La nanotecnología al servicio de una agricultura sustentable e inteligente

Entre los diferentes avances en el mundo científico, la nanotecnología contribuye sólidamente a aumentar la producción con un enfoque sostenible.

Por: Permingeat, H.

La agricultura evoluciona a lo largo del tiempo en forma constante y últimamente lo viene haciendo de manera exponencial. Particularmente, la segunda mitad del siglo pasado fue testigo de la conocida revolución verde que condujo a una rápida mecanización, a la siembra de híbridos y al uso de fertilizantes y pesticidas para el control de plagas. Sobre el final del mismo, se sumaron la implementación de la siembra directa, la adopción de cultivos genéticamente modificados y el mejoramiento asistido por marcadores. La consecuencia fue un fenomenal aumento de la producción pero, en algunos casos, con un alto costo en términos de disminución de la calidad nutricional de las tierras, aumento del problema de patógenos y plagas, y efectos adversos sobre el medioambiente.

Frente a la alta demanda de alimentos y la limitada capacidad de expandir la superficie cultivable, el enfoque de la producción se centró en aumentar la productividad de las cosechas. Esta situación continúa vigente y será aún más crítica si se piensa en la necesidad de alimentar a las 9 mil millones de personas que habitarán el planeta en 30 años, especialmente en condiciones productivas más adversas por el cambio climático, con menos tierra y menos agua dulce.

Las buenas prácticas agrícolas constituyen la base de sistemas productivos eficientes sobre los que montar los productos de una investigación científica que debe hacer un esfuerzo importante para el desarrollo de tecnologías conducentes a aumentar la producción con un enfoque sostenible. La biología celular y molecular, la bioinformática, las ómicas, la edición génica y la biología sintética ofrecen capacidades para el desarrollo de cultivos nuevos mediante procesos enmarcados en un "mejoramiento de precisión". Otras tecnologías de vanguardia que hasta ahora no se aplican en el sector agrícola complementan las anteriores bajo un paraguas de "agricultura inteligente". Entre éstas, se mencionan la teledetección, la tecnología satelital, internet, el GPS, la gestión de big data, la inteligencia artificial, los fertilizantes y pesticidas seguros, eficaces y de liberación lenta, y los biosensores de próxima generación. La nanotecnología contribuye sólidamente al desarrollo de esta agricultura precisa, inteligente y sostenible.

Moulick y col. (2020) analizan y discuten el potencial de la nanotecnología en aplicaciones agronómicas revolucionarias. Es interesante destacar que el uso de nanopartículas y el uso de nanosensores para beneficio agrícola son dos campos de investigación completamente diferentes.

Una de las aplicaciones de las nanopartículas se dirige a la búsqueda de mayores rendimientos de cultivos. Si bien hay pocos casos en los que una nanopartícula en sí misma contribuye como un nutriente, las nanopartículas son más eficaces como material de revestimiento para lograr una mejor absorción de otros nutrientes o convertir un macronutriente en uno de "liberación lenta". Hay numerosos ejemplos publicados de esta acción, como el sílice, el carboximetilo, la hidroxiapatita, el quitosano y el ZnO. Las nanopartículas de Zn tienen un mejor potencial para trabajar con urea ya que el conjugado juega un papel doble de fertilizante nitrogenado y de suplemento de Zn bajo estrés por sequía (Moulick y col., 2020).

Otro de los usos de las nanopartículas se vincula con el área de la protección de cultivos. Muchas nanopartículas mostraron propiedades antibacterianas, antifúngicas e incluso insecticidas, sin comprometer la fisiología normal del huésped. Por ejemplo, las nanopartículas de Ag y Cu pueden proteger al trigo de los patógenos, las de óxido de hierro alivian los efectos tóxicos del cadmio (Cd) en el trigo y las de ZnO protegen al arroz de los patógenos. También pueden proteger las cosechas durante el almacenamiento (nanopartículas de óxidos pueden controlar plagas en granos almacenados, teniendo el potencial de ser una alternativa a los insecticidas disponibles comercialmente). Por otra parte, algunas nanopartículas con propiedades antibacterianas también pueden cambiar simultáneamente la comunidad microbiana del suelo y, por lo tanto, afectar negativamente a muchas interacciones beneficiosas entre plantas y microorganismos. Con este fin, las nanopartículas biodegradables pueden convertirse en bioplaguicidas de elección. Las nanopartículas de quitosano demostraron su eficacia en lo que hace a la protección de cultivos (Moulick y col., 2020).

