Aire, electricidad e insectos: ¿una nueva fórmula para la nutrición vegetal?

Por Pamela Andrade, Universidad de California, Davis

Los productores de invernaderos y viveros operan bajo una presión constante para entregar plantas uniformes y de alta calidad en programas de producción predecibles. Ya sea que produzcan plantas de temporada, ornamentales o trasplantes de hortalizas, los cultivadores dependen de insumos confiables, especialmente sustratos de cultivo y fertilizantes nitrogenados, para mantener el rendimiento de los cultivos. Sin embargo, en los últimos años, ambos insumos fundamentales han sido objeto de un creciente escrutinio debido a preocupaciones ambientales, costos en aumento y vulnerabilidad en la cadena de suministro.

El nitrógeno sigue siendo el principal motor de la productividad vegetal en los sistemas hortícolas. Un suministro adecuado de nitrógeno favorece el crecimiento vegetativo, el desarrollo del dosel y la calidad general de las plantas. Sin embargo, el sistema mundial de fertilizantes nitrogenados consume mucha energía y es vulnerable a las interrupciones. La mayoría de los fertilizantes nitrogenados sintéticos se producen mediante el proceso de Haber-Bosch, que convierte el nitrógeno atmosférico en amoníaco a altas temperaturas y presión (Figura 1). Esta tecnología transformó la agricultura en el siglo XX, pero también requiere un consumo energético considerable. En la actualidad, la producción de amoníaco representa aproximadamente 11% del consumo total de energía en la industria química mundial y entre 1 y 2% de la demanda energética total a nivel mundial [1–3].

Figura 1. Diagrama de flujo de la producción convencional de fertilizantes nitrogenados a base de fósiles. Reproducido de Andrade et al., 2025.

La producción mundial de amoníaco también se concentra geográficamente. China produce aproximadamente 26% del suministro mundial de amoníaco, y Rusia más de 10%, mientras que Estados Unidos sigue importando alrededor de 12% de su amoníaco. [4,5]. Las recientes perturbaciones, incluida la pandemia de COVID-19, los conflictos geopolíticos y los desastres naturales, han puesto de relieve la vulnerabilidad de los sistemas agrícolas que dependen en gran medida de la producción centralizada de fertilizantes y de las cadenas de suministro mundiales. [5].

Incluso cuando hay fertilizante disponible, las plantas no absorben una parte considerable del mismo. Los estudios estiman que hasta un 50% del fertilizante nitrogenado aplicado puede perderse en el medio ambiente a través de la lixiviación, la volatilización o la escorrentía. En los sistemas de producción en invernadero y en macetas, estas pérdidas pueden verse amplificadas porque los sustratos tienen una capacidad limitada para retener nutrientes y el riego se aplica con frecuencia. [6]. Como resultado, el nitrógeno puede moverse rápidamente a través de la zona radical antes de que las plantas puedan utilizarlo por completo.

Estas ineficiencias representan tanto un desafío económico como ambiental. Las pérdidas de fertilizantes aumentan los costos de producción y, al mismo tiempo, contribuyen a la lixiviación rica en nutrientes, que recibe cada vez más atención regulatoria en muchas regiones.

Al mismo tiempo, los sustratos de cultivo utilizados en toda la industria hortícola también se enfrentan a un escrutinio cada vez mayor. Durante décadas, la turba ha sido el componente principal de los sustratos para invernadero debido a sus propiedades deseables. La turba ofrece una gran capacidad de retención de agua, buena aireación, baja densidad aparente y una estabilidad química favorable, características que favorecen un crecimiento vegetal uniforme en una amplia gama de cultivos. [7].

A escala mundial, se extraen cada año unos 30 millones de metros cúbicos de turba, y aproximadamente la mitad de ese volumen se utiliza en medios de cultivo hortícolas. Sin embargo, las turberas son también sistemas ecológicos importantes que funcionan como reservas de carbono a largo plazo y hábitats únicos para la biodiversidad. [7]. Debido a que la turba se acumula extremadamente despacio, a menudo a lo largo de miles de años, su extracción se considera cada vez más el uso de un recurso no renovable [7]. Estas preocupaciones han llevado a investigadores, reguladores y grupos industriales a explorar estrategias que mantengan el rendimiento del sustrato al tiempo que reducen los impactos ambientales.

Juntos, estos dos desafíos, la eficiencia del nitrógeno y la sostenibilidad del sustrato, están alentando a la industria hortícola a explorar nuevos enfoques para la gestión de nutrientes.

