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Partiendo de que la producción de alimentos agrícolas necesita aumentarse de manera proporcional al incremento de la población y que para el 2050 se estima un aumento de 1/3 de la población actual, esto de acuerdo a la organización de las naciones unidas para la agricultura y la alimentación [1]. La realidad en muchas partes del mundo, incluido nuestro país, es que la producción agrícola no está creciendo a la misma velocidad que la población. Una razón importante que impide cubrir la producción agrícola que se requiere, está relacionada con la degradación ambiental como consecuencia del uso excesivo de insumos agrícolas tradicionales, que afectan la calidad de suelo y esto a su vez genera estrés abiótico (ej. deficiencia de nutrientes, salinidad, etc.) y estrés biótico (ej. microorganismos que causan enfermedades conocidos como fitopatógenos) en los cultivos agrícolas. A lo anterior se suman los efectos por el cambio climático, como el estrés hídrico.
Tomando en cuenta la necesidad de establecer estrategias nuevas para mejorar la producción agrícola y que además sea amigable con el medio ambiente, en el CIMAV se están desarrollando nanomateriales con potencial para su aplicación como insumos agrícolas amigables con el medio ambiente, aprovechando las capacidades del Centro, en el área de nanotecnología y en colaboración con IES con enfoque agrícola y de agronegocios, como la FCAF de la UACH-Delicias y de la UACJ-Nuevo casas grandes.
Pero qué es la nanotecnología
La nanotecnología en un campo de la ciencia y de la ingeniería que se dedica al diseño y fabricación de partículas, estructuras o dispositivos es escalas muy pequeñas, del orden de 1-100 nanómetros. Para dimensionar esto, un cabello humano tiene un diámetro aproximado de 100 micras, si este se divide en 1000 partes iguales, la unidad resultante son 100 nm. Esa dimensión no la puede ver el ojo humano, sólo se puede ver a través de microscopios de alta resolución. Los materiales a esa escala tan pequeña, se les llama nanomateriales, los cuales tienen propiedades únicas, mecánicas, eléctricas, alta relación superficie-volumen, reactividad y resistencia, entre otras, que los hacen mejores que el mismo material de mayor escala. Por esas propiedades únicas, los nanomateriales tienen muchas aplicaciones, una de esas en la agricultura.
Tipos de aplicaciones de los nanomateriales en agricultura
Dentro de las principales aplicaciones de los nanomateriales en la agricultura, es su uso como nanofertilizantes, primordialmente los nanomateriales que contienen elementos esenciales o benéficos para cultivos agrícolas, como Zn, Cu, Fe, Ni, Mg, Se, los cuales ha mostrado beneficios transformadores en los cultivos, ya que aportan uno o más nutrientes que mejoran destacablemente la protección de cultivos contra condiciones de estrés, incrementan la asimilación de nutrientes y en general incrementan la producción. La encapsulación de los nanofertilizantes también es una estrategia para la liberación controlada de nutrientes para que se aprovechen al máximo por los cultivos.
La aplicación de nanomateriales en dosis controladas para la germinación de semillas, conocida con el término de nano-cebado (nano-priming en inglés), igualmente ha mostrado tasas de germinación sobresalientes con respecto a métodos tradicionales [2]. Además de mejorar significativamente la germinación, también se han notado mejoras en el desarrollo de las plantas.
Otra de las aplicaciones de los nanomateriales es en el control de plagas y fitopatógenos que afectan los cultivos agrícolas. A través del desarrollo de nanoplaguicidas (por ejemplo la nanoencapsulación de atrazina que minimiza los efectos nocivos en el ambiente de este herbicida [3]) y de nanofungicidas, por ejemplo, a partir de nanopartículas de cobre, plata o zinc.
Como se comentó arriba, en el CIMAV se están desarrollando nanomateriales con potencial para su aplicación como insumos agrícolas amigables con el medio ambiente, dentro de los cuales se encuentran los de óxido de magnesio dopado con Zn (MgO-Zn) como nanocebador y nanofertilizante de cultivo de frijol, óxido de zinc para cultivo de nogal, óxido de cobre para cultivo de maíz, nano compuestos del elemento benéfico selenio con quitosano y fitohormonas para fitopatógenos de cultivo de cebolla y de maíz, entre otros. Los estudios se encuentran en fase experimental en maceta y se colabora de manera cercana con productores agrícolas de la región para a corto plazo realizar pruebas en campo experimental. Además, se tiene colaboración estrecha con otros Centros de Investigación e Instituciones de Educación Superior con enfoque agrícola y de agronegocios, como el Centro de Investigación en Alimentación y Desarrollo de Delicias Chihuahua, la Facultad de Ciencias Agrícolas y Forestales de la Universidad Autónoma de Chihuahua y con la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez a través de su extensión Multidisciplinaria en Nuevo Casas Grandes, Chihuahua.
Es importante destacar que además de probar la eficiencia de los nanomateriales o nanocompuestos en el desarrollo y producción de cultivos agrícolas, paralelamente se realizan estudios para conocer como interaccionan los nanomateriales en las condiciones y con los componentes del suelo agrícola (ej. materia orgánica, carbonatos, al pH del suelo, etc.), para lo cual es importante tomar muestras del suelo agrícola y caracterizar su grado de fertilidad y el tipo del suelo. Asimismo, se estudia el impacto de los nanomateriales en los microorganismos del suelo, esto a través de herramientas moleculares como la metagenómica que permite ver el efecto en todos los microorganismos del suelo, que se conoce como la microbiota del suelo. Estos estudios de forma integral convergen en el desarrollo de nanomateriales o nanocompuestos que favorezcan el desarrollo y producción de cultivos bajo condiciones de estrés, sin causar o minimizando su impacto negativo en el ambiente y en la microbiota del suelo. Por el contrario, éstos se orientan a que fortalezcan la microbiota favorable para una mejor salud del suelo y por tanto promuevan el buen desarrollo de los cultivos agrícolas y se mejore la producción agrícola de una forma sustentable.
Referencias
[1] Organización de las naciones unidas para la alimentación y la agricultura. FAO in the 21st century: Ensuring food security in a changing world. 270 pp. ISBN: 978-925-106913-4.
[2] Santás-Miguel V, Arias-Estévez M, Rodríguez-Seijo A, Arenas-Lago D. (2023). Use of metal nanoparticles in agriculture. A review on the effects on plant germination. Environ Pollut. 334,122222. doi.org/10.1016/j.envpol.2023.122222.
[3] Preisler AC, Pereira AE, Campos EV, Dalazen G, Fraceto LF, Oliveira HC. (2020). Atrazine nanoencapsulation improves pre-emergence herbicidal activity against Bidens pilosa without enhancing long-term residual effect on Glycine max. Pest Manag Sci. 76(1):141-149. doi: 10.1002/ps.5482. Epub 2019 Jun 13. PMID: 31081245.
* Centro de Investigación en Materiales Avanzados