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NANOTECNOLOGÍA PARA LA AGRICULTURA SUSTENTABLE
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Lira-Saldivar, R.H., Hernández-Suárez, M., Corrales-Flores, J.
CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………………………...
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Las nanopartículas de oro están siendo usadas para detectar virus
causantes de gripas (Flu) ...
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INTRODUCCIÓN
La nanotecnología (NT) representa una de las más novedosas innovaciones
científicas, y en muchos sentidos, ...
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impacto sobre el mercado global se espera que llegue a $1 billón de dólares para el año
2015 y con alrededor de 2 millon...
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Las NPs de cobre (NPsCu) han atraído mucho la atención en los últimos años por
ser un metal semiconductor, por sus propi...
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Las nanopartículas que se producen a partir de metales como oro, cobre y plata
presentan además características eléctric...
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Las NPs de aluminio. Las partículas que tienen un tamaño de 13 μm pueden
involucrarse en la disminución de la velocidad ...
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creado un creciente mercado de textiles ...
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los refrigeradores, así como en los recipientes de almacenamiento, líneas de envasado y
otras superficies destinadas a ...
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de 5 % de ese NC (NC), mientras que la deformación y/o elongación del material se
redujo debido a la disminución en la ...
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en las áreas de trópicos húmedos es extremadamente vulnerables a estreses abióticos
como temperatura, humedad, flujo de...
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Figura 3. Esquema que permite comparar el tamaño de nanopartículas con diversas
estructuras como el ADN, células, ácaro...
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hierro que se dejaron secar películ...
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La mayor parte de los invernaderos en México no tienen sistemas automatizados
de enfriamiento y calefacción por lo que ...
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Figura 5. Esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la
nanotecnología en diversos aspectos de la a...
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microorganismos, los nano-sensores integrados en el envase deben alertar al
consumidor si un alimento está en mal estad...
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cm, la cual es prácticamente independiente de la temperatura (Vázquez et al.,
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PROPIEDADES DE PELÍCULAS PLÁS...
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fase inorgánica y opaca el paso de la luz visible y la radiación PAR. Para el caso de las
películas hechas con PE virge...
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degradación microbiana. Por lo tanto, para una aplicación repetida es necesario disponer
de un control efectivo que pod...
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detectan este tipo de sustancias en lugares y organismos que nunca han estado
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La eficiencia de absorción y los efectos de diversas NPs sobre el crecimiento y las
funciones metabólicas varían entre ...
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Las NPs también están siendo empleadas para el control de enfermedades de
plantas. Hoy en día, la aplicación de fertili...
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Figura 8. Figura estereográfica que puede obtenerse mediante nanotecnología de
cristales de ADN que tienen "extremos co...
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Figura 9. Plantas de tomate con y sin nanotubos de carbón. Las plantas que recibieron el
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Figura 10. Florikan NANO 16-5-11 (N-P-K) es un fertilizante que contiene nanopartículas.
Las NPs pueden servir como "ba...
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La selección y mejoramiento de las especies de plantas hasta hace algunas décadas
estuvo a cargo de la naturaleza. La i...
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protección de cultivos apenas está empezando. En el reporte se discute el desarrollo de
nanodispositivos como sistemas ...
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un chip de silicio. Se lanzan entonces las células vivas contra las fibras que las perforan y
les inyectan ADN en el pr...
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fórmulas de nano escala en la producción de pesticidas. Los bactericidas son protectores
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en adherir filamentos diminutos a las fibras textiles utilizando ganchitos nanométricos.
Estos filamentos impiden que l...
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Luego viene la UE (comisión europea) con aproximadamente U$ 3 billones, sin contar las
inversiones de cada país individ...
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desencadenar reacciones químicas o biológicas específicas. De esta manera se crean
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del ser humano con el medio ambiente, donde el medio ambiente no se vea afectado
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costos deben tener en cuenta el verdadero impacto ambiental de estos materiales,
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productos que contengan NT como requisito anterior a la autorización de su
comercialización (Myskja, 2011). Se recomien...
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• Tienen sustancias activas para controlar los insectos.
• Controla la degradación de suelos
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parcelario, incluidos fertilizantes, herbicidas y pesticidas. La NT en el entorno de la
agricultura sustentable se cons...
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Adner, D., Korb, M., Schulze, S., Hietschold, L.H. 2013. A straightforward approach to oxide...
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Buzea, C., Pacheco, I., Robbie, K. 2007. Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity.
Biointerphases, 2: 17-2...
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Ghormade, V., Deshpande, M.V., Paknikar, K.M. 2011. Perspectives for nano-biotechnology
enabled protection and nutritio...
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Lamont, J. W. 2005. Plastics: Modifying the microclimate for the production of vegetable crops.
HortTechnology 15: 477-...
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Montes, L. A. 2011. Efecto de la dispersión de nanocompuestos evoh/arcilla en matrices de pe
sobre las propiedades físi...
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Vázquez, R. Arreguına, M.A. Aguilar F., J. Guzmán M. J., M. García H. R.M. Fragoso, S., Falcón, C.,
Guajardo. 2011. Pro...
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Nanotecnologia y-agricultura-sustentable (2)

Nanotecnologia y-agricultura-sustentable
Published on: Mar 3, 2016
Published in: Science      
Source: www.slideshare.net


Transcripts - Nanotecnologia y-agricultura-sustentable (2)

  • 1. 1 NANOTECNOLOGÍA PARA LA AGRICULTURA SUSTENTABLE
  • 2. 2 Lira-Saldivar, R.H., Hernández-Suárez, M., Corrales-Flores, J. CONTENIDO ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………………………………………………. ii INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………………………………. 1 Las Nanopartículas………………………………………………………………………………………. 2 Dimensiones de la Nanotecnología……………………………………………………………… 6 Nanopartículas en la Agricultura Protegida……………………………………………….… 10 ¿Qué es una Nanoestructura?....................................................................... 12 Los Nanocompuestos…………………………………………………………………………………… 13 Importancia de la Nanotecnología……………………………………………………………….. 14 Nanopartículas en la Agroplasticultura………………………………………………………… 14 Propiedades de Películas Plásticas Nanoestructuradas en Invernaderos…..... 15 Aplicación de Nanocompuestos en Agroplasticultura………………………………….. 16 Panorama de la Nanotecnología en el Mundo……………………………………………… 28 Aplicaciones de la Nanotecnología en el Ambiente……………….………………….…. 29 Riesgos de la Nanotecnología en el Medio Ambiente…………………………………… 32 CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………..…… 34 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………….………………………………………………………….……… 36
  • 3. 3 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Las nanopartículas de oro están siendo usadas para detectar virus causantes de gripas (Flu) y graves enfermedades como el HIV o SIDA……….. 4 Figura 2. Nanopartículas de Óxido de Aluminio (Al2O3) con tamaño promedio en el rango de 20 a 60nm…………………………………………………………………………………… 5 Figura 3. Esquema que permite comparar el tamaño de nanopartículas con diversas estructuras como el ADN, células, ácaros, alfileres y el cuerpo humano…………………………………………………………………………………………………….. 9 Figura 4. Diagrama que ilustra un corte transversal de una película plástica nanoestructurada conteniendo nanoalambres o nanohilos………………………. 11 Figura 5. Esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la nanotecnología en diversos aspectos de la agricultura moderna…………………. 13 Figura 6. Las plantas de manera natural hacen la absorción y traslocación selectiva de nanopartículas minerales que luego son enviadas a los puntos de demanda acorde al crecimiento vegetativo………………………………………………. 18 Figura 7. Absorción, traslocación y acumulación de productos manufacturados de nanopartículas de Fe3O4 en plantas de calabaza………………………………………. 19 Figura 8. Figura estereográfica que puede obtenerse mediante nanotecnología de cristales de ADN que tienen “extremos cohesivos” o pequeñas secuencias que pueden unirse a otra molécula de una manera organizada………………… 20 Figura 9. Plantas de tomate con y sin nanotubos de carbón. Las plantas que recibieron el tratamiento de nanotubos germinaron y se desarrollaron más rápido………………………………………………………………………………………………… 22 Figura 10. Florikan NANO 16-15-11 (N-P-K) es un fertilizante que contiene nanopartículas. Las nanopartículas pueden servir como “balas mágicas”, que contienen los herbicidas, productos químicos, o genes, que se dirigen a determinadas partes de la planta para liberar su contenido…………………… 23 Figura 11. Las nanopartículas de plata han demostrado tener efecto muy significativo como bactericida contra Paramecium caudatum…………………… 27
