Obteniendo energía y fertilizante orgánico a partir de los residuos del nopal

Bruno Manuel Chávez Vergara

Cuando piensas en un nopal, probablemente imaginas un tipo de hoja verde muy gruesa y llena de espinas, que forma parte de deliciosos platillos mexicanos (Figura 1). Pero ¿te has preguntado qué pasa con las partes del nopal que no se utilizan? Ésas pueden transformarse en algo sorprendente: biogás y fertilizante natural. Esta transformación se logra gracias a un tipo muy especial de descomposición de los residuos orgánicos que hemos aprendido a controlar: la digestión anaerobia.

La descomposición de la materia orgánica: aerobia y anaerobia

La descomposición de la materia orgánica es un proceso en el cual los restos de plantas, animales, incluidos los residuos de alimentos, se transforman en compuestos más simples. Durante este proceso, pasan de tejidos a pequeñas moléculas orgánicas y de éstas a nutrientes esenciales. Este proceso ocurre gracias a la acción de microorganismos, mediante dos rutas diferentes: aerobia y anaerobia (1):

✦ Descomposición aerobia: En esta ruta, las bacterias y hongos usan el oxígeno y lo combinan con las moléculas orgánicas, como las proteínas. Con ello producen dióxido de carbono (CO₂), agua, calor y liberan nutrientes esenciales, como el nitrógeno y el fósforo, a formas que pueden ser asimiladas por las plantas, como amonio y fosfatos. Este tipo de descomposición ocurre en los suelos y los compostajes caseros.

✦ Descomposición anaerobia: Ocurre cuando no hay oxígeno, como en los fondos de cuerpos de agua, el tracto digestivo de los rumiantes o incluso en las partes de los basureros que no están expuestas al aire (como en el fondo de las pilas de basura). En este caso, organismos unicelulares, como bacterias y arqueas (microbios muy antiguos y resistentes que viven incluso donde las bacterias no pueden), descomponen la materia orgánica por una ruta donde se generan gases como metano (CH₄) y el sulfuro de hidrógeno (H₂S), además de líquidos ricos en minerales y compuestos orgánicos como ácidos orgánicos, alcoholes y fibras no descompuestas. La descomposición anaerobia puede generar malos olores y contribuir al cambio climático, si los gases no son manejados adecuadamente.

¿Qué es la digestión anaerobia?

La digestión anaerobia es un proceso biotecnológico donde diferentes tipos de microorganismos trabajan en conjunto dentro de equipos llamados biorreactores. Sin embargo, como en las fábricas donde no se puede hacer todo en un mismo sitio, existen obreras (en este caso son obreras microbianas) especializadas dentro de los biorreactores de digestión anaerobia, quienes son fundamentales para que cada etapa suceda de forma ordenada y eficiente (2). Vamos a explorar estas etapas usando el proceso de transformación de los residuos del nopal como ejemplo (Figura 2).

Etapa 1. Hidrólisis: rompiendo moléculas. Cuando introduces los restos de nopal (como orillas, espinas y partes que no se consumen) en un digestor anaerobio, lo primero que ocurre es la hidrólisis de las moléculas complejas, pero menos resistentes a la hidrólisis que la lignina. Aunque la lignina es casi una cuarta parte de la masa seca del nopal, ésta casi no se modifica durante la digestión anaerobia. La hidrólisis es una reacción química donde las moléculas complejas se rompen con ayuda de enzimas que producen las obreras microbianas. Imagina que las enzimas son pequeñas tijeras que cortan las moléculas grandes. En esta etapa, las obreras microbianas son las bacterias hidrolíticas; ellas rompen a los grandes compuestos orgánicos del nopal, como son los carbohidratos, las proteínas y las grasas (Figura 1). Lo cual resulta en moléculas orgánicas más pequeñas, como azúcares, aminoácidos y ácidos grasos, respectivamente, que alimentarán a la siguiente etapa en nuestra fábrica de energía y fertilizante.

