Nanotecnologia y agricultura sustentable

NANOTECNOLOGÍA PARA LA AGRICULTURA SUSTENTABLE
1
Lira-Saldivar, R.H., Hernández-Suárez, M., Corrales-Flores, J.
CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………………………………………….
ii
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………………………………….
1
Las Nanopartículas……………………………………………………………………………………….
2
Dimensiones de la Nanotecnología………………………………………………………………
6
Nanopartículas en la Agricultura Protegida……………………………………………….…
10
¿Qué es una Nanoestructura?.......................................................................
12
Los Nanocompuestos……………………………………………………………………………………
13
Importancia de la Nanotecnología……………………………………………………………….. 14
Nanopartículas en la Agroplasticultura…………………………………………………………
14
Propiedades de Películas Plásticas Nanoestructuradas en Invernaderos….....
15
Aplicación de Nanocompuestos en Agroplasticultura…………………………………..
16
Panorama de la Nanotecnología en el Mundo……………………………………………… 28
Aplicaciones de la Nanotecnología en el Ambiente……………….………………….….
29
Riesgos de la Nanotecnología en el Medio Ambiente…………………………………… 32
CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………..…… 34
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………….………………………………………………………….………
36
2
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Las nanopartículas de oro están siendo usadas para detectar virus
causantes de gripas (Flu) y graves enfermedades como el HIV o SIDA……….. 4
Figura 2. Nanopartículas de Óxido de Aluminio (Al2O3) con tamaño promedio en el
rango de 20 a 60nm…………………………………………………………………………………… 5
Figura 3. Esquema que permite comparar el tamaño de nanopartículas con
diversas estructuras como el ADN, células, ácaros, alfileres y el cuerpo
humano…………………………………………………………………………………………………….. 9
Figura 4. Diagrama que ilustra un corte transversal de una película plástica
nanoestructurada conteniendo nanoalambres o nanohilos………………………. 11
Figura 5. Esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la
nanotecnología en diversos aspectos de la agricultura moderna…………………. 13
Figura 6. Las plantas de manera natural hacen la absorción y traslocación selectiva
de nanopartículas minerales que luego son enviadas a los puntos de
demanda acorde al crecimiento vegetativo………………………………………………. 18
Figura 7. Absorción, traslocación y acumulación de productos manufacturados de
nanopartículas de Fe3O4 en plantas de calabaza………………………………………. 19
Figura 8. Figura estereográfica que puede obtenerse mediante nanotecnología de
cristales de ADN que tienen “extremos cohesivos” o pequeñas secuencias
que pueden unirse a otra molécula de una manera organizada………………… 20
Figura 9. Plantas de tomate con y sin nanotubos de carbón. Las plantas que
recibieron el tratamiento de nanotubos germinaron y se desarrollaron
más rápido………………………………………………………………………………………………… 22
Figura 10. Florikan NANO 16-15-11 (N-P-K) es un fertilizante que contiene
nanopartículas. Las nanopartículas pueden servir como “balas mágicas”,
que contienen los herbicidas, productos químicos, o genes, que se dirigen
a determinadas partes de la planta para liberar su contenido…………………… 23
Figura 11. Las nanopartículas de plata han demostrado tener efecto muy
significativo como bactericida contra Paramecium caudatum…………………… 27
3
INTRODUCCIÓN
La nanotecnología (NT) representa una de las más novedosas innovaciones
científicas, y en muchos sentidos, la de mayor alcance en lo referente a la alta tecnología
para la agricultura y los alimentos frescos. Se estima que en la actualidad en todo el
mundo hay más de 300 nanoproductos alimenticios disponibles en el mercado y se prevé
que para el 2015 la NT se utilizará en el 40% de las industrias alimentarias. De hecho, se
ha acuñado el término “nanobiotecnología”, que combina numerosas disciplinas
científicas tan variadas como la biotecnología, la nanotecnología, el procesamiento
químico, la ciencia de los materiales y la ingeniería de sistemas (Maine et al., 2013;
Marambio y Hiek, 2010).
Las nanopartículas (NPs) son gran relevancia en la investigación científica, debido a
que tienen una amplia variedad de aplicaciones potenciales en los campos biomédico,
biológico, óptico y electrónico, entre otros. El uso principal de las NPs en la industria
alimentaria se debe a su actividad antimicrobiana, por ejemplo el dióxido de titanio, es
un colorante alimentario que puede utilizarse como barrera de protección en el
envasado de alimentos o las NPs de plata utilizadas como agentes antimicrobianos en los
paneles de los refrigeradores y frigoríficos, así como en los recipientes de
almacenamiento, líneas de envasado y otras superficies destinadas a entrar en contacto
con los alimentos. Las NPs orgánicas se emplean principalmente para mejorar el valor
nutritivo de los alimentos, utilizándose como vehículo para la liberación de vitaminas y
otros nutrientes incorporados en nanocápsulas. (Karunaratne, 2007).
Acorde con reciente información de la FAO, el advenimiento de la NT ha desatado
enormes perspectivas para el desarrollo de nuevos productos y aplicaciones para una
amplia gama de sectores industriales y de consumo. Los nuevos desarrollos tecnológicos
han abierto ya una industria de billones de dólares durante los últimos años, cuyo
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impacto sobre el mercado global se espera que llegue a $1 billón de dólares para el año
2015 y con alrededor de 2 millones de trabajadores involucrados en esta nueva área
tecnológica. Mientras la mayoría de la manufactura y uso de los materiales a nanoescala
sucede en los Estados Unidos, la Unión Europea, con cerca del 30% global del sector, no
está muy rezagada en este campo. Al igual que en otros sectores, la NT promete
revolucionar toda la cadena alimentaria, desde la producción hasta el procesamiento,
almacenamiento y desarrollo de materiales innovadores, productos y aplicaciones en la
medicina (Heath y Davis, 2008).
A pesar de que las posibles aplicaciones de la NT son muy vastas, las aplicaciones
actuales en el sector alimentario y agrícola son relativamente pocas, debido a que la
nanociencia se encuentra en un estado emergente. Una visión general de más de 800
productos de consumo basados en NT que están actualmente disponibles a nivel
mundial, sugiere que sólo alrededor del 10% de ellos son alimentos, bebidas y productos
de envasado de alimentos. Sin embargo, los productos y aplicaciones derivados de la NT
de estos sectores han ido en constante aumento en los últimos años, y se prevé que siga
creciendo rápidamente en el futuro. Esto se debe a que las nuevas tecnologías tienen un
gran potencial para hacer frente a muchas de las necesidades actuales de la industria
(Farokhzad y Langer, 2009).
LAS NANOPARTÍCULAS
Las nanopartículas (NPs), ya sean de nanopolvo, nanoracimo, o nanocristal, es una
partícula microscópica con por lo menos una dimensión menor que 100 nm. Actualmente
las NPs son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de
aplicaciones potenciales en los campos de biomédicos, ópticos, alimentos y electrónicos.
La Iniciativa Nacional de Nanotecnología del gobierno de los Estados Unidos ha dispuesto
de cantidades enormes de financiamiento exclusivamente para la investigación de las NPs
(Alam et al., 2013).
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Las NPs de cobre (NPsCu) han atraído mucho la atención en los últimos años por
ser un metal semiconductor, por sus propiedades físicas, químicas, antimicrobianas, así
como por su abundancia (Betancourt et al., 2013). Además, el cobre posee un
importante papel biológico en el proceso de fotosíntesis de las plantas, aunque no forma
parte de la composición de la clorofila. El cobre contribuye a la formación de glóbulos
rojos y al mantenimiento de los vasos sanguíneos, nervios, sistema inmunitario y huesos.
Por tanto, es un oligoelemento esencial para la vida humana y tiene un gran potencial
para emplearse en desarrollos tecnológicos sustentables y las NPs de cobre ya han
demostrado su acción antibacterial en patógenos de humanos y enfermedades
nosocomiales (Baba, 2006).
