El fósforo está contenido en todas las células vivas y, por lo tanto, está muy extendido en nuestro planeta. Sin embargo, el agotamiento de las raras fuentes minerales de roca fosfórica y la eutrofización de los cuerpos de agua indican que el uso unidireccional de la humanidad de este elemento es insostenible.
Hoy en día existen ideas para una mejor gestión del fósforo, pero una estrategia global exitosa requerirá realizar un seguimiento de sus ciclos.
Cada célula viva está rodeada por una membrana de fosfolípidos, por lo que tiene que contener fósforo sólo para existir. La mayoría de las células también lo tienen en su ADN, en su portador de energía ATP y en sus nucleótidos de señalización como el GTP, en fosfoproteínas y otras biomoléculas.
Este uso generalizado en funciones biológicas esenciales refleja la abundancia del elemento, cuyo peso constituye el 0,09% de la corteza terrestre. Debido a su alta afinidad con oxígeno, generalmente se presenta en forma de fosfatos como apatitas, mismas que se encuentran a menudo como depósitos fósiles de formas de vida antiguas, pero también puede ser de origen geológico asociado con basaltos que, por su intemperismo, pueden liberarse naturalmente al suelo. Aún así, el temor de que las fuentes de fósforo se agoten en unas pocas décadas reaparece una y otra vez.
Las reservas minerales de roca fosfórica están concentradas en unos pocos países por lo que, al igual que con las reservas de petróleo, la geopolítica debe ser considerada en la ecuación. Marruecos controla más de las 2/3 partes de las reservas comercialmente explotables mientras que China, Algeria y Siria son los que le siguen con porcentajes de un dígito.
Las estimaciones de existencia remanente del fósforo son altamente controvertidas al igual que los cálculos temporales de su agotamiento – algunos calculan que, al ritmo de consumo actual, las reservas pueden durar entre algunas décadas y varios siglos -. En términos generales esto podría ser una buena noticia, sin embargo, aún en los escenarios más optimistas, la distribución desigual de las minas de roca fosfórica, es causa de preocupación, ya que los problemas políticos en las naciones proveedoras de este elemento podrían derivar en incrementos de precios afectando así, la seguridad alimentaria mundial.
Aunque parte del fósforo que se extrae y se utiliza como fertilizante, se incorporará a nuestros huesos y dientes, así como a nuestro ADN y membranas celulares, la mayor parte terminará en el ciclo hidrológico, ya sea como escorrentía de los campos, o como agua que corre por las tuberías desde nuestros excusados. Así, este fósforo enriquecerá el medio creando, a su vez un conjunto de problemas, que incluyen la eutrofización de los cuerpos de agua.
Es momento de repensar nuestro uso global de fósforo, y reemplazar la cadena de suministro unidireccional por ciclos cerrados que eviten los problemas en ambos extremos.
Debido a la extensión delgada y desigual de este elemento en todo el mundo, la situación es bastante compleja, sin embargo, la ciencia tiene que empezar a preguntar dónde está es el fósforo, y en qué dirección se está moviendo.
Fuentes
Un reciente número especial de la revista Science of the Total Environment, editado por Andrea Ulrich de la Oficina Federal de Agricultura de Suiza, está dedicado a los cálculos y proyecciones de las de fuentes de fósforo existentes, así como de sus sumideros y flujos (Sci. Total Environ. (2016) 542, 1005-1007).
En cuanto a las muy debatidas reservas de roca fosfórica M.C. Mew (miembro de la consultoría en commodities, CRU International situada en Londres) argumenta que la escasez no es una preocupación inminente, especialmente porque el progreso en la tecnología de extracción sigue ampliando la gama de materiales que se pueden explotar comercialmente, por lo que, "la pila de relaves de hoy, será la reserva de mañana”. (Mew, Sci. Total Reinar. (2016) 542, 1008–1012).
Aún así, Mew confirma que ha habido picos de precios y que esto puede ocurrir nuevamente debido a razones económicas como los montos de inversión. En un mercado agrícola globalizado dependiente de fósforo como elemento esencial y generalmente escaso, la volatilidad de precios se puede traducir directamente en aumentos coincidentes en los precios de los alimentos y, por lo tanto, en amenazas a la seguridad alimentaria en las zonas más pobres del mundo (Curr. Biol. (2011) 21, R795 – R798).
Fuera de los pocos lugares donde el elemento se encuentra concentrado en forma mineral, la distribución alrededor del planeta es dispersa y a menudo impredecible.
