Nutrición mineral e hidroponía

El punto más importante para un buen manejo hidropónico es la nutrición de la planta. La nutrición mineral ha tenido un impacto importante en el desarrollo de la agricultura moderna y, ha sido y sigue siendo una herramienta necesaria para comprender la fisiología de las plantas.

En la agricultura, los altos rendimientos están asociados a una adecuada fertilización, ya sea química u orgánica.

Para evitar la aparición de desórdenes fisiológicos en las plantas, los nutrientes deben ser repuestos en la solución nutritiva a través de sales o fertilizantes. Los fertilizantes que proveen nutrientes en las formas inorgánicas se llaman fertilizantes químicos; aquellos que provienen de residuos de plantas y animales se llaman fertilizantes orgánicos. En algunos casos las plantas absorben los nutrientes como iones inorgánicos.

La composición de una solución nutritiva es la base para producir cualquier cultivo hidropónico. La solución nutritiva en un sistema hidropónico tiene dos aspectos importantes: 1) la concentración de los elementos minerales en el agua y en la solución nutritiva y, 2) el balance de los elementos minerales en la solución nutritiva.

Los problemas nutricionales que ocurren en sistemas hidropónicos se deben principalmente a que se presta mayor atención a la solución de entrada que a la que está en el sistema; ambas soluciones siempre son y serán diferentes.

Pero la solución nutritiva que es más importante para la planta es la que está alrededor de las raíces y no la que entra al sistema. Obviamente la solución nutritiva de entrada también es importante porque tiene influencia directa sobre la solución nutritiva del sistema.

Absorción de agua y nutrientes

Las plantas absorben a través de su sistema radicular los minerales disueltos en el agua para satisfacer sus requerimientos nutricionales. La absorción mineral es un proceso muy eficiente. Los nutrientes minerales al ser absorbidos por las raíces, son translocados a las diferentes partes de la planta para su uso en funciones biológicas importantes.

La continua absorción de nutrientes disminuye su concentración cerca a la superficie radicular, generando un gradiente de concentración entre la solución nutritiva y el medio solido (sustrato) que cubre la raíz.

Luego que los nutrientes han sido absorbidos por las raíces, son incorporados en compuestos carbonados necesarios para el crecimientos y desarrollo, proceso al cual se le llama asimilación de nutrientes. Estos procesos frecuentemente involucran reacciones químicas altamente energéticas y dependen directamente de los agentes reductores generados a través de la fotosíntesis, como el nicotin adenin dinucleotido fosfato reducido (NADPH).

Cuando las condiciones de crecimiento son favorables, aumenta la absorción de agua para la transpiración, lo cual ayuda al enfriamiento de la planta sobre todo cuando se avalúa la temperatura.

Cuando la temperatura es alta, la demanda de agua es mayor que la demanda de nutrientes; en este caso la concentración de sales de la solución nutritiva puede aumentar.

Al hacer el análisis del tejido de una planta cualquiera, se puede encontrar en su constitución trazas de plata, aluminio, plomo, estroncio y muchos otros elementos minerales, pero no todos juegan un rol importante en el metabolismo de la planta, lo cual significa que, la sola presencia de un elemento mineral no prueba que sea esencial para esta.

De acuerdo al concepto de esencialidad de Arnon y Stout (1993), un elemento esencial cumple un rol fisiológico y/o estructural importante y, ante su falta, la planta no puede completar su ciclo de vida.

Son 16 elementos esenciales, de los cuales 13 son minerales. De acuerdo a la concentración relativa en que se encuentran en los tejidos, los elementos esenciales se clasifican en macronutrientes y micronutrientes. El carbono (C) es obtenido del dióxido de carbono (CO2); el hidrógeno (H) y el oxígeno (O) son obtenidos del agua y oxigeno; a partir de estas moléculas orgánicas, las plantas elaboran un gran número de moléculas orgánicas. Estos tres elementos constituyen casi el 96% de la materia seca de la planta (Cuadro 1) y el 4% que resta, está constituido por los elementos minerales.

Cuadro 1: Elementos esenciales y sus concentraciones en tejidos vegetales

Elemento Símbolo químico

Forma Disponible Concentración en Tejido Seco

Obtenido del H 2OoC O2Carbono C CO2 45.0%Oxigeno O O2 45.0%Hidrógeno H H 2O 6.0%Obtenida del SueloNitrógeno N N O3

−¿ , N H 4+¿¿¿ 1.5%

Potasio K K+¿ ¿ 1.0%Calcio Ca C a2+¿ ¿ 0.5%Fosforo P H 2PO4

−¿ , HPO4¿ ¿ 0.2%

Magnesio Mg M g2+¿¿ 0.2%Azufre S SO4

¿ 0.1%

Hierro Fe Fe2+¿ , Fe3+¿¿¿ 100.00 ppmCloro Cl C l−¿ ¿ 100.0 ppmManganeso Mn M n2+¿ ¿ 50.0 ppmBoro B BO3

−¿−¿−¿ , B4O7¿ ¿ 20.0 ppm

Zinc Zn Zn2+¿¿ 20.0 ppmSodio Na N a+¿ ¿ 10.0 ppmCobre Cu Cu2+¿¿ 7.0 ppmMolibdeno Mo MoO 4

¿ 0.1 ppm

Fuente: Taiz, L. y Zeiger, E. (1998).

1 ppm (parte por millón) = 1mg/kg de materia seca.

