Por Luis Lopez Bellido y Rafael J. Lopez-Bellido Garrido
En este articulo se analiza la importancia que para estos cultivos tiene el desarrollo de la mejora genetica dirigida con fines agroenergeticos, su efecto sobre el medio ambiente y las perspectivas futuras que dichos cultivos tendran en un contexto de agricultura sostenible.
Las caracteristicas mas importantes de las plantas para la mejora del rendimiento y la calidad como cultivos bioenergeticos son los siguientes:
1. Caracteristicas para la mejora del rendimiento:
* Maximizar la interceptacion de la radiacion solar (vigor temprano, resistencia a heladas, cubierta cerrada, caracteristicas de la hoja para una eficiente captura de la luz).
* Maximizar el uso eficiente de la radiacion (tolerancia a las bajas temperaturas del metabolismo C4, alta eficiencia en el uso de nutrientes, resistencia a enfermedades y plagas).
* Maximizar la eficiencia en el uso del agua (evitacion y tolerancia a la sequia, profundidad de la raiz).
* Optimizacion de la sostenibilidad ambiental (reciclado eficiente de nutrientes, distribucion raiz/parte aerea).
2. Caracteristicas para la mejora de la calidad:
* Facilidad de recoleccion y almacenamiento.
* Idoneidad para las tecnologias de conversion termica.
* Idoneidad para las tecnologias de conversion biologica.
* Salud y seguridad.
Al mismo tiempo, la mejora genetica de los cultivos convencionales para un uso potencial para biocombustibles puede hacer un rapido progreso, debido a que se construye sobre las bases de un conocimiento preexistente y colecciones de germoplasma. La mejora genetica de plantas puede incrementar los rendimientos de biomasa y etanol de los cultivos y su actuacion agronomica y confiabilidad; por ejemplo, a traves de la tolerancia al estres (sequia, calor o salinidad, entre otros) y resistencia de las plantas huesped a los patogenos y plagas.
Una amplia base de recursos geneticos, especialmente de gramineas perennes silvestres y semidomesticadas, y especies de plantas leñosas productoras de almidon, aceite y lignocelulosa, estan disponibles para la seleccion, la mejora y ser modificadas geneticamente con el objetivo de desarrollar cultivos energeticos favorables al medio ambiente. Especies de plantas con crecimiento rapido, tolerantes a estres biotico y abiotico y bajos requerimientos para pretratamientos biologicos, quimicos o fisicos, estan siendo evaluadas como potenciales cultivos energeticos.
La investigacion mundial incluye programas de mejora para desarrollar nuevas variedades, con fenotipos interesantes en terminos de crecimiento y resistencia, pero tambien en terminos mas especificos relacionados con la biorrefineria, por ejemplo con respecto a la composicion de la pared celular. La investigacion tambien incluye la ingenieria genetica.
Las modificaciones geneticas recientes y los esfuerzos de la mejora genetica en los cultivos energeticos tienen como objetivo la mejora del rendimiento de biomasa, la calidad y la eficiencia de la conversion. Asimismo, la mejora en la composicion y la estructura bioquimica en los cultivos energeticos permitiran la produccion de mas energia por tonelada de biomasa y mejorara su valor calorico, perfil GEI y potencial mitigacion del cambio climatico global. Las nuevas investigaciones geneticas estan orientadas a la mejora del acceso, a nivel molecular, de enzimas a los compuestos celulosicos que estan ligados en formas complejas a las estructuras de la lignina. Estudios genomicos comparativos, utilizando modernas herramientas biotecnologicas, pueden permitir inferencias logicas y el aprendizaje; y eventualmente pueden ser transferidos genes entre especies alejadas del cereal (por ejemplo, las caracteristicas lignocelulosicas de la caña de azucar, sorgo, maiz y arroz) (figura 1).
