PAW y aportes alternativos de nitrógeno para mejorar la calidad nutricional de lechuga en cultivo hidropónico

La aplicación de agua activada por plasma y bioestimulantes ofrece un enfoque sostenible para favorecer el crecimiento vegetal en condiciones de nutrientes reducidos, mediante el suministro de nitrógeno biodisponible.

Este estudio investigó el crecimiento y el rendimiento poscosecha de lechuga romana (Lactuca sativa L.) cultivada hidropónicamente, con tres tratamientos nutricionales en base a la solución Hoagland:

• solución a media concentración preparada con agua del grifo (HS),
• solución a media concentración con agua activada por plasma (HS+PAW) y
• solución a media concentración con agua activada por plasma con 1 mL L−1 de hidrolizado de proteína de leche (HS+PAW+MPH).

Resultados

Las plantas tratadas con PAW, en particular las del grupo HS+PAW+MPH, mostraron un aumento en el crecimiento, la acumulación de biomasa y la composición mineral, con un contenido reducido de nitratos en comparación con los controles.

En cosecha, la lechuga tratada con HS+PAW+MPH mostró casi el doble de rendimiento fresco y mejoró los perfiles de materia seca, proteínas, lípidos, fenólicos y flavonoides, así como una mayor capacidad antioxidante, lo que indica una mejor utilización del nitrógeno y una mejor calidad nutricional con un aporte reducido de nutrientes.

Calidad poscosecha

La calidad poscosecha se evaluó envasando las muestras en bolsas de polipropileno y almacenándolas a 10 ± 1 °C y 95-98 % de humedad relativa durante 21 días.

El tratamiento HS+PAW+MPH suprimió sustancialmente la respiración y la producción de etileno, limitó la pérdida de peso y el cambio de color, y conservó mejor los pigmentos, los compuestos bioactivos y la estabilidad antioxidante en comparación con HS y HS+PAW, lo que indica que HS+PAW+MPH es un enfoque sostenible de gestión de nutrientes para sistemas hidropónicos.

1. Introducción

La lechuga (Lactuca sativa L.) se encuentra entre las hortalizas de hoja más consumidas del mundo, lo que refleja tanto las tendencias alimentarias mundiales como su considerable importancia económica [1,2].

Este cultivo es valorado por su alto contenido nutricional, siendo una fuente destacada de fibra, vitaminas, minerales y fitoquímicos, como fenólicos y flavonoides, que se asocian con funciones protectoras en la fisiología vegetal y la salud humana [1,3,4,5].

La creciente tendencia hacia dietas saludables y la popularidad de las ensaladas listas para comer han incrementado la demanda de lechuga, ya que su combinación de bajo valor calórico, rico perfil de micronutrientes y amplia gama de colores y texturas se ajusta a las preferencias de los consumidores globales [2,6].

Ventajas del cultivo de lechuga en hidroponía

En los sistemas de cultivo, la producción hidropónica ofrece ventajas para la lechuga, ya que permite la producción durante todo el año y proporciona un suministro constante de productos de alta calidad [7,8].

Las investigaciones han demostrado que la lechuga hidropónica se beneficia de un ciclo de cultivo más corto que reduce los días de trasplante hasta en un 25 %, logra una mayor eficiencia en el uso del agua, con un consumo de hasta un 65 % menor, y ofrece optimización del espacio, con un aumento de la producción de hasta un 50 % [9,10].

Además, los sistemas hidropónicos cerrados minimizan la necesidad de fertilizantes, permiten un aporte preciso de nutrientes a la vez que reducen las pérdidas de nitrógeno y resultan en un alto contenido nutricional constante, que incluye mayor proteína, fibra, compuestos bioactivos, capacidad antioxidante y mejores atributos de textura [9,10,11].

Estas ventajas posicionan a la lechuga cultivada hidropónicamente como un modelo ejemplar para la agricultura urbana sostenible, aprovechando la tecnología avanzada para apoyar la seguridad alimentaria y la gestión ambiental a medida que la población mundial y las limitaciones de recursos continúan aumentando [7,8].

Desafíos del cultivo hidropónico de lechuga

A pesar de las ventajas del cultivo de lechuga hidropónica, persisten varios desafíos en materia de sostenibilidad, seguridad alimentaria y calidad del producto.

La gestión de nutrientes sigue siendo un obstáculo crítico, ya que la creciente demanda de hortalizas ha impulsado prácticas agrícolas extensivas que a menudo generan ineficiencia y problemas ambientales debido al uso excesivo o desequilibrado de fertilizantes químicos, especialmente cuando el nitrato se acumula en las partes comestibles de la lechuga, cuando el nitrógeno se pierde por volatilización y emisiones de óxidos de nitrógeno, o cuando los nitratos se filtran a las aguas subterráneas, con consecuencias tanto para la seguridad alimentaria como para la calidad ambiental [2,12].

