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La revolución de la nanotecnología en agricultura

La revolución de la nanotecnología en agricultura

Una de las aplicaciones más prometedoras de la nanotecnología en los cultivos es el desarrollo de materiales capaces de encapsular y liberar de forma selectiva fitosanitarios y fertilizantes.

La agricultura se enfrenta a una amplia gama de desafíos, incluyendo el cambio climático, el deterioro de los suelos con contaminantes ambientales nocivos como los pesticidas y el aumento de la demanda de alimentos. Por otra parte, la industrialización conduce al agotamiento de los recursos naturales de los que depende el sustento de la población, como el agua, los bosques y la biodiversidad ecológica, a un ritmo alarmante.

Para hacer frente a estos problemas, se hace preciso desarrollar nuevos enfoques y técnicas. Entre ellas, la nanotecnología aparece como una de las más prometedoras.

Nanotecnología para una agricultura sostenible

La nanotecnología es una rama de la ciencia y la ingeniería que se ocupa de materiales con dimensiones a escala de nanómetros (la milmillonésima parte de un metro). Aparte de revolucionar la medicina, se presta a aplicaciones de gran alcance en otros campos, como la agricultura.

La nanotecnología es susceptible de influir positivamente en el sector agroalimentario, minimizando los efectos adversos de las prácticas agrícolas sobre el medio ambiente y la salud humana, mejorando la seguridad y la productividad alimentarias –como exige el aumento previsto de la población mundial– y promoviendo al mismo tiempo la equidad social y económica.

En agricultura, la aplicación de la nanotecnología tiene el potencial de mejorar la eficiencia de los procesos agrícolas en aspectos como el crecimiento y resistencia de los cultivos, el aumento de su valor nutricional y la mejora de la seguridad y calidad de los productos alimentarios, detectando y eliminando contaminantes.

Una de las aplicaciones más prometedoras de la nanotecnología en la agricultura es el desarrollo de nanomateriales que puedan utilizarse para mejorar el rendimiento de los cultivos. Estos nanomateriales pueden emplearse como productos fitosanitarios más eficaces y duraderos que los pesticidas y herbicidas tradicionales, como fertilizantes más eficaces y con menor impacto medioambiental y en el recubrimiento de semillas a efectos de mejorar su germinación.

Nanotransportadores que liberan productos bioactivos

De especial interés son los nanotransportadores (nanocarriers en inglés), que permiten el transporte de productos con actividad biológica (incluyendo microorganismos beneficiosos) a lugares específicos de la planta con el objeto de mejorar su salud.

En este contexto, en el grupo de investigación reconocido GIR-TADRUS (Tecnologías Avanzadas Aplicadas al Desarrollo Rural Sostenible), de la E.T.S. de Ingenierías Agrarias de la Universidad de Valladolid, trabajamos en la síntesis de nuevos nanotransportadores multifuncionales basados en quitosano.

La encapsulación de ingredientes activos en nanotransportadores en este biopolímero protege a las plantas de los efectos tóxicos de los agroquímicos libres, aumenta su absorción gracias a la mayor penetración de las partículas nanométricas en la pared celular y la cutícula de las plantas y minimiza el desperdicio y la lixiviación gracias a las propiedades de liberación controlada y la alta biodisponibilidad de las nanoformulaciones.

Los primeros nanotransportadores biodegradables han sido fabricados a base de lignina metacrilada y quitosano, y con un diseño orientado a su aplicación en la administración de compuestos biológicamente activos para el control de enfermedades de la madera, que ocasionan graves daños en frutales y viticultura.

La revolución de la nanotecnología en agricultura
Imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) que muestran nanotransportadores de lignina-quitosano cargados con un extracto de rubia (Rubia tinctorum) a diferentes aumentos.
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Al incorporar lignina en su composición, los nanotransportadores pueden responder a estímulos externos –en este caso, las enzimas lignocelulolíticas secretadas por bacterias y hongos asociados a esas enfermedades de la madera– en los lugares de infección, desencadenando una liberación controlada de los agentes terapéuticos encapsulados.

La aplicación de estos nanotransportadores actualmente se realiza por endoterapia, a modo de inyecciones, pero se espera que pronto sea posible su aplicación a través del riego, lo que reduciría notablemente los costes para el agricultor.

La revolución de la nanotecnología en agricultura
Izquierda: inyección del tratamiento en un brazo de la vid en el que previamente se ha colocado un catéter (plug). Derecha: ejemplo de disminución de los síntomas foliares de las enfermedades de la madera de la vid en el brazo tratado frente al no tratado (control).
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Nanomateriales multifuncionales

La versatilidad del quitosano ha permitido también la síntesis de nanotransportadores multifuncionales en los que, en lugar de con lignina, se combina con materiales bidimensionales como el nitruro de carbono (g-C₃N₄).

Estos nanomateriales no sólo permiten la liberación controlada de compuestos antimicrobianos para la protección de heridas de poda, sino que también tienen aplicaciones en remediación ambiental de aguas (por ejemplo, en la captación, neutralización o inactivación de metales pesados y contaminantes recalcitrantes).

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Izquierda: micrografía TEM que muestra el nanotransportador multifuncional. Derecha: ejemplo de su capacidad de degradación de contaminantes, en este caso del colorante rodamina B.
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En la actualidad, los esfuerzos investigadores de nuestro grupo se centran en el desarrollo de nanotransportadores más complejos para la protección poscosecha de frutos como la fresa frente a infecciones, que alarguen su vida útil y reduzcan el desperdicio alimentario.The Conversation

Las fresas no tratadas desarrollan moho y las fresas tratadas apenas lo desarrollan.
Experimentos de protección poscosecha de frutos de fresa frente al moho gris (Botrytis cinerea): evolución de frutos no infectados (control negativo), frutos infectados sin tratar (control positivo) y frutos infectados y tratados con los nanotransportadores.
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Eva Sánchez-Hernández, PDI, Universidad de Valladolid; Alberto Santiago-Aliste, Investigador Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal, ETSIIAA, Universidad de Valladolid; Jesús Martín Gil, Catedrático de Ingeniería Agroforestal, Universidad de Valladolid y Pablo Martín-Ramos, Profesor de Ingeniería Agroforestal, Universidad de Valladolid

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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