Figura 1. Investigacion biotecnologica en bioenergia basada en la genomica. El nivel de informacion genomica (recuadros verdes) llevara al descubrimiento de genes (recuadros amarillos), los cuales a su vez pueden ser traducidos en la mejora biotecnologica de las materias primas (recuadros azul claro). Ademas de la investigacion en biologia de plantas, estudios utilizados microoganismos (recuadros azul oscuro) son tambien importantes (Adaptado de Yuan et al., 2008)
Los hibridos de cultivos especificos dedicados a energia son factibles a medio y largo plazo, y sin duda mejoraran la biomasa y la mitigacion del cambio climatico global. Los criterios para el desarrollo de los nuevos hibridos dedicados al cultivo para energia incluyen: (i) cultivo de semillas de gran tamaño con establecimiento vigoroso para simplificar los sistemas de produccion de biocombustibles; (ii) floracion retrasada mediante fotoperiodismo para mejorar la mayor acumulacion de biomasa y prevenir potencialmente los riesgos de malas hierbas y de las enfermedades transmitidas por semilla; y (iii) esterilidad genetica o citoplasmica o amplia hibridacion para permitir mayor produccion de bioenergia y potencial reducido de invasividad.
Bioenergia y medio ambiente
La produccion y el consumo de biocombustibles han aumentado espectacularmente en los ultimos años, en gran medida impulsados por politicas orientadas a mejorar la seguridad energetica, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y facilitar el desarrollo agricola. Este crecimiento rapido ha superado con creces nuestro conocimiento de los posibles impactos sobre la seguridad alimentaria y sobre el medio ambiente. A medida que aumenta nuestro reconocimiento de los impactos emergentes, surge la necesidad de construir una base solida sobre la cual se fundamenten las politicas relacionadas con los biocombustibles (figura 2).
Figura 2. Factores que necesitan ser considerados en la realizacion del potencial de bioenergia (Adaptado de Lynch, 2011).
La energia de los cultivos agricolas puede mitigar un acentuado efecto de gas invernadero a causa del secuestro neto del C atmosferico en el C organico del suelo. La energia de las plantaciones de cultivos arboreos de corta rotacion o los cultivos herbaceos pueden ser manejados potencialmente a favor del secuestro de C en el suelo.
El uso de la tierra afecta la dinamica del pool de C organico del suelo, aunque los datos sobre la variabilidad espacial y temporal del mismo bajo los cultivos arboreos o herbaceos son escasos debido a la falta de estudios a largo plazo bien diseñados. La tasa de acumulacion de C organico en el suelo depende de la historia del uso de la tierra, el tipo de suelo, tipo de vegetacion, ciclo de cosechas y otras practicas de manejo. Las tasas reportadas de secuestro de C organico del suelo varia de 0 a 1,6 t C ha-1 año-1 en especies arboreas de crecimiento rapido (rotaciones cortas) y de 0 a 3 t C ha-1 año-1 bajo cultivos herbaceos. El desarrollo de sistemas de cultivos energeticos podria ser una estrategia efectiva para reducir los efectos de alteracion del clima producidos por las emisiones antropogenicas de CO2. Comparados con los combustibles fosiles, la combustion de los biocombustibles puede emitir menos gases invernadero a traves de su ciclo de vida, considerando que parte del CO2 emitido retorna a la atmosfera donde es fijado en primer lugar por la fotosintesis (cuadro I).
Cuadro I. Analisis del Ciclo de Vida de los cultivos energeticos (Adaptado de Davis et al., 2009)
Se entienden como practicas de manejo sostenible en determinadas areas de tierras, el asegurar que los niveles de reserva de C en ellas no decrecen sistematicamente con el tiempo. Esto es un aspecto clave, cuando se comparan las emisiones de CO2 de los biocombustibles y los combustibles fosiles. En realidad, el interes fundamental de la neutralidad de C de la biomasa combustionada esta basado en el hecho que el CO2 emitido por las plantas de origen proviene de la atmosfera donde eventualmente retorna. El contenido de C organico del suelo puede tambien decrecer a largo plazo como consecuencia de la exportacion de los residuos de la agricultura. Por ello, es necesario valorar la cantidad de residuos netos de los cultivos que podrian estar disponibles para la cadena de bioenergia sin degradar la calidad del suelo a largo plazo.
Un apropiado manejo de la agricultura puede contribuir a incrementar los sumideros de C del suelo, reduciendo la emision de GEI y suministrando materias primas para la bioenergia. Las tecnologias de produccion industrial pueden proporcionar nuevos usos para las materias primas agricolas.
El uso de la biomasa no implica automaticamente que su produccion, conversion y utilizacion sea sostenible. Los conflictos entre los varios servicios de los ecosistemas (produccion economica de alimentos, forrajes y combustibles, biodiversidad, valores sociales y culturales, etc.) que suministran las tierras agricolas estan aumentando. Hay una cantidad significativa de estudios e informacion disponible sobre el impacto de las emisiones de CO2 del suelo y la biomasa en el tiempo, como resultado del cambio de uso de la tierra debido al incremento de la demanda de cultivos energeticos y consecuentemente sobre los biocombustibles y su sostenibilidad, especialmente en los ultimos años.
