Por: Claire Asher
- -La agricultura y los alimentos representan un tercio de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, lo que hace que estos sectores sean críticos en los esfuerzos para abordar nuestro actual rebasamiento del límite climático planetario. También están teniendo profundos impactos en el agua dulce, la biodiversidad y los ciclos biogeoquímicos.
- -Las tecnologías nuevas y emergentes podrían allanar el camino hacia una agricultura con cero emisiones netas en las próximas dos décadas, utilizando robótica, vehículos eléctricos, variedades mejoradas de cultivos y monitoreo distribuido, según un nuevo estudio.
- -Un segundo estudio informa que el cultivo de proteínas microbianas impulsado por paneles solares podría lograr un rendimiento de proteínas hasta 10 veces mayor por unidad de tierra que los cultivos básicos como la soja, lo que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero de la conversión de tierras y los fertilizantes sintéticos.
- -Un tercer informe muestra que Europa podría alimentar a una población proyectada de 600 millones para 2050 solo con agricultura orgánica, reduciendo el consumo de productos animales a alrededor del 30% de nuestra dieta, implementando rotaciones de cultivos y reconectando el ganado y los sistemas de cultivo mediante el uso de estiércol.
Las tecnologías nuevas y emergentes podrían allanar el camino hacia una agricultura con cero emisiones netas de carbono en las próximas dos décadas, según un estudio publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) el mes pasado.
Una gran cantidad de tecnologías agrícolas nuevas y emergentes yacen en el horizonte que podrían revolucionar la forma en que pensamos sobre la producción de alimentos, pero un informe separado publicado en la revista One Earth sugiere que las soluciones de baja tecnología podrían ser igual de efectivas.
La agricultura y la producción de alimentos representan el 34% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, lo que hace que estos sectores sean críticos en los esfuerzos para abordar nuestro actual rebasamiento del límite climático planetario. También están teniendo profundos impactos en el agua dulce, la biodiversidad y el ciclo de nutrientes del nitrógeno y el fósforo, cada uno de ellos límites planetarios que debemos equilibrar si queremos mantener las condiciones habitables en la Tierra para las generaciones venideras.
Sin embargo, dentro del problema agroalimentario puede haber una oportunidad de oro para las soluciones climáticas: eso se debe a que la productividad y, en última instancia, la rentabilidad de los sistemas agroalimentarios se basan en la fotosíntesis, un proceso que elimina el CO2 de la atmósfera y nuestras tierras agrícolas. tienen un enorme potencial para convertirse en un sumidero neto de carbono y contribuir positivamente a abordar la emergencia climática.
En un artículo de perspectiva para PNAS, Daniel Northrup y sus colegas compararon las emisiones de gases de efecto invernadero proyectadas de diferentes tecnologías agroalimentarias con las emisiones actuales del cultivo de maíz.
Descubrieron que una combinación de tecnologías novedosas, incluida la agricultura digital, la genética de cultivos y los vehículos eléctricos, implementada como parte de una transición de tres fases podría lograr una reducción del 71 % en las emisiones de gases de efecto invernadero de la agricultura de cultivos en hileras en los próximos 15 años. Al mismo tiempo, estas prácticas tienen como objetivo construir reservas de carbono en el suelo, lo que podría allanar el camino para las emisiones negativas netas del sector.
La primera fase optimizaría la tecnología agroalimentaria actual empleando la agricultura digital para reducir la cantidad de fertilizante nitrogenado utilizado en los cultivos aplicando cantidades más pequeñas con mayor precisión, un método que podría reducir las emisiones en un 23%.
A continuación, las tecnologías existentes se reemplazarían con equivalentes de bajas emisiones, incluidos métodos ecológicos para sintetizar fertilizantes y el reemplazo de equipos agrícolas que funcionan con combustibles fósiles con equivalentes eléctricos operados por energías renovables. Este paso podría incluir la reproducción selectiva o la ingeniería genética para ciertas características de los cultivos, como una mejor absorción de nitrógeno a través de las raíces de las plantas.
