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Centro de Investigación en Química Aplicada

Agronanotecnología para sistemas modernos de producción alimentaria.

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Dr. Ricardo Hugo Lira-Saldivar¹, Dra. Ileana Vera-Reyes¹, M.C. Gladys de los Santos-Villarreal². ¹Departamento de Biociencias y Agrotecnología y de ² Síntesis de Polímeros del Centro de Investigación en Química Aplicada, Saltillo, Coah., México.

El abasto de alimentos y la nanotecnología.El siglo XXI se enfrenta al gran desafío de cómo alimentar a la población humana en constante crecimiento. Los indicadores señalan que en el año 2025 la población alcanzará los ocho mil millones (1). Tecnologías modernas como la nanotecnología (NT), ayudarán a mejorar la producción agrícola tradicional con el objetivo de hacerla más ecológica, productiva, rentable y sustentable (2).

Los progresos de la NT son muy claros en la agricultura moderna de precisión, los empaques inteligentes de alimentos, fitomejoramiento de variedades usando nanotrasnportadores de genes, así como en la síntesis de nanomateriales para fabricar entre otras cosas, nanofertilizantes, nanoplaguicidas, nanoherbicidas y nanosensores (Figura 1).

Figura 1. Aplicaciones de la nanotecnología en la agricultura para fabricación de agroinsumos y sistemas de monitoreo, que incrementan la productividad sustentable de los cultivos al optimizar su desarrollo aumentando la producción alimentaria.

 

Nanomateriales para su uso en la agricultura.

La NT estudia los materiales cuyo tamaño corresponde a la escala atómica y molecular (1-100 nm); destacando diversos materiales naturales y/o sintetizados como las nanopartículas (NPs) metálicas de Ag, Cu, Fe, Mg, Zn, etc., así como las derivadas del carbón (nanotubos de carbón, grafeno, etc.).

En lo que respecta a la agricultura, los estudios relacionados con este tipo de materiales han avanzado y se prevé un importante crecimiento en los resultados de investigación, debido a la posibilidad de incrementar con su uso, la producción alimentaria sustentable, ya que la penetración a las plantas por el follaje o por las raíces, puede ser más eficaz, ya que se requirieren menores volúmenes de los agroproductos, debido a que se aplican en muy pequeñas cantidades (3).

En el futuro próximo esta innovadora tecnología habrá de convertirse en todo el mundo en una fuerza económica impulsora. La NT emplea diferentes materiales y nuevos métodos de dosificación, que ayudan a mejorar la productividad y el potencial de los cultivos, con la finalidad de disminuir el uso de agroquímicos tradicionales, por lo que los nuevos nanomateriales ofrecen soluciones para los grandes problemas actuales de la agricultura (4), ya que las NPs se emplean en una gran variedad de aplicaciones agronanotecnológicas para mejorar los cultivos, tal como se muestran en la Figura 2.

Figura 2. Los nanomateriales en forma de nanopartículas metálicas o derivadas del carbón, son usados en una gran diversidad de aplicaciones agrícolas, biológicas e industriales.

Nanofertilizantes.

Los fertilizantes tradicionales cuando son mal dosificados, provocan a la larga la esterilidad del suelo (5). Recientemente los nanofertilizantes han recibido mucho interés en comparación con los convencionales, ya que son más rentables y amigables con los ecosistemas (6). Además, son muy eficientes promoviendo una germinación temprana de las semillas, lo que puede ayudar a la producción rápida de cultivos en un período corto de tiempo (7). Un ejemplo de ello son las NPs de óxido de zinc (NPsZnO), que han sido usadas por diversas razones, así como por su efecto promotor en la germinación de semillas y el crecimiento de las plantas (Figura 3).

Cuando las NPs son aplicadas al follaje se absorben a través de los estomas de las hojas y su translocación o transporte hacia el tallo y raíces, es por el sistema del floema (Figura 4). Las aplicaciones cubren mucha área foliar aumentando la fotosíntesis, la biomasa del cultivo y también ayudan a combatir el estrés ambiental por altas y bajas temperaturas (8).

Figura 3. Micrografías de nanopartículas de óxido de zinc. (a) Forma de las NPsZnO. (b) Imagen HRTEM. (c) Tamaño promedio de las NPsZnO. (d) Patrón SAED obtenido.

 

Figura 4. (A). Esquema que ilustra la aplicación de nanopartículas al suelo. (B). Aplicación al follaje de las plantas. Cuando son absorbidas por los estomas de las hojas, se transportan a la raíz por el floema. Al aplicarlas en la zona radicular, su translocación hacia arriba de la planta es por el tejido conductivo del xilema.

Nanoplaguicidas.