  • 4. 4 INTRODUCCIÓN La nanotecnología (NT) representa una de las más novedosas innovaciones científicas, y en muchos sentidos, la de mayor alcance en lo referente a la alta tecnología para la agricultura y los alimentos frescos. Se estima que en la actualidad en todo el mundo hay más de 300 nanoproductos alimenticios disponibles en el mercado y se prevé que para el 2015 la NT se utilizará en el 40% de las industrias alimentarias. De hecho, se ha acuñado el término “nanobiotecnología”, que combina numerosas disciplinas científicas tan variadas como la biotecnología, la nanotecnología, el procesamiento químico, la ciencia de los materiales y la ingeniería de sistemas (Maine et al., 2013; Marambio y Hiek, 2010). Las nanopartículas (NPs) son gran relevancia en la investigación científica, debido a que tienen una amplia variedad de aplicaciones potenciales en los campos biomédico, biológico, óptico y electrónico, entre otros. El uso principal de las NPs en la industria alimentaria se debe a su actividad antimicrobiana, por ejemplo el dióxido de titanio, es un colorante alimentario que puede utilizarse como barrera de protección en el envasado de alimentos o las NPs de plata utilizadas como agentes antimicrobianos en los paneles de los refrigeradores y frigoríficos, así como en los recipientes de almacenamiento, líneas de envasado y otras superficies destinadas a entrar en contacto con los alimentos. Las NPs orgánicas se emplean principalmente para mejorar el valor nutritivo de los alimentos, utilizándose como vehículo para la liberación de vitaminas y otros nutrientes incorporados en nanocápsulas. (Karunaratne, 2007). Acorde con reciente información de la FAO, el advenimiento de la NT ha desatado enormes perspectivas para el desarrollo de nuevos productos y aplicaciones para una amplia gama de sectores industriales y de consumo. Los nuevos desarrollos tecnológicos han abierto ya una industria de billones de dólares durante los últimos años, cuyo
  • 5. 5 impacto sobre el mercado global se espera que llegue a $1 billón de dólares para el año 2015 y con alrededor de 2 millones de trabajadores involucrados en esta nueva área tecnológica. Mientras la mayoría de la manufactura y uso de los materiales a nanoescala sucede en los Estados Unidos, la Unión Europea, con cerca del 30% global del sector, no está muy rezagada en este campo. Al igual que en otros sectores, la NT promete revolucionar toda la cadena alimentaria, desde la producción hasta el procesamiento, almacenamiento y desarrollo de materiales innovadores, productos y aplicaciones en la medicina (Heath y Davis, 2008). A pesar de que las posibles aplicaciones de la NT son muy vastas, las aplicaciones actuales en el sector alimentario y agrícola son relativamente pocas, debido a que la nanociencia se encuentra en un estado emergente. Una visión general de más de 800 productos de consumo basados en NT que están actualmente disponibles a nivel mundial, sugiere que sólo alrededor del 10% de ellos son alimentos, bebidas y productos de envasado de alimentos. Sin embargo, los productos y aplicaciones derivados de la NT de estos sectores han ido en constante aumento en los últimos años, y se prevé que siga creciendo rápidamente en el futuro. Esto se debe a que las nuevas tecnologías tienen un gran potencial para hacer frente a muchas de las necesidades actuales de la industria (Farokhzad y Langer, 2009). LAS NANOPARTÍCULAS Las nanopartículas (NPs), ya sean de nanopolvo, nanoracimo, o nanocristal, es una partícula microscópica con por lo menos una dimensión menor que 100 nm. Actualmente las NPs son un área de intensa investigación científica, debido a una amplia variedad de aplicaciones potenciales en los campos de biomédicos, ópticos, alimentos y electrónicos. La Iniciativa Nacional de Nanotecnología del gobierno de los Estados Unidos ha dispuesto de cantidades enormes de financiamiento exclusivamente para la investigación de las NPs (Alam et al., 2013).
  • 6. 6 Las NPs de cobre (NPsCu) han atraído mucho la atención en los últimos años por ser un metal semiconductor, por sus propiedades físicas, químicas, antimicrobianas, así como por su abundancia (Betancourt et al., 2013). Además, el cobre posee un importante papel biológico en el proceso de fotosíntesis de las plantas, aunque no forma parte de la composición de la clorofila. El cobre contribuye a la formación de glóbulos rojos y al mantenimiento de los vasos sanguíneos, nervios, sistema inmunitario y huesos. Por tanto, es un oligoelemento esencial para la vida humana y tiene un gran potencial para emplearse en desarrollos tecnológicos sustentables y las NPs de cobre ya han demostrado su acción antibacterial en patógenos de humanos y enfermedades nosocomiales (Baba, 2006). Un factor crítico que es responsable de las propiedades antimicrobiales del cobre es la habilidad para aceptar o donar electrones fácilmente, para así tener un nivel alto de oxidación catalítica y una reducción potencial alta. Cuando el cobre está en un estado de oxidación (Cu2+ ), es altamente efectivo como antimicrobial debido a la interacción con ácidos nucleícos, sitios activos enzimáticos y componentes de la membrana de las células que causan la enfermedad. Más aun, ha sido demostrado que el cobre tiene la habilidad de reducir el índice de crecimiento de la bacteria Escherichia coli como un agente microbial en más de 99.99%, ya que le causa daño a las paredes de las células y altera su contenido celular negativamente (Cioffi et al., 2005). El cobre ha sido de interés particular porque a diferencia de otros metales antimicrobiales, presenta un espectro amplio de acción contra bacterias y hongos. La eficacia del cobre depende de las condiciones del medio ambiente, la concentración de iones de cobre y el tipo de microorganismos. Dada la efectividad del cobre contra organismos patógenos asociados con enfermedades de plantas y animales, ha sido utilizado ampliamente en el sector agropecuario como pesticida desde hace miles de años y últimamente como promotor de crecimiento vegetal.
  • 7. 7 Las nanopartículas que se producen a partir de metales como oro, cobre y plata presentan además características eléctricas, ópticas y microbianas. Estas últimas permiten visualizar su aplicación efectiva en dispositivos electrónicos, catalizadores, sensores y productos bactericidas, entre otros. Además su síntesis da lugar a mezclas de diferentes tamaños y morfologías. A continuación se explican las más importantes. Las NPs de oro (Figura 1) pueden calentar un área de mil veces su tamaño; sus propiedades caloríficas se comprueban en medios como el agua, el hielo y en una lámina de polímero que consta de un diseño con el que se imitan los materiales presentes en sistemas biológicos. Sus ventajas radican en que son poco reactivas, poseen una fácil funcionalización y son muy resistentes a la oxidación y a la corrosión (Chithrani et al., 2006). Las NPs de oro que son de aproximadamente una décima parte del ancho de un cabello humano, son extremadamente eficientes en la dispersión de la luz. Por otro lado, las moléculas biológicas como los virus son intrínsecamente pobres en dispersar la luz. La agrupación de los virus con las nanopartículas de oro es la razón por la cual fluctúa la luz dispersa en un patrón predecible y medible (Gaiduk et al., 2011). Figura 1. Las nanopartículas de oro están siendo usadas para detectar virus causantes de gripas (Flu) y graves enfermedades como el HIV o Sida.
  • 8. 8 Las NPs de aluminio. Las partículas que tienen un tamaño de 13 μm pueden involucrarse en la disminución de la velocidad del desarrollo de las raíces de plantas como maíz calabacín, soya, col y zanahoria, aunque si las partículas son cubiertas de hidrocarburo aromático dichos efectos se aminoran. Las NPs de aluminio (Figura 2) están siendo consideradas como un posible combustible en aplicaciones avanzadas de materiales energéticos. Figura 2. Nanopartículas de oxido de aluminio (Al₂O₃) con un tamaño promedio en el rango de 20 a 60 nm. Las NPs de plata (NPsAg). Una de las grandes ventajas de utilizar plata es que actúa como agente antimicrobiano, razón por la cual se incorpora para la fabricación de materiales de envasado, también no guarda olores, además que no presenta problema alguno de descomposición a las temperaturas de extrusión de los plásticos, sin dejar de mencionar su volatilidad (Layani et al., 2012). El crecimiento de microbios en los textiles durante el uso y su almacenamiento afecta negativamente al usuario, así como el propio textil. El efecto perjudicial pueden ser controlados por una acción antimicrobiana duradera mediante los textiles con biocidas de amplio espectro o mediante la incorporación de productos biocidas en fibras sintética durante la extrusión (Gao y Cranston, 2008).
