En este artículo se analiza la importancia que para estos cultivos tiene el desarrollo de la mejora genética dirigida con fines agroenergéticos, su efecto sobre el medio ambiente y las perspectivas futuras que dichos cultivos tendrán en un contexto de agricultura sostenible.

Luis López Bellido y Rafael J. López-Bellido Garrido. Departamento de Ciencias y Recursos Agrícolas y Forestales de la Universidad de Córdoba.

Las características más importantes de las plantas para la mejora del rendimiento y la calidad como cultivos bioenergéticos son los siguientes:

1. Características para la mejora del rendimiento:
   – Maximizar la interceptación de la radiación solar (vigor temprano, resistencia a heladas, cubierta cerrada, características de la hoja para una eficiente captura de la luz).
   – Maximizar el uso eficiente de la radiación (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 (evitación y tolerancia a la sequía, profundidad de la raíz).
   – Optimización de la sostenibilidad ambiental (reciclado eficiente de nutrientes, distribución raíz/parte aérea).
2. Características para la mejora de la calidad:
   – Facilidad de recolección y almacenamiento.
   – Idoneidad para las tecnologías de conversión térmica.
   – Idoneidad para las tecnologías de conversión biológica.
   – Salud y seguridad.

Al mismo tiempo, la mejora genética de los cultivos convencionales para un uso potencial para biocombustibles puede hacer un rápido progreso, debido a que se construye sobre las bases de un conocimiento preexistente y colecciones de germoplasma. La mejora genética de plantas puede incrementar los rendimientos de biomasa y etanol de los cultivos y su actuación agronómica y confiabilidad; por ejemplo, a través de la tolerancia al estrés (sequía, calor o salinidad, entre otros) y resistencia de las plantas huésped a los patógenos y plagas.

Una amplia base de recursos genéticos, especialmente de gramíneas perennes silvestres y semidomesticadas, y especies de plantas leñosas productoras de almidón, aceite y lignocelulosa, están disponibles para la selección, la mejora y ser modificadas genéticamente con el objetivo de desarrollar cultivos energéticos favorables al medio ambiente. Especies de plantas con crecimiento rápido, tolerantes a estrés biótico y abiótico y bajos requerimientos para pretratamientos biológicos, químicos o físicos, están siendo evaluadas como potenciales cultivos energéticos.

La investigación mundial incluye programas de mejora para desarrollar nuevas variedades, con fenotipos interesantes en términos de crecimiento y resistencia, pero también en términos más específicos relacionados con la biorrefinería, por ejemplo con respecto a la composición de la pared celular. La investigación también incluye la ingeniería genética.

Figura 1. Investigación biotecnológica en bioenergía basada en la genómica. El nivel de información genómica (recuadros verdes) llevará al descubrimiento de genes (recuadros amarillos), los cuales a su vez pueden ser traducidos en la mejora biotecnológica de las materias primas (recuadros azul claro). Además de la investigación en biología de plantas, estudios utilizados microoganismos (recuadros azul oscuro) son también importantes (Adaptado de Yuan et al., 2008)

Las modificaciones genéticas recientes y los esfuerzos de la mejora genética en los cultivos energéticos tienen como objetivo la mejora del rendimiento de biomasa, la calidad y la eficiencia de la conversión. Asimismo, la mejora en la composición y la estructura bioquímica en los cultivos energéticos permitirán la producción de más energía por tonelada de biomasa y mejorará su valor calórico, perfil GEI y potencial mitigación del cambio climático global. Las nuevas investigaciones genéticas están orientadas a la mejora del acceso, a nivel molecular, de enzimas a los compuestos celulósicos que están ligados en formas complejas a las estructuras de la lignina. Estudios genómicos comparativos, utilizando modernas herramientas biotecnológicas, pueden permitir inferencias lógicas y el aprendizaje; y eventualmente pueden ser transferidos genes entre especies alejadas del cereal (por ejemplo, las características lignocelulósicas de la caña de azúcar, sorgo, maíz y arroz) (figura 1).

Los híbridos de cultivos específicos dedicados a energía son factibles a medio y largo plazo, y sin duda mejorarán la biomasa y la mitigación del cambio climático global. Los criterios para el desarrollo de los nuevos híbridos dedicados al cultivo para energía incluyen: (i) cultivo de semillas de gran tamaño con establecimiento vigoroso para simplificar los sistemas de producción de biocombustibles; (ii) floración retrasada mediante fotoperiodismo para mejorar la mayor acumulación de biomasa y prevenir potencialmente los riesgos de malas hierbas y de las enfermedades transmitidas por semilla; y (iii) esterilidad genética o citoplásmica o amplia hibridación para permitir mayor producción de bioenergía y potencial reducido de invasividad.

Bioenergía y medio ambiente

Figura 2. Factores que necesitan ser considerados en la realización del potencial de bioenergía (Adaptado de Lynch, 2011).

La producción y el consumo de biocombustibles han aumentado espectacularmente en los últimos años, en gran medida impulsados por políticas orientadas a mejorar la seguridad energética, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y facilitar el desarrollo agrícola. Este crecimiento rápido 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 sólida sobre la cual se fundamenten las políticas relacionadas con los biocombustibles (figura 2).

