La tecnología del PANT es una herramienta con gran potencial para producir fertilizantes nitrogenados líquidos, in situ y a demanda

El uso extendido de fertilizantes nitrogenados químicos para aumentar el rendimiento de los cultivos en la práctica agrícola ejerce un impacto negativo en el medio ambiente. A la luz del aumento continuado de la población y, consecuentemente, de la demanda de fertilizantes, teniendo en cuenta la necesidad de garantizar su disponibilidad y reducir su impacto medioambiental, se ha intensificado el interés hacia la búsqueda de estrategias alternativas a los procesos convencionales de producción de este tipo de fertilizantes.

Recientemente, se ha demostrado la efectividad del plasma atmosférico no térmico para la fijación de nitrógeno. Cuando la descarga de un plasma de aire se hace en contacto con un líquido, como el agua, se generan óxidos de nitrógeno, tales como nitratos y nitritos, habiéndose comprobado recientemente que la utilización de estos líquidos activados por plasma para la irrigación mejora el rendimiento de los cultivos obtenidos.

El nitrógeno es uno de los macronutrientes esenciales para el crecimiento y el desarrollo de los cultivos ya que es esencial para la división celular y la producción de clorofila, jugando, asimismo, un papel muy importante en la síntesis de azúcares, almidón y lípidos. Aunque existe abundante gas nitrógeno en el aire ambiental, los cultivos no pueden aprovechar directamente el nitrógeno atmosférico y sólo tienen capacidad de absorber el nitrógeno fijado en forma de amoníaco (NH₃) u óxidos de nitrógeno (NO_x, como nitratos (NO₃^-) y nitritos (NO₂^-)), que son los principales componentes de los fertilizantes nitrogenados (Wu et al., 2021).

En la actualidad, los fertilizantes nitrogenados se fabrican principalmente utilizando una tecnología denominada proceso Haber-Bosch (H-B), desarrollado comercialmente en 1913, en el que se hace reaccionar corrientes de nitrógeno e hidrógeno de alta pureza para generar NH₃ en condiciones de elevada temperatura (?500°C) y presión (200–300 atm) en presencia de catalizadores metálicos (Graves et al., 2019). Aunque la reacción H-B es un proceso de reducción del N₂ y no permite producir directamente NO_x, el NH₃ generado puede oxidarse, mediante el proceso termoquímico de Ostwald (Wu et al., 2021), a nitrato, que, al interaccionar con el NH₃ da lugar a nitrato de amonio (NH₄NO₃), el fertilizante nitrogenado más ampliamente utilizado en la agricultura.

Aunque es cierto que el éxito de la tecnología H-B ha sido fundamental para aumentar la productividad agrícola hasta niveles que permiten sustentar a casi la mitad de la población mundial actual (Patil et al., 2015), la producción industrial de fertilizantes nitrogenados es un gran contribuyente al cambio climático antropogénico. Debido a la excepcional estabilidad del triple enlace del nitrógeno molecular, con energías de excitación, disociación e ionización de 1,5 a 4 eV (1,4 x 10⁵ a 3,8 x 10⁵ J/mol), 9,1 eV (8,7 x 10⁵ J/mol) y 14,53 eV (1,39 x 10⁶ J/mol), respectivamente (Haruyama et al., 2016; Lamichhane et al., 2020a, b), la técnica H-B es un proceso químico de gran consumo energético, que utiliza combustibles fósiles como principales fuentes de energía, contribuyendo sustancialmente a la huella de carbono (Chen et al., 2018).

De hecho, este proceso productivo es responsable del 2% del consumo mundial de energía y del 3% de la producción mundial de gas natural. Además, contribuye al 1% de las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero, y al 1,4% del CO₂ liberado universalmente, lo que equivale a 300 millones de toneladas de CO₂ anuales (Graves et al., 2019; Kelly y Bogaerts, 2021). Asimismo, las aguas residuales generadas durante el proceso contienen amoníaco no recuperado, lo que supone una contaminación ambiental secundaria. Aunque en los últimos años se han realizado esfuerzos significativos para reducir el consumo de energía y las emisiones generadas mediante el desarrollo de nuevos catalizadores y sistemas de separación de amoníaco mucho más eficientes, el proceso H-B requiere, aún con estas mejoras, de nitrógeno e hidrógeno puros, así como de energía térmica y/o altas presiones (Zhang et al., 2022).

A la luz del aumento previsto de la población y, consecuentemente, de la demanda de fertilizantes, y teniendo en cuenta la necesidad de garantizar su disponibilidad y reducir su impacto medioambiental, se ha intensificado el interés hacia la búsqueda de estrategias alternativas a los procesos H-B y Ostwald, habiéndose investigado ya diversos enfoques sostenibles, incluyendo procesos biológicos, foto y electrocatalíticos, así como las tecnologías basadas en el plasma atmosférico no térmico (PANT) (Zhang et al., 2022). En este sentido, la fijación de nitrógeno asistida por PANT ha recibido un gran interés porque presenta una serie de ventajas, como son la capacidad del plasma para proporcionar la energía requerida para la activación del N₂ a temperatura ambiente y presión atmosférica, la posibilidad de utilizar, para su generación y mantenimiento, fuentes de energía renovables, como la eólica o la solar, cuyo coste se está reduciendo gradualmente, y la oportunidad que ofrece el método para operar en ubicaciones deslocalizadas y a pequeña escala (in situ, bajo demanda), como, por ejemplo, en las propias tierras de cultivo (Sharma et al., 2020; Barjasteh et al., 2021; Kelly y Bogaerts, 2021; Zhang et al., 2022).