La agricultura de precisión podría reducir las emisiones en un 71% y ayudar a construir reservas de carbono en el suelo.
El paso final en la transición a la tecnología agrícola implicaría un rediseño completo del sistema agrícola, haciendo uso de enjambres de pequeños robots agrícolas para practicar la agricultura de precisión automatizada con variedades de cultivos de alto rendimiento, guiados por sensores distribuidos. Un sistema agrícola avanzado como este podría reducir las emisiones de carbono en más de 1.700 kilogramos por hectárea, según el estudio.
“El informe se centró en uno de los sistemas de cultivo más comunes del planeta, el maíz de alta intensidad, y elaboró un camino para descarbonizar drásticamente”, explicó Northrup.
Argumentó que las soluciones de alta tecnología pueden acelerar la transición de la humanidad hacia cultivos más sostenibles que mantengan servicios ecosistémicos vitales como el secuestro de carbono y la filtración de agua. “Debido a que estas herramientas pueden operar cómodamente dentro de los mercados agrícolas actuales, son un excelente lugar para generar confianza y converger en soluciones [agrícolas] sostenibles”, dijo.
Las soluciones de alta tecnología pueden acelerar la transición de la humanidad hacia cultivos más sostenibles que mantengan servicios ecosistémicos vitales como la captura de carbono y la filtración de agua.
Soluciones de descarbonización de ganado
Pero los cultivos cuentan solo la mitad de la historia, definen la mitad del problema y la mitad de la solución: el 50 % de las emisiones agrícolas provienen de la producción animal, y las nuevas tecnologías también pueden ayudar aquí.
En un estudio separado, también publicado en la revista PNAS, un equipo dirigido por Arren Bar-Even en el Instituto Max Planck de Fisiología Molecular de Plantas en Alemania investigó cómo se podría usar la proteína microbiana para reducir la huella ambiental de la producción de carne y ofrecer una alimentación saludable, proteína vegana sostenible para el consumo humano al mismo tiempo.
Los microbios se han cultivado para la producción de proteínas tanto para piensos como para alimentos desde la Primera Guerra Mundial, y un renacimiento reciente en el campo ha visto a muchas empresas desarrollar sistemas microbianos para producir esta “proteína unicelular” (SCP) como fuente de alimentación animal, alimentos para peces y productos alimenticios comerciales. Por lo general, las empresas usan metano o azúcares cultivados en agricultura para cultivar bacterias destinadas a piensos y alimentos, pero la producción de ambos sustratos está asociada con los impactos ambientales que los acompañan.
Sin embargo, el nuevo estudio encontró que esos impactos podrían evitarse mediante el cultivo de proteínas unicelulares alimentado por paneles solares. Esta nueva tecnología, denominada proteína unicelular fotovoltaica (PV-SCP, por sus siglas en inglés), podría lograr un rendimiento de proteína por unidad de tierra hasta 10 veces mayor que los cultivos básicos como la soja, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero de la conversión de tierras y los fertilizantes sintéticos.
“La ingeniería [y] la electroquímica son muy buenas en ciertas cosas, y la biología es muy buena en otras, y si tomamos lo mejor de ambas, podemos desbloquear nuevas posibilidades que no estaban disponibles antes”, dijo el autor principal del estudio, Dorian Leger, ahora un pasante en la Agencia Espacial Europea.
El proceso funciona así: la electricidad de una granja solar se canaliza a una unidad electroquímica, que utiliza el CO2 capturado de la atmósfera para producir un medio de crecimiento rico en energía para la proteína microbiana, que luego puede convertirse en alimento para animales o purificarse aún más como una proteína comestible para una variedad de alimentos humanos. La proteína resultante es altamente nutritiva y cumple con las recomendaciones de la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) para una composición saludable de aminoácidos, además de ser rica en vitaminas B.
El equipo modeló la eficiencia energética de PV-SCP en comparación con los cultivos básicos y descubrió que la técnica podría generar 1,2 kg de proteína por metro cuadrado de tierra por año, 10 veces más que la alternativa de cultivo de mayor rendimiento, la soja, que produce 0,115 kg. de proteína por metro cuadrado por año en promedio.
