Recirculación de la solución nutritiva en cultivo hidropónico

Una de las mayores problemáticas del siglo XXI es, quizás, la necesidad de proveer agua para la creciente población mundial. El suministro de agua debe satisfacer las demandas para consumo humano, agrícola e industrial. Mientras que la demanda de agua va en aumento en relación con el recurso hídrico disponible, existe una explotación desmedida de las fuentes de agua, además de su contaminación, mal uso y desperdicio, causados por la utilización de sistemas de distribución inadecuados e ineficientes.

Kammeyer (2017) señaló que además de todos los desafíos del agua en el mundo están las repercusiones inminentes del cambio climático. Actualmente, se aprecia una mayor intensidad de eventos naturales relacionados con el agua, como sequías e inundaciones, y se espera que esta tendencia se mantenga. Se proyecta que para 2050, 3.900 millones de personas vivirán en cuencas hidrográficas bajo estrés hídrico severo. La  naturaleza de estos impactos variará según la región, cambiando la dinámica global del estrés hídrico.

Gran parte de esta nueva demanda será impulsada por la agricultura, que ya representa el 70 por ciento del uso mundial de agua dulce. La producción de alimentos debe crecer en un 69 por ciento para 2035, lo que aumentará las necesidades de agua para la agricultura. Por lo tanto, es esencial el uso eficiente del agua, el cual ha tomado mayor importancia en el campo agronómico, llegando a definirse como: producción por unidad de agua. Por ejemplo, en un cultivo de tomate, para producir 1 kg de fruta en condiciones controladas de sustrato, con recirculación y aprovechamiento del agua de drenaje se utilizan alrededor de 15 L, en cambio, en un cultivo abierto se utilizan 60 L, y en invernadero sin reutilización de agua de drenaje, 32 L (Castilla et. al 1990).

El cultivo convencional en sustratos, indistintamente de su contenedor, fue concebido originalmente para un manejo a solución perdida, al contrario que otros sistemas como los hidropónicos o los de subirrigación, que se diseñaron como sistemas cerrados por sus características intrínsecas. Sin embargo, debido a la preocupación cada vez mayor de la sociedad por el deterioro del medioambiente y, como consecuencia de ello, a la presión que se está ejerciendo sobre las distintas actividades humanas contaminantes, entre ellas la agrícola, dichos sistemas abiertos están siendo adaptados a las nuevas exigencias, permitiendo así la recogida y acumulación de los lixiviados para emplearlos posteriormente en la formulación de una nueva solución nutritiva. A estos tipos de sistemas cerrados se les suele llamar “sistemas con reutilización del lixiviado”. Los lixiviados son los nutrientes que infiltran capas más profundas del suelo a causa del flujo de agua. Los sistemas a solución perdida conllevan la eliminación al medio de importantes volúmenes de lixiviados con un elevado poder contaminante, especialmente debido a la presencia de nitratos. Esto puede ser evitado en gran medida mediante los sistemas de cultivo sin suelo cerrado, ya que permiten obtener un ahorro notable de agua y fertilizantes, generando una reducción casi total de la contaminación ambiental.

El agua de riego que infiltra en exceso pasa más allá de la zona radicular, esta agua junto con la percolación profunda proveniente de las filtraciones de los canales, disuelve sales adicionales de los suelos y sustratos subyacentes. Adicionalmente, fertilizantes y pesticidas aplicados en los suelos, pueden ser también movilizados y descargados al agua de drenaje, constituyendo una fuente adicional de contaminantes en aguas receptoras de mejor calidad. Por ejemplo, el nitrato (NO₃^–) proveniente de fertilizantes nitrogenados orgánicos y minerales, como también de la mineralización de la materia orgánica, puede contaminar efluentes y aguas manantiales (Groeneveld et al. 2001), por lo cual si bien existe de forma natural en el suelo y en las aguas, es considerado un compuesto que ocasiona graves problemas de salud al ser consumido desde fuentes de aguas subterráneas contaminadas. El consumo de aguas contaminadas por la agricultura ha demostrado tener relación directa con la enfermedad metahemoglobinemia, que sucede cuando el nitrato (NO₃^–) es reducido a nitrito (NO₂^–)dentro del cuerpo humano, transformando la hemoglobina en metahemoglobina, limitando su capacidad transportadora de oxígeno (Greer y Shannon 2006); además de un potencial rol en el desarrollo de cáncer en el tracto digestivo debido a la formación de compuestos N-nitrosos (Fewtrell, 2004).

