Avances en las formulaciones para la protección de cultivos: Desde las formulaciones convencionales, las nanoformuladas, hasta las microbasadas

Por Mariola Kopcinski, Ph.D.

Guigui Wan, Ph.D.

 Sin el uso de pesticidas, habría una pérdida de producción de frutas de 78%, una pérdida de producción de hortalizas de 54% y una pérdida de producción de cereales de 32%.¹ A medida que los organismos reguladores y las presiones de los consumidores exigen a los productores que reduzcan el daño ambiental de la agricultura, rápidamente surgen nuevas estrategias para formulaciones que incluyen nanotecnología, microencapsulación y mejoras en las formulaciones tradicionales.

Nanopesticidas: nanoactivos y nanoportadores: enfoque emergente para formulaciones agrícolas

La industria farmacéutica ha estado utilizando la nanotecnología durante muchos años y ahora se ha introducido en el sector agrícola. Es una tecnología en la que intervienen nanopartículas extremadamente pequeñas. Las nanopartículas son moléculas pequeñas cuyos tamaños oscilan entre 1 y 100 nm y poseen muchas propiedades dinámicas físicas, químicas, térmicas, ópticas, magnéticas y biológicas.

Estas partículas tienen una gran relación superficie-volumen y sus propiedades fisicoquímicas difieren de las de los materiales a granel. Muchos científicos creen que una mayor reducción de los ingredientes activos en el rango nano o la adopción de una nueva tecnología de entrega de nanotransportadores puede aumentar significativamente la eficacia y la eficiencia de los pesticidas en comparación con sus análogos de pesticidas convencionales por las siguientes razones:

1) Los tamaños más pequeños aumentan el área de superficie, lo que lleva a un mayor contacto con los objetivos;

2) Mejor y más rápida penetración/absorción en los objetivos;

3) Menor pérdida prematura de plaguicidas antes de alcanzar los objetivos.²

En las nanoformulaciones, los ingredientes activos se pueden usar en tamaños nanométricos o se pueden utilizar nanoportadores.

La entrega controlada de moléculas creadas mediante nanoingeniería de ingredientes activos para la fertilización y la protección de cultivos utilizando nanocápsulas (o nanoportadores) es actualmente la aplicación más representativa de la nanotecnología en la agricultura.³ Los nanotransportadores se pueden producir mediante desgaste o síntesis, luego los compuestos objetivo se pueden incrustar en el transportador.

Nanos en el mercado

En el mercado, ya existen y están disponibles múltiples tipos de nanoportadores, incluidos silicato, polímero de poliacrilato, arcilla y tubos de carbono/grafeno. Los nanotransportadores pueden entregar metabolitos o nutrientes importantes a un sitio específico en el momento apropiado. Un ejemplo de nanoherbicida son las nanopartículas de poli (epsiloncaprolactona) que encapsulan la atrazina, y muestra un fuerte control de las especies objetivo, reduciendo el nivel de genotoxicidad. También podría disminuir significativamente la movilidad de la atrazina en el suelo.⁴

Varias nanopartículas, como las nanopartículas de ferrita de níquel y las nanopartículas de cobre, tienen fuertes propiedades antifúngicas y se utilizan de manera eficaz en el tratamiento de enfermedades.

Para el tratamiento de infecciones virales, las nanopartículas de quitosano, las nanopartículas de óxido de zinc y las nanopartículas de sílice han demostrado ser altamente efectivas, mientras que las nanopartículas de plata se utilizan ampliamente por sus propiedades antimicrobianas contra una amplia gama de fitopatógenos.⁵

La aplicación foliar de nanofertilizantes es el método más eficiente que equilibra las deficiencias de nutrientes y mejora el rendimiento y la calidad de los cultivos, reduciendo efectivamente la cantidad de fertilizante utilizado. Investigaciones muestran que las nanopartículas de más de 10 nm pueden penetrar a través de los estomas. Estos fertilizantes se consideran sistemas de distribución inteligentes debido a su alta capacidad de absorción y su mayor relación superficie-volumen.⁶

Las nanopartículas de carbono, como el grafeno, el óxido de grafeno, los puntos de carbono y los fullerenos, se utilizan para mejorar la germinación de las semillas. Algunas otras nanopartículas utilizadas en la agricultura son el óxido de zinc, las nanopartículas de óxido de cobre y las nanopartículas magnéticas. ⁷

A nivel mundial, muchas empresas están trabajando para adoptar la nanotecnología en la agricultura, algunas de las cuales son nuevas y algunas han tenido éxito comercial.

