El fósforo (P) es un elemento químico, con número atómico 15 y peso molecular de 40 g mol-1. El P, es uno de los seis elementos más importantes para la vida, como también lo son el carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, y forma parte de biomoléculas sin las cuales no podríamos vivir. Además, conforma del 2 al 4% del peso seco de la mayoría de las células.
El fósforo en forma de ortofosfato (PO4-) es el esqueleto que, unido por medio de un enlace covalente a un azúcar (ribosa o desoxirribosa), brinda soporte estructural a las moléculas de ácidos nucleicos, el ADN y el ARN, moléculas indispensables que contienen la información genética de todos los seres vivos, y que se traducen en señales químicas y proteínas, sin las cuales las células no podrían realizar sus funciones (Figura 1).
Figura 1. El P en los ambientes agrícolas es tomado por todas las células de la solución del suelo en forma inorgánica (PI) ortofosfato (PO4-) orgánica de bajo peso molecular (Pn). Una vez que el P ingresa a la célula, ésta lo transforma en diferentes moléculas esenciales para el funcionamiento. Las moléculas se especifican en la imagen. Créditos de la imagen: Fernanda Hernández
El P forma parte de moléculas que guardan enlaces de alta energía, como el adenosín trifosfato (ATP) y el guanosín trifosfato (GTP), nucleótidos unidos a tres grupos fosfato que al romperse (hidrolizarse) liberan la energía necesaria para llevar a cabo diversas reacciones bioquímicas necesarias para el funcionamiento de las células de todos los seres vivos. Cada proceso biológico o fisiológico involucra la pérdida o ganancia de energía mientras que cada forma de intercambio de energía dentro de las células involucra la síntesis o ruptura de estos enlaces entre grupos fosfato y moléculas orgánicas. Dichos procesos se han llevado a cabo desde los primeros seres vivos hasta las especies que existen hoy en día.
Además de las biomoléculas indispensables para formar las células, algunos organismos como las bacterias producen compuestos fosfatados que han sido de gran utilidad para los seres humanos pues pueden ser utilizados como fármacos y antibióticos. Por ejemplo, la fosfomicina, producida por bacterias del género Streptomyces, mientras que el P en los animales vertebrados es parte de los huesos y dientes en forma del mineral hidroxiapatita.
Ningún elemento de la tabla periódica puede sustituir al fósforo en la síntesis de biomoléculas tan esenciales como el ADN. En 2011, se propuso que existían bacterias provenientes de sitios muy limitados por P, capaces de sustituir el fósforo por arsénico (As) en los ácidos nucleicos, debido a que ambos elementos son análogos químicos. El As se encuentra ubicado justo debajo del P en la tabla periódica, posee un radio atómico similar y tiene una electronegatividad casi idéntica, además la forma de P más común utilizada por la vida es el anión fosfato (PO43-), que se comporta de forma muy similar al arsenato (AsO43-) en el rango de pH y gradientes redox relevantes biológicamente. Sin embargo, este estudio fue refutado posteriormente, ya que se encontró que las proteínas transportadoras bacterianas que se encargan de llevar el P hacia el interior de las células eran capaces de discriminar entre As y P, incluso cuando el arsenato se encontraba en exceso. Esto último es una estrategia de las bacterias para evitar concentraciones altas en As dentro de la célula ya que este es un elemento muy tóxico (debido a su similitud con el P, lo sustituye en diversas reacciones bioquímicas, además de que interfiere en diversos procesos metabólicos como la respiración celular), mostrando cómo los microorganismos evolucionaron para poder extraer todo el P posible de ambientes limitados en este nutriente, pero ricos en As.
