Menjant nanomaterials II: nanofertilitzants i agroquímics

Fa un temps vaig parlar dels beneficis de la nanotecnologia al sector alimentari, i vam comentar com podem modificar, gràcies als nanomaterials, diferents paràmetres dels aliments, tenir una agricultura millorada o un embalatge intel·ligent, és a dir, de com s’utilitza la nanotecnologia en el sector agroalimentari.

Ara parlarem de com els nanomaterials tenen un paper important respecte a la destinació, mobilitat i toxicitat dels contaminants del sòl, i que són part essencial de diferents estratègies de remediació. En particular, la gran superfície que ofereixen les diminutes nanopartícules, que les fan atractives per abordar desafiaments que no es resolen amb els pesticides físics, químics i els mètodes de control biològic tradicionals.

Com ens en nanobeneficiem?

En la indústria alimentària, les nanopartícules són líders en la creació d'aliments d'alta qualitat i bon valor nutritiu, mentre que les nanoformulacions ja s'utilitzen àmpliament en productes farmacèutics i de cura personal. Tanmateix, la nanotecnologia dins del sector agroquímic  tot just està emergint, tot i que desenvolupa i usa tecnologies noves, efectives i de baix cost, amb aplicació en tres categories:

1. Productes benignes a l'ambient
2. Remediació de materials contaminats amb substàncies perilloses
3. Sensors ambientals

De fet, la nanotecnologia en l'agricultura ha guanyat un bon impuls en l'última dècada gràcies a una gran quantitat de fons públics, tot i que encara està en ple desenvolupament. 

La nanotecnologia proporciona nous agents agroquímics i nous mecanismes de lliurament per millorar la productivitat dels cultius, i promet reduir les aplicacions de plaguicides. També pot incrementar la producció agrícola i les seves aplicacions inclouen:

• Nanoformulacions d'agroquímics per a l'aplicació de pesticides i fertilitzants per al millorament de cultius;
• aplicació de nanosensors en la protecció de cultius per a la identificació de malalties i residus d'agroquímics;
• nanodispositius per a l'enginyeria genètica de plantes;
• diagnòstic de malalties de les plantes;
• salut animal, cria d'animals, producció avícola; i
• maneig postcollita.

Es poden utilitzar tècniques d'agricultura de precisió per millorar encara més els rendiments dels cultius, però sense danyar el sòl i l'aigua. A més, pot reduir la pèrdua de nitrogen a causa de la lixiviació i les emissions, i els microorganismes del sòl. Les aplicacions de la nanotecnologia inclouen la transferència de gens o ADN intervinguda per nanopartícules en plantes per al desenvolupament de varietats resistents a insectes, processament i emmagatzematge d'aliments i una major vida útil del producte. També pot incrementar el desenvolupament de la producció de biomassa a combustible. Els experts creuen que els beneficis potencials de la nanotecnologia per a l'agricultura, l'alimentació, la pesca i l'aqüicultura han de sospesar-se amb les preocupacions pel sòl, l'aigua i el medi ambient, i la salut ocupacional dels treballadors.

En els últims anys, els productes de deixalles agrícoles han atret l'atenció com a font de matèries primeres renovables per ser processades en substitució de diverses aplicacions diferents, i també com a matèria primera per a la producció no material.

D'altra banda, la resistència als insecticides és un dels millors exemples d'evolució que es produeix en una escala de temps ecològica. Per això, l'estudi de la resistència als insecticides és necessari, tant perquè permet comprendre els mecanismes que operen en temps real com per la seva importància econòmica, tenint en compte que els insectes s'han convertit en un problema cada vegada més gran per a l'agricultura i la salut pública. Arran dels estudis, les pràctiques agrícoles podrien incloure una àmplia gamma de règims selectius. 

