La tecnología “chica” que hace grande al agro

La biotecnología y la nanotecnológica van por la nueva revolución verde. El horizonte es prometedor pero también desafiante.

Por: Spagnoletti, F.N.; Giacometti, R.* Facultad de Agronomía, Universidadde Buenos Aires e Institutode Investigaciones en BiocienciasAgrícolas y Ambientales - INBA(CONICET/UBA). Correo: rgiacometti@agro.uba.ar

En las últimas décadas, el avance a pasos agigantados de la nanotecnología y su incorporación a áreas como la agroindustria llevaron al desarrollo de una amplia gama de nuevos materiales nanométricos. ¿A qué nos referimos cuando hablamos de nanomateriales? Son materiales que, en general, provienen de una síntesis química, hecha en laboratorio, y cuya sofisticación tecnológica detrás de muchas de estas síntesis se desarrolló imitando a la naturaleza.

La química verde y las rutas biosintéticas ofrecen una alternativa para obtener un sinfín de partículas, que van desde las inorgánicas y minerales que se encuentran en el aire hasta nanopartículas de azufre y selenio producidas por microorganismos, como bacterias y levaduras.

Pero, ¿qué tan seguros son estos nanomateriales? Los estudios científicos centrados en la exploración de su eventual daño al ambiente y la salud de los organismos vivos coexisten con una creciente evidencia que apunta a sus beneficios. La aparente contradicción entre toxicidad y beneficios para la salud se puede atribuir a la ampli- tud de posibilidades para su aplicación tecnológica y las diferentes metodologías para evaluar su toxicidad (es decir, en diferentes especies, y a través de distintas vías de administración, rango de concentración y tiempo de exposición).

Existen diferentes métodos para la síntesis de nanopartículas, como la vía química (la más clásica) y la biogénica. Vayamos por parte. La síntesis convencional de nanopartículas metálicas requiere tanto energía como reactivos costosos ya que se trabaja con un exceso de aditivos químicos orgánicos e inorgánicos y diferentes disolventes para dirigir el proceso de cristalización en condiciones específicas. En este caso, las sustancias químicas que no reaccionan, se descartan y esto implica eliminar materiales con efectos nocivos para el ambiente. Por el contrario, la síntesis verde utiliza la biotecnología para producir y/o purificar proteínas involucradas en el proceso de obtención de nanomateriales; y también usa extractos de plantas y exudados microbianos como agentes reductores y/o estabilizantes, por lo que este proceso permite obtener partículas ambientalmente compatibles.

Todas las fichas a la química verde

La química verde parece ser una de las claves para obtener nanopartículas más seguras, no solo porque constituye una ruta ecológica, ya que disminuye la contaminación durante los procesos de fabricación, sino porque también ofrece biocompatibilidad como producto final. Varios métodos para la síntesis de nanomateriales se describieron como "verdes" y, generalmente, se basan en el autoensamblaje de átomos o moléculas que forman núcleos y se convierten en nanopartículas estables una vez que alcanzan un radio crítico.

Un paso más allá es dejar que la naturaleza haga todo el trabajo. Esta última opción se basa en escalar los procesos naturales de síntesis mediante el crecimiento de células o microorganismos que, bajo ciertas condiciones de cultivo que los científicos establecen, producen los nanomateriales deseados. Este enfoque se basa en rutas biosintéticas naturales, ya que, en términos generales, las células vivas incorporan especies moleculares y submoleculares para agregarlas aún más por autoensamblaje y así formar partículas en un rango de tamaño nanométrico. El control de los diferentes parámetros de síntesis como la temperatura, el pH, exposición a la luz, puede cambiar el tamaño y la forma de las nanopartículas sintetizadas.

Estrategias nanotecnológicas en agricultura

El término nano-agricultura se empleó durante la última década para describir el papel de la nanotecnología aplicada a la agricultura. Pero no hay que olvidar que al implementar nanopartículas a gran escala, es fundamental evaluar los riesgos potenciales, como la fitotoxicidad o el efecto sobre la microflora del suelo.

