Development of microbial technologies for the soluble phosphorus production by phosphate rock solubilization

Resumen

El fósforo (P) es, después del nitrógeno (N), el segundo nutriente más limitante del desarrollo de los cultivos agrícolas. Por este motivo, ambos son añadidos periódicamente junto con el potasio (K), en los conocidos como fertilizantes NPK. El P juega un importante papel en numerosos procesos metabólicos como la fotosíntesis, la síntesis de ácidos nucleicos, o incluso la resistencia a diversas infecciones. Sin embargo, a pesar de ser abundante en suelos, el P no se encuentra disponible para las plantas. De hecho, se estima que tan sólo entre el 10 y el 15% del P añadido en los fertilizantes es realmente consumido por las plantas. El resto reacciona con elementos presentes en el suelo como el aluminio (Al), el hierro (Fe) o el calcio (Ca), dando lugar a formas insolubles del P que no son asimilables por los cultivos. Debido al bajo rendimiento de los fertilizantes, éstos se añaden en exceso para proporcionar a los cultivos el P necesario para su desarrollo, acumulándose poco a poco en el suelo. Este fenómeno de precipitación del P da lugar al conocido como “legacy phosphorus” (literalmente traducido como “fósforo heredado”), sobre el cual, algunos expertos afirman que podría ser suficiente como para continuar la producción agrícola al ritmo actual durante 100 años, si se encontrara accesible para los cultivos. El problema del P no acaba aquí, ya que es importante destacar que se trata de un recurso no renovable. De hecho, a pesar de que podemos encontrar reservas de roca fosfórica alrededor de todo el mundo, algunos expertos defienden que estas reservas podrían agotarse durante los próximos 50 años. Actualmente, la fuente principal de P es la roca fosfórica: grandes depósitos de roca sedimentaria con un elevado contenido en fosfatos. La extracción del P presente en la roca fosfórica se lleva a cabo, principalmente, mediante el empleo de ácido sulfúrico concentrado. Éste reacciona con los fosfatos de la roca, generando ácido fosfórico, el cual es recogido y neutralizado posteriormente con amonio para ser utilizado en los fertilizantes químicos. No obstante, un 20% del P total contenido en la roca fosfórica no puede ser extraído mediante estos procedimientos, ya que el consumo necesario de ácido para su procesado sería tan elevado que haría que no fuese rentable. De modo que este P queda retenido en unos residuos llamados schlams, los cuales son apilados en enormes escombreras, por lo que una gran cantidad de P es desperdiciada durante el proceso. Por estos motivos, en los últimos años se han propuesto diferentes técnicas para incrementar el rendimiento del P existente. Por ejemplo, se ha estudiado su extracción a partir de fuentes menos ricas en P como el guano, o incluso recuperar el P suministrado en los aditivos alimenticios del ganado a partir de los excrementos de ganadería. De entre todas las propuestas, la estrategia en la que más se ha ahondado es el desarrollo de biofertilizantes que contengan microorganismos solubilizadores de P (PSM, por sus siglas en inglés) con el objetivo de que éstos incrementen el rendimiento de los fertilizantes, lo que permitiría disminuir tanto el contenido de P de los mismos, como la cantidad de fertilizantes utilizados. A lo largo de este trabajo, no sólo se aborda el estudio de PSM para su posible aplicación en bioabonos, si no que se plantea la posibilidad de desarrollar un proceso de biominería para la extracción del P presente en los schlams de forma ecológica y económica. Los procesos de biominería emplean sistemas biológicos para facilitar la extracción de compuestos de interés industrial, generalmente a partir de productos de desecho y residuos de minería. Estos residuos presentan un bajo contenido de los compuestos de interés, por lo que su tratamiento no resultaría rentable mediante tecnologías convencionales. En cambio, los procesos biomineros son, en general, poco contaminantes y tienen bajo coste de producción. En la gran mayoría de los procesos de biominería se emplean bacterias oxidadoras del azufre (SOB, por sus siglas en inglés), cuya principal habilidad es la biosíntesis de ácido sulfúrico a partir de la oxidación de compuestos reducidos del azufre (especialmente azufre elemental y tiosulfatos). De este modo, se plantea la posibilidad de desarrollar un proceso