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Lack of phosphorus puts global food security at risk

Phosphorus (P) is an indispensable element for life on Earth. Essential structures for any organism like DNA or RNA contain this element, and plants can not perform photosynthesis without it. Because of this, crops require huge amounts of phosphorus to meet the standards of efficiency and productivity needed to feed an ever-growing human population. However, this is a limiting and finite resource, and the predictions are not promising: reserves will be depleted in about 100-150 years. That will lead to significant geopolitical problems still unimaginable because, apart from the ephemeral nature of this resource, there is the fact that 90% of stocks are in the hands of only 6 countries. Conflict is served.


Anyone who has ever had to buy fertilizer will recognize this sequence: N-P-K (nitrogen, phosphorus, potassium). They are the most used nutrients for gardening and plant production in general. Without them, plants do not grow or can not develop enough to persist in the long term. Of the three main nutrients, potassium is the most abundant in the earth’s crust (representing approximately 2.4% of the earth’s surface by weight), especially in ancient seabed and lakebeds, as well as being the most available for plants. On the other hand, nitrogen in its gaseous form is extremely abundant (78.1% of the air around us is molecular nitrogen), but not their molecules in solid form, which are usually scarce due to their high mobility throughout the soil. However, thanks to the Haber-Bosch process (which lead researchers to win the Nobel Prize in Chemistry), solid nitrogen (in the form of ammonia) was produced from gaseous nitrogen, leading to a high availability of this inorganic fertilizer.

Friz Haber (right) with a scientist who manipulates the Haber-Bosch method. This way of extracting the atmospheric nitrogen and turning it into ammonia is considered, by many scientists and historians, as the most important invention of the modern history. Without it, the world would not have been able to afford even half of the current food demand. Source: el juicio de fritz haber.


Phosphorus, however, is the third party in discordance. Essential for life, it is the main component of DNA, RNA, ATP (the energy used in cellular processes) and phospholipids, which cover cell membranes. It is present in the bones and is involved in almost any animal biological process. In addition, it is imperative for plant growth: without phosphate, photosynthesis can not be carried out. The biggest problem with phosphorus is that it is not free in nature. Plants and, in general, all organisms, satisfy their phosphorus needs thanks, mainly, to another living organism: animals, from plants and, these, from animal residues or their corpses, which release the Phosphate in the decomposition process. In fact, the most important fertilizers until the arrival of inorganic fertilizers, already in the twentieth century, were the excrements and urine of farm animals, which contain a large amount of phosphorus, in addition to the other elements already mentioned. However, as a result of the Haber-Bosch invention and the increase in food demand as a result of population growth, phosphorus deposits, which are in the form of minerals and are actually scarce in the earth’s crust, began to be exploited.

Guano accumulated on an islet of Peru. Guano, together with excrements and urine from farm animals, was an important source of phosphorus until the 20th century. This substrate, formed from continuous depositions of seabirds, seals and bats, is still very much appreciated even today, especially in organic farming. Source: Hiding in Honduras.



Phosphorus is an irreplaceable and non-synthesizable resource. Reserves are finite and are being wasted, since much of the fertilizer applied is not assimilated by plants and, through the soil, ends up in the sea or in the lakes, where they unbalance the ecosystems. Being such a scarce resource, it is often the limiting resource in most ecosystems. For that reason, an overfertilization of phosphorus is often exploited by autotrophic algae to grow uncontrollably, which, in many cases, causes blooms that can generate important animal, economic and environmental losses.

Extension of the vegetation of the Mar Menor (Murcia) in 2014 and 2016. 85% of the vegetation has died in less than two years, due to strong phenomena of eutrophication, in which phosphorus has played a key role. The excess of nutrients allows algae proliferation, which end up causing difficulties of light infiltration which, in turn, preclude phothosynthesis, causing the death of plants. Source: El País.