  • 9. 9 La actitud de los consumidores respecto a la buena higiene y de vida activa, ha creado un creciente mercado de textiles antimicrobianos, que a su vez ha estimulado la investigación intensiva y el desarrollo de trabajos con NPsAg. Estos autores reportan que los más recientes desarrollos en los tratamientos antimicrobianos de textiles están utilizando diversos agentes bioactivos como plata, sales de amonio cuaternario, el triclosán, el quitosán, tintes y compuestos N-halamina regenerables y peroxiácidos. DIMENSIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA La agricultura es un área donde las nuevas tecnologías se aplican para mejorar el rendimiento de los cultivos. Nano agricultura implica el empleo de NPs en la agricultura, considerando que estas NPs ofrecerán algunos benéficos para los cultivos. La aparición de nuevos nanodispositivos y nanomateriales abren nuevas aplicaciones potenciales en la agricultura y la biotecnología. Las NPs son materiales que son lo suficientemente pequeños como para caer dentro del rango nanométrico (10-9 a 10-12 ), teniendo sus dimensiones de menos de unos pocos cientos de nanómetros. La NT utiliza y diseña materiales a escala atómica (normalmente entre 1 y 100 nm, o lo equivalente en metros: entre 0.000000001 y 0.000000000001 metros). Estos materiales pueden ser usados para liberar pesticidas o fertilizantes en un momento y orientación específico. Logrando de estas manera aplicar sustancias en áreas muy localizadas que podrían reducir el daño a otros tejidos de la planta y a la vez en cantidades pequeñas reduciendo así el efecto adverso al medio ambiente (Srilatha, 2011). Las NPs son de gran relevancia en la investigación científica, debido a que tienen una amplia variedad de aplicaciones potenciales en los campos biomédico, biológico, óptico y electrónico, entre otros. El uso principal de las NPs en la industria alimentaria se debe a su actividad antimicrobiana, por ejemplo el dióxido de titanio, es un colorante alimentario que puede utilizarse como barrera de protección en el envasado de alimentos o las NPs de plata utilizadas como agentes antimicrobianos en los paneles de
  • 10. 10 los refrigeradores, así como en los recipientes de almacenamiento, líneas de envasado y otras superficies destinadas a entrar en contacto con los alimentos. Las NPs orgánicas se emplean principalmente para mejorar el valor nutritivo de los alimentos, utilizándose como vehículo para la liberación de vitaminas y otros nutrientes (nanocápsulas). Mediante la NT se elaboran nanopartículas NPs metálicas y de polímeros capaces de unirse a bio macromoléculas específicas que son de interés significativo, ya que las NPs pueden ser utilizadas como aditivos de películas plásticas para bioespacios en agricultura protegida, para empaques plásticos de alimentos, así como para elaborar materiales funcionales de bajo costo y estables para la medicina, para direccionar los fármacos a sitios específicos, para usarse en biosensores, en diagnóstico y como antimicrobiales de toxinas, bacterias, hongos y virus (Adner et al., 2013). El enfoque no biológico de las NPs crea posibilidades muy diversas con gran potencial en numerosas actividades del ser humano, incluyendo los envases plásticos y películas de polietileno (PE) nanoestructuradas para usos diversos. Recientemente, este enfoque se ha extendido a objetivos biológicamente interesantes, incluyendo péptidos y proteínas. Las condiciones relativamente sencillas de polimerización por precipitación utilizando acrilamidas tales como N-isopropilacrilamida han sido óptimas para la impresión biomacromolecular (Hoshino et al., 2008). Con el fin de fabricar películas de plástico opcionales a las existentes, en la última década se ha dado un gran impulso a la elaboración de NCs de PE modificado con una gran variedad de materiales como el ácido metacrilato reforzado con nano oxido de titanio (nano-TiO2), así como con arcillas, zinc, cobre, plata, oro y otros materiales. Estas nuevas películas nanoestructuradas han modificado notablemente sus propiedades mecánicas y ópticas, resultando en muchas ocasiones mejores que las elaboradas con PE tradicional. Por ejemplo, se ha demostrado que empleando como aditivo nano-TiO2 al PE, el módulo de tensión se incrementó hasta un 40 % con la adición
  • 11. 11 de 5 % de ese NC (NC), mientras que la deformación y/o elongación del material se redujo debido a la disminución en la movilidad de las cadenas del PE por la presencia del nano-TiO2. La resistencia a la tensión muestra un efecto reforzante de 15 % con un contenido de 3 % de nano-TiO2, indicando esto la buena interacción entre los grupos funcionales del PE por la presencia del nano-TiO2. Los resultados de espectroscopia UV también mostraron que la incorporación de las NPs de nano-TiO2 disminuyen en aproximadamente 85 % la transmitancia en los materiales de nano compuestos con respecto al polímero base, esto debido a la alta capacidad de absorción de la luz UV que presentan las NPs de TiO2 (Valdez-Garza et al., 2009). Es decir, el NC es factible para la fabricación de diversos productos poliméricos incluyendo películas para emplearse en embalaje y posiblemente en acolchado para suelos, túneles, microtúneles e invernaderos. Es a inicios del siglo XX cuando se desplegó una amplia información sobre calefacción, riego y fertilización en invernaderos. En Holanda se desarrollaron gradualmente invernaderos para un mejor uso de los cultivos, hasta que en 1937 se construyó el invernadero denominado Venlo fabricados de acero y cristal, los cuales podían ser utilizado para diferentes cultivos. En los últimos años se ha incorporado los plásticos a la agricultura con buenos resultados, la inserción de NPs de acilla, oro, plata, cobre, aluminio, almidón, etc., han mostrado que confieren a las cubiertas de invernadero plásticas propiedades deseables para el mejor desarrollo del cultivo y como consecuencia una mejor producción. Mundialmente se vienen realizado novedosos trabajos de investigación con la finalidad de producir películas de PE para invernaderos y túneles que contengan ciertos aditivos que permitan bloquear luz UV para lograr una mayor vida útil de la película, además se aplican otros componentes para conseguir mayor transmisión de luz difusa y PAR, así como conferir propiedades térmicas, antigoteo y otras más (Agam y Guo, 2007). La producción de hortalizas para exportación bajo condiciones de agricultura protegida
  • 12. 12 en las áreas de trópicos húmedos es extremadamente vulnerables a estreses abióticos como temperatura, humedad, flujo de aire, etc., por lo que se deben formular y fabricar películas que impidan o minimicen el efecto adverso de esos factores y los bióticos como los causados por mosquita, trips, áfidos, etc. A la fecha, la población mundial que está demandando alimentos es de 6,768 millones y de acuerdo con proyecciones de estadísticas la población continuará creciendo hasta el 2050 (http://www.census.gov/main/www/poclock.html) sin embargo, la superficie de siembra se ha estancado debido a que ya no existen más áreas que se estén abriendo a la agricultura, por lo que deberemos incrementar la eficacia en el uso de los recursos para aumentar la productividad agrícola bajo condiciones de agricultura protegida en bioespacios, incluyendo invernaderos, túneles, casasombras, etc. Las NPs actúan como filtros para controlar la longitud de onda incidente y de esta forma se controla la temperatura y la radiación solar. La escala nanotecnológica se representa en la Figura 3, en la cual se pone en perspectiva diferentes tamaños de partículas y estructuras.
