Fertilizantes_marco-teórico - Arely Huerta Aguilar

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Introducción 
La agricultura es una de las principales actividades del ser humano para satisfacer sus necesidades alimenticias. Para aumentar la producción de los cultivos, la utilización de fertilizantes industriales ha crecido exponencialmente hoy en día pese a los problemas ambientales ya conocidos que se generan con su uso, por lo que, la necesidad de crear fertilizantes que además de ser efectivos reduzcan la contaminación del agua, suelo y aire también se ha convertido en una necesidad, debido al continuo crecimiento poblacional, la continua demanda de alimentos y los efectos negativos en el equilibrio ambiental. El presente documento, muestra la síntesis de un fertilizante nanotecnológico a partir de materia orgánica produciendo así, un fertilizante sustentable al utilizar las cáscaras de plátano como materia prima mostrando, asimismo, la utilización de tecnologías nanoestructuradas como una solución viable, ecológica y más efectiva que los fertilizantes convencionales ya que permiten contralar la liberación de nutrientes hacia las plantas de manera óptima, aumenta la calidad del suelo y requiere de menores costes
1. Fertilizantes
Los fertilizantes son materiales que deben agregarse al suelo para el crecimiento y desarrollo de las plantas (Barita, et al., 2018) aumentando la eficiencia de las actividades agrícolas. Según Kumar, et al., (2019) un fertilizante es cualquier material, ya sea natural o sintético que se aplica a los tejidos para aportar una o más sustancias necesarias para el crecimiento de las plantas. 
En los últimos años, el 50% de aumento en la producción agrícola ha sido gracias al uso de fertilizantes (), son considerados como la forma más efectiva de aumentar el rendimiento de los cultivos, principalmente en la aportación de macronutrientes como el nitrógeno (N), el potasio (K) y el fosforo (P), sin embargo, estos nutrientes no se encuentran en grandes cantidades dentro de los fertilizantes (Qi, et al., 2019). 
1.2 Nutrientes presentes en los fertilizantes 
Los fertilizantes contienen diferentes elementos para propiciar el crecimiento de las plantas, unos en mayor proporción que otro y generalmente proporcionan a la planta los siguientes nutrientes (Kumar, et al., 2019): 
Macronutrientes primarios 
· Nitrógeno: Es uno de los componentes más importantes en la clorofila, por lo que influye en el crecimiento de las hojas.
· Fósforo (P): Participa en algunos procesos vitales en las plantas como en la trasferencia de energía y el desarrollo de raíces, flores, semillas y frutos. 
· Potasio (K): Es el activador de las enzimas utilizadas en la fotosíntesis y la respiración, influye en el crecimiento del tallo y el movimiento del agua. 
Macronutrientes secundarios 
· Calcio (Ca): regula el transporte de nutrientes, es un activador de enzimas, participa en la fotosíntesis y en la estructura de la planta. 
· Magnesio (Mg): Es un componente de la clorofila y participa en varias reacciones enzimáticas. 
· Azufre (S): es un componente de algunos aminoácidos y vitaminas, participa en el crecimiento y función del cloroplasto, además de ser necesaria en la fijación del nitrógeno en los vegetales. 
Micronutrientes 
· Cobre (Cu): participa en la fotosíntesis y en la fabricación de paredes celulares.
· Hierro (Fe): está presente como cofactor enzimático en las plantas. 
· Molibdeno (Mo): participa en la construcción de enzimas y en el metabolismo del nitrógeno. 
· Zinc (Zn): participa en la transcripción del ADN. 
· Boro (B): afecta la floración y fructificación, la germinación del polen, la división celular y la absorción activa de sal.
· Silicio (Si): fortalece las paredes celulares y mejora la resistencia de la planta.
· Cobalto (Co): participa en la fijación de nitrógeno por las bacterias fijadoras asociadas a vegetales y otras plantas. 
1.3 Clasificación de los fertilizantes 
Los fertilizantes pueden clasificarse de diferentes maneras, según su naturaleza estos se clasifican en orgánicos, inorgánicos y biofertilizantes (ver tabla 1), cada uno tiene sus ventajas y sus limitaciones en su efectividad para el crecimiento de las plantas (Kumar, et al., 2019). 
Los fertilizantes orgánicos se derivan de fuentes naturales, su uso tiene un impacto positivo en la contaminación del suelo, los beneficios observados se ha documentado el aumento de las actividades microbianas del suelo, mejorando el crecimiento de cultivos y disminuyendo las plagas y enfermedades. Su uso puede disminuir la acidificación del suelo y aumentar el rendimiento de las plantas (Lin, et al., 2019).
