Liberación controlada: los plásticos en la agricultura

De acuerdo con la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), existe un problema de desabasto de alimentos a nivel internacional debido a que la producción alimentaria crece a menor tasa que la población mundial [1]. Los indicadores refieren que el bajo rendimiento de la producción agroalimentaria mundial se debe principalmente a factores asociados al cambio climático y al ataque de plagas y enfermedades [2]. En México, datos recientes del Censo Agropecuario indican que cerca del 25% de la pérdida de la producción agrícola nacional se atribuye tanto a la disminución de la fertilidad de los suelos como a la prevalencia de plagas y enfermedades causadas por agentes fitopatógenos, tales como bacterias, hongos y virus. Tal es el impacto, que para el año 2050 se espera que la combinación de estos factores genere una pérdida de la producción agrícola nacional de hasta 15,000 millones de pesos, representando el 0.1% del PIB nacional actual. Como una de las principales estrategias utilizadas para hacer frente a dicha problemática, se ha incrementado el uso de los agro-químicos, entendiendo estos como la aplicación de diversas sustancias químicas u otros productos entre los cuales se incluyen pesticidas, fertilizantes, y otros agentes promotores del crecimiento. Estos son utilizados para disminuir, controlar y erradicar plagas o cualquier organismo patógeno que afecte los cultivos y/o eficientizar o contribuir con el óptimo desarrollo de las plantas. Sin embargo, su uso  en las dosis adecuadas, así como el método y el momento correcto para su aplicación son medidas que requieren de una mayor atención para asegurar una mayor producción de los cultivos [3].

Generalmente en las formulaciones convencionales, el ingrediente activo se mezcla con otros materiales inertes, lo que proporciona mayor seguridad al momento de su manejo y mayor facilidad para una aplicación efectiva en el campo. Sin embargo, la liberación inmediata del ingrediente activo es el principal inconveniente asociado con estas formulaciones. En consecuencia, se produce una rápida pérdida de estos productos químicos en el campo por diversos procesos de degradación, inmovilización, volatilización, evaporación y lixiviación. Como resultado, la concentración del agente activo en el campo disminuye muy rápidamente, por debajo incluso de la concentración efectiva mínima requerida para mantener su eficacia biológica. Para mantener la concentración al nivel deseado, estos productos químicos deben ser aplicados una y otra vez provocando severos problemas de contaminación en los agroecosistemas (suelo, flora, fauna, cuerpos de agua) y también en la salud de los agricultores que los utilizan y la sociedad que consume estos alimentos.

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Una alternativa para mejorar la eficiencia de los agroquímicos es el uso de sistemas que permiten una liberación controlada del ingrediente activo de interés. En dichos sistemas; un plaguicida, fertilizante u otro agente bioactivo se incorpora a un portador, generalmente un material polimérico. Estos sistemas son capaces de liberar el ingrediente activo de manera lenta y continua en la dosis que la planta lo requiere, optimizando el tiempo y tasa de liberación lo que trae como consecuencia reducciones de las cantidades de agroquímicos utilizados, mano de obra, energía y/o combustiones necesarias para operar los dispositivos de aplicación, así como el aumento en la seguridad del personal que aplica los productos químicos en el campo y, en la mayoría de los casos, mejoras significativas en el rendimiento de los cultivos (Figura 1).

Figura 1: Nano-formulaciones de agroquímicos compuestas por el ingrediente activo (fertilizante, pesticida, regulador de crecimiento, etc.) y diferentes polímeros encapsulantes. En los sistemas de liberación no-controlado existe una emancipación casi inmediata del ingrediente activo, donde suele desperdiciarse debido a la degradación, inmovilización, volatilización, evaporación y/o lixiviación del mismo. Esto imposibilita que sea utilizado por la planta en etapas tardías del desarrollo. En contraste, en los sistemas de liberación controlada el ingrediente activo se libera de forma gradual durante el desarrollo de las plantas lo cual permite eficientizar su uso mejorando el crecimiento y el rendimiento en los cultivos.