The United States Geological Survey (USGS) has estimated the world’s reserves of phosphorus at 71 billion tonnes. 90% of these are in the hands of 6 countries: Morocco (where, according to the USGS, 75% of the world’s mineral reserves are found there), China, Algeria, Syria, South Africa and Jordan. However, United States and, specially, China (accounting for 47% of world phosphate production), are the countries that are currently extracting more phosphorus from their deposits. This production has been increasing in the last years, and it will go to more in the coming decades. According to this recent article by Nature, it will be necessary to double, by the year 2050, the use of phosphate fertilizers to meet the demand of food, in a world where there will already be 9,000 million humans. But, by then, more than half of the phosphorus in the reservoirs will have been used. This study warned of the possibility that we were reaching the peak of phosphorus production, although new calculations estimate their peak around the year 2040. In any case, if we continue with the current production, the reserves will be depleted in no more than 100 years.

World phosphate rock reserves by country. Morocco capitalizes on reserves, followed by China and Algeria. Around 90% of the world’s phosphorus reserves are found in Africa, which predicts a future in which this continent will play a very important role in the negotiations for this finite resource. Source: WRForum.


A symptom of the potential shortage of phosphorus in the not too distant future is the rise in phosphorus prices that has been observed recently due to rising demand. Between 2007 and 2008 the price of phosphate tons increased threefold from 2005 values, and cost up to 9 times more than in the 1970s. In addition, it has been estimated that by 2035 phosphorus demand will exceed supply, what will cause an increased prices and, with them, political tensions. No stranger to it, many countries are working on ensuring a supply of this valuable resource for a few more decades. China, for example, which is now the largest producer (what does not mean the holder of the largest reserves) has begun to impose 135% tariffs on its exports. The United States, on the other hand, has signed a bilateral free trade agreement with Morocco, which gives it the rights to exploit their long-term phosphate deposits. Taking into account that most of Morocco’s phosphate reserves are in Western Sahara (a region that has fought for its independence since its occupation in 1975), it is not surprising that the United States has always supported Morocco in the United Nations Security Council, vetoing any proposal in favor of the independence of Western Sahara.

Rise of prices of different phosphate minerals. Prices are expected to rise in the coming decades, as phosphate deposits are depleted. Source: USDA.
Estimation of the evolution of phosphoric rock production and the moment when it will reach the peak of production. Many scientists agree that reserves will last between 60 and 130 years. Source: Cordell et al., 2009.


According to the latest estimates, phosphorus deposits will be depleted, affecting crops around the world. This decline in food production will have a global repercussion, especially in the poorest countries, the most susceptible to a possible decrease in food production. Failing to establish measures to reduce global population, the lack of phosphorus combined with climate change will lead to tense relations between many countries, leading to geopolitical conflicts on a global scale.

According to Metson et al. (2016) a plant-based diet would help to reduce the phosphorus demand. According to their calculations, a vegetarian person requires approximately 4 kg of phosphate rock per year, almost 3 times less than a meat-based diet, which consumes about 11.8 kg of phosphorus per year. Source: Jeremy Keith.

For that reason, the main solution is to use phosphorus in a more rational way and to recycle it as much as possible. Today, around 80% of phosphorus is lost between the exploitation of the mineral, its transport and its application in the fields, which requires us to make a more sustainable use of this resource. However, the world food security will only be able to mantain its production by recycling. The main proposal would be to return to the beginning: to collect human excrets and urine, generated in cities and towns, to recover all that phosphorus that, in other conditions, would end up in the aquatic environment. Approximately 100% of the phosphorus consumed by mankind through food is excreted in excrets and urine. Collecting it would be like a double-edged sword: on the one hand we would satisfy the phosphorus demand of the crops and, on the other hand, we would avoid the eutrofization of waters due to the excess of these nutrients. Furthermore, a change in diet, prioritizing vegetables instead of meat, would reduce the demand of phosphorus between 20 and 45%, according to Cordell et al. (2009). Other solutions include the recovering of the use of manure in more rural and less-technological areas and promoting the composting of food waste in households, factories and commercial establishments. Finally, a waste from wastewater treatment plants, called struvite (magnesium ammonium phosphate) could help to fertilize the fields in an effectively and cleanly way.

