38. Nanofertilizantes 6io11

La Nanotecnología en la Nutrición Vegetal ¿Qué es la nanotecnología? La nanotecnología es el estudio y desarrollo de sistemas en escala muy pequeña, tamaño “nano”, término que viene del griego νάνος que significa enano y en el Sistema Internacional de Unidades es el prefijo que corresponde a un factor 10-9. Un nanómetro (nm) equivale a una mil millonésima parte de un metro, es decir, si el diámetro de una canica fuera de 1 nm, entonces el diámetro de la tierra sería de cerca de 1m. Un átomo mide menos de 1 nm, en esta escala se observan propiedades y fenómenos que se rigen bajo las leyes de la mecánica cuántica. Bajo estas nuevas propiedades los científicos usan las nanopartículas (NP), con dimensiones entre 10 y 100 nm (Nakache et al., 1999; Auffan et al., 2009), es decir entre 0.000,000,01 y 0.000,000,1 metros. Las NP que se han usado exitosamente incluyen óxidos metálicos, cerámicas, silicatos, materiales magnéticos, carbón, lípidos, puntos cuánticos semiconductores, polímeros, dendrímeros y emulsiones. La nanotecnología se está desarrollando velozmente en áreas como la ingeniería electrónica, energéticos, salud (nanomedicina) y Figura 1. Una molécula de glucosa tiene aproximadamente un ancho de 1 nm. ahora también en la agricultura. La nanotecnología en la agricultura Tal como ocurre en otras ramas mencionadas anteriormente como la medicina, la nanotecnología tiene una gran cantidad de aplicaciones potenciales en la agricultura. Desde la nano-escala se puede obtener una mayor eficiencia en el uso de agroquímicos, reduciendo con esto las dosis requeridas, lo cual implica una mejora ambiental. Se están desarrollando nanosensores con aplicaciones muy interesantes; se pueden regenerar suelos dañados, tratar enfermedades de los cultivos eficientemente, degradar rápidamente complejas moléculas de pesticidas y además mejorar la asimilación de nutrientes por las plantas. Reuniendo estas diversas estrategias es viable alcanzar una producción agrícola más rentable y ecológicamente amigable; a continuación se describen brevemente las principales aplicaciones. * Control fitosanitario. Buscando herramientas para el control fitosanitario de efecto más veloz y consistente que el control biológico, y de menor impacto ecológico que el control químico, se han desarrollado estrategias nanotecnológicas. Existen estudios que confirman que algunas NP metálicas son efectivas contra los patógenos de los cultivos. Además, las NP se pueden usar como nuevas formulaciones de plaguicidas y de repelentes de insectos mediante técnicas de nanoemulsión o nanoencapsulación. Se han realizado ensayos con NP de sílice, de polietilen glicol, de plata, de aluminio, de óxido de zinc y de dióxido de titanio con resultados prometedores. *Eficiencia de productos. Usando la nano-escala, la producción de moléculas que ayuden al sistema agua-suelo-plantaatmósfera será cada vez más eficiente. Al ser partículas tan pequeñas, la superficie de o crece exponencialmente usando un mismo volumen. De esta manera, se disminuye no sólo el desperdicio sino la contaminación ambiental; esto aplica tanto para plaguicidas como para insumos nutrimentales. *Mejoramiento del suelo. La remediación de suelos contaminados será más factible gracias a la nanotecnología. Se están desarrollando métodos de remoción de contaminantes de suelos y aguas que pasan por incineración, fitoremediación, procesos fotoquímicos, uso de ultrasonido y oxidación avanzada. Con el uso de nano-arcillas, que existen de manera natural, se fomenta la floculación del suelo (unión de partículas coloidales) lo cual genera una mejor estructura del suelo. Además, se usan NP para la prevención de la erosión, formando “costras biodegradables” en el suelo. También se puede hacer remediación de metales tóxicos con NP y se ha comprobado la disminución de la toxicidad del cobre por conversión del mismo en NP por hongos endomicorrícicos. * Degradación de plaguicidas. La residualidad y toxicidad de muchas moléculas de plaguicidas es preocupante, en ese sentido la nanotecnología ha hecho aportes interesantes, a continuación se mencionan tres de ellos: 1) Reducción fotocatalítica de moléculas como atrazina, molinato y clorpirifos en fuentes de agua, mismas que pueden degradarse con NP de hierro cerovalente (ZVI, 1-100 nm) por aplicación directa. 2) Se ha comprobado que biopolímeros de FeS (200nm) degradan lindano, contaminante persistente en fuentes de agua y alimentos (Paknikar et al., 2005). 3) Uso de NP de Ti con Fe2O3 ha logrado la descomposición fotocatalítica de residuos de pesticidas (Sasson et al., 2007).

