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APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA: Nanomateriales Manufacturados en la Agricultura

APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA: Nanomateriales Manufacturados en la Agricultura

En el 2011, Quispe (2011) afirmaba que la agricultura mundial experimentaba una transición hacia un nuevo paradigma tecnológico, muy distinto al de la revolución verde, basado en las revoluciones “bio”, “info” y “nano”. Probablemente en la actualidad este paradigma ya se encuentre instalado en nuestros sistemas productivos agroalimentarios. En lo que respecta a los elementos “nano”, referidos a la nanotecnología y sus aplicaciones en el sector agropecuario, existen diversos antecedentes que dan cuenta de su incorporación creciente en el manejo de la producción, principalmente formando parte de insumos tradicionales como fertilizantes y pesticidas.

La nanotecnología implica investigación, la creación y el uso de nuevas partículas con un tamaño extremadamente pequeño en el intervalo de 1 a 100 nanómetros (nm). Estos nuevos materiales creados por el ser humano se denominan nanomateriales manufacturados (NM). Estos nanomateriales ofrecen novedosas propiedades físico-químicas, tales como alta durabilidad, resistencia mecánica, alta conductividad, elevada área específica y reactividad química.

Todas estas propiedades hacen atractivo el uso de los NM para diferentes áreas de aplicación en la industria, la biomedicina, la electrónica y las ciencias ambientales, la agricultura, entre otras. Existen más de 1.800 productos basados en NM disponibles a nivel mundial (www.nanotechproject.org). Las proyecciones sugieren que los productos comerciales basados en nanotecnología aumentarán drásticamente en los próximos años (Hansen et al., 2009), así como las invenciones patentadas en el ámbito de la alimentación y la agricultura lo han registrado (Yataet al., 2018).

Nanomateriales Manufacturados (NM)
Los NM se basan en pequeñas partículas a escala nanométrica, es decir, la millonésima parte de un milímetro, solo visibles al microscopio electrónico. Todas las partículas derivadas del medio natural o antropogénico, con tamaño entre 1 y 100 nanómetros (nm) y que son dispersadas como una unidad independiente en medios gaseosos, líquidos o sólidos, pueden ser denominadas nanopartículas (NPs) (Ghosh and Pal, 2007; Arrudaet al., 2015). Además de las NPs, los nanomateriales manufacturados pueden incluir nanofibras, nanotubos, materiales compuestos y nano superficies estructuradas.

Sin embargo, las nanopartículas muestran propiedades físicas-químicas particulares y bajo costo de producción, que las hacen especialmente atractivas para diversas aplicaciones tecnológicas e industriales. En el ámbito de la agricultura, las principales aplicaciones de la nanotecnología están dadas por el desarrollo de productos a nano escala, orientados a la producción vegetal (ej. Nanofertilizantes), protección vegetal (Ej. Nanopesticidas) y detección de patógenos (Ej. Nanosensores) (Dubeyand Mailapalli, 2016).

Aplicaciones de NM en la agricultura
En este sector de la industria alimentaria, la nanotecnología está emergiendo para favorecer el crecimiento y desarrollo eficiente de las especies cultivadas, en el marco de la agricultura de precisión, para disponer el uso eficiente del agua, fertilizantes y otros insumos (Sekhon, 2014).

En este contexto, la nanotecnología está desarrollando una nueva gama de plaguicidas, reguladores del crecimiento y fertilizantes que podrían llegar a ser más eficientes que los actuales (Lugo-Medinaet al., 2010).

Una aplicación concreta está dada por los nanoplaguicidas, producto de la presencia de nanoemulsiones, nanocápsulas, o el uso de nanoestructuras metálicas que han incrementado la eficiencia en la aplicación y la eficacia, respecto de los métodos convencionales (Robles y Cantú, 2017).

En esta línea, el propósito está orientado principalmente a la reducción de las dosis de ingrediente activo, al disminuir la residualidad, carga indiscriminada de contaminantes ambientales y proveer condiciones seguras de aplicación (Lugo-Medinaet al., 2010; Kookana et al., 2014; Nuruzzaman et al., 2016).

Así, las agroquímicas han logrado disminuir el tamaño de las emulsiones químicas llevándolas a dimensiones nanoscópicas, o bien han nanoencapsulado ingredientes activos y orientando la liberación del compuesto en función de la luz solar, el calor o condiciones alcalinas del tubo digestivo de algún insecto, dependiendo de su función (Lugo-Medinaet al., 2010).

