Nanotecnología en la agricultura

Vista previa del material en texto

Nanotecnología en la agricultura 
Andreos Orozuz Reyes Puente 
Abstract 
El aumento en la población ha causado que también exista un aumento en la demanda de alimento y la continua reducción de tierras aptas para la agricultura hace que esto no sea posible. En años recientes con la constante investigación la nanotecnología ha ido formando parte de este campo mediante diversos aportes los cuales ayudan al crecimiento constante de las materias primas para algún alimento así como con la protección adecuada, de una manera en la que no se afecte tanto el ambiente.
Introducción 
Así como en la industria la nanotecnología se encuentra presente en la agricultura de diversas maneras. Esto ayuda a cubrir las demandas alimenticias que se tienen el día de hoy debido al aumento constante de la población. (1) 
En la actualidad la nanotecnología es una parte importante de esta industria debido a su constante investigación no solo a aplicaciones médicas, sino también a otro tipo de aplicaciones como lo es la agricultura. Este tipo de aplicación no solo se trata del crecimiento adecuado de los alimentos, también incluye un poco de toxicidad o las propiedades antibacterianas de las nanopartículas, para la elaboración de plaguicidas y el tratamiento de agua. 
Siendo la nanotecnología una materia interdisciplinaria, después de mucha investigación ha comenzado con la llamada “revolución verde” utilizando avanzados biosensores para las plantas con una precisión que solamente pueden dar las nanopartículas. (2) Al mismo tiempo los fertilizantes convencionales nanoencapsulados, pesticidas y herbicidas ayudan a la liberación de nutrientes resultando en una dosis precisa para las plantas. Siendo las nanopartículas metálicas solo algunas de las nanopartículas utilizadas debido a sus múltiples propiedades y aplicaciones, dentro de varias ramas de la nanotecnología. 
Fertilizantes de liberación controlada
El uso de los fertilizantes de liberación controlada ofrece una excelente manera de administrar la aplicación de nutrientes y mediante esto mantener los campos en una buena calidad eliminando las amenazas ambientales. (1) Este tipo de fertilizantes liberan sus nutrientes de una manera lenta y gradual durante toda la estación, por lo que solamente requiere ponerse una vez. (3)
Estos fertilizantes se dividen en tres grupos debido a sus componentes: 
· Componentes orgánicos y de baja solubilidad
· Fertilizantes en los que una barrera física controla la liberación. 
· Compuestos inorgánicos de baja solubilidad (4)
En este caso la nanotecnología ha resultado muy útil debido a que a pesar de que ya se tienen este tipo de fertilizantes, estos se han ido mejorado con la ayuda de las nanopartículas, dando como resultado otros tipos de fertilizantes tales como: 
· Fertilizantes químicos
· Biofertilizantes (2)
Fertilizantes químicos: Los fertilizantes químicos como DAP y SSP son utilizados en la agricultura para mantener los niveles de N, P y K en la tierra. La propuesta que realiza la nanotecnología es realizar un recubrimiento en otro tipo de fertilizantes químicos, esto para dar mayor estabilidad, reducir la disolución de fertilizante. (2)
Biofertilizantes: Cuentan con microorganismos benéficos que convierten la materia orgánica en compuestos simples que proveen de nutrientes a las plantas. Existe un potencial de las nanopartículas de sílice para realizar un recubrimiento a las formulaciones del campo. (2)
Debido a que las nanopartículas tienen el gran potencial de llevar nutrientes a lugares específicos (5) resulta algo bastante bueno tomando en cuenta que la entrega de nutrientes por medio de nanopartículas siempre se hace de cinco diferentes maneras: 
· Absorción en nanopartículas.
· Fijación a nanopartículas mediada por ligandos. 
· Encapsulación en una nanopartícula polimérica.
· Atrapamiento por una nanopartícula polimérica.
· Síntesis de nanopartículas hechas con el nutriente. (5)
Mostrando esto, se han hecho algunos experimentos, en uno de ellos se incluyen nanotubos de carbono, los cuales se mostró que penetraron la semilla de jitomate, las cuales en el momento del crecimiento se hicieron notar, debido a que de acuerdo con las imágenes mostradas de ese experimento, cuando la plata de jitomate se encontraba en crecimiento, esta mostraba un crecimiento mayor comprada con aquellas que contenían un fertilizante común o bien que no contenían fertilizante. (6)
Comparando los fertilizantes que cuentan con alguna propiedad debido a nanopartículas con los fertilizantes con tecnología convencional obtenemos que las nanopartículas brindan mejoras a las propiedades con las que cuentan aquellos fertilizantes que usan tecnología convencional. (5)
Tabla 1 Comparación entre nanotecnología y tecnología convencional
	Propiedades
	Nanotecnología 
	Tecnología convencional
	Solubilidad y dispersión de micronutrientes
	La formulación de los micronutrientes puede mejorar la solubilidad de los que se consideran insolubles
	Menor probabilidad de disolver partículas grandes con menor solubilidad
	Consumo de nutrientes
	La formulación debería aumentar la eficiencia del fertilizante 
	Los compuestos muy grandes no son capaces de llegar a las raíces
	Modelos de liberación controlados
	La liberación debe tener un control preciso para la planta
	La liberación en exceso de los nutrientes puede causar toxicidad
	Duración efectiva de liberación de nutrientes 
	Puede extender la duración efectiva 
	Usado por las plantas solo en el momento de la liberación, después se vuelve sales insolubles.