  • 13. 13 Figura 3. Esquema que permite comparar el tamaño de nanopartículas con diversas estructuras como el ADN, células, ácaros, alfileres y el cuerpo humano. NANOPARTÍCULAS EN LA AGRICULTURA PROTEGIDA La agricultura protegida es aquella que se realiza bajo métodos de producción que ayudan a ejerce determinado grado de control sobre los diversos factores del medio ambiente. Permitiendo con ello minimizar las restricciones que las malas condiciones climáticas ocasionan en los cultivos. Esto implica el uso de acolchados plásticos, micro y macrotúneles, casas sombra e invernaderos. En relación con los acolchados plásticos se ha explorado el uso de NPs, que encapsulan nutrientes dentro de la película y los liberan de manera progresiva durante su aplicación, o bien se pueden incorporar nanopartículas de plata que pueden tener una acción bactericida o fungicida, reduciendo así el efecto adverso de microorganismos patogénicos que afecten el sistema radicular de las plantas. Con la utilización de las diferentes películas para invernaderos y mallasombras conteniendo nanopartículas en su formulación que les proporcionen mayor fuerza tensil resistencia (Nagalingam et al., 2010), se pueden reducir costos e incrementar significativamente los rendimientos unitarios de manera competitiva a los sistemas de producción de invernaderos que con películas de plástico tradicional, logrando en la mayoría de los casos menor costo energético y mayor rentabilidad por tonelada producida así como mayor durabilidad de los materiales empleados. En relación con las películas de plástico para usos diversos, Fragouli et al . (2010) presentaron una técnica sencilla para la formación de un campo magnético inducido, así como el montaje y el posicionamiento de nanocables magnéticos en una película de
  • 14. 14 polímero. A partir de una solución de nanopartículas de óxido de polímero fundido / hierro que se dejaron secar películas de ese NC junto con la aplicación de un campo magnético débil, que al estar alineados se obtienen nanocristales construídas con matrices de nanoalambres o nanohilos (Figura 4). Uno de los aspectos más importantes a considerar cuando se planea construir un invernadero o casasombra para el cultivo de hortalizas de alto valor económico, es lo relativo a las películas PE para su cubierta, ya que de ello depende la eficiencia que se puede lograr para tener un adecuado balance térmico y las condiciones óptimas para el crecimiento y desarrollo del cultivo (Borisov et al., 2008; Buzea et al., 2007). Los materiales de cubierta más eficaces en los invernaderos y casasombra son películas de PE que contienen componentes que absorben la luz UV para prolongar la vida de los materiales, pero manteniendo los niveles de transmisión de radiación PAR (Costa et al., 2002). Figura 4. Diagrama que ilustra un corte transversal de una película plástica nanoestructurada conteniendo nanoalambres o nanohilos.
  • 15. 15 La mayor parte de los invernaderos en México no tienen sistemas automatizados de enfriamiento y calefacción por lo que el ambiente interior del invernadero, depende básicamente del tipo de películas de PE que se utiliza como cubierta. Las características ópticas de la cubierta del invernadero pueden modificar significativamente la calidad de radiación afectando a los cultivos, principalmente en cuanto a la diferencia del uso de la radiación (Lamont, 2005). Un problema, al que se enfrentan muchos agricultores que utilizan invernaderos son las elevadas temperaturas en los meses de verano, lo que provoca numerosos efectos adversos como: estrés fisiológico, aborción floral, disminución de rendimiento y calidad de las hortalizas, ennegrecimiento de pétalos en flores de corte, quemaduras en plántulas y otros más. Para contrarrestar lo antes señalado los agricultores tienen que utilizar pantallas metalizadas, mallasombras, sistemas de nebulización o encalar las cubiertas del invernadero, con el subsecuente incremento en los costos para la adquisición de las mallas y pantallas o la disminución de la vida útil de las películas de PE, ya que al encalar el plástico se extraen los aditivos de las películas y se degradan más rápidamente. Otros plásticos modernos contienen NPs de cobre o plata que confieren propiedades antimicrobiales (Delgado et al., 2013). ¿QUÉ ES UNA NANOESTRUCTURA? En términos sencillos, nano es un prefijo que significa “enano” y al usarlo en términos y conceptos denota una amplia gama de fenómenos y objetivos cuyas dimensiones son de una millonésima parte de un milímetro. NT hace referencia a la integración de diferentes disciplinas científicas capaces de crear y desarrollar nuevos materiales, estructuras funcionales y aparatos a escala manométrica. En la Figura 5 se muestra un esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la NT en diversos aspectos de la agricultura moderna (Ghormade et al., 2011).
  • 16. 16 Figura 5. Esquema que ilustra las diferentes aplicaciones potenciales de la nanotecnología en diversos aspectos de la agricultura moderna. LOS NANOCOMPUESTOS Los nanocompuestos (NCs) poliméricos, provienen de la mezcla de una matriz polimérica con inclusiones de partículas orgánicas o inorgánicas de escala nanométrica. Existen tres categorías básicas de los nanomateriales dependiendo de las dimensiones espaciales del material: nanopartículas, nanotubos y nanolaminillas (Bharat, 2004). Los nanotubos tienen su diámetro y espesor de un tamaño nanométrico, pero su longitud puede ser mayor pudiendo llegar a ser micrométrica (Hiroi et al., 2004). Las nanoarcillas presentan sólo una dimensión a nivel nanométrico, esto es, tienen forma de láminas de un espesor de un nanómetro aproximadamente, sin embargo su largo y ancho es de 100nm a 200 nm (Rai et al., 2004). Los NCs son una nueva generación de polímeros emergente en todos los aspectos de nuestras vidas. Ellos muestran una gran promesa para aplicaciones potenciales como de alto rendimiento en materiales biodegradables, que son nuevos tipos de materiales basados en plantas, animales, y otros materiales naturales. Para seguridad de los alimentos, nano-estructurados será posible evitar la invasión de bacterias y
  • 17. 17 microorganismos, los nano-sensores integrados en el envase deben alertar al consumidor si un alimento está en mal estado (Ruixiang et al., 2008). IMPORTANCIA DE LA NANOTECNOLOGÍA La NT es tan importante porque podría tener el potencial para resolver muchos de los problemas de la humanidad. Si se desarrolla de forma responsable, la NT podría resolver problemas en los países más pobres del mundo tan importantes como enfermedades, hambre, falta de agua potable. Si se desarrolla de forma no responsable, la NT podría ser algo muy peligroso, permitiendo la fabricación de armas muy pequeñas con una fuerza de destrucción inimaginable. Algunos expertos creen que su impacto sobre nuestra vida será tan importante como en su día fue el impacto de la medicina o el impacto de las computadoras (http://www.euroresidentes.com/futuro/importancia- nanotecnologia.htm). NANOPARTICULAS EN LA AGROPLASTICULTURA En la fabricación de alfombras de nanofibras antitermitas a base de nitrocelulosa con un aglomerante energético para crear una nueva clase de NC energético, se ha comparado con la nitrocelulosa pura y nanoaluminio, nanofibras incorporadas por sus actuaciones de combustión. Nanofibras antitermita muestran reducidas velocidades de combustión, que se correlacionan con la carga masiva de nanotermita en relación con el aglutinante en las nanofibras (Yan et al., 2012). Estudiando la técnica de rocío pirolítico ultrasónico se pudieron obtener películas nanoestructuradas de SnO2 en su fase tetragonal con estructura tipo rutilo, a partir de dicloruro de acetilacetonato de estaño [(C5H8O2)2SnCl2]. Estas películas presentan un crecimiento uniforme del grano, con un tamaño promedio del orden de 70 nm. Las películas obtenidas a temperaturas superiores a ± 500 ºC son transparentes en la región del espectro visible con una longitud de onda de 4.05 eV y con una resistividad de 4.54 x
  • 18. 18 10-3 cm, la cual es prácticamente independiente de la temperatura (Vázquez et al., 2011). PROPIEDADES DE PELÍCULAS PLÁSTICAS NANOESTRUCTURADAS PARA INVERNADERO Propiedades de termicidad. La protección contra temperaturas bajas depende de la transmitancia del material para la radiación infrarroja larga. Las películas plásticas que actúan como barrera a la radiación IR en la región de 750 y 1450 nm son denominadas térmicas, ya que los grupos químicos que estructuran el material absorben la radiación infrarroja impidiendo que salga del invernadero, con lo anterior se reduce el riesgo de bajas temperaturas en aquellos casos en que el invernadero no está preparado con un sistema de calefacción. Como aplicación potencial para el desarrollo de estas películas con un efecto en la dispersión de NCs EVOH/arcilla en matrices de PE, se puede considerar la fabricación de películas para uso agrícola específicamente en películas para invernadero (García, 2008). El efecto de nanoarcillas en la matriz del copolímero etileno alcohol vinílico (EVOH) sobre las propiedades ópticas de transmisión de luz visible y la opacidad al infrarrojo ha sido analizado por (Min-Sheng et al., 2006). Otras características son la dispersión de la luz UV y la energía térmica acumulada dentro de la cubierta de invernadero, para así evitar daño de los cultivos durante las temporadas donde la temperatura exterior sea muy baja, es decir para tener un ambiente a temperatura cálida controlada (Sánchez, 2008). La transmisión de luz visible de NCs a base de EVOH16e32 con nanoarcillas MMTNa y C30b ha mostrado que la eficiencia de las películas para invernadero depende principalmente de la capacidad para transmitir la luz visible, la cual es responsable de procesos fisiológicos y fotosintéticos de las plantas. En los resultados de transmisión de luz visible de las películas de los materiales NCs se observa que a mayor contenido de nanoarcilla, los valores de transmisión de luz visible decrecen, ya que se incrementa la