Aunque los nitratos en sí mismos no son tóxicos, sus metabolitos, como los nitritos y los intermediarios reactivos del nitrógeno, pueden representar riesgos para la salud, y el consumo de hortalizas de hoja verde frescas aumenta la ingesta dietética de estos compuestos [12].

Además, la lechuga es un cultivo altamente perecedero, con un rápido deterioro poscosecha que causa importantes pérdidas económicas y contribuye al desperdicio de alimentos a lo largo de la cadena de suministro [2,13].

Las condiciones ambientales durante la precosecha, incluyendo temperaturas extremas, fluctuaciones de humedad y niveles de luz subóptimos, limitan aún más la producción constante [2,13,14].

Estos factores de estrés pueden afectar la absorción de nutrientes, reducir el crecimiento y el rendimiento, inducir trastornos fisiológicos como la quema de las puntas y afectar negativamente la acumulación de metabolitos secundarios, factores vitales tanto para la resiliencia de las plantas como para su calidad nutricional [2,14].

Necesidad de estrategias innovadoras

Estos desafíos interconectados resaltan la urgente necesidad de intervenciones innovadoras y sostenibles, y la aplicación de agua activada por plasma (APM), junto con la suplementación con bioestimulantes vegetales, ofrece una estrategia prometedora para mejorar la gestión de nutrientes en el cultivo hidropónico de lechuga [15].

El desarrollo de estrategias innovadoras de gestión de nutrientes en sistemas hidropónicos puede reducir la dependencia de fertilizantes y favorecer la producción de lechuga, manteniendo al mismo tiempo el rendimiento, promoviendo la acumulación de compuestos bioactivos y minimizando las pérdidas poscosecha [15,16,17].

Investigaciones recientes han identificado tecnologías de base biológica como los hidrolizados de proteínas (PHs) y el agua activada por plasma (PAW, plasma activated water) como herramientas prometedoras para mejorar el ciclo del nitrógeno en sistemas hidropónicos [18,19].

Hidrolizados de proteínas

Los PHs derivados de proteínas vegetales y animales han demostrado un potencial notable como bioestimulantes vegetales eficaces, diferenciándose fundamentalmente de los fertilizantes y fitosanitarios tradicionales al estimular los procesos naturales de las plantas y mejorar las respuestas fisiológicas, en lugar de simplemente proporcionar una suplementación directa de nutrientes o combatir plagas y enfermedades [17,18,20,21].

También se sabe que los PHs:

• modulan actividades similares a las hormonas, 
• promueven el desarrollo radicular,
• regulan las enzimas de asimilación de nitrógeno, 
• mejoran la eficiencia del uso del nitrógeno, 
• favorecen la biofortificación mineral,
• inducen la biosíntesis fenólica y 
• potencian la capacidad antioxidante. 

Todo esto contribuye a un mejor crecimiento, rendimiento y calidad, a la vez que fortalece la resiliencia al estrés en la lechuga y otros cultivos [17,21,22,23].

Agua activada por plasma

El PAW se forma al exponer el agua a plasma frío, lo que resulta en una mezcla de reactivos de larga duración y especies de oxígeno y nitrógeno (RONS), como el peróxido de hidrógeno, el nitrato y el nitrito, que a su vez alteran las propiedades fisicoquímicas del agua a través de:

• reducir el pH, 
• aumentar el potencial de oxido-reducción (ORP) y
• elevar la conductividad eléctrica (CE) [19,24,25].

Se ha demostrado que los tratamientos con PAW mejoran las tasas de crecimiento, el contenido de clorofila y la actividad antioxidante, especialmente en concentraciones óptimas de nutrientes ricos en nitrato [19,24].

Sin embargo, el PAW no supera consistentemente a las soluciones nutritivas convencionales cuando se utiliza solo, especialmente con un suministro reducido de nutrientes [15,26,27].

Estudios previos han investigado los hidrolizados de proteínas y el agua activada con plasma como tratamientos independientes [16,19,28], y existe un conocimiento limitado del mecanismo de sus efectos sinérgicos cuando se combinan como soluciones nutritivas que suplementan el nitrógeno, en particular en lo que respecta a su influencia en la calidad de la lechuga cultivada hidropónicamente durante la cosecha y después del almacenamiento en frío.

Hasta la fecha, según nuestro conocimiento, solo un informe ha demostrado que la combinación de PAW y un bioestimulante de algas marinas mejoró la actividad metabólica relacionada con el nitrógeno y los niveles de expresión de genes de estrés en tomates sometidos a estrés por sequía [15].

Para abordar esta brecha de conocimiento, el presente estudio introduce un enfoque novedoso mediante la integración de agua activada por plasma e hidrolizado proteico derivado de la leche (MPH) como una solución avanzada para la gestión del nitrógeno en lechuga Cos cultivada hidropónicamente, mediante un experimento a gran escala en invernadero.