Una oportunidad emergente proviene de una fuente inesperada: la industria de producción de insectos, que se está expandiendo rápidamente. Insectos como los gusanos de la harina se crían masivamente cada vez más para su uso en la alimentación animal y la producción de proteínas alternativas, debido a que convierten eficientemente materiales orgánicos de bajo valor en biomasa rica en proteínas. A medida que esta industria crece, también genera cantidades significativas de subproductos. [8].

Dos de los subproductos más abundantes son el frass, el estiércol producido por los insectos, y las exuvias, los exoesqueletos mudados durante el crecimiento de los insectosFigura 2) [8,9]. En los sistemas de producción comercial de gusanos de la harina, los excrementos pueden acumularse en cantidades que llegan a ser hasta 40 veces superiores a la biomasa de los propios insectos. Este material suele contener entre un 3 y un 5% de nitrógeno y aproximadamente un 70% de materia orgánica, lo que sugiere un gran potencial como fuente de nutrientes en sustratos hortícolas [10].

Figura 2. Ilustración de subproductos del cultivo de gusanos de la harina

Las exuvias representan otro recurso infrautilizado. Estos exoesqueletos mudados contienen quitina, el segundo polímero natural más abundante en la Tierra después de la celulosa. La quitina y sus derivados se han asociado con una mayor actividad microbiana en los suelos, una liberación gradual de nutrientes y la estimulación del crecimiento vegetal. En varios sistemas, los materiales a base de quitina se han relacionado con un aumento de la biomasa vegetal, una mejor absorción de nutrientes y una mayor resiliencia de las plantas a través de interacciones con microorganismos beneficiosos en la zona radicular [11,12].

A pesar de este potencial, los materiales derivados de insectos siguen estando en gran medida inexplorados en los sustratos para invernaderos utilizados en la floricultura y la producción en viveros.

Al mismo tiempo, los avances en la tecnología del plasma han introducido otra herramienta emergente para la gestión de nutrientes conocida como agua activada por plasma (PAW). El PAW se genera cuando se aplica energía eléctrica a un gas en condiciones atmosféricas, creando un plasma parcialmente ionizado que produce especies reactivas de oxígeno y nitrógeno de corta duración (Figura 3). Cuando estos compuestos se disuelven en agua, pueden formar compuestos de nitrógeno disponibles para las plantas, como nitrato y nitrito.

Figura 3. Formación de componentes de agua activada por plasma (PAW) mediante plasma de chorro. (A) Colisiones entre electrones y moléculas en el haz de plasma, el aire ambiental sirve como gas de entrada. (B) Interfaz gas-líquido, donde el plasma interactúa con el agua, generando especies reactivas de oxígeno y nitrógeno. Reproducido de Andrade et al., 2025.

Una ventaja importante del PAW es que se puede producir localmente utilizando electricidad, incluyendo potencialmente fuentes de energía renovable. [13]. Esto significa que el agua de riego que contiene nitrógeno podría generarse directamente dentro de sistemas de producción de ambiente controlado en lugar de depender por completo de fertilizantes fabricados externamente [1]. Los primeros estudios sugieren que los compuestos reactivos presentes en el agua activada por plasma (PAW) también pueden influir en los procesos fisiológicos de las plantas relacionados con el crecimiento, la absorción de nutrientes y la respuesta al estrés (Figura 4) [13–15].

Figura 4. Comparación de los beneficios de la aplicación de agua activada por plasma (PAW) en la producción de cultivos. (A) Presencia de patógenos en plantas no tratadas. (B) Infestación de plagas en plantas no tratadas, con una reducción en las poblaciones de plagas en plantas tratadas con PAW, atribuida al aumento de la densidad de tricomas. (C) El PAW como potenciador de fertilizantes, promoviendo el crecimiento de las plantas y la salud general. Reproducido de Andrade et al., 2025.

En 2025, nuestro equipo de investigación publicó una revisión exhaustiva que examina el papel del agua activada por plasma en la agricultura de ambiente controlado. El artículo resume el volumen de investigación en rápida expansión que explora cómo esta tecnología puede apoyar el crecimiento de las plantas y la gestión de nutrientes en sistemas de invernadero [1]. Desde su publicación, la revisión ha recibido más de 6000 visitas y 8 citas, lo que refleja un creciente interés científico en este enfoque emergente. Para los lectores interesados en una visión general más profunda de la ciencia y las aplicaciones potenciales del agua activada por plasma (PAW), la revisión ofrece un punto de partida detallado y accesible. En nuestro sitio web también se puede encontrar información adicional sobre los diferentes tipos de investigación que realizamos (https://chrnansen.wixsite.com/nansen2/cold-plasma-1).