En este mismo sentido, Fu y col. (2020) discuten el uso de nanomateriales en el manejo de enfermedades de cultivos, lo que sucede a través de tres mecanismos: como agentes antimicrobianos, como bioestimulantes que inducen la inmunidad innata de las plantas y como portadores de ingredientes activos como pesticidas, micronutrientes y elicitores. Así, la nanotecnología ofrece una alternativa prometedora en el manejo de enfermedades de las plantas y tiene muchas ventajas sobre los productos y enfoques convencionales, que se asocian con una mayor eficacia, menores insumos y menor eco-toxicidad. Sin embargo, debido a la falta de comprensión del destino de los nanomateriales en el ambiente, así como la posible bioacumulación a lo largo de las cadenas alimentarias, sus riesgos ambientales potenciales deben evaluarse cuidadosamente antes de cualquier uso extensivo en la agricultura. Por lo tanto, es preferible el uso de materiales alternativos no tóxicos, biocompatibles y biodegradables, como las nanopartículas basadas en biopolímeros. Además, para minimizar el daño ambiental, se deberían realizar más investigaciones ajustando el tamaño, la forma y la funcionalidad de la superficie para optimizar la eficacia de los nanomateriales. Un obstáculo desafiante es que se deben realizar productos basados en nanomateriales en diferentes sistemas fitopatológicos para confirmar los efectos supresores de enfermedades y ampliar su aplicación para el control de enfermedades.

Fu y col. (2020) también consideran el potencial de bioestimulación de los nanomateriales en las plantas. Las nanopartículas en aplicaciones foliares y de semillas pueden ser un enfoque preventivo y eficaz al estimular la inmunidad innata de la planta antes del inicio de la infección por patógenos. La integración de las nanoformulaciones en los enfoques convencionales para la supresión de enfermedades y la administración de ingredientes activos puede contribuir plenamente a reducir el impacto de las prácticas agrícolas actuales en el medioambiente y también a la seguridad alimentaria mundial. En este aspecto se requiere una investigación más profunda del sistema de nanoentrega inteligente y sensible a estímulos, que puede permitir la liberación controlada de ingredientes activos de acuerdo con la demanda de la planta.

Muchas nanopartículas mostraron propiedades antibacterianas, antifúngicas e incluso insecticidas, sin comprometer la fisiología normal del huésped.

Por otro lado, aún no se han desarrollado modelos cinéticos para describir la liberación de ingredientes activos “nano” habilitados en diferentes condiciones ambientales que permitan comprender el mecanismo de liberación. Hoy los principales desafíos asociados con los productos nanoencapsulados son el mecanismo de síntesis y el análisis de costos y beneficios, que deben superar las estrategias existentes.

En relación al beneficio de los nanomateriales para los microorganismos beneficiosos de las plantas, éstos contribuyen a la supresión de enfermedades y a la posibilidad de integración con agentes de control biológico en nanoformulación, aunque se requiere de tiempo para lograr una escala comercial. El desarrollo de estrategias de supresión de enfermedades mediante nanopartículas será una herramienta importante en el esfuerzo por mantener la seguridad alimentaria frente al cambio climático (Fu y col., 2020).

Para mantener los índices productivos actuales es difícil imaginarse una agricultura sin productos fitosanitarios. En el caso de los fertilizantes, es importante su uso para la nutrición de los cultivos y para la reposición de nutrientes que las cosechas minan del suelo. Algunos fertilizantes convencionales pueden asociarse a problemas de contaminación. La nanotecnología allanó una nueva era de sistemas de liberación controlada de fertilizantes que puede definirse como la transferencia regulada por permeación de ingredientes activos desde un depósito modificado a una región objetivo específica y, al mismo tiempo, la concentración del ingrediente activo se mantiene a un nivel predeterminado durante un período de tiempo prolongado. Así, se han diseñado varios nanocompuestos para la entrega lenta de productos fitosanitarios y, dado que poseen una alta durabilidad, su vida útil prolongada los hace muy adecuados para su aplicación en condiciones de campo agrícola.

En el contexto de la agricultura sostenible, la aplicación de sistemas de liberación controlada se considera uno de los enfoques prometedores para aumentar la disponibilidad de nutrientes de las plantas. Se diseñaron varios macronutrientes, micronutrientes, nanopartículas cargadas de nutrientes y nanomateriales que mejoran el crecimiento de las plantas para aumentar el rendimiento de los cultivos (Guha y col., 2020).