En paral·lel, el desenvolupament de nanoquímics genera unes grans expectatives per fer-los servir com a agents prometedors per al creixement de plantes, fertilitzants i pesticides. En els últims anys, l'ús de nanomaterials s'ha considerat una solució alternativa per controlar les plagues de les plantes, inclosos insectes, fongs i males herbes. Diversos nanomaterials s'utilitzen com a agents antimicrobians en l'envasament d'aliments en els quals diverses nanopartícules, com els nanomaterials de plata, són de gran interès. S'ha informat que moltes nanopartícules (Ag, Fe, Cu, Si, Al, Zn, ZnO, TiO₂, CeO₂, Al₂O₃ i nanotubs de carboni) tenen alguns efectes adversos sobre el creixement de les plantes a més de les propietats antimicrobianes.

Igualment, els nanosensors, que permeten el desenvolupament de dispositius de cultiu de precisió o de cultius modificats genèticament utilitzant nanopartícules, nanofibres o nanocàpsules com a vectors de l'ADN, estan encara en les primeres etapes de desenvolupament, però revolucionaran les pràctiques agrícoles, la producció d'aliments i potser els nanopesticides.

Què és un nanopesticida o un nanofertilizant?

Els termes nanopesticides i nanofertilitzants poden designar una àmplia gamma de productes per a les pràctiques agrícoles relacionats amb la grandària, naturalesa, nivell de desenvolupament i, fins i tot, rellevància. Les propietats i els efectes de les partícules i els materials a la nanoescala poden diferir de les seves homònimes més grans i amb igual composició química.

Per a aquest propòsit, és interessant avaluar l'estratègia enfocada a la síntesi de nanopartícula usant mitjans ecològics, la qual cosa implica una síntesi mitjançant extractes de plantes. Aquests mètodes són avantatjosos, ja que són simples, convenients, ecològics i requereixen menys temps de reacció. Els nanomaterials preparats amb mètodes ecològics podrien augmentar el potencial agrícola per tal de millorar el procés de fertilització, els reguladors del creixement de les plantes i els pesticides. A més, minimitzen la quantitat de productes químics nocius que contaminen el medi ambient. Per tant, aquesta tecnologia ajuda a reduir els contaminants ambientals. En particular, la gran superfície que ofereixen les diminutes nanopartícules les fa atractives per abordar desafiaments que no es troben amb els pesticides físics, químics i els mètodes de control biològic.

Igualment, les nanopartícules poden tenir una major reactivitat química i ser més bioactives. Per la seva grandària, tenen millor accés a qualsevol cos i tenen probabilitat d'entrar en cèl·lules, teixits i òrgans. Aquestes propietats ofereixen noves aplicacions en gairebé totes les àrees de la indústria. Tanmateix, la hipòtesi que els mitjans més petits són més reactius i, per tant, més potents no ha estat provada per als productes agroquímics.

La majoria dels nanopesticides descrits com a "nanos" en la literatura excedeixen en gran manera el límit de la grandària de 100 nm que s'ha recomanat per a propòsits reguladors. Una definició basada únicament en la grandària exclouria moltes de les anomenades nanoformulacions recents i, d'altra banda, inclouria productes que han estat en el mercat durant dècades sense plantejar problemes particulars (per exemple, microemulsions i formuladors, com ara argiles i polímers). Per tant, la iniciativa de la UE d'un dipòsit de nanomaterials (CE, 2014) comporta el risc de confondre encara més els consumidors mitjançant la inclusió d'ingredients que han estat utilitzats durant dècades sense ser prèviament classificats com a "nanos". En aquest context, potser seria més útil parlar de nanotecnologia o tecnologia de formulació en nanopesticides, en lloc de centrar-se únicament en les nanopartícules i com han de definir-se.