Un factor crítico que es responsable de las propiedades antimicrobiales del cobre
es la habilidad para aceptar o donar electrones fácilmente, para así tener un nivel alto de
oxidación catalítica y una reducción potencial alta. Cuando el cobre está en un estado de
oxidación (Cu2+), es altamente efectivo como antimicrobial debido a la interacción con
ácidos nucleícos, sitios activos enzimáticos y componentes de la membrana de las células
que causan la enfermedad. Más aun, ha sido demostrado que el cobre tiene la habilidad
de reducir el índice de crecimiento de la bacteria Escherichia coli como un agente
microbial en más de 99.99%, ya que le causa daño a las paredes de las células y altera su
contenido celular negativamente (Cioffi et al., 2005).
El cobre ha sido de interés particular porque a diferencia de otros metales
antimicrobiales, presenta un espectro amplio de acción contra bacterias y hongos. La
eficacia del cobre depende de las condiciones del medio ambiente, la concentración de
iones de cobre y el tipo de microorganismos. Dada la efectividad del cobre contra
organismos patógenos asociados con enfermedades de plantas y animales, ha sido
utilizado ampliamente en el sector agropecuario como pesticida desde hace miles de
años y últimamente como promotor de crecimiento vegetal.
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Las nanopartículas que se producen a partir de metales como oro, cobre y plata
presentan además características eléctricas, ópticas y microbianas. Estas últimas
permiten visualizar su aplicación efectiva en dispositivos electrónicos, catalizadores,
sensores y productos bactericidas, entre otros. Además su síntesis da lugar a mezclas de
diferentes tamaños y morfologías. A continuación se explican las más importantes.
Las NPs de oro (Figura 1) pueden calentar un área de mil veces su tamaño; sus
propiedades caloríficas se comprueban en medios como el agua, el hielo y en una lámina
de polímero que consta de un diseño con el que se imitan los materiales presentes en
sistemas biológicos. Sus ventajas radican en que son poco reactivas, poseen una fácil
funcionalización y son muy resistentes a la oxidación y a la corrosión (Chithrani et al.,
2006). Las NPs de oro que son de aproximadamente una décima parte del ancho de un
cabello humano, son extremadamente eficientes en la dispersión de la luz. Por otro lado,
las moléculas biológicas como los virus son intrínsecamente pobres en dispersar la luz. La
agrupación de los virus con las nanopartículas de oro es la razón por la cual fluctúa la luz
dispersa en un patrón predecible y medible (Gaiduk et al., 2011).
Figura 1. Las nanopartículas de oro están siendo usadas para detectar virus causantes de
gripas (Flu) y graves enfermedades como el HIV o Sida.
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Las NPs de aluminio. Las partículas que tienen un tamaño de 13 μm pueden
involucrarse en la disminución de la velocidad del desarrollo de las raíces de plantas
como maíz calabacín, soya, col y zanahoria, aunque si las partículas son cubiertas de
hidrocarburo aromático dichos efectos se aminoran. Las NPs de aluminio (Figura 2) están
siendo consideradas como un posible combustible en aplicaciones avanzadas de
materiales energéticos.
Figura 2. Nanopartículas de oxido de aluminio (Al₂O₃) con un tamaño promedio en el
rango de 20 a 60 nm.
Las NPs de plata (NPsAg). Una de las grandes ventajas de utilizar plata es que actúa
como agente antimicrobiano, razón por la cual se incorpora para la fabricación de
materiales de envasado, también no guarda olores, además que no presenta problema
alguno de descomposición a las temperaturas de extrusión de los plásticos, sin dejar de
mencionar su volatilidad (Layani et al., 2012). El crecimiento de microbios en los textiles
durante el uso y su almacenamiento afecta negativamente al usuario, así como el propio
textil. El efecto perjudicial pueden ser controlados por una acción antimicrobiana
duradera mediante los textiles con biocidas de amplio espectro o mediante la
incorporación de productos biocidas en fibras sintética durante la extrusión (Gao y
Cranston, 2008).
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La actitud de los consumidores respecto a la buena higiene y de vida activa, ha
creado un creciente mercado de textiles antimicrobianos, que a su vez ha estimulado la
investigación intensiva y el desarrollo de trabajos con NPsAg. Estos autores reportan que
los más recientes desarrollos en los tratamientos antimicrobianos de textiles están
utilizando diversos agentes bioactivos como plata, sales de amonio cuaternario, el
triclosán, el quitosán, tintes y compuestos N-halamina regenerables y peroxiácidos.
DIMENSIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA
La agricultura es un área donde las nuevas tecnologías se aplican para mejorar el
rendimiento de los cultivos. Nano agricultura implica el empleo de NPs en la agricultura,
considerando que estas NPs ofrecerán algunos benéficos para los cultivos. La aparición
de nuevos nanodispositivos y nanomateriales abren nuevas aplicaciones potenciales en
la agricultura y la biotecnología. Las NPs son materiales que son lo suficientemente
pequeños como para caer dentro del rango nanométrico (10-9 a 10-12), teniendo sus
dimensiones de menos de unos pocos cientos de nanómetros. La NT utiliza y diseña
materiales a escala atómica (normalmente entre 1 y 100 nm, o lo equivalente en metros:
entre 0.000000001 y 0.000000000001 metros). Estos materiales pueden ser usados para
liberar pesticidas o fertilizantes en un momento y orientación específico. Logrando de
estas manera aplicar sustancias en áreas muy localizadas que podrían reducir el daño a
otros tejidos de la planta y a la vez en cantidades pequeñas reduciendo así el efecto
adverso al medio ambiente (Srilatha, 2011).
Las NPs son de gran relevancia en la investigación científica, debido a que tienen
una amplia variedad de aplicaciones potenciales en los campos biomédico, biológico,
óptico y electrónico, entre otros. El uso principal de las NPs en la industria alimentaria se
debe a su actividad antimicrobiana, por ejemplo el dióxido de titanio, es un colorante
alimentario que puede utilizarse como barrera de protección en el envasado de
alimentos o las NPs de plata utilizadas como agentes antimicrobianos en los paneles de
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los refrigeradores, así como en los recipientes de almacenamiento, líneas de envasado y
otras superficies destinadas a entrar en contacto con los alimentos. Las NPs orgánicas se
emplean principalmente para mejorar el valor nutritivo de los alimentos, utilizándose
como vehículo para la liberación de vitaminas y otros nutrientes (nanocápsulas).
Mediante la NT se elaboran nanopartículas NPs metálicas y de polímeros capaces
de unirse a bio macromoléculas específicas que son de interés significativo, ya que las
NPs pueden ser utilizadas como aditivos de películas plásticas para bioespacios en
agricultura protegida, para empaques plásticos de alimentos, así como para elaborar
materiales funcionales de bajo costo y estables para la medicina, para direccionar los
fármacos a sitios específicos, para usarse en biosensores, en diagnóstico y como
antimicrobiales de toxinas, bacterias, hongos y virus (Adner et al., 2013).
El enfoque no biológico de las NPs crea posibilidades muy diversas con gran
potencial en numerosas actividades del ser humano, incluyendo los envases plásticos y
películas de polietileno (PE) nanoestructuradas para usos diversos. Recientemente, este
enfoque se ha extendido a objetivos biológicamente interesantes, incluyendo péptidos y
proteínas. Las condiciones relativamente sencillas de polimerización por precipitación
utilizando acrilamidas tales como N-isopropilacrilamida han sido óptimas para la
impresión biomacromolecular (Hoshino et al., 2008). Con el fin de fabricar películas de
plástico opcionales a las existentes, en la última década se ha dado un gran impulso a la
elaboración de NCs de PE modificado con una gran variedad de materiales como el ácido
metacrilato reforzado con nano oxido de titanio (nano-TiO2), así como con arcillas, zinc,
cobre, plata, oro y otros materiales.