Sumideros
Como práctica común, se aplica exceso de fósforo a los campos cuando se fertilizan. Este excedente desemboca en cuerpos y corrientes de agua como ríos y lagos donde fomenta la floración de algas que, a su vez, agotan el oxígeno del agua y crean zonas muertas, haciendo que el agua sea inhabitable. Este fenómeno llamado eutrofización, es muy conocido y fue caracterizado ecológicamente desde hace décadas.
Desde la década de 1960, el número de las zonas muertas conocidas han aumentado dramáticamente de alrededor de una docena a más de 400. En la década de 1970, los fosfatos en los detergentes domésticos fueron detectados como la causa clave, sin embargo, después de su abolición, el uso creciente de fertilizantes ha devuelto la eutrofización a la agenda.
Andrea Ulrich y sus colegas del ETH en Zurich, Suiza han usado el lago Winnipeg en Manitoba, Canadá, como caso de estudio para conectar sus bien conocidos problemas ambientales con los aspectos políticos y económicos a su alrededor (Sci. Total Environ. (2016) 542, 1030–1039) ya que aquí, se combinan todos los problemas relacionados al uso insostenible de el fósforo.
El lago Winnipeg es el duodécimo lago más grande del mundo y, como muchos otros grandes lagos (Curr. Biol. (2017) 27, R43 – R46), es un foco de preocupaciones ambientales. Este lago es particularmente vulnerable debido al gran tamaño de su cuenca, así como sus aguas poco profundas. Según el grupo de Ulrich, ejemplifica el epítome de nuestras relaciones conflictivas con la naturaleza en que, por un lado, recibe escorrentía de grandes áreas agrícolas, así como las aguas residuales tratadas de grandes ciudades, y por otro, que una población significativamente grande reside en sus costas y depende del ecosistema del lago para su supervivencia.
Ulrich y sus colegas informan que la aplicación de fertilizantes fosfatados en la cuenca del lago Winnipeg se ha cuadriplicado desde los 70’s y que la carga total de fósforo que llega a el lago se estima en 8.000 tons/año. Como resultado, ocurren florecimientos masivos de cianobacterias durante el verano, que se han expandido de manera constante desde la década de los 90’s, mismas que ahora cubren una superficie de más de 10.000 km2, es decir, más de 40% de la superficie de todo el lago. Estas “mareas” pueden liberar toxinas que se vuelven peligrosas, tanto para la vida silvestre como para los humanos. Mientras que Canadá ha limitado la explotación de sus propias reservas de fósforo, la escala en la que se utiliza este elemento para la fertilización significa que el país depende de importaciones y podría volverse vulnerable a la volatilidad del mercado.
Sobre esta base, han estudiado el contexto social de los problemas y concluyen que diferentes grupos de personas tienden a ser conscientes de diferentes partes del problema, por lo que el desafío -tanto de la ciencia como de la sociedad- será crear argumentos que conecten los puntos y lleven a la salvaguarda sustentable del fósforo, para proteger tanto a la seguridad alimentaria como al medio ambiente.
Flujos
Aunque las tierras agrícolas y los ríos que capturan su escorrentía son un parte importante del ciclo global del fósforo, las ciudades son igualmente importantes, ya que actualmente alojan a más de la mitad de la población mundial, y la urbanización sigue aumentando (Curr. Biol. (2016) 26, R1205 – R1208). En general, las ciudades importan su fósforo en el forma del alimento y lo liberan al medio ambiente a través de las aguas residuales.
Numerosos estudios han analizado los flujos de fósforo en ciudades suecas como Gotemburgo, Linköping y Estocolmo, como modelo de lo que ocurre en otras partes del mundo.
Jiechen Wu y sus colegas del KTH Royal Institute of Technology han analizado diferentes escenarios para el desarrollo futuro de los flujos en la ciudad, usando bajo diferentes supuestos basados en el cambio de comportamiento de sus habitantes (Sci. Total Environ. (2016) 542, 1094-1105).
Entre sus hallazgos, este grupo señala que solo el 10% del fósforo presente en una ciudad es reciclado; es decir, que fluye dentro de la ciudad, no que se importa como materia prima, fertilizante o comida, y se escapa acumulándose en el suelo o se libera al entorno en cuerpos de agua.
Soluciones
En el noroeste de Europa existe una iniciativa llamada Phos4You financiada por la Unión Europea. El proyecto conjunta instituciones del Reino Unido, Irlanda, Benelux, Francia, Alemania y Suiza para aprovechar el potencial de reciclaje de fósforo en esta región.
Esta zona es completamente dependiente de las importaciones de roca fosfórica, sin embargo, se estima que el 45% de esta demanda podría satisfacerse cerrando el ciclo del fósforo. El objetivo es que para 2020 la región pueda reciclar el 3,5% del fósforo, 35% en 2025 y 90% en 2030.
