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Uso de nanoparticulas de oxido de zinc como fertilizante

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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:
redaccion@editorialagricola.com
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