Agricultura Botánica y Genética Ciencia e Investigación Estados Unidos

Una nueva ruta para la entrega de nutrientes vegetales


La agricultura en todo el mundo requiere nuevas soluciones para la sostenibilidad de los alimentos y el agua. Con los extremos climáticos más frecuentes, el aumento de la población, la mayor demanda de alimentos y las amenazas globales a los cultivos, los ingenieros ambientales están buscando soluciones para administrar la producción de alimentos para el futuro, comenzando en el nivel más pequeño.


por Alexandra George, Carnegie Mellon University, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental


Con las prácticas actuales, hasta el 95 por ciento de los micronutrientes aplicados y el 99.9 por ciento de los pesticidas aplicados nunca llegan a sus destinos y se desperdician. Se acumulan en el suelo o se escurren en el agua subterránea y causan daños ambientales colaterales, degradan el suelo y desperdician el agua y la energía utilizada en su producción y aplicación.

Si los cultivadores pudieran aplicar algo a la hoja que podría viajar directamente a la raíz, podría ser un cambio de juego para la entrega de nutrientes, antibióticos y pesticidas de una manera casi 100% eficiente. El profesor de ingeniería civil y ambiental Greg Lowry, la investigadora postdoctoral Astrid Avellan y un equipo de investigadores han descubierto con éxito una forma de aplicar nanopartículas a las hojas de la planta para que viajen a través de la planta hasta la raíz. Sus resultados se publican en un reciente artículo de ACS Nano.

«Los resultados de nuestro documento realmente tienen el potencial de transformar la forma en que entregamos los agroquímicos a las plantas», dijo Lowry.

Esta es la primera vez que alguien ha estudiado sistemáticamente cómo las nanopartículas se mueven a través de la hoja, a la planta, a la raíz y exudan al suelo.

Mapeo de fluorescencia de rayos X de la translocación de oro en hojas de trigo cultivadas de forma hidropónica y foliar durante 12 horas a nanopartículas de oro recubiertas con citrato (parte inferior) y PVP (parte superior). Crédito: Universidad Carnegie Mellon

El equipo de investigación roció nanopartículas de oro con un recubrimiento de polímero sobre las hojas de las plantas de trigo jóvenes. Las plantas no necesitan oro, pero como el oro no existe en ninguna parte de la planta, pudieron identificar fácilmente a dónde viajaba. Usaron plantas de trigo porque son un cultivo importante en los Estados Unidos y son susceptibles a las deficiencias de nutrientes.

Una vez que las nanopartículas se rocían sobre la hoja, se mueven a través de la cutícula, que es la capa externa cerosa que cubre la hoja. Luego, atraviesa la epidermis. La cutícula y la epidermis son capas que protegen la hoja del daño, evitan la pérdida de agua y permiten el intercambio de gases para que la planta respire. La nanopartícula se abre camino hacia el tejido interno de la hoja, o mesófila. Finalmente, se mueve hacia la vasculatura de la planta, o las venas de la planta. Desde allí puede viajar por todo el tallo hasta la raíz, o hasta las hojas más altas.

Por primera vez, los investigadores demostraron que una vez que llegan a las raíces, las nanopartículas pueden ser exudadas al suelo, adhiriéndose al microambiente que se adhiere a las raíces llamadas rizosfera. La rizosfera es donde la planta interactúa con el suelo, absorbe nutrientes, libera pequeños ácidos, dióxido de carbono y proteínas, y donde las bacterias y los hongos pueden ingresar a la planta. Los únicos métodos disponibles actualmente para tratar una rizosfera poco saludable son mezclar agroquímicos en el suelo o aplicar agua con los químicos. En ambos casos se pierde una gran cantidad de productos químicos. Lo que los investigadores han demostrado es una entrega 100% eficiente que puede disminuir la cantidad de productos químicos necesarios, reducir el costo y limitar la contaminación ambiental.

Estas diminutas partículas, que son más pequeñas que 50 nanómetros, podrían ser una clave muy importante para alimentar de manera sostenible a los 10 mil millones de personas que se prevé que estarán en el planeta para el año 2050. Por ejemplo, las plantas de trigo que crecen en un suelo deficiente de zinc se vuelven amarillas y la producción de cultivos disminuye A medida que las plantas comienzan a morir. Pero si pudiera entregar nanopartículas de óxido de zinc a través de las hojas para llegar a la raíz, podrían exudar hacia el suelo y hacer que tanto el suelo como la planta estén sanos.

Los agricultores también podrían administrar antibióticos a la planta. Una vez que una planta introduce bacterias en su vasculatura, hay poco que se pueda hacer para salvarla. Pero si las nanopartículas de antibióticos podrían administrarse a través de las hojas para ingresar a la vasculatura, podrían prevenir o tratar enfermedades bacterianas sistémicas.
Algunos de los trabajos relacionados de Lowry con las nanopartículas. Crédito: Universidad Carnegie Mellon

Al usar las herramientas desarrolladas por el DOE y otras investigaciones financiadas, el costo de producción del kelp probablemente se reducirá en las próximas décadas. Es más sostenible para el medio ambiente y se volverá más competitivo que otros biocombustibles y combustibles fósiles «.

«En un mundo más caluroso y seco del futuro», agrega, «será difícil encontrar un mejor recurso para los biocombustibles que las algas cultivadas que no requieren tierra cultivable, agua dulce ni fertilizantes derivados de combustibles fósiles en contraste a los cultivos modernos de la tierra «.


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