A la espera de que la población mundial supere los 9.000 millones para el año 2050, los científicos están trabajando para desarrollar nuevas formas para satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos, energía y agua, sin aumentar la exigencia sobre los recursos naturales. Organizaciones como el Banco Mundial y la Organización para la Alimentación y la Agricultura están llamando a una mayor innovación para abordar los vínculos entre estos sectores, a menudo referida como el nexo energía – alimento – agua.
La nanotecnología – el diseño de partículas ultra pequeñas – está emergiendo para promover el crecimiento y desarrollo de las plantas. Esta idea es parte de la ciencia en evolución llamada agricultura de precisión, en el que los agricultores utilizan la tecnología para orientar el uso de agua, fertilizantes y otros insumos. La agricultura de precisión hace que la agricultura sea más sostenible, ya que reduce los residuos.
Recientemente hemos publicado los resultados de la investigación en la que hemos utilizado nanopartículas, sintetizados en nuestro laboratorio, en lugar de usar fertilizantes convencionales para aumentar el crecimiento de las plantas. En nuestro estudio hemos utilizado con éxito nanopartículas de zinc para aumentar el crecimiento y rendimiento de fréjol mungo, que contiene altas cantidades de proteína y fibra, y son ampliamente cultivadas para la alimentación en Asia. Creemos que este enfoque puede reducir el uso de fertilizantes convencionales. Si lo hace, se conservarán reservas minerales naturales y de energía (al hacer fertilizante se utiliza mucha cantidad de energía) y se reducirá la contaminación del agua. También puede mejorar los valores nutricionales de las plantas.
La aplicación de fertilizantes de forma convencional puede desperdiciar recursos y contribuir a la contaminación del agua. Fotokostic / Shutterstock.com
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 difusión en los campos o mezclándolo 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 nitrógeno y fertilizantes a base de fósforo se fijan en el suelo: forman enlaces químicos con otros elementos y dejan de estar disponibles para que las plantas lo absorban a través de sus raíces. Con el tiempo la lluvia lava el nitrógeno y el fósforo se va a los ríos, lagos y bahías, donde puede causar graves problemas de contaminación.
El uso de fertilizantes en todo el mundo está aumentando junto con el crecimiento de la población mundial. Actualmente los agricultores están utilizando casi el 85 % del total de fósforo extraído de las minas en el mundo como fertilizante, aunque las plantas pueden absorber un estimado de solo el 42 % del fósforo que se aplica al suelo. Si estas prácticas continúan, la oferta mundial de fósforo podría agotarse dentro de los próximos 80 años, lo que empeorará los problemas de contaminación de nutrientes en el proceso.
Mina de fosfato cerca de Garganta llameante, Utah. Jason Parker-Burlingham / Wikipedia, CC BY
En contraste con el uso de fertilizantes convencionales, lo que implica muchas toneladas de insumos, la nanotecnología se centra en pequeñas cantidades. Las partículas a nanoescala miden entre uno y 100 nanómetros en al menos una de sus dimensiones.
Un nanómetro equivale a una 1.000 millonésima parte de un metro. Para ponerlo en perspectiva, una hoja de papel mide de unos 100.000 nanómetros de espesor. Estas partículas tienen características físicas, químicas y estructurales únicas, que podemos poner a punto a través de la ingeniería. Muchos procesos biológicos, como el funcionamiento de las células, se llevan a cabo a escala nanométrica, y las nanopartículas pueden influir en estas actividades.