La industria agrícola incorpora y valida continuamente estrategias tecnológicas para mejorar la producción. El éxito del enfoque radica en el mejoramiento, la ingeniería genética, la fertilización y la manipulación de la rizosfera mediante la inoculación microbiana. Todas estas técnicas contribuyeron notablemente a aumentar los rendimientos de varios cultivos. El desafío que se presenta tiene que ver con el manejo del agua en la agricultura. Y es que las prácticas agrícolas representan una proporción altamente insostenible del agua dulce utilizada por los seres humanos. El cambio climático, así como la expansión de la agricultura y la silvicultura a áreas subóptimas con deficiencias nutricionales y/o hídricas, representan un desafío para hacer frente a la gestión y manejo del agua.

El manejo de los programas de fertilización puede mejorar el rendimiento, pero no cumple con los criterios de ser sustentable o evitar un efecto en detrimento para el ambiente. Una aplicación directa de fertilizantes puede afectar negativamente al desarrollo y fisiología de las plantas debido a fuertes efectos de toxicidad si hay altas concentraciones de iones u otras moléculas presentes en la rizosfera.

En regiones climatológicamente variables, la intensidad y periodicidad -o ausencia- de las lluvias afectan la disponibilidad del fertilizante en el ambiente rizosférico. La baja disponibilidad de agua aumenta el potencial osmótico del suelo, y somete la rizosfera de plantas a una capacidad de absorción de agua más reducida debido a la toxicidad. Mientras que en ambientes con lluvias excesivas, los fertilizantes tienden a solubilizarse y perderse por lixiviación, especialmente en suelos con baja retención de agua, lo que implica una contaminación crónica.

El desafío también requiere encontrar soluciones exitosas que sean sostenibles y minimicen su impacto en los ecosistemas. Uno de los temas relevantes que se deben abordar es mejorar la eficiencia del uso de nutrientes en sintonía con la disponibilidad de agua. Mediante enfoques biotecnológicos, se desarrollaron nuevas variantes de cultivos que incorporan rasgos mejorados resistentes a la sequía o con menor demanda de nutrientes. Estos enfoques no serán suficientes si no van acompaña- dos de la reformulación de la gestión de las prácticas agrícolas. Así, es comprensible que la revolución de las nanopartículas esté impactando en el campo, incluyendo enfoques como el uso de nano-dispositivos con liberación controlada de principios activos, ya que permiten el ingreso de las sustancias al suelo con mayor eficiencia que los aditivos convencionales. El objetivo de la nano-agricultura es lograr operaciones agrícolas más precisas, mediante el uso de cantidades significativamente menores de fertilizantes y otros promotores o reguladores del crecimiento.

El desafío también requiere encontrar soluciones exitosas que sean sostenibles y minimicen su impacto en los ecosistemas.

Los nanofertilizantes presentan características únicas y ventajas en comparación con los fertilizantes convencionales. Entre los beneficios se destaca la liberación controlada y la eficiencia en el uso de nutrientes y, en consecuencia, la reducción de pérdidas por volatilización y lixiviación, lo que reduce el impacto ambiental generado por la aplicación de fertilizantes convencionales. Otra ventaja es la dosificación, ya que se pueden utilizar en concentraciones más bajas, con la posibilidad de reducir los volúmenes de aplicación y en consecuencia bajar los costos de transporte.

La liberación controlada o lenta de sustancias en las rizosferas es un trabajo en progreso en el campo agrícola. Se pueden usar sistemas de liberación controlada para modular la dosis de nutrientes minerales y promotores del crecimiento de manera eficiente en términos de los requisitos de un cultivo específico y en el marco de tiempo apropiado. De esta forma, un nutriente clave como el N o P o un promotor vegetal -que puede resultar tóxico si se aplica incorrectamente en las rizosferas de las plantas- podría dosificarse gradualmente, optimizando su acción y coordinando la liberación con las necesidades de una determinada planta.