Los macronutrientes son: Nitrógeno (N), Fosforo (P), potasio (K), Calcio (Ca), Magnesio (Mg) y Azufre (S), los tres primeros (N, P y K) son macronutrientes principales y los tres últimos (Ca, Mg, y S) macronutrientes secundarios. Los micronutrientes son: cloro (Cl), hierro (fe), manganeso (Mn), boro (B), cobre (Cu), zinc (Zn), y Molibdeno (Mo).

A pesar de que los micronutrientes se requieren en concentraciones muy bajas, estos desempeñan funciones vitales para el crecimiento y desarrollo de las plantas.

El sodio no es un elemento esencial para la mayoría de cultivos, pero si es esencial en aquellas plantas que crecen en ambientes salinos (plantas CAM, y algunas plantas C4).

En los sistemas hidropónicos todos los nutrientes minerales esenciales deben estar en la solución nutritiva en concentraciones adecuadas para lograr una nutrición balanceada de las plantas, y por lo tanto, obtener mayores rendimientos.

Por otro lado, Mengel y Kirkby (1987), clasificaron los elementos minerales de acuerdo a su función bioquímica en las plantas.

Nutrientes que forman compuestos orgánicos: N y S Nutrientes que son importantes en el almacenamiento de energía e integridad estructural: P,

B y Si Nutrientes que permanecen en forma iónica: K, Na, Mg, Ca, Mn y Cl. Nutrientes que están involucrados en el transporte de electrones: Fe, Cu, Zn y Mo.

Algunas de las funciones de los elementos minerales esenciales son:

1. Nitrógeno (N): Constituye parte de un gran número de compuestos orgánicos necesarios para el crecimiento y desarrollo de las plantas; compuestos como aminoácidos, proteínas, coenzimas, ácidos nucleicos, clorofila, citocromos, etc.

2. Fosforo (P): Forma parte de compuestos orgánicos importantes como azucares fosforilados, adenosin trifosfato (ATP), ácidos nucleicos, ciertas coenzimas y en los fosfolípidos de las membranas celulares.

3. Potasio (K): No forma parte estructural de compuesto celular alguno pero actúa como activador de enzimas; ejemplo, está involucrado en la síntesis de almidón, activando la enzima almidón sintetasa. Mejora la incorporación de los aminoácidos en proteínas e interviene en el mecanismo de apertura y cierre de estomas.

4. Calcio (Ca): Es importante en zonas meristemáticas donde ocurre división celular. A menudo se encuentra precipitado como cristales de oxalato de calcio en las vacuolas. Se encuentra también como pectado de calcio en las paredes celulares, dándole rigidez a la pared celular. También es activador de enzimas entre ellas la α−¿ amilasa, que degrada el

almidón. Controla la velocidad de la respiración y reduce la producción del gas etileno, responsable de la maduración de los frutos.

5. Magnesio (Mg): Forma parte estructural de la molécula de clorofila y es necesario para la actividad de varias enzimas que intervienen en el metabolismo de los carbohidratos. También es necesario para la activación de varias enzimas que intervienen en la fotosíntesis, respiración y en la formación del ATP (adenosin trifosfato), ADN (ácido desoxiribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico). Es esencial para mantener la estructura del ribosoma.

6. Azufre (S): Forma parte de los aminoácidos cistina, cisteína y metionina y, de las proteínas que los contienen. También forma parte de las vitaminas biotina y tiamina. Se encuentra en la coenzima A, compuesto esencial para la respiración, síntesis y degradación de los ácidos grasos.

7. Hierro (Fe): Es esencial para la síntesis de la clorofila. Forma parte de los citodromos, actuando como portador de electrones en la fotosíntesis y respiración. Como ferrodoxina interviene en el proceso de asimilación del nitrato, al participar en la reducción del nitrito a amoniaco. Es constituyente de enzimas como la catalasa y la citocromo oxidasa.

En la Figura 1, se muestra el efecto de la falta total de siete elementos esenciales (N, P, K, Ca, Mg, S, y Fe) sobre el crecimiento de plantas de camote. Una deficiencia severa de los tres macronutrientes principales (N, P y K) afecta drásticamente el crecimiento.

8. Cloro: Es necesario para la fotosíntesis, donde actúa como activador de enzimas para la producción de oxígeno a partir del agua. Forma parte de la auxina acido 4-cloroindol-3-acetico (4-Cl-IAA), que es una hormona de crecimiento. Es esencial para la división celular en raíces y hojas.

9. Manganeso (Mn): Participa directamente en la producción de oxigeno durante la ruptura de la molécula del agua en la fotosíntesis. Juega un rol estructural en la membrana del cloroplasto. Es activador de varias enzimas, entre ellas, las que intervienen en la síntesis de ácidos grasos y en la formación del ADN y ARN.

10. Boro (B): Participa en el transporte de azucares en el floema. También es importante en los procesos de división, diferenciación, respiración y desarrollo celular.

11. Zinc (Zn): Se requiere para la síntesis del aminoácido triptófano, el cual es precursor de la auxina ácido indolacético (IAA). También participa en la activación de algunas enzimas del tipo deshidrogenasas.

12. Cobre (Cu): Interviene en los procesos de la fotosíntesis y en la respiración al actuar como transportador de electrones y formar parte de algunas coenzimas.

13. Molibdeno (Mo): Interviene en la reducción del nitrato a nitrito a través de la enzima nitrato reductasa, y también es esencial en bacterias fijadoras de nitrógeno.