La nanotecnología para una agricultura sostenible

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.

15 mayo, 2023

Por Eva Sánchez-Hernández; Alberto Santiago-Aliste; Jesús Martín Gil y Pablo Martín-Ramos (*)

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.
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.
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.

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).
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.
(*) Eva Sánchez-Hernández es PDI, Universidad de Valladolid; Alberto Santiago-Aliste es Investigador Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal, ETSIIAA, Universidad de Valladolid; Jesús Martín Gil es
Catedrático de Ingeniería Agroforestal, Universidad de Valladolid; y Pablo Martín-Ramos es Profesor de Ingeniería Agroforestal, Universidad de Valladolid.

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