Como la nanotecnologia puede ayudar a crecer mas alimentos utilizando menos energia y agua?

A la espera de que la poblacion mundial supere los 9.000 millones para el año 2050, los cientificos estan trabajando para desarrollar nuevas formas para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos, energia y agua, sin aumentar la exigencia sobre los recursos naturales. Organizaciones como el Banco Mundial y la Organizacion para la Alimentacion y la Agricultura estan llamando a una mayor innovacion para abordar los vinculos entre estos sectores, a menudo referida como el nexo energia – alimento – agua.

La nanotecnologia – el diseño de particulas ultra pequeñas – esta emergiendo para promover el crecimiento y desarrollo de las plantas. Esta idea es parte de la ciencia en evolucion llamada agricultura de precision, en el que los agricultores utilizan la tecnologia para orientar el uso de agua, fertilizantes y otros insumos. La agricultura de precision hace que la agricultura sea mas sostenible, ya que reduce los residuos.

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Recientemente hemos publicado los resultados de la investigacion en la que hemos utilizado nanoparticulas, sintetizados en nuestro laboratorio, en lugar de usar fertilizantes convencionales para aumentar el crecimiento de las plantas. En nuestro estudio hemos utilizado con exito nanoparticulas de zinc para aumentar el crecimiento y rendimiento de frejol mungo, que contiene altas cantidades de proteina y fibra, y son ampliamente cultivadas para la alimentacion en Asia. Creemos que este enfoque puede reducir el uso de fertilizantes convencionales. Si lo hace, se conservaran reservas minerales naturales y de energia (al hacer fertilizante se utiliza mucha cantidad de energia) y se reducira la contaminacion del agua. Tambien puede mejorar los valores nutricionales de las plantas.

La aplicacion de fertilizantes de forma convencional puede desperdiciar recursos y contribuir a la contaminacion del agua.

Impactos del uso de fertilizantes

Los fertilizantes proporcionan nutrientes que las plantas necesitan para crecer. Los agricultores lo aplican normalmente al suelo, ya sea mediante la difusion en los campos o mezclandolo con agua de riego. Una gran parte del fertilizante aplicado de esta manera se pierde en el medio ambiente y contamina otros ecosistemas. Por ejemplo, el exceso de nitrogeno y fertilizantes a base de fosforo se fijan en el suelo: forman enlaces quimicos con otros elementos y dejan de estar disponibles para que las plantas lo absorban a traves de sus raices. Con el tiempo la lluvia lava el nitrogeno y el fosforo se va a los rios, lagos y bahias, donde puede causar graves problemas de contaminacion.

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El uso de fertilizantes en todo el mundo esta aumentando junto con el crecimiento de la poblacion mundial. Actualmente los agricultores estan utilizando casi el 85 % del total de fosforo extraido de las minas en el mundo como fertilizante, aunque las plantas pueden absorber un estimado de solo el 42 % del fosforo que se aplica al suelo. Si estas practicas continuan, la oferta mundial de fosforo podria agotarse dentro de los proximos 80 años, lo que empeorara los problemas de contaminacion de nutrientes en el proceso.

En contraste con el uso de fertilizantes convencionales, lo que implica muchas toneladas de insumos, la nanotecnologia se centra en pequeñas cantidades. Las particulas a nanoescala miden entre uno y 100 nanometros en al menos una de sus dimensiones.

Un nanometro equivale a una 1.000 millonesima parte de un metro. Para ponerlo en perspectiva, una hoja de papel mide de unos 100.000 nanometros de espesor. Estas particulas tienen caracteristicas fisicas, quimicas y estructurales unicas, que podemos poner a punto a traves de la ingenieria. Muchos procesos biologicos, como el funcionamiento de las celulas, se llevan a cabo a escala nanometrica, y las nanoparticulas pueden influir en estas actividades.

Los cientificos estan investigando activamente una gama de nanoparticulas de metales y oxidos metalicos, tambien conocidos como nanofertilizantes, para su uso cientifico en las plantas y en la agricultura. Estos materiales se pueden aplicar a las plantas a traves del riego del suelo o pulverizarse sobre sus hojas. Los estudios sugieren que la aplicacion de las nanoparticulas sobre las hojas de la planta es especialmente beneficioso para el medio ambiente, ya que no entran en contacto con el suelo. Dado que las particulas son extremadamente pequeñas, las plantas pueden absorberlas de manera mas eficiente a traves del suelo. Hemos sintetizado las nanoparticulas en nuestro laboratorio y se las expande a traves de una boquilla personalizada de manera que proporcione una concentracion precisa y consistente a las plantas.