de biominería que permita extraer el P residual presente en los schlams de manera rentable. Así, el ácido sulfúrico producido por las SOB actuaría disolviendo el P de los schlams, que se extraería como ácido fosfórico del mismo modo que en la producción de P a partir de roca fosfórica. Con este objetivo, se aislaron 5 cepas diferentes de SOB, y se analizó su capacidad de solubilizar el P presente en los schlams. Para ello, se elaboraron unas mini-escombreras sobre unos embudos Büchner. A lo largo de diferentes ensayos, se pudo comprobar que la cepa que mejores resultados mostró fue Acidithiobacillus thiooxidans. Se trata de una bacteria gram negativa, del grupo de las γ proteobacterias, extremófila, quimiolitoautótrofa, que utiliza el azufre como fuente de energía para llevar a cabo la fijación de CO2, el cual utiliza como fuente de carbono para su desarrollo. Durante este proceso, lleva a cabo la síntesis de ácido sulfúrico, que es secretado al exterior celular, creando un entorno extremadamente ácido que puede llegar a alcanzar un pH cercano a 2. Así, A. thiooxidans fue la bacteria seleccionada para llevar a cabo un primer proceso de escalado. Se elaboraron unas pequeñas escombreras de 25 toneladas suplementadas con azufre mineral (un residuo procedente de la industria del petróleo que presenta un gran contenido en azufre y que puede adquirirse de manera muy económica), y se inocularon con A. thiooxidans. Al cabo de 6 meses, se tomaron muestras en puntos aleatorios de la escombrera y se analizó el contenido de P soluble, P insoluble y P total presente en los schlams. Se observó que la cepa es capaz de solubilizar el P de los schlams sin necesidad de intervención humana en el proceso. De modo que se pudo demostrar la viabilidad del proceso de extracción del P residual de los schlams mediante biominería, utilizando, además, un segundo residuo procedente de la refinería del petróleo. Por lo tanto, se ha podido comprobar que se trata de un proceso limpio, ecológico y de bajo coste. Sin embargo, los procesos metabólicos involucrados en la síntesis de ácido sulfúrico y en la capacidad del microorganismo para sobrevivir en ambientes tan hostiles es aún una incógnita. Por este motivo, se llevó a cabo un estudio del proteoma de la bacteria bajo diferentes condiciones de pH que permitieran dilucidar sus mecanismos de supervivencia. Debido al pobre conocimiento que se tiene acerca del genoma y proteoma de esta bacteria, no fue posible determinar con exactitud qué ocurre en el interior de A. thiooxidans en condiciones de pH extremas, aunque el estudio nos acerca un poco más a comprender a estos microorganismos tan especiales. Por otro lado, con el objetivo de aislar y estudiar cepas para su posible aplicación en bioabonos, se llevó a cabo el aislamiento y selección de 9 bacterias solubilizadoras de fosfato (PSB): Bacillus megaterium, Pseudomonas plecoglossicida, Bacillus sp., Pantoea eucrina, Achromobacter xylosoxidans, Pseudomonas koreensis, Burkholderia fungorum, Enterobacter cloacae y Advenella mimigardefordensis. De todas ellas se analizaron los posibles mecanismos de solubilización de P, además de otras habilidades promotoras del crecimiento de la planta, como la solubilización de minerales como el zinc (Zn) y el K, la actividad antifúngica frente a diversos patógenos del cereal, o la producción de hormonas vegetales como el ácido indolacético. Finalmente, las bacterias se aplicaron a cultivos de cebada en un ensayo en invernadero, en el cual se analizó su efecto sobre la asimilación de P y el crecimiento de la planta, y sobre el desarrollo de espigas y su contenido en almidón. Se observó que dos cepas destacaban por su efecto sobre el desarrollo de los cultivos de cebada: B. megaterium y A. mimigardefordensis. En el caso de B. megaterium, han sido previamente descritos tanto su capacidad solubilizadora de P, como su efecto en el crecimiento de algunos cultivos, aunque aún no ha sido comercializada como biofertilizante. Sin embargo, no hemos podido encontrar constancia de que A. mimigardefordensis haya sido previamente descrita como bacteria solubilizadora de fosfato ni se haya analizado su capacidad promotora del crecimiento de las plantas. Por lo que podemos concluir que esta es la primera referencia de A. mimigardefordensis como cepa solubilizadora de P, y como bacteria promotora del crecimiento de plantas (en este caso de cebada).