Estas nuevas películas nanoestructuradas han modificado notablemente sus
propiedades mecánicas y ópticas, resultando en muchas ocasiones mejores que las
elaboradas con PE tradicional. Por ejemplo, se ha demostrado que empleando como
aditivo nano-TiO2 al PE, el módulo de tensión se incrementó hasta un 40 % con la adición
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de 5 % de ese NC (NC), mientras que la deformación y/o elongación del material se
redujo debido a la disminución en la movilidad de las cadenas del PE por la presencia del
nano-TiO2. La resistencia a la tensión muestra un efecto reforzante de 15 % con un
contenido de 3 % de nano-TiO2, indicando esto la buena interacción entre los grupos
funcionales del PE por la presencia del nano-TiO2. Los resultados de espectroscopia UV
también mostraron que la incorporación de las NPs de nano-TiO2 disminuyen en
aproximadamente 85 % la transmitancia en los materiales de nano compuestos con
respecto al polímero base, esto debido a la alta capacidad de absorción de la luz UV que
presentan las NPs de TiO2 (Valdez-Garza et al., 2009). Es decir, el NC es factible para la
fabricación de diversos productos poliméricos incluyendo películas para emplearse en
embalaje y posiblemente en acolchado para suelos, túneles, microtúneles e
invernaderos.
Es a inicios del siglo XX cuando se desplegó una amplia información sobre
calefacción, riego y fertilización en invernaderos. En Holanda se desarrollaron
gradualmente invernaderos para un mejor uso de los cultivos, hasta que en 1937 se
construyó el invernadero denominado Venlo fabricados de acero y cristal, los cuales
podían ser utilizado para diferentes cultivos. En los últimos años se ha incorporado los
plásticos a la agricultura con buenos resultados, la inserción de NPs de acilla, oro, plata,
cobre, aluminio, almidón, etc., han mostrado que confieren a las cubiertas de
invernadero plásticas propiedades deseables para el mejor desarrollo del cultivo y como
consecuencia una mejor producción.
Mundialmente se vienen realizado novedosos trabajos de investigación con la
finalidad de producir películas de PE para invernaderos y túneles que contengan ciertos
aditivos que permitan bloquear luz UV para lograr una mayor vida útil de la película,
además se aplican otros componentes para conseguir mayor transmisión de luz difusa y
PAR, así como conferir propiedades térmicas, antigoteo y otras más (Agam y Guo, 2007).
La producción de hortalizas para exportación bajo condiciones de agricultura protegida
11
en las áreas de trópicos húmedos es extremadamente vulnerables a estreses abióticos
como temperatura, humedad, flujo de aire, etc., por lo que se deben formular y fabricar
películas que impidan o minimicen el efecto adverso de esos factores y los bióticos como
los causados por mosquita, trips, áfidos, etc.
A la fecha, la población mundial que está demandando alimentos es de 6,768
millones y de acuerdo con proyecciones de estadísticas la población continuará
creciendo hasta el 2050 (http://www.census.gov/main/www/poclock.html) sin embargo,
la superficie de siembra se ha estancado debido a que ya no existen más áreas que se
estén abriendo a la agricultura, por lo que deberemos incrementar la eficacia en el uso
de los recursos para aumentar la productividad agrícola bajo condiciones de agricultura
protegida en bioespacios, incluyendo invernaderos, túneles, casasombras, etc.
Las NPs actúan como filtros para controlar la longitud de onda incidente y de esta
forma se controla la temperatura y la radiación solar. La escala nanotecnológica se
representa en la Figura 3, en la cual se pone en perspectiva diferentes tamaños de
partículas y estructuras.
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Figura 3. Esquema que permite comparar el tamaño de nanopartículas con diversas
estructuras como el ADN, células, ácaros, alfileres y el cuerpo humano.
NANOPARTÍCULAS EN LA AGRICULTURA PROTEGIDA
La agricultura protegida es aquella que se realiza bajo métodos de producción que
ayudan a ejerce determinado grado de control sobre los diversos factores del medio
ambiente. Permitiendo con ello minimizar las restricciones que las malas condiciones
climáticas ocasionan en los cultivos. Esto implica el uso de acolchados plásticos, micro y
macrotúneles, casas sombra e invernaderos.
En relación con los acolchados plásticos se ha explorado el uso de NPs, que
encapsulan nutrientes dentro de la película y los liberan de manera progresiva durante
su aplicación, o bien se pueden incorporar nanopartículas de plata que pueden tener una
acción bactericida o fungicida, reduciendo así el efecto adverso de microorganismos
patogénicos que afecten el sistema radicular de las plantas. Con la utilización de las
diferentes películas para invernaderos y mallasombras conteniendo nanopartículas en su
formulación que les proporcionen mayor fuerza tensil resistencia (Nagalingam et al.,
2010), se pueden reducir costos e incrementar significativamente los rendimientos
unitarios de manera competitiva a los sistemas de producción de invernaderos que con
películas de plástico tradicional, logrando en la mayoría de los casos menor costo
energético y mayor rentabilidad por tonelada producida así como mayor durabilidad de
los materiales empleados.
En relación con las películas de plástico para usos diversos, Fragouli et al . (2010)
presentaron una técnica sencilla para la formación de un campo magnético inducido, así
como el montaje y el posicionamiento de nanocables magnéticos en una película de
13
polímero. A partir de una solución de nanopartículas de óxido de polímero fundido /
hierro que se dejaron secar películas de ese NC junto con la aplicación de un campo
magnético débil, que al estar alineados se obtienen nanocristales construídas con
matrices de nanoalambres o nanohilos (Figura 4).
Uno de los aspectos más importantes a considerar cuando se planea construir un
invernadero o casasombra para el cultivo de hortalizas de alto valor económico, es lo
relativo a las películas PE para su cubierta, ya que de ello depende la eficiencia que se
puede lograr para tener un adecuado balance térmico y las condiciones óptimas para el
crecimiento y desarrollo del cultivo (Borisov et al., 2008; Buzea et al., 2007). Los
materiales de cubierta más eficaces en los invernaderos y casasombra son películas de
PE que contienen componentes que absorben la luz UV para prolongar la vida de los
materiales, pero manteniendo los niveles de transmisión de radiación PAR (Costa et al.,
2002).
Figura 4. Diagrama que ilustra un corte transversal de una película plástica
nanoestructurada conteniendo nanoalambres o nanohilos.
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La mayor parte de los invernaderos en México no tienen sistemas automatizados
de enfriamiento y calefacción por lo que el ambiente interior del invernadero, depende
básicamente del tipo de películas de PE que se utiliza como cubierta. Las características
ópticas de la cubierta del invernadero pueden modificar significativamente la calidad de
radiación afectando a los cultivos, principalmente en cuanto a la diferencia del uso de la
radiación (Lamont, 2005). Un problema, al que se enfrentan muchos agricultores que
utilizan invernaderos son las elevadas temperaturas en los meses de verano, lo que
provoca numerosos efectos adversos como: estrés fisiológico, aborción floral,
disminución de rendimiento y calidad de las hortalizas, ennegrecimiento de pétalos en
flores de corte, quemaduras en plántulas y otros más.
Para contrarrestar lo antes señalado los agricultores tienen que utilizar pantallas
metalizadas, mallasombras, sistemas de nebulización o encalar las cubiertas del
invernadero, con el subsecuente incremento en los costos para la adquisición de las
mallas y pantallas o la disminución de la vida útil de las películas de PE, ya que al encalar
el plástico se extraen los aditivos de las películas y se degradan más rápidamente. Otros
plásticos modernos contienen NPs de cobre o plata que confieren propiedades
antimicrobiales (Delgado et al., 2013).
¿QUÉ ES UNA NANOESTRUCTURA?
En términos sencillos, nano es un prefijo que significa “enano” y al usarlo en
términos y conceptos denota una amplia gama de fenómenos y objetivos cuyas
dimensiones son de una millonésima parte de un milímetro. NT hace referencia a la
integración de diferentes disciplinas científicas capaces de crear y desarrollar nuevos
materiales, estructuras funcionales y aparatos a escala manométrica. En la Figura 5 se
muestra un esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la NT en
diversos aspectos de la agricultura moderna (Ghormade et al., 2011).