Los sistemas de liberación controlada incluyen micro/nano-cápsulas o esferas, gránulos revestidos y matrices granulares. En una microcápsula, el ingrediente activo forma el núcleo y está rodeado por una envoltura o membrana, la cual puede ser un polímero orgánico/inorgánico o incluso un óxido metálico.

Uno de los principales beneficios adicionales al encapsular los ingredientes activos en una formulación es la posibilidad de mejorar las propiedades y hacer del producto una formulación más versátil con un mayor número de aplicaciones. Las formulaciones de cápsulas para la protección y/o fertilización de cultivos pueden mejorar la compatibilidad o estabilidad fisicoquímica y biológica de los ingredientes activos. Esto significa que las tecnologías de encapsulación ofrecen un enorme potencial para mejorar los productos existentes, permitiendo desarrollar formulaciones de activos que no pueden incorporarse dentro de las formulaciones clásicas [4]. Las técnicas incluyen secado por pulverización, enfriamiento por pulverización, extrusión, liofilización, co-cristalización, emulsificación y foto-polimerización.

Los materiales encapsulantes utilizados para el desarrollo de sistemas de liberación controlada de agro-químicos deben cumplir con algunos requerimientos relacionados con la difusión, solubilidad, degradación y características de fabricación. Los polímeros en general poseen todas las características que se requieren para desarrollar formulaciones de liberación controlada [3]  donde estos pueden ser biodegradables o no biodegradables, sintéticos o de origen natural como es el caso de polisacáridos tales como son la celulosa, pectina, ciclodextrina, almidón, quitosano, agarosa, dextran, alginatos, carragenos; así como proteínas que incluyen gelatina y albúmina. Los polímeros sintéticos (no biodegradables) frecuentemente utilizados son poliestireno, poliacrilamida, polimetilacrilato, poliamidas, poliésteres, polianhídridos, poliuretanos, resinas amínicas y policianoacrilatos. Dentro de los materiales inorgánicos para las microesferas se incluyen sílice, zeolitas, arcillas, óxidos inorgánicos, perlas de vidrio y cerámica [5]. Debido a su naturaleza ecológica, rentabilidad, fácil disponibilidad y biodegradabilidad, los polímeros naturales están ganando una aceptación considerable sobre los polímeros sintéticos. Las ventajas de estos  incluyen un bajo costo y, en la mayoría de los casos, una mayor disponibilidad, lo que facilita la producción a gran escala de formulaciones derivadas de los mismos. En el ámbito de la agricultura, el uso de polisacáridos como agentes encapsulantes de agro-químicos es quizá lo estrategia más empleada para llevar a cabo la generación de sistemas de liberación controlada.

Las propiedades de los polímeros, como materiales encapsulantes, se pueden controlar variando la estructura y el peso molecular, la flexibilidad de la cadena se puede variar a través de la polaridad, las ramificaciones y la longitud e inclusive se pueden modificar con diferentes grupos químicos (como aminas, ácidos carboxílicos tioles, etc.) incrementando su versatilidad al momento de incorporar el o los principios bioactivos. La forma, tamaño y naturaleza del vehículo que lleva el agente activo también es importante. En general, los perfiles de liberación de estos sistemas están influenciados por un gran número de parámetros como: 1) las propiedades del material activo (densidad, solubilidad, polaridad, etc.), las propiedades de la cápsulas (tamaño, concentración, proporción membrana-núcleo, etc.) y 3) parámetros externos (temperatura, humedad, pH, presión osmótica, etc.), permitiendo que la liberación controlada de los compuestos activos se pueda lograr por varios mecanismos tales como la difusión a través de membrana, ósmosis, intercambio iónico o degradación de la matriz (Figura 2).

Figura 2: Diferencias estructurales entre nano-cápsulas y nano-esferas y esquema de las modalidades de liberación controlada de una formulación del ingrediente activo encapsulado en una matriz polimérica. Figura tomada y modificada de [7] y [8].

