Procuran que la agricultura sea más resiliente al cambio climático

Investigadores del MIT revelaron que están trabajando en formas de aumentar la producción de alimentos y hacer que los cultivos sobrevivivan a las sequías.

A medida que el calentamiento climático aumenta, las prácticas agrícolas tendrán que adaptarse. Es probable que las sequías se vuelvan más frecuentes y algunas tierras ya no sean cultivables. A eso hay que sumarle el desafío de alimentar a una población en constante crecimiento sin expandir la producción de fertilizantes y otros productos agroquímicos, que tienen una gran huella de carbono que contribuye al calentamiento general del planeta.

Investigadores del MIT están abordando estos desafíos desde distintos ángulos, desde el diseño de plantas que emitan una señal de alarma cuando se encuentran bajo estrés hasta lograr que las semillas sean más resistentes a la sequía. Este tipo de tecnologías, y otras que aún están por desarrollarse, serán esenciales para alimentar a la población mundial a medida que cambia el clima.

La pregunta es si las tecnologías, que después de la segunda guerra mundial han causado contaminación y poco respeto por la Tierra, y un desdén por las causas en la situación de los humanos, podrán revertir o atenuar esas consecuencias.

“Después del agua, lo primero que necesitamos es comida. En términos de prioridad, está el agua, la comida y luego todo lo demás. Como estamos tratando de encontrar nuevas estrategias para sustentar a un mundo de 10 mil millones de personas, será necesario que inventemos nuevas formas de producir alimentos”, dijo Benedetto Marelli, profesor asociado de Ingeniería civil y ambiental en el MIT.

Marelli es el director de una de las seis misiones del Proyecto Climático del MIT (Climate Project at MIT), lanzado recientemente y que se centra en áreas de investigación como la descarbonización de la industria y la construcción de ciudades resilientes. Marelli dirige la misión Wild Cards, que tiene como objetivo identificar soluciones no convencionales que implican un alto riesgo y una alta recompensa.

Marelli afirmó que, gracias a su experiencia en una amplia gama de campos, el MIT está bien posicionado para abordar los desafíos que plantea el cambio climático. “Reunir nuestras fortalezas en distintas disciplinas, como la ingeniería, el procesamiento a escala, la ingeniería biológica y la ingeniería de infraestructura, junto con las humanidades, la ciencia y la economía, representa una gran oportunidad”.

Protegiendo las semillas de la sequía

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Marelli, que comenzó su carrera como ingeniero biomédico trabajando en medicina regenerativa, ahora está desarrollando formas de aumentar el rendimiento de los cultivos ayudando a las semillas a sobrevivir y germinar durante condiciones de sequía o en suelos que han perdido nutrientes. Para lograrlo, ha ideado recubrimientos para semillas, a base de seda y otros polímeros, que pueden envolver y nutrir las semillas durante el crítico proceso de germinación.

En un suelo sano, las plantas tienen acceso al nitrógeno, los fosfatos y otros nutrientes que necesitan, muchos de los cuales son suministrados por microbios que viven en el suelo. Sin embargo, en un suelo que ha sufrido sequía o exceso de agricultura, estos nutrientes son deficientes. La idea de Marelli era recubrir las semillas con un polímero que puede incorporar bacterias que promueven el crecimiento de las plantas y que “fijan” el nitrógeno absorbiéndolo del aire y poniéndolo a disposición de las plantas. Los microbios también pueden poner a disposición de las plantas otros nutrientes necesarios.

Para la primera generación de recubrimiento de semillas, incorporó estos microbios en coberturas hechas con seda, un material que previamente había demostrado que puede extender la vida útil de varios productos, entre ellos la carne y otros alimentos. En su laboratorio en el MIT, Marelli ha demostrado que los recubrimientos de semillas pueden ayudar a las plantas en germinación a sobrevivir a la sequía, la exposición a la luz ultravioleta y la alta salinidad.

Ahora, en colaboración con investigadores de la Universidad Politécnica Mohammed VI (Mohammed VI Polytechnic University) de Marruecos, está adaptando el enfoque a los cultivos nativos de Marruecos, un país que ha experimentado seis años consecutivos de sequía debido a una caída de las precipitaciones vinculada al cambio climático.

Para estos estudios, los investigadores están utilizando un recubrimiento de biopolímero derivado de residuos alimentarios que se pueden obtener fácilmente en Marruecos, en lugar de seda.

“Estamos trabajando con las comunidades locales para extraer los biopolímeros, para intentar tener un proceso que funcione a escala y así poder fabricar materiales que funcionen en ese entorno específico”, afirmó Marelli. “Puede que se nos ocurra una idea aquí en el MIT en un entorno con muchos recursos, pero para poder trabajar allí, necesitamos hablar con las comunidades locales, con las partes interesadas locales, y utilizar su propio ingenio e intentar hacer coincidir nuestra solución con algo que realmente pueda aplicarse en el entorno local”.