Los científicos están investigando activamente una gama de nanopartículas de metales y óxidos metálicos, también conocidos como nanofertilizantes, para su uso científico en las plantas y en la agricultura. Estos materiales se pueden aplicar a las plantas a través del riego del suelo o pulverizarse sobre sus hojas. Los estudios sugieren que la aplicación de las nanopartículas 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 partículas son extremadamente pequeñas, las plantas pueden absorberlas de manera más eficiente a través del suelo. Hemos sintetizado las nanopartículas en nuestro laboratorio y se las expande a través de una boquilla personalizada de manera que proporcione una concentración 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 más pequeñas que el fósforo. Mediante la aplicación del nano zinc sobre las hojas del fréjol mungo después de 14 días de germinación de sus semillas, hemos sido capaces de aumentar la actividad de tres enzimas importantes dentro de las plantas: la fosfatasa ácida, fosfatasa alcalina y fitasa. Estas enzimas reaccionan con los compuestos complejos de fósforo en el suelo, convirtiéndolos en formas que las plantas puedan tomar con facilidad.
Florecimiento de algas en el lago Erie en 2011, causada por el fósforo en la escorrentía de las granjas de los alrededores. Observatorio de la Tierra de la NASA / Flickr, CC BY
Cuando hicimos estas enzimas más activas, las plantas tuvieron casi el 11 % más del fósforo que estaba presente de forma natural en el suelo, sin recibir ningún tipo de fertilización de fósforo convencional. Las plantas que hemos tratado con nanopartículas de zinc aumentaron su biomasa (crecimiento) en un 27 % y el 6 % de estas produjeron más granos que las plantas con las que se trató su crecimiento usando prácticas agrícolas típicas y sin fertilizante.
Los nano fertilizantes también tienen el potencial para aumentar el valor nutricional de las plantas. En un estudio diferente, se encontró que la aplicación de nanopartículas de dióxido de titanio y óxido de zinc para plantas de tomate aumentó la cantidad de licopeno en los tomates en un 80 a 113 %, dependiendo del tipo de nanopartículas y la concentración de las dosis. Esto puede suceder porque las nanopartículas aumentan las tasas de fotosíntesis las plantas y les permiten tomar más nutrientes.
El licopeno es un pigmento rojo natural que actúa como un antioxidante y puede prevenir el daño celular en los seres humanos que la consumen. Hacer que las plantas sean más ricas en su nutrición, es la manera en la que se podría ayudar a reducir la desnutrición. Las cantidades de zinc que aplicamos estaban dentro de los límites recomendados por el gobierno de los EE.UU. para el zinc en los alimentos.
Las próximas preguntas: Los impactos sobre la salud y el medio ambiente de las nanopartículas
Las investigaciones sobre la nanotecnología en la agricultura se encuentra todavía en una etapa temprana y está evolucionando rápidamente. Antes de que los nano fertilizantes se puedan usar en las granjas, necesitaremos una mejor comprensión de cómo funcionan y el desarrollo de reglamentos que permitan asegurar que se pueden utilizar con seguridad. La Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. ya ha publicado una guía para el uso de nanomateriales en la alimentación animal.
Los fabricantes también están añadiendo nanopartículas de ingeniería a los alimentos, cuidado personal y otros productos de consumo. Los ejemplos incluyen nanopartículas de sílice en la fórmula para bebés, nanopartículas de dióxido de titanio en la harina de las rosquillas, y otros nanomateriales en pinturas, plásticos, fibras de papel, productos farmacéuticos y en pasta de dientes.
Muchas de las propiedades de las nanopartículas presentan riesgos para la salud humana, incluyendo su tamaño, forma, fase cristalina, la solubilidad, tipo de material, la concentración de la exposición y la dosis. Los expertos dicen que las nanopartículas en los productos alimenticios en el mercado hoy en día son probablemente seguros para comer, pero esto todavía es un área de investigación activa.
Para abordar estas cuestiones se requieren más estudios para comprender cómo las nanopartículas se comportan dentro del cuerpo humano. También tenemos que llevar a cabo evaluaciones de impacto del ciclo de vida de las nanopartículas sobre la salud humana y del medio ambiente, y desarrollar métodos para evaluar y gestionar los riesgos que se puedan plantear, así como también las formas sostenibles para su fabricación. Sin embargo, nuestra investigación sobre los nanofertilizantes indica que estos materiales podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes con respecto a los recursos relacionados al nexo alimento – energía – agua.