Los biofertilizantes son fertilizantes que contienen uno o más especies de microrganismos con la capacidad de movilizar los nutrientes a través de procesos biológicos como la fijación de nitrógeno y la solubilización de fosfato, es decir, son fertilizantes naturales que son inoculantes microbianos vivos de bacterias, algas y hongos. Algunas de las ventajas del uso de biofertilizantes a largo plazo es que son ecológicos y rentables, mejoran la proliferación de las raíces, protegen a las plantas de enfermedades, aumentan el contenido de fosforo y la calidad del suelo es mejorada (Kumar et al., 2017). 
Los fertilizantes inorgánicos contienen metales pesados, por ejemplo, mercurio (Hg), cadmio (Cd), plomo (Pb), níquel (Ni), cobre (Cu) y arsénico (As), (Savci, 2012). Son perjudiciales para el suelo porque contienen K, P Y N en grandes cantidades descuidando el uso de la materia orgánica (Saha et al., 2017). 
Tabla 1 Clasificación de los fertilizantes según su naturaleza (Kumar, et al., 2019)
	Tipo
	Ejemplos 
	Fertilizantes inorgánicos 
	Estos incluyen fertilizantes sintetizados industrialmente. por ejemplo, CO (NH2) 2 (urea) 45-46% de nitrógeno, salitre de chile con 15% de nitrógeno.
	Fertilizantes orgánicos 
	Fertilizantes derivados de materiales vivos o anteriormente vivos. por ejemplo, desechos de animales, desechos de plantas de la agricultura, compost y lodos de depuradora tratados. Más allá del estiércol, las fuentes animales pueden incluir productos de la matanza de animales: harina de sangre y harina de huesos.
	Biofertilizantes 
	Fuentes-Ramírez y Caballero-Mellado (2005) definieron un biofertilizante como "un producto que contiene microorganismos vivos, que ejercen un efecto beneficioso directo o indirecto sobre el crecimiento de las plantas y el rendimiento de los cultivos a través de diferentes mecanismos". Por ejemplo, hongos AM, fijador de N, solubilizador de P y solubilizador de K
1.4 Efectos ambientales de los fertilizantes 
El uso de fertilizantes en los últimos años ha ido en aumento, provocando serios problemas ambientales, ya que, al fertilizar se genera una acumulación de metales pesados en el suelo, alterando a las plantas, ya que estas los absorben a través del suelo ingresando a la cadena alimenticia. Esto conlleva a la contaminación del agua, suelo y aire (Savci, 2012). 
Actualmente se ha reconocido que la agricultura genera importantes daños ambientales aunado a que los agricultores de países en vías de desarrollo realizan una aplicación excesiva de fertilizantes debido a la falta de información y capacitación, asimismo este exceso afecta la productividad y la calidad de los productos cultivados (Atikur y Zhang, 2018).
1.4.1 Efectos ambientales de los fertilizantes químicos en el agua 
El uso excesivo de fertilizantes nitrogenados puede causar un aumento de nitratos en el agua, así como la aparición de sustancias cancerígenas como las trisosaminas en los productos cultivados como la lechuga y espinacas por la acumulación excesiva de NO2 Y NO3. El nitrógeno de los fertilizantes puede llegar a contaminar el agua de tres maneras: drenaje, lixiviación y flujo (Savci, 2012). Este tipo de fertilizantes son la principal fuente de la degradación ambiental contribuyendo en las emisiones de gases de efecto invernadero, asimismo afectan de manera negativa a la pesca y la silvicultura (Atikur y Zhang, 2018).
1.4.2 Efectos ambientales de los fertilizantes químicos en el suelo. 
Con la aplicación de fertilizantesla fertilidad del suelo es deteriorada con el paso del tiempo, además de que las sustancias toxicas contenidas en los fertilizantes pasan al producto de los cultivos, causando efectos negativos en la salud de los seres humanos y animales que los consumen. L a aplicación de fertilizantes con alto contenido de potasio (K) y sodio (Na) modifican el PH de los suelos y deterioran su estructura, del mismo modo, los fertilizantes nitrogenados disminuyen el PH disminuyendo la calidad del suelo (Savci, 2012). 
El uso excesivo de fertilizantes industriales puede llegar a acidificar el suelo reduciendo el contenido de materia orgánica, el humus, retrasar el crecimiento de las plantas, aumentar las plagas y contribuir a la emisión de gases de efecto invernadero. También ocasiona la acumulación de metales tóxicos como el arsénico, el cadmio y el uranio pudiendo causar dalos a la salud (Kumar, et al., 2019).