Nuestro grupo también ya ha entregado y publicado información adicional sobre el papel de PAW en la producción florícola y cómo el fertilizante está en el aire que respiramos. La cual se puede encontrar aquí:

Nansen C. 2025. Agua activada por plasma (PAW) para la producción florícola. Seminario virtual invitado en la Serie Grow Pro 2025 (https://endowment.org/growpro/). American Floral Endowment. 22 de julio^nd, 2025. Video de YouTube: https://youtu.be/EC34O1ASm3Q
Nansen C, 2025. El fertilizante nitrogenado necesario para cultivar cosechas está en el aire que respiramos. Boletín de la American Floral Endowment – Dic 2025 (https://endowment.org/news/the-nitrogen-fertilizer-needed-to-grow-crops-is-in-the-air-we-breathe)

El interés del sector también parece estar aumentando. En una reciente encuesta nacional realizada a 82 productores de invernaderos y viveros comerciales, se preguntó a los agricultores sobre su conocimiento e interés por la tecnología PAW. Los resultados fueron alentadores: el 78% de los encuestados afirmó estar interesado en obtener más información sobre la tecnología PAW, y el 55% indicó que estaría dispuesto a probarla en sus propios sistemas de producción. [16]. Estas respuestas sugieren que los productores buscan activamente herramientas innovadoras que puedan mejorar la gestión de nutrientes y la sostenibilidad en la producción hortícola.

Al mismo tiempo, hemos estado explorando el potencial de las enmiendas del suelo derivadas de insectos, que están disponibles cada vez más como subproductos de la industria de la cría de insectos, en rápida expansión. En una serie de ensayos en invernadero, evaluamos varios materiales a base de quitina, incluida la quitina, el quitosano y las exuvias de gusano de la harina (Figura 5).

Figura 5. Efectos de las enmiendas derivadas de quitina en el rendimiento de los trasplantes de tomate. (A) Área de biomasa a lo largo del tiempo para las plántulas. (B) Peso seco final de la parte aérea. (C–E) Imágenes representativas de bandejas de invernadero que comparan plántulas de control no tratadas con (C) quitina, (D) quitosano y (E) enmienda de exuvias de gusano de la harina.

A lo largo del experimento, las exuvias de gusano de la harina produjeron consistentemente un mayor crecimiento vegetal en comparación con los otros materiales probados, particularmente en las mediciones relacionadas con la biomasa. Estos ensayos también permitieron a nuestro equipo perfeccionar aspectos prácticos del proceso de investigación, incluidos los métodos de incorporación de enmiendas, los flujos de trabajo de sensores ópticos y los protocolos experimentales de invernadero.

En el futuro, planeamos seguir utilizando tecnologías de detección óptica como la imagen roja-verde-azul (RGB) y la hiperespectral para monitorear el crecimiento y la salud de las plantas sin dañarlas. Estas herramientas nos permiten detectar cambios sutiles en el color y la estructura de las plantas que a menudo están relacionados con el estado nutricional, la fotosíntesis y el rendimiento general. Con la imagen RGB, podemos aislar el tejido vegetal del fondo mediante la aplicación de umbrales basados en el verde, convirtiendo la imagen en un resultado dicotómico que separa los píxeles de planta de los píxeles que no son planta (Figura 6). Al utilizar esta máscara binaria, podemos traducir estos píxeles en áreas físicas utilizando una escala calibrada, y podemos estimar la biomasa de las plantas de forma rápida y objetiva. Si bien los doseles densos o las hojas superpuestas a veces pueden ocultar el tejido vegetal y provocar una ligera subestimación, este enfoque sigue siendo una forma automatizada, no destructiva y altamente repetible de rastrear el crecimiento de las plantas y respaldar la gestión de cultivos basada en datos.

Figura 6. Ejemplo de procesamiento de imágenes RGB utilizado para cuantificar el crecimiento vegetal.

Estas herramientas emergentes apuntan hacia un futuro en el que los sistemas de producción en invernadero se vuelven más eficientes, resilientes y conscientes de los recursos. Al combinar fuentes de nitrógeno generadas localmente, como el agua activada por plasma (PAW), con subproductos de insectos ricos en nutrientes, los cultivadores podrían reducir la dependencia de los fertilizantes convencionales manteniendo al mismo tiempo un fuerte rendimiento de las plantas. Al mismo tiempo, las nuevas tecnologías de sensores permiten a los investigadores y productores monitorear las respuestas de las plantas con una precisión sin precedentes. Estos avances ponen de relieve cómo la innovación en múltiples campos, desde la cría de insectos hasta la física del plasma y la agricultura digital, puede converger para abordar desafíos reales en la horticultura. A medida que la investigación continúa, nuestra investigación aplicada sobre el PAW y nuestro sitio web se actualizan regularmente a medida que desarrollamos nuevos resultados. Agradecemos recibir subvenciones de financiación del USDA/Programa Multi-Estado de Cultivos Especiales, NIFA/ORG, USDA/ARS Floricultura, Iniciativa de Investigación de Viveros, Investigación y Extensión en Agricultura Sostenible del Oeste (WSARE) y la Fundación Floral Americana.

