La nanotecnología en la agricultura: ¿Qué son los Nano Transportadores?

Son nano emulsiones coloidales, cuyas moléculas transportadoras están compuestas por micelas a nanoescala, y cuyos componentes están obtenidos por hidrólisis enzimática.

Los Nano Transportadores son una solución coloidal un sistema físico-químico compuesto por dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partículas, de un tamaño entre los 10 y 100 nanómetros. (por ejemplo, la sangre o la leche materna), que transportan nutrientes (oxígeno, anticuerpos, etc.), a través de células específicas (glóbulos rojos, blancos, etc.).

Un ejemplo de ello, lo constituyen las lipoproteínas que se forman para transportar los lípidos o grasas a través de la sangre. La sangre constituye un medio acuoso que tiene muchas proteínas y células. Pero la mayor cantidad es agua, por lo tanto la única forma de transportar grasas que son sustancias hidrófobas a través de la sangre será trasladarlas con micelas llamadas lipoproteínas. Estas estructuras tienen como toda micela la parte exterior hidrófila, donde hay moléculas de fosfolípidos y proteínas. La parte interna hidrófoba contiene moléculas de triglicéridos y colesterol que son sustancias hidrófobas. De esta manera se transportarán triglicéridos y colesterol hasta las células para obtener energía y realizar todos los procesos metabólicos normales.

Las partículas de las soluciones desarrolladas para agricultura son micelas de un tamaño molecular de 0,6 nanómetros, lo que le confiere una diferencia fundamental sobre las soluciones coloidales convencionales. La fase continua está compuesta por aceites de origen vegetal, lo que permite adicionar componentes activos específicos adaptados a la agricultura.

En la fase acuosa, la molécula (micela) se pliega de tal manera que su parte hidrofílica se encuentra en el exterior, es decir la parte que puede formar interacciones con moléculas de agua a través de fuerzas ion dipolo o fuerzas puente de hidrógeno se mueven a la parte externa de la molécula.

Por su tamaño, las partículas coloidales tienen una relación área/masa extremadamente grande, por ello son excelentes materiales adsorbentes. En la superficie de las partículas existen fuerzas llamadas de Van der Waals e incluso enlaces inter-atómicos que al estar insatisfechos pueden atraer y retener átomos, iones o moléculas de sustancias extrañas. Las sustancias adsorbidas se mantienen firmemente unidas en capas que suelen tener no más de una o dos moléculas (o iones) de espesor.

Para entender el concepto de micela, es importante entender que algunos compuestos son hidrofóbicos. Es decir, no tienen afinidad por el agua, no se disuelven en agua ni interactúan fácilmente con ella (en nuestro caso, fertilizantes y fitosanitarios). Otros compuestos son hidrofílicos, es decir, tienen afinidad por el agua, se disuelven e interactúan fácilmente con ella.

Los surfactantes (moléculas tensioactivas) son moléculas que tienen una “cabeza” hidrofílica y una cadena de hidrocarburos hidrofóbica o “cola”, como se muestra en la Figura 1. Por lo tanto, parte de una molécula individual de surfactante puede interactuar fácilmente con agua y la otra parte tiene una mayor tendencia a interactuar con sustancias aceitosas (oleaginosas).

Estos nano transportadores, son capaces de transmitir la propiedad de la solubilidad a todas aquellas sustancias difícilmente solubles en agua (fertilizantes y fitosanitarios), penetrando en la planta a través de la raíz, la estoma y la cutícula, haciendo que cualquier tratamiento que vayamos a dar a la planta, sea más eficiente y eficaz, por lo que al agricultor puede llegar a producirle unos ahorros de hasta un 50% en el uso de productos fertilizantes y fitosanitarios. (IMIDRA).

