Este trabajo obtuvo el premio de jóvenes investigadores RUENA en su primera edición

Fotografía 1. Sistema de cultivo hidropónico tipo 'Técnica de película de nutrientes' (NFT: Nutrient Film Technique, marca registrada NGS®) empleado para el cultivo de espinaca, rúcula y borraja.

Cada vez son más los consumidores que optan por alimentos que, además de tener una buena apariencia, ofrezcan características nutricionales beneficiosas para la salud (Bulgari et al., 2021). Las hortalizas, por ejemplo, son alimentos que constituyen una fuente de nutrientes esenciales. Sin embargo, se estima que aproximadamente entre el 72 y el 94% de la ingesta diaria de nitrato (NO₃-), un compuesto relacionado con el desarrollo de metahemoglobinemia en bebés (síndrome del bebé azul), se produce a través del consumo de hortalizas (Santamaria, 2006; Bonasia et al., 2008). Debido a los posibles daños, la Comisión Europea acordó limitar el contenido máximo de nitrato en aquellos cultivos que tienden a acumularlo, como por ejemplo, espinaca, rúcula o lechuga (EC No 2023/915, normativa vigente).

La acumulación de nitrato en hortalizas depende de diversos motivos, que incluyen las prácticas agrarias. Por ejemplo, el uso de fertilizantes sintéticos con base nítrica en hortalizas de hoja promueve que estos cultivos acumulen nitrato en sus partes comestibles, mientras que, el uso de otras fuentes de nitrógeno, como el amonio, pueden ser una estrategia para evitar la acumulación de nitrato en hoja. La aplicación de amonio, sin embargo, resulta tóxico para algunas hortalizas de hoja, mostrando una alta sensibilidad a esta fuente de nitrógeno, especialmente cuando son cultivadas en hidroponía pura (Bonasia et al., 2008; Rivero-Marcos et al., 2024).

La alta sensibilidad que muestran algunas de las hortalizas de hoja al amonio se refleja, principalmente, en una disminución en el crecimiento de la planta, lo que afecta directamente a su rendimiento y a la eficiencia que hacen del uso del nitrógeno (NUE, por sus siglas en inglés Nitrogen Use Efficiency) (Qin et al., 2023). Esta sensibilidad se nota aún más en determinados sistemas de cultivo sin suelo, como los hidropónicos (Raviv et al., 2019).

A pesar de los esfuerzos realizados por identificar las causas de la sensibilidad al amonio en plantas, todavía hoy se desconocen cuáles son las causas principales que desencadenan la toxicidad. Uno de los efectos conocidos de la nutrición amoniacal es el aumento del flujo de carbohidratos (azúcares) en el interior de la planta. Hoy por hoy, sabemos que el aumento excesivo de ciertos carbohidratos produce daños a la planta, como por ejemplo, la síntesis de compuestos tóxicos, como el metilglioxal (MG) (Borysiuk et al., 2018; Rivero-Marcos and Ariz, 2022). Por tanto, ¿cómo podríamos conseguir que fertilizantes basados en amonio sean una verdadera alternativa a los basados en nitrato para el cultivo de hortalizas de hoja?

Sin embargo, se desconoce si este mismo efecto se podría producir si una de las fuentes, por ejemplo, el amonio, estuviese en niveles de nutrición, y la otra (el nitrato), en niveles inferiores. El grupo de Fisiología Vegetal y Agrobiología de la Universidad Pública de Navarra (UPNA) ha obtenido recientemente resultados que demuestran que el nitrato aplicado en concentraciones “no nutritivas” a plántulas de espinaca nutridas con amonio produce un alivio de la toxicidad y reduce la producción del compuesto tóxico metilglioxal, indicando una regulación del flujo de carbohidratos mediado por el nitrato. Estos resultados se han obtenido en condiciones controladas de laboratorio.