Referencias

1. Andrade, P.E.; Savi, P.J.; Almeida, F.S.; Carciofi, B.A.; Pace, A.; Zou, Y.; Eylands, N.; Annor, G.; Mattson, N.; Nansen, C. Agua activada por plasma como fuente sostenible de nitrógeno: Apoyo a los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la ONU en la agricultura de ambiente controlado. Cultivos 2025, 5 , 35, doi:10.3390/crops5030035.

2. López Martínez, P. Análisis técnico-económico de una producción de amoníaco solar y fertilizantes. Tesis de maestría, Centro Aeroespacial Alemán, Instituto de Combustibles del Futuro, Linder Höhe, 51147 Colonia, Alemania; DTU, Centro de Ingeniería de Procesos y Sistemas, Søltofts Plads, Edificio 224, 2800 Kgs. Lyngby, Dinamarca, 2022.

3. Chen, J.G.; Crooks, R.M.; Seefeldt, L.C.; Bren, K.L.; Bullock, R.M.; Darensbourg, M.Y.; Holland, P.L.; Hoffman, B.; Janik, M.J.; Jones, A.K.; et al. Más allá de las transformaciones del nitrógeno impulsadas por los combustibles fósiles. Ciencia 2018, 360, eaar6611, doi:10.1126/science.aar6611.

4. Ibendahl, G. El conflicto entre Rusia y Ucrania y sus repercusiones en el sector de los fertilizantes; Departamento de Economía Agrícola, Universidad Estatal de Kansas: Manhattan, KS, EE. UU., 2022; pp. 1-12;.

5. Ben Hassen, T.; El Bilali, H. «Repercusiones de la guerra entre Rusia y Ucrania en la seguridad alimentaria mundial: ¿hacia unos sistemas alimentarios más sostenibles y resilientes?». Alimentos 2022, 11 , 2301, doi:10.3390/foods11152301.

6. Wang, X.; Jia, J.; Lu, C.; Chen, H.; Chen, X.; Peng, X.; Chi, G.; Song, Q.; Hu, Y.; Ma, J. Optimización del nitrógeno para un rendimiento y una eficiencia sostenibles: conclusiones a partir de los tomates cultivados en las instalaciones de Shouguang. Agronomía 2025, 15 , 420, doi:10.3390/agronomy15020420.

7. Pascual, J. A.; Ceglie, F.; Tuzel, Y.; Koller, M.; Koren, A.; Hitchings, R.; Tittarelli, F. «Sustrato ecológico para la producción de plántulas en viveros ecológicos. Una revisión». Agronomía y Desarrollo Sostenible. 2018, 38 , 35, doi:10.1007/s13593-018-0508-4.

8. Poveda, J. El excremento de insectos en el desarrollo de la agricultura sostenible. Una revisión. Agronomía y Desarrollo Sostenible. 2021, 41 , 5, doi:10.1007/s13593-020-00656-x.

9. Hénault-Ethier, L.; Quinche, M.; Reid, B.; Hotte, N.; Fortin, A.; Normandin, É.; De La Rochelle Renaud, G.; Rasooli Zadeh, A.; Deschamps, M.-H.; Vandenberg, G. Oportunidades y retos del suprarreciclaje de subproductos agroalimentarios para la producción de estiércol de insectos (frass): una revisión bibliográfica. Gestión de residuos. 2024, 176, 169-191, doi:10.1016/j.wasman.2023.12.033.

10. Houben, D.; Daoulas, G.; Faucon, M.-P.; Dulaurent, A.-M. Posible uso de los excrementos del gusano de la harina como fertilizante: impacto en el crecimiento de los cultivos y en las propiedades del suelo. Sci. Rep. 2020, 10 , 4659, doi:10.1038/s41598-020-61765-x.

11. Wantulla, M.; Van Zadelhoff, K.; Van Loon, J.J.A.; Dicke, M. El potencial de la mejora del suelo con exuvias y excrementos de insectos para el control de la mosca de la raíz de la col. J. Appl. Entomol. 2023, 147, 181-191, doi:10.1111/jen.13097.