En comparación con la forma convencional de aplicar los plaguicidas en grandes volúmenes para extensiones de tierra grandes, se ha descubierto que los nanoplaguicidas mediante la liberación controlada y sostenida de tóxicos, son más efectivos para reducir la población de plagas y sus niveles de su infestación en plantas (11). Las nanocápsulas a base de polímeros, se han usado para encapsular extractos de plantas que han mostrado grandes ventajas en comparación con agroquímicos sintéticos (12).

Si los nanoplaguicidas se aplican en pequeñas cantidades, solo en manchones donde se detecten los problemas por insectos o enfermedades, implica aún menos contaminantes para el ambiente, así como una reducción en los costos de producción agrícola (13).

Sin embargo, se necesita más investigación para describir su efecto en el suelo, el agua y las cosechas, así como la forma en que las NPs se eliminan del cuerpo y el impacto de las mismas en la salud (14). La demanda de alimentos a nivel mundial seguirá aumentando, pero las investigaciones y productos para incrementar el rendimiento de los cultivos son aún insuficientes. Por lo tanto, una opción para el desarrollo de una agricultura sustentable es la generación de agronanoinsumos.

 

Nanosensores.

El uso apropiado y exacto de nanosensores puede apoyar la agronomía sustentable para mejorar los rendimientos y detectar microorganismos patógenos que se han desarrollado dentro del empaque de alimentos (Figura 5). Los nanosensores son muy útiles para examinar una amplia variedad de efectos como el de los fertilizantes, herbicidas, fungicidas, insecticidas, la humedad y el pH del suelo, entre otras variables (15).

La NT tiene una enorme capacidad para producir biosensores para el reconocimiento rápido de los microorganismos fitopatógenos, agroproductos contaminantes, toxinas o aditivos de alimentos (16). Esos nanosensores pueden ser estacionarios, los cuales se colocan en puntos estratégicos del área de siembra, o pueden ser móviles e instalarlos en drones.

También tienen una función importante para detectar nuevos grupos de plaguicidas inocuos, así como en la conservación, envasado de alimentos y para eliminar toxinas del suelo, de cuerpos de agua y para mejorar la vida de anaquel o poscosecha de verduras, flores y frutas (17). La NT ha permitido el desarrollo de empaques inteligentes de alimentos con sensores, que pueden revelar el desarrollo bacterial o fúngico al estar envasados (18).

Figura 5. Nanosensores en plantas dan alertas sobre plagas y clima extremo. En empaques pueden detectar toxinas causadas por bacterias y hongos presentes en los alimentos.

Nanoherbicidas.

El uso intensivo de herbicidas como el glifosato y otras clases de productos químicos en las prácticas agrícolas convencionales, ha tenido como resultado un impacto ambiental grave y negativo, que ha provocado un aumento del nivel de residuos de herbicidas en el agua superficial y subterránea, el suelo y los alimentos (19).

Establecer imagen destacadaFigura 6. Con la nanotecnología agroinsumos como los herbicidas y otros plaguicidas pueden ser encapsulados en una matriz polimérica, eso permite mejorar su dosificación, e incrementar la eficacia de aplicación y absorción por los cultivos agrícolas.

Los nanoherbicidas de lenta y gradual liberación, generalmente se incorporan en una matriz polimérica (Figura 6). El desarrollo de NPs con efecto herbicida específico permite que sean encapsuladas e incorporadas dentro de nanotubos de carbón, para luego dirigirlas a un receptor específico en las raíces de las malezas, donde esas nanocápsulas penetran a partes o tejidos vegetales donde inhiben aspectos fisiológicos como el transporte de electrones y la glicólisis (20). Esto hace que la maleza o planta indeseada se afecte de tal manera, que puede morir de hambre por falta de comida y agua, y finalmente muere.

Conclusiones.

En México la agricultura es cada vez menos rentable, debido a esta situación su contribución a la economía del país disminuye paulatinamente, por lo que ha crecido la importación de alimentos, provocando pobreza y migración, dependencia alimentaria y otras situaciones indeseables para el sano desarrollo de la sociedad. Por eso es apremiante que los esfuerzos aislados de investigación sobre NT, que se han venido realizado en centros de investigación y universidades, sean fortalecidos para generar nuestros propios resultados sobre agronanotecnología, para así poder coadyuvar en la producción sustentable de alimentos en el siglo XXI.

