DOSIER :: Fertilización Uso de nanopartículas de óxido de zinc como fertilizante Alimentar a la creciente población mundial (previsiblemente más de 9,6 mil millones de personas en 2050) hará necesario el desarrollo de fertilizantes más efectivos y que contribuyan a la sostenibilidad y seguridad ambiental sin comprometer la seguridad alimentaria. Patricia Almendros, Ana Obrador, Demetrio González Departamento de Química y Tecnología de Alimentos, ETSI Agronómica Alimentaria y de Biosistemas. Centro de Estudios e Investigación para la Gestión de Riesgos Agrarios y Medioambientales (CEIGRAM), Universidad Politécnica de Madrid Concepción García-Gómez, María Dolores Fernández Departamento de Medio Ambiente y Agronomía. Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA) 38 I AGRICULTURA I SEPTIEMBRE 2019 Plantas de remolacha y guisante tratadas con nanopartículas de ZnO en los ensayos realizados en la ETSI Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas de la Universidad Politécnica de Madrid. Autor: Demetrio González Rodríguez Nanopartículas y nanofertilizantes L os nanomateriales están presentes en numerosos productos que forman parte de nuestro día a día. Se utilizan habitualmente en cosméticos, cremas de protección solar, productos farmacéuticos, alimentos, recubrimientos, pinturas, textiles, catálisis, electrónica, en productos del sector automovilístico y de la construcción... La posible aplicación de la nanotecnología dentro del campo de la agricultura también está suscitando un interés creciente gracias al potencial abanico de aplicaciones derivadas de algunas propiedades específicas de este tipo de materiales. Estas partículas de tamaño nanométrico -que oscila entre 1 y 100 Fertilización :: DOSIER nm (10-9 y 10-7 m)- podrían ser utilizadas con diferentes fines de interés agrícola como son la liberación controlada de agroquímicos (pesticidas y fertilizantes), aplicaciones biotecnológicas (utilizando nanopartículas para insertar nuevo material genético en las células de las plantas), el empleo de nanosensores para detectar patógenos que afectan a las plantas, detección de pesticidas o para la conservación y recuperación de suelos. Las especies químicas en tamaño nanométrico (nanopartículas) tienen una mayor superficie específica que esas mismas especies con un tamaño de partícula convencional, así como una elevada energía superficial, lo que comporta diferentes propiedades fisicoquímicas, ópticas y eléctricas. Estas especiales características de las nanopartículas pueden resultar muy útiles en el desarrollo de nuevas formulaciones de fertilizantes (nanofertilizantes) más eficientes en el aporte de nutrientes en Tabla 1. Productos nanofertilizantes aprobados para su uso (Dimkpa y Bindraban, 2017; Prasad y col., 2017). PRODUCTO COMPAÑÍA Biozar Nano-Fertilizer Green Nano Hero Super Nan Master Nano Chitosan Organic Fertilizer Nano Calcium, Magic Green Fanavar Nano-Pazhoohest Markazi Compani, Irán Green Organic World., Ltd. Myanmar, Birmania World Connect Plus Myanmar Co., Ltd. Birmania Pannaraj Intertrade, Thailand PAC International Network Co., Ltd., Germany The Best International Network Co., Ltd., Thailand Nano Green Sciences, Inc. India JU Agri Sciences Pvt. Ltd., Janakpuri, India Shan Maw Myae Trading Co., Ltd., India SMTET Eco-technologies Co., Ltd, Taiwan Agro Nanotechnology Corp., FL, United States Urth Agriculture, CA, United States WAI International Development Co.,Ltd., Malaysia Nano Capsula y The Best Nano Nano Green Nano Max NPK Fertilizer Nano Micro Nutrient, EcoStar Nano Ultra-Fertilizer Nano-GroTM Nano-Ag Answer R PPC Nano suelos deficientes, para así mejorar su fertilidad, productividad y calidad de los productos agrícolas. Algunas empresas de fertilizantes ya comienzan a ofertar productos que incluyen en su denomina- ción el término nano (Tabla 1) aunque en la mayoría de los casos la información que aportan sobre su composición y contenido en nanopartículas es muy