A partir de estas necesidades es que el desarrollo de alternativas de cultivo ha avanzado con afán de solventar estas demandas medio ambientales y de salud, generando así entre estas nuevas técnicas, la hidroponía (del griego hýdor ‘agua’, y ponos ‘trabajo’). La hidroponía es un conjunto de técnicas que sustituye el suelo, donde los cultivos son alimentados mediante una solución líquida de nutrimentos minerales (fertiriego). Importantemente, la hidroponía puede ser de sistema cerrado, es  decir, la solución de nutrientes después de pasar por las raíces es recuperada, y reutilizada mediante un tratamiento posterior para reajustar pH y conductividad eléctrica mediante el uso de inyectores con solución madre.

Tabla 1 Comparativa de cultivos tradicionales versus sin suelo

Fuente: Universidad de OSAKA, Japón, JICA, Curso de Horticultura Protegida 1998

Es por esto que es importante el generar proyectos de uso eficiente de agua, y reutilización del drenaje, mejorando el diseño para aumentar la capacidad de recolección de drenaje, así reduciendo daños medio ambientales, y mejorando la eficiencia del recurso hídrico, cada vez más escaso.

Recirculación de la solución nutritiva en los cultivos hidropónicos.

El cultivo sin suelo permite mantener una nutrición hídrica y mineral óptima a las necesidades de cada planta, en cada momento de su desarrollo. La excesiva concentración salina en el sistema puede traducirse en pérdida en el rendimiento del cultivo durante la cosecha, y debe reducirse mediante la obtención 20 a 50 por ciento de lixiviado o drenaje con  respecto a la solución nutritiva entrante. Los canales de cultivo o contenedores de agua deben permanecer cubiertos, para así minimizar los procesos de evaporación que contribuyen al rápido incremento de la conductividad eléctrica de la solución nutritiva (Alarcón, 2001).

El cultivo hidropónico tiene 2 grandes ventajas frente al cultivo en suelo. Primero, permite una menor generación de impacto ambiental  debido al estricto ajuste del fertiriego. Los lixiviados provenientes de la hidroponía son visibles, sin embargo, esto no tiene relación con los lixiviados del suelo, que percolan en capas profundas del suelo, y contaminan en mayor medida, a pesar de no ser directamente observables. Segundo, utilización de baja inversión estructural. La recolección y reutilización de los lixiviados puede realizarse sin grandes inversiones infraestructurales, minimizando así también el impacto ambiental.

La calidad del agua de partida nos va a condicionar el cultivo a implantar, el sistema a aplicar y su modo de manejo. Sin embargo, el agua de riego debe ser de alta calidad, con mínimas concentraciones de sodio, cloruro, o boro. Estos iones en disolución pueden ser fitotóxicos, y al no poder ser asimilados por la planta, se acumulan en el agua de recirculación dificultando la mantención de concentraciones adecuadas de los elementos en la solución nutritiva. En ciertas condiciones, los límites de salinidad pueden llegar a ser inmanejables (conductividad eléctrica mayor a 1 dS/m), requiriendo tratamientos a través de desalinización por ósmosis inversa, para así generar una recirculación total y efectiva del agua.