Los microbios como fertilizadores ¿una superación del Haber-Bosch?

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Ya sea que estén sufriendo sequía o no, los cultivos crecen mucho mejor cuando se aplican fertilizantes sintéticos. Aunque es esencial para la mayoría de las granjas, la aplicación de fertilizantes es costosa y tiene consecuencias ambientales. La mayor parte de los fertilizantes del mundo se producen mediante el proceso Haber-Bosch, que convierte el nitrógeno y el hidrógeno en amoníaco a altas temperaturas y presiones. Este proceso de uso intensivo de energía representa aproximadamente el 1,5 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero del mundo, y el transporte necesario para entregarlo a las granjas de todo el mundo agrega aún más emisiones.

Ariel Furst, profesor Asistente de Desarrollo Profesional de Ingeniería Química Paul M. Cook en el MIT, está desarrollando una alternativa microbiana al proceso Haber-Bosch. Algunas granjas han experimentado con la aplicación de bacterias fijadoras de nitrógeno directamente a las raíces de sus cultivos, lo que ha demostrado cierto éxito. Sin embargo, los microbios son demasiado delicados para almacenarlos a largo plazo o enviarlos a cualquier parte, por lo que deben producirse en un biorreactor en la granja.

Para superar estos desafíos, Furst ha desarrollado una forma de recubrir los microbios con una capa protectora que evita que sean destruidos por el calor u otras condiciones de estrés. El recubrimiento también protege a los microbios del daño causado por la liofilización, un proceso que facilitaría su transporte.

Hierro, manganeso o zinc

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Los recubrimientos pueden variar en composición, pero todos constan de dos componentes. Uno es un metal como el hierro, el manganeso o el zinc, y el otro es un polifenol, un tipo de compuesto orgánico de origen vegetal que incluye taninos y otros antioxidantes. Estos dos componentes se autoensamblan formando una capa protectora que encapsula las bacterias.

“Estos microbios se incorporarían con las semillas, por lo que se eliminaría la necesidad de fertilizar a mitad del crecimiento. También reduce el costo y brinda más autonomía a los agricultores y disminuye las emisiones de carbono asociadas con la agricultura”, señaló Furst. “Creemos que será una forma de hacer que la agricultura sea completamente regenerativa, de modo que se recupere la salud del suelo y, al mismo tiempo, se mejoren los rendimientos de los cultivos y la densidad de nutrientes de los mismos”.

Pruebas en Brasil

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Además, Furst fundó una empresa llamada Seia Bio, que está trabajando en la comercialización de los microbios recubiertos y ha comenzado a probarlos en granjas de Brasil. En su laboratorio, Furst también está trabajando en la adaptación del enfoque para recubrir microbios que puedan capturar dióxido de carbono de la atmósfera y convertirlo en piedra caliza, lo que ayuda a elevar el pH del suelo.

“Puede ayudar a cambiar el pH del suelo para estabilizarlo, al mismo tiempo que es una forma eficaz de capturar directamente el CO2 del aire”, afirmó. “En la actualidad, los agricultores pueden transportar piedra caliza en camiones para cambiar el pH del suelo, por lo que se generan muchas emisiones al introducir algo que los microbios pueden hacer por sí solos”.

Las plantas como sensores de estrés y con ellos

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Varios años atrás, Michael Strano, profesor de Ingeniería Química de la cátedra Carbon P. Dubbs del MIT, comenzó a explorar la idea de utilizar las propias plantas como sensores que pudieran revelar cuándo están en peligro. Cuando las plantas experimentan sequía, ataques de plagas u otros tipos de estrés, producen hormonas y otras moléculas de señalización para defenderse.

Strano, cuyo laboratorio se especializa en el desarrollo de sensores diminutos para una variedad de moléculas, se preguntó si dichos sensores podrían implementarse dentro de las plantas para captar esas señales de socorro. Para crear sus sensores, el laboratorio de Strano aprovecha las propiedades especiales de los nanotubos de carbono de pared simple, que emiten luz fluorescente. Al envolver los tubos con diferentes tipos de polímeros, los sensores pueden ajustarse para detectar objetivos específicos, emitiendo una señal fluorescente cuando el objetivo está presente.

Para su uso en cultivos, Strano y sus colegas crearon sensores que podían detectar moléculas de señalización como el ácido salicílico y el peróxido de hidrógeno. Luego demostraron que estos sensores podían insertarse en la parte inferior de las hojas de las plantas, sin dañarlas. Una vez incrustados en el mesófilo de las hojas, los sensores pueden captar una variedad de señales, que pueden leerse con una cámara infrarroja.

Este tipo de sensores pueden revelar, en tiempo real, si una planta está experimentando una variedad de tipos de estrés. Hasta ahora, no había una manera de obtener esa información con la suficiente rapidez para que los agricultores pudieran actuar en consecuencia.