  • 19. 19 fase inorgánica y opaca el paso de la luz visible y la radiación PAR. Para el caso de las películas hechas con PE virgen, el valor de transmisión de luz visible es de 90 %, mientras que las películas de EVOH16e32 y EVOH44e32 muestra valores de transmisión de luz visible de 89.33 y 87 % respectivamente, por lo que, la trasparencia de estos materiales es muy similar (Sánchez, 2008). Las películas de NCs con base en los aditivos EVOH16e32 EVOH16e32/MMTNa+ a concentraciones de 4, 7 y 10 %, presentan valores de transmisión de luz visible de 81.82, 80.16 y 75.53 % respectivamente; esto es atribuido a que existe una baja dispersión de las nanoarcillas, sin embargo, la arcilla dispersa presenta un alto grado de interposición. Las películas a base de nanoarcilla C30b a concentraciones de 4, 7 y 10 % presentan valores de transmisión de luz visible de 79.4, 75.67 y 75.4 % respectivamente, ya que existe una alta dispersión de arcilla en la matriz polimérica (Montes, 2011). En algunos trabajos se han sintetizado materiales de nylon híbridos con arcilla, mediante cuatro tipos de minerales de arcilla, montmorillonita, saponita, hectorita y mica sintética, las propiedades mecánicas de las muestras moldeadas por inyección se midieron de acuerdo con la norma ASTM. El nylon híbrido con arcilla montmorillonita fue superior a los otros híbridos en las propiedades mecánicas. Esto podría resultar de la diferencia en la interacción entre las moléculas de nylon y silicatos en los híbridos. APLICACIÓN DE LOS NCS EN LA AGRICULTURA La NT ofrece interesantes opciones en la mejora de las técnicas existentes de manejo de cultivos. Los agroquímicos se aplican convencionalmente a los cultivos por pulverización y o difusión. Por lo general, sólo una muy baja concentración de los productos químicos, lo cual es muy por debajo de la concentración mínima eficaz requerida, ha alcanzado el sitio de destino de los cultivos debido a problemas como la lixiviación de los productos químicos, la degradación por fotólisis, hidrólisis y por
  • 20. 20 degradación microbiana. Por lo tanto, para una aplicación repetida es necesario disponer de un control efectivo que podría causar algunos efectos desfavorables como la contaminación del agua y el suelo. Para el caso de la agricultura, la NT ya se está utilizando para el tratamiento de algunas enfermedades de las plantas, para la detección precoz de los patógenos que las producen, para la mejora de la asimilación de nutrientes esenciales por las plantas e incluso la construcción de nanobiosensores importantes en determinados procesos biológicos. Su uso puede incrementar la eficacia de los pesticidas e insecticidas comerciales reduciendo su cantidad de aplicación al suelo a unas dosis significativamente menores requeridas para los cultivos con la mejora medioambiental que eso implica. Agroquímicos nano-encapsulados pueden ser diseñados de tal manera que poseen todas las propiedades necesarias como la concentración efectiva (con alta solubilidad, estabilidad y eficacia), de liberación controlada con velocidad de tiempo de respuesta a ciertos estímulos, la actividad específica mejorada y menos de ecotoxicidad con seguro y facilitando el modo de entrega, por lo tanto, se puede evitar la aplicación repetida (Tsuji, 2001). Las NPs no son novedosas para las plantas, ya que ellas toman del suelo nanopartículas de macro y microelementos que son utilizados para su crecimiento, desarrollo y fructificación (Figura 6). En el cercano futuro, la industria agrícola puede usar diveros materiales como nanopesticidas, nanofungicidas y nanoherbicidas y algunas empresas ya los estás desarrollando. En definitiva, la aplicación de la NT en la agricultura es una alternativa más respetuosa con el medio ambiente para el caso concreto del control de insectos y plagas que los métodos con agroquímicos sintéticos, que tantos problemas medioambientales han generando. De hecho, cada vez se publican más estudios que
  • 21. 21 detectan este tipo de sustancias en lugares y organismos que nunca han estado expuestos como es el caso de los hielos de la Antártida. Figura 6. Las plantas de manera natural hacen una absorción y traslocación selectiva de NPs minerales que luego son enviadas a los puntos de demanda acorde al crecimiento vegetativo. La aplicación con éxito de diversas nanoplataformas en medicina en condiciones in vitro ha generado un cierto interés en la agricultura nanotecnológica. Esta tecnología ofrece la posibilidad real de la liberación controlada de agroquímicos en sitios precisos y la entrega selectiva de diversas macromoléculas necesarias para mejorar la resistencia a enfermedades de las plantas, la utilización eficiente de macro y micro nutrientes para mejorar el crecimiento de las plantas cultivadas. Procesos como la nanoencapsulación muestran el beneficio de un uso más eficiente y un manejo más seguro de los plaguicidas con menor exposición al medio ambiente que garantiza la ecoprotección y el manejo sustentable de cultivos (Srilatha, 2011).
  • 22. 22 La eficiencia de absorción y los efectos de diversas NPs sobre el crecimiento y las funciones metabólicas varían entre diferentes plantas. Las NPs usadas en la transformación de plantas tiene el potencial para la modificación genética de las plantas para un mejoramiento genético adicional. En concreto, la aplicación de tecnología de nanopartículas en fitopatología enfrenta los problemas agrícolas específicos en las interacciones planta-patógeno y ofrece nuevas formas de protección de los cultivos (Nair et al., 2010). La absorción, traslocación y acumulación de productos manufacturados de NPs de Fe3O4 en plantas de calabaza reportada por estos autores se presenta en la Figura 7. En la cual (A) representa esquemáticamente a una planta de calabaza y magnetización medida en varios sitios de muestreos, marcados como números con unidades de 10−3 emu g−1 . Fuertes señales magnéticas (>1.0 memu g−1 ) fueron detectadas en todas las hojas independientemente de su distancia desde la raíz, mientras que las señales fueron más débiles en las muestras de tejido del tallo, excepto aquellas cercanas a la raíz. Figura 7. Absorción, traslocación y acumulación de productos manufacturados de NPs de Fe3O4 en plantas de calabaza.
  • 23. 23 Las NPs también están siendo empleadas para el control de enfermedades de plantas. Hoy en día, la aplicación de fertilizantes agrícolas, pesticidas, antibióticos y nutrientes en el área agropecuaria suele ser por aspersión o por aplicación al suelo o a las plantas, o por medio de los sistemas de fertirriego o en la alimentación o inyección a los animales. La entrega o aplicación de los plaguicidas o medicamentos se ofrece como tratamiento preventivo", o se proporciona una vez que el organismo causante de la enfermedad se ha multiplicado y síntomas son evidentes en la planta En este contexto, las nanotecnologías ofrecen una gran oportunidad para desarrollar nuevos productos contra plagas (Begum et al., 2010). La elaboración con éxito de las estructuras moleculares tridimensionales es un gran avance que une a la biotecnología y la nanotecnología. Con la NT, ya que se han producido cristales de ADN mediante la producción de secuencias de ADN sintéticas que se auto-ensamblan en una serie de patrones como de triángulo tridimensional (Zheng et al., 2009). Los cristales de ADN tienen "extremos cohesivos" o pequeñas secuencias que pueden unirse a otra molécula de una manera organizada (Figura 8).
  • 24. 24 Figura 8. Figura estereográfica que puede obtenerse mediante nanotecnología de cristales de ADN que tienen "extremos cohesivos" o pequeñas secuencias que pueden unirse a otra molécula de una manera organizada. Cuando las múltiples hélices están unidas a través de extremos cohesivos de cadena sencilla, no habría una estructura como de celosía que se extiende en seis direcciones diferentes, formando un cristal tridimensional como se ilustra en la Figura 19. Está técnica se podría aplicar en el mejoramiento genético de los cultivos importantes mediante la organización y la vinculación de los hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleícos a estos cristales. Los nanotubos de diversos materiales han venido siendo utilizados en la agricultura para promover el crecimiento de plantas (Figura 9), en la cual se puede apreciar que el agua en el recipiente de la derecha es negro debido al contenido de los nanotubos y la planta de tomate que germinó y creció en el interior del recipiente es más grande que la de la izquierda, que no fue expuesta a los nanotubos. Estos resultados han sido generados por investigadores de la Universidad de Arkansas en el Centro de Nanotecnología de Little Rock, USA, quienes han descubierto que la exposición de las semillas de tomate a los nanotubos de carbono hace que las plantas de tomate crezcan más rápido (Khodakovskaya et al., 2009). Ellos describen los resultados aunque siendo preliminares, sugieren que los nanotubos de carbono podrían ser una bendición para la agricultura y las industrias de biocombustibles y dar lugar a nuevos tipos de fertilizantes con NCs.