En el mismo sentido, los pesticidas y herbicidas a veces son dañinos y pueden representar una amenaza ecológica para las napas de agua. Por lo tanto, ahora se están utilizando sistemas de administración inteligentes para minimizar el uso de herbicidas. Concretamente, se están utilizando herbicidas basados en receptores que tienen una afinidad de unión específica con moléculas de nanoherbicidas. Asimismo, se están desarrollando herbicidas nanoencapsulados para atacar receptores específicos de las raíces de las malezas. También se han formulado nanocompuestos biodegradables para la liberación controlada de herbicidas y se desarrolló un nanocompuesto a base de gel de almidón y arcilla para la liberación controlada de ametrina. Los herbicidas nanoencapsulados también están diseñados de una manera única donde la liberación de moléculas de herbicidas está completamente regulada en función de la lluvia y la temperatura. Durante la temporada de lluvias, las posibilidades de crecimiento de malezas son máximas. Por lo tanto, este sistema de nanocompuestos es perfecto para sistemas de secano (Guha y col., 2020).

La nanotecnología allanó una nueva era de sistemas de liberación controlada de fertilizantes que puede definirse como la transferencia regulada por permeación de ingredientes activos desde un depósito modificado a una región objetivo específica.

La productividad sostenible solo se puede aumentar si se adopta un sistema de agricultura inteligente que detecte la salud del suelo (cualidades nutricionales), la estructura de la comunidad del microbioma del suelo, la presencia de plagas y la calidad de los cultivos a medida que se desarrollan en el campo y en tiempo real. Hoy estas detecciones son posibles con métodos convencionales, pero no en tiempo real, y aquí la nanotecnología ofrece el uso de bionanosensores. Muchos biosensores están recubiertos con proteínas particulares y funcionan a nanoescala sin la participación de nanopartículas en el nivel de reconocimiento. Por otro lado, los biosensores también pueden utilizar partículas pequeñas que pueden denominarse nanopartículas en un sentido técnico. Un electrodo recubierto con nanopartículas junto con ADN o proteína es un ejemplo de biosensor (Moulick y col., 2020).

En la mayoría de los casos, cuando se identifican estos problemas, es demasiado tarde para que el agricultor tome una medida correctiva que conduzca a evitar una pérdida financiera. No solo se necesita la detección en tiempo real, sino también la transmisión simultánea de estos datos a la computadora del agricultor para una acción oportuna. Los nanobiosensores pueden proporcionar una excelente solución en varios aspectos. Por ejemplo, se demostró que las nanopartículas de oro cubiertas con dextrina detectan ADN de patógenos (basado en sondas). También se encuentra disponible más de un método de detección inmunogénica de patógenos mediante nanosensores. El monitoreo de diferentes parámetros del estado nutricional de una planta en crecimiento puede conducir a un análisis de salud en tiempo real y una evaluación de la productividad de los cultivos. También se han diseñado biosensores para detectar productos que puedan ser tóxicos y metales pesados en el suelo. Los biosensores electroquímicos de grafeno pueden detectar eficazmente productos organofosforados en muestras de suelo (Moulick y col., 2020).

La necesidad de desarrollar sistemas agroalimentarios sustentables es una urgencia. Es importante mantener y aumentar los índices productivos de la agricultura y, al mismo tiempo, no generar impactos que comprometan la salud de las personas y del medioambiente. Como puede observarse en este artículo, existen varias tecnologías cuya aplicación puede derivar en la satisfacción de ese objetivo. Una de ellas es la nanotecnología, que si bien está en etapas tempranas de desarrollo, ofrece soluciones y capacidades para poner en práctica una agricultura sustentable e inteligente.

REFERENCIAS

• Moulick RG, Das S,Debnath N, Bandyopadhyay K (2020). Potential use of nanotechnology in sustainable and ‘smart’ agriculture: advancements made in the last decade. Plant Biotechnology Reports, 14: 505-51.

• Guha T, Gopal G, Kundu R and Mukherjee A (2020). Nanocomposites for Delivering Agrochemicals: A Comprehensive Review. J. Agric. Food Chem, 68: 3691−370.

• Fu L, Wang Z, Dhankher OP and Xing B. (2020). Nanotechnology as a New Sustainable Approach for Controlling Crop Diseases and Increasing Agricultural Production. Journal of Experimental Botany, 71: 507-519.

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