Disseny  de  noves  formulacions  de plaguicides i nanopesticides

L'aparició i el desenvolupament de noves races patògenes és un problema continu, i l'ús de productes químics per controlar les plagues és car i no sempre eficaç. En els últims anys s'ha considerat l'ús de nanomaterials com una solució alternativa per al control de patògens vegetals. Les pràctiques agrícoles generalment inclouen l'aplicació sistemàtica d'una àmplia gamma de compostos actius, en dosis i freqüències variables, que representen una àmplia gamma de règims selectius.

Les nanopartícules d'òxid metàl·lic han controlat el pugó verd del préssec. L'hidròxid de magnesi i les bionanopartícules sintetitzades van ser el millor control per a Myzus persicae, en comparació amb altres nanopartícules sintètiques. Les nanopartícules d'òxid de zinc sintetitzades utilitzant extracte de pela aquosa de Punica granatum van ser provades per determinar la seva potencial activitat antimicrobiana contra alguns microbis seleccionats. A més, aquest treball de recerca va determinar l'efecte de les ZnONP sintetitzades sobre el pugó verd del préssec i l'eficàcia antibacteriana contra ceps estàndards de Staphylococcus aureus grampositius i Escherichia coli gramnegatius. També s'ha informat que altres nanopartícules (Fe, Cu, Si, Al, Zn, ZnO, TiO₂, CeO₂, Al₂O₃ i nanotubs de carboni) tenen alguns efectes adversos sobre el creixement de les plantes. A vegades, les nanopartícules també tenen un efecte advers sobre el creixement de bacteris útils del sòl, com a Pseudomonas putida KT2440. Totes dues concentracions de nanopartícules de níquel (50 i 100 ppm) van inhibir el creixement micelià de fongs en medis sòlids, i les inhibicions van ser significatives sobre el control. Les nanopartícules de níquel a una concentració de 100 ppm van inhibir el creixement micelià de F. oxysporum f. sp. lactucae i F. oxysporum f. sp. Lycopersici.

En aquest camp, l'enfocament es dirigeix a la reducció de la dosi d'ingredient actiu i a una menor residualitat i càrrega de contaminants en l'ambient. La forma, càrrega i grandària de les diferents partícules pot afectar les seves propietats cinètiques (absorció, distribució, metabolisme, excreció i toxicitat). Per aquesta raó, els nanomaterials de la mateixa composició, que tenen diferent grandària i forma, poden tenir àmplia diferència de toxicitat; aquestes propietats són les que s'aprofiten en la formulació de fertilitzants, productes de creixement vegetal i en el disseny de plaguicides més potents que responguin a condicions climàtiques o insecte blanc específic. La nanotecnologia permet obtenir emulsions químiques de dimensions nanoscòpiques, o encapsular els ingredients actius en nanocàpsules dissenyades per obrir-se sota unes certes condicions (resposta a la llum solar, la calor o condicions alcalines en el tub digestiu d'un insecte). També es poden produir formulacions que poden dissoldre's en aigua més eficaçment que les existents (augmentant, així, el seu nivell d'activitat). Unes altres empren suspensions de nanopartícules (nanoemulsions) que poden tenir base hídrica o d'oli i que contenen suspensions uniformes de nanopartícules pesticides o herbicides.

El futur dels nanoagroquímics

La nanotecnologia podria convertir-se en una font potencial de solucions emergents per tal de mitigar la contaminació per pesticides i fertilitzants. Aquest escenari només pot aconseguir-se amb ràpids canvis per part de la indústria, els investigadors i les agències reguladores, seguint, per exemple, algunes de les direccions suggerides a continuació:

1. Augmentar les col·laboracions entre les disciplines involucrades en totes les etapes del desenvolupament i avaluació d'agroquímics (per exemple, formulació, plantes, materials i científics ambientals) per al desenvolupament de productes que s'ajustin a les múltiples limitacions del sector agroquímic i que probablement aporten un valor afegit als productes existents.
2. Els requisits de l'última directiva de la UE respecte a una millor avaluació de les formulacions solen considerar-se restriccions addicionals. Els enfocaments actuals per a l'avaluació de la reglamentació química solen consistir a aplicar factors incrementals de seguretat per tenir en compte el creixent nivell d'incertesa. D'altra banda, s'han de desenvolupar noves eines científiques per avaluar i aprofitar plenament el que la ciència de la formulació ha d'oferir, sobre la base dels riscos i beneficis durant tot el cicle de vida dels productes. Amb la creixent pressió reguladora i el risc d'estigmatització, es necessiten incentius per promoure la innovació que puguin conduir al desenvolupament de solucions més intel·ligents per a la protecció de les plantes. La promoció de més col·laboració entre sectors (per exemple, recerca, indústria i reguladors) i la integració de les ciències socials i el dret, garantiran l'acceptació del públic/consumidor i el desenvolupament de marcs legals adequats.
3. L'establiment d'un llindar de grandària per distingir "nano" de "no nano" té un valor limitat per als agroquímics. Passar a un concepte més ampli de tecnologia nanohabilitada i aprofitar l'experiència d'altres sectors serà més valuós per donar suport al desenvolupament d'agroquímics més sostenibles.

Conclusions

Les aplicacions dels nanomaterials en l'agricultura tenen com a objectiu reduir la polvorització de productes fitosanitaris i augmentar el rendiment de les plantes. Mitjans nanotecnològics com nanocàpsules i nanopartícules són exemples d'usos per a la detecció i el tractament de malalties. Els dispositius derivats de la nanotecnologia també s'exploren en el camp del fitomillorament i la transformació genètica. El potencial de la nanotecnologia en l'agricultura és gran, però encara queden per abordar algunes qüestions com l'avaluació de riscos. Referent a això, alguns atraients de nanopartícules es deriven de biopolímers, com proteïnes i carbohidrats, amb poc efecte sobre la salut humana i el medi ambient. La nanotecnologia té molts usos en totes les etapes de producció, processament, emmagatzematge, envasament i transport de productes agrícoles. La nanotecnologia revolucionarà l'agricultura i la indústria alimentària, com en el cas de les tècniques agrícoles, millorant la capacitat de les plantes per absorbir nutrients, detectar malalties i controlar plagues.

Les aplicacions de la nanotecnologia s'estan investigant, provant i, en alguns casos, ja s'estan aplicant en tot l'espectre de la tecnologia alimentària, des de l'agricultura fins al processament d'aliments, l'envasament i els complements alimentaris. Tenen propietats químiques, físiques i mecàniques úniques. En els últims anys, els productes de deixalles agrícoles han atret l'atenció com a font de matèries primeres renovables. La resistència als insecticides és un dels millors exemples d'evolució que es produeix en una escala de temps ecològica. L'estudi de la resistència als insecticides és important, perquè condueix a una millor comprensió dels mecanismes evolutius que operen en temps real. El desenvolupament de resistència a insecticides en insectes plaga ha estat un problema creixent per a l'agricultura i la salut pública. Les pràctiques agrícoles generalment inclouen l'aplicació sistemàtica d'una àmplia gamma de compostos actius en dosis i freqüències variables.

És possible que la nanotecnologia canviï l'ús de les substàncies químiques actuals per nanopartícules, creant interessants nanopesticides, dissenyats per tenir un efecte exterminador més potent contra les plagues. La tendència a la utilització de productes biocompatibles i biodegradables sobre la base de biopolímers, els quals una vegada que hagin alliberat el plaguicida puguin biodegradar-se, pot implicar un avanç important en la conservació del medi ambient. Els nanoagroquímics poden disminuir considerablement l'ús d'agroquímics, en aprofitar la seva grandària i major superfície de contacte, tot i que també podrien contaminar sòls i aigua, per això és necessari que el seu avanç vingui acompanyat d'un marc normatiu adequat.

BIBLIOGRAFIA:

https://www.intechopen.com/books/applications-of-nanobiotechnology/applications-of-nanotechnology-in-agriculture