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

Con las prácticas actuales, hasta el 95 por ciento de los micronutrientes aplicados y el 99,9 por ciento de los plaguicidas aplicados nunca llegan a su destino y se desperdician. Se acumulan en el suelo o se escurren al agua subterránea y causan daños ambientales colaterales. degradar el suelo, y desperdiciar el agua y la energía utilizadas en su producción y aplicación.

Si los productores pudieran aplicar algo a la hoja que pudiera viajar directamente a la raíz, podría cambiar las reglas del juego para la entrega de nutrientes, antibióticos y pesticidas de una manera casi 100% eficiente. Profesor de Ingeniería Civil y Ambiental Greg Lowry, investigadora postdoctoral Astrid Avellan, y un equipo de investigadores ha descubierto con éxito una forma de aplicar nanopartículas a las hojas de las plantas para que viajen a través de la planta hasta la raíz. Sus resultados se publican en una reciente ACS Nano papel.

"Los resultados de nuestro papel realmente tienen el potencial de transformar la forma en que entregamos agroquímicos a las plantas, "dijo Lowry.

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

El equipo de investigación roció nanopartículas de oro con una capa 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 susceptibles a las deficiencias de nutrientes.

Una vez que las nanopartículas se rocían sobre la hoja, se mueven por la cutícula, que es la capa exterior cerosa que cubre la hoja. Luego, atraviesa la epidermis. La cutícula y la epidermis son capas que protegen la hoja de daños, prevenir la pérdida de agua, y permitir el intercambio de gases para que la planta respire. La nanopartícula luego se abre paso hacia el tejido interno de la hoja, o mesófilo. Finalmente, se mueve hacia la vasculatura de la planta, o las venas de la planta. Desde allí puede viajar hasta el tallo hasta la raíz, o hasta hojas más altas.

Por primera vez, los investigadores demostraron que una vez que llegan a las raíces, las nanopartículas pueden exudarse al suelo, adhiriéndose al microambiente que se adhiere a las raíces llamado rizosfera. La rizosfera es donde la planta interactúa con el suelo, toma nutrientes, libera pequeños ácidos, dióxido de carbono, y proteínas, y donde las bacterias y hongos pueden ingresar a la planta. Los únicos métodos disponibles actualmente para tratar una rizosfera no 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 por ciento eficiente que puede disminuir la cantidad de químicos necesarios, bajar 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 haya en el planeta para 2050. Por ejemplo, las plantas de trigo que crecen en suelos deficientes en zinc se vuelven amarillas y la producción de cultivos disminuye a medida que las plantas comienzan a morir. Pero si pudiera distribuir nanopartículas de óxido de zinc a través de las hojas para llegar a la raíz, podrían exudarse en el suelo y hacer que tanto el suelo como la planta estén sanos.

Los agricultores también podrían entregar antibióticos a la planta. Una vez que una planta introduce bacterias en su vasculatura, poco se puede hacer para salvarlo. Pero si las nanopartículas de antibióticos pudieran pasar a través de las hojas para entrar en la vasculatura, podrían prevenir o tratar enfermedades bacterianas sistémicas.

Las nanopartículas también son más efectivas que las sustancias químicas porque los ingenieros pueden diseñarlas para que tengan propiedades específicas. Por ejemplo, podrían diseñar una nanopartícula que se adhiera a una hoja sin gotear cuando llueve. O pueden diseñar el recubrimiento en el exterior de la partícula para que responda a la humedad o la luz. También es posible diseñar nanopartículas que se utilizarán en menos cantidades y que sean mejores tanto para el medio ambiente como para la salud humana que los agroquímicos convencionales que se utilizan actualmente. Las posibilidades son infinitas, y este es un primer paso importante.

La entrega de nanopartículas en las plantas de una manera 100 por ciento eficiente es parte de los objetivos más amplios de Lowry de agricultura eficiente en el uso de átomos (donde cada átomo que se coloca en los cultivos se usa y no se desperdicia) y la lucha contra los desafíos sociales como la inseguridad alimentaria.

"Estamos en este punto en el que tenemos que cultivar un 80 por ciento más de alimentos, en la misma cantidad de tierra, con menos contaminación resultante de ello, ", dijo Lowry." Eso va a requerir un cambio de paradigma en la forma en que hacemos agricultura, y eso es lo que estamos tratando de ayudar ".