1.4.3 Efectos ambientales de los fertilizantes químicos en el aire 
El excesivo uso de fertilizantes causa la contaminación al aire debido a que hay emisiones hacia la atmosfera de óxidos de nitrógeno en forma de NO2, N2O Y NO2. También desprenden sustancias como vapor de agua, dióxido de carbono, metano y sulfuro de hidrógeno. Los fertilizantes que contiene amonio y urea pueden llevar a general emisiones de amoniaco (NH3), dañando la vegetación al oxidarse Savci, 2012). La aplicación de fertilizantes químico está provocando la emisión de gases de efecto invernadero causando dalos a la capa de ozono y exponiendo al hombre a los rayos ultravioleta ((Kumar, et al., 2019).
1.5 Uso de fertilizantes en el futuro 
En 1950 los fertilizantes aportaban una mínima parte de nutrientes en los cultivos, el porcentaje más alto se centraba en la fertilidad natural del suelo y el uso de estierco, sin embargo, cada vez el porcentaje de fertilizantes necesarios para el cultivo va ascendiendo continuamente con el crecimiento poblacional, por lo que se espera que para el año 2020 el rendimiento de los cultivos dependa de los fertilizantes en un 70%. Se espera que en 2020 la población aumente en unos 2 300 millones de habitantes y para el 2050 que se haya duplicado, por lo que a mediados del siglo XXI la demanda de alimentos se triplique, aumentando la necesidad de utilizar fertilizantes (Shaviv, 2000). Para satisfacer las necesidades de la población la producción agrícola desde aumentarse significativamente creando tecnologías avanzadas y métodos de fertilización eficientes que disminuyan en gran medida los efectos ambientales (Atikur y Zhang, 2018).
1.6 Aplicación de la nanotecnología en los fertilizantes 
La nanotecnología puede transformar la agricultura proporcionando herramientas para la detección de estrés biótico y abiótico, así como en la detección de enfermedades en los cultivos, asimismo puede mejorar la capacidad de las plantas de para absorber agua, nutrientes y pesticidas. Además, áreas como la nanobiotecnología pueden ayudar a mejorar la comprensión de la biología de los cultivos, pudiéndose mejorar potencialmente sus valores nutricionales (Lira et al., 2018).
Los nanomateriales tiene hoy en día aplicaciones en las prácticas agrícolas en la protección y crecimiento de las plantas debido a su diminuto tamaño y a su relación área-volumen. Entre sus aplicaciones se encuentran materiales como las nanopartículas de quitosato que actúa como un eficiente pesticida, asimismo con la nanoeencapsulación es posible reducir algunos aspectos contaminantes como la lixiviación y la evaporación de sustancias nocivas. Según (Singh et al., 2017), algunos de los materiales nanotecnológicos con aplicaciones en los fertilizantes se encuentran: 
Nanopartículas de plata (Ag): Son utilizadas como pesticidas debido a sus propiedades antimicrobianas, su aplicación elimina microrganismos que son dañinos para las plantas. Además, estudios han demostrado que este material podría mejorar el potencial de germinación de semillas.
Nanopartículas de óxido de zinc: La deficiencia de zinc en los suelos alcalinos con carbonato de calcio afecta negativamente la producción agrícola, por ello se ha recurrido a la aplicación de nanopartículas de zinc para la solución de este problema, ya que proporciona de forma más soluble disponible el zinc requerido por las plantas y gracias a su tamaño permite una mayor interacción entre las bacterias.
2. Cáscaras de plátano
2.1 Tipos de plátano
Los cultivos de plátano son considerados como una de los más importantes en el territorio mexicano, este ocupa el segundo lugar de la producción de frutas tropicales. Dentro de los principales estados productores de plátano se encuentran Chiapas, Veracruz, Colima y Jalisco, estos aumentaron un 84.6% la producción en el año 2009 (García, 2013). 
En México se cultiva una gran variedad de plátanos (figura 1), entre los cuales se encuentran el criollo, dominico, enano gigante, macho, manzano, morado, pera, Tabasco y valery (Flores et al., 2014). 
Figura 1. Principales variedades de plátano en México. Fuente: SIAP, 2016
En la siguiente tabla se muestra los diferentes tipos de plátano que se producen en México, la superficie cosechada, el volumen de producción, así como el estado productor. 
Tabla 2. Principales estados productores de plátano en México. Fuente: Flores, 2014.
	Variedad de plátano
	Superficie cosechada (ha)
	Volumen de producción (ton)
	Rendimiento
(ton/ha)
	Estado productor
	Dominico
	2
	32
	16.0
	Colima
	
