Progressão de formulações de proteção de cultivos de convencionais para formulações baseadas em micro e nano

Por Mariola Kopcinski, Ph.D.

Doutor em Ciências Biológicas, Universidade de Pequim, China

 Sem o uso de pesticidas, haveria uma perda de 78% na produção de frutas, uma perda de 54% na produção de vegetais e uma perda de 32% na produção de cereais.¹ À medida que os órgãos reguladores e as pressões dos consumidores exigem que os agricultores reduzam os danos ambientais da agricultura, novas estratégias para formulações que incluem nanotecnologia, microencapsulação e melhorias nas formulações tradicionais estão surgindo rapidamente.

Nanopesticidas: Nanoativos e Nanocarreadores — Abordagem Emergente para Formulações Ag

A indústria farmacêutica tem utilizado nanotecnologia por muitos anos, e agora ela foi introduzida no setor agrícola. É uma tecnologia onde nanopartículas extremamente pequenas estão envolvidas. Nanopartículas são pequenas moléculas cujos tamanhos variam entre 1-100 nm e possuem muitas propriedades físicas, químicas, térmicas, ópticas, magnéticas e biológicas dinâmicas.

Essas partículas têm uma grande relação superfície-volume, e suas propriedades físico-químicas diferem dos materiais a granel. Muitos cientistas acreditam que uma redução adicional de ingredientes ativos na faixa nano ou a adoção de uma nova tecnologia de entrega de nanocarreadores pode aumentar significativamente a eficácia e a eficiência dos pesticidas quando comparados com seus análogos de pesticidas convencionais pelas seguintes razões:

1) Tamanhos menores aumentam a área de superfície, levando a mais contato com os alvos;

2) Melhor e mais rápida penetração/absorção nos alvos;

3) Menor perda prematura de pesticidas antes de atingir as metas.²

Em nanoformulações, ingredientes ativos podem ser usados em tamanhos nano ou nanocarreadores podem ser utilizados.

A entrega controlada de moléculas de ingredientes ativos para fertilização e proteção de cultivos usando nanocápsulas nanoengenheiradas (ou nanocarreadores) é atualmente a aplicação mais representativa da nanotecnologia na agricultura.³ Os nanocarreadores podem ser produzidos por atrito ou síntese, e então os compostos alvo podem ser incorporados ao carreador.

Nanos no Mercado

No mercado, já existem vários tipos de nanocarreadores disponíveis, incluindo silicato, polímero de poliacrilato, argila e tubos de carbono/grafeno. Os nanocarreadores podem fornecer metabólitos ou nutrientes importantes para um local específico em um momento apropriado. Um exemplo de nanoherbicida são as nanopartículas de poli (epsiloncaprolactona) encapsuladas em atrazina, que mostraram forte controle das espécies alvo, reduziram o nível de genotoxicidade e também puderam diminuir significativamente a mobilidade da atrazina no solo.⁴

Várias nanopartículas, como nanopartículas de ferrite de níquel e nanopartículas de cobre, têm fortes propriedades antifúngicas e são efetivamente usadas no controle de doenças.

Para o tratamento de infecções virais, nanopartículas de quitosana, nanopartículas de óxido de zinco e nanopartículas de sílica demonstraram ser altamente eficazes, enquanto nanopartículas de prata são amplamente utilizadas por sua propriedade antimicrobiana contra uma ampla gama de fitopatógenos.⁵

A aplicação foliar de nanofertilizantes é o método mais eficiente que equilibra deficiências de nutrientes e melhora o rendimento e a qualidade da colheita, diminuindo efetivamente a quantidade de fertilizante usada. Pesquisadores relataram que nanopartículas maiores que 10 nm podem penetrar através dos estômatos. Esses fertilizantes são considerados sistemas de entrega inteligentes devido à sua alta capacidade de absorção e maior relação superfície-volume.⁶

Nanopartículas de carbono, como grafeno, óxido de grafeno, pontos de carbono e fulerenos, são usadas para melhorar a germinação de sementes. Algumas outras nanopartículas usadas na agricultura são óxido de zinco, nanopartículas de óxido de cobre e nanopartículas magnéticas. ⁷

Muitas empresas ao redor do mundo estão trabalhando para adotar a nanotecnologia na agricultura, algumas delas são start-ups e algumas delas tiveram sucesso comercial.