En este trabajo hemos investigado la aplicación de diferentes ratios de nitrato:amonio a hortalizas de hoja en un sistema hidropónico piloto con el objetivo de plantear estrategias de fertilización nitrogenada que permitan producir hortalizas de hoja con bajos niveles de nitrato en tejidos comestibles, manteniendo un rendimiento del cultivo agronómicamente y comercialmente aceptable.

Para abordar el objetivo planteado se llevó a cabo un experimento en invernadero, utilizando la técnica de película de nutrientes como sistema de cultivo (NFT por sus siglas en inglés, Nutrient Film Technique, sistema NGS®). Los cultivos escogidos para este ensayo fueron la espinaca (var. Gigante de invierno), rúcula y borraja (cuyo consumo se restringe al valle medio del Ebro en España y, por tanto, tiene interés local). Todos ellos son considerados hiperacumuladores de nitrato en hoja, con alta sensibilidad a la nutrición amoniacal.

El nitrato alivia la toxicidad por amonio y permite que algunas hortalizas obtengan su mayor rendimiento con una nutrición mayoritariamente amoniacal

El nitrato alivia la toxicidad por amonio y permite que algunas hortalizas obtengan su mayor rendimiento con una nutrición mayoritariamente amoniacal.

La mejora significativa en el rendimiento de los cultivos se produjo a partir de aplicaciones de nitrato superiores al 0,5%, es decir, con los ratios 34:66, 66:34 (nitrato:amonio (%:%)). Estos resultados sugieren que la aplicación de concentraciones muy bajas de nitrato no es suficiente para aliviar la toxicidad por amonio en cultivos que se encuentren en estado vegetativo tardío (Figura 1).

En determinados cultivos como la rúcula o borraja, el ratio 34:66 (nitrato:amonio (%:%)) alcanzó rendimientos máximos, posibilitando que el cultivo de estas hortalizas pueda ser a través de una nutrición mayoritariamente amoniacal (Figura 1). Se consideró que biomasas con penalizaciones superior al 90% no se podían considerar resultados agronómicamente aceptables. La espinaca consiguió rendimientos dentro del rango aceptable con tan solo fertilizaciones mayoritariamente nítricas (Figura 1).

La fertilización mayoritariamente amoniacal evita que el nitrato se acumule en las hojas de las hortalizas.

Los datos mostraron que el aporte de amonio como fuente de nitrógeno reducía, en todos los casos, el contenido de nitrato de las hoja (Bonasia et al., 2008; Song et al., 2021). Sin embargo, cada cultivo mostró tendencias particulares. Por ejemplo, en rúcula y borraja los niveles de nitrato en hoja disminuyeron aproximadamente un 50% con la aplicación del nitrógeno amoniacal, es decir, con el ratio 34:66 (nitrato:amonio, %:%), situando estos niveles de nitrato en hoja muy por debajo del límite legal (datos no mostrados). Sin embargo, en espinaca la aplicación de este ratio apenas consiguió una reducción del 25% (Figura 2), es decir, por debajo del 34%, límite de reducción considerado aceptable para este trabajo. Estos resultados sugieren que la espinaca es un cultivo altamente dependiente del nitrato (Rivero-Marcos et al., 2024), con un fuerte carácter hiperacumulador de nitrato, incluso cuando las concentraciones de nitrato en el medio de nutrición no suponen una fuente de nitrógeno principal.

El nitrato reduce la toxicidad por amonio

La aplicación de nitrato, incluso cuando no es fuente principal de nitrógeno, tiene la capacidad de aliviar la toxicidad por amonio. Esta conclusión queda avalada por la mejora en el crecimiento del cultivo que se observó respecto a la nutrición puramente amoniacal (Figura 1), y por la reducción de los niveles del indicador de toxicidad por amonio (contenido de MG, Figura 3; Borysiuk et al., 2018).