Etapa 2. Acidogénesis: creando ácidos. En este punto, otro grupo de obreras microbianas, llamadas bacterias acidogénicas, reciben a las moléculas pequeñas y las transforman en ácidos orgánicos (acético, butírico o propiónico), alcoholes (etanol o butanol), y otros compuestos orgánicos intermedios (como lactato, succinato, formiato). No todas las moléculas se transforman de la misma forma. Por ejemplo, la glucosa se convertirá en ácido butírico. Los aminoácidos (como la cisteína), en ácido acético y los ácidos grasos (como el ácido palmítico), en ácido acético o ácido propiónico. Esto último depende de las condiciones del reactor, como el pH, la temperatura, la disponibilidad de nutrientes y la cantidad de hidrógeno disuelto. En esta etapa también se liberan gases como el dióxido de carbono (CO₂), el hidrógeno (H₂), el amoniaco (NH₃) y el sulfuro de hidrógeno (H₂S). Estos dos últimos son gases de olor desagradable y en elevadas concentraciones pueden ser tóxicos. Pero no te preocupes, todo está bajo control en los reactores.

Etapa 3. Acetogénesis: refinando el producto. En esta etapa, los ácidos orgánicos, alcoholes e hidrógeno molecular (H₂) se convierten en ácido acético. Éste es el mismo del que está compuesto el vinagre, ¡ahora nos podemos imaginar a que huele la acetogénesis! Todo el trabajo de esta etapa lo llevan a cabo nuestras obreras microbianas, las bacterias acetogénicas. El ácido acético es una pieza clave, porque es el alimento favorito de las bacterias productoras de metano, o también llamadas bacterias metanogénicas, las estrellas de la siguiente etapa.

Etapa 4. Metanogénesis: produciendo energía. Aquí actúan un grupo especial de obreras microbianas: las arqueas metanogénicas. De ellas hay dos grupos que producen metano (CH₄). Unas lo producen a partir del ácido acético y las otras lo hacen combinando el hidrógeno (H₂) y el bióxido de carbono (CO₂). ¡Todo lo que se produjo en las otras etapas, aquí se aprovecha! El metano es el producto clave porque se puede usar para generar energía eléctrica, alimentar estufas o calentar agua. El metano mezclado con dióxido de carbono producido por los microbios, conocido como biogás, es un combustible renovable y sorprendentemente eficiente: a partir de un kilogramo de nopal fresco se pueden obtener entre 40 y 60 litros de biogás del cual el 55% es metano. De todo este proceso todavía queda una parte sólida compuesta por los mismos microbios y por fibras ricas en lignina (molécula que le da resistencia y rigidez a la planta). Aquí ya no podemos observar estructuras completas (por ejemplo, las espinas). Además, quedan otros compuestos orgánicos simples (ácidos orgánicos, azúcares, aminoácidos, lípidos) no transformados en gases. Todo lo anterior, mezclado con el agua del proceso, se le llama “digestato”, el cual es un fertilizante natural muy bueno para los suelos agrícolas.

El digestato de nopal, un fertilizante natural

Así como nosotros necesitamos una alimentación balanceada para mantenernos sanos, todos los seres vivos también requieren los nutrientes necesarios para crecer y desarrollarse. Las plantas, por ejemplo, obtienen el carbono que necesitan directamente de la atmósfera, gracias a la fotosíntesis, mientras que los demás nutrientes esenciales los absorben del suelo. En el siglo XIX, los científicos Justus von Liebig y Carl Sprengel demostraron que los cultivos pueden crecer utilizando fertilizantes minerales (3). Sin embargo, hoy sabemos que para que las plantas crezcan de forma óptima también necesitan de la colaboración de microorganismos presentes en el suelo. Estos microorganismos, a diferencia de las plantas, necesitan sustratos ricos en carbono orgánico para sobrevivir y realizar sus funciones.