*Nanosensores. Esta estrategia es la que promete mayores avances, y en general se puede decir que aún está en el ámbito de la investigación. Permitiría la detección oportuna de residuos de plaguicidas o de enfermedades con bionanosensores, además serviría para identificar de forma localizada las necesidades de nutrientes y agua de cada cultivo. Se podrían desarrollar métodos de diagnóstico para monitoreo in situ que permitirán a los agricultores conocer las condiciones de los cultivos con múltiples ventajas como la miniaturización, medición de más variables, menor cantidad de muestra requerida, más rápidas tasas de detección, lecturas en tiempo real, aplicación de metodologías diversas (electrónica, colorimétrica, fluorométrica y cambios de masa) y mayor sensibilidad de detección (Guo et al., 2009). Se espera que los sistemas de detección contribuyan a incrementar productividad y disminuir el uso de agroquímicos gracias a la intervención temprana. Como ejemplo, Zhao et al. desarrollaron en 2004 una tecnología de detección basada en NP de sílice (60 nm) con un colorante fluorescente y anticuerpos específicos a antígenos del microbio de interés con el cual se puede detectar hasta sólo una célula. *Nano-fertilizantes. En el área de la nutrición vegetal hay también una serie de oportunidades usando la nanotecnología. Se tendría mayor seguridad de aplicación debido a la escala (fertilización localizada), las nano-estructuras permitirían controlar la velocidad de liberación de nutrientes para que sólo se libere lo que las plantas consuman. Esto, además de una buena nutrición en los cultivos, brindará una mejor eficiencia en el uso de los fertilizantes, reduciendo las lixiviaciones y otras formas de pérdida de fertilizantes con la consiguiente reducción de costos. Se abunda más sobre este tema en el siguiente apartado. Los nano-fertilizantes Considerando el tamaño de las rutas de y absorción nutrimental de la planta (simplasto, apoplasto y vía foliar), se pueden suponer algunas ventajas de aplicar nano-fertilizantes, los cuales podrán acceder fácilmente a la planta. Actualmente ya se han diseñado NP como un componente de los fertilizantes destinados a aumentar la eficiencia en su uso, haciéndolos del mismo tamaño que los poros de la raíz y las hojas. Recientemente se demostró que nanotubos de carbono pudieron penetrar semillas de tomate, también se demostró que NP de óxido de zinc penetraron en el tejido radical de un pasto. Esto sugiere que se puede aprovechar la nanotecnología para mejorar la nutrición vegetal. Considerando la alta superficie de o en relación con el volumen ocupado, la efectividad de los nano-fertilizantes sobrepasa a los más novedosos fertilizantes recubiertos convencionales, en los cuales se ha visto poca mejora en los últimos diez años. Un nano-fertilizante es un producto que libera nutrientes a los cultivos en alguna de estas formas: a) se encapsula dentro de nanotubos o materiales nanoporosos, Figura 2. Modelo conceptual de liberación de NP de ZnO de b) es cubierto por una nanopelícula polimérica o acuerdo a la demanda del cultivo. Adaptada de Monreal, 2015. c) como partículas o emulsiones de escala nanométrica. A nivel mundial están comenzando a funcionar estas estrategias nanotecnológicas, un ejemplo es que se han usado compuestos doble capa de hidróxido de zinc-aluminio para la liberación controlada de compuestos químicos que regulan el crecimiento vegetal. Se han mejorado rendimientos mediante el uso de fertilizantes incorporados en nanotubos en forma de caracol y se ha controlado la liberación de nitrógeno ocasionada por la hidrólisis de la urea a través de la inserción de enzimas ureasa en partículas de sílice nanoporoso. Algunos reportes indican que las NP de óxido de zinc (menores a 100 nm) usadas con una gran diversidad de cultivos como pepino (Zhao et al., 2013), cacahuates (Prasad et al., 2012), coliflor, tomate (Singh et al., 2013) y chícharo (Pandey et al., 2010) ayudaron a incrementar la eficiencia en el uso de zinc por los cultivos. La investigación del Dr. Monreal Los fertilizantes de mayor importancia por su impacto en rendimiento y por los volúmenes usados son los nitrogenados, sin embargo, también suelen ser los menos eficientes. Por cada 100 dólares que un agricultor aporta al suelo en forma de urea, solo 30 son usados por el cultivo. Alrededor de un 50 a un 70% de los fertilizantes nitrogenados convencionales se pierde, se trata de formulaciones con dimensiones superiores a los 100 nm. Para disminuir esta pérdida el Dr. Carlos Monreal, científico chileno que trabaja para la Universidad de Alberta y de Carleton en Canadá está desarrollando con su equipo una novedosa estrategia a través de la nanotecnología. Se trata de una nueva generación de fertilizantes que incrementarían su eficiencia