La solución nutritiva en los sistemas cerrados se debe recomponer a partir del agua de suministro. El agua de suministro es la mezcla el drenaje (el lixiviado) y el agua de riego. Se analiza la composición química de la solución nutritiva, para que se ajuste a través de la adición de fertilizantes según los requerimientos de cada cultivo, constituyendo la solución nutritiva que es suministrada al sistema. El análisis dependerá del volumen total empleado en el sistema, por unidad de cultivo. Innovaciones como el NFT (Nutrient Film Technique) permiten una máxima eficiencia del recurso hídrico a través de la utilización de un sistema cerrado de flujo continuo.

El diseño de un sistema hidropónico, como la dosificación, nutrición y frecuencia del riego va a depender de la especie y variedad a cultivas, la calidad del agua de riego, las condiciones físico-químicas del sustrato, las condiciones climáticas prevalecientes, y el estado fenológico de cada planta (Alarcón, 2001). De esta manera entonces la composición de la solución nutritiva debe basarse principalmente en:

• Controles diarios de pH, conductividad eléctrica de la solución nutritiva, del agua de drenaje, y del sustrato.

• Análisis químicos periódicos de solución nutritiva, drenaje y de sustrato.

• Condiciones climáticas como temperatura, radiación, humedad relativa.

• Estado fenológico del cultivo (floración, cuajado, engorde).

Aplicación de sistemas de flujo cerrado continuo: Nutrient Film Technique.

El sistema de recirculación de solución nutritiva (NFT, por sus siglas en inglés), fue creada en los 70’s por Allen Cooper, en Glasshouse Crop Research Institute, Inglaterra. Las principales ventajas de esta técnica es que no existe pérdida de agua en el sistema, alta calidad de los productos hortícolas, en un corto período de cultivo, aumentando la precocidad y rendimiento de éstos. A través de NFT las plantas pueden crecer sin estrés, en alta densidad, alcanzando su potencial productivo, lo que conlleva una mejor aceptación o demanda del producto agrícola en el mercado (Carrasco e Izquierdo, 1996). En NFT las plantas se cultivan sin sustrato, generalmente suspendidas en canales de cultivo, con o sin contenedor de soporte, por lo tanto, la raíz tiene contacto directo con la solución nutritiva, la cual es renovada constantemente, acelerando su crecimiento. La implementación de un sistema NFT necesita una alta inversión inicial, además de personal capacitado para preparar soluciones nutritivas. Además esta solución aporta los elementos minerales esenciales para un buen desarrollo de las plantas (Tabla 2). Para un correcto funcionamiento de este sistema es imprescindible la adecuada elección de las fuentes de minerales solubles, ya que existe una circulación permanente de la solución nutritiva en las raíces del cultivo.

En la actualidad, debido a la constante demanda por alimentos, es de suma importancia poseer sistemas agronómicos que permitan una eficiente recirculación del agua, como también una correcta reutilización de  los residuos provenientes de los cultivos. En el cultivo hidropónico, los sistemas cerrados permiten, justamente, la reutilización de la solución nutritiva para la constante fertilización de los cultivos. La hidroponía de sistema cerrado reduce los efectos dañinos provocados al medio ambiente, como también los riesgos para la salud humana del mal manejo de los residuos agrícolas. Por otra parte, las principales ventajas de estos de sistemas cerrados son alta eficiencia del recurso hídrico, mayor ciclos de cultivo en una temporada, alta densidad y mayor precocidad. Lo único a tener en cuenta es que el resultado óptimo del sistema sólo será obtenido al contar con las mejores materias primas respecto a utilización de soluciones nutritivas.  Particularmente la tecnología NFT, al ser dinámica y adaptable, permite su aplicación en diversos climas, incluso en huertos privados de agua, o con acceso restringido a esta, pudiendo convertirse en una herramienta agrícola indispensable para el futuro próximo.

Sebastián Ochoa Münzenmayer
Ingeniero Agrónomo, MBA, Master en Tecnología Agrícola