Struvite ore, like the one from the image, is obtained spontaneously in sewage treatment plants. Although it causes obstruction problems in the water treatment plant pipes due to its crystallization, it could be used as a clean fertilization system that would provide phosphorus, nitrogen and magnesium. Source: Creative Commons.

The madness begun at the beginning of the 20th century with the exploitation of the phosphoric rock to produce food in great quantity is almost over, and this requires us to adapt our crops and, perhaps, our way of life, to a future that will have to drink a lot of the proceedings carried out in the past. There is a need for a change of mentality, centered on a reduction of the world population and on a major sustainability of natural resources, if we really want to guarantee a world where no one is hungry.


La falta de fósforo pone en riesgo la seguridad alimentaria mundial

El fósforo (P) es un elemento indispensable para la vida en la Tierra. Estructuras imprescindibles para cualquier ser vivo como el ADN o ARN contienen este elemento, y las plantas no pueden realizar la fotosíntesis sin él. Debido a eso, los cultivos requieren de ingentes cantidades de fósforo para cumplir los estándares de eficiencia y productividad necesarios para alimentar a una población humana que crece sin cesar. Sin embargo, éste es un recurso limitante y finito, y las predicciones no son halagüeñas: las reservas se agotarán en unos 100-150 años. Eso conllevará importantes problemas geopolíticos aún por imaginar ya que, unido a ese carácter efímero de este recurso, se suma el hecho de que el 90% de las existencias están en manos de tan sólo 5 países. El conflicto está servido.


Cualquier persona que haya tenido que comprar alguna vez fertilizante reconocerá esta secuencia: N-P-K (nitrógeno, fósforo, potasio). Son los nutrientes más utilizados para jardinería y producción vegetal en general. Sin ellos, las plantas no crecen o no logran desarrollarse lo suficiente como para persistir a largo plazo. De los tres nutrientes principales, el potasio es el más abundante en la corteza terrestre (representa aproximadamente el 2.4% de la superficie terrestre en peso) sobretodo en antiguos lechos marinos y lacustres, además de ser el más disponible para las plantas. Por otra parte, el nitrógeno, en su forma gaseosa, es extremadamente abundante (el 78.1% del aire que nos rodea es nitrógeno molecular) pero no así sus moléculas en forma sólida, que suelen ser escasas debido su alta mobilidad a través del suelo. No obstante, gracias al Proceso de Haber-Bosch (desarrollado por los investigadores que le dan el nombre, ganadores del Nobel de Química) se logró producir nitrógeno sólido (en forma de amoníaco) a partir del nitrógeno gaseoso, propiciando una gran disponibilidad de este fertilizante inorgánico

Friz Haber (derecha) junto a un científico que manipula el método de Haber-Bosch. Esta manera de extraer el nitrógeno atmosférico y convertirlo en amoníaco es considerado, por muchos científicos e historiadores, como el invento más importante de la historia moderna. Sin él, el mundo no habría podido soportar ni la mitad de la demanda alimentaria actual. Fuente: el juicio de friz haber.


El fósforo, sin embargo, es el tercero en discordia. Esencial para la vida, es el componente estrella del ADN, ARN, ATP (la energía utilizada en los procesos celulares) y de los fosfolípidos, que revisten las membranas celulares. Está presente en los huesos e interviene en casi cualquier proceso biológico animal. Además, es imprescindible para el crecimiento de las plantas: sin fosfato, la fotosíntesis no puede llevarse a cabo. El mayor problema del fósforo es que no se encuentra libre en la naturaleza. Las plantas y, en general, todos los seres vivos, satisfacen sus necesidades de fósforo gracias, principalmente, a otro organismo vivo: los animales, de las plantas y, éstas, de los residuos de los animales  o de sus cadáveres, que liberan el fosfato en el proceso de descomposición. De hecho, los fertilizantes más importantes hasta la llegada de los fertilizantes inorgánicos, ya en el siglo XX, fueron los excrementos y la orina de los animales de granja, que contienen gran cantidad de fósforo, además de los otros elementos ya mencionados. Sin embargo, a raiz del invento de Haber-Bosch y al aumento de la demanda de alimentos a consecuencia del crecimiento poblacional, se empezaron a explotar los yacimientos de fósforo, que se encuentran en forma de minerales y que son realmente escasos en la corteza terrestre.