Sin embargo, en un mundo en la busqueda de soluciones a sus necesidades energeticas, medio ambiente, y al desafio alimentario, la sociedad no puede permitirse el lujo de perder la reduccion de emisiones globales de GEI y los beneficios ambientales y sociales que tienen lugar cuando se producen biocombustibles adecuadamente. De igual forma, la sociedad no puede aceptar los efectos indeseables de los biocombustibles mal producidos. Los biocombustibles pueden ser bien producidos y en grandes cantidades con poca o ninguna competencia con la produccion de alimentos.
La industria de los biocombustibles puede tener muchos atributos sociales y ambientales positivos, pero tambien puede ser afectada de aspectos negativos relacionados con la sostenibilidad si no se aplica de la manera correcta. Sembrar cultivos para biocombustibles en tierras marginales, en lugar de en las tierras fertiles de nuestros cultivos mas productivos, podria prevenir una competencia con la produccion de alimentos y sobre los precios; asi como reducir al minimo o incluso evitar la deuda de carbono asociadas con la deforestacion. Sin embargo, las tierras marginales tambien pueden ser ricas en biodiversidad, y pueden requerir aportes considerables de nutrientes y agua para que la produccion de biocombustibles sea viable economicamente, y puede llevar a no percibir el coste de oportunidad del futuro secuestro de carbono.
A escala mundial, la produccion de una importante cantidad de energia con biocombustibles requerira una gran cantidad de tierra, quizas tanta como la requerida en la actualidad por los cultivos alimentarios. Ello cambiaria el paisaje de una forma significativa. La identificacion temprana de las consecuencias imprevistas en el desarrollo de estrategias de los biocombustibles ayudara a evitar errores costosos y lamentar los efectos sobre el medio ambiente. Politicas que apoyen la sostenibilidad a largo plazo, tanto de nuestro paisaje como de nuestra atmosfera, son esenciales si hemos de diseñar una economia baja en C, que es sustancialmente mejor que lo habitual. Los sistemas sostenibles de produccion de biocombustibles podrian desempeñar un papel muy positivo en la mitigacion del cambio climatico, en mejorar la calidad ambiental y en el fortalecimiento de la economia global, pero ello tendra sentido si la politica esta basada en el conocimiento cientifico y se lleva a cabo un esfuerzo de investigacion adicional para que asi sea.
Hasta ahora, la opcion mas convincente para la produccion de biocombustibles ha sido el uso de plantas perennes, ya que requieren menos inputs y se puede cultivar en tierras degradadas y abandonadas para el uso agricola. El uso de dichas tierras minimiza la competencia con los cultivos alimentarios y tambien el potencial directo e indirecto de desmonte de tierras asociado con la expansion de los biocombutibles; asi como la creacion resultante de deuda de carbono a largo plazo y la perdida de biodiversidad. Algunos analisis iniciales sobre el potencial global de las tierras degradadas sugieren que podrian satisfacer en cantidades significativas la actual demanda mundial de combustibles liquidos para el transporte. La opcion de utilizar los residuos de cosecha de los cultivos alimentarios, como el rastrojo de maiz y la paja de arroz y trigo, entre otros, es un asunto mas controvertido. La investigacion reciente sugiere que es un beneficio para los agricultores dejar grandes cantidades de residuos de cosecha en la tierra; aunque, sin embargo, las tasas conservadoras de extraccion de residuos pueden proporcionar un recurso sostenible de la biomasa casi tan grande como la de los cultivos perennes cultivados en
tierras degradadas.
Entre los principales criterios para evaluar la sostenibilidad de los sistemas de produccion de bioenergia figuran:
* Uso y cambio de uso de la tierra.
* «Huella del agua» de los cultivos energeticos.
* Impacto de los cultivos energeticos en la biodiversidad.
* Cambio climatico, secuestro de C y mitigacion de GEI (balance y ciclo de vida).
* Mantenimiento de la fertilidad del suelo.
Perspectivas y nuevos retos de la bioenergia
La busqueda de formas de energia renovables que emitan menos gases invernadero, en relacion con los combustibles fosiles, es probablemente uno de los principales retos para la proxima generacion de cientificos e ingenieros. La mejor eficiencia y una amplia variedad de posibilidades de tecnologias verdes renovables, ofrecen alguna luz al final del tunel.
