Fósforo: la nueva arista de la crisis global ambiental

Yunuen Tapia-Torres y Felipe García-Oliva

El fósforo (P) es un elemento químico indispensable para la vida por muchas razones. La principal es su función en la formación de biomoléculas claves que necesitamos todos los organismos que habitamos la Tierra. Pero también el fósforo se requiere en grandes cantidades para crecer rápidamente, y existen muchos otros ejemplos que resaltan su importancia: el P le permite a las células contar con energía mediante el adenosíntrifosfato (ATP), también es necesario para mantener un balance hídrico adecuado por acción de los fosfolípidos y por último, permite guardar y transmitir de generación a generación, la información genética en la molécula de ADN (ácido desoxirribonucleico). Es por ello que todos los organismos necesitamos adquirir P de nuestro entorno para poder realizar estas funciones básicas de la vida. Las plantas y los microorganismos tienen que tomar el P de la solución del suelo en su forma disponible (ortofosfato) y el resto de los organismos lo adquirimos por medio de nuestros alimentos; por lo que el P que usamos todos los organismos vivos es el tomado principalmente por las plantas.

02Fig1Figura 1. Distribución global de las reservas de roca fosfórica. Datos de USGS 2009.     A diferencia de otros elementos, el fósforo no se encuentra libre en la naturaleza, y dependemos de él para abastecer la producción agrícola mundial. Este elemento se obtiene de minerales y de desechos animales, particularmente del guano de aves. Por lo tanto es una limitante para la producción agrícola, y en los ecosistemas el suministro natural de este elemento tampoco es abundante. Es por esto que en la actualidad existe una gran demanda de P para producir fertilizantes fosfatados, que se utilizan tanto en la agricultura como en procesos industriales. Sin embargo, la disponibilidad futura del P está fuertemente comprometida a nivel mundial, porque las reservas de las minas de este elemento se han reducido alarmantemente.

     Si se mantiene la extracción de fósforo con su tasa actual de unas 24 millones de toneladas por año ¡se tendrá que reducir drásticamente su explotación a partir del 2030! Aunado a este problema, las principales minas existentes en el mundo se encuentran en pocos países. Por ejemplo, el 80% de las reservas de fósforo se encuentran solamente en: Marruecos, China, Jordania y Sudáfrica (Figura 1).

     En el futuro cercano, una vez terminadas las reservas de fósforo, la única alternativa que nos quedará para que los seres vivos continúen abasteciéndose de este elemento, sería a través de su reciclaje natural, es decir el que esté disponible en los ecosistemas, ya que no existe a la fecha ningún método que permita fabricar fertilizantes fosfatados de manera artificial. Toda esta situación representa un gran reto para la sustentabilidad, sin embargo rara vez se menciona este asunto en los medios o en la literatura científica. Hay que tener muy claro que se requiere de una búsqueda urgente de soluciones, las cuales permitan que los seres vivos -especialmente los cultivos de los que depende la humanidad-, en el futuro puedan tener acceso al P, indispensable para sus funciones vitales.

El fósforo no está fácilmente disponible

02Fig2Figura 2. Esquema simplificado de la dinámica del fósforo (P) en el suelo. Del lado izquierdo se observa la parte geoquímica y del derecho la parte biológica. En los suelos donde existe poco P en la roca (parte geoquímica), el almacén orgánico es muy importante (parte biológica) y ahí los microorganismos adquieren mayor importancia para que el P esté disponible (P en la solución del suelo). Se explican los procesos (sobre las flechas) en el texto. Modificado de Paul y Clark 1989.El P es un elemento poco abundante en nuestro planeta. En la corteza terrestre sólo hay 0.13% de fósforo, mientras que los elementos más abundantes son el oxígeno (47%) y el sílice (28%). La principal fuente de P disponible en los ecosistemas proviene de la liberación de los minerales primarios del suelo, proceso conocido como intemperismo. Desafortunadamente, la contribución por intemperismo puede ser despreciable porque es un proceso muy lento, y la mayoría de los suelos del planeta tienen pocos minerales con P (Figura 2).

     El P es liberado de los minerales primarios de las rocas o del suelo, y una vez que esto sucede, la forma disponible (y que los seres vivos pueden utilizar) en el suelo es el ortofosfato (HPO4). El ortofosfato es sumamente reactivo, y llega a formar hasta 200 formas químicas inorgánicas estables. Por ejemplo, en suelos ácidos —los cuales contienen hierro y aluminio y son muy comunes en selvas tropicales— el P se precipita químicamente formando compuestos muy estables en el suelo, tales como los fosfatos de hierro y aluminio, que no pueden usar los seres vivos. En contraste, en los suelos alcalinos (con pH básico) se forman fosfatos con el calcio y el magnesio. A este proceso de formación de compuestos químicos estables se le conoce como oclusión y es muy común en la gran mayoría de los suelos. El fósforo que es capturado así, tampoco está en la forma que pueden emplear los organismos. Gran parte del P que entra por la fertilización de los campos de cultivo, también es atrapado por oclusión en este tipo de moléculas inorgánicas estables.

     Afortunadamente este proceso es reversible por medio de la solubilización (ver Figura 2), proceso que sólo ocurre si el pH del suelo se modifica dramáticamente. Esto puede ocurrir gracias a microorganismos conocidos como solubilizadores de P, que son capaces de producir diferentes tipos de ácidos (inorgánicos y orgánicos), los cuales alteran el pH del suelo y liberan el P de estas moléculas estables inorgánicas.

