Sachets de almidón liberan fertilizante de forma controlada y pueden sustituir polímeros derivados del petróleo

Envoltorios reforzados con nanopartículas pueden rellenarse con diversas formulaciones de productos granulados necesarios para los cultivos, una versatilidad que facilita su aplicación por la agroindustria

Por Karina Ninni  |  Agência FAPESP – Una innovación con gran potencial para sustituir los polímeros utilizados en fertilizantes para el suelo viene siendo desarrollada en São Carlos, en el estado de São Paulo (Brasil), mediante una colaboración entre el Laboratorio Nacional de Nanotecnología para el Agronegocio (LNNA) de Embrapa Instrumentación (una de las unidades descentralizadas de la Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria – Embrapa) y la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). Se trata de sachets de almidón reforzados con nanopartículas que contienen fertilizantes en polvo o granulados. El almidón es un polímero biodegradable y, en forma de sachet, puede rellenarse con una mezcla variada de nutrientes indispensables para los cultivos.

“Hay nutrientes esenciales e insustituibles para la planta, como el trío nitrógeno, fósforo y potasio [NPK], que suelen aplicarse al suelo en forma de un compuesto altamente soluble, la sal cloruro de potasio. El agricultor generalmente aplica en el campo una cantidad elevada para garantizar la absorción. Sin embargo, la planta cultivada no logra absorber de inmediato todo ese fertilizante”, explica el químico João Otávio Donizette Malafatti. “Ese exceso se convierte en una pérdida económica y puede contaminar el entorno adyacente. Los sachets buscan controlar la liberación para que la planta se alimente gradualmente. En ese sentido, modulamos diferentes tipos de sachets según los nutrientes que vamos a añadir en su interior”.

Supervisado por la investigadora de Embrapa Instrumentación Elaine Cristina Paris, Malafatti es el primer autor de un artículo publicado en el Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials sobre el trabajo. Paris es investigadora del Programa de Posgrado en Química (PPGQ) de la UFSCar.

Malafatti desarrolló sachets de almidón procesados con urea y ácido cítrico y reforzados con zeolita rica en iones de cobre. La zeolita es un mineral poroso conocido por su alta capacidad de adsorción de iones en general, como el cobre.

“El almidón es un material susceptible a la degradación. Por ello, es necesaria una formulación para que los sachets preserven sus características hasta llegar al destino, en el suelo. En este proceso, los iones de cobre presentes en la zeolita cumplen una doble función: presentan una elevada propiedad antimicrobiana, tanto frente a hongos como a bacterias, controlando el crecimiento de microorganismos y, además, actúan como fuente de micronutriente mineral, que posteriormente es absorbido por las raíces”. En el estudio, la presencia de cobre controló el crecimiento del hongo Alternaria alternata, ejemplifica Malafatti. “Lo que se busca es un equilibrio entre la preservación de los sachets en la aplicación final, en el suelo, y la posterior disponibilidad de su contenido al medio externo”.

Resistencia y estabilidad

Según los investigadores, los polímeros biodegradables basados en matrices de almidón aún deben superar ciertos desafíos en comparación con sus equivalentes derivados del petróleo, principalmente en lo que respecta a la resistencia mecánica y a la estabilidad a lo largo del tiempo. Por ello, la investigación busca desarrollar formulaciones capaces de mejorar estas propiedades.

En el estudio, el grupo evaluó diversas concentraciones de zeolita y alcanzó un valor máximo del 3 % en relación con el almidón, obteniendo una ganancia significativa de resistencia mecánica. Por encima de ese límite, las partículas tienden a aglomerarse, debilitando la película. La zeolita, además de liberar nutrientes, cumple otra función en períodos de sequía. “Puede almacenar agua, por ser muy porosa e hidrofílica, es decir, presenta una alta afinidad con las moléculas de agua”, explica Paris. La investigadora compara el sachet con una bolsita de té, en la que se añade el fertilizante granulado.

El trabajo contó con el apoyo de la FAPESP mediante becas de iniciación científica, posdoctorado en Brasil y en el exterior.

Versatilidad

Según los científicos, los sachets constituyen un sistema versátil, ya que pueden tanto contribuir a aumentar la solubilidad de los fertilizantes almacenados en su interior como ayudar a controlar la liberación de fuentes altamente solubles, con el objetivo de reducir la pérdida de fertilizantes por dispersión aérea y por lixiviación provocada por las lluvias.

En un trabajo anterior, también supervisado por Paris, la estudiante de doctorado de la UFSCar Camila Rodrigues Sciena utilizó un candidato a fertilizante, la hidroxiapatita —fuente de fósforo—, con el objetivo de aumentar su solubilidad. Los científicos encontraron una vía: la acidificación del medio, mediante el uso de pectina en la composición de los sachets de almidón que, asociada a la hidroxiapatita nanoparticulada, promovió un aumento de la solubilidad.

“Con el agua, el almidón se vuelve gelatinoso y retiene el fertilizante en el suelo disponible para la planta, de modo que puede minimizar pérdidas futuras por lluvia o viento. El objetivo es reducir la percolación [paso del agua a través del material poroso, generando la extracción de los compuestos] y el arrastre del fertilizante particulado dentro del sachet”, explica Sciena.

En el caso del trabajo de Malafatti, el grupo está trabajando con un fertilizante altamente soluble que, en contacto con el agua, se disuelve rápidamente. “En este caso, la intención es que el fertilizante se disponibilice de forma gradual, evitando pérdidas por lixiviación o dispersión aérea. Se trata de una liberación sostenida, que dependerá de la formulación de los sachets”, señala Paris.

Para probar la capacidad de liberación de los nutrientes, los sachets se mantuvieron en medio acuoso durante 30 días. Los resultados del experimento demostraron una liberación parcial de iones de cobre (7 mg L⁻¹) y de urea (300 mg L⁻¹). Las propiedades hidrofílicas de los sachets favorecieron el contacto con el medio externo, ayudando a la permeación del agua y a la liberación del cloruro de potasio. “Los sachets obtenidos podrían minimizar las pérdidas en la aplicación de fertilizantes, además de controlar la cantidad de nutriente que estaría en contacto con el suelo”, afirman los autores.

También se realizaron pruebas de solubilidad y citotoxicidad de la zeolita de cobre, con el fin de determinar sus propiedades y su posible interacción con el ambiente tras la liberación de los sachets. Los resultados de las pruebas de citotoxicidad, realizadas sobre el crecimiento de raíces de berro, sugieren un 92 % de viabilidad de germinación en el desarrollo de la planta después de una hora de exposición a la zeolita, lo que indica que puede aplicarse para uso agrícola. Para verificar la disponibilidad del cobre, se realizaron pruebas de solubilidad en agua (pH neutro) y en ácido cítrico. La eficacia de la desorción (proceso mediante el cual una sustancia se libera de la masa o de la superficie de otra sustancia) del cobre aumenta en medio ácido, observándose un incremento del 5 % al 45 % del total esperado.

Costos y personalización

Según Paris, las investigaciones actuales buscan alternativas para abaratar procesos y materiales destinados a la liberación prolongada de fertilizantes. “El almidón es una materia prima prometedora, aunque la adición de componentes extra puede influir en el costo final del material. En el trabajo de Malafatti no utilizamos