Este estudio examina sistemáticamente los efectos combinados de PAW y MPH con un bajo aporte de nutrientes, evaluando el crecimiento, el rendimiento, la composición proximal y mineral de la lechuga en la cosecha, y los cambios fisiológicos durante el almacenamiento, incluyendo la producción de etileno, la tasa de respiración, el contenido de pigmentos, la pérdida de peso, el color, los perfiles fenólicos y flavonoides, y la capacidad antioxidante.

En última instancia, este trabajo proporciona conocimientos prácticos para avanzar en la gestión sostenible del nitrógeno y en prácticas hidropónicas respetuosas con el medio ambiente, permitiendo la producción de cultivos nutricionalmente enriquecidos mediante el uso circular de recursos y estrategias bioestimulantes innovadoras.

Contenido

2. Materiales y Métodos
2.1. Cultivo Hidropónico de Lechuga
2.2. Mediciones de Crecimiento y Condiciones de Manejo Poscosecha
2.3. Análisis de la Composición Aproximada
2.4. Determinación de la Composición Mineral
2.5. Determinación de la Producción de Etileno y la Tasa de Respiración
2.6. Determinación del Contenido de Pigmentos
2.7. Medición de la Pérdida de Peso y los Atributos de Color
2.8. Determinación del Contenido Total de Fenólicos y Flavonoides
2.9. Perfil de Compuestos Fenólicos y Flavonoides Individuales
2.10. Determinación de la Capacidad Antioxidante Total
2.11. Análisis Estadístico

3. Resultados
3.1. Rendimiento de Crecimiento y Características Morfológicas de la Lechuga Cosechada
3.2. Composición Aproximada de la Lechuga
3.3. Contenido de Nitratos Solubles y Composición Mineral de la Lechuga
3.4. Producción de etileno y tasa de respiración de la lechuga
3.5. El agua activada por plasma (PAW) y el agua de fermentación por plasma (MPH) conservan la pigmentación durante el almacenamiento poscosecha de la lechuga
3.6. Efectos del agua activada por plasma (PAW) y el MPH en la pérdida de peso y los cambios de color en la lechuga
3.7. Contenido total de fenólicos y flavonoides y sus perfiles
3.8. Capacidad antioxidante total
3.9. Análisis de componentes principales (PCA)

4. Discusión

5. Conclusiones

La suplementación de soluciones nutritivas hidropónicas a media concentración con agua activada por plasma e hidrolizado de proteína de leche aumentó notablemente la altura de la planta, la longitud de la raíz, el área del dosel y el rendimiento fresco total en comparación con los controles, a la vez que mejoró el contenido de materia seca, proteína, grasa, cenizas, fibra y minerales, y redujo simultáneamente la acumulación de nitratos en los tejidos.

Estos resultados resaltan el potencial del agua activada por plasma y los bioestimulantes como fuentes alternativas de nutrientes que mejoran la asimilación de nitrógeno, mejorando así la seguridad y la calidad nutricional del producto.

Cabe destacar que el agua activada con plasma y el hidrolizado de proteína de leche estimularon eficazmente la síntesis y retención de compuestos bioactivos clave, lo que resultó en un mayor contenido total de fenólicos y flavonoides, así como en una mayor capacidad antioxidante.

Además, el tratamiento redujo la respiración y la producción de etileno, mitigó el deterioro fisiológico y la pérdida de peso, y mejoró la conservación de la calidad visual, nutricional y funcional durante el almacenamiento en frío.

Los efectos sinérgicos observados con PAW y MPH proporcionan evidencia convincente de su papel como bioestimulantes sostenibles, que promueven una alta productividad de los cultivos y una mejor capacidad de almacenamiento con un aporte reducido de nutrientes.

Esto indica que el tratamiento que combina agua activada con plasma e hidrolizado de proteína de leche es un enfoque innovador y ecológico para la gestión de nutrientes que puede complementar los fertilizantes estándar, lo que promueve una mayor productividad y contribuye a una lechuga hidropónica más segura y nutricionalmente enriquecida.

Estudios futuros deberían aclarar las vías metabólicas subyacentes, evaluar el rendimiento a largo plazo y la aplicabilidad entre cultivos, y evaluar la viabilidad económica de estas tecnologías para una adopción más amplia en sistemas hidropónicos a escala comercial.

Fuentes

Integrating Milk Protein Hydrolysate and Plasma-Activated Water as Alternative Nitrogen Inputs for Growth, Nutrition, and Postharvest Quality of Hydroponic Cos Lettuce Under Low Nutrient Supply
Aryanis Mutia Zahra1, Apiradee Uthairatanakij1, Natta Laohakunjit, 
Pongphen Jitareerat, Nattapon Kaisangsri and Arak Tira-Umphon
Nitrogen 2026, 7(1), 18
https://doi.org/10.3390/nitrogen7010018
This article belongs to the Special Issue Innovative Nitrogen Management Strategies in Aquaponics, Hydroponics, Soilless, and Soil-Based Crop Systems for Sustainable Agriculture
https://www.mdpi.com/2504-3129/7/1/18

Imagen, Novagric, https://novagric.com/cultivos/cultivo-de-lechuga/