	100
	1,010
	10.1
	Michoacán
	
	2
	18
	11.7
	Nayarit
	
	1,150
	16,675
	14.5
	Puebla
	
	474
	7,018
	14.8
	Tabasco
	
	5,414
	62,826
	11.6
	Veracruz
	Enano 
	12,640
	535,081
	42.3
	Chiapas
	
	13
	260
	19.6
	Guerrero
	
	2,317
	96,387
	41.6
	Jalisco
	
	2,457
	112,358
	45.7
	Michoacán
	
	238
	2,840
	11.9
	Nayarit
	
	240
	11,359
	47.3
	Oaxaca
	
	150
	2,700
	18
	Quintana Roo
	
	7,633
	488,826
	64
	Tabasco
	
	2,629
	129,730
	49.3
	Veracruz
	Macho
	23
	293
	12.7
	Campeche
	
	5,903
	154,364
	26.2
	Chiapas
	
	239
	3,792
	15.9
	Colima
	
	1,081
	26,565
	24.6
	Guerrero
	
	55
	1,501
	27.5
	Jalisco
	
	730
	7,361
	10.1
	Michoacán
	
	281
	2,618
	9.3
	Nayarit
	
	2,542
	43,773
	17.2
	Oaxaca
	
	150
	1,721
	11.5
	Puebla
	
	2,325
	41,455
	17.8
	Tabasco
	
	4,368
	60,336
	13.8
	Veracruz
	Manzano
	58
	731
	12.6
	Chiapas
	
	43
	880
	20.5
	Colima
	
	10
	137
	13.4
	Guerrero
	
	125
	1,106
	8.8
	Michoacán
	
	757
	7,258
	9.6
	Nayarit
	
	172
	1,028
	6.0
	Oaxaca
	
	101
	640
	6.4
	Quintana Roo
	
	309
	3,229
	10.5
	Veracruz
	Morado
	14
	129
	9.5
	Nayarit
	
	73
	395
	5.4
	Oaxaca
	
	513
	6,659
	13
	Puebla
	
	285
	5,170
	18.1
	Veracruz
	Pera
	70
	219
	3.1
	Jalisco
	
	30
	250
	8.3
	Michoacán
	
	1,706
	21,886
	12.8
	Nayarit
	
	41
	213
	5.1
	Oaxaca
	Tabasco
	76
	873
	11.5
	Campeche
	
	3,959
	138,539
	35
	Colima
	
	188
	3,459
	18.4
	Guerrero
	
	18
	310
	17.2
	México
	
	113
	2,263
	20
	Michoacán
	
	70
	308
	4.4
	Quintana Roo
	Valery
	1,597
	39,592
	24.8
	Guerrero
	
	459
	16,273
	35.5
	Michoacán
	
	288
	17,075
	59.3
	Tabasco
2.2 Composición química de las cáscaras de plátano
Las cáscaras de plátano están compuestas principalmente por: celulosa (15%), hemicelulosa (15%) y ligna (60%), (Luna et al, 2015). Un estudio realizado por Anhwange et al. (2009), muestra que la concentración de potasio en las cáscaras de plátano es más alta (78.10 mg/g), a diferencia del contenido de calcio, sodio, hierro y manganeso, los cuales registraron un valor de 19.20, 24.30, 0.61 y 76.20 respectivamente. Estos materiales traen consigo muy buenos beneficios a la salud de las personas, como mantener la presión arterial controlar la insuficiencia renal, entre otras muchas ventajas o benéficos que las cáscaras proporcionan. 
Además, las cáscaras de plátano es una buena fuente de nutrientes debido a que estas contienen proteínas (0.9%9, lípidos (1.7%), carbohidratos (59%) y fibra cruda (31.70%). Estos ayudan a mejorar la salud y el bienestar en general de las personas. No obstante, las cáscaras de plátano también cuentan con anti-nutrientes los cuales también pueden ser dañinospara la salud si se consumen en grandes cantidades, los cuales son el cianuro de hidrogeno, cianuro de hidrogeno y oxalato (Anhwange et al., 2009). 
La cáscara de plátano puede ser una fuente de nutrientes en la preparación de alimentos para animales, ya que son ricos en proteínas, fibra y contenido mineral esencial. Esto dará como resultado dos beneficios de la alimentación de los animales y una estrategia adecuada para la reducción de desechos provocados por las cáscaras de plátano, ya que los desechos habrían constituido una molestia para el medio ambiente (Hassan, 2018).
2.3 Propiedades de las cáscaras de plátano
Las cáscaras de plátano son desechos agrícolas que todo el mundo considera como materia inútil. No obstante, se ha comprobado que este material pose es potencial absorbente incluso se ha usado para la remoción de metales pesado (Hossain et al., 2012). 
Los biosorbentes son materiales biológicos que pueden absorber contaminantes. La adsorción, el intercambio iónico y la cromatografía son procesos de sorción en los que ciertos materiales adsorbentes son transferidos selectivamente de una fase a otra fase (Kok Seng, 2018).
De acuerdo a Kok Seng (2018), las cáscaras de plátano son ricos en celulosa el cual puede adsorber cationes encontrados en el agua. Existe una gran variedad de cáscaras frutales que ayudan a la renovación de metales pesado, sin embargo, las cascaras de plátano son consideradas las mejores absorbentes, es un material valioso para limpiar el agua.