Actualmente existen algunos sistemas de liberación controlada en el mercado (exclusivamente para fertilizantes), pero suelen implicar un costo muy elevado y una aplicación compleja, en comparación con los fertilizantes convencionales. En este sentido podría ser de gran interés para productores y empresas del agro encontrar alternativas compatibles con las operaciones que permitan la modulación de la liberación de elementos nutricionales y las demás moléculas de interés mencionadas

El estudio del uso e implementación de nanopartículas hacia la agricultura inteligente se incrementó en los últimos años. Algunos trabajos científicos demostraron que el uso de nanopartículas aumenta el rendimiento de cultivos como el trigo y el maíz, y legumbres como la soja y el frijol común. Sin embargo, el efecto del uso de nanopartículas no solo contribuye a mejorar la nutrición de las plantas per se, sino que también sinergiza la eficiencia de la absorción de macronutrientes.

Las nanopartículas de elementos como sílice, quitosano y óxido de zinc ganaron mucha atención debido a su alto potencial para mejorar la biomasa y el número de granos. Además, se describió que las nanopartículas de zinc funcionan mejor junto con la urea, ya que actúan como fertilizantes nitrogenados y también proporcionan zinc como complemento en situaciones de deficiencia de agua.

Nanohéroes contra patógenos e insectos plaga

Uno de los temas que le quita el sueño a los agricultores es la pérdida de rendimiento debido a estreses bióticos. Según revelan algunos estudios, las nanopartículas pueden ser más eficientes que los productos químicos convencionales para el control de enfermedades y el ataque de insectos.

Las nanopartículas de plata, por ejemplo, presentan toxicidad contra patógenos bacterianos y hongos como Raffaelea sp., Botrytis cinérea, Penicillium expansum, Macrophomina phaseolina, Rhizoctonia solani y Fusarium oxysporum. También se reportó que las nanopartículas de cobre son capaces de controlar organismos fitopatógenos como Fusarium culmorum, F. oxysporum y F. graminearum. Otras nanopartículas que mostraron actividad antifúngica en el arroz son las nanopartículas óxido de zinc.

Por otra parte, la nanoencapsulación de compuestos bioactivos es otra estrategia prometedora para hacer frente a los estreses bióticos. La plasticidad en el uso y formulación de nanopartículas incluye la posibilidad de encapsulamiento, especialmente de aceites esenciales. En este sentido, Mohammadi y col. lograron la síntesis de nanopartículas de quitosano y la encapsulación de aceites esenciales con poderosa actividad antifúngica. De manera similar, las nanocápsulas que contienen los aceites esenciales de Origanum vulgare y Thymus capitatus mostraron una fuerte actividad contra un panel de catorce cepas de hongos pertenecientes a los Ascomycota y Basidiomycota.

Con respecto al control de insectos plaga, se demostró que el uso combinado de diversas nanopartículas metálicas con insecticidas como el tiametoxam puede aumentar la toxicidad en los lepidópteros, en particular en Spodoptera litura. Otro beneficio del uso de nanopartículas, además de proteger los cultivos de las plagas, es que las nanopartículas también pueden proteger los cultivos después de la cosecha y durante el período de almacenamiento. El uso de nanopartículas de óxido de aluminio, dióxido de titanio y óxido de zinc puede controlar a Sitophilus oryzae, una plaga importante de los granos almacenados. Con este fin, las nanopartículas biodegradables pueden convertirse en bioplaguicidas de elección.

La nanoencapsulación de compuestos bioactivos es otra estrategia prometedora para hacer frente a los estreses bióticos.

La revolución nanotecnológicatos plaga

Después de la revolución industrial, la nanotecnología es el mayor avance en el área de la agroindustria, ya que cada nanopartícula puede diseñarse para aplicarse a cultivos específicos, con una acción específica creada a demanda. En la actualidad se están desarrollando nuevos nanomateriales para acelerar la tasa de germinación de las semillas, para la nutrición vegetal y para proteger los cultivos de una manera amigable con el ambiente, sin perder eficacia.

Estos nanomateriales también están evolucionando en estructuras inteligentes que tienen el potencial de actuar como ¨carriers¨ y entregar las moléculas/principios activos con actividad pesticida, o fertilizantes en las concentraciones adecuadas para lograr la agricultura de precisión.

Pero a calmar la ansiedad, ya que como cualquier nueva tecnología, se deben continuar las investigaciones que descarten cualquier toxicidad y aseguren su inocuidad para implementar esta tecnología.