  • 25. 25 Figura 9. Plantas de tomate con y sin nanotubos de carbón. Las plantas que recibieron el tratamiento de nanotubos germinaron y se desarrollaron más rápido. Los nanofertilizantes ya están ofreciéndose en el Mercado de USA; por ejemplo la compañía A.M. Leonard, puso a la venta el producto denominado Florikan (Figura 10) el cual se ha llamado NANO 16-5-11 (N-P-K). La empresa que lo produce señala que al utilizar NANO, se obtendrá 10 veces el número puntos de contacto que el fertilizante estándar. Se ha formulado con 100% de polímero recubierto de fertilizante de liberación controlada, teniendo el 100% de nutrientes solubles en agua para el consumo de las planta, teniendo como base el nitrato de amonio y está completamente libre de urea. Este producto está formado de una relación clásica de 03:01:02 y se completa con un paquete de micronutrientes. También mencionan que NANO es ideal para los invernaderos y viene en presentación de 50 libras y de un galón. Se usa en plantas anuales, perennes, para propagación, de, vinca, hierbas de olor, comestibles y muchas más. Se considera que este producto es seguro, eficaz y económico de usarse con una reducción del programa de fertilización total, ya que las tasas de incorporación bajas ofrecen mejores resultados (http://www.amleo.com/Florikan-reg%3B-3-4-month-Nano- Prill-Time-Release-16-5-11-Fertilizer/p/FLK16511/).
  • 26. 26 Figura 10. Florikan NANO 16-5-11 (N-P-K) es un fertilizante que contiene nanopartículas. Las NPs pueden servir como "balas mágicas", que contiene los herbicidas, productos químicos, o genes, que se dirigen a determinadas partes de la planta para liberar su contenido. Las nanocápsulas pueden permitir la penetración eficaz de herbicidas a través de las cutículas y tejidos, lo que permite la liberación lenta y constante de la sustancia bioactiva (Srilatha, 2011). Químicos de la Universidad Estatal de Iowa han utilizado una de NPs de sílice mesoporosa (MSN) de 3 nm para la entrega de ADN y sustancias químicas en las células vegetales aisladas. Las NPs MSN son químicamente revestidas y sirven como contenedores de los genes entregados a las plantas. El recubrimiento provoca que la planta pueda tomar las partículas a través de las paredes de las células, donde se insertan y se activan los genes de una manera precisa y controlada, sin ningún efecto secundario tóxico después. Esta técnica se ha aplicado con éxito para introducir NPs en calabazas y ADN a plantas tabaco y maíz (Corredor et al., 2009).
  • 27. 27 La selección y mejoramiento de las especies de plantas hasta hace algunas décadas estuvo a cargo de la naturaleza. La irrupción de la industria agrícola biotecnológica en el sector agrícola, cambió el objetivo de tal selección con el fin de mejorar y maximizar la producción de los procesos agrícolas. Para conseguir tal objetivo, una de las opciones que primero emergió fue el desarrollo de herbicidas, la biotecnología agrícola estructuró la opción de producir químicos que respondieran a las necesidades de las plantas. Diseñando plantas que pudieran tolerar químicos tóxicos o se "defendieran" de las plagas que tantos daños causan al sector económico. En el ámbito agrícola la producción en el mundo ha sido facilitada por las más diversas tecnologías de producción. Uno de los principales factores para el aumento de producción y disminución de costos, es el aprovechamiento máximo y selección especial de las "mejores" semillas, desarrolladas biotecnológica y genéticamente (Matsunaga et al., 2007). Por otro lado, respecto al uso de NPs en el área de los fertilizantes químicos o tradicionales, (Liu et al., 2006) han reportado la preparación nano-subcompuestos conteniendo fertilizantes de liberación controlada en China lo cual es un importante avance en esa área de la agricultura. Actualmente los nanodispositivos se consideran que tendrían la capacidad de detectar y tratar una infección, deficiencia de nutrientes, o cualquier otro problema de salud, mucho antes de que los síntomas eran evidentes en la escala macro. Este tipo de tratamiento puede ser dirigido a la zona afectada con un una mayor conciencia de los riesgos asociados con el uso de sintética insecticidas orgánicos, se ha producido una necesidad urgente de explorar adecuadamente productos alternativos para el control de plagas (Anwunobi y Emeje, 2011). El trabajo de (Pérez-de-Luque y Rubiales, 2009) pone de manifiesto que la NT está abriendo nuevas aplicaciones potenciales para la agricultura, las cuales ya están siendo exploradas y utilizadas en la medicina y la farmacología, pero el interés por su uso en la
  • 28. 28 protección de cultivos apenas está empezando. En el reporte se discute el desarrollo de nanodispositivos como sistemas de administración inteligentes para atacar sitios y nanotransportadores de emisiones químicas específicas controladas. Algunas nanotecnologías pueden mejorar las técnicas del manejo de cultivos existentes en el corto y mediano plazo. Las nanocápsulas ayudaran a evitar la fitotoxicidad en el cultivo mediante la utilización de herbicidas sistémicos contra malezas parásitas. La nanoencapsulación puede mejorar la aplicación de herbicidas, proporcionando una mejor penetración a través de cutículas y tejidos, ya que permite la liberación lenta y constante de las sustancias activas. Las nuevas herramientas de manejo de cultivos podrían desarrollarse sobre la base de las aplicaciones médicas. Las NPs tienen gran potencial como "balas mágicas", cargado con herbicidas, productos químicos o ácidos nucléicos, y la focalización de tejidos o áreas específicas de plantas para liberar su carga. También pueden entregarse ácidos nucléicos específicos, enzimas o péptidos antimicrobianos que actúan contra los parásitos. Muchos problemas todavía no se han abordado, como el aumento de la escala de los procesos de producción y reducir los costos, así como los problemas toxicológicos, pero las bases de un nuevo concepto de tratamientos de las plantas se han establecido, y las aplicaciones en el campo de control de la plantas malezas parásitas ya ha comenzado. Con base en lo planteado por (Amemiya et al., 2005), por medio de la nanobiotecnología ya se plantea la posibilidad de diseñar la planta a través de la manipulación de las semillas. Las investigaciones en este campo se basan en el desarrollo de nuevas técnicas que utilizan NPs que les permiten introducir ADN ajeno a una célula. Por ejemplo, los investigadores del laboratorio Oak Ridge, descubrieron una técnica de escala nanométrica para simultáneamente inyectar ADN a millones de células. Se ha logrado que millones de nano fibras de carbono con ADN sintético adheridas, crezcan de
  • 29. 29 un chip de silicio. Se lanzan entonces las células vivas contra las fibras que las perforan y les inyectan ADN en el proceso. Es bien sabido que el uso indiscriminado de pesticidas y fertilizantes sintéticos en la agricultura convencional heredera de la tecnología de la “Revolución Verde”, provoca la contaminación del medio ambiente, la aparición de plagas agrícolas y patógenos así como la pérdida de la biodiversidad (Lira-Saldivar et al., 2013). La nanotecnología, en virtud de las propiedades relacionadas con los nanomateriales, tiene potenciales aplicaciones agro-biotecnológicas para el alivio de estos problemas. La bibliografía relacionada con el papel de la NT en el sistema suelo-planta, demuestra que los nanomateriales pueden ayudar a varias acciones como: a) la liberación controlada de productos agroquímicos para la nutrición y la protección de cultivos contra plagas y patógenos, b) la entrega de material genético, c) la detección sensible de enfermedades de las plantas y contaminantes y d) la protección y formación de la estructura del suelo. Por ejemplo, las NPs de sílice poroso de 15 nm y el quitosán biodegradable polimérico de 78 nm, muestran una liberación lenta de pesticidas encapsulados y fertilizantes, respectivamente. Además, el oro nanométrico (5-25 nm) entregó ADN a las células vegetales, mientras que el óxido de hierro (30 nm) usado en nanosensores pudo detectar pesticidas en niveles muy pequeños. Estas funciones ayudan al desarrollo de la agricultura de precisión, reduciendo al mínimo la contaminación y permiten maximizar el valor de las prácticas agrícolas sustentables (Ghormade et al., 2011). Se ha demostrado que una vez inyectado el ADN sintético, éste expresa nuevas proteínas y nuevos rasgos que en la actualidad no están siendo investigados. Actualmente, la industria de los plaguicidas están iniciando su incursión hacia la utilización de ingredientes activos manométricos y muchas de las principales firmas agro químicas del mundo llevan a cabo investigación y desarrollo para arribar a nuevas