Elegimos como blanco principal al zinc, que es un micronutriente que las plantas necesitan para crecer, pero en cantidades mucho mas pequeñas que el fosforo. Mediante la aplicacion del nano zinc sobre las hojas del frejol mungo despues de 14 dias de germinacion de sus semillas, hemos sido capaces de aumentar la actividad de tres enzimas importantes dentro de las plantas: la fosfatasa acida, fosfatasa alcalina y fitasa. Estas enzimas reaccionan con los compuestos complejos de fosforo en el suelo, convirtiendolos en formas que las plantas puedan tomar con facilidad.

Cuando hicimos estas enzimas mas activas, las plantas tuvieron casi el 11 % mas del fosforo que estaba presente de forma natural en el suelo, sin recibir ningun tipo de fertilizacion de fosforo convencional. Las plantas que hemos tratado con nanoparticulas de zinc aumentaron su biomasa (crecimiento) en un 27 % y el 6 % de estas produjeron mas granos que las plantas con las que se trato su crecimiento usando practicas agricolas tipicas y sin fertilizante.

Los nano fertilizantes tambien tienen el potencial para aumentar el valor nutricional de las plantas. En un estudio diferente, se encontro que la aplicacion de nanoparticulas de dioxido de titanio y oxido de zinc para plantas de tomate aumento la cantidad de licopeno en los tomates en un 80 a 113 %, dependiendo del tipo de nanoparticulas y la concentracion de las dosis. Esto puede suceder porque las nanoparticulas aumentan las tasas de fotosintesis las plantas y les permiten tomar mas nutrientes.

El licopeno es un pigmento rojo natural que actua como un antioxidante y puede prevenir el daño celular en los seres humanos que la consumen. Hacer que las plantas sean mas ricas en su nutricion, es la manera en la que se podria ayudar a reducir la desnutricion. Las cantidades de zinc que aplicamos estaban dentro de los limites recomendados por el gobierno de los EE.UU. para el zinc en los alimentos.

Las proximas preguntas: Los impactos sobre la salud y el medio ambiente de las nanoparticulas

Las investigaciones sobre la nanotecnologia en la agricultura se encuentra todavia en una etapa temprana y esta evolucionando rapidamente. Antes de que los nano fertilizantes se puedan usar en las granjas, necesitaremos una mejor comprension de como funcionan y el desarrollo de reglamentos que permitan asegurar que se pueden utilizar con seguridad. La Administracion de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. ya ha publicado una guia para el uso de nanomateriales en la alimentacion animal.

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Los fabricantes tambien estan añadiendo nanoparticulas de ingenieria a los alimentos, cuidado personal y otros productos de consumo. Los ejemplos incluyen nanoparticulas de silice en la formula para bebes, nanoparticulas de dioxido de titanio en la harina de las rosquillas, y otros nanomateriales en pinturas, plasticos, fibras de papel, productos farmaceuticos y en pasta de dientes.

Muchas de las propiedades de las nanoparticulas presentan riesgos para la salud humana, incluyendo su tamaño, forma, fase cristalina, la solubilidad, tipo de material, la concentracion de la exposicion y la dosis. Los expertos dicen que las nanoparticulas en los productos alimenticios en el mercado hoy en dia son probablemente seguros para comer, pero esto todavia es un area de investigacion activa.

Para abordar estas cuestiones se requieren mas estudios para comprender como las nanoparticulas se comportan dentro del cuerpo humano. Tambien tenemos que llevar a cabo evaluaciones de impacto del ciclo de vida de las nanoparticulas sobre la salud humana y del medio ambiente, y desarrollar metodos para evaluar y gestionar los riesgos que se puedan plantear, asi como tambien las formas sostenibles para su fabricacion. Sin embargo, nuestra investigacion sobre los nanofertilizantes indica que estos materiales podrian ayudar a resolver algunos de los problemas mas urgentes con respecto a los recursos relacionados al nexo alimento – energia – agua.

universidadagricola.com

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