15
Figura 5. Esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la
nanotecnología en diversos aspectos de la agricultura moderna.
LOS NANOCOMPUESTOS
Los nanocompuestos (NCs) poliméricos, provienen de la mezcla de una matriz
polimérica con inclusiones de partículas orgánicas o inorgánicas de escala nanométrica.
Existen tres categorías básicas de los nanomateriales dependiendo de las dimensiones
espaciales del material: nanopartículas, nanotubos y nanolaminillas (Bharat, 2004). Los
nanotubos tienen su diámetro y espesor de un tamaño nanométrico, pero su longitud
puede ser mayor pudiendo llegar a ser micrométrica (Hiroi et al., 2004). Las nanoarcillas
presentan sólo una dimensión a nivel nanométrico, esto es, tienen forma de láminas de
un espesor de un nanómetro aproximadamente, sin embargo su largo y ancho es de
100nm a 200 nm (Rai et al., 2004).
Los NCs son una nueva generación de polímeros emergente en todos los aspectos
de nuestras vidas. Ellos muestran una gran promesa para aplicaciones potenciales como
de alto rendimiento en materiales biodegradables, que son nuevos tipos de materiales
basados en plantas, animales, y otros materiales naturales. Para seguridad de los
alimentos, nano-estructurados será posible evitar la invasión de bacterias y
16
microorganismos, los nano-sensores integrados en el envase deben alertar al
consumidor si un alimento está en mal estado (Ruixiang et al., 2008).
IMPORTANCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA
La NT es tan importante porque podría tener el potencial para resolver muchos de
los problemas de la humanidad. Si se desarrolla de forma responsable, la NT podría
resolver problemas en los países más pobres del mundo tan importantes como
enfermedades, hambre, falta de agua potable. Si se desarrolla de forma no responsable,
la NT podría ser algo muy peligroso, permitiendo la fabricación de armas muy pequeñas
con una fuerza de destrucción inimaginable. Algunos expertos creen que su impacto
sobre nuestra vida será tan importante como en su día fue el impacto de la medicina o el
impacto de las computadoras (http://www.euroresidentes.com/futuro/importanciananotecnologia.htm).
NANOPARTICULAS EN LA AGROPLASTICULTURA
En la fabricación de alfombras de nanofibras antitermitas a base de nitrocelulosa
con un aglomerante energético para crear una nueva clase de NC energético, se ha
comparado con la nitrocelulosa pura y nanoaluminio, nanofibras incorporadas por sus
actuaciones de combustión. Nanofibras antitermita muestran reducidas velocidades de
combustión, que se correlacionan con la carga masiva de nanotermita en relación con el
aglutinante en las nanofibras (Yan et al., 2012).
Estudiando la técnica de rocío pirolítico ultrasónico se pudieron obtener películas
nanoestructuradas de SnO2 en su fase tetragonal con estructura tipo rutilo, a partir de
dicloruro de acetilacetonato de estaño [(C5H8O2)2SnCl2]. Estas películas presentan un
crecimiento uniforme del grano, con un tamaño promedio del orden de 70 nm. Las
películas obtenidas a temperaturas superiores a ± 500 ºC son transparentes en la región
del espectro visible con una longitud de onda de 4.05 eV y con una resistividad de 4.54 x
17
10-3 cm, la cual es prácticamente independiente de la temperatura (Vázquez et al.,
2011).
PROPIEDADES DE PELÍCULAS PLÁSTICAS NANOESTRUCTURADAS PARA INVERNADERO
Propiedades de termicidad. La protección contra temperaturas bajas depende de
la transmitancia del material para la radiación infrarroja larga. Las películas plásticas que
actúan como barrera a la radiación IR en la región de 750 y 1450 nm son denominadas
térmicas, ya que los grupos químicos que estructuran el material absorben la radiación
infrarroja impidiendo que salga del invernadero, con lo anterior se reduce el riesgo de
bajas temperaturas en aquellos casos en que el invernadero no está preparado con un
sistema de calefacción.
Como aplicación potencial para el desarrollo de estas películas con un efecto en la
dispersión de NCs EVOH/arcilla en matrices de PE, se puede considerar la fabricación de
películas para uso agrícola específicamente en películas para invernadero (García, 2008).
El efecto de nanoarcillas en la matriz del copolímero etileno alcohol vinílico (EVOH) sobre
las propiedades ópticas de transmisión de luz visible y la opacidad al infrarrojo ha sido
analizado por (Min-Sheng et al., 2006). Otras características son la dispersión de la luz
UV y la energía térmica acumulada dentro de la cubierta de invernadero, para así evitar
daño de los cultivos durante las temporadas donde la temperatura exterior sea muy
baja, es decir para tener un ambiente a temperatura cálida controlada (Sánchez, 2008).
La transmisión de luz visible de NCs a base de EVOH16e32 con nanoarcillas MMTNa
y C30b ha mostrado que la eficiencia de las películas para invernadero depende
principalmente de la capacidad para transmitir la luz visible, la cual es responsable de
procesos fisiológicos y fotosintéticos de las plantas. En los resultados de transmisión de
luz visible de las películas de los materiales NCs se observa que a mayor contenido de
nanoarcilla, los valores de transmisión de luz visible decrecen, ya que se incrementa la
18
fase inorgánica y opaca el paso de la luz visible y la radiación PAR. Para el caso de las
películas hechas con PE virgen, el valor de transmisión de luz visible es de 90 %, mientras
que las películas de EVOH16e32 y EVOH44e32 muestra valores de transmisión de luz
visible de 89.33 y 87 % respectivamente, por lo que, la trasparencia de estos materiales
es muy similar (Sánchez, 2008).
Las películas de NCs con base en los aditivos EVOH16e32 EVOH16e32/MMTNa+ a
concentraciones de 4, 7 y 10 %, presentan valores de transmisión de luz visible de 81.82,
80.16 y 75.53 % respectivamente; esto es atribuido a que existe una baja dispersión de
las nanoarcillas, sin embargo, la arcilla dispersa presenta un alto grado de interposición.
Las películas a base de nanoarcilla C30b a concentraciones de 4, 7 y 10 % presentan
valores de transmisión de luz visible de 79.4, 75.67 y 75.4 % respectivamente, ya que
existe una alta dispersión de arcilla en la matriz polimérica (Montes, 2011).
En algunos trabajos se han sintetizado materiales de nylon híbridos con arcilla,
mediante cuatro tipos de minerales de arcilla, montmorillonita, saponita, hectorita y
mica sintética, las propiedades mecánicas de las muestras moldeadas por inyección se
midieron de acuerdo con la norma ASTM. El nylon híbrido con arcilla montmorillonita fue
superior a los otros híbridos en las propiedades mecánicas. Esto podría resultar de la
diferencia en la interacción entre las moléculas de nylon y silicatos en los híbridos.
APLICACIÓN DE LOS NCS EN LA AGRICULTURA
La NT ofrece interesantes opciones en la mejora de las técnicas existentes de
manejo de cultivos. Los agroquímicos se aplican convencionalmente a los cultivos por
pulverización y o difusión. Por lo general, sólo una muy baja concentración de los
productos químicos, lo cual es muy por debajo de la concentración mínima eficaz
requerida, ha alcanzado el sitio de destino de los cultivos debido a problemas como la
lixiviación de los productos químicos, la degradación por fotólisis, hidrólisis y por
19
degradación microbiana. Por lo tanto, para una aplicación repetida es necesario disponer
de un control efectivo que podría causar algunos efectos desfavorables como la
contaminación del agua y el suelo.
Para el caso de la agricultura, la NT ya se está utilizando para el tratamiento de
algunas enfermedades de las plantas, para la detección precoz de los patógenos que las
producen, para la mejora de la asimilación de nutrientes esenciales por las plantas e
incluso la construcción de nanobiosensores importantes en determinados procesos
biológicos. Su uso puede incrementar la eficacia de los pesticidas e insecticidas
comerciales reduciendo su cantidad de aplicación al suelo a unas dosis
significativamente menores requeridas para los cultivos con la mejora medioambiental
que eso implica.