Vive Crop Protection, Inc., uma empresa canadense, foca em sistemas de entrega de precisão para produtos de proteção de cultivos e fertilizantes. A química principal da empresa é a nanotecnologia baseada em copolímeros de acrilato chamados Allosperse. Allosperse é uma plataforma de entrega de nanopartículas usada para ajudar agricultores a obter melhor extração de valor ao melhorar a proteção de cultivos e a eficácia da utilização de produtos fertilizantes. Uma marca conhecida que usa essa tecnologia é a AZterknot.

Com sede nos Estados Unidos Rendimento Aquático utiliza tecnologia patenteada de nanocarreadores que liga moléculas de fertilizantes ou de proteção de cultivos para melhor adesão e penetração em alvos. Essa tecnologia, NanoPro e NanoN+, pode ser adicionada a produtos como adjuvantes em lata ou usada em uma mistura de tanque.

A nanotecnologia ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento, e apenas algumas empresas, como as listadas acima, têm produtos no mercado atualmente. Ela também é muito mais aplicável a moléculas químicas pequenas do que a microbianos, cujos tamanhos são geralmente de 300-5.000 nm, significativamente acima dos tamanhos de nanopartículas de 1-100 nm.

Microencapsulação – Um passo acima das formulações tradicionais

Nos últimos anos, a microencapsulação (CS) vem ganhando popularidade. As formulações de CS são tipicamente usadas para ingredientes ativos tóxicos e lábeis, que são encapsulados por um material de casca polimérica, não apenas para melhorar a segurança do usuário ao diminuir a exposição, mas também para melhorar a eficácia do pesticida ao regular a taxa de liberação e proteger ingredientes ativos sensíveis de vários fatores ambientais, como a luz solar.

Por exemplo, há muitos produtos CS comerciais disponíveis no mercado para pendimetalina, não apenas para melhorar o manuseio, mas também para atingir melhor eficácia de campo controlando a taxa de liberação. Marcas famosas são Alcance Sync^TCE de FMC e Stomp de BASF.

Dependendo da natureza do material do invólucro polimérico, alguns deles podem até mesmo fornecer propriedades de adesão para permanecer melhor no alvo pulverizado, reduzindo assim o rolamento e a perda de pesticida devido à lavagem pela chuva.

Embora as formulações de CS tenham eficácia muito melhorada em comparação a outras formulações convencionais, o tamanho das partículas dos ingredientes ativos encapsulados ainda está na faixa de mícrons, o que impacta negativamente sua penetração nas plantas.

 Formulações Tradicionais – Tornando-se Mais Eficientes e Seguras

O objetivo da formulação de pesticidas é aumentar a eficácia dos ingredientes ativos do pesticida, minimizando as consequências ambientais e garantindo a segurança tanto para agricultores quanto para consumidores. Essas formulações podem ser secas (por exemplo, pós molháveis (WP) e grânulos dispersíveis em água (WDG) ou líquidas (por exemplo, concentrado de suspensão (SC) e concentrado emulsionável (EC)).

Há uma percepção geral de que os WPs são fáceis de produzir, mas são empoeirados, enquanto os WDGs têm menos problemas de poeira, mas são mais desafiadores de produzir e podem ter problemas com desintegração de grânulos.

As formulações líquidas, por outro lado, são geralmente mais fáceis de aplicar e geralmente contêm adjuvantes incorporados por meio da adição de adjuvantes.

Na última década, os SCs ganharam popularidade superando muitos desafios, incluindo formação de crescimento de cristais, degradação de ingredientes ativos e instabilidade de vida útil. Os ECs ainda são extremamente populares em muitas regiões devido à sua facilidade de produção e aplicação. No entanto, à medida que as folhas queimam em climas mais quentes e o escrutínio regulatório se afasta dos solventes voláteis, há pressão para que os fabricantes se movam em direção a outras formulações.