desde el 30% actual hasta un 80%. La idea es desarrollar un producto que libere el nitrógeno sólo cuando la planta lo requiera y en la cantidad que lo necesite. Monreal está desarrollando un fertilizante hecho de moléculas de nitrógeno con un nanorevestimiento de un polímero que las protege del ambiente. Esta protección contiene nano-biosensores hechos de un compuesto químico muy específico que permite que el fertilizante se libere cuando la planta lo necesita. Es cierto que las plantas no tienen una herramienta similar al habla humana, sin embargo, tienen un sistema complejo de comunicación con el ambiente que las rodea. Una planta que está perdiendo agua o nutrientes a causa de las malezas, manda señales químicas para dañar a las plantas competidoras. En algunos casos, las plantas bajo ataque de patógenos del suelo, disparan mecanismos de defensa que sintetizan alcaloides o antibióticos hacia el suelo circundante para defenderse. En determinadas circunstancias las raíces mandan señales para ayudar a los microorganismos del suelo a transformar el nitrógeno en una forma asimilable. De igual manera, bajo deficiencia de micronutrimentos en el suelo, las plantas tienen mecanismos de autoregulación que segregan fitosideróforos para movilizar Fe y Zn hacia las raíces (Dotaniya et al., 2013). Usando esta “conversación química” es que se ha desarrollado la tecnología de los nano-biosensores que pueden detectar cuando la planta requiere más nitrógeno y permitir a los microorganismos que accedan al nitrógeno que se encuentra dentro del nano-revestimiento. Estos biosensores “saben” cuándo liberar el nitrógeno porque son capaces de detectar señales químicas transmitidas por las raíces de las plantas hacia el suelo. De esta manera el nitrógeno no interacciona con el ambiente, por lo cual las pérdidas disminuyen sustancialmente. Las señales que envían diferentes cultivos son variables, por lo que cada nano-fertilizante inteligente deberá ser adecuado para funcionar específicamente con algunos cultivos. Monreal y su equipo han desarrollado el nanofertilizante para trigo y canola, actualmente trabajan en cebada. Gran parte del trabajo de investigación está enfocado a cuestiones bioquímicas y moleculares, sin embargo, la parte mecánica también es fundamental, pues se requiere hacer los nanorevestimientos 3D de menos de 100 nm de grosor, además de ser biodegrabable para evitar impactos ambientales. El Dr. Monreal presentará sus avances más recientes en el 4° Congreso Internacional de Nutrición y Fisiología Vegetal Aplicadas de INTAGRI. Perspectivas de la nanotecnología en la agricultura

Figura 3. Dr. Carlos Monreal, científico desarrollador de nano-fertilizantes.

Además de la mejora en la eficiencia de los fertilizantes, la nanotecnología permite otros avances como por ejemplo, gracias a la propiedad fotocatalítica del nano-dióxido de titanio, se puede incorporar a los fertilizantes como un aditivo bactericida además de promover la fotoreducción del gas nitrógeno. Se han usado NP poliméricas de quitosano (78 nm) para controlar la liberación de fósforo y potasio de fuentes como Ca2PO4 y KCl (Corradini et al., 2010). Por otro lado, el nano-sílice ha mostrado formar películas en las paredes celulares, lo que proporciona a la planta mayor resistencia al estrés. Otro ejemplo son las nano-formulaciones de micronutrientes para aspersión foliar y suplementación de suelos con nutrientes atrapados en nanomateriales para liberación lenta (Peteu et al., 2010). El desarrollo de una fertilización localizada y eficiente cada día tiene más avances, la tecnología e innovación en la agricultura es fundamental y tendremos que evolucionar para conseguir el reto de la alimentación en todo el mundo. Sin embargo, falta mucho por investigar y desarrollar en el campo de la nanotecnología aplicada a los cultivos agrícolas, esto se percibe al comparar las más de 6,000 patentes y aplicaciones nanotecnológicas en el área farmacéutica generadas entre 1998 y 2008 contra las solamente 100 en el campo de los fertilizantes durante el mismo periodo. Principales Fuentes Consultadas DeRosa María C. et al., 2010. Nanotechnology in fertilizers, Nature Nanotechnology. Hossain, K. Z., Monreal, C. M. & Sayari, A. 2008. Colloid surface. Lira-Saldivar, et al., 2014. Nanotecnología en la Agricultura Sustentable. Centro De Investigación en Química Aplicada. Monreal, C. M. et al., 1986. Spatial heterogeneity of substrates: effects ... and nitrification of urea. Soil Science. Monreal, C.M. et al., 2015. The Application of Nanotechnology for Micronutrients in Soil-Plant Systems. VFRC Monreal, C.M., 2015. Intelligent NanoFertilizers. AAFC & Carleton University. Naderi M. R. and Danesh-Shahraki. 2013 Nanofertilizers and their roles in sustainable agriculture IJACS. Rocha P. J. 2012. Investigación en nanobiotecnología y sus potenciales aplicaciones en agricultura. IICA