escasa o nula. DOSIER :: Fertilización Algunos inconvenientes medioambientales relacionados con la utilización de fertilizantes convencionales, como pueden ser sus pérdidas por lixiviación y en consecuencia la contaminación de aguas superficiales y subterráneos, las emisiones de gases con efecto invernadero, así como el exceso de insumos, justifican la búsqueda de fertilizantes alternativos que eviten o minimicen dichos inconvenientes. En algunos casos se ha podido comprobar que los nutrientes aportados mediante nanofertilizantes se liberan más lentamente lo que minimiza sus pérdidas por lixiviación, pudiéndose llegar a triplicar la efectividad de los mismos (Elemike y col., 2019). Además, las nanopartículas pueden ser potencialmente absorbidas por las plantas debido a sus características, aunque la toma de éstas por la planta está condicionada por su tamaño y morfología. Deficiencia de zinc en cultivos y humanos Una de las deficiencias en micronutrientes más frecuente en los cultivos de todo el mundo -especialmente en suelos alcalinos (con un pH elevado)es la deficiencia en zinc (Zn) (Alloway, 2008). Este micronutriente, esencial para la planta, juega un papel funda- 40 I AGRICULTURA I SEPTIEMBRE 2019 mental en numerosos e importantes sistemas enzimáticos: interviene en el metabolismo de los hidratos de carbono (a través de la fotosíntesis y la transformación de los azúcares), de las proteínas, de las auxinas, en la integridad de las membranas y en la floración y posterior formación de semillas. El Zn en la planta es importante para la fotosíntesis y la respiración. Su deficiencia disminuye la velocidad fotosintética, el contenido en clorofila, la actividad de la anhidrasa carbónica y la biosíntesis de proteínas. El Zn también es esencial para el ser humano ya que desempeña importantes funciones en procesos metabólicos de proteínas, carbohidratos y ADN, fundamentalmente (FAO/WHO, 2005). Dicho elemento interviene en procesos de crecimiento, desarrollo y reproducción (Kabata-Pendias y Mukherjee, 2007). La deficiencia en Zn también es un problema nutricional común en los seres humanos y se considera que los bajos niveles de Zn en los cultivos alimenticios son responsables de la deficiencia en Zn en las personas, principalmente en países con bajo nivel de desarrollo cuya alimentación suele estar basada en el consumo de cereales. Se estima que más del 30% de la población mundial sufre deficiencia en este micronutriente (Wessells y Brown, 2012). Un aumento de la concentración de Zn en los tejidos comestibles de las plantas desarrolladas en suelos deficientes mejoraría su calidad nutricional. Para corregir la desnutrición mineral en los seres humanos se debe aumentar no solo la concentración sino también la biodisponibilidad de los elementos minerales en los cultivos comestibles ingeridos. Las estrategias agronómicas para aumentar las concentraciones de elementos minerales en plantas generalmente dependen de la aplicación de fertilizantes (biofortificación) y/o mejoras en la solubilización y movilización de elementos minerales en el suelo. Las propiedades físico-químicas (solubilidad, la composición química, la forma, tamaño, el estado de aglomeración, la estructura cristalina o la energía superficial) de las diferentes fuentes de Zn utilizadas como fertilizantes condicionan el comportamiento y los procesos que van a sufrir dichas fuentes una vez aplicadas al suelo (adsorción, agregación, Plantas de judía y tomate cultivadas en suelos tratados con nanopartículas de ZnO y otros fertilizantes convencionales. Autor: Demetrio González Rodríguez DOSIER :: Fertilización dispersión, disolución…). Estos procesos condicionan la mayor o menor fijación del elemento a compuestos insolubles en el suelo y, como resultado, la disponibilidad del nutriente para la planta. Por lo tanto, las propiedades físico-químicas de las diferentes fuentes fertilizantes influyen en la nutrición y en el potencial de rendimiento