Reducir la cantidad de pesticidas agrícolas que utilizan los agricultores —incluyendo fertilizantes, pesticidas y herbicidas— podría disminuir la cantidad de escorrentía contaminante que termina en el medio ambiente, a la vez que reduce los costos para los agricultores e incluso podría mejorar su productividad. Una situación en la que todos ganan.
por David L. Chandler, Instituto Tecnológico de Massachusetts
Un equipo de investigadores del MIT y una empresa derivada que crearon han desarrollado un sistema para lograr precisamente eso. Su tecnología añade una fina capa alrededor de las gotas mientras se rocían en el campo, lo que reduce considerablemente su tendencia a rebotar en las hojas y terminar en el suelo. En cambio, las gotas recubiertas se adhieren a las hojas como corresponde.
La investigación se describe hoy en la revista Soft Matter , en un artículo de los recientes ex alumnos del MIT Vishnu Jayaprakash Ph.D. ’22 y Sreedath Panat Ph.D. ’23, el estudiante de posgrado Simon Rufer y el profesor de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi.
Un estudio reciente reveló que si los agricultores no usaran pesticidas, perderían el 78 % de la producción de frutas, el 54 % de las hortalizas y el 32 % de los cereales. A pesar de su importancia, la falta de tecnología que monitoree y optimice las aplicaciones ha obligado a los agricultores a basarse en su experiencia personal y en prácticas prácticas para decidir cómo aplicar estos productos químicos. Como resultado, estos productos tienden a pulverizarse en exceso, lo que provoca escorrentías y que los productos químicos acaben en los cursos de agua o se acumulen en el suelo.
Los pesticidas tienen un impacto significativo en la salud mundial y el medio ambiente, señalan los investigadores. Un estudio reciente reveló que el 31 % de los suelos agrícolas a nivel mundial presentaban un alto riesgo de contaminación por pesticidas. Además, los productos químicos agrícolas representan un gasto considerable para los agricultores: en Estados Unidos, gastan 16 000 millones de dólares al año solo en pesticidas.
Aumentar la eficiencia de la pulverización es una de las mejores maneras de que la producción de alimentos sea más sostenible y económica. La pulverización agrícola consiste básicamente en mezclar productos químicos con agua y rociar gotas de agua sobre las hojas de las plantas , que suelen ser inherentemente hidrófugas. «Durante más de una década de investigación en mi laboratorio del MIT, hemos desarrollado conocimientos fundamentales sobre la pulverización y la interacción entre las gotas y las plantas, estudiando cuándo rebotan y todas las maneras de mejorar su adherencia y cobertura», afirma Varanasi.
El equipo había encontrado previamente una manera de reducir la cantidad de líquido rociado que rebota en las hojas al impactar. Esto implicaba usar dos boquillas en lugar de una y rociar mezclas con cargas eléctricas opuestas. Sin embargo, descubrieron que los agricultores se resistían a asumir el gasto y el esfuerzo que suponía convertir sus equipos de pulverización a un sistema de dos boquillas. Por lo tanto, el equipo buscó una alternativa más sencilla.
Descubrieron que podían lograr la misma mejora en la retención de gotas utilizando un sistema de una sola boquilla, fácilmente adaptable a los pulverizadores existentes. En lugar de aplicar una carga eléctrica a las gotas de pesticida, las recubren con una capa extremadamente fina de un material aceitoso.
En su nuevo estudio, realizaron experimentos de laboratorio con cámaras de alta velocidad. Al rociar gotas sin ningún tratamiento especial sobre una superficie hidrófoba (repelente al agua) similar a la de muchas hojas de plantas, las gotas inicialmente se expandieron formando un disco con forma de panqueque, luego rebotaron formando una bola y se alejaron. Pero cuando los investigadores cubrieron la superficie de las gotas con una pequeña cantidad de aceite (que representa menos del 1% del líquido de la gota), las gotas se expandieron y luego se mantuvieron en su lugar. El tratamiento multiplicó por cien la adherencia de las gotas.
«Cuando estas gotitas impactan la superficie y, al expandirse, forman un anillo de aceite que, en esencia, las fija a la superficie», explica Rufer. Los investigadores probaron una amplia variedad de condiciones, añade, y explica que realizaron cientos de experimentos, «con diferentes velocidades de impacto, diferentes tamaños de gotitas, diferentes ángulos de inclinación, todos los factores que caracterizan plenamente este fenómeno».
Aunque la eficacia de los distintos aceites variaba, todos fueron efectivos. «Independientemente de la velocidad de impacto y de los aceites, observamos que la altura de rebote fue significativamente menor», afirma.
El efecto funciona con cantidades notablemente pequeñas de aceite. En sus pruebas iniciales, usaron un 1 % de aceite en comparación con el agua, luego probaron con un 0,1 % e incluso un 0,01 %. La mejora en la adherencia de las gotas a la superficie se mantuvo en un 0,1 %, pero comenzó a disminuir a partir de ese punto. «Básicamente, esta película de aceite actúa como una forma de atrapar la gota en la superficie, ya que el aceite es muy atraído por ella y, de alguna manera, mantiene el agua en su lugar», explica Rufer.