Para ello, el proyecto presidido por la Lippeverband (la asociación de gestión de agua del río Lippe, un afluente del río Rin) en Alemania, propone apoyar a 44 empresas que demuestren su capacidad de desarrollar seis tecnologías de recuperación de fósforo para aguas residuales municipales y cinco nuevos fertilizantes hechos a partir de dicho material reciclado.
El proyecto también involucra el desarrollo de nuevas tecnologías adaptadas a las necesidades locales. En Escocia, por ejemplo, donde el tratamiento de aguas residuales en áreas ligeramente pobladas ocurre en pequeñas escalas, el grupo de investigación de Ole Pahl en la Universidad Glasgow Caledonian está desarrollando un proceso de fermentación de algas para recuperar fósforo en pequeñas instalaciones y fosas sépticas. La idea es que las algas formen biofilms que después se puedan procesar
como fertilizantes ricos en fósforo.
En cierto sentido, el uso del estiércol como fertilizante también constituye un ejemplo de reciclaje de fósforo a escala local, sin embargo, en la agricultura industrializada, la producción animal está geográficamente distante de la producción agrícola, lo cual significa que existen problemas logísticos para su distribución a largas distancias, y se usa de manera excesiva en los alrededores de los pastizales como una forma de eliminación, que por supuesto solo exacerba el medio ambiente problemas causados por los fertilizantes.
Hablando de servicios públicos a gran escala, existen ejemplos esporádicos de soluciones prometedoras. Por ejemplo, la planta de tratamiento de agua de Minworth, Reino Unido, atiende a una población de 1,7 millones en la zona metropolitana de Birmingham. Adaptando una tecnología que había sido aplicada en la ciudad de Delft (Países Bajos), actualmente es capaz de remover de manera eficiente el nitrógeno y fósforo del agua que trata; un cambio indispensable dado que sus flujos de salida excedían los límites ambientales.
El proceso biológico que esta planta utiliza, se basa sobre la oxidación anaeróbica del amoniaco (anammox), un proceso natural en los océanos que se descubrió a mediados de la década de 1990. Este proceso implica (1) la conversión de una fracción del amoniaco a nitrito por bacterias llamadas Nitrosomonas, y (2) luego la acción de bacterias anaeróbicas (anammox) para hacer reaccionar el nitrito con el amoniaco restante, y así formar nitrógeno molecular. Este segundo paso ocurre a escala en partes hipóxicas del océano y se estima que es el responsable de entre un tercio y la mitad de la producción natural de gas nitrógeno.
La instalación del proceso anammox en Minworth también permitió la eficiente eliminación biológica del fosfato dentro la misma corriente de lodos. Otras instalaciones usan óxido de magnesio para precipitar fosfato en la forma mineral Estruvita, que se puede utilizar como fertilizante.
De alguna manera, los problemas alrededor de los elementos fertilizantes como el fósforo y el nitrógeno, aunque muy diferentes, están conectados entre sí. Desde el despliegue industrial de la síntesis de Haber hace poco más de un siglo, las actividades humanas han duplicado la cantidad global de compuestos reactivos de nitrógeno en circulación (Curr. Biol. (2012) 22, R1-R4). Esto, entre otras cosas, ha permitido la explosión demográfica humana durante el siglo XX, y también ha dañado ecosistemas en múltiples maneras. Sin embargo, dado que el nitrógeno es abundante y se puede tomar de manera libre de la atmósfera (y eventualmente volverá a ella) no existe riesgo de escasez en su suministro, por lo que, son los impactos ecológicos de su exceso lo que sigue siendo la principal preocupación.
Por otro lado, donde el nitrógeno es abundante, el fósforo es limitante, y con este elemento la situación es mucho más compleja. Los ciclos naturales de este elemento que lo llevan entre el mundo vivo y la geología se miden en escalas temporales de millones de años. Los productores de fertilizantes que han intentado igualar el paso marcado por el nitrógeno corren el riesgo de agotar recursos limitados en un exceso de aplicación que contamina nuestras aguas.
Hemos sobrepasado los grandes y lentos ciclos geobiológicos debido a nuestros rápidos, sucios e ineficientes procesos lineales. El reto ahora es reemplazarlos con muchos ciclos pequeños, cada uno adaptado a sus recursos, necesidades y flujos locales.
Traducción del artículo Where is all the phosphorus?
Cita: Gross, Michael (2017) Current Biology Magazine, 27, R1141–R1155,
Michael Gross es un escritor científico con base en Oxford. Puede ser contactado a través de su página web: www.michaelgross.co.uk