El quitosano puede desempeñar un papel fundamental en la producción agrícola moderna y ser una valiosa fuente para promover la sostenibilidad de los ecosistemas agrícolas. Las futuras propuestas se basarán en los logros actuales y en las deficiencias detectadas. Además, el quitosano contribuye significativamente a la reducción de la contaminación por fertilizantes y al control de plagas y patógenos en la agricultura actual.
La abrumadora demanda de alimentos, acorde con el constante aumento de la población mundial, ha impulsado la búsqueda de métodos para producir alimentos suficientes mediante la agricultura sostenible, con el fin de satisfacer las necesidades nutricionales actuales de los consumidores. Los fertilizantes son fundamentales para aportar nutrientes a las plantas y producir cosechas de alta calidad que garanticen la seguridad alimentaria. Asimismo, los plaguicidas son sustancias químicas utilizadas para eliminar plagas y patógenos. Sin embargo, los fertilizantes y plaguicidas también se consideran contaminantes agrícolas. La contaminación se ha convertido en un desafío considerable en los países industrializados avanzados en comparación con los países en desarrollo. La disponibilidad de agua dulce se ve afectada por el vertido de efluentes agrícolas, peligrosos para todos los seres vivos.
El sector agrícola se ha convertido en uno de los principales causantes de daños a la biodiversidad, con una creciente influencia debido a la alteración de los patrones de consumo y al aumento de la población, lo que se traduce en la transformación de los hábitats naturales en sistemas sumamente complejos y en la descarga de contaminantes y gases de efecto invernadero. Un porcentaje considerable de contaminantes orgánicos se infiltra en el suelo, al igual que diversas sustancias tóxicas fabricadas.
Además, el uso masivo de plaguicidas químicos extremadamente destructivos tiene un impacto drástico en la salud humana y los ecosistemas. Estos químicos pueden depositarse, adsorberse y lixiviarse, lo que provoca una acumulación masiva en las partículas del suelo, las moléculas biológicas y la transmutación metabólica de los microorganismos. Los agricultores siguen utilizando grandes cantidades de agroquímicos (plaguicidas, fertilizantes y organometálicos), lo que agrava problemas importantes como la contaminación del aire, la toxicidad del suelo, la degradación agrícola, la acumulación de residuos y la tolerancia a los plaguicidas en plagas y microorganismos.
La agricultura ecológica es un sistema agrícola moderno y viable que ofrece productos frescos y naturales a los consumidores. Con la perspectiva de un retorno a la naturaleza mediante el progreso científico y técnico para mejorar la calidad de vida, se han comenzado a buscar soluciones para mitigar la contaminación ambiental. Los investigadores buscan crear productos limpios y asequibles que sean suaves pero efectivos. Recientemente, se han introducido diversos polímeros. Se están investigando metodologías innovadoras para controlar la liberación de fertilizantes y pesticidas, con el fin de lograr una agricultura óptima y reducir los diversos impactos nocivos de estas sustancias.
La adopción de diversos polisacáridos como métodos de liberación ha presentado ventajas considerables, como biocompatibilidad, no toxicidad, afinidad con biomoléculas, excelente formulación y liberación sostenida, entre otras. Sin embargo, otros problemas comunes en la investigación agrícola son las enfermedades y plagas, el desperdicio de nutrientes, la producción insuficiente de cultivos debido a la escasez de agua, el uso de fertilizantes (nitrógenos, fosfóricos, potásicos y organometálicos) y la aplicación incorrecta de plaguicidas. Para abordar los problemas derivados del uso excesivo de agroquímicos sintéticos, resulta fundamental desarrollar prácticas alternativas que permitan un uso seguro y productivo de estos productos químicos.
Numerosos investigadores han asumido que restringir la distribución de nutrientes mediante materiales biodegradables y el rápido desarrollo de nanomateriales inteligentes puede desempeñar un papel fundamental en el desarrollo de las actividades agrícolas, considerando los últimos avances en nanotecnología, como el recubrimiento de agroquímicos (fertilizantes, pesticidas y herbicidas) (Figura 1), lo que podría proporcionar una plataforma increíble para su uso. Actualmente, la adopción de nanotransportadores y nanosensores ha atraído el interés de grupos de investigación de diversas áreas de las ciencias vegetales; por lo tanto, se están realizando importantes contribuciones científicas para mejorar la formulación de nanotransportadores basados en biopolímeros. Los científicos parecen estar ansiosos por descubrir las capacidades de los nanomateriales que los hacen tan convenientes para promover la productividad de los cultivos.
El quitosano es un polímero policatiónico sintetizado por desacetilación de la quitina (un material estructural presente en numerosos invertebrados) que se acumula comúnmente en los exoesqueletos de crustáceos, especialmente camarones y cangrejos, así como en las paredes celulares de hongos y levaduras y en las espinas de diatomeas. Debido a su relativa hidrofobicidad, es prácticamente insoluble en agua y diversos disolventes orgánicos. Esto genera un enorme potencial y una gran demanda de reguladores del crecimiento vegetal ventajosos y respetuosos con el medio ambiente en la agricultura.