Agroquímicos nano-encapsulados pueden ser diseñados de tal manera que poseen
todas las propiedades necesarias como la concentración efectiva (con alta solubilidad,
estabilidad y eficacia), de liberación controlada con velocidad de tiempo de respuesta a
ciertos estímulos, la actividad específica mejorada y menos de ecotoxicidad con seguro y
facilitando el modo de entrega, por lo tanto, se puede evitar la aplicación repetida (Tsuji,
2001). Las NPs no son novedosas para las plantas, ya que ellas toman del suelo
nanopartículas de macro y microelementos que son utilizados para su crecimiento,
desarrollo y fructificación (Figura 6).
En el cercano futuro, la industria agrícola puede usar diveros materiales como
nanopesticidas, nanofungicidas y nanoherbicidas y algunas empresas ya los estás
desarrollando. En definitiva, la aplicación de la NT en la agricultura es una alternativa
más respetuosa con el medio ambiente para el caso concreto del control de insectos y
plagas que los métodos con agroquímicos sintéticos, que tantos problemas
medioambientales han generando. De hecho, cada vez se publican más estudios que
20
detectan este tipo de sustancias en lugares y organismos que nunca han estado
expuestos como es el caso de los hielos de la Antártida.
Figura 6. Las plantas de manera natural hacen una absorción y traslocación selectiva de
NPs minerales que luego son enviadas a los puntos de demanda acorde al crecimiento
vegetativo.
La aplicación con éxito de diversas nanoplataformas en medicina en condiciones in
vitro ha generado un cierto interés en la agricultura nanotecnológica. Esta tecnología
ofrece la posibilidad real de la liberación controlada de agroquímicos en sitios precisos y
la entrega selectiva de diversas macromoléculas necesarias para mejorar la resistencia a
enfermedades de las plantas, la utilización eficiente de macro y micro nutrientes para
mejorar el crecimiento de las plantas cultivadas. Procesos como la nanoencapsulación
muestran el beneficio de un uso más eficiente y un manejo más seguro de los plaguicidas
con menor exposición al medio ambiente que garantiza la ecoprotección y el manejo
sustentable de cultivos (Srilatha, 2011).
21
La eficiencia de absorción y los efectos de diversas NPs sobre el crecimiento y las
funciones metabólicas varían entre diferentes plantas. Las NPs usadas en la
transformación de plantas tiene el potencial para la modificación genética de las plantas
para un mejoramiento genético adicional. En concreto, la aplicación de tecnología de
nanopartículas en fitopatología enfrenta los problemas agrícolas específicos en las
interacciones planta-patógeno y ofrece nuevas formas de protección de los cultivos (Nair
et al., 2010). La absorción, traslocación y acumulación de productos manufacturados de
NPs de Fe3O4 en plantas de calabaza reportada por estos autores se presenta en la Figura
7. En la cual (A) representa esquemáticamente a una planta de calabaza y magnetización
medida en varios sitios de muestreos, marcados como números con unidades de
10−3emu g−1. Fuertes señales magnéticas (>1.0 memu g−1) fueron detectadas en todas las
hojas independientemente de su distancia desde la raíz, mientras que las señales fueron
más débiles en las muestras de tejido del tallo, excepto aquellas cercanas a la raíz.
Figura 7. Absorción, traslocación y acumulación de productos manufacturados de NPs de
Fe3O4 en plantas de calabaza.
22
Las NPs también están siendo empleadas para el control de enfermedades de
plantas. Hoy en día, la aplicación de fertilizantes agrícolas, pesticidas, antibióticos y
nutrientes en el área agropecuaria suele ser por aspersión o por aplicación al suelo o a
las plantas, o por medio de los sistemas de fertirriego o en la alimentación o inyección a
los animales. La entrega o aplicación de los plaguicidas o medicamentos se ofrece como
tratamiento preventivo", o se proporciona una vez que el organismo causante de la
enfermedad se ha multiplicado y síntomas son evidentes en la planta En este contexto,
las nanotecnologías ofrecen una gran oportunidad para desarrollar nuevos productos
contra plagas (Begum et al., 2010).
La elaboración con éxito de las estructuras moleculares tridimensionales es un gran
avance que une a la biotecnología y la nanotecnología. Con la NT, ya que se han
producido cristales de ADN mediante la producción de secuencias de ADN sintéticas que
se auto-ensamblan en una serie de patrones como de triángulo tridimensional (Zheng et
al., 2009). Los cristales de ADN tienen "extremos cohesivos" o pequeñas secuencias que
pueden unirse a otra molécula de una manera organizada (Figura 8).
23
Figura 8. Figura estereográfica que puede obtenerse mediante nanotecnología de
cristales de ADN que tienen "extremos cohesivos" o pequeñas secuencias que pueden
unirse a otra molécula de una manera organizada.
Cuando las múltiples hélices están unidas a través de extremos cohesivos de
cadena sencilla, no habría una estructura como de celosía que se extiende en seis
direcciones diferentes, formando un cristal tridimensional como se ilustra en la Figura
19. Está técnica se podría aplicar en el mejoramiento genético de los cultivos
importantes mediante la organización y la vinculación de los hidratos de carbono,
lípidos, proteínas y ácidos nucleícos a estos cristales.
Los nanotubos de diversos materiales han venido siendo utilizados en la agricultura
para promover el crecimiento de plantas (Figura 9), en la cual se puede apreciar que el
agua en el recipiente de la derecha es negro debido al contenido de los nanotubos y la
planta de tomate que germinó y creció en el interior del recipiente es más grande que la
de la izquierda, que no fue expuesta a los nanotubos. Estos resultados han sido
generados por investigadores de la Universidad de Arkansas en el Centro de
Nanotecnología de Little Rock, USA, quienes han descubierto que la exposición de las
semillas de tomate a los nanotubos de carbono hace que las plantas de tomate crezcan
más rápido (Khodakovskaya et al., 2009). Ellos describen los resultados aunque siendo
preliminares, sugieren que los nanotubos de carbono podrían ser una bendición para la
agricultura y las industrias de biocombustibles y dar lugar a nuevos tipos de fertilizantes
con NCs.
24
Figura 9. Plantas de tomate con y sin nanotubos de carbón. Las plantas que recibieron el
tratamiento de nanotubos germinaron y se desarrollaron más rápido.
Los nanofertilizantes ya están ofreciéndose en el Mercado de USA; por ejemplo la
compañía A.M. Leonard, puso a la venta el producto denominado Florikan (Figura 10) el
cual se ha llamado NANO 16-5-11 (N-P-K). La empresa que lo produce señala que al
utilizar NANO, se obtendrá 10 veces el número puntos de contacto que el fertilizante
estándar. Se ha formulado con 100% de polímero recubierto de fertilizante de liberación
controlada, teniendo el 100% de nutrientes solubles en agua para el consumo de las
planta, teniendo como base el nitrato de amonio y está completamente libre de urea.
Este producto está formado de una relación clásica de 03:01:02 y se completa con un
paquete de micronutrientes. También mencionan que NANO es ideal para los
invernaderos y viene en presentación de 50 libras y de un galón. Se usa en plantas
anuales, perennes, para propagación, de, vinca, hierbas de olor, comestibles y muchas
más. Se considera que este producto es seguro, eficaz y económico de usarse con una
reducción del programa de fertilización total, ya que las tasas de incorporación bajas
ofrecen mejores resultados (http://www.amleo.com/Florikan-reg%3B-3-4-month-NanoPrill-Time-Release-16-5-11-Fertilizer/p/FLK16511/).
25
Figura 10. Florikan NANO 16-5-11 (N-P-K) es un fertilizante que contiene nanopartículas.