 

LITERATURA CITADA

  1. Mali, S. C., Raj, S. y Trivedi, R. (2020). Nanotechnology a novel approach to enhance crop productivity. Biochemistry and Biophysics Reports, 24, 100821.
  2. Lira-Saldivar, R.H., Méndez Argüello, B., De los Santos Villareal, G. y Vera Reyes, I. (2018). Potencial de la nanotecnología en la agricultura. Acta Universitaria, 28 (Online first), 1-16.
  3. Flores-Hernández, E.A., Lira-Saldívar, R.H., Acosta-Ortiz, R., Méndez-Arguello, B., García-López, J.I., Díaz-Barriga-Castro, E. y García-Carrillo, M. (2020). Synthesis and characterization of calcium phosphate nanoparticles and effect of the agitation type on particles morphology. Revista Mexicana de Ingeniería Química, 19(1), 285-298.
  4. Ioannou, A., Gohari, G., Papaphilippou, P., Panahirad, S., Akbari, A., Dadpour, M.R. y Fotopoulos, V. (2020). Advanced nanomaterials in agriculture under a changing climate: The way to the future?. Environmental and Experimental Botany, 176, 104048.
  5. Ahmadian, K., Jalilian, J. y Pirzad, A. (2021). Nano-fertilizers improved drought tolerance in wheat under deficit irrigation. Agricultural Water Management, 244, 106544.
  6. Butt, B.Z. y Naseer, I. (2020). Nanofertilizers. In Nanoagronomy (pp. 125-152). Springer, Cham.
  7. Vera-Reyes, I., Vázquez-Núñez, E., Lira-Saldivar, R.H. y Méndez-Argüello, B. (2018). Effects of nanoparticles on germination, growth, and plant crop development. in: agricultural nanobiotechnology: Modern agriculture for a sustainable future (Chapter 5 pp. 77-110). Springer, Cham.
  8. Abbasifar, A., Shahrabadi, F. y ValizadehKaji, B. (2020). Effects of green synthesized zinc and copper nano-fertilizers on the morphological and biochemical attributes of basil plant. Journal of Plant Nutrition, 43(8), 1104-1118.
  9. García-López, J.I., Niño-Medina, G., Olivares-Sáenz, E., Lira-Saldivar, R.H., Díaz-Barriga, E.D., Vázquez-Alvarado, R. y Zavala-García, F. (2019). Foliar application of zinc oxide nanoparticles and zinc sulfate boosts the content of bioactive compounds in habanero peppers. Plants, 8(8), 254.
  10. García-López, J., Lira-Saldivar, R.H., Zavala-García, F., Olivares-Sáenz, E., Niño-Medina, G., Ruiz-Torres, N.A. y Díaz-Barriga, E. (2018). Effects of zinc oxide nanoparticles on growth and antioxidant enzymes of Capsicum chinense. Toxicological & Environmental Chemistry, 100(5-7), 560-572.
  11. Vera‐Reyes, I., Esparza‐Arredondo, I.J.E., Lira‐Saldivar, R.H., Granados‐Echegoyen, C.A., Alvarez‐Roman, R., Vásquez‐López, A., Díaz‐Barriga Castro, E. (2019). In vitro antimicrobial effect of metallic nanoparticles on phytopathogenic strains of crop plants. Journal of Phytopathology, 167(7-8), 461-469.
  12. Sun, C., Zeng, Z., Cui, H. y Verheggen, F. (2020). Polymer-based nanoinsecticides: current developments, environmental risks and future challenges-A Review. Biotechnologie, Agronomie, Société et Environnement, 24.
  13. Gahukar, R.T. y Das, R.K. (2020). Plant-derived nanopesticides for agricultural pest control: challenges and prospects. Nanotechnology for Environmental Engineering, 5(1), 1-9.
  14. Gomes, H.D.O., Menezes, J.M.C., da Costa, J.G.M., Coutinho, H.D.M., Teixeira, R.N.P. y do Nascimento, R.F. (2020). A socio-environmental perspective on pesticide use and food production. Ecotoxicology and Environmental Safety, 197, 110627.
  15. Mushtaq, Z. y Faizan, S. (2020). Application of nanosensors in agriculture and food processing. in nanobiosensors for agricultural, medical and environmental applications (pp. 175-186). Springer, Singapore.
  16. Singh, K. (2020). Nanosensors for food safety and environmental monitoring. In Nanotechnology for food, agriculture, and environment (pp. 63-84). Springer, Cham.
  17. Dobrucka, R. (2020). Metal nanoparticles in nanosensors for food quality assurance. LogForum, 16(2).
  18. Jildeh, N.B. y Matouq, M. (2020). Nanotechnology in packing materials for food and drug stuff opportunities. Journal of Environmental Chemical Engineering, 104338.
  19. Clapp, J. (2021). Explaining growing glyphosate use: The political economy of herbicide-dependent agriculture. Global Environmental Change, 67, 102239.
  20. Alghuthaymi, M., Mostafa, M. y Abd-Elsalam, K.A. (2020). Carbon nanotubes: An efficient sorbent for herbicide sensing and remediation. In Carbon Nanomaterials for Agri-Food and Environmental Applications (pp. 429-457). Elsevier.


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