Vive Crop Protection, Inc., empresa con sede en Canadá, se enfoca en sistemas de entrega de precisión para fertilizantes y productos para la protección de cultivos. La química central de la compañía es la nanotecnología basada en copolímeros de acrilato llamados Allosperse. Allosperse es una plataforma de entrega de nanopartículas que se utiliza para ayudar a los agricultores a lograr una mejor extracción de valor al mejorar la protección de cultivos y la eficacia en la utilización de productos fertilizantes. Una marca conocida que utiliza esta tecnología es AZterknot.

Con sede en los Estados Unidos Aqua-Yield utiliza tecnología de nanoportadores patentada que une fertilizantes o moléculas de protección de cultivos para una mejor adhesión y penetración en los objetivos. Esta tecnología, NanoPro y NanoN+, se puede agregar a los productos como adyuvantes en lata o usarse en una mezcla de tanque.

La nanotecnología aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo, y solo unas pocas empresas, como las enumeradas anteriormente, tienen actualmente productos en el mercado. También es mucho más aplicable a las moléculas químicas pequeñas que a los microbios, cuyos tamaños suelen ser de 300 a 5000 nm, muy por encima de los tamaños de nanopartículas de 1 a 100 nm.

Microencapsulación: un paso por encima de las formulaciones tradicionales

En los últimos años, la microencapsulación (CS) ha ido ganando popularidad. Las formulaciones de CS generalmente se usan para ingredientes activos tóxicos y lábiles, que están encapsulados por un material de cubierta polimérico, no solo para mejorar la seguridad del usuario al disminuir la exposición, sino también para mejorar la eficacia de los pesticidas al regular la tasa de liberación y proteger los ingredientes activos sensibles de diversos factores ambientales. factores, como la luz solar.

Por ejemplo, existen muchos productos CS comerciales disponibles en el mercado para la pendimetalina, no solo para mejorar el manejo, sino también para lograr una mejor eficacia de campo al controlar la tasa de liberación. Las marcas más reconocidas son Alcance Sync^TEC de FMC y Stomp de BASF.

Dependiendo de la naturaleza del material polimérico de la cubierta, algunos de ellos pueden incluso proporcionar propiedades de adhesión para permanecer mejor en el objetivo de rociado, reduciendo así la caída y la pérdida de pesticidas debido al lavado con lluvia.

Aunque las formulaciones de CS tienen una eficacia mucho mejor en comparación con otras formulaciones convencionales, el tamaño de partícula de los ingredientes activos encapsulados todavía está en el tamaño de micras, afectando negativamente su penetración en las plantas.

 Formulaciones tradicionales: cada vez más eficientes y seguras

El objetivo de la formulación de pesticidas es mejorar la eficacia de los ingredientes activos del pesticida y al mismo tiempo minimizar las consecuencias ambientales y garantizar la seguridad tanto para los agricultores como para los consumidores. Estas formulaciones pueden ser secas (por ejemplo, polvos humectables (WP) y gránulos dispersables en agua (WDG) o líquidas (por ejemplo, concentrado en suspensión (SC) y concentrado emulsionable (EC)).

Existe una percepción general de que los WP son fáciles de producir, pero generan polvo, mientras que los WDG tienen menos problemas de polvo, pero son más difíciles de producir y pueden tener problemas con la desintegración de los gránulos.

Las formulaciones líquidas, por otro lado, suelen ser más fáciles de aplicar y, a menudo, contienen adyuvante incorporado mediante la adición de adyuvantes.

