Nitrógeno, fosforoso, y el potasio son los tres elementos que sustentan la productividad de todas las plantas utilizadas para la agricultura, y son los componentes de los fertilizantes comerciales que utilizan los agricultores en todo el mundo.

El potasio (también conocido como potasa) se produce en gran medida en el hemisferio norte, donde es abundante. De hecho, el mercado de la potasa está dominado por unos pocos productores, principalmente en Canadá, Rusia, y Bielorrusia. Como resultado, los agricultores de las regiones del norte pueden acceder a la potasa (y a los fertilizantes en general) de forma relativamente asequible, donde también resulta ser una combinación más cercana a las necesidades de nutrientes del suelo de sus granjas y cultivos.

Pero ese no es necesariamente el caso de los agricultores de otros lugares. Para las regiones de cultivo tropical en Brasil y algunos países de África, Las diferentes composiciones de suelo y roca hacen que no se adapten bien a los fertilizantes que se encuentran actualmente en el mercado. Cuando estos fertilizantes, cuya producción requiere muchos recursos, deben enviarse a largas distancias para llegar a los consumidores en los países del hemisferio sur, los costos pueden dispararse. Cuando el fertilizante no es el adecuado para las necesidades del suelo, los agricultores pueden necesitar agregar más para lograr tantas ganancias como sus contrapartes en el norte, si son capaces de pagar más en primer lugar.

Entonces, si bien estos fertilizantes prometen mayores rendimientos, los agricultores de pequeña y mediana escala aún pueden terminar con menores ganancias, mayor salinidad del suelo, una rápida reducción de la fertilidad general del suelo, y aumento de la lixiviación en las aguas subterráneas, ríos y arroyos. Esto hace que sea un desafío para estos agricultores prosperar, especialmente en África. Los fertilizantes costosos o inadecuados reducen la capacidad de producción de alimentos, afectando la autosuficiencia económica y nutricional de los agricultores. Ahora, en un momento en que las Naciones Unidas proyectan que la población mundial aumentará a 8.500 millones en 2030, un aumento general de más de 1.200 millones de personas, la necesidad de soluciones de fertilizantes sostenibles para aumentar los rendimientos es aún más urgente.

Satisfacer las necesidades de seguridad alimentaria con más investigación interdisciplinaria

Este desajuste, y las implicaciones de seguridad alimentaria regional que conlleva, fue la inspiración para Antoine Allanore, profesor asociado de metalurgia en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, concentrar sus esfuerzos en encontrar materiales fertilizantes alternativos. Durante los últimos seis años, ha construido un equipo de investigación, incluyendo a Davide Ciceri, un científico investigador en su laboratorio hasta 2018.

Habiéndose sumergido en la investigación de fertilizantes, Allanore y Ciceri han encontrado sorprendente la falta de atención de otros en el campo de la ciencia de los materiales a este tema.

"La industria no ha pensado tanto como es necesario en investigar las materias primas [utilizadas en los fertilizantes], ", dice Ciceri." Su producto ha funcionado hasta ahora, y nadie se ha quejado, por lo que hay poco espacio para la innovación ".

Allanore lo ve de esta manera:"Desafortunadamente, la agricultura no es un campo muy rentable. Ganan tan poco en comparación con los que trabajan en el comercio o el procesamiento y la comercialización de alimentos, cuales, como resultado, han recibido mucha inversión y atención. Debido a esta falta de inversión en investigación, sabemos muy poco sobre lo que sucede con algunos de los elementos que estamos poniendo en el suelo ".

Esta falta de inversión es especialmente problemática para los agricultores del Sur Global que no tienen acceso asequible a los fertilizantes que están actualmente disponibles en el mercado. Motivado por su deseo de encontrar locales, soluciones de fertilizantes sostenibles para los agricultores africanos y alimentadas por la financiación inicial de J-WAFS, Allanore, Ciceri, y otros miembros de su equipo de investigación han creado una hoja de ruta que los científicos de materiales y otros pueden utilizar para desarrollar una nueva generación de fertilizantes independientes de la potasa adecuados para los suelos africanos. Publicado el pasado mes de agosto en la revista Ciencia del Medio Ambiente Total , el papel, "Abonos locales para lograr la autosuficiencia alimentaria en África, "fue uno de los primeros estudios exhaustivos sobre el uso de fertilizantes en África desde una perspectiva de la ciencia de los materiales. Indicó avances urgentemente necesarios en la investigación de fertilizantes, tecnología, y política, y enfoques recomendados que pueden ayudar a lograr las ganancias de rendimiento necesarias para satisfacer la demanda actual y futura de manera sostenible.