Las NPs pueden servir como "balas mágicas", que contiene los herbicidas, productos
químicos, o genes, que se dirigen a determinadas partes de la planta para liberar su
contenido.
Las nanocápsulas pueden permitir la penetración eficaz de herbicidas a través de
las cutículas y tejidos, lo que permite la liberación lenta y constante de la sustancia
bioactiva (Srilatha, 2011). Químicos de la Universidad Estatal de Iowa han utilizado una
de NPs de sílice mesoporosa (MSN) de 3 nm para la entrega de ADN y sustancias
químicas en las células vegetales aisladas.
Las NPs MSN son químicamente revestidas y sirven como contenedores de los
genes entregados a las plantas. El recubrimiento provoca que la planta pueda tomar las
partículas a través de las paredes de las células, donde se insertan y se activan los genes
de una manera precisa y controlada, sin ningún efecto secundario tóxico después. Esta
técnica se ha aplicado con éxito para introducir NPs en calabazas y ADN a plantas tabaco
y maíz (Corredor et al., 2009).
26
La selección y mejoramiento de las especies de plantas hasta hace algunas décadas
estuvo a cargo de la naturaleza. La irrupción de la industria agrícola biotecnológica en el
sector agrícola, cambió el objetivo de tal selección con el fin de mejorar y maximizar la
producción de los procesos agrícolas. Para conseguir tal objetivo, una de las opciones
que primero emergió fue el desarrollo de herbicidas, la biotecnología agrícola estructuró
la opción de producir químicos que respondieran a las necesidades de las plantas.
Diseñando plantas que pudieran tolerar químicos tóxicos o se "defendieran" de las
plagas que tantos daños causan al sector económico.
En el ámbito agrícola la producción en el mundo ha sido facilitada por las más
diversas tecnologías de producción. Uno de los principales factores para el aumento de
producción y disminución de costos, es el aprovechamiento máximo y selección especial
de las "mejores" semillas, desarrolladas biotecnológica y genéticamente (Matsunaga et
al., 2007). Por otro lado, respecto al uso de NPs en el área de los fertilizantes químicos o
tradicionales, (Liu et al., 2006) han reportado la preparación nano-subcompuestos
conteniendo fertilizantes de liberación controlada en China lo cual es un importante
avance en esa área de la agricultura.
Actualmente los nanodispositivos se consideran que tendrían la capacidad de
detectar y tratar una infección, deficiencia de nutrientes, o cualquier otro problema de
salud, mucho antes de que los síntomas eran evidentes en la escala macro. Este tipo de
tratamiento puede ser dirigido a la zona afectada con un una mayor conciencia de los
riesgos asociados con el uso de sintética insecticidas orgánicos, se ha producido una
necesidad urgente de explorar adecuadamente productos alternativos para el control de
plagas (Anwunobi y Emeje, 2011).
El trabajo de (Pérez-de-Luque y Rubiales, 2009) pone de manifiesto que la NT está
abriendo nuevas aplicaciones potenciales para la agricultura, las cuales ya están siendo
exploradas y utilizadas en la medicina y la farmacología, pero el interés por su uso en la
27
protección de cultivos apenas está empezando. En el reporte se discute el desarrollo de
nanodispositivos como sistemas de administración inteligentes para atacar sitios y
nanotransportadores de emisiones químicas específicas controladas.
Algunas nanotecnologías pueden mejorar las técnicas del manejo de cultivos
existentes en el corto y mediano plazo. Las nanocápsulas ayudaran a evitar la
fitotoxicidad en el cultivo mediante la utilización de herbicidas sistémicos contra malezas
parásitas. La nanoencapsulación puede mejorar la aplicación de herbicidas,
proporcionando una mejor penetración a través de cutículas y tejidos, ya que permite la
liberación lenta y constante de las sustancias activas. Las nuevas herramientas de
manejo de cultivos podrían desarrollarse sobre la base de las aplicaciones médicas.
Las NPs tienen gran potencial como "balas mágicas", cargado con herbicidas,
productos químicos o ácidos nucléicos, y la focalización de tejidos o áreas específicas de
plantas para liberar su carga. También pueden entregarse ácidos nucléicos específicos,
enzimas o péptidos antimicrobianos que actúan contra los parásitos. Muchos problemas
todavía no se han abordado, como el aumento de la escala de los procesos de
producción y reducir los costos, así como los problemas toxicológicos, pero las bases de
un nuevo concepto de tratamientos de las plantas se han establecido, y las aplicaciones
en el campo de control de la plantas malezas parásitas ya ha comenzado.
Con base en lo planteado por (Amemiya et al., 2005), por medio de la
nanobiotecnología ya se plantea la posibilidad de diseñar la planta a través de la
manipulación de las semillas. Las investigaciones en este campo se basan en el desarrollo
de nuevas técnicas que utilizan NPs que les permiten introducir ADN ajeno a una célula.
Por ejemplo, los investigadores del laboratorio Oak Ridge, descubrieron una técnica de
escala nanométrica para simultáneamente inyectar ADN a millones de células. Se ha
logrado que millones de nano fibras de carbono con ADN sintético adheridas, crezcan de
28
un chip de silicio. Se lanzan entonces las células vivas contra las fibras que las perforan y
les inyectan ADN en el proceso.
Es bien sabido que el uso indiscriminado de pesticidas y fertilizantes sintéticos en
la agricultura convencional heredera de la tecnología de la “Revolución Verde”, provoca
la contaminación del medio ambiente, la aparición de plagas agrícolas y patógenos así
como la pérdida de la biodiversidad (Lira-Saldivar et al., 2013). La nanotecnología, en
virtud de las propiedades relacionadas con los nanomateriales, tiene potenciales
aplicaciones agro-biotecnológicas para el alivio de estos problemas.
La bibliografía relacionada con el papel de la NT en el sistema suelo-planta,
demuestra que los nanomateriales pueden ayudar a varias acciones como: a) la
liberación controlada de productos agroquímicos para la nutrición y la protección de
cultivos contra plagas y patógenos, b) la entrega de material genético, c) la detección
sensible de enfermedades de las plantas y contaminantes y d) la protección y formación
de la estructura del suelo. Por ejemplo, las NPs de sílice poroso de 15 nm y el quitosán
biodegradable polimérico de 78 nm, muestran una liberación lenta de pesticidas
encapsulados y fertilizantes, respectivamente. Además, el oro nanométrico (5-25 nm)
entregó ADN a las células vegetales, mientras que el óxido de hierro (30 nm) usado en
nanosensores pudo detectar pesticidas en niveles muy pequeños. Estas funciones
ayudan al desarrollo de la agricultura de precisión, reduciendo al mínimo la
contaminación y permiten maximizar el valor de las prácticas agrícolas sustentables
(Ghormade et al., 2011).
Se ha demostrado que una vez inyectado el ADN sintético, éste expresa nuevas
proteínas y nuevos rasgos que en la actualidad no están siendo investigados.
Actualmente, la industria de los plaguicidas están iniciando su incursión hacia la
utilización de ingredientes activos manométricos y muchas de las principales firmas agro
químicas del mundo llevan a cabo investigación y desarrollo para arribar a nuevas
29
fórmulas de nano escala en la producción de pesticidas. Los bactericidas son protectores
de rayos UVB/UVA, protector de polución y gases nocivos. Entre los tejidos citados de
estética y protectores, los más utilizados comercialmente en la actualidad son los tejidos
bactericidas.
Estos son fabricados con partículas de nanoplata. El estudio de (Kvitek et al. 2009),
demostró que las NPs de plata tienen un efecto significativo como bactericida contra
Paramecium caudatum (Figura 11). Estos microorganismos habitan en aguas dulces
estancadas con abundante materia orgánica, como charcos y estanques. Son
probablemente los seres unicelulares mejor conocidos y los protozoos ciliados más
estudiados por la ciencia. El tamaño ordinario de todas las especies de paramecios es de
apenas 0.5 mm y pueden causar graves enfermedades en humanos.