Uso del quitosano como fertilizante de liberación controlada
La aplicación indiscriminada de fertilizantes químicos es un grave problema a nivel mundial. La aplicación racional de fertilizantes y el aumento de la capacidad de utilización de nutrientes, limitando al mismo tiempo la toxicidad, dependen del suministro de nutrientes a las necesidades de la planta y de una absorción sostenida de los mismos. Los fertilizantes de liberación controlada (FRC) se caracterizan por la liberación retardada de nutrientes durante un período limitado. Sin embargo, aspectos como la duración de la liberación pueden verse afectados significativamente por factores como el almacenamiento, el transporte, el suministro en el campo, la humedad del suelo y la actividad biológica.
Recientemente, la aplicación del quitosano en fertilizantes de liberación controlada se encuentra aún en una etapa inicial. Sin embargo, puede ser un fertilizante excelente gracias a su biodegradabilidad, respeto al medio ambiente y otras características destacables. Además, la estructura porosa de su superficie favorece la permeación de agua y nutrientes. Las microesferas de liberación controlada, elaboradas con quitosano y cargadas con nitrógeno, se liberan lentamente en el suelo para satisfacer las necesidades nutricionales de las plantas en sus distintas etapas, mejorando así la tasa de utilización del fertilizante y reduciendo las pérdidas de fertilizantes químicos.
Preparación y formulación de CRF
Las nanopartículas de quitosano se sintetizaron inicialmente en 1994, aplicando la técnica de emulsificación y reticulación utilizada como portador de fármacos. Posteriormente, se desarrollaron diversas tecnologías como la gelificación iónica, el método de micelas inversas, la precipitación, el tamizado, la coalescencia de gotas de emulsión y el secado por aspersión. Estas tecnologías ya se han desarrollado para fines agrícolas. El mecanismo y la función determinan principalmente las metodologías de preparación; por ejemplo, la velocidad de liberación de dichos componentes activos suele estar determinada por el tamaño y la morfología de los nanocompuestos, el rendimiento termomecánico y el nivel de efectos de materiales peligrosos de los residuos degradables. Las técnicas de liberación controlada basadas en quitosano se utilizan principalmente como aplicación de liberación controlada.
Algunos estudios han determinado que la capacidad de absorción de agua del CRF recubierto con quitosano influye en sus características de distribución. Si bien se ha observado que el quitosano posee una gran biodegradabilidad, según la velocidad de liberación retardada de los enlaces poliméricos, presenta un potencial de hinchamiento reducido al formar un hidrogel. Sin embargo, la combinación de quitosano con diversos materiales poliméricos hidrofílicos mejora su capacidad de absorción de agua en estado de gel.
El método de emulsificación y reticulación es una metodología excelente para preparar CRF, estabilizar una estructura de partículas y modificar las características de liberación controlada de dicha partícula. La modificación del grado de reticulación en una partícula altera la permeabilidad de los fertilizantes a través de ella. La reticulación mejora la estabilidad mecánica de la partícula resultante o de las microesferas de quitosano (fertilizantes cargados) mediante el uso de una nanoemulsión. El procedimiento se lleva a cabo con la emulsión de la solución de quitosano en una gota de aceite (emulsión de agua en aceite). Los surfactantes suficientes estabilizan inicialmente la fase de quitosano antes de combinarla con un agente reticulante apropiado (por ejemplo, formaldehído, glutaraldehído, genipina, glioxal, etc.). Después de eso, los fertilizantes de liberación controlada a base de microesferas de quitosano deben lavarse y secarse Figura 2.
Mecanismo de liberación controlada de CRF
Es importante comprender el proceso de liberación controlada, que sería la evaluación directa del rendimiento de un fertilizante de liberación controlada (FRC). En términos generales, el sistema de liberación controlada es difícil de concebir porque depende de varios factores, como la composición de los materiales de recubrimiento, el tipo de FRC, el contexto agrícola, entre otros. Los FRC a base de hidrogel de quitosano pueden mejorar la retención de agua en el suelo. Los polímeros hidrofílicos que constituyen los hidrogeles (por ejemplo, el alcohol polivinílico) liberan compuestos químicos activos por difusión, mientras que el quitosano libera componentes activos por degradación y difusión. Es inusual observar una liberación repentina de componentes activos de las partículas, que normalmente los distribuyen durante la difusión o la degradación.
Esto ocurre en respuesta a la adsorción de sustancias activas en las partes externas de las partículas. Cuando esta liberación se agota, se observa una liberación sostenida que aumenta a medida que la matriz de partículas se degrada. Se utilizaron partículas de quitosano-alcohol polivinílico (PVA) sintetizadas para evaluar la liberación del componente activo en diversas situaciones. Los investigadores determinaron la liberación controlada por difusión mediante el estudio de la interacción lineal entre la cantidad de componente activo liberado y la raíz cuadrada del tiempo.