Guano acumulado en un islote de Perú. El guano, junto con los excrementos y la orina de los animales de granja, fue una importante fuente de fósforo hasta el siglo XX. Este sustrato, formado a base de deposiciones continuas de aves marinas, focas y murciélagos, sigue siendo muy apreciado incluso hoy en día, especialmente en la agricultura ecológica. Fuente: Hiding in Honduras.


El fósforo es un recurso insustituible y no sintetizable. Las reservas son finitas y se están malgastando, ya que gran parte de los fertilizantes aplicados no son asimilados por las plantas y, a través del suelo, acaban en el mar o en los lagos, donde desequilibran los ecosistemas. Al ser un recurso tan escaso, suele ser el recurso limitante en la mayoría de ecosistemas. Es por eso que una sobrefertilización de fósforo suele ser aprovechada por las algas autótrofas para crecer descontroladamente, lo que provoca, en muchos casos, blooms que pueden generar grandes pérdidas animales, económicas y ambientales.

Extensión de la vegetación del Mar Menor (Murcia) en 2014 y 2016. El 85% de la vegetación ha muerto en menos de dos años, debido a fuertes fenómenos de eutrofización, en los que el fósforo ha jugado un papel clave. El exceso de nutrientes hace proliferar las algas, que terminan dificultando el paso de la luz a la vegetación acúatica, produciéndose su muerte. Fuente: El País.


El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS, por sus siglas en inglés) ha estimado las reservas mundiales de fósforo en 71.000 millones de toneladas. El 90% de éstas están en manos de 6 países: Marruecos (donde, según la USGS, se encuentran el 75% de las reservas mundiales de este mineral), China, Argelia, Siria, Sudáfrica y Jordania. No obstante, son Estados Unidos y, sobretodo, China (el 47% de la producción mundial se localiza ahí) los países que, actualmente, están extrayendo mayor fósforo de sus yacimientos. Una producción que ha ido en aumento en los últimos años, y que irá a más en las próximas décadas. Según este reciente artículo de Nature, será necesario duplicar, para el año 2050, el uso de los fertilizantes fosfatados para cubrir la demanda de alimentos, en un mundo donde ya habrá 9.000 millones de humanos. Pero, para entonces, ya se habrá utilizado más de la mitad del fósforo existente en los yacimientos. Este otro estudio alertó de la posibilidad de que estuviéramos alcanzando el punto máximo de la producción de fósforo, si bien nuevos cálculos estiman su punto máximo entorno al año 2040. Sea como sea, de seguir con la producción actual las reservas se agotarán en no más de 100 años. 

Reservas mundiales de roca fosfórica por país. Marruecos capitaliza las reservas, seguida de China y Argelia. Alrededor de un 90% de las reservas mundiales de fósforo se encuentran en África, lo cual hace presuponer un futuro en el que este continente jugará un papel importantísimo en las negociaciones para hacerse con este recurso finito. Fuente: WRForum.


Un síntoma de la posible escasez de fósforo en un futuro no muy lejano es la subida de precios del fósforo que se viene observando recientemente, debido a la creciente demanda. Entre 2007 y 2008 el precio de la tonelada de fosfatos llegó a triplicarse respecto a los valores de 2005, y a costar hasta 9 veces más que en los años 70. Además, se ha calculado que para 2035 la demanda de fósforo superará a la oferta, con lo que los precios aumentarán aún más y, con ellos, las tensiones políticas. No ajenos a ello, numerosos países están ya moviendo ficha para asegurarse un suministro de este valioso recurso para unas décadas más. China, por ejemplo, que ahora mismo es el mayor productor (que no el poseedor de las mayores reservas) ha empezado a establecer aranceles del 135% a sus exportaciones. Estados Unidos, por otro lado, ha firmado un tratado de libre comercio bilateral con Marruecos, lo que le de da derechos de explotar sus yacimientos de fosfato a largo plazo. Teniendo en cuenta que la mayor parte de las reservas de fosfato de Marruecos se encuentran en el Sahara Occidental (región que ha luchado por su independencia desde su ocupación en 1975) no es de extrañar que Estados Unidos siempre haya apoyado a Marruecos en el Consejo de Seguridad de Naciones Unidas, vetando cualquier propuesta a favor de la independencia del Sahara Occidental. 