Figura 11. Las nanopartículas de plata han demostrado tener efecto muy significativo
como bactericida contra Paramecium caudatum.
La plata posee propiedades antibacterianas naturales y estas propiedades son
reforzadas cuando el metal forma partículas muy pequeñas con una medida de 10 a 20
nanómetros cada una. Las NPs de plata también disminuyen la necesidad de lavar los
tejidos con tanta periodicidad, ya que las bacterias son destruidas y al ser tan pequeñas
las partículas que ocupan los espacios de las fibras evitan la acumulación de todo tipo de
suciedad y manchas. Los tejidos que no permiten la penetración de líquidos, consisten
30
en adherir filamentos diminutos a las fibras textiles utilizando ganchitos nanométricos.
Estos filamentos impiden que los líquidos penetren la superficie de la tela (Quintili,
2012).
Otro trabajo enfocado hacia la nano-biotecnología fue utilizado por primera vez en
China en cultivos agrícolas en 2007, cuando NPs de 5 a 50 nm de carbono fueron
empleados en la producción de nano-fertilizantes. El estudio de (Jian et al., 2009) se
enfocó a determinar la eficiencia de los fertilizantes en el rábano, col, repollo, berenjena,
pimientos, tomates, apio, etc. Los cultivos se establecieron y los resultados obtenidos
fueron de dos años.
Los datos generados mostraron que el nano fertilizante promovió el crecimiento
de los cultivos, se acortó el ciclo de los cultivos pudiendo entrar en el mercado de 5 a 7
días antes de tiempo, y provocó el incremento del rendimiento de 20 a 40 %. Después de
la fertilización el rábano blanco creció hasta 83 cm en 38 días, la berenjena produjo 1.2
kg en 20 días y los nano-fertilizantes pudieron mejorar la calidad del contenido de los
vegetables. Análisis químicos realizados por el Centro Chino para el Control y la
Prevención de Enfermedades, demostraron que el nano carbón no contenía materiales
tóxicos.
PANORAMA DE LA NANOTECNOLOGIA EN EL MUNDO
Para tener una idea de cómo avanza el mundo en la NT, veremos algunos números
relacionados a la inversión en las principales regiones del mundo. Según el National
Nanotechnology Institute, entre 2003 y el 2009 las inversiones públicas y privadas de los
EUA en NT crecieron un 18% anual, lo que sería de $ 2 billones USD en 2003 para $ 6,4
billones USD en 2009. Hasta entonces EUA lidera el desarrollo NT en todos los sentidos,
financiado por el gobierno, el gasto de las empresas, la inversión de capital de riesgo.
31
Luego viene la UE (comisión europea) con aproximadamente U$ 3 billones, sin contar las
inversiones de cada país individualmente. La comisión Europea propuso la atribución de
483 mil millones de euros al tema de la NC y la NT, Materiales y nuevas Tecnologías de
Producción (un presupuesto total de 727,3000 millones de euros).
Rusia no pretende quedarse atrás de ningún país y ya planea invertir cerca de USD
$10 billones en programas de desarrollo de la NT hasta el año de 2013. Actualmente
Rusia invierte aproximadamente USD $ 1 billón anual. El artículo intitulado Ranking de
las Naciones sobre Nanotech: Puertos secretos y falsas amenazas, compara la innovación
NT y desarrollo de tecnologías en 19 países, con la intención de informar a los políticos
de los gobiernos, líderes empresariales y inversores, un mapa detallado de la NT y del
desarrollo del escenario internacional. Globalmente el artículo encontró la inversión
global manteniéndose constante después de la reciente crisis financiera. Mostró USD
$17,6 billones de los gobiernos, corporaciones y inversionistas en 2009, lo que
corresponde al aumento en 1% comparativamente con 2008 (Quintili, 2012).
APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGIA EN EL AMBIENTE
El medio ambiente como uno de los macro determinantes de la salud y la vida
humana también sufre en la actualidad el impacto que tiene la aplicación de la NT. Surge
como uno de los principales temas de interés en el cuidado de la salud humana en el
universo nanotecnológico, la principal incertidumbre se genera sobre la capacidad que
tiene la materia y los materiales de adquirir propiedades nuevas.
Las posibilidades de tener cambios a escala nanométrica en la elasticidad, la fuerza
y el color de una sustancia, su tolerancia a la temperatura, la presión y su capacidad para
conducir electricidad, generan interrogantes profundos acerca de lo perjudicial que
puede traer la sustancia manométricas para el medio ambiente. Cada vez más las NPs se
vuelven "funcionales", en el sentido de que sus superficies se acondicionan para
32
desencadenar reacciones químicas o biológicas específicas. De esta manera se crean
mecanismos para la administración de medicamentos a seres humanos y animales con
fines específicos o para el tratamiento de los cultivos con plaguicidas y fertilizantes. Su
administración con fines específicos facilita el uso más eficaz de las sustancias en
cantidades muy inferiores, ya que existe la posibilidad de reducir el uso de productos
químicos y materiales, en particular los que perjudican al medio ambiente.
La rápida detección gracias a la NT permite una rápida respuesta, lo que minimiza
los daños sobre el medio ambiente y sobre quienes nos beneficiamos de él, también
reduce los costos de eliminación de la contaminación. Algunos materiales
nanoestructurados podrían purificar el agua corriente y subterránea, esta es una
realidad, ya que se dispone comercialmente de membranas nanoporosas que filtran los
agentes patógenos y otros materiales indeseables (Kumara et al., 2011).
Algunos científicos proponen el uso de lo que es llamado la síntesis verde u
orgánica para producir NPs de hierro y oro como reductores químicos para
descontaminar el agua. En este proceso, el hierro, sustancia que existe en la naturaleza,
oxida y se oxida; aprovechando la gran superficie de las NPs. Los nanocristales de hierro
magnetizado se utilizan para eliminar el arsénico del agua potable. Existen informes que
apuntan a que este método reduce en más de cien veces, la cantidad de desechos
producidos por las técnicas estándar (Vijayakumar et al., 2011).
Otro método innovador supone la impregnación de la superficie de las partículas
de óxido de hierro con moléculas que selectivamente crean enlaces con moléculas o
iones contaminantes. Al introducirlas en el agua resultaría en la atracción del
contaminante por parte de las partículas impregnadas y por medio de un campo
magnético se concentran captando los pares atrapados. Hoy en día existen muchas otras
investigaciones y aplicaciones que establecen la nanotecnología como un medio para
limpiar el medioambiente contaminado, lo que contribuiría a una interacción más "sana"
33
del ser humano con el medio ambiente, donde el medio ambiente no se vea afectado
por las acciones industriales y tecnológicas que el ser humano realiza, favoreciéndose de
la interacción con los recursos naturales en busca de un beneficio y bienestar propios
(Ghoreishi et al., 2011).
Varias tecnologías, entre ellas los catalizadores nanoestructurados para pilas de
combustible y los materiales perfeccionados de los electrodos en acumuladores de iones
de litio y las pilas fotovoltaicas avanzadas de silicona nanoporosa y TiO2, pueden
aumentar el rendimiento de las actuales fuentes de energía y reducir las emisiones de
dióxido de carbono. Los revestimientos a NE ópticamente selectivos pueden reducir el
consumo de energía y al mismo tiempo mejorar la calidad del aire en interiores.
Son importantes las posibilidades de ahorrar recursos que ofrece la NT; en la etapa
de producción permite reducir el uso de materiales que dejan una gran "huella en el
medio ambiente" sustituyéndolos por otros de menor impacto, como por ejemplo la
sustitución del silicio, que actualmente se utiliza para la fabricación de componentes
electrónicos, por el nanotubo. Con esto lo que se promueve un uso más eficaz de las
materias primas, lo que ofrece como fin último la conservación del medio ambiente,
quien es el principal proveedor. Las investigaciones actuales apuntan hacia la producción
de materiales nanoestructurados a partir de fuentes renovables o abundantes (por
ejemplo, la sustitución de metales preciosos por nanoproductos a base de carbono). Las
estrategias dinámicas de recuperación o reciclado de nanomateriales serían la forma
más efectiva para la sostenibilidad de los recursos naturales (Kumar et al., 2012).