La energía de los cultivos agrícolas puede mitigar un acentuado efecto de gas invernadero a causa del secuestro neto del C atmosférico en el C orgánico del suelo. La energía de las plantaciones de cultivos arbóreos de corta rotación o los cultivos herbáceos pueden ser manejados potencialmente a favor del secuestro de C en el suelo.

El uso de la tierra afecta la dinámica del pool de C orgánico del suelo, aunque los datos sobre la variabilidad espacial y temporal del mismo bajo los cultivos arbóreos o herbáceos son escasos debido a la falta de estudios a largo plazo bien diseñados. La tasa de acumulación de C orgánico en el suelo depende de la historia del uso de la tierra, el tipo de suelo, tipo de vegetación, ciclo de cosechas y otras prácticas de manejo. Las tasas reportadas de secuestro de C orgánico del suelo varía de 0 a 1,6 t C ha-1 año-1 en especies arbóreas de crecimiento rápido (rotaciones cortas) y de 0 a 3 t C ha-1 año-1 bajo cultivos herbáceos. El desarrollo de sistemas de cultivos energéticos podría ser una estrategia efectiva para reducir los efectos de alteración del clima producidos por las emisiones antropogénicas de CO2. Comparados con los combustibles fósiles, la combustión de los biocombustibles puede emitir menos gases invernadero a través de su ciclo de vida, considerando que parte del CO2 emitido retorna a la atmósfera donde es fijado en primer lugar por la fotosíntesis (cuadro I).

Cuadro I. Análisis del Ciclo de Vida de los cultivos energéticos (Adaptado de Davis et al., 2009)

¹ Diferencia entre la energía útil producida a partir de un cultivo energético y la cantidad de energía requerida en la producción de este biocombustible (megajulios/m²).

² Relación entre la cantidad de energía producida del biocombustible y la cantidad de energía de combustible fósil requerida en el proceso de producción.

³ Balance de gases de efecto invernadero (GEI) resultante de la producción del cultivo energético.

⁴ Cantidad de GEI que es reemplazada por el uso del biocombustible en lugar del combustible fósil.

Se entienden como prácticas de manejo sostenible en determinadas áreas de tierras, el asegurar que los niveles de reserva de C en ellas no decrecen sistemáticamente con el tiempo. Esto es un aspecto clave, cuando se comparan las emisiones de CO2 de los biocombustibles y los combustibles fósiles. En realidad, el interés fundamental de la neutralidad de C de la biomasa combustionada está basado en el hecho que el CO2 emitido por las plantas de origen proviene de la atmósfera donde eventualmente retorna. El contenido de C orgánico del suelo puede también decrecer a largo plazo como consecuencia de la exportación de los residuos de la agricultura. Por ello, es necesario valorar la cantidad de residuos netos de los cultivos que podrían estar disponibles para la cadena de bioenergía 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 emisión de GEI y suministrando materias primas para la bioenergía. Las tecnologías de producción industrial pueden proporcionar nuevos usos para las materias primas agrícolas.

El uso de la biomasa no implica automáticamente que su producción, conversión y utilización sea sostenible. Los conflictos entre los varios servicios de los ecosistemas (producción económica de alimentos, forrajes y combustibles, biodiversidad, valores sociales y culturales, etc.) que suministran las tierras agrícolas están aumentando. Hay una cantidad significativa de estudios e información 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 energéticos y consecuentemente sobre los biocombustibles y su sostenibilidad, especialmente en los últimos años.

Sin embargo, en un mundo en la búsqueda de soluciones a sus necesidades energéticas, medio ambiente, y al desafío alimentario, la sociedad no puede permitirse el lujo de perder la reducción 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 producción de alimentos.

La industria de los biocombustibles puede tener muchos atributos sociales y ambientales positivos, pero también 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 fértiles de nuestros cultivos más productivos, podría prevenir una competencia con la producción de alimentos y sobre los precios; así como reducir al mínimo o incluso evitar la deuda de carbono asociadas con la deforestación. Sin embargo, las tierras marginales también pueden ser ricas en biodiversidad, y pueden requerir aportes considerables de nutrientes y agua para que la producción de biocombustibles sea viable económicamente, y puede llevar a no percibir el coste de oportunidad del futuro secuestro de carbono.

A escala mundial, la producción de una importante cantidad de energía con biocombustibles requerirá una gran cantidad de tierra, quizás tanta como la requerida en la actualidad por los cultivos alimentarios. Ello cambiaría el paisaje de una forma significativa. La identificación  temprana de las consecuencias imprevistas en el desarrollo de estrategias de los biocombustibles ayudará a evitar errores costosos y lamentar los efectos sobre el medio ambiente. Políticas que apoyen la sostenibilidad a largo plazo, tanto de nuestro paisaje como de nuestra atmósfera, son esenciales si hemos de diseñar una economía baja en C, que es sustancialmente mejor que lo habitual. Los sistemas sostenibles de producción de biocombustibles podrían desempeñar un papel muy positivo en la mitigación del cambio climático, en mejorar la calidad ambiental y en el fortalecimiento de la economía global, pero ello tendrá sentido si la política está basada en el conocimiento científico y se lleva a cabo un esfuerzo de investigación adicional para que así sea.

