Nanotecnología y su uso en la Agricultura

Nanotecnología es un enfoque científico que implica el uso de materiales y equipos capaces de manipular las propiedades físicas y químicas a niveles moleculares, y también atómicos y supramoleculares. “Nano” viene del termino en latín “enano” o “pequeño”.

La nanotecnología permite controlar y manipular materia a nano-escala, entre 1 y 100 nm. Un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte de un metro o lo que correspondería a cien milésimas del diámetro de un cabello humano. Esta tecnología permite crear materiales, dispositivos y sistemas con propiedades y funciones fundamentalmente nuevas debido a su pequeña estructura [1}.

De donde viene el término de Nanotecnología?

El concepto original de nanotecnología fue desarrollado por Richard Feynman en 1959. Este físico fue el primero en utilizar el término de nanotecnología describiendo la construcción de unidades con precisión atómica. En los años 80’s K. Eric Drexler popularizó la palabra nanotecnología al referirse a la construcción de máquinas a escala de moléculas, mini-motores, armas robóticas y computadores más pequeños que una célula [2].

La nanotecnología está siendo utilizada  en muchas áreas del conocimiento, como  en medicina, biotecnología, bioingeniería, entre otras ciencias biológicas. En la agricultura, el uso de nanotecnología o fitonanotecnología, está permitiendo la aplicación dirigida de pesticidas, herbicidas y fertilizantes convencionales, así como en la detección, el manejo de enfermedades y en la prevención de ataques por insectos.

 Nanotecnología en el mejoramiento de cultivos

En agricultura, esta tecnología está siendo utilizada para reducir aplicaciones de agroquímicos, minimizar la perdida de fertilizantes, e incrementar la producción de plantas a través de la optimización de nutrientes. Esto es posible por medio de nanocápsulas que liberan pesticidas, fertilizantes y otros agroquímicos de manera más eficiente y controlada; y nanopartículas que se adhieren a los materiales (ej: proteínas, lípidos, hormonas, etc.) que van a ser liberados. Adicionalmente están los nanosensores, los cuales pueden monitorear las condiciones del crecimiento de cultivos, y también detectar insectos y patógenos presentes en plantas [3,4].

 

Nanopartículas

Las nanopartículas (nano polvo a nanocristal) tienen una dimensión de 100 nm o menos, y un gran número de átomos, lo que permite una mayor superficie por peso y por lo tanto, una fuerte adherencia con otras partículas [1]. Para poner en contexto cual es el tamaño de una nanopartícula, una célula es 10 mm (micrómetros) de ancho. Las partes de la célula son aún más pequeñas, y las proteínas contenidas en la célula tienen un tamaño de 5 nm, la cual es comparable con el tamaño de una nanopartícula producida artificialmente [5].

Existen diversas formas de nanopartículas, las que se producen naturalmente por cenizas volcánicas, pulverizaciones del océano y tormentas de polvo. Pero también existen nanopartículas producidas artificialmente a partir de metales como el cobre, oro, silicio y titanio, entre otros. Dependiendo de la aplicación, la nanopartícula varia en la composición química, forma, características de superficie y modo de producción. El uso de nanopartículas en la agricultura es relativamente nuevo, y esta actualmente enfocado en la modificación genética y regulación del metabolismo de las plantas para una mejor produccion de cultivos; desde la liberación de agroquímicos hasta la insercion de nucleótidos en la celula (Figura 1) [6].

Figura 1. Aplicaciones de la nanotecnología en la ciencia de plantas. A. Liberación de agroquímicos y moléculas bio-activas dependiendo del estado de la planta. B. Liberación de moléculas bio-activas (ejemplo nucleótidos, proteínas y otras moléculas fitoactivas) en las células de la planta. C. Transporte y liberación de elementos fluorescentes (por ejemplo moléculas cuánticas o proteínas fluorescentes) para el marcaje intracelular y la obtención de imágenes microscópicas. Modificado de [6].

Una de las limitaciones del uso de nanopartículas a nivel celular, es el grosor de la pared de la célula vegetal, lo cual dificulta el ingreso de algunas nanopartículas hacia su interior. Sin embargo, existen diversos estudios en los que, utilizando sílice mesoporoso (MSN) y nanotubos de carbón, se han podido insertar moleculas de ADN en plantas de tabaco y maiz. Esto ha sido posible debido a que, por ejemplo, el sílice mesoporoso, esta recubierto químicamente y sirve como contenedor para transportar moléculas de ADN. El recubrimiento del MSN provoca que la planta tome las partículas a través de las paredes celulares donde las moléculas de ADN son insertadas [7].

Nanocápsulas

Una nanocápsula es una cáscara hecha de un polímero no tóxico. Las nanocápsulas tienen varias características morfológicas dependiendo su función; por ejemplo, algunas poseen varios núcleos y/o varias capas. En la agricultura, éstas son utilizadas para evitar el uso indiscriminado de pesticidas convencionales y garantizar una aplicación segura. El pesticida es “nano-encapsulado”, método en el cual, el pesticida es atrapado por nanopartículas como por ejemplo lípidos sólidos, nanomateria porosa inorgánica, nanoarcillas, hidróxidos dobles, entre otros. Existen diferentes tipos de nanocápsulas, como por ejemplo nanoesferas, micelas, nanogeles, liposomas etc. [8].

La liberación de partículas a la planta (fertilizantes, pesticidas y herbicidas) utilizando nanocápsulas, provee una vía eficiente para evitar aplicaciones repetidas de agroquímicos convencionales y reducir los efectos adversos en las plantas y el ambiente (Figura 2). Por ejemplo, las nanocápsulas pueden liberar herbicidas específicos a través de la cutícula de las plantas, liberando lenta y constantemente sustancias activas para eliminar efectivamente las malezas [9].