Los organismos públicos y privados no han tardado en reconocer los evidentes
beneficios de la nanotecnología para el medio ambiente, aunque hacen falta calcular los
costos totales de este moderno sector, y el ciclo de vida de los productos. Por ejemplo,
muchos materiales nanoestructurados ahorran energía durante su utilización, pero su
manufactura puede consumir mucha energía. Los análisis de beneficios en función de los
34
costos deben tener en cuenta el verdadero impacto ambiental de estos materiales,
además se deben investigar en todos sus aspectos el destino y el transporte de las
nanopartículas que se escapan al medio ambiente y tienen sus repercusiones con todo
ente biológico que esté en interacción (Quitilini, 2012).
RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIA EN EL MEDIO AMBIENTE
Las nuevas tecnologías (en su gran mayoría) se producen y aplican sin pasar por
una investigación que exponga los posibles efectos a corto y largo plazo de dicha
tecnología sobre el medio ambiente. La NT no es caso exento, ya que éstas pueden
presentar riesgos potenciales específicos, los cuales exigen un minucioso estudio y
evaluación. Uno de los elementos que demuestra el riesgo de la materia manipulada a
escala nano, es que aunque la cantidad de materia utilizada para un proceso
nanotecnológico sea mínima, el tamaño de las partículas sigue siendo mucho menor, lo
suficiente como para penetrar la piel (Cobb y Macoubrie, 2004).
Estas partículas en contacto con el medio que le rodea lograrían tener infinidad de
reacciones dependiendo la NPs, el medio (agua, aire, suelo), y las condiciones
(temperatura, frío, otras NPs etc.). Esas NPs en dichos medios y condiciones, son la
preocupación y el objeto de estudio en la investigación del impacto que podría resultar
de la interacción de las NPs con el medio ambiente y con el ser humano. Se resalta la
importancia de multiplicar la investigación sobre las posibles consecuencias de las NT
para determinar las substancias que podrían ser nocivas para el medio ambiente
(Melkonyan y Kozyrev, 2009).
Esta recomendación precisa el compromiso de investigadores, industriales y
organismos públicos, se hace necesario que el gobierno intervenga por medio de
políticas para regular en el campo de la salud y del medio ambiente y que se establezcan
mecanismos necesarios para la evaluación de la toxicidad de los procesos y de los
35
productos que contengan NT como requisito anterior a la autorización de su
comercialización (Myskja, 2011). Se recomienda poner a consideración y determinar la
implementación de medidas de prevención adecuadas y relacionadas con el
conocimiento del ciclo de vida de los productos que portan las NT, y como éstos
contribuirán a proteger la salud y la seguridad alimentaria y sean partícipes en el
desarrollo responsable del sector agropecuario.
También se hace necesario que los actores implicados en los sistemas de
producción agroindustrial, establezcan un sistema de vigilancia permanente de los
efectos potenciales de los productos que contengan NT sobre el medio ambiente y las
personas, especialmente cuando no sea posible calcular los efectos antes de su
comercialización (Quintili, 2012). El consumo mundial de materiales plásticos en la
agricultura es de 6.5 millones de toneladas anuales, a fin de mejorar los cultivos y
proteger los productos agrícolas cultivando en invernaderos, túneles, acolchados, mallas
plásticas, bolis en hidroponía (Bonora, 2003; Jouét, 2001). Por lo tanto, hay una enorme
cantidad de plásticos desechados en el medio ambiente, enterrados en el suelo o
quemados por los agricultores que liberan sustancias nocivas con las consecuencias
negativas asociadas al medio ambiente (Scarascia et al., 2006).
Una solución a este problema puede ser la introducción en la agricultura de
películas biodegradables, que se puede poner directamente en el suelo o en un
compostaje al final de su vida útil. Cuando las materias primas biodegradables mezcladas
con algunos aditivos nanogrado tales como TiO₂ y capas de silicato resultó en bio-NC o
película que exhibe muchas ventajas como las siguientes:
•
La biodegradación en el suelo debido a la acción de microorganismos tales como
bacterias, hongos y algas.
•
La degradación por la luz del sol y el agua.
•
Son resistentes a los plaguicidas.
36
•
Tienen sustancias activas para controlar los insectos.
•
Controla la degradación de suelos
•
Mejora las propiedades ópticas como ultravioleta, visible, infrarroja.
•
Renueva los recursos anualmente.
Hasta ahora, los materiales degradables o biodegradables han sido probados
ampliamente en ensayos de campo en diferentes países y para diferentes cultivos. Se
han obtenido resultados exitosos en maíz, melón, fresas, y algodón aplicados en
acolchados. El uso de materiales biodegradables en la agricultura puede promover el
desarrollo sostenible y el medio ambiente reduciendo la contaminación del suelo,
evitando la contaminación en las zonas rurales, utilizando materias primas, tales como el
almidón (Ruixiang et al., 2008). Se trabajó dando un enfoque verde que genera grandes
cantidades de NC que contienen metales de transición tales como Cu, Ag, In, Fe a
temperatura ambiente usando un polímero biodegradable, carboximetil celulosa (CMC),
por reacción de sales de metales respectivos con la sal de sodio de CMC en medios
acuosos. Estos NCs exhiben temperaturas de descomposición más amplios en
comparación con el control de CMC, NC de CMC y de Ag exhiben una propiedad
luminiscente de longitudes de onda más largas. Una nueva herramienta para el control
de enfermedades en humanos y plantas es mediante el uso de la NT y específicamente
con el uso de NPs, ya que se ha demostrado que diversos materiales logran la inhibición
del crecimiento de microorganismos patogénicos de humanos (Betancourt et al., 2013) y
de algunos fitopatógenos.
CONCLUSIONES
La NT es la manipulación de materiales y de organismos vivos a la escala de los
átomos y las moléculas. Esta tecnología se utilizará para manipular semillas y modificar
sus características, teóricamente sin modificar los genes hereditarios. La NT se utilizará
además para reformular al nivel de los átomos los insumos que se utilizan a nivel
37
parcelario, incluidos fertilizantes, herbicidas y pesticidas. La NT en el entorno de la
agricultura sustentable se considera que también se utilizará para producir moléculas
con propiedades antimicrobiales y que eventualmente pudiesen sustituir a agroquímicos
sintéticos de alto impacto ambiental. También podrán ser empleadas para fabricar
comida que pueda comercializarse por sus propiedades saludables, y para producir
alimentos inteligentes con el fin de alargar de una forma espectacular su fecha de
caducidad y permitir así que se transporten a mayores distancias y se almacenen por
mas tiempo. La nano vigilancia permitirá llevar a cabo un seguimiento de los alimentos
desde el campo, pasando por la cadena de procesamiento, hasta los supermercados e
incluso más allá.
La NT es una industria en rápida expansión. A pesar de ello, dada la ausencia de
una normativa de etiquetaje de productos obligatoria a nivel mundial es imposible
determinar el número de productos alimenticios comercializados que contienen
nanoingredientes. El grupo asesor Helmut Kaiser Consultancy Group, un analista pro NT,
afirma que en la actualidad en todo el mundo hay más de 300 nanoproductos
alimenticios disponibles en el mercado.
A pesar de todo esto, la NT también tiene sus detractores que argumentan que la
NT no es una panacea como aparenta ser, ya que se señalan que La NT representa una
oportunidad sin precedentes para una concentración todavía mayor del control
corporativo de empresas multinacionales. Además, introduce riesgos nuevos y más
graves para la salud humana y para el medio ambiente. Sin embargo, ante la ausencia de
un debate público y el descuido por parte de los organismos reguladores, ya se han
introducido en el mercado algunos alimentos sin etiquetar que han sido producidos
usando la NT. Es por eso que habrá que seguir investigando mucho más para poder
responder a todos esos cuestionamientos.
38
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