Los fertilizantes convencionales tienen una baja eficiencia en cuanto a la cantidad que realmente aprovecha la planta. Entre el 20% y el 80% de los nutrientes aplicados se pierden por distintos factores (inmovilización, lavado, descomposición, etc.). Esto se debe a que se aplican generalmente en forma de sales solubles que, en contacto con el agua del suelo y los microorganismos, pueden ser lavados con facilidad o empleados por dichos microorganismos para su propio metabolismo. Al descomponerse en iones solubles, también pueden ser adsorbidos con facilidad por arcillas y quedar inmovilizados, fuera del alcance de la planta. Otro fenómeno que influye es que se originan problemas de antagonismo entre nutrientes.

Otro factor de la baja eficiencia (Por ejemplo, el 60% del nitrógeno se pierde en la aplicación) es la diferencia de tamaño molecular de estas sustancias, muy superior, al tamaño molecular de las células a través de las cuales las plantas absorben los nutrientes.

Una de las grandes ventajas de estos nano transportadores, es que la fase continua está compuesta por aceites de origen vegetal, lo que permite adicionar componentes activos específicos adaptados a la agricultura. En contacto con las micelas a nanoescala, mínimas cantidades de materias activas (NPK, aminoácidos hidrolizados, materia orgánica, etc), permiten una eficiencia exponencial con disoluciones de 1:10.000, lo que implica tratamientos sencillos con muy poca cantidad de producto.

Para comprender lo que es un nano transportador, es clave acotar el concepto de estas soluciones. No son fertilizantes, no son bioestimulantes, no son fitosanitarios. Son el vehículo eficiente de penetración directa de estos “tratamientos”, en las células de cualquier ser vivo vegetal, lo cual los hacen aptos para cualquier tipo de cultivo.

La nano-emulsión se traduce en un mejor transporte y absorción de los “tratamientos”, permitiendo la reducción en la dosis de aplicación de los mismos, ya que minimiza su uso y aumenta la eficacia de los ingredientes activos desde la fórmula y no desde la dosis (Disminuciones entre un 30 y un 50%). Al ser compatibles con cualquier agroquímico, se pueden mezclar y aplicar conjuntamente con ellos y mejorar la eficiencia de todo aquello que apliquemos.

Numerosos estudios científicos, así como su aplicación real en el campo desde hace años, avalan la aplicación de la nanotecnología en la agricultura, en sus diferentes soluciones. Quiero destacar dos en concreto:

El proyecto de investigación Hypatiagro, en colaboración entre la Universidad de Granada, la de Insubria (Italia), el Instituto de Cristalografía de Como (Italia), y el IFAPA de Córdoba. 

Se seleccionó una nanopartícula con nitrógeno en forma de urea y se empleó para realizar estudios con plantas de trigo duro bajo condiciones controladas. Los resultados nos han permitido reducir en un 40% el suministro de nitrógeno en las plantas, por medio de la sustitución de una aplicación en cobertera, en la que se añadieron 15 kg/ha de nitrógeno nanoformulado frente a los 90 kg/ha de nitrógeno en forma convencional (fosfato diamónico).

En total, las plantas control recibieron 186 kg/ha de nitrógeno como fertilizante convencional (36 en fondo + 150 en cobertera), mientras que a las del tratamiento se les aportaron 111 kg/ ha de nitrógeno. Se pudo constatar cómo esa reducción en la cantidad de nitrógeno no afectó al rendimiento (cantidad final de grano) ni a la calidad (vitrosidad y contenido en proteína), comparado con el control a las dosis estándar.

El segundo, es un amplio estudio realizado por el IMIDRA (Instituto Madrileño de Investigación Agraria), “Utilización de nano transportadores para optimizar la producción y calidad en cultivos hortofrutícolas” sobre el impacto del nano transportador (NGP), en contraste con una muestra, en la que se ha disminuido un 50% el tratamiento fertilizante NPK, y cuyas conclusiones son:

“La aplicación del nano transportador ( NGP) no tuvo efectos negativos sobre el desarrollo y la calidad de las plantas de lechuga en las condiciones del ensayo, siendo la producción de biomasa superior a la obtenida en el resto de los tratamientos fertilizantes”

“El contenido en nutrientes, la aplicación del NGP no indujo cambios con respecto al control. Sin embargo, se observó un incremento significativo en las concentraciones de Fe y Si en las plantas con respecto a la fertilización mineral.”

