Nuevas alternativas sostenibles que mejoren la producción agrícola sin recurrir al empleo de fertilizantes químicos

La contaminación derivada del uso de fertilizantes químicos, así como el incremento de su coste, propicia la búsqueda de alternativas de fertilización más económicas y eficientes, dónde el papel de los bioestimulantes como mejoradores de la funcionalidad de las plantas puede jugar un papel primordial. El objetivo de AGROENTOOL se basa en la cría masiva de grillos, a partir de subproductos vegetales de invernadero, para extraerles la quitina de su exoesqueleto, y su posterior conversión a quitosano, con vistas a ser utilizado como ingrediente activo para la producción de bioestimulantes agrícolas.

En los próximos años, el sector de la agricultura deberá enfrentarse al desafío de alimentar a una población mundial en continuo crecimiento a la vez de reducir el impacto mejorando la salud medioambiental y humana. Para poder satisfacer la demanda global, se han propuesto varias soluciones como son la obtención de variedades con un mayor rendimiento, optimización en la gestión de los cultivos y mejora en la eficiencia en el uso de los recursos. Durante décadas, la producción agrícola ha utilizado principalmente fertilizantes químicos para proporcionar a las plantas los nutrientes necesarios, pero debido a su elevado costo, la mala gestión en su uso y a la contaminación que algunos propician en el ambiente, se hace necesario encontrar nuevas alternativas de fertilización económicas y más eficientes.

Una alternativa atractiva que cada vez está adquiriendo más interés son los bioestimulantes agrícolas. Este aliciente ha motivado la búsqueda y el desarrollo de productos más respetuosos con el medio ambiente. Además de aminoácidos, existen otras muchas moléculas con potencial para generar biofertilizantes. Los polímeros biodegradables como la quitina pueden ser una alternativa de gran potencial para su aplicación en suelo agrícola, ya que se trata de un compuesto biodegradable, insoluble e inocuo para la salud humana, no contamina el medio natural, no huele y puede usarse en menor cantidad que otros al no perderse por evaporación o lixiviación; así, es capaz de recuperar la biodiversidad del suelo perdida por la sobreexplotación agrícola.

Gryllus Assimilis.

En este sentido, el proyecto AGROENTOOL nace con la finalidad de generar y aplicar nuevas alternativas económicas, de gran potencial y de carácter sostenible como son los insectos al mundo agronómico, de forma que se empiecen a mitigar todos los efectos negativos provocados en las últimas décadas y contribuir a un nuevo modelo de agricultura alineado con las políticas actuales de optimización en el uso de los recursos y estrategias de bioeconomía.

Su objetivo principal se ha centrado en la cría masiva de insectos para la producción de quitosano a partir de la quitina contenida en su exoesqueleto para la producción de insumos agrícolas. De este modo, se ha transformado un recurso obtenido de los insectos en un producto de alto valor añadido que servirá como materia prima para la formulación de productos para uso en campo.

Para la consecución de este objetivo, el proyecto AGROENTOOL se ha desarrollado en 3 etapas, una etapa inicial documental, seguida de una etapa experimental y finalmente una etapa divulgativa para transferir los avances y logros alcanzados durante la ejecución del proyecto y facilitar la transmisión del conocimiento generado a todos aquellos sectores que puedan estar interesados.

Acheta domesticus.

SELECCIÓN DE ESPECIES DE INSECTOS Y CARACTERÍSTICAS

Durante la etapa documental se ha realizado una revisión exhaustiva del estado del arte a fin de conocer el estado actual sobre los insectos para fines de bioconversión. Así, la información recabada permitió determinar que la cría de grillos podía ser aprovechada para estos fines teniendo en cuenta el bajo costo de producción, aprovechamiento de los subproductos hortícolas y, por tanto, un menor impacto para el medio ambiente. De forma específica, al alto potencial reproductivo de los grillos, su pequeño tamaño favorece la crianza en mayores densidades respecto a la superficie necesaria, asimismo, hay un mayor aprovechamiento del espacio vertical en el que se pueden producir mayor cantidad de insectos por metro cúbico en comparación con la producción avícola y/o ganadera. Además, en comparación con otros invertebrados, la alimentación de los grillos es relativamente sencilla y se alimentan de productos derivados de cereales, frutas y hortalizas. También se llevó a cabo una evaluación de las especies de grillos con un mayor grado de esclerotización/quitinización del exoesqueleto entre los que se encuentran los individuos del orden ortóptero.