La rápida implementación de esta tecnología podría potencialmente significar la salvación de la selva amazónica y la sabana del Cerrado en Brasil, donde anualmente se están convirtiendo vastas áreas de vegetación nativa para la soja.
“Para decirl suavemente, la maquinaria fotosintética de las plantas es alucinantemente impresionante, pero no estoy tan sorprendido de que los sistemas de ingeniería humana puedan superarlos desde el punto de vista de la eficiencia energética”, dijo Leger.
Los microbios pueden dirigir la mayor parte de su energía a la producción de proteínas, mientras que las plantas de cultivo, como la soja, deben invertir energía adicional en los sistemas de raíces, hojas y otros componentes no comestibles, explicó. SCP también elude una importante compensación que enfrentan las plantas entre la fotosíntesis y la pérdida de agua, porque los microbios pueden crecer en tanques cerrados donde casi no se pierde agua debido a la evaporación. Entonces, el proceso protege otro límite planetario: nuestros sistemas de agua dulce.
Nuevo enfoque en técnicas agrícolas antiguas y de baja tecnología.
A pesar de una gran cantidad de entusiasmo, investigación e inversión en nuevas tecnologías agrícolas, algunos expertos dicen que se podría lograr el mismo objetivo final con las soluciones existentes de baja tecnología. La clave: cerrar el ciclo del nitrógeno agrícola.
Otro nuevo estudio, publicado en la revista One Earth, informa que, al implementar tres principios simples, Europa podría alimentar a su creciente población, dejar de depender de los alimentos importados y lograr una reducción sustancial en las emisiones de gases de efecto invernadero.
Los tres principios: reducir el consumo humano de productos animales, implementar sistemas de rotación de cultivos orgánicos y reconectar el ganado y los sistemas de cultivo a través del estiércol.
“La sorpresa es que, con la agricultura orgánica, sin fertilizantes sintéticos, simplemente reconectando el ganado y adaptando nuestra dieta a los estándares de salud, podemos alimentar a todos”, dijo el autor principal del estudio, Gilles Billen, biogeoquímico y director de investigación emérito de la Universidad Francesa. Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS por sus siglas en francés) en París.
Los investigadores calculan que los sistemas de rotación de cultivos apropiados para la región, que vinculan directamente los cultivos con la ganadería, podrían satisfacer las necesidades de proteínas de 600 millones de europeos en 2050, cuando se espera que la población alcance su punto máximo.
“Al hacer uso de las leguminosas, esas plantas capaces de fijar el nitrógeno atmosférico en proteínas en sus raíces, como cabeza de las rotaciones de cultivos, puedes traer mucho nitrógeno de forma natural al suelo”, dijo Billen. Diversas rotaciones de cultivos como estas también reducen las plagas y enfermedades que prosperan en las condiciones uniformes de los monocultivos agrícolas, reduciendo o eliminando así la necesidad de pesticidas, abordando otro límite planetario, contaminando entidades novedosas.
Se trata de nitrógeno
En lugar de depender de la nueva tecnología, el escenario de Billen vería un retorno a los principios agrícolas que eran comunes hace apenas un siglo, pero que ahora se verían impulsados por los modernos conocimientos agroecológicos.
En ese entonces, Europa estaba dominada por granjas mixtas de cultivos y ganadería, que reciclaban el estiércol del ganado para fertilizar una diversa rotación de cultivos, incluidas las leguminosas fijadoras de nitrógeno como el trébol y la alfalfa. Esas viejas formas fueron destruidas por el descubrimiento del proceso químico Haber-Bosch en 1909, que utiliza altas presiones y temperaturas para extraer nitrógeno de la atmósfera, una tecnología que revolucionó la agricultura al hacer que los fertilizantes sintéticos baratos estuvieran disponibles.
