Polímeros biodegradables para cultivos sostenibles

Elvis Marian Cortazar Murillo1Felipe Barrera Méndez2Jesús Alejandro Zamora Briseño2

La agricultura intensiva y el uso excesivo de agroquímicos generan estragos en el ambiente, lo que hace necesario desarrollar alternativas eco-amigables, tales como las aplicaciones basadas en nanotecnología de biopolímeros.

La agricultura es crucial para la economía y el suministro de alimentos, pero enfrenta desafíos enormes como la disminución de tierras cultivables, las condiciones climáticas extremas derivadas del cambio climático y el deterioro de la calidad del suelo y del agua debido al uso excesivo de agroquímicos (p.ej. pesticidas y fertilizantes). A pesar de esto, el uso de agroquímicos es necesario para garantizar el rendimiento agrícola requerido para satisfacer las necesidades de la población, pues desempeñan roles claves, tales como la protección de los cultivos contra plagas, malezas y microorganismos patógenos para las plantas, así como para el suministro de los nutrimentos necesarios para el adecuado crecimiento y desarrollo vegetal3. Ante esta disyuntiva, hoy en día existe un esfuerzo muy importante por desarrollar métodos que permitan mantener o mejorar la productividad de los cultivos sin que ello implique incrementar el impacto ambiental o expandir la superficie cultivada. En este sentido, un área central en el desarrollo de estas alternativas es la nanotecnología, la cual ofrece soluciones innovadoras, como el uso de nanomateriales elaborados con biopolímeros o con polímeros biodegradables que pueden descomponerse en componentes más simples y eco-amigables. 

Los biopolímeros presentan múltiples ventajas para la agricultura y permiten formular materiales con una elevada biodegradación y baja toxicidad o que mejoren la retención de humedad, o que permitan la liberación controlada y sostenible de compuestos activos o de protegerlos de luz, humedad y/o oxidación. Esto da lugar a que se puedan utilizar dosis con menor cantidad de ingrediente activo o que se pueda reducir el número de dosis para alcanzar el mismo efecto biológico que se obtendría al aplicar formulaciones convencionales de agroquímicos 1,2,3

Entre los biopolímeros más usados en la agricultura se encuentran el quitosano, la celulosa, la lignina, el alginato, el poliácido láctico (PLA) y el poliácido láctico-co-glicólico (PLGA), los cuales son, en su mayoría extraídos de materia orgánica (p.ej. madera, hongos, crustáceos, maíz, caña).

El quitosano, derivado de la quitina de crustáceos y hongos, se destaca por su capacidad para formar nanopartículas que protegen y liberan compuestos activos de manera controlada y precisa en el lugar deseado, activando el sistema inmune de las plantas y mejorando su crecimiento. Además, favorece la germinación de semillas recubiertas y se ha demostrado su actividad antimicrobiana (Figura 1). 

Nanopartículas de quitosano (izq4) y crecimiento de plantas de maíz (der5) dañadas por mancha foliar (a) y en presencia de nanopartículas de cobre cubiertas con quitosano (b)

La celulosa es el compuesto más abundante en plantas y puede usarse como portador de plaguicidas, lo que permite la liberación sostenida de los plaguicidas para que puedan actuar más tiempo contra insectos plaga y hongos fitopatógenos. 

Otro importante componente de las plantas es la lignina, sustancia que a menudo es desechada por industrias papeleras y que en años recientes se ha empleado con éxito en la encapsulación de fungicidas para el tratamiento prolongado de enfermedades fúngicas. Al igual que la celulosa, las nanopartículas de lignina son excelentes candidatos para la formulación de hidrogeles que retengan por más tiempo el agua en suelos arenosos.

El alginato, extraído de algas pardas, se ha usado como transportador de insecticidas por su compatibilidad, escasa toxicidad, liberación sostenida y efecto duradero sobre insectos plaga. 

Por su parte, el PLA y el PLGAson polímeros muy utilizados en el campo biomédico, por su alta flexibilidad, resistencia a la hidrólisis y temperatura. No obstante, recientemente se han empleado para encapsular herbicidas e insecticidas poco hidrosolubles, permitiendo una aplicación más eficiente, controlada y prolongada en cultivos2,3.

A pesar de todo lo anterior, hay que destacar que queda mucho camino por explorar el potencial de otros polímeros biodegradables beneficiosos para la agricultura. Es fundamental investigar y comprender el papel que estos nuevos biopolímeros pueden desempeñar en el ámbito agrícola para seguir avanzando hacia el desarrollo de prácticas agrícolas más sostenibles y eficientes.

 

Referencias

  • A. Samir, F. H. Ashour, A. A. A. Hakim y M. Bassyouni, Npj Materials Degradation, 2022, 6, 68.
  • K. Vinzant, M. M. Rashid y M. Khodakovskaya, Frontiers In Plant Science, 2023, 13, 1081165.
  • T. O. Machado, J. Grabow, C. Sayer, P. H. H. De Araújo, M. L. Ehrenhard y F. Wurm, Advances In Colloid And Interface Science, 2022, 303, 102645.
  • E. Rostami, S. Kashanian y M. Askari, Advanced Materials Research, 2013, 829, 284-288.
  • R. Choudhary, R. V. Kumaraswamy, S. Kumari, S. Sharma, A. Pal, R. Raliya y V. Saharan, International Journal Of Biological Macromolecules, 2019, 127, 126-135

 

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Imagen de portada obtenida de iStock

1Centro de Reclutamiento (CRTVC), INECOL

2Red de Estudios Moleculares Avanzados, INECOL