02Fig3Figura 3. Imagen obtenida de espectrometría por resonancia magnética que muestra la variedad de formas químicas de fósforo (P) en una muestra de suelo. Se resaltan compuestos como los fosfolípidos (FL) y ácido desoxirribonucleíco (ADN). Modificado de Bünemann et al., 2011.     En la mayoría de los ecosistemas, el “presupuesto” del P depende de que sea reciclado de las diversas moléculas orgánicas que lo contienen. En el suelo existen principalmente dos grupos de moléculas orgánicas que contienen fósforo: los ésteres de fosfato y los fosfonatos (Figura 3). Los ésteres de fosfato son moléculas en donde el P está unido directamente al oxígeno (R-O-P) y en los fosfonatos el P está unido directamente al carbono (C-P). Los fosfonatos son moléculas más estables, debido a que el C y el P están unidos directamente, por lo que se requiere de mayor energía para romper esta molécula.

     Ya que las plantas y los microorganismos solamente pueden adquirir el P como HPO4, necesitan de enzimas para romper las moléculas orgánicas y así liberar al P en esta forma. Estas enzimas son secretadas al ambiente por plantas y microorganismos para que realicen su función —ya sea en el suelo o en un ambiente acuático—, y se conocen como exoenzimas o ecoenzimas; generalmente son específicas para cada tipo de molécula orgánica. En el caso de las moléculas orgánicas que contienen P, las enzimas que rompen los ésteres de fosfato y los fosfonatos se llaman fosfatasas y fosfonatasas, respectivamente. Las fosfatasas las pueden producir la gran mayoría de los microorganismos y plantas, mientras que las fosfonatasas solamente las pueden producir algunos grupos específicos de bacterias y hongos. Una vez que el fósforo se ha liberado de la molécula orgánica, cualquier microorganismo o planta lo puede adquirir, y si esto no ocurre, al ser tan reactivo, será ocluido nuevamente.

La alternativa para enfrentar la crisis de fósforo

Una alternativa para enfrentar la crisis futura del fósforo, es reciclar el que se encuentra en el suelo. Como explicamos en el apartado anterior, una manera de reciclarlo es liberándolo, tanto de moléculas inorgánicas estables, como de moléculas orgánicas. Y para liberar al fósforo ¡los microorganismos son la clave!

     No cualquier microorganismo tiene la capacidad de producir todas las ecoenzimas y ácidos solubilizadores que se requieren para liberar el P de moléculas orgánicas o inorgánicas que lo secuestran. Esta capacidad dependerá de los genes que los microbios tengan, lo cual les permitirá producir estos compuestos, y también dependerá de las condiciones adecuadas para la liberación del P. Por ejemplo, cuando los microorganismos están limitados por energía o por otros nutrientes, no pueden sintetizar estas sustancias debido a que su metabolismo tiene un déficit energético, así pues, las condiciones no serán adecuadas.

     Afortunadamente, durante la larga evolución de los microorganismos en la historia de este planeta, éstos han desarrollado diferentes genes que les permiten acceder al P, ya que siempre ha sido un elemento escaso. Esta diversidad de genes microbianos se puede convertir en una herramienta muy útil para enfrentar a la carencia de fósforo que podría enfrentar la agricultura en el futuro. Para ello, es necesario analizar la capacidad que tiene una comunidad microbiana dada para producir estas sustancias, lo que representaría su capacidad para liberar el P no disponible en el suelo. Así mismo es necesario identificar los genes que realizan estas funciones y cómo se expresan.

     Con la selección de las especies microbianas que tengan las mejores capacidades, se podría implementar la producción de biofertilizantes que promuevan la liberación del P. Sin embargo, este tipo de investigación apenas se está empezando a desarrollar. Nuestro grupo de investigación recientemente ha comenzado a trabajar en estas ideas, y hemos encontrado procesos y bacterias muy promisorias en diferentes ambientes de México, uno de ellos está en Cuatrociénegas, Coahuila (Figura 4).02Fig4Figura 4. Cultivo de Bacillus subtillis en un medio bajo en fósforo de diferentes fuentes: a) fosfato de potasio, b) 2-aminoetil fosfonato y c) glifosato.

     Es muy importante que la sociedad conozca el problema futuro del fósforo. También es importante que se inicie y se promueva la investigación en esta área, para contar con herramientas que nos permitan asegurar la disponibilidad y accesibilidad de P a largo plazo, que sean distintas a la fertilización. La disponibilidad del fósforo de manera sostenible es indispensable para mantener la seguridad alimentaria en nuestro planeta.

Para saber más

  • Bünemann, E.K., A. Oberson y E. Frossard. 2011. Phosphorus in action: Biological processes in soil phosphorus cycling. Springer.
  • García-Oliva, F. y Y. Tapia-Torres 2015. El papel de los suelos en los ciclos globales de los nutrientes. C+Tec 4: 30-35.
  • Global Phosphorus Research Initiative.
  • Tapia-Torres, Y., y F. García-Oliva. 2013. La disponibilidad del fósforo es producto de la actividad de las bacterias del suelo en ecosistemas oligotróficos. TERRA Latinoamericana 31: 231-242.
    U.S. Geological Survey (2009). Mineral Commodity Summaries.