Para 2015, el proceso Haber-Bosch estaba alimentando a aproximadamente el 44 % de la población mundial. El problema: por cada tonelada de nitrógeno extraído, Haber-Bosch utiliza una tonelada de combustibles fósiles y libera 1,87 toneladas de CO2. Este único proceso industrial es responsable de aproximadamente el 1,2 % de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero.
La ironía es que, después de gastar tanta energía para procesar ese nitrógeno, gran parte nunca llega a nuestros cultivos.
“La interfaz planta-suelo es muy ineficiente en términos de cómo trata el nitrógeno; solo el 50% del nitrógeno que aplicamos como fertilizante va a parar a nuestros alimentos”, explicó Leger.
El resto se convierte en contaminación: se arrastra a las vías fluviales donde puede causar la proliferación de algas nocivas o se libera del suelo a la atmósfera. Aquí, actúa como un potente gas de efecto invernadero, con 265 veces el potencial de calentamiento climático del CO2. De hecho, el abuso del ciclo del nitrógeno por parte de la humanidad ya ha resultado en uno de nuestros peores rebasamientos de un límite planetario.
“Aunque a menudo se pasa por alto, nuestra influencia en el ciclo del nitrógeno es mucho mayor que la que tenemos en el ciclo del carbono, y esto depende en gran medida de cómo producimos nuestros alimentos”, dijo Silvio Matassa, investigador postdoctoral de la Universidad de Nápoles en Italia y coautor del estudio PV-SCP.
“Una de las consecuencias más terribles de la generalización del uso de fertilizantes nitrogenados sintéticos de Haber-Bosch es el hecho de que permitió desconectar por completo el cultivo de cereales y la ganadería”, dijo Billen. A medida que aumentaba la producción, los agricultores de las regiones más fértiles se centraron en cultivar cultivos de cereales altamente productivos, empujando la ganadería a las regiones menos fértiles y donde se hizo necesario importar pienso.
“Esa [especialización agrícola] conduce a un mal funcionamiento terrible [porque] no eres capaz de cerrar los ciclos biogeoquímicos”, explicó.
Al vincular estrechamente el cultivo de ganado y cultivos en el escenario de 2050 del estudio de modelado, Billen y sus colegas pudieron reducir drásticamente la dependencia de los fertilizantes nitrogenados sintéticos en favor del estiércol y las legumbres, lo que resultó en una reducción del 57 % en las emisiones de nitrógeno.
Otras fuentes de nitrógeno residual también podrían redirigirse hacia la agricultura. Por ejemplo, las plantas de purificación de aguas residuales están legalmente obligadas a eliminar el nitrógeno para evitar que entre en arroyos y ríos; una vez extraído, se libera a la atmósfera como nitrógeno y óxido nitroso, un gas de efecto invernadero.
“Eso es completamente loco, por supuesto, porque es el mismo nitrógeno; puede reutilizarlo todo el tiempo que desee mediante sistemas simples y no necesita este aporte energético y puede evitar las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas”, dijo Billen. “Es por eso que era completamente obvio para nosotros integrar [el reciclaje de nitrógeno de aguas residuales] en nuestro escenario”.
Reutilizar el nitrógeno filtrado de las aguas residuales domésticas en el sistema agrícola industrial podría ser beneficioso para todos desde el punto de vista ambiental y económico, ahorrando aproximadamente 2 toneladas de combustible fósil por cada tonelada de nitrógeno reciclado.
Cambiando las dietas, cambiando el mundo
Los expertos entrevistados para este artículo están de acuerdo en que una reducción en el dominio de los productos animales en las dietas occidentales es un cambio necesario si queremos alimentar a una población mundial en crecimiento con una dieta saludable, sostenible y equitativa.
La proporción de proteína animal en las dietas europeas aumentó del 35 % en 1961 al 55 % en 2013, pero la ciencia nutricional sugiere que revertir esta tendencia tendría importantes beneficios para la salud. Por ejemplo, la Comisión EAT-Lancet sobre dietas saludables de sistemas alimentarios sostenibles recomienda una dieta de referencia que contenga un 33 % de proteína animal. El escenario de Billen utiliza una dieta compuesta por un 30% de proteína animal, con el resto de los requerimientos humanos cubiertos por cereales, frutas y verduras, y leguminosas de grano como frijoles, garbanzos y lentejas.