En este sentido, pueden destacarse especies como Gryllus assimilis, Gryllodes sigillatus y Acheta domesticus por su alto grado de quitinización. Comparando las tres especies, Gryllodes sigillatus es relativamente más pequeña (longitud de 20 a 25 mm) y entre sus inconvenientes puede destacarse su potencia de salto y velocidad, si bien se trata de una especie relativamente silenciosa. Además, esta especie muestra un índice reproductivo óptimo, ya que una hembra adulta puede poner hasta 200 huevos a lo largo de su vida y no tienden al canibalismo. Por su parte, Gryllus assimilis es un grillo de mayor tamaño (longitud entre 28 y 32 mm) cuyo exoesqueleto presenta una dureza superior a otras especies de grillos lo que lo convierte en un buen candidato para la obtención de quitina. Desde su nacimiento hasta el insecto adulto transcurren unas 4-5 semanas, caracterizándose por su rápido desarrollo. Finalmente, la especie Acheta domesticus presenta un tamaño medio (alrededor de 25 mm). Debido a sus requerimientos térmicos flexibles es ideal para criar. Además, es el grillo que se produce con mayor rapidez. En definitiva, esta primera fase del proyecto permitió seleccionar dos especies de grillos, atendiendo a sus características, productividad y facilidad de manejo: Gryllus Assimilis y Acheta domesticus.

FASE EXPERIMENTAL

La fase experimental del proyecto se inició con la evaluación del potencial de ambas especies de insectos para criar en masa y producir la máxima cantidad de quitina posible. Así, ENTONOVA y UAL trabajaron de forma conjunta y simultánea para llevar a cabo esta evaluación. Una vez seleccionadas, ambas especies de grillos fueron evaluadas atendiendo a valores nutricionales como grasa bruta (GB), fibra neutro detergente (FND), fibra acido detergente (FAD) y aminoácidos totales (Aas totales). Especial interés resultó el contenido de FAD ya que puede utilizarse como un estimador de la quitina. Del mismo modo, los Aas totales pueden indicar el contenido proteico de los grillos, fomentando la utilización de la proteína como subproducto de alto valor, tras extraer la quitina. A continuación, se diseñaron las condiciones de cría de ambas especies en las instalaciones de ENTONOVA.

El objetivo fue evaluar la facilidad y rentabilidad en términos de productividad de ambas especies de insectos. Para ello, se identificó qué especie de grillo era más productivo con una alimentación basada en subproductos vegetales de invernadero, en adelante SVI. Concretamente, se evaluó el efecto de 4 dietas experimentales, 3 de las cuales basadas en SVI (desecados y molidos) mientras que la restante consistía en un pienso comercial. La composición de cada una de las dietas suministradas se indica a continuación:

- Dieta 1: 90% SVI + 8% salvado de trigo + 2% proteína

- Dieta 2: 70% SVI + 24% salvado de trigo + 6% proteína

- Dieta 3: 50% SVI + 40% salvado de trigo + 10% proteína

- Dieta 4: Pienso comercial

Los insectos fueron alimentados diariamente y una vez alcanzaron un tamaño y masa corporal acordes a lo previsto, se registró el peso vivo individual de los insectos en intervalos de 5 días hasta alcanzar la madurez. Una vez transcurridos 45 días desde la eclosión, cuando los insectos habían alcanzado un tamaño corporal razonable sin llegar a la maduración sexual, se capturaron, pesaron e introdujeron en bolsas herméticas para posteriormente ser congelados a -20°C. En la figura 2 aparece un esquema del proceso seguido durante esta actividad.

Para la especie de G.Assimilis, los mejores resultados relativos a la tasa de mortalidad, así como el peso vivo individual en función de las dietas se obtuvieron en el caso de los insectos alimentados con la dieta control. La combinación de ambos parámetros, por ende, se tradujo en una mayor producción de biomasa final en los insectos alimentados con pienso. Como era de esperar, se siguió la misma tendencia en la ingesta de pienso consumido por individuo. Igualmente, la especie A. domesticus, prefirió la dieta control vs las demás dietas experimentales. A este hecho, hay que sumarle que se observó un lento crecimiento de la especie y un tamaño menor de los individuos, por lo que los resultados relativos al índice de productividad han resultado deficientes.

Con el objetivo de suplir esta deficiencia, se incrementó el número de individuos a introducir en cada caja (hasta 6 veces más). Esto resultó en un mayor número de supervivientes de Acheta domesticus (aproximadamente 270) en comparación con la especie anterior (en torno a 70), sin embargo, el peso final de cada individuo fue más de tres veces inferior (0,03 g y 0,1 g para A. domesticus y G. Assimilis, respectivamente). A pesar del menor tamaño, la producción de biomasa (gramos totales) de Acheta por cada caja al final del ciclo fue similar a la obtenida con G.assimilis, lo que pudo deberse al mayor número de individuos por recipiente.