	Rango de perdida de nutrientes
	Puede reducir el rango de perdida de nutrientes 
	Nivel alto de pérdida de nutrientes.
La nanotecnología muestra grandes mejoras para los fertilizantes debido a que como se observa en la Tabla 1 comparada con la tecnología convencional, la eficiencia que ofrece es considerablemente mayor a la que se tiene actualmente con los fertilizantes que no son de liberación controlada, al mismo tiempo que gracias a esto promete un mayor crecimiento de las plantas y un menos daño en los suelos, lo que haría que el problema de la escases de nutriente del suelo un tema tratable y del que se tuviera un poco más de control no solo con la rotación de cultivos sino con nuevas tecnologías que abran paso a una recuperación de los recursos que ya se tienen y en la actualidad se consideran como perdidos. 
Plaguicidas 
En la agricultura el control del plagas es algo importante, ya que como sabemos muchas veces en las zonas de cultivo se puede presentar un plaga, para eliminar esa plaga se utilizan plaguicidas que pueden contener sustancias toxicas para el ser humano. Los materiales a nano-escala están encarando importantes retos en parasitología y tratamiento de plagas, en los últimos años se ha comenzado a utilizar la nanotecnología para la producción de alimentos y esto ha llevado al enfoque de la bio-encapsulación (7)
La asociación de los pesticidas con la nanotecnología aumenta el contacto con la superficie por lo tanto favorece su interacción y efectos en el campo. (7) Los pesticidas sintéticos utilizan nanopartículas eficientemente para aumentar su eficiencia, cubrir con una mayor uniformidad y una menor exposición de los trabajadores. (8)
Para este caso el rápido crecimiento de la nanotecnología dio paso a una gran cantidad de materiales, los cuales se fueron adaptando dependiendo de la aplicación; en el caso de los pesticidas las partículas orgánicas que son más utilizadas son nanopartículas poliméricas debido a que ya han sido relacionadas con muchas aplicaciones en la agricultura al momento de relacionarse con los plaguicidas se observaron cambios en la liberación de agentes como la reducción de genotoxicidad, un cambio en la absorción del suelo y el pesticida se volvió más soluble. (7) 
Debido a que se observaron cambios en los pesticidas mediante el uso de NP´s se realizaron estudios de toxicidad en los que se tiene como resultado algunas cosas que ya se conocen, como que la toxicidad de las nanoparticulas depende de su superficie, sumaterial, su forma, su tamaño, su estabilidad en el ambiente. Por lo que en este caso la gran limitante que se debe considerar primero es el ambiente en el que se encuentra la nanopartícula. (7)
En otros casos se dio el uso de nanopartículas metálicas, esto debido también a la contaminación existente en el agua, por lo que mediante el uso de las propiedades antimicrobianas de la plata, se espera que al momento de implementarlas en los plaguicidas debido a que se encuentran en un medio acuoso, las nanopartículas de plata al mismo tiempo de cuidar de plagas, cuiden de cualquier contaminación debido al agua. (9)
Asi como se da el uso de nanopartículas metálicas y nanopartículas poliméricas para el control de plaga, actualmente también se están probando biosensores para esta actividad, debido a su función principal de detectar, analizar y combinar un componente biológico con un detector químico y así detectar contaminantes en los pesticidas y en el agua. Esta aplicación un tanto diferente en el caso del control de plagas se utiliza para liberar de contaminantes tanto el cultivo como el agua, como el suelo que se pueden encontrar contaminados por algunos compuestos de los plaguicidas que fueron utilizados con anterioridad. (10) 
Así como la nanotecnología se desarrolla en ámbitos como el medico; en la actualidad la industria alimentaria también utiliza esta herramienta, con el fin de aprovechar más lo recursos que se tienen actualmente y poder cumplir con la creciente demanda de alimento, en este caso lo relacionado con el control de plagas no solo es importante en esta industria sino también en otros aspectos de nuestra vida cotidiana. 