“No se puede esperar [alimentar] a toda la población mundial [en] 2050 con una dieta tan rica en proteínas animales como lo es [hoy en] Europa o Estados Unidos”, dijo Billen. “Entre 30 y 40 % [proteína animal] es el máximo permitido como lo que yo llamo una dieta equitativa, una dieta que puede ser compartida por todas las poblaciones del mundo”, explicó.
“No me opongo a la ganadería, ni creo que debamos aspirar a eliminar toda la ganadería, pero probablemente debamos lograr un equilibrio más delicado que el que hemos hecho hasta ahora en Occidente”, coincidió Leger.
Actualmente, “30-40% de toda la tierra se utiliza para la agricultura y, sin embargo, hay algo así como 800 millones de personas, una de cada 10 personas, que están desnutridas”, señaló. “Aunque estamos proyectando que habrá problemas en el sistema alimentario en el futuro, claramente ya existen limitaciones a lo que podemos lograr [ahora] y, a pesar de estas limitaciones, ya tiene una enorme carga ambiental, por lo que debemos hacer algo.”
Las soluciones de alta y baja tecnología a menudo se consideran por separado, pero la integración de estos enfoques podría ser la ruta más rápida hacia la sostenibilidad agrícola y la reducción de las emisiones de carbono. Imagine un sistema agrícola futuro que combine la agricultura digital (como el monitoreo automático de cultivos y la aplicación robótica de fertilizantes), con prácticas regenerativas (como la rotación de cultivos basada en leguminosas y sistemas mixtos de cultivo y ganado), todo ello complementado con proteínas microbianas impulsadas por energías renovables.
“Me parecería genial si PV-SCP pudiera integrarse en las tierras de cultivo, de modo que pudiera funcionar en conjunto con los cultivos [y] con la naturaleza, de modo que comparta la tierra con insectos, animales y plantas”, dijo Leger.
Ya es hora de un cambio de paradigma agroalimentario
Repensar el sistema alimentario global es esencial si queremos cumplir con el objetivo del Acuerdo de París de limitar las temperaturas promedio globales a un aumento de 1,5 a 2 ° Celsius (2,7 a 3,6 ° Fahrenheit) por encima de los niveles preindustriales. Un hecho aleccionador: las tendencias actuales en las emisiones de gases de efecto invernadero producidas por nuestro sistema agroalimentario global sin cambios son suficientes para hacer estallar todo el presupuesto de carbono de la humanidad antes de 2063.
Con un siglo de inversión en el sistema agrícola industrial actual, no será fácil cambiar radicalmente de rumbo, pero “hay momentos en la historia en los que te obligan a cambiar de paradigma y eso es urgente ahora por la urgencia climática y la pérdida de biodiversidad”, dijo Billen. Afortunadamente, él cree que la marea de la opinión está comenzando a cambiar y concluye: “Soy un tipo optimista”.
Citas:
Northrup, D. L., Basso, B., Wang, M. Q., Morgan, C. L., & Benfey, P. N. (2021). Novel technologies for emission reduction complement conservation agriculture to achieve negative emissions from row-crop production. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(28). doi: 10.1073/pnas.2022666118
Leger, D., Matassa, S., Noor, E., Shepon, A., Milo, R., & Bar-Even, A. (2021). Photovoltaic-driven microbial protein production can use land and sunlight more efficiently than conventional crops. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(26). doi: 10.1073/pnas.2015025118
Billen, G., Aguilera, E., Einarsson, R., Garnier, J., Gingrich, S., Grizzetti, B., … & Sanz-Cobena, A. (2021). Reshaping the European agro-food system and closing its nitrogen cycle: The potential of combining dietary change, agroecology, and circularity. One Earth, 4(6), 839-850. doi: 10.1016/j.oneear.2021.05.008