Por ello, el uso del residuo proveniente de la digestión anaerobia de los residuos de nopal, que, aunque contiene todavía moléculas difíciles de romper como la lignina, también contiene a los microbios que en contacto con el aire no sobreviven, además de muchas moléculas orgánicas pequeñas y ricas en nitrógeno y fósforo, como los aminoácidos. Todas estas moléculas servirán de alimento a los microorganismos del suelo y éstos, a su vez, liberarán los nutrientes en forma mineral que requieren las plantas. Así, se mejora la calidad del suelo y se promueve un crecimiento más saludable de las plantas (4).

¿Puede el digestato de nopal mejorar la agricultura? ¡La ciencia dice que sí!

En el Laboratorio de Biogeoquímica y Materia Orgánica del Suelo del Instituto de Geología de la UNAM, hemos hecho descubrimientos interesantes sobre el uso de este residuo orgánico derivado del nopal. Déjame contarte lo que encontramos.

En colaboración con la empresa Sustentabilidad en Energía y Medio Ambiente (SUEMA), la Alcaldía Milpa Alta y la Secretaría de Educación, Ciencia, Tecnología e Innovación de la Ciudad de México (SECITI), obtuvimos este producto (el digestato), el cual se generó en la planta de biodigestión anaerobia de Milpa Alta, especializada en procesar residuos de nopal (figura 3). Decidimos probarlo en suelos agrícolas donde se cultiva avena. Para ello, aplicamos tres dosis diferentes y las comparamos con suelos tratados con fertilizante químico y con otros que no recibieron ningún fertilizante.

Los resultados fueron muy emocionantes:

• Los suelos que recibieron la dosis más baja de digestato (1.25 L/m²) se lograron rendimientos similares a los obtenidos con fertilizantes convencionales.

• Al aumentar a 3.75 L/m² la dosis, la producción de avena fue hasta un 25% mayor que con los fertilizantes químicos.

• Además, observamos que los microorganismos en el suelo crecieron más y se desarrollaron mejor, ya que, en pruebas de laboratorio, observamos que crecían más y eran más activos con el digestato. Esto lo determinamos a través de mediciones como la concentración de carbono microbiano, la respiración del suelo y la actividad de ciertas enzimas. Esto es importante porque un suelo con microorganismos bien nutridos y saludables permite que las plantas, incluyendo a que crecen en los cultivos, crezcan mejor y produzcan más.

Estos resultados muestran que los residuos del nopal, además de ser una fuente de energía verde, no solo puede igualar, sino incluso superar el rendimiento de los fertilizantes convencionales; además de promover un suelo más saludable. ¡El digestato de nopal podría ser una alternativa para una agricultura más sostenible, ya que valoriza el uso de residuos, y esto es la base de la economía circular!

Lecturas recomendadas

1. Salazar Llorente, E., Morán Contreras, C., Arias-Toro, D., & Cobos Mora, F. (2025). Comparación de tres tratamientos (aeróbico, anaeróbico y combinado) para la descomposición de materia orgánica y la obtención de biogás y biofertilizantes. AgroScience Research, 3(1), 61–67. https://doi.org/10.17268/agrosci.2025.007
2. Varnero Moreno, M. T. (2011). Manual de biogás. FAO. 119 pp. ISBN 978-95-306892-0. http://www.fao.org/docrep/019/as400s/as400s.pdf
3. González Carcedo, S. (2007). Historia de la Ciencia del Suelo. 6ª parte. Edafología y Química Agrícola en el siglo XVIII. Un Universo invisible bajo nuestros pies. Recuperado de https://www.madrimasd.org/blogs/universo/2007/05/07/65077
4. López Pérez, L., & Reyes Tena, A. (s.f.). Fertilización orgánica y sostenibilidad agroalimentaria. Revista Saber Más, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Recuperado de https://www.sabermas.umich.mx/archivo/la-ciencia-en-pocas-palabras/595-numero-66/1186-fertilizacion-organica-y-sostenibilidad-agroalimentaria.html

Material audiovisual recomendado

Instituto de Geología, UNAM. (2022.). Experimento de aplicación de biodigestato en parcela de avena [Video]. https://www.youtube.com/watch?v=MJrENJAkOnY