La reducción de la toxicidad por amonio en espinaca y borraja fue significativa cuando estos cultivos fueron fertilizados con al menos un 34% del nitrógeno total en forma de nitrato, indicando que existe una regulación del flujo de carbohidratos tras la aplicación del nitrato. En el caso de la rúcula, no se observaron variaciones en el indicador de toxicidad por amonio (contenido de MG, Figura 3).

¿Es posible conseguir una alta Eficiencia en el Uso del Nitrógeno cuando la fertilización es mayoritariamente amoniacal en especies hortícolas?

La Eficiencia agronómica en el Uso del Nitrógeno o NUE agronómica se define como el nitrógeno que emplea el cultivo para crecer respecto al total de nitrógeno que se aplica con el fertilizante. En nuestro experimento, la rúcula y borraja alcanzaron su mayor NUE agronómica con la fertilización mayoritariamente amoniacal (ratio 34:66, nitrato:amonio, %:%), volviendo a sugerir que la nutrición mayoritariamente amoniacal es una práctica de fertilización factible para el cultivo de estas dos hortalizas. La espinaca, por el contrario, alcanzó su máxima NUE agronómica cuando el suministro de nitrógeno fue completamente nitrato (Figura 4), señalando, otra vez más, que se trata de una especie altamente dependiente del nitrato (Rivero-Marcos et al., 2024).

Figura 5. Tabla resumen de los resultados principales y su valoración en la espinaca, rúcula y borraja cultivadas con distintos ratios nitrato:amonio (%:%). Las bombillas verdes y rojas indican resultados aceptables o no aceptables (considerado como no aceptables las penalizaciones en biomas superiores al 10% o las reducciones en el contenido de nitrato en hoja inferiores al 34%, junto con la reducción del indicador de toxicidad por amonio), respectivamente, desde un punto de vista agronómico (columna “biomasa”), de reducción en el contenido de nitrato en hoja (columna “NO₃^-“) y/o de la disminución del compuesto metilglioxal que está asociado a la toxicidad por amonio (columna “toxicidad por NH₄⁺). Tabla creada con BioRender.com.

• La aplicación de nitrato en concentraciones muy por debajo de los niveles nutricionales (i.e. 0.5%) para una planta no tuvo ningún efecto respecto a la nutrición puramente amoniacal en ninguno de los tres cultivos.
• Se recomienda la aplicación del ratio 34:66 (nitrato:amonio, %:%) para la producción de rúcula y borraja con el fin de disminuir de manera significativa los niveles de nitrato en hoja (más de un 34%), y mejorar el rendimiento del cultivo y su NUE agronómica.
• Para cultivos con carácter altamente dependiente del nitrato, como la espinaca, no se encontró ninguna combinación nitrato:amonio que simultáneamente satisficiera los criterios agronómicos de rendimiento, alivio de la toxicidad por amonio y reducción de los niveles de nitrato en hoja. Por ello, es necesario seguir investigando en nuevas formulaciones para fertilizantes nitrogenados.
• Para producir hortalizas con alto valor añadido como, por ejemplo, hortalizas con bajos niveles de nitrato en partes comestibles, se recomienda ir hacia una fertilización individualizada que se adecúe a las necesidades y características de cada cultivo. Para ello, es imprescindible entender el funcionamiento y uso interno de cada una de las fuentes de nitrógeno en cada especie vegetal.

Agradecimientos

ACS recibe una ayuda predoctoral financiada por la Universidad Pública de Navarra y el Banco Santander e IA es beneficiaria de una ayuda del programa RyC MCIN MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y de la European Union Next Generation EU/PRTR (nº de la ayuda RYC2021-032345-I).

Este trabajo ha sido financiado por la Agencia Estatal de Investigación a través del proyecto PID2019-107463RJ-I00, por el Gobierno de Navarra a través del proyecto colaborativo HORTA0,0 PC106-107 (convocatoria 2020) y premiado por la Red de Uso Eficiente del Nitrógeno en Agricultura (RUENA) en la primera edición del Premio de Jóvenes Investigadores RUENA.

Bibliografía

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