Unos de los grandes desafios de la bioenergetica es la produccion sostenible de biocombustibles. Hacer frente a la barrera de la biomasa recalcitrante requerira un mayor entendimiento de como las paredes celulares de las plantas estan formadas y como ellas son deconstruidas por microorganismos y enzimas. A mas largo plazo la produccion de fotobiohidrogeno y la fotosintesis artificial tendran posibilidades. En todos los casos, la alta huella de C, el secuestro de tierra, la perdida de biodiversidad y otros problemas tambien deben ser abordados.
La biomasa representa un recurso abundante y renovable de C neutral para la produccion de bioenergia y biomateriales, y su utilizacion mejorada abordaria varias necesidades de la sociedad. Los avances en genetica, biotecnologia, procesos quimicos e ingenieria estan conduciendo a un nuevo concepto de fabricacion, para convertir la biomasa renovable en un valioso combustible y en otros productos generalmente referidos como la biorrefineria. La integracion de los cultivos agroenergeticos y las tecnologias de fabricacion de la biorrefineria ofrecen el potencial para el desarrollo de la bioenergia sostenible y de los biomateriales que conduciran a un nuevo paradigma de fabricacion. La vision de la biorrefineria contribuira a la sostenibilidad no solo por su inherente dependencia de los biorrecursos sostenibles sino tambien por el reciclado de residuos, con la tendencia de todo el proceso entero hacia la conversion de C neutral. Una biorrefineria integrada es un enfoque que optimiza el uso de la biomasa para la produccion de biocombustibles, bioenergia y biomateriales, de forma sostenible tanto a corto como largo plazo. La demanda de las futuras biorrefinerias estimulara mas avances en la agricultura con
la utilizacion de plantas perennes a medida y de arboles que suministraran mayores cantidades de biorrecursos.
El futuro de la bioenergia dependera de multiples tecnologias, y visto desde una perspectiva biotecnologica de las plantas, este requerira un enfoque del entendimiento de la fotosintesis de la pared celular, del desarrollo de las plantas y de la produccion metabolica. Colectivamente, estos enfoques llevaran a un coste mas efectivo de la deconstruccion de la biomasa lignocelulosica y a una produccion de energia mas sostenible.
La investigacion en bioenergia es un nuevo paradigma en la investigacion multidisciplinar. Un ejemplo es el Bioenergy Science Center (BESC), que esta esponsorizado por el Departamento de Energia de EE.UU.; donde destacan avances impactantes en la ciencia de los biocombustibles que puede ser logrado dentro de un gran equipo interdisciplinar. Tal idea es clave para promover nuestro conocimiento y la generacion de modelos, teorias y procesos que puedan ser usados para superar la dificultad de la biomasa para la produccion sostenible de los biocombustibles.
Entre las prioridades de investigacion en bioenergia, pueden destacarse los siguientes:
1.Investigacion en cereales, enfocada a la biorrefineria avanzada: mejora del almidon y la paja para biocombustibles. Un importante objetivo de la mejora debe ser la degradabilidad de la estructura de la pared celular.
2. Mejora de otras caracteristicas para la produccion de polimeros y bioplasticos.
3. Eleccion de especies de cultivos especificos adaptados segun las condiciones agroecologicas y economicas.
4. Investigaciones enfocadas a la resistencia a insectos y enfermedades, tolerancia a herbicidas y contenido de lignina de la lignocelulosa.
5. Incremento de la eficiencia fotosintetica y tolerancia a sequia de los cultivos energeticos.
6. Biocombustibles y acidos grasos producidos por algas o cianobacterias: acidos grasos omega 3 (algas marinas); optimizacion de la capacidad fotosintetica de las algas para producir biocombustibles.
Finalmente, tambien existen oportunidades para formar y educar en un amplio rango de campos relacionados con la bioenergia, en conceptos basicos tales como: ciclo de C, biomasa lignocelulosica como substrato para la produccion de biodiesel, y obstaculos tecnicos y economicos para una economia basada en los biocombustibles.
AUTORES: Luis Lopez Bellido y Rafael J. Lopez-Bellido Garrido. Departamento de Ciencias y Recursos Agricolas y Forestales de la Universidad de Cordoba.