Uma questão fundamental para as formulações tradicionais de pesticidas é a eficácia extremamente baixa. De acordo com Zhao, et al.,⁸ menos de 0,1% de pesticida convencional aplicado é utilizado por culturas/insetos alvo devido à deriva da pulverização, rolamento, deriva de poeira, lixiviação e degradação do pesticida.

Esforços significativos foram feitos nos últimos anos para melhorar a qualidade e a eficácia das formulações tradicionais, incluindo inertes mais seguros e eficientes para aumentar a carga de ativos, a adesão e a penetração nas plantas, bem como aumentar a segurança para o meio ambiente e os aplicadores.

Houve uma redução lenta, mas constante, no uso de formulações WP e EC, com mais foco no SC (à base de água) e WDG (granular para reduzir a formação de poeira). Como os inertes geralmente criam mais de 90% da formulação, com os novos microplásticos dominando a Europa, há uma tendência visível em direção aos inertes de base biológica e biodegradáveis para reduzir o impacto ambiental.

Mais progresso deve ser esperado nos próximos anos, com desenvolvimento ainda mais rápido de tecnologias de formulação mais eficientes com inertes, que proporcionam melhor desempenho de ingredientes ativos, taxas de uso significativamente reduzidas, eficácia aprimorada e maior segurança, à medida que a indústria agrícola avança em direção a tecnologias ainda mais avançadas, como microencapsulação e nanotecnologia. •

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Referências:

1. Tudi, M., Daniel Ruan, H., Wang, L., Lyu, J., Sadler, R., Connell, D., … & Phung, DT (2021). Desenvolvimento agrícola, aplicação de pesticidas e seu impacto no meio ambiente.Revista internacional de pesquisa ambiental e saúde pública, 18(3), 1112.

2. Wang, D., Saleh, NB, Byro, A., Zepp, R., Sahle-Demessie, E., Luxton, TP, … & Su, C. (2022). Pesticidas nanoativados para agricultura sustentável e segurança alimentar global. Nanotecnologia da natureza, 17(4), 347-360.

3. Prasad, R., Bhattacharyya, A., & Nguyen, QD (2017). Nanotecnologia na agricultura sustentável: desenvolvimentos recentes, desafios e perspectivas. Fronteiras em microbiologia, 8, 1014.

4. Takeshita, V., de Sousa, BT, Preisler, AC, Carvalho, LB, Santo Pereira, ADE, Tornisielo, VL, … & Fraceto, LF (2021). Absorção foliar e estudos herbicidas de campo de nanopartículas poliméricas carregadas com atrazina.Revista de Materiais Perigosos, 418, 126350.

5. Panáček, A., Kolář, M., Večeřová, R., Prucek, R., Soukupová, J., Kryštof, V.,… & Kvítek, L. (2009). Atividade antifúngica de nanopartículas de prata contra Candida spp. Biomateriais, 30(31), 6333-6340.

6. Hong, J., Wang, C., Wagner, DC, Gardea-Torresdey, JL, He, F., & Rico, CM (2021). Aplicação foliar de nanopartículas: mecanismos de absorção, transferência e impactos múltiplos.Ciência Ambiental: Nano, 8(5), 1196-1210.

7. Baz, H., Creech, M., Chen, J., Gong, H., Bradford, K., & Huo, H. (2020). Nanopartículas de carbono solúveis em água melhoram a germinação de sementes e o crescimento pós-germinação de alface sob estresse salino.Agronomia, 10(8), 1192.

8. Zhao, X., Cui, H., Wang, Y., Sun, C., Cui, B., & Zeng, Z. (2017). Estratégias de desenvolvimento e perspectivas de formulação de pesticida inteligente baseada em nano. Revista de química agrícola e alimentar, 66(26), 6504-6512.