“El tratamiento NGP no inhibió la producción de polifenoles en las plantas , efecto que sí se detectó en el resto de los tratamientos de fertilización.”

“No se observó impacto negativo del tratamiento NGP en las propiedades del suelo, presentando un comportamiento similar al tratamiento con fertilización NPK. El tratamiento incrementó la materia orgánica del suelo y el contenido en N, así como los valores de la actividad fosfatasa, lo que supone una mejora de la calidad del suelo.”

“El comportamiento del NGP tanto en planta como en suelo fue similar al del NPK. Hay que tener en cuenta que el tratamiento NG contiene el 50% de la dosis de NPK, por lo que su aplicación supondría un ahorro en los costes, minimizando los efectos adversos de su utilización en relación a los procesos de eutrofización. Por otra parte, la reducción de la dosis necesaria de fertilizantes minerales disminuye el efecto negativo asociado a su producción en la emisión de CO2.”

Conclusiones: 

La nanotecnología es la nueva Revolución Industrial 4.0. Una revolución que no se ve, pero que está presente en todos los desarrollos tecnológicos que nos permiten tener una vida más sencilla y confortable. Su aplicación a la agricultura es un paso natural. Las excepcionales ventajas que aporta en términos económicos, medioambientales y de sostenibilidad, no podían quedar ajenas al sector agroalimentario.

La agricultura se enfrenta a grandes retos en el futuro. Los excepcionales acontecimientos vividos por la humanidad en los últimos dos años, incrementados por las consecuencias del conflicto en Ucrania, ha puesto aún más en relieve, la urgencia de cambios disruptivos en las formas en las que tradicionalmente se han hecho las cosas en nuestro sector. Los planes de negocio a tres años, han pasado a tener una validez de tres meses. Lo cambios se generan a una velocidad nunca vista en la historia.

En un entorno de escasez de recursos hídricos, cambio climático, empobrecimiento de los suelos y desertificación, amenaza de plagas y enfermedades, abandono del medio rural y despoblación y falta de rentabilidad de las explotaciones, que en el futuro se deberá atender a la demanda de alimentos de una población mundial creciente, las soluciones que nos permite la nanotecnología, en colaboración con otras nuevas tecnologías, son clave para una óptima construcción de ventajas competitivas, desde el agricultor, la industria de transformación y la cadena de distribución.

Conseguir una agricultura competitiva donde el aumento de la producción y el abaratamiento de los costes, permitan obtener una mayor rentabilidad de las cosechas, constituye un reto y una gran oportunidad para las empresas que, desde ya, sean capaces de incorporar a sus procesos y “formas de hacer”, las herramientas que la tecnología ponen a nuestra disposición: dispositivos para la toma y el análisis de datos, tecnologías de automatización, sistemas de riego, sensores, drones, etc.

No menos importante para el sector en Europa, es el reto legislativo que planeta la Comisión Europa en su nueva reglamentación “Verde” que, en su última propuesta de Reglamento, incluye la reducción del 50% en el uso de productos fitosanitarios, la limitación de fertilizantes y el objetivo de que un 25% de la superficie agrícola sea cultivada con agricultura ecológica.

Estas propuestas serán matizadas y consensuadas en el proceso de negociación y aprobación definitiva del Reglamento, pero marcan una línea clara de actuación para el futuro. Por ello, es una obligación el prepararse ya, anticiparse a los cambios y no lamentarse en un futuro, que como hemos mencionado, es más impredecible que nunca en la historia de la humanidad.

En este sentido, los actuales desarrollos de producto en nanotecnología, ya disponibles para todo el mundo, contribuyen al cumplimiento de estos exigentes requisitos, pues nos permiten la reducción de hasta un 50% en el uso de insumos agrícolas, (el 90% en algunos casos) sin que se vean afectados los valores de fertilización y desarrollo del fruto y mejorando los parámetros de calidad de las cosechas, lo que implica importantes ahorros para todos los actores de la cadena agroalimentaria, al margen de la rentabilidad medioambiental y la sostenibilidad de los recursos.