Hasta ahora, la opción más convincente para la producción 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 agrícola. El uso de dichas tierras minimiza la competencia con los cultivos alimentarios y también el potencial directo e indirecto de desmonte de tierras asociado con la expansión de los biocombutibles; así como la creación resultante de deuda de carbono a largo plazo y la pérdida de biodiversidad. Algunos análisis iniciales sobre el potencial global de las tierras degradadas sugieren que podrían satisfacer en cantidades significativas la actual demanda mundial de combustibles líquidos para el transporte. La opción de utilizar los residuos de cosecha de los cultivos alimentarios, como el rastrojo de maíz y la paja de arroz y trigo, entre otros, es un asunto más controvertido. La investigación 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 extracción 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 producción de bioenergía figuran:

• Uso y cambio de uso de la tierra.
• “Huella del agua” de los cultivos energéticos.
• Impacto de los cultivos energéticos en la biodiversidad.
• Cambio climático, secuestro de C y mitigación de GEI (balance y ciclo de vida).
• Mantenimiento de la fertilidad del suelo.

Perspectivas y nuevos retos de la bioenergía

La búsqueda de formas de energía renovables que emitan menos gases invernadero, en relación con los combustibles fósiles, es probablemente uno de los principales retos para la próxima generación de científicos e ingenieros. La mejor eficiencia y una amplia variedad de posibilidades de tecnologías verdes renovables, ofrecen alguna luz al final del túnel.

Unos de los grandes desafíos de la bioenergética es la producción sostenible de biocombustibles. Hacer frente a la barrera de la biomasa recalcitrante requerirá un mayor entendimiento de cómo las paredes celulares de las plantas están formadas y cómo ellas son deconstruidas por microorganismos y enzimas. A más largo plazo la producción de fotobiohidrógeno y la fotosíntesis artificial tendrán posibilidades. En todos los casos, la alta huella de C, el secuestro de tierra, la pérdida de biodiversidad y otros problemas también deben ser abordados.

La biomasa representa un recurso abundante y renovable de C neutral para la producción de bioenergía y biomateriales, y su utilización mejorada abordaría varias necesidades de la sociedad. Los avances en genética, biotecnología, procesos químicos e ingeniería están conduciendo a un nuevo concepto de fabricación, para convertir la biomasa renovable en un valioso combustible y en otros productos generalmente referidos como la biorrefinería. La integración de los cultivos agroenergéticos y las tecnologías de fabricación de la biorrefinería ofrecen el potencial para el desarrollo de la bioenergía sostenible y de los biomateriales que conducirán a un nuevo paradigma de fabricación. La visión de la biorrefinería contribuirá a la sostenibilidad no sólo por su inherente dependencia de los biorrecursos sostenibles sino también por el reciclado de residuos, con la tendencia de todo el proceso entero hacia la conversión de C neutral. Una biorrefinería integrada es un enfoque que optimiza el uso de la biomasa para la producción de biocombustibles, bioenergía y biomateriales, de forma sostenible tanto a corto como largo plazo. La demanda de las futuras biorrefinerias estimulará más avances en la agricultura con la utilización de plantas perennes a medida y de árboles que suministrarán mayores cantidades de biorrecursos.

El futuro de la bioenergía dependerá de múltiples tecnologías, y visto desde una perspectiva biotecnológica de las plantas, éste requerirá un enfoque del entendimiento de la fotosíntesis de la pared celular, del desarrollo de las plantas y de la producción metabólica. Colectivamente, estos enfoques llevarán a un coste más efectivo de la deconstrucción de la biomasa lignocelulósica y a una producción de energía más sostenible.

La investigación en bioenergía es un nuevo paradigma en la investigación multidisciplinar. Un ejemplo es el Bioenergy Science Center (BESC), que está esponsorizado por el Departamento de Energía 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 generación de modelos, teorías y procesos que puedan ser usados para superar la dificultad de la biomasa para la producción sostenible de los biocombustibles.

Entre las prioridades de investigación en bioenergía, pueden destacarse los siguientes:

1. Investigación en cereales, enfocada a la biorrefinería avanzada: mejora del almidón 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 características para la producción de polímeros y bioplásticos.
3. Elección de especies de cultivos específicos adaptados según las condiciones agroecológicas y económicas.
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 fotosintética y tolerancia a sequía de los cultivos energéticos.
6. Biocombustibles y ácidos grasos producidos por algas o cianobacterias: ácidos grasos omega 3 (algas marinas); optimización de la capacidad fotosintética de las algas para producir biocombustibles.

Finalmente, también existen oportunidades para formar y educar en un amplio rango de campos relacionados con la bioenergía, en conceptos básicos tales como: ciclo de C, biomasa lignocelulósica como substrato para la producción de biodiésel, y obstáculos técnicos y económicos para una economía basada en los biocombustibles. l