Figura 2. Posible uso de nanopartículas en la agricultura. Modificado de [10].

En la liberación de pesticidas por ejemplo, se han utilizados nanopartículas encapsuladas, como en el caso de mesoporos de sílice, los cuales se han diseñado para cargar pesticidas en su núcleo interno, protegiendo así el pesticida (ej. Avermectin) de foto-degradación, mientras que permite al mismo tiempo la liberación constante del pesticida [11]. Como bio-pesticida, los mesoporos de sílice son absorbidos por el insecto a nivel cuticular, dando como resultado un daño en la cera protectora y posterior muerte del insecto por deshidratación.

Así mismo, con el uso de nanocápsulas, las nanopartículas están siendo utilizadas para el manejo y control del transporte de nutrientes como zinc (Zn₂⁺), hidrogeno de fosfato (HPO₄^2_), di-hidrogeno de fosfato (H₂PO₄^_) y amonio (NH₄⁺) entre otros [12].

 

Microsensores

Otro método de aplicación de la nanotecnología en el mejoramiento de cultivos son los nanosensores. Estos son sensores químicos o mecánicos que permiten obtener información en tiempo real de la presencia de patógenos y/o sustancias químicas adicionadas a la planta. También sirve para monitorear geo-espacialmente el desarrollo de las plantas, condiciones ambientales, el uso de fertilizantes y pesticidas, y también las condiciones de riego. Los nanosensores pueden ser producidos a partir de sílice y carbón, entre otros [12, 13].

Por ejemplo los microsensores están siendo utilizados para la regulación de hormonas como las auxinas, que es responsable del crecimiento de las raíces y del establecimiento de las plantas. El microsensor funciona generando una señal eléctrica que puede ser base para medir la concentración de auxina en un punto específico. El microsensor oscila, tomando lecturas de concentración de auxina en varias áreas de la raíz. Un sistema de computarizado, verifica si la auxina es absorbida o liberada por las células aledañas [14].

 

El impacto de la nanotecnología

La nanotecnología tiene el potencial de revolucionar la industria agroalimentaria con herramientas novedosas para el manejo molecular y rápida detección de enfermedades, la mejora de la capacidad de las plantas para absorber nutrientes, controlar insectos con el uso de bio-pesticidas, además de monitorear las condiciones ambientales de la planta. Existe aún muchos usos de la nanotecnología en la ciencia de plantas y hay aún mucho por entender y explorar, para diseñar por ejemplo nanopartículas que activen específicamente las defensas en plantas en respuesta a estreses bióticos (insectos, bacterias, virus) y abióticos (ambientales).

 

Literatura citada

[1] Misra A.N., Misra M., Singh R. 2013. Nanotechnology in Agriculture and food industry. Int. J. Pure Appl. Sci. Technol. 16:1-9.

[2] Drexler E. & Peterson C. 1991. Unbouding the future. The nanotechnology revolution.

[3] Sekhon B.S. 2014. Nanotechnology in agri-food production: an overview. Nanotechnology, science and Applications. 7:31-53. doi:10.2147/NSA.S39406.

[4] Srilatha B. 2011. Nanotechnology in Agriculture. J. Nanomedic Nanotechnol 2, 123. Doi:10.4172/2157-7439.1000123

[5] Salata O.V. 2004. Applications of nanoparticles in biology and medicine. Journal of Nanobiotechnology.

[6] Wang P., Lombi E., Zhao F-J., Kopittke P.M. 2016. Nanotechnology: A new opportunity in plant sciences. Trends in Plant Science. 21:699-712.

[7] Torney F., Trewyn B.G., Victor S., Lin Y., Wang K. 2007. Mesoporous silica nanoparticles deliver DNA and chemicals into plants. Nature nanotechnology 2, 295-300.

[8] Nuruzzaman M., Rahman M.M. Liu Y., Naidu R. 2016. Nanoencapsulation, nano-guard for pesticides: a new window for safe application. J Agricultural & Food Chem. 64: 1447-1483.

[9] Perea-de-Lugue A. & Rubiales D. 2009. Nanotechnology for Parasitic Plant Control. Pest Management Science Journal. DOI: 10.1002/ps.1732.

[10] Ghormade V., Deshpande M.V., Paknikar K.M. 2011. Perspectives for nano-biotechnology enabled protection and nutrition of plants. Biotechnology Advances. 29:792-803.

[11] Li, Z-Z., Chen J-F., Liu F., Liu A-Q., Wang Q., Sun H-Y., Wen L-X. 2007. Study of UV-shielding properties of novel porous hollow silica nanoparticle carriers for avermectin. Pest Manag. Sci. 63, 241–246

[12] Chhipa H., Joshi P. 2016. Nanofertilisers, nanopesticides and nanosensors in Agriculture. In: S. Ranjan et al. (eds.), Nanoscience in Food and Agriculture 1, Sustainable Agriculture Reviews 20, DOI 10.1007/978-3-319-39303-2_9

[13] Cheng H.N., Klasson K.T., Asakura T., Wu Q. 2016. Nanotechnology in Agriculture. Chapter 12. In: American Chemical Society.

[14] McLamore, E.S. Diggs, A., Marzal P.C., Shi, J., Blakeslee J.J. Peer, W.A., Murphy, A.S. Porterfield, D.M. 2010. Non-invasive Quantification of Endogenous Root Auxin Transport using an Integrated Flux Microsensor Technique. NCBI. DOI: 10.111/j.1365-313x.2010.04300.x.

 

 

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