La investigación demostró que las cáscaras de plátano cuentan con nitrógeno, azufre y ácidos carboxílicos. Los ácidos son los responsables de unir los contaminantes tóxicos y eliminarlos del agua, incluso se ha demostrado que eliminan los metales igual de bien que algunas opciones tecnológicas más caras (Hossain, 2013). 
Se ha reportado que esté material es un excelente biosorbente para eliminar iones de cromo, cadmio y cobre. La adsorción de iones de metales pesados ​ se da debido como a la interacción fisioquímica, principalmente por el intercambio iónico o formación compleja entre iones metálicos y los grupos funcionales presentes en la superficie celular (Kok Seng, 2018).
2.4 Beneficios de las cáscaras de plátano 
Los componentes de las cáscaras de plátano como fertilizantes ayudan a los cultivos debido a que cuentan con nutrientes que ayudan en el crecimiento de las plantas. Además, como son materiales orgánicos no dañan al ambiente. Por ejemplo, el potasio logra que las plantas tengan raíces fuertes y también ayuda a regular las enzimas para que las plantas cuenten con tallos fuertes. 
El fosforo más que nada ayuda a las plantas para que estas produzcan de manera exitosa flores, polen y frutas. El calcio permite la descomposición de nutrientes del suelo, como el nitrógeno, y ayuda a otros minerales a moverse a través del sistema de una planta. Por último, el magnesio es compatible con la fotosíntesis, y como se sabe este es muy importante para el crecimiento de las plantas (Callon, 2017). 
2.5 Aplicaciones de las cáscaras de plátano
Las aplicaciones de las cascarás de plátano van a depender de su composición química. De acuerdo a Kudan (1962), al combinar las cáscaras de plátano al ser con otras sustancias se puede crear un ungüento el cual ayudara a reducir los dolores provocados por la artritis. Además, a las cáscaras de plátano se les ha considerado como una fuente natural de antioxidantes los cuales pueden ser usados para crear alimentos que tienen efectos para positivos para curar enfermedades del corazón, incluso tienen efectos contra el cáncer (Blasco, 2014). 
Por otro lado, las cáscaras de plátano también se usan para la obtención de celulosa y para la obtención de materiales compuestos (Gañan et al, 2004), debido a que estos materiales cuentan con fibras lignocelulósicas (Moreira, 2013). Los procesos utilizados para la obtención de celulosa son similares a los procesos de la industria papelera. 
Las cáscaras de plátano son excelentes para limpiar las aguas que han sido contaminadas con metales pesados, pues bien, así lo demuestra un estudio realizado por la Universidad Federal de São Carlos en el 2011 (Moreira, 2013), el cual dice que las estas materias primas al ser secadas y trituradas hasta ser polvo tienen la capacidad de remover algunos metales pesados de las aguas de una manera sencilla y eficaz. 
Los investigadores Richardson y castro (2011) han demostrado que la cáscara es capaz de absorber el plomo y el cobre de las aguas. Se dice que anteriormente estos investigadores habías usado las cáscaras de maní y las fibras de coco, sin embargo, fueron más efectivas las cáscaras picadas de plátano, ellos encontraron muy adecuado usar en un futuro estás cáscaras para purificar el agua contaminada que desechan las industrias y explotaciones agrícolas. Ellos también notaron que los costos de las cáscaras como purificadoras de agua sería bajos debido a que estas no necesitan ser preparadas quicamente para el procedimiento. 
Por otra parte, estos productos también han sido usados para elaborar fertilizantes orgánicos (Martínez et al., 1997). Por último, se han usado en la producción de energía por medio de la fermentación de las cáscaras de plátano. “El plátano se introducirá a un recipiente y se deja fermentar hasta crear ácido acético y poder realizar la conexión del circuito” (Moreira, 2013). 
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