Los fertilizantes de liberación controlada desarrollados con hidrogeles de quitosano presentan un proceso de difusión cuasi-Fickiano que controla la cinética de liberación de potasio y la absorción de agua. Se observa una fuerte correlación entre la cantidad de fármaco liberado y la raíz cuadrada de la duración, lo que indica que la liberación del fármaco a través de las microcápsulas está controlada por difusión y sigue las ecuaciones de Higuchi.
La conexión entre la degradación de la matriz y la cinética de liberación de indometacina a través de micropartículas de quitosano. Se ha revelado que el tiempo de retención del quitosano dentro de las microcápsulas y el pH del medio liberado están interrelacionados con la cinética de liberación. La evaluación de la descarga in vitro de nanopartículas de quitosano cargadas con fármacos, la información de hinchamiento dinámico de las nanopartículas de quitosano, indicó que el hinchamiento de las nanopartículas de quitosano se reduce a medida que se acumula el entrecruzamiento. La respuesta de expansión de los hidrogeles de quitosano/poli(alcohol vinílico) como un factor de pH, formulaciones poliméricas y grados de entrecruzamiento.
Fertilizantes controlados físicamente
El quitosano y sus compuestos se presentan en diversas formas físicas, como resinas, microesferas, hidrogeles, membranas y fibras. La variedad de una forma física específica depende de la configuración del sistema para aplicaciones limitadas. La determinación de la forma física preferida para cada variedad de quitosano comienza con la mezcla de los componentes en estado líquido y la aplicación del método de conformación adecuado.
El desarrollo de fertilizantes recubiertos ha aumentado progresivamente en la década actual, y el 95 % de ellos son de liberación controlada. Los fertilizantes matriciales, también conocidos como fertilizantes de liberación controlada de tipo físico, son únicos, de bajo costo y de liberación controlada. Los avances actuales en fertilizantes han aumentado progresivamente, y el 95 % de ellos son fertilizantes de liberación controlada. Los fertilizantes matriciales también se clasifican como un tipo físico de fertilizante de liberación controlada con propiedades únicas, de bajo costo y de liberación controlada.
Fertilizantes controlados químicamente
Los fertilizantes de liberación controlada químicamente pueden retrasar su liberación al prevenir la descomposición del fertilizante o la transformación de nutrientes mediante actividad química. El tipo químico de fertilizante de liberación controlada se divide en dos categorías: fertilizantes con enlaces químicos y fertilizantes con inhibición química. Esta categoría de fertilizante de liberación lenta tiene un impacto más significativo, pero su costo es comparativamente más alto. Los fertilizantes con enlaces químicos permiten que los fertilizantes mezclados con uno o más componentes químicos mediante enlaces cruzados o iónicos desarrollen una sustancia parcialmente soluble o insoluble.
Proporciona los nutrientes necesarios a través de las raíces de las plantas y la actividad biológica. La cantidad de recursos se ha evaluado a menudo mediante el tamaño de las partículas y el contenido de agua en todo el suelo; los fertilizantes químicamente controlados liberan nitrógeno que puede incorporarse a sustancias controladas. Se utilizan ampliamente los inhibidores de la ureasa y los nitrificadores, que reducen la hidrólisis de la urea, aunque estos últimos inactivan la nitrificación del amonio y de diversas fuentes.
Fertilizante de liberación controlada con quitosano que retiene agua
El fertilizante de liberación controlada con retención de agua es un producto de alta tecnología que combina agentes retenedores de agua con la teoría moderna de la fertilización y la tecnología de liberación controlada para determinar la tasa de suministro de nutrientes y el período de efectividad del fertilizante. Actualmente, la mayoría de los fertilizantes de liberación controlada con retención de agua disponibles en el mercado están recubiertos con agentes retenedores de agua. Las microesferas presentes en el recubrimiento se utilizan para lograr la liberación controlada de nutrientes.
Conclusión
En conclusión, el quitosano se destaca como un biopolímero multifuncional, biodegradable y no tóxico que ofrece una vía prometedora hacia prácticas agrícolas más sostenibles y respetuosas con el medio ambiente. Su aplicación como portador de fertilizantes de liberación controlada no solo mejora la eficiencia en el uso de nutrientes y reduce la frecuencia de las aplicaciones agroquímicas, sino que también mitiga los graves riesgos ecológicos y para la salud asociados con el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas sintéticos.
A pesar de los avances alentadores en las formulaciones a base de quitosano —desde hidrogeles y microesferas hasta nanocompuestos—, persisten importantes desafíos. Estos incluyen aumentar la producción, estandarizar los métodos de preparación, reducir los costos y adaptar las formulaciones a diversos tipos de suelo y condiciones climáticas. La investigación futura debería priorizar los ensayos a escala de campo, las evaluaciones de seguridad ecológica a largo plazo y la integración del quitosano con tecnologías de detección inteligente para la agricultura de precisión.
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