Los microorganismos que habitan en sitios altamente oligotróficos (deficientes) en P han desarrollado distintas herramientas para su obtención, como la producción de enzimas extracelulares, también conocidas como exoenzimas o ecoenzimas, que permiten el reciclaje de moléculas orgánicas fosfatadas fuera de las células microbianas. La producción de fosfomonoesterasas y fosfodiesterasas permiten a los microorganismos obtener fósforo inorgánico a partir de las moléculas organofosforadas más comunes (ácidos nucleicos, fosfolípidos, fosfatos de inositol). Sin embargo, los microorganismos acuáticos y terrestres también pueden obtener el P a partir de moléculas organofosforadas menos abundantes en el suelo y más difíciles de degradar, como los fosfonatos (moléculas orgánicas con un enlace directo C-P). Existen fosfonatos naturales como el 2-aminoetil-fosfonato y el dietil-fosfonoacetaldeído los cuales, al degradarse por enzimas específicas como fosfonatasas y C-P liasas, liberan el P de forma inorgánica y por lo tanto pueden ser utilizados como fuente de P por bacterias provenientes de suelos con limitación extrema de P, como los suelos del desierto de Cuatro Ciénegas. Fosfonatos artificiales, sintetizados en laboratorio, como el herbicida glifosato (n-fosfonometil glicina) ampliamente utilizado en la agricultura moderna, también pueden ser degradados y utilizados como fuente de P por aquellos microorganismos que tienen las herramientas enzimáticas para hacerlo.
Sin embargo, las plantas no pueden absorber moléculas orgánicas con P por sus raíces, por lo que la mineralización de estos compuestos (transformación de moléculas orgánicas a moléculas inorgánicas) por parte de enzimas microbianas, es un mecanismo importante para aumentar la disponibilidad de P en el suelo y por lo tanto su fertilidad.
Otro mecanismo que aumenta la disponibilidad de P es la solubilización. El P es un elemento altamente reactivo, que puede adsorberse (adherirse en superficies), precipitarse (transformarse en compuestos insolubles) y ocluirse (quedar atrapado entre otras moléculas debido a los mecanismos anteriores) al reaccionar con otros minerales del suelo como el aluminio (Al), hierro (Fe) y calcio (Ca), quedando en formas químicas no disponibles para plantas y microorganismos. Microorganismos como bacterias y hongos son capaces de solubilizar el P inorgánico no disponible por medio de la acidificación del medio, al liberar protones (H+), o ácidos orgánicos como ácido cítrico, ácido glucónico y ácido succínico.
Figura 2. La imagen es una representación gráfica de cómo el uso desmedido del fertilizante fosfatado nos ha permitido sobreexplotar nuestros suelos y generar alimento desbalanceado nutricionalmente. El C:N:P representa el cociente elemental carbono: nitrógeno: fósforo. Créditos de la imagen: Fernanda Hernández.
En el laboratorio de Microbiómica de la Escuela Nacional de Estudios Superiores (ENES) Unidad Morelia de la UNAM, se desarrolla una línea de investigación que busca entender cómo los microorganismos, bacterias y hongos de los suelos de uso agrícola, reciclan naturalmente el P (mediante los procesos explicados anteriormente) con el objetivo de reducir la utilización de fertilizantes fosfatados. En la actualidad hacemos un uso desmedido de este fertilizante, gracias a lo cual podemos producir grandes cantidades de alimentos enriquecidos en P (Figura 2). Lo que ha generado dos grandes problemas: que el consumo de P per cápita (2.8 kg/año) esté muy por encima de lo que se requiere (1.1 kg/año) causando que el exceso se acumule como grasa y que grandes concentraciones que son aplicadas en los sistemas agrícolas se lixivien a los cuerpos de agua causando problemas de eutrofización. La eutrofización consiste en el enriquecimiento de nutrientes en ecosistemas acuáticos, lo que ocasiona un aumento desmedido de algas y fitoplancton los cuales evitan que la luz penetre a capas inferiores de los cuerpos de agua, afectando procesos como la fotosíntesis, además de que aumentan el consumo del oxígeno disuelto, ocasionando la muerte de otros organismos acuáticos. Es importante saber que el P es un recurso finito, que sin P no hay vida y sin P no hay alimento. Realizar investigación que nos permita conocer las alternativas al uso eficiente de este elemento es una parte muy importante de nuestra seguridad alimentaria.
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