Gran parte del trabajo de Strano en esta área se ha llevado a cabo con el apoyo del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) y como parte del programa Tecnologías disruptivas y sostenibles para la precisión agrícola (DiSTAP) de la Alianza Singapur-MIT para la investigación y la tecnología (SMART), y se han implementado sensores en pruebas en cultivos en una granja de ambiente controlado en Singapur llamada Growy.

“Los mismos tipos básicos de herramientas pueden ayudar a detectar problemas en la agricultura a campo abierto o en la agricultura en ambiente controlado”, detalló Strano. “Ambas sufren el mismo problema, que es que los agricultores obtienen la información demasiado tarde para evitar pérdidas de rendimiento”.

Reducción del uso de pesticidas

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Los pesticidas representan otro gasto financiero enorme para los agricultores: en todo el mundo, los agricultores gastan unos 60.000 millones de dólares al año en pesticidas. Gran parte de estos pesticidas acaban acumulándose en el agua y el suelo, donde pueden dañar a muchas especies, incluidos los seres humanos. Pero, sin el uso de pesticidas, los agricultores pueden perder más de la mitad de sus cultivos, señaló el informe del MIT.

Kripa Varanasi, profesor de Ingeniería Mecánica del MIT, está trabajando en herramientas que pueden ayudar a los agricultores a medir la cantidad de pesticidas que llegan a sus plantas, así como en tecnologías que pueden ayudar a que los pesticidas se adhieran a las plantas de manera más eficiente, reduciendo la cantidad que se escurre hacia el suelo y el agua.

Varanasi, cuya investigación se centra en las interacciones entre las gotas de líquido y las superficies, comenzó a pensar en aplicar su trabajo a la agricultura hace más de una década, después de asistir a una conferencia en el USDA. Allí, se sintió inspirado para comenzar a desarrollar formas de mejorar la eficiencia de la aplicación de pesticidas mediante la optimización de las interacciones que ocurren en las superficies de las hojas.

“Se rocían miles de millones de gotas de pesticidas en cada acre de cultivo, y solo una pequeña fracción llega al objetivo y permanece allí. Me pareció un problema que podríamos ayudar a resolver”, indicó Varanasi.

El ingeniero mecánico y sus estudiantes comenzaron a explorar estrategias para hacer que las gotas de pesticida se adhieran mejor a las hojas, en lugar de rebotar. Descubrieron que si agregaban polímeros con cargas positivas y negativas, las gotas con cargas opuestas formarían una capa hidrófila (que atrae el agua) en la superficie de la hoja, lo que ayuda a que las siguientes gotas aplicadas se adhieran a la hoja.

Más tarde, desarrollaron una tecnología más fácil de usar en la que se agrega un surfactante al pesticida antes de rociarlo. Cuando esta mezcla se rocía a través de una boquilla especial, forma pequeñas gotas que quedan “envueltas” en surfactante. El surfactante ayuda a que las gotas se adhieran a las hojas en unos pocos milisegundos, sin rebotar.

En 2020, Varanasi y Vishnu Jayaprakash SM ‘19, PhD ‘22 fundaron una empresa llamada AgZen para comercializar sus tecnologías y ponerlas en manos de los agricultores. Incorporaron sus ideas para mejorar la adhesión de pesticidas en un producto llamado EnhanceCoverage.

Durante las pruebas de este producto, se dieron cuenta de que no había ninguna forma adecuada de medir cuántas gotas de pesticida se quedaban en la planta. Eso los llevó a desarrollar un producto conocido como RealCoverage, que se basa en la visión artificial. Se puede conectar a cualquier pulverizador de pesticidas y ofrece información en tiempo real sobre qué porcentaje de las gotas de pesticida se adhieren y permanecen en cada hoja.

RealCoverage se utilizó en 65.000 acres de tierras agrícolas en todo Estados Unidos en 2024, desde soja en Iowa hasta algodón en Georgia. Los agricultores que utilizaron el producto pudieron reducir el uso de pesticidas entre un 30 y un 50 por ciento, utilizando los datos para optimizar la aplicación y, en algunos casos, incluso cambiar los productos químicos que se rociaban.

Se aguarda que el producto EnhanceCoverage esté disponible en 2025, ayude a los agricultores a reducir aún más el uso de pesticidas.

“Nuestra misión aquí es ayudar a los agricultores a ahorrar y a la vez ayudarlos a lograr mejores rendimientos. Hemos encontrado una manera de hacer todo esto y al mismo tiempo reducir los desechos y la cantidad de productos químicos que arrojamos a la atmósfera, a los suelos y al agua”, dice Varanasi. “Este es el enfoque del MIT: determinar cuáles son los problemas reales y cómo encontrar soluciones. Ahora tenemos una herramienta y espero que se implemente en todas partes y que todos se beneficien de ella”.

Importante

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• El artículo Making agriculture more resilient to climate change, con la firma de Anne Trafton fue publicado en MIT News