Un ejemplo de nanoencapsulación de ingredientes activos como Zineb y Mancozeb, de entre muchos otros, están dados por la polimerización de ácido cítrico en la superficie de nanotubos de carbono multipared oxidados, donde los resultados del estudio arrojaron un mejor efecto del producto nanoencapsulado respecto del tradicional, sobre el hongo Alternariaalternata (Sarlaket al., 2014).

En términos de eficacia, los nanopesticidas son superiores en aproximadamente 20 a 30% que los productos convencionales (Kah et al., 2018). En el marco de las nanoestructuras metálicas con fines pesticidas tales como Ag, Cu, SiO2, ZnO, han mostrado una mejor eficacia de protección de plagas de amplio espectro en comparación con los pesticidas convencionales (Chhipaet al., 2017).

Los nanofertilizantes son nanomateriales que contienen NPs con propiedades fisicoquímicas únicas como la alta superficie específica, alta reactividad, tamaño de poros compatible y adecuada morfología de partículas (Giraldoet al., 2014). Los nanofertilizantes se sintetizan fortificando nutrientes solos o en combinaciones en NPs adsorbentes, donde los nutrientes se “cargan” en su forma catiónica, modificando posteriormente a su forma aniónica (Subramanian et al., 2015).

Los nutrientes se liberan de a uno o más al suelo, mejorando el crecimiento y rendimiento del vegetal (Lahianiet al., 2013; Subramanianet al., 2015).

Dentro de los nano fertilizantes, N, P, K, Fe, Mn, Zn, Cu, Mo y nanotubos de carbono han mostrado mayor eficiencia en la liberación y entrega en sitios específicos para el desarrollo vegetal, mejorando el crecimiento de las plantas (Chhipa et al., 2017).

En cuanto a la liberación de nutrientes, los nanofertilizantes se caracterizan por su entrega lenta y constante por más de 30 días (Subramanianet al., 2015), lo que permite el ahorro de dinero debido a su mayor eficiencia (Chhipa et al., 2017).

Esta disminución de costos, se puede considerar como una de las ventajas de los nanofertilizantes en la agricultura, donde además se suman el bajo impacto ambiental, baja lixiviación y la facilidad de las NPs para el ingreso en la planta, que se realiza a través de los pelos radicales vía simplasto y apoplasto (Dubey and Mailapalli, 2016).

Además de los nanofertilizantes mencionados, Ag, Ti, Si y sus óxidos en nanoescala, han demostrado interesantes resultados en cuanto a la germinación, el crecimiento y la producción vegetal (Taha et al., 2016a). Los nanotubos de carbono son utilizados como transportadores de macro y micro nutrientes, lo que permite reducir las altas dosis en que son utilizados en la actualidad, especialmente los macro nutrientes convencionales (Taha et al., 2016b).

Diversos autores, de entre ellos Prasadet al. (2014) y Scott et al. (2018), señalan que la nanotecnología puede constituir una herramienta útil para el desarrollo de una agricultura de mayor sustentabilidad, fundamentado principalmente en el menor impacto al medio ambiente de los pesticidas, fertilizantes y otros insumos, actualmente utilizado en altas cantidades. Sin embargo, existen amplias incertidumbres y limitaciones en el conocimiento actual sobre el impacto ambiental de nanoproductos para la agricultura, es decir, los efectos de la exposición ambiental y en los organismos en condiciones de campo (Robles y Cantú, 2017: Kahet al., 2018).

En este contexto, Prasadet al. (2017) señala que, para la explotación de la nanotecnología, es necesario el desarrollo de una base de datos integral, un sistema de alarma, así como la cooperación internacional para la regulación y la legislación de productos a base de elementos de nano escala.

Por Claudio Inostroza-Blancheteau
M.Sc. Ingeniero Agrónomo
Dr. Fisiología Molecular Vegetal
Director Núcleo de Investigación en Producción Alimentaria
Facultad de Recursos Naturales
Universidad Católica de Temuco

Ricardo M. Tighe-Neira
M.Sc. Ingeniero Agrónomo
Departamento de Ciencias Agropecuarias y Acuícolas
Facultad de Recursos Naturales
Universidad Católica de Temuco





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