En la última década, los SC ganaron popularidad al superar muchos desafíos, incluida la cristalización, la degradación del ingrediente activo y la inestabilidad de la vida útil. Los EC siguen siendo extremadamente populares en muchas regiones debido a su facilidad de producción y aplicación. Sin embargo, a medida que las hojas se queman en climas más cálidos y el escrutinio regulatorio se aleja de los solventes volátiles, existe presión para que los fabricantes avancen hacia otras formulaciones.

Una cuestión fundamental para las formulaciones de pesticidas tradicionales es la eficacia extremadamente baja. Según Zhao, et al.,⁸ Los cultivos/insectos objetivo utilizan menos de 0.1% de plaguicidas convencionales aplicados debido a la deriva del rociado, el deslizamiento, la deriva del polvo, la lixiviación y la degradación del pesticida.

Se ha realizado un esfuerzo significativo en los últimos años para mejorar la calidad y la eficacia de las formulaciones tradicionales, incluidos inertes más seguros y eficientes para aumentar la carga de activos, la adhesión y penetración de la planta, así como una mayor seguridad para el medio ambiente y los aplicadores.

Hubo una reducción lenta pero constante en el uso de formulaciones WP y EC, con un mayor enfoque en SC (a base de agua) y WDG (granular para reducir la formación de polvo). Como los inertes a menudo crean más del 90% de la formulación, con la nueva normativa sobre microplásticos en Europa, existe una tendencia visible hacia los inertes biodegradables y de base biológica para reducir el impacto ambiental.

Se debe esperar un mayor progreso en los próximos años, con un desarrollo aún más rápido de tecnologías de formulación más eficientes con inertes, que brindan un mejor rendimiento de los ingredientes activos, tasas de uso significativamente reducidas, mayor eficacia y mayor seguridad, a medida que la industria agrícola avanza hacia aún más tecnologías avanzadas como la microencapsulación y la nanotecnología. •

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Referencias:

1. Tudi, M., Daniel Ruan, H., Wang, L., Lyu, J., Sadler, R., Connell, D., … y Phung, DT (2021). Desarrollo agrícola, aplicación de plaguicidas y su impacto en el medio ambiente.revista internacional de investigacion ambiental y salud publica, 18(3), 1112.

2. Wang, D., Saleh, NB, Byro, A., Zepp, R., Sahle-Demessie, E., Luxton, TP, … & Su, C. (2022). Pesticidas habilitados con nanotecnología para la agricultura sostenible y la seguridad alimentaria mundial. Nanotecnología de la naturaleza, 17(4), 347-360.

3. Prasad, R., Bhattacharyya, A. y Nguyen, QD (2017). Nanotecnología en la agricultura sostenible: desarrollos recientes, desafíos y perspectivas. Fronteras en microbiología, 8, 1014.

4. Takeshita, V., de Sousa, BT, Preisler, AC, Carvalho, LB, Santo Pereira, ADE, Tornisielo, VL, … & Fraceto, LF (2021). Absorción foliar y estudios herbicidas de campo de nanopartículas poliméricas cargadas con atrazina.Diario de materiales peligrosos, 418, 126350.

5. Panáček, A., Kolář, M., Večeřová, R., Prucek, R., Soukupová, J., Kryštof, V., … & Kvítek, L. (2009). Actividad antifúngica de nanopartículas de plata frente a Candida spp. Biomateriales, 30(31), 6333-6340.

6. Hong, J., Wang, C., Wagner, DC, Gardea-Torresdey, JL, He, F. y Rico, CM (2021). Aplicación foliar de nanopartículas: mecanismos de absorción, transferencia y múltiples impactos.Ciencias Ambientales: Nano, 8(5), 1196-1210.

7. Baz, H., Creech, M., Chen, J., Gong, H., Bradford, K. y Huo, H. (2020). Las nanopartículas de carbono solubles en agua mejoran la germinación de semillas y el crecimiento posterior a la germinación de lechuga bajo estrés por salinidad.Agronomía, 10(8), 1192.

8. Zhao, X., Cui, H., Wang, Y., Sun, C., Cui, B. y Zeng, Z. (2017). Estrategias de desarrollo y perspectivas de la formulación inteligente de plaguicidas basados en nanotecnología. Diario de la química agrícola y alimentaria, 66(26), 6504-6512.