizar polímeros naturales con polímeros sintéticos, para combinar las propiedades de las dos categorías. Los biodegradables se han utilizado cada vez más como sustitutos de otros en la agricultura.
El propósito del encapsulamiento es el de estabilizar, impedir su salida, mantener los nutrientes y también controlar su tasa de liberación en donde pequeñas partículas que los contienen son rodeadas por un recubrimiento a base de un material diferente al mismo para formar una cápsula.
Este proceso permite la protección contra agentes externos, además de proporcionar una disminución en la tasa de liberación, estando definido por la permeabilidad.
Actualmente se han desarrollado biofertilizantes a base de microorganismos que solubilizan los nutrientes que de otro modo serían insolubles, particularmente de rocas minerales y para mantener el flujo continuo de nutrientes disponibles para las raíces de las plantas. Hay trabajos usándolos conjuntamente con los FLC. (Figura siguiente).
Imágenes de muestras de control (a) y fertilizante a base de colágeno (b,c) antes (1) y después (2) de la degradación en suelos (a,b) y en medio Ensifer sp. Y1 (una cepa de bacteria aislada del suelo. Puede utilizar el biofertilizante recién preparado como fuente de carbono para crecer) (c).
Hu, Z.Y.; Chen, G.; Yi, S.H.;Wang, Y.; Liu, Q.;Wang, R. Multifunctional porous hydrogel with nutrient controlled-release and excellent biodegradation. J. Environ. Chem. Eng. 2021, 9, 106146.
Sección transversal de micrografía electrónica del recubrimiento de un fertilizante de liberación controlada. El diámetro del gránulo aproximadamente 2-3 mm y el espesor de la película de 50-60μm. (Foto: Chissoasahi, 2007).
Tomado de: Multicote™ Agri Controlled Release Fertilizers for Agriculture. Handbook. Imagen de microscopio electrónico de barrido que muestra una sección transversal de gránulos Multicote™.
Otra forma de revestimiento es el uso de hidrogeles que tienen la capacidad para absorber humedad y es una vía para cubrir los gránulos con nutrientes. Tambien se han desarrollado el uso de biofertilizantes encapsulando bacterias en las esferas poliméricas hechas de un hidrogel, lo cual permite aumentar su supervivencia en el suelo y los microorganismos se mantienen activos durante un periodo más prolongado de tiempo.
Con el tiempo, los investigadores han adoptado una variedad de recubrimientos.
Su degradación, no toxicidad, solubilidad en agua, capacidad de hinchamiento y la facilidad de modificación química hacen que sean más adecuados. Son moléculas grandes. Los biopolímeros son producidos por organismos vivos (como plantas y animales, recurso renovable).
El mecanismo de liberación es por difusión y la misma es a través de la membrana del polímero y se ven afectadas principalmente por la temperatura acompañando las necesidades de las plantas, pero también por las propiedades del suelo (pH, salinidad, textura, actividad microbiana, potencial redox, humedad y permeabilidad) y se puede predecir la misma durante un cierto período de tiempo por el grosor del recubrimiento y la cantidad de poros.
La tasa de liberación sólo depende del agua en torno al gránulo y de la temperatura del suelo. Una vez aplicado el producto en el suelo y expuesto a la humedad, el vapor del agua infiltra en el gránulo de fertilizante que contiene los nutrientes completamente solubles creando una salida a través de los micro-poros del recubrimiento hasta el suelo.
La capa de polímero permanece intacta durante todo el ciclo de liberación y su degradación comienza algún tiempo después de que se hayan agotado todos los nutrientes de los gránulos recubiertos. La humedad es necesaria para que comience la liberación, pero no afecta la velocidad de liberación y el exceso de agua en el suelo no acelera la velocidad a la que se solubilizan los nutrientes.
Imagen traducida tomada de: Modelo de descomposición del polímero de recubrimiento de Meister® (Adaptado de Chissoasahi,2007) (M. E. Trenkel, 2010)
Traducción de Imagen tomada de Folleto: Fertilizante recubierto para apoyar la nueva gestión agrícola. El fertilizante de Liberación Controlada: MEISTER
Efecto de la temperatura sobre la tasa de liberación de Meister®. FUENTE: Trenkel, 2010
Traducción de Imagen tomada de Folleto: Fertilizante recubierto para apoyar la nueva gestión agrícola. El fertilizante de Liberación Controlada: MEISTER
El patrón de liberación puede diferir considerablemente entre diferentes tipos de fertilizante dependiendo del porcentaje de gránulos con recubrimientos dañados y su calidad. Si están en esta condición, los nutrientes pueden liberarse inmediatamente después del contacto con el agua del suelo (denominado "explosión").