Incremento en los precios de diferentes minerales fosfatados. Se espera un aumento del precio aun mayor en las próximas décadas, a medida que los yacimientos de fosfato vayan agotándose. Fuente: USDA.
Estimación de la evolución de la producción de roca fosfórica y momento en el que alcanzará el pico de producción. Muchos científicos concuerdan en que las reservas durarán entre 60 y 130 años más. Fuente: Cordell et al., 2009.


A tenor de las últimas estimaciones, los yacimientos de fósforo se agotarán, afectando a los cultivos de todo el mundo. Esta disminución de la producción alimentaria tendrá una repercursión global, sobretodo en los países más pobres, los más susceptibles a un posible decrecimiento de la producción de alimentos. De no establecer medidas de reducción de la población mundial, la falta de fósforo combinada con el cambio climático provocará tensas relaciones entre numerosos países, pudiendo desembocar en conflictos geopolíticos de escala planetaria.

Según Metson et al. (2016) una dieta basada en los vegetales ayudaría a reducir la demanda de fósforo. Según sus cálculos, una persona vegetariana requiere de, aproximadamente, 4 kg de roca fosfórica al año, casi 3 veces menos que una dieta predominantemente carnívora, que consume cerca de 11.8 kg de fósforo al año. Fuente: Jeremy Keith.

Es por ello que la principal solución pasa por utilizar el fósforo de una manera más racional y de reciclarlo tanto como sea posible. Hoy en día, entorno a un 80% del fósforo se pierde entre la explotación del mineral, su transporte y su aplicación en los campos, lo cual nos exige a hacer un uso más sostenible de este recurso. No obstante, será su reciclaje el que podrá mantener la producción alimentaria mundial. La principal propuesta sería volver a los inicios: recolectar las heces y orina humanas,  generadas en las ciudades y pueblos, para recuperar ese fósforo que de otro modo acabaría en el medio acuático. I es que aproximadamente el 100% del fósforo consumido por la humanidad a través de los alimentos es excretado en forma heces y orina. Recolectarlo sería como un arma de doble filo: por un lado satisfaríamos la demanda de fósforo de los cultivos y, por otro, evitaríamos que un exceso de estos nutrientes eutrofizaran el agua. Por otro lado, promoviendo un cambio en la dieta, priorizando las verduras en lugar de la carne, se lograría reducir la demanda de fósforo entre un 20 y un 45%, según Cordell et al. (2009).  Otras soluciones pasan por recuperar el uso del estiércol en aquellas zonas más rurales y menos tecnificadas y promover el compostaje de los residuos alimentarios en hogares, fábricas y establecimientos comerciales. Por último, un residuo de las depuradoras de aguas residuales, llamado estruvita (fosfato hidratado de amonio y magnesio) podría ayudar a fertilizar los campos de una manera efectiva y limpia.

El  mineral de estruvita, como el de la imagen, es obtenido de forma espontánea en depuradoras de aguas residuales. A pesar de que ocasiona problemas de obstrucción en las tuberías de las depuradoras debido a su cristalización, podría ser utilizado como un sistema limpio de fertilización que aportaría fósforo, nitrógeno y magnesio. Fuente: Creative Commons.

La locura iniciada a principios del siglo XX con la explotación de la roca fosfórica para producir alimentos a mansalva está llegando a su fin, y esto nos exige adaptar nuestros cultivos y, quizá, nuestro estilo de vida, a un futuro que tendrá que beber mucho de la forma de proceder en el pasado. Urge un cambio de mentalidad, centrado en una reducción de la población mundial y una mayor sostenibilidad de los recursos naturales, si de verdad queremos garantizar un mundo en el que ninguna persona tenga que pasar hambre.