"Desde el punto de vista del procesamiento de materiales, realmente hay mucho que hacer con los recursos minerales necesarios para los fertilizantes, "dice Ciceri." Lo que queríamos hacer era promover una discusión en la comunidad sobre esto. ¿Por qué no hay investigaciones sobre nuevos desarrollos de fertilizantes? ¿Qué estrategias se pueden implementar? ¿Se pueden realizar suficientes pruebas de cultivos de campo para respaldar lo que pueden hacer los químicos en el laboratorio? "

Si bien su artículo estaba dirigido a científicos de materiales, Allanore reconoce que lo que se necesita es un enfoque interdisciplinario. "Estamos a punto de conocer el genoma completo de los humanos, pero aún no sabemos cómo un cultivo absorbe los nutrientes, ", dice. Colaboración entre agrónomos, científicos del suelo, científicos de materiales, economistas, y otros pueden mejorar nuestra comprensión de todas las interacciones, materiales y productos que se utilizan para obtener el rendimiento óptimo de cultivos agrícolas con un impacto negativo mínimo en el ecosistema circundante. Él se apresura a afirmar, sin embargo, que el objetivo no es replicar lo que se ha hecho con la agricultura moderna, pero ir más allá para encontrar soluciones sostenibles para que el continente africano pueda proporcionar sus propios alimentos, rentabilidad, y una vida digna para las personas que cultivan.

Encontrar nuevas fuentes de potasio y resultados de las pruebas

El laboratorio del profesor Allanore ya ha descubierto una alternativa de potasa que se deriva del feldespato de potasio, una roca que se encuentra comúnmente en todo el mundo. Para Ciceri, encontrar una solución en el feldespato era sorprendentemente obvio.

"Mirando hacia atrás en años de investigación, Me sorprendió descubrir que nadie había mirado al feldespato K como una fuente, ", dice." Es tan abundante. ¿Cómo puede ser que en 2015 nuestro equipo de investigación fuera el primero en extraer potasio? "

Y todavía, eso es exactamente lo que han podido hacer. Con el apoyo de una alianza con dos entidades brasileñas, Terrativa y EMBRAPA (la Corporación Brasileña de Investigación Agrícola), el equipo de investigación pudo desarrollar un proceso hidrotermal para convertir las rocas de feldespato K en un nuevo material fertilizante. Pero si bien esta primera colaboración ayudó a los investigadores a desarrollar una comprensión del feldespato y cómo podría usarse como fertilizante para cultivos específicos en Brasil, el equipo no tenía control directo ni acceso a los ensayos agronómicos.

Ahí es donde la financiación de J-WAFS resultó ser de apoyo. La subvención de semillas de 2017 brindó al equipo de investigación la oportunidad de realizar una evaluación independiente del potencial fertilizante de los nuevos materiales. y también contextualizar su descubrimiento dentro de una conversación más amplia sobre la seguridad alimentaria mundial, como lo hicieron en su periódico.

Para pruebas de cultivos, empezaron con tomates, que son uno de los cultivos hortícolas más comunes y económicamente importantes, y se encuentra entre las verduras más consumidas del mundo. Una colaboración con Allen Barker, profesor de ciencias de las plantas y el suelo en la Escuela de Agricultura de Stockbridge en la Universidad de Massachusetts Amherst, lo hizo posible. Barker proporcionó un espacio de invernadero para realizar pruebas, así como la experiencia esencial en agronomía que ayudó al equipo de investigación del MIT a realizar el análisis riguroso del nuevo material que tiene, ahora, determinó su eficacia.

"Este fue un paso extremadamente importante para nuestra investigación, "Dice Allanore." La financiación de J-WAFS nos dio la libertad de participar en esta colaboración con la Universidad de Massachusetts en Amherst. Y, a diferencia de lo que ocurre con los acuerdos de investigación de patrocinio empresarial, en este caso, todos tuvimos acceso abierto a los datos ".

Allanore está particularmente agradecido por las contribuciones de Barker y su equipo, ya que las pruebas no hubieran sido posibles sin su participación. Los resultados de este trabajo se publicaron el 22 de enero de en el artículo "Propiedades fertilizantes del feldespato potásico alteradas hidrotermalmente" de la revista Comunicaciones en ciencia del suelo y análisis de plantas .

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.