La liberación de nutrientes del FLC recubierto de polímero se controla mediante un mecanismo de difusión. La temperatura y el espesor de la membrana que recubre son los factores más importantes que influyen. La temperatura más baja y membrana más gruesa es menor y enlentece la liberación de nutrientes.
La liberación aumenta con la temperatura y disminuye con su reducción. La solubilidad, la velocidad de difusión y también el tamaño de los poros se incrementan con la temperatura provocando un mayor hinchamiento. Hay incidencia del pH (los más ácidos disminuyen el hinchamiento), la presión osmótica lo reduce, el radio del gránulo y su espesor (la enlentecen y lo mismo ocurre con su desintegración).
Las especificaciones de longevidad están estandarizadas internacionalmente a una temperatura de 21ºC, y es importante resaltar que lo que cuenta es la temperatura del suelo, no la del aire, que puede tener mayores variaciones y llegar a extremos de frío y calor. La temperatura del suelo tiende a variar menos, especialmente con la cobertura vegetal.
Hay una mayor tolerancia de las plántulas a los fertilizantes aplicados a escasa distancia y la liberación prolongada de nutrientes puede proporcionar una nutrición más uniforme a las plantas.
Predecir el patrón de liberación de nutrientes de los fertilizantes recubiertos en una amplia gama de suelos y condiciones de cultivo es complejo pero muy importante ya que la liberación es controlada por una gran variedad de factores ambientales. Por ejemplo, muchos lo hacen más rápidamente con el aumento de la humedad y la temperatura del suelo. Algunos productos dependen de la actividad microbiana del suelo para la misma.
El entendimiento del mecanismo es de gran utilidad para obtener el máximo provecho de los fertilizantes recubiertos.
Un porcentaje estimado de entre el 10 y 20% de los nutrientes contenidos inicialmente dentro del gránulo, nunca serán liberados debido a que la presión disminuye cuando la mayor parte de los nutrientes han sido liberados.
La investigación sobre fertilizantes de liberación controlada se ha centrado no sólo en un único nutriente sino también en el desarrollo de fertilizantes capaces de absorber agua y liberar nutrientes de una manera efectiva con muchos materiales. Dado que la urea tiene el más alto contenido de N dentro de los fertilizantes solubles comunes, es el material base para la mayoría de los fertilizantes recubiertos. Los materiales a base de polisacáridos han atraído la atención en la investigación de fertilizantes de eficiencia mejorada (FLL y FLC). La biodegradabilidad, la no toxicidad, la solubilidad en agua, la capacidad de absorber agua y la facilidad de modificación química hacen que estos polímeros sean adecuados para el uso agrícola.
Es importante en estos fertilizantes mantener niveles óptimos de temperatura, humedad exposición a la luz solar directa y al calor. El cambio en estas variables puede modificar su comportamiento. Con el aumento y disminución la capa que envuelve al gránulo puede roturarse y aumenta o enlentece la liberación de nutrientes y su efecto en el consumo de los mismos por las plantas. Los recubrimientos del granulo pueden alterarse y unirse entre ellos y la absorción de los nutrientes es alterado. También, se deben mantener estas condiciones en el transporte y almacenamiento.
Urea recubierta de azufre
Uno de los primeros fertilizantes de liberación lenta comercializados y ampliamente estudiados es la urea recubierta de azufre. Fue realizado por Blouin et al. (1967) para la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA), EE. UU, con el objetivo de encapsular urea en gránulos con aquel compuesto, seguido de una capa de cera para sellar cualquier poro o grieta del primer recubrimiento con propiedades de liberación lenta. La eficacia del producto depende del tamaño del gránulo de urea y del espesor del recubrimiento. El azufre se ha utilizado como material de revestimiento durante varios años por muchas razones, ya que, es más barato y con menores problemas en su degradación en el ambiente, y el mismo permite la entrada de agua donde comienzan a producirse fracturas en la capa de los gránulos. El contenido total de N (30-40%) en ellos varía dependiendo de la cantidad de recubrimiento aplicada. Las grietas, fisuras y fracturas permiten que el agua se mueva y se disuelva liberando la urea. En aquellos con recubrimientos intactos después de la aplicación, el movimiento del agua a través del mismo da como resultado una presión osmótica interna que lo agrieta y libera nutrientes. Luego hay una degradación microbiana de la cera y el azufre permitiendo que el agua llegue a la misma, disolviéndola, liberándola rápidamente en momentos distintos.
Los microorganismos del suelo que consumen el sellante dejan expuestas las imperfecciones de la cubierta de azufre. Las propiedades de liberación de los gránulos sellados con cera dependen de la composición de su población, temperatura del suelo, el pH, la humedad. La disponibilidad del nutriente depende del recubrimiento, la tasa de aplicación y las condiciones ambientales. Después de la liberación, el azufre eventualmente se descompone en el suelo y puede ser absorbido por la planta.