  • 30. 30 fórmulas de nano escala en la producción de pesticidas. Los bactericidas son protectores de rayos UVB/UVA, protector de polución y gases nocivos. Entre los tejidos citados de estética y protectores, los más utilizados comercialmente en la actualidad son los tejidos bactericidas. Estos son fabricados con partículas de nanoplata. El estudio de (Kvitek et al. 2009), demostró que las NPs de plata tienen un efecto significativo como bactericida contra Paramecium caudatum (Figura 11). Estos microorganismos habitan en aguas dulces estancadas con abundante materia orgánica, como charcos y estanques. Son probablemente los seres unicelulares mejor conocidos y los protozoos ciliados más estudiados por la ciencia. El tamaño ordinario de todas las especies de paramecios es de apenas 0.5 mm y pueden causar graves enfermedades en humanos. Figura 11. Las nanopartículas de plata han demostrado tener efecto muy significativo como bactericida contra Paramecium caudatum. La plata posee propiedades antibacterianas naturales y estas propiedades son reforzadas cuando el metal forma partículas muy pequeñas con una medida de 10 a 20 nanómetros cada una. Las NPs de plata también disminuyen la necesidad de lavar los tejidos con tanta periodicidad, ya que las bacterias son destruidas y al ser tan pequeñas las partículas que ocupan los espacios de las fibras evitan la acumulación de todo tipo de suciedad y manchas. Los tejidos que no permiten la penetración de líquidos, consisten
  • 31. 31 en adherir filamentos diminutos a las fibras textiles utilizando ganchitos nanométricos. Estos filamentos impiden que los líquidos penetren la superficie de la tela (Quintili, 2012). Otro trabajo enfocado hacia la nano-biotecnología fue utilizado por primera vez en China en cultivos agrícolas en 2007, cuando NPs de 5 a 50 nm de carbono fueron empleados en la producción de nano-fertilizantes. El estudio de (Jian et al., 2009) se enfocó a determinar la eficiencia de los fertilizantes en el rábano, col, repollo, berenjena, pimientos, tomates, apio, etc. Los cultivos se establecieron y los resultados obtenidos fueron de dos años. Los datos generados mostraron que el nano fertilizante promovió el crecimiento de los cultivos, se acortó el ciclo de los cultivos pudiendo entrar en el mercado de 5 a 7 días antes de tiempo, y provocó el incremento del rendimiento de 20 a 40 %. Después de la fertilización el rábano blanco creció hasta 83 cm en 38 días, la berenjena produjo 1.2 kg en 20 días y los nano-fertilizantes pudieron mejorar la calidad del contenido de los vegetables. Análisis químicos realizados por el Centro Chino para el Control y la Prevención de Enfermedades, demostraron que el nano carbón no contenía materiales tóxicos. PANORAMA DE LA NANOTECNOLOGIA EN EL MUNDO Para tener una idea de cómo avanza el mundo en la NT, veremos algunos números relacionados a la inversión en las principales regiones del mundo. Según el National Nanotechnology Institute, entre 2003 y el 2009 las inversiones públicas y privadas de los EUA en NT crecieron un 18% anual, lo que sería de $ 2 billones USD en 2003 para $ 6,4 billones USD en 2009. Hasta entonces EUA lidera el desarrollo NT en todos los sentidos, financiado por el gobierno, el gasto de las empresas, la inversión de capital de riesgo.
  • 32. 32 Luego viene la UE (comisión europea) con aproximadamente U$ 3 billones, sin contar las inversiones de cada país individualmente. La comisión Europea propuso la atribución de 483 mil millones de euros al tema de la NC y la NT, Materiales y nuevas Tecnologías de Producción (un presupuesto total de 727,3000 millones de euros). Rusia no pretende quedarse atrás de ningún país y ya planea invertir cerca de USD $10 billones en programas de desarrollo de la NT hasta el año de 2013. Actualmente Rusia invierte aproximadamente USD $ 1 billón anual. El artículo intitulado Ranking de las Naciones sobre Nanotech: Puertos secretos y falsas amenazas, compara la innovación NT y desarrollo de tecnologías en 19 países, con la intención de informar a los políticos de los gobiernos, líderes empresariales y inversores, un mapa detallado de la NT y del desarrollo del escenario internacional. Globalmente el artículo encontró la inversión global manteniéndose constante después de la reciente crisis financiera. Mostró USD $17,6 billones de los gobiernos, corporaciones y inversionistas en 2009, lo que corresponde al aumento en 1% comparativamente con 2008 (Quintili, 2012). APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGIA EN EL AMBIENTE El medio ambiente como uno de los macro determinantes de la salud y la vida humana también sufre en la actualidad el impacto que tiene la aplicación de la NT. Surge como uno de los principales temas de interés en el cuidado de la salud humana en el universo nanotecnológico, la principal incertidumbre se genera sobre la capacidad que tiene la materia y los materiales de adquirir propiedades nuevas. Las posibilidades de tener cambios a escala nanométrica en la elasticidad, la fuerza y el color de una sustancia, su tolerancia a la temperatura, la presión y su capacidad para conducir electricidad, generan interrogantes profundos acerca de lo perjudicial que puede traer la sustancia manométricas para el medio ambiente. Cada vez más las NPs se vuelven "funcionales", en el sentido de que sus superficies se acondicionan para
  • 33. 33 desencadenar reacciones químicas o biológicas específicas. De esta manera se crean mecanismos para la administración de medicamentos a seres humanos y animales con fines específicos o para el tratamiento de los cultivos con plaguicidas y fertilizantes. Su administración con fines específicos facilita el uso más eficaz de las sustancias en cantidades muy inferiores, ya que existe la posibilidad de reducir el uso de productos químicos y materiales, en particular los que perjudican al medio ambiente. La rápida detección gracias a la NT permite una rápida respuesta, lo que minimiza los daños sobre el medio ambiente y sobre quienes nos beneficiamos de él, también reduce los costos de eliminación de la contaminación. Algunos materiales nanoestructurados podrían purificar el agua corriente y subterránea, esta es una realidad, ya que se dispone comercialmente de membranas nanoporosas que filtran los agentes patógenos y otros materiales indeseables (Kumara et al., 2011). Algunos científicos proponen el uso de lo que es llamado la síntesis verde u orgánica para producir NPs de hierro y oro como reductores químicos para descontaminar el agua. En este proceso, el hierro, sustancia que existe en la naturaleza, oxida y se oxida; aprovechando la gran superficie de las NPs. Los nanocristales de hierro magnetizado se utilizan para eliminar el arsénico del agua potable. Existen informes que apuntan a que este método reduce en más de cien veces, la cantidad de desechos producidos por las técnicas estándar (Vijayakumar et al., 2011). Otro método innovador supone la impregnación de la superficie de las partículas de óxido de hierro con moléculas que selectivamente crean enlaces con moléculas o iones contaminantes. Al introducirlas en el agua resultaría en la atracción del contaminante por parte de las partículas impregnadas y por medio de un campo magnético se concentran captando los pares atrapados. Hoy en día existen muchas otras investigaciones y aplicaciones que establecen la nanotecnología como un medio para limpiar el medioambiente contaminado, lo que contribuiría a una interacción más "sana"
  • 34. 34 del ser humano con el medio ambiente, donde el medio ambiente no se vea afectado por las acciones industriales y tecnológicas que el ser humano realiza, favoreciéndose de la interacción con los recursos naturales en busca de un beneficio y bienestar propios (Ghoreishi et al., 2011). Varias tecnologías, entre ellas los catalizadores nanoestructurados para pilas de combustible y los materiales perfeccionados de los electrodos en acumuladores de iones de litio y las pilas fotovoltaicas avanzadas de silicona nanoporosa y TiO2, pueden aumentar el rendimiento de las actuales fuentes de energía y reducir las emisiones de dióxido de carbono. Los revestimientos a NE ópticamente selectivos pueden reducir el consumo de energía y al mismo tiempo mejorar la calidad del aire en interiores. Son importantes las posibilidades de ahorrar recursos que ofrece la NT; en la etapa de producción permite reducir el uso de materiales que dejan una gran "huella en el medio ambiente" sustituyéndolos por otros de menor impacto, como por ejemplo la sustitución del silicio, que actualmente se utiliza para la fabricación de componentes electrónicos, por el nanotubo. Con esto lo que se promueve un uso más eficaz de las materias primas, lo que ofrece como fin último la conservación del medio ambiente, quien es el principal proveedor. Las investigaciones actuales apuntan hacia la producción de materiales nanoestructurados a partir de fuentes renovables o abundantes (por ejemplo, la sustitución de metales preciosos por nanoproductos a base de carbono). Las estrategias dinámicas de recuperación o reciclado de nanomateriales serían la forma más efectiva para la sostenibilidad de los recursos naturales (Kumar et al., 2012). Los organismos públicos y privados no han tardado en reconocer los evidentes beneficios de la nanotecnología para el medio ambiente, aunque hacen falta calcular los costos totales de este moderno sector, y el ciclo de vida de los productos. Por ejemplo, muchos materiales nanoestructurados ahorran energía durante su utilización, pero su manufactura puede consumir mucha energía. Los análisis de beneficios en función de los