El PANT es un gas débilmente ionizado, constituido por una mezcla de electrones, especies reactivas de oxígeno (ROS), especies reactivas de nitrógeno (RNS) y radiación UV, que se genera tras la exposición del gas a una descarga eléctrica. Es ampliamente utilizado por la industria electrónica, automotriz y aeroespacial para la limpieza y el tratamiento de superficies. Recientemente se ha comprobado que el tratamiento de soluciones acuosas de fertilizantes orgánicos (p. ej., estiércol, lodos, digestatos) con plasmas de aire permite enriquecer su contenido en nitrógeno disponible para las plantas. En el proceso, el nitrógeno atmosférico se fija como NOx, que posteriormente, al reaccionar con el agua, dan lugar a la formación de ácido nitroso (HNO₂) y ácido nítrico (HNO₃), reduciendo y estabilizando el pH de estos fertilizantes (Mousavi et al., 2022). De hecho, ya existe una patente (N2 Applied, https://n2applied.com/), en explotación, que funciona bajo este principio, en la que se describe que los equipos requeridos son lo suficientemente pequeños como para permitir que los agricultores produzcan, a nivel local, sus fertilizantes orgánicos enriquecidos en nitrógeno, lo que posibilitaría la autosuficiencia y una mayor sostenibilidad agrícola, debido a la reducción de las emisiones de amoníaco y metano, constituyendo, asimismo, un avance significativo hacia enfoques de economía circular. Además, recientemente se ha demostrado en un ensayo de campo que la aplicación de estiércol tratado con PANT durante dos años consecutivos no ejercía efectos nocivos sobre la abundancia de colémbolos y lombrices de tierra que habitaban los suelos estudiados (Mousavi et al., 2022).

Por otra parte, el tratamiento del agua destinada a fines agronómicos con PANT también ha suscitado un gran interés. La exposición del agua al PANT provoca cambios en su composición química y propiedades físico-químicas. El agua resultante, conocida como “agua activada por plasma” (PAW, Plasma-Activated Water) muestra, en particular, un aumento en el contenido en ROS y RNS, así como un incremento del potencial de oxidorreducción y la conductividad eléctrica. La Figura 1 muestra esquemáticamente la generación de PAW, en la que se incluye el área de descarga eléctrica, la fase gaseosa y las especies reactivas formadas en la fase líquida. El efecto combinado obtenido por la fuerte actividad oxidante de las ROS y la acidificación del agua, a través de la generación de ácido nítrico a partir de las RNS, confiere propiedades antimicrobianas al PAW, que por ello representa una alternativa ambientalmente sostenible a los desinfectantes químicos y pesticidas. De hecho, en estos últimos años se ha comprobado que el tratamiento de las plantas con PAW permite reducir la población de diversos fitopatógenos (Ito et al., 2018). Además, el tratamiento del agua con PANT provoca la fijación del nitrógeno del aire en forma de óxido nítrico (NO), nitritos (NO₂^-), nitratos (NO₃^-), trióxido de dinitrógeno (N₂O₃) y pentóxido de dinitrógeno (N₂O₅), adquiriendo también el PAW propiedades fertilizantes (Judée et al., 2018). De hecho, se ha comprobado que la irrigación de semillas con PAW incrementa los porcentajes de germinación, acorta el tiempo requerido para la germinación y estimula el posterior crecimiento de las plántulas (Lo Porto et al., 2018; Lamichhane et al., 2021). Asimismo, existen varios estudios en los que se ha demostrado en plantas de diversas especies, incluyendo de pimientos, tomate o maíz, que la irrigación con PAW también permite obtener mayores rendimientos de los cultivos (Park et al., 2013; Lamichhane et al., 2021). Además, en un trabajo reciente se ha puesto de manifiesto que la utilización del PAW para irrigar cultivos de rábano daba lugar a tubérculos con un mayor contenido en glucosinolatos, vitamina B5 y ciertos compuestos antioxidantes, como vitamina C y flavonoides totales (Gupta et al., 2024).

Independientemente del mecanismo involucrado en los fenómenos biológicos observados, en los estudios de caracterización química del PAW se ha comprobado que el contenido existente en compuestos nitrogenados asimilables depende de diversos factores relacionados con las condiciones de generación del plasma, incluyendo la configuración de los electrodos, el tiempo de tratamiento y la energía utilizada para la ionización del gas, así como del tiempo transcurrido tras su obtención y régimen de aplicación (Wu et al., 2021; Pandey et al., 2023; Wang et al., 2023).

Bibliografía

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