Se ha informado que la liberación del nutriente se produce por: 1) biodegradación de cera, azufre o ambos recubrimientos. (2) conversión del azufre del polímero amorfo a forma cristalina dando como resultado la creación de grietas y poros en el recubrimiento. Para reducir el ataque microbiano al recubrimiento, a veces se añaden agentes microbicidas.
El recubrimiento con polímero es una evolución de esta tecnología. Una capa alrededor del azufre brinda más protección que la cera, lo que resulta en una liberación de nutrientes más prolongada. El azufre protegido por el polímero ayuda a regular la liberación de nitrógeno por difusión y el mecanismo se realiza de una manera más constante durante un tiempo más prolongado que las tradicionales. Los gránulos de urea se recubren con un 1% de polímero y después se incorpora el azufre, debido a esto se hace más flexible y duradero. Se controla la liberación de nitrógeno y con mayor duración dependiendo de la temperatura del suelo y del espesor de la membrana. Se degradan muy despacio y se mantienen inertes en el suelo de manera segura una vez liberados los nutrientes. Se han diseñado con un tamaño menor, permeables y el encapsulado controla la liberación de nutrientes a lo largo de un periodo.
Características:
1. Menos recubrimiento de azufre reduce el bloqueo y disponibilidad de N
2. La integridad del recubrimiento se mantiene durante el transporte, la mezcla, el embolsado y la aplicación.
3. Las capas exteriores consisten en una fina capa de azufre elemental y cera polimérica, que trabajan juntas para proteger la capa interior de polímero.
4. La capa interna consta de una película delgada de polímero reticulado que encapsula y protege el gránulo de urea.
Fertilizantes de liberación controlada en matrices
Las partículas de fertilizante se incorporan a través de una matriz (portadora de celulosa, lignina y compuestos aluminio y hierro, como material de intercambio) a los cuales están ligados los nutrientes, requiriendo una gran cantidad de recubrimiento (hasta un 40%, generalmente con una mezcla de ceras fundidas). Este tipo de fertilizante está aún en desarrollo y se componen de celulosa con sitios de unión iónica y se degradan lentamente en el suelo. La lignina tiene sitios de unión iónicos fuertes con descomposición muy lenta en el suelo.
Fertilizantes de vidrio
Constituyen un nuevo tipo de liberación avanzada y controlada. Son matrices de vidrio con macro elementos (K, P, Mg, S, Ca) más útiles para las plantas y también con microelementos (B, Fe, Mo, Cu, Zn, Mn).
Corresponden a una nueva alternativa de fertilizantes minerales convencionales, pero provocan, a largo plazo, problemas de salinización de los suelos.
Nanotecnología
El término nano es la 1000 millonésima parte de un metro y son materiales cuyo tamaño es de 1-100 nm, destacando como los más estudiados a las nanopartículas y derivadas del carbono.
Los usos potenciales y los beneficios de la misma son enormes y entre las últimas líneas de innovaciones tecnológicas tiene importancia el desarrollo de fertilizantes de liberación lenta/controlada proporcionando la viabilidad de explotar la nano-escala o materiales nano-estructurados como portadores de nutrientes para la construcción de los llamados “fertilizantes inteligentes”. Presentan buenas propiedades térmicas y mecánicas debido a una mayor área superficial y estructura porosa. La nanotecnología es un conocimiento emergente del siglo XXI en todos los campos de la ciencia. En la agricultura su beneficio incluye el mejoramiento genético de plantas, mejora de la producción agrícola siendo utilizando como inductores del crecimiento vegetal, nanoencapsulados para fertilizantes, así como plaguicidas y herbicidas.
Un nano-fertilizante es un producto que libera nutrientes a los cultivos en alguna de estas formas: a) se encapsula dentro de nanotubos o materiales porosos, b) es cubierto por una película polimérica o c) como partículas
Los nanotubos son diminutos, siendo cien mil veces más pequeños que el ancho de un cabello humano.
Materiales de recubrimiento: zeolitas, otras arcillas y polímeros finos que generalmente se utilizan para controlar la liberación de los nutrientes (dentro de los mismos) o como agentes de relleno mejorando la estabilidad térmica y las propiedades mecánicas del material a granel.
Una de las ventajas de este tipo de fertilizante es la fuerte adsorción del nutriente mineral dentro de las arcillas, lo que puede atenuar las pérdidas por lixiviación y permitir la lenta liberación del fertilizante.
Técnica de Ultralocalización de Fertilizantes
La siembra y fertilización de precisión y variable se realiza con softwares informáticos que leen el mapa de rendimiento de sus parcelas y aplican la dosis adecuada en función del rendimiento histórico de la parcela. También se utilizan fertilizantes con las características establecidas anteriormente localizados junto con la semilla.
Consideraciones generales
El principal objetivo buscado por la investigación, independiente del tipo de fertilizante, es sincronizar la demanda de nutrientes de las plantas con la oferta de los mismos, reducir los problemas ambientales, buscar soluciones en la degradabilidad de los productos por parte del suelo y permitir la obtención de mayores rendimientos.
Lograr mejorar los fertilizantes comentados y obtener nuevos para mejorar su uso, considerando un menor costo posible, de fabricación con menor complejidad y liberación más controlable.
Los fertilizantes estabilizados con variedad de inhibidores y aditivos que permiten la protección del nutriente y el uso en distintas condiciones ambientales. Su uso en forma de fertilizantes combinados tanto con inhibidor de la nitrificación y urea con aditivos que permiten disminuir perdidas por volatilización o denitrificación.
Los inhibidores de ureasa de la nitrificación son considerados por la bibliografía como estabilizadores de dichos mecanismos ya que postergan o enlentecen la disponibilidad del nutriente por un periodo de tiempo por lo cual las plantas lo absorben en tal momento y después adquieren un mayor crecimiento y desarrollo evitando perdidas en el periodo inicial.
El azufre se probó inicialmente como agente de recubrimiento siendo conveniente para el revestimiento, pero su baja humectabilidad y adhesión al núcleo revestido, y la necesidad de materiales acondicionadores para reforzar su sellado, agregan gastos adicionales al producto final.
En referencia a los fertilizantes de liberación lenta y controlada también se disminuyen perdidas de nutrientes debido al recubrimiento. Como fue expuesto es importante conocer el mecanismo de liberación y el recubrimiento.
Los nutrientes disueltos luego se difunden lenta y continuamente en la zona de la raíz. La tasa de difusión, la tasa de liberación real, está determinada por la temperatura del suelo. La tasa de liberación aumenta a medida que aumenta la temperatura, al igual que ocurre con los procesos de absorción de las plantas.
Los esfuerzos de investigación posteriores se han centrado en los materiales poliméricos. Estos materiales no son perturbados tan fácilmente por microorganismos como los recubrimientos de azufre. Además, la mayoría de estos polímeros no son fácilmente biodegradables después de la liberación total de nutrientes y hay dificultades de que se acumulen en el suelo. De ahí que los polímeros naturales y biodegradables se vuelven esenciales ya que pueden aportar mejoras de los fertilizantes. Por tanto, el objetivo es superar estos obstáculos y el enfoque de la investigación se está desplazando hacia los mismos. Se están buscando materiales de revestimientos que se degraden en casi la totalidad para aprovechar los nutrientes que quedan en el granulo.
En la bibliografía buscada se encontró pocos trabajos de la acción conjunta de microrganismos en las capas que envuelven el granulo permitiendo una mejor liberación de nutrientes, pero este trabajo continúa.
En todas las modalidades mencionadas, tanto de estabilizadores o recubrimientos, el objetivo es la búsqueda de compuestos que tengan una fácil degradación por los mecanismos naturales de los suelos. Para ello es de gran importancia el reciclaje de los residuos para mantener la vida del suelo con toda la descomposición de los mismos y niveles óptimos de materia orgánica fundamental para la actividad microbiana.
Es muy importante conocer tanto las condiciones de clima de la región (régimen térmico e hídrico), los suelos y su composición de macro y micronutrientes (el sitio activo de los estabilizadores del N, dependen del contenido de níquel y cobre) así como las necesidades de nutrientes en el ciclo de las plantas ya que toda esta información incide en el funcionamiento de las distintas modalidades y cuanto más detallada mejora el uso de las mismas.
El uso por recomendaciones técnicas o productores de los fertilizantes con inhibidores o recubrimientos de liberación más prolongada debe ser muy estudiada para encontrar mezclas de uso con los costos más convenientes con el aprovechamiento de sus ventajas adecuándolos a distintos momentos de crecimiento y desarrollo de las plantas.
Los usos de las distintas modalidades mencionadas, ya sea única o mezclas de ellas es una alternativa a considerarse tratando de minimizar costos. En los resultados del uso de las mismas hay coincidencia en reducir las pérdidas de nutrientes referidos al uso de las convencionales, aunque en los rendimientos la información es variada. Las misma tiene las características de cada fabricante.
Es importante dicha información debido a que cada fertilizante con las características mejoradas puede ser una mezcla (inhibidor de ureasa y nitrificación juntos o separados) y los recubrimientos (FLL y FLC) con diferente composición.
Finalmente, lo buscado con la información presentada es extender nuevas modalidades de fertilizantes, sin ser exhaustiva, para conocer los mecanismos de cada una. Los trabajos en ellas continúan para su uso eficiente, la degradación de los componentes y el logro de materiales más adecuados. Todo el material consultado se presenta con acceso a los resúmenes en algunos.