En las pruebas iniciales, los investigadores utilizaron aceite de soja para el recubrimiento, pensando que sería un material familiar para los agricultores con los que trabajaban, muchos de los cuales cultivaban soja. Sin embargo, resultó que, aunque producían la soja, el aceite no formaba parte de su cadena de suministro habitual para su uso en la explotación. En pruebas posteriores, los investigadores descubrieron que varios productos químicos que los agricultores ya utilizaban habitualmente en sus pulverizaciones, llamados surfactantes y adyuvantes, podían sustituirse, y que algunos de ellos ofrecían los mismos beneficios al mantener las gotas adheridas a las hojas.
«De esa manera», dice Varanasi, «no estamos introduciendo una nueva sustancia química ni químicas modificadas en su campo, sino que estamos utilizando cosas que conocen desde hace mucho tiempo».
Varanasi y Jayaprakash formaron una empresa llamada AgZen para comercializar el sistema. Para demostrar cuánto mejoraba su sistema de recubrimiento la cantidad de pulverización que permanecía en la planta, primero tuvieron que desarrollar un sistema para monitorear la pulverización en tiempo real.
Ese sistema, al que llaman RealCoverage, se ha implementado en granjas que varían en tamaño desde unas pocas docenas de acres a cientos de miles de acres, y en muchos tipos de cultivos diferentes, y ha ahorrado a los agricultores entre un 30 y un 50 por ciento en sus gastos de pesticidas, simplemente mejorando los controles de los aerosoles existentes.
El sistema se implementará en 920,000 acres de cultivos en 2025, según la compañía, incluyendo algunos en California, Texas, el Medio Oeste, Francia e Italia. La incorporación del sistema de encubrimiento mediante nuevas boquillas, según los investigadores, debería duplicar la eficiencia.
«Podríamos recuperar mil millones de dólares para los agricultores estadounidenses con tan solo ahorrar el 6% de su presupuesto en pesticidas», afirma Jayaprakash, autor principal del artículo de investigación y director ejecutivo de AgZen. «En el laboratorio, obtuvimos un 300% de producto adicional en la planta. Esto significa que podríamos lograr reducciones de órdenes de magnitud en la cantidad de pesticidas que los agricultores aplican».
Los agricultores ya utilizaban estos surfactantes y adyuvantes químicos para mejorar la eficacia de la pulverización, pero los mezclaban con una solución de agua. Para que surtiera efecto, debían usar una cantidad mucho mayor de estos materiales, con el riesgo de causar quemaduras a las plantas. El nuevo sistema de recubrimiento reduce la cantidad necesaria de estos materiales, a la vez que mejora su eficacia.
En pruebas de campo realizadas por AgZen, «duplicamos la cantidad de producto en la col rizada y la soja simplemente cambiando la ubicación del adyuvante», de mezclado a recubrimiento, dice Jayaprakash. Es conveniente para los agricultores porque «solo cambian la boquilla. Consiguen que todos sus productos químicos funcionen mejor y obtienen más producto en la planta».
Y no se trata solo de pesticidas. «Lo realmente genial es que esto es útil para cualquier producto químico que se aplique a las hojas, ya sea un insecticida, un herbicida, un fungicida o nutrición foliar», dice Varanasi. Este año, planean implementar el nuevo sistema de pulverización en aproximadamente 30,000 acres de tierras de cultivo.
Varanasi afirma que, con el crecimiento poblacional mundial proyectado, «la producción de alimentos debe duplicarse, y nuestros recursos son tan limitados que, por ejemplo, no podemos duplicar la tierra cultivable. … Esto significa que cada hectárea que cultivamos actualmente debe ser más eficiente y capaz de producir más con menos». Estas tecnologías de pulverización mejoradas, tanto para monitorear la pulverización como para recubrir las gotas, según Varanasi, «creo que están transformando fundamentalmente la agricultura».
AgZen ha recaudado recientemente 10 millones de dólares en financiación de riesgo para apoyar la rápida implementación comercial de estas tecnologías que pueden mejorar el control de los insumos químicos en la agricultura.
«El conocimiento que estamos recopilando de cada hoja, combinado con nuestra experiencia en ciencia interfacial y mecánica de fluidos , nos está brindando perspectivas incomparables sobre cómo se utilizan y desarrollan los productos químicos, y está claro que podemos brindar valor a toda la cadena de suministro de agroquímicos», dice Varanasi.
«Nuestra misión es utilizar estas tecnologías para ofrecer mejores resultados y reducir costos para la industria agrícola».
Más información: Vishnu Jayaprakash et al., Mejora de la retención de la pulverización mediante gotas encubiertas para reducir la contaminación por pesticidas, Soft Matter (2025). DOI: 10.1039/D4SM01496K pubs.rsc.org/en/content/articl… g/2025/sm/d4sm01496k