Sanealizacion de agua por medio de fotocatálisis de Ti02
La contaminación del agua cada vez se vuelve un problema que carga con un mayor seriedad mientras se deja crecer este problema, debido a esto se han creado alternativas para la eliminación de los contaminantes presentes en el agua. Una de estas alternativas es la fotocatálisis. (11) La fotocatálisis es un proceso avanzado de oxidación que se aplica para determinar la degradación y mineralización de un indicador. (11) Es un proceso catalítico que se basa en la absorción de energía radiante por parte de un semiconductor. (12)
Las aplicaciones de la fotocatálisis heterogénea para el control medioambiental son muy extensas, ya que la descontaminación por fotocatálisis es adecuada para la purificación del aire y del agua en ciertas condiciones, e incluso ha sido explorada la posibilidad de remediación de suelos contaminados. (13)
El semiconductor más estudiado en aplicaciones fotocatalíticas es el TiO2. Este óxido semiconductor presenta la ventaja de ser muy estable químicamente en soluciones acuosas; sin embargo, la amplia brecha entre sus bandas hace necesaria la absorción de luz UV para formar el par electrón-hueco. Esto sólo permite aprovechar el 5 % del espectro solar incidente sobre la tierra. (12)
En aplicaciones de fotocatálisis en fase líquida, el compuesto a degradar puede transformarse en toda una serie de compuestos intermedios de la reacción antes de llegar a su completa mineralización. Para poder verificar la viabilidad del proceso fotocatalítico como técnica para la degradación de contaminantes, resulta importante demostrar que es posible alcanzar la eliminación no solo de los compuestos iniciales, sino también de todos los compuestos intermedios que se generen durante la reacción. (13)
Los desechos que se quieren eliminar y que se presentan en la mayoría de los artículos estudiados son los desechos provenientes de laboratorios; por lo que se supondrá que así como en esos casos han dado resultados favorables será de la misma manera para la eliminación de los contaminantes de los plaguicidas; debido a que los contaminantes que se eliminan mediante este método son residuos líquidos, y los residuos que quedan con el uso de fertilizantes son sales insolubles. (11)
La descontaminación fotocatalítica presenta básicamente ciertas limitaciones:
· no es capaz de tratar volúmenes de efluentes industriales muy grandes ni con concentraciones relativamente elevadas.
· el proceso debe brindar la posibilidad de ser barato, simple y con bajos requerimientos operativos.
A pesar de estas limitantes la fotocatálisis en medios acuosos aún tiene un gran potencial para la eliminación de residuos como los compuestos fenólicos, los compuestos orgánicos clorados y cianuros, (13) siendo estos tres contaminantes provenientes de las industrias que son altamente dañinos a la salud, es por esto que este procedimiento se ve como una opción viable para el tratamiento de aguas en la agricultura. 
Conclusiones
La nanotecnología ha sido de gran impacto en la agricultura debido a que no solamente trata de ayudar a cubrir la demanda alimenticia, sino que también se habla de una restauración de los suelos, lo cual permite una reforestación o bien el uso de más tierras para la industria alimentaria, lo cual puede ayudar a disminuir la emisión de los gases de efecto invernadero. 
Al mismo tiempo se toca el tema de una menor emisión de contaminantes gracias a la nueva tecnología que se está implementando en los casos del control de plagas y fertilizantes y también de un posible tratamiento del agua mediante el uso de una fuente de energía renovable. 
Referencias
1. Advances in controlled-release fertilizers. Shaviv, A. 2001.
2. Nanotechnology: The new perspective in precision agriculture. Singh Duhan, Joginder, et al. s.l. : Elseiver BV, 2017.
3. Controlled realese fertilizers . Grzmil, Barbara. s.l. : Polish Journal of Chemical Technology, 2007, Vol. 9.
4. Meticoulus overview on the controlled release fertilizers. Siafu Ibahati, Sempeho, Taik Kim, Hee and Hilonga, Askwar. s.l. : Hindawi Publisher Corporation , 2014.
5. Bhargava, Arpit, et al. Nano-fertilizers and their smart delivery system. [book auth.] Mahendra Rai, et al. Nanotechnologies in food and agriculture. s.l. : Springer, 2015.
6. Nanotechnology in fertilizers . Derosa, MariaC, et al. s.l. : Mcmillan Publishers Limited , 2010, Vol. 5.
7. Nnotechnology applied to bio-encapsulation of pesticides. Grillo, Renato and Fraceto, Leonardo. USA : American Scientific Publishers, 2016, Vol. 16.
8. Nanotechnology and plant biopesticides: an overview. Shayaraj, Kitherian. s.l. : Springer, 2014.
9. Pesticide mineralization in water using silver nanoparticles. Rehaan Chandan, Mohameed. s.l. : sadgur publications, 2011.
10. Present and perspectives in pesticides biosensors development and contribution of nanotechnology. Gheorghe, Irina, Czobor, Ilda and Chifiriuc, Mariana. 2017.
11. FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA CON TIO2 PARA EL TRATAMIENTO DE DESECHOS LÍQUIDOS. Llanes, Guarin, et al. Medellin  : redaly.org, 2011.
12. Desinfección de aguas por fotocatálisis heterogénea usando semiconductores. Ropero-Vega, J.L. and Flórez-Castillo, J.M. 2015.
13. Fotocatalizadores nanoestructurados de TiO2 . Adán Delgado, Cristina. Madrid : Instituto de catalisis y petroquimica , 2008.