De acuerdo con las ventajas antes mencionadas, los sistemas de liberación controlada abren numerosas y nuevas oportunidades para el desarrollo productos innovadores, además de dar solución a problemas de salud, contaminación, manejo y toxicidad de suelos causados por el uso excesivo de los agro-químicos en cultivos. Esto se pone de manifiesto al tener en cuenta las investigaciones y desarrollos tecnológicos sobre nuevos sistemas de liberación controlada de agro-químicos los cuales han venido en aumento en los últimos 20 años y que hasta ahora han sido liderados por países como  Estados Unidos, China y Japón quienes presentan el 59.5% de las solicitudes de patente en el ramo (Figura 3), siendo las empresas como Bayer Cropscience AG, Sumitomo Chemical Co, Syngenta Participations AG, Nippon Soda Co y Monsanto Technology LLC quienes registran el mayor número de desarrollos tecnológicos (Figura 3). 

Figura 3: Número de patentes sobre sistemas de liberación controlada de agro-químicos solicitadas en los últimos 20 años (1997-2017), y países responsables del mayor ingreso de dichas solicitudes.

A nivel mundial, México ocupa el primer lugar en exportación de aguacate, jitomate, chiles, calabaza y sandía, el segundo lugar en pepino y limón y el tercer lugar en la exportación de cebolla [6]. Lo anterior pone de manifiesto la importancia de la actividad agrícola en México, por lo que el uso y manejo eficiente de agro-químicos debería formar parte integral de las actividades agrícolas como una medida para la conservación de la calidad de los suelos promoviendo a su vez una mejora en el rendimiento de cultivos. No obstante, a pesar de tener un mercado potencial en cultivos de alto valor, es muy poca la oferta de agro-químicos de liberación controlada en México.

Actualmente el Instituto de Ecología A.C. (INECOL) y el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), a través de un proyecto (No. 248760)  financiado por el CONACYT, están realizando esfuerzos en el desarrollo de tecnologías para encapsular agro-químicos empleando polímeros naturales que son producidos en México. Esto representa nuevas oportunidades para mejorar la aplicación, eficientizar y evitar el uso desmedido de agro-químicos a fin de beneficiar a agro-formuladoras, agricultores y productores del país. Además de prevenir o mitigar los efectos nocivos al ambiente, la salud animal y humana resultantes de las prácticas tradicionales que se usan en la aplicación de fertilizantes y otros agroquímicos.

Acerca del autor: 

Doctora Claudia Anahí Pérez Torres

Doctorado en Biotecnología y Genética de Plantas del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN (CINVESTAV). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores SNI-I. Actualmente es investigadora Cátedras Conacyt adscrita al laboratorio de Biología Molecular y Genómica/Transcriptómica del Clúster Científico y Tecnológico Biomimic en el Instituto de Ecología, AC. en donde realiza estudios sobre el efecto de nanopartículas y biopolímeros en el metabolismo y desarrollo de plantas. Contacto: Tel.: +52 (228) 8421800 Ext. 3517 - claudia.perez@inecol.mx

Otros autores: Claudia Anahí Pérez Torres^1,2*; Carlos José Espinoza González³; Enrique Ibarra Laclette¹; Eva García Ilizaliturri¹; Héctor Fernando Velazco León¹; Antonio Cárdenas Flores²; José Humberto Valenzuela Soto²; Jorge Romero García²; Antonio Ledezma Pérez²

¹Instituto de Ecología A.C.-Red de Estudios Moleculares Avanzados, Carretera Antigua a Coatepec 351, C.P. 91070, Xalapa, Veracruz, México.

²Cátedra Conacyt - Instituto de Ecología A.C.

³Centro de Investigación en Química Aplicada-Sonomimetikos Research Group, Blvd. Enrique Reyna Hermosillo 140, C.P. 25294, Saltillo, Coahuila, México.