De forma paralela, el grupo de investigación de la UAL realizó un análisis de la composición proximal tanto de las dietas como de los insectos, evaluando ciertos parámetros como: contenido de materia seca, cenizas y materia orgánica; extracto de éter y proteína bruta; fibra detergente neutra y fibra detergente ácida y; carbohidratos digeribles. Los resultados relativos a la composición química de los grillos demostraron que ambas especies presentaban un contenido de FAD muy similar, obteniéndose un menor porcentaje de ésta cuando los insectos eran alimentados con pienso. Esto podría explicarse atendiendo al mayor tamaño de los grillos alimentados con dietas comerciales lo que se traduce en un mayor porcentaje de grasa, originando que la FAD represente una menor proporción. En cuanto a las grasas, en ambas especies, los insectos alimentados con pienso comercial presentaron un mayor contenido, con diferencias estadísticamente significativas entre el control (pienso comercial) y las dietas experimentales.

Sin embargo, el contenido de quitina (%) no mostró diferencias significativas entre especies de grillos, así como tampoco entre los individuos alimentados con las diferentes dietas. Por su parte, los resultados relativos a la composición química de las dietas mostraron que la dieta basada en pienso contenía menor cantidad de fibra y grasa, y una mayor cantidad de proteína lo que justificaría el mayor crecimiento de los insectos alimentados con la dieta comercial. Del mismo modo, G. assimilis mostró una producción de quitina de 2 a 3 veces mayor en comparación con A. domesticus. Por ello, para la siguiente fase, sobre optimización de la composición y formado de dietas basadas en SVI, se ha seleccionado a G.assimilis como la especie de grillo idónea.

A continuación, se trabajó en el proceso de extracción de quitina y su posterior conversión a quitosano. El diseño de este protocolo ha sido tarea del Centro Tecnológico TECNOVA en el que a través de procesos químicos se ha desarrollado un proceso de obtención de quitosano fácilmente escalable y reproducible (Figura 3). El proceso de obtención de quitina consta de una primera fase de desmineralización mediante la cual se consigue descartar minerales y catecoles presentes en la reacción. Seguidamente, la fase de desproteinización permitió separar las proteínas retenidas. La eficacia de estos procesos ha sido evaluada mediante una caracterización semicuantitativa de la calidad de la quitina obtenida. Para ello, se han medido ciertos parámetros como pH, cenizas (%), humedad (%), residualidad de proteínas (%) y grado de acetilación (%). Esta evaluación mostró que las quitinas obtenidas presentan un pH similar en torno a 7-8. Es destacable el contenido de cenizas, ya que este parámetro es usado para monitorear la concentración de minerales presentes en la quitina y de este modo evaluar la eficacia de la etapa de desmineralización. Generalmente, un contenido de cenizas comprendido entre 2-5% es considerado comercialmente aceptable¹.

En lo que respecta al contenido de nitrógeno, cabe señalar que este análisis es utilizado para controlar la eficacia de la fase de desproteinización. Una quitina completamente acetilada tendrá un valor de N (%) de 6,89%, lo que refiere que la fase de desproteinización se ha llevado a cabo de forma exitosa. Mientras que un valor superior al 6,89% sugiere que todavía hay proteínas residuales presentes, un resultado inferior a este valor determina la existencia de materiales inorgánicos residuales. En este caso, el valor obtenido de nitrógeno fue de 6,26 y 4,87 para Gryllus Assimilis y Acheta domesticus, respectivamente, valores más próximos al óptimo de 6,89 lo que demuestra la inexistencia de proteínas y minerales en la muestra final. En cuanto al % del grado de acetilación, cabe señalar su importancia en la determinación de las características funcionales y fisiológicas de la quitina. Diversos estudios han reportado que un grado de acetilación superior al 40% indica que el producto obtenido es quitina, por lo que los resultados obtenidos son coherentes con este hecho.

Una vez evaluada la eficacia del proceso de obtención de quitina, se procedió a su conversión a quitosano mediante desacetilación parcial de la quitina previamente obtenida.

Este quitosano ha sido transformado en la sustancia básica permitida en agricultura (clorhidrato de quitosano) atendiendo a lo establecido en el Reglamento (UE) 1107/2009, sobre productos fertilizantes. Para ello, el quitosano ha sido sometido a un proceso de salinización usando ácido clorhídrico para dar como resultado la forma de clorhidrato con el fin de mejorar su solubilidad en agua. Finalmente, ZENAGRO será el encargado de formular un insumo agrícola con potencial de inducir mecanismos de defensa que será validado mediante un ensayo en campo.

Referencias

Ibitoye, E. B., Lokman, I. H., Hezmee, M. N. M., Goh, Y. M., Zuki, A. B. Z., & Jimoh, A. A. (2018). Extraction and physicochemical characterization of chitin and chitosan isolated from house cricket. Biomed Mater, 13(2), 025009. doi:10.1088/1748-605X/aa9dde