de los cultivos. Probablemente el tipo de nanopartículas de Zn de uso más frecuente es el óxido de Zn (ZnO), debido a sus propiedades, a su fácil disponibilidad y al bajo precio de este producto químico. Se estima que anualmente se producen aproximadamente 550 toneladas de nanopartículas de ZnO en todo el mundo (Piccinno y col., 2012). Las nanopartículas de ZnO se emplean actualmente en una gran cantidad de productos de uso muy frecuente como son productos de cuidado personal (protectores solares o cosméticos), complementos alimenticios, textiles, pinturas, recubrimientos industriales, materiales de plástico, vidrio, cerámica, cemento y caucho, células solares sensibilizadas por colorante, agentes antibacterianos, en materiales electrónicos... (Sturikova y col., 2018). En comparación con el sulfato de Zn, que es la fuente de este micronutriente tradicionalmente utilizada como fertilizante, el óxido de Zn es relativamente insoluble en agua. Sin embargo, debido a sus propiedades físico-químicas especiales, las nanopartículas de ZnO muestran solubilidades y velocidades de disolución superiores a las de los fertilizantes de ZnO con un tamaño de partícula convencional. Por lo tanto, las características de estas nanopartículas pueden influir positivamente tanto en su efectividad agronómica como en la calidad nutricional de las partes comestibles de los cultivos. Sin embargo, el potencial uso de la nanotecnología para conseguir nuevas formulaciones comerciales más eficaces (nanoformulaciones) puede conllevar riesgos, que deben ser cuidadosamente evaluados antes de su salida al mercado. Entre los posibles riesgos se encuentran una mayor fitotoxicidad para los cultivos, posible transferencia del Zn aplicado a aguas superficiales y profundas con el correspondiente peligro para los organismos acuáticos, posibles daños sobre los microorganismos e invertebrados del 42 I AGRICULTURA I SEPTIEMBRE 2019 Plantas de judía (en primer plano) y tomate desarrolladas en suelos tratados con nanopartículas de ZnO y otros fertilizantes convencionales. Autor: Demetrio González Rodríguez suelo que son esenciales para mantener la estructura y funcionalidad del mismo y los posibles residuos en los alimentos. La transferencia del Zn aportado hacia las aguas de lixiviación es especialmente nociva ya que el Zn se considera metal pesado y por ello contribuye a la contaminación agraria difusa del medio ambiente. En la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (ETSIAAB) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), en colaboración con investigadores del Laboratorio de Ecotoxicología del Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA) se llevan a cabo diferentes estudios para evaluar la eficacia y los posibles riesgos de la utilización de nanopartículas de ZnO como fertilizantes en diferentes cultivos y suelos agrícolas (García-Gómez y col., 2017, García-Gómez y col., 2018). Dichos ensayos se realizan en condiciones semirrealistas de invernadero sin control de humedad y temperatura. Se aplican diferentes dosis agronómicas de nanopartículas de ZnO y se comparan con los resultados obtenidos con las mismas dosis de ese producto en tamaño convencional (no nanométrico). Se evalúan sus efectos en diferentes cultivos agrícolas (tomate, judía, remolacha, guisante…), rendimientos, patrones de bioacumulación del Zn aplicado, posibles alteraciones de parámetros bioquímicos (contenido en pigmentos fotosintéticos y proteínas) y de biomarcadores de estrés oxidativo. Además, con el objetivo de mejorar el conocimiento sobre el comportamiento en el suelo del Zn aplicado en forma de nanopartículas de ZnO, se estudia su asociación a diferentes fracciones del suelo, su potencial disponibilidad para sucesivos cultivos, así como las pérdidas por lixiviación que se producen al aplicar estos nanofertilizantes de Zn al suelo. Bibliografía Queda a disposición del lector interesado en el correo electrónico: [email protected]