  • 35. 35 costos deben tener en cuenta el verdadero impacto ambiental de estos materiales, además se deben investigar en todos sus aspectos el destino y el transporte de las nanopartículas que se escapan al medio ambiente y tienen sus repercusiones con todo ente biológico que esté en interacción (Quitilini, 2012). RIESGOS DE LA NANOTECNOLOGIA EN EL MEDIO AMBIENTE Las nuevas tecnologías (en su gran mayoría) se producen y aplican sin pasar por una investigación que exponga los posibles efectos a corto y largo plazo de dicha tecnología sobre el medio ambiente. La NT no es caso exento, ya que éstas pueden presentar riesgos potenciales específicos, los cuales exigen un minucioso estudio y evaluación. Uno de los elementos que demuestra el riesgo de la materia manipulada a escala nano, es que aunque la cantidad de materia utilizada para un proceso nanotecnológico sea mínima, el tamaño de las partículas sigue siendo mucho menor, lo suficiente como para penetrar la piel (Cobb y Macoubrie, 2004). Estas partículas en contacto con el medio que le rodea lograrían tener infinidad de reacciones dependiendo la NPs, el medio (agua, aire, suelo), y las condiciones (temperatura, frío, otras NPs etc.). Esas NPs en dichos medios y condiciones, son la preocupación y el objeto de estudio en la investigación del impacto que podría resultar de la interacción de las NPs con el medio ambiente y con el ser humano. Se resalta la importancia de multiplicar la investigación sobre las posibles consecuencias de las NT para determinar las substancias que podrían ser nocivas para el medio ambiente (Melkonyan y Kozyrev, 2009). Esta recomendación precisa el compromiso de investigadores, industriales y organismos públicos, se hace necesario que el gobierno intervenga por medio de políticas para regular en el campo de la salud y del medio ambiente y que se establezcan mecanismos necesarios para la evaluación de la toxicidad de los procesos y de los
  • 36. 36 productos que contengan NT como requisito anterior a la autorización de su comercialización (Myskja, 2011). Se recomienda poner a consideración y determinar la implementación de medidas de prevención adecuadas y relacionadas con el conocimiento del ciclo de vida de los productos que portan las NT, y como éstos contribuirán a proteger la salud y la seguridad alimentaria y sean partícipes en el desarrollo responsable del sector agropecuario. También se hace necesario que los actores implicados en los sistemas de producción agroindustrial, establezcan un sistema de vigilancia permanente de los efectos potenciales de los productos que contengan NT sobre el medio ambiente y las personas, especialmente cuando no sea posible calcular los efectos antes de su comercialización (Quintili, 2012). El consumo mundial de materiales plásticos en la agricultura es de 6.5 millones de toneladas anuales, a fin de mejorar los cultivos y proteger los productos agrícolas cultivando en invernaderos, túneles, acolchados, mallas plásticas, bolis en hidroponía (Bonora, 2003; Jouét, 2001). Por lo tanto, hay una enorme cantidad de plásticos desechados en el medio ambiente, enterrados en el suelo o quemados por los agricultores que liberan sustancias nocivas con las consecuencias negativas asociadas al medio ambiente (Scarascia et al., 2006). Una solución a este problema puede ser la introducción en la agricultura de películas biodegradables, que se puede poner directamente en el suelo o en un compostaje al final de su vida útil. Cuando las materias primas biodegradables mezcladas con algunos aditivos nanogrado tales como TiO₂ y capas de silicato resultó en bio-NC o película que exhibe muchas ventajas como las siguientes: • La biodegradación en el suelo debido a la acción de microorganismos tales como bacterias, hongos y algas. • La degradación por la luz del sol y el agua. • Son resistentes a los plaguicidas.
  • 37. 37 • Tienen sustancias activas para controlar los insectos. • Controla la degradación de suelos • Mejora las propiedades ópticas como ultravioleta, visible, infrarroja. • Renueva los recursos anualmente. Hasta ahora, los materiales degradables o biodegradables han sido probados ampliamente en ensayos de campo en diferentes países y para diferentes cultivos. Se han obtenido resultados exitosos en maíz, melón, fresas, y algodón aplicados en acolchados. El uso de materiales biodegradables en la agricultura puede promover el desarrollo sostenible y el medio ambiente reduciendo la contaminación del suelo, evitando la contaminación en las zonas rurales, utilizando materias primas, tales como el almidón (Ruixiang et al., 2008). Se trabajó dando un enfoque verde que genera grandes cantidades de NC que contienen metales de transición tales como Cu, Ag, In, Fe a temperatura ambiente usando un polímero biodegradable, carboximetil celulosa (CMC), por reacción de sales de metales respectivos con la sal de sodio de CMC en medios acuosos. Estos NCs exhiben temperaturas de descomposición más amplios en comparación con el control de CMC, NC de CMC y de Ag exhiben una propiedad luminiscente de longitudes de onda más largas. Una nueva herramienta para el control de enfermedades en humanos y plantas es mediante el uso de la NT y específicamente con el uso de NPs, ya que se ha demostrado que diversos materiales logran la inhibición del crecimiento de microorganismos patogénicos de humanos (Betancourt et al., 2013) y de algunos fitopatógenos. CONCLUSIONES La NT es la manipulación de materiales y de organismos vivos a la escala de los átomos y las moléculas. Esta tecnología se utilizará para manipular semillas y modificar sus características, teóricamente sin modificar los genes hereditarios. La NT se utilizará además para reformular al nivel de los átomos los insumos que se utilizan a nivel
  • 38. 38 parcelario, incluidos fertilizantes, herbicidas y pesticidas. La NT en el entorno de la agricultura sustentable se considera que también se utilizará para producir moléculas con propiedades antimicrobiales y que eventualmente pudiesen sustituir a agroquímicos sintéticos de alto impacto ambiental. También podrán ser empleadas para fabricar comida que pueda comercializarse por sus propiedades saludables, y para producir alimentos inteligentes con el fin de alargar de una forma espectacular su fecha de caducidad y permitir así que se transporten a mayores distancias y se almacenen por mas tiempo. La nano vigilancia permitirá llevar a cabo un seguimiento de los alimentos desde el campo, pasando por la cadena de procesamiento, hasta los supermercados e incluso más allá. La NT es una industria en rápida expansión. A pesar de ello, dada la ausencia de una normativa de etiquetaje de productos obligatoria a nivel mundial es imposible determinar el número de productos alimenticios comercializados que contienen nanoingredientes. El grupo asesor Helmut Kaiser Consultancy Group, un analista pro NT, afirma que en la actualidad en todo el mundo hay más de 300 nanoproductos alimenticios disponibles en el mercado. A pesar de todo esto, la NT también tiene sus detractores que argumentan que la NT no es una panacea como aparenta ser, ya que se señalan que La NT representa una oportunidad sin precedentes para una concentración todavía mayor del control corporativo de empresas multinacionales. Además, introduce riesgos nuevos y más graves para la salud humana y para el medio ambiente. Sin embargo, ante la ausencia de un debate público y el descuido por parte de los organismos reguladores, ya se han introducido en el mercado algunos alimentos sin etiquetar que han sido producidos usando la NT. Es por eso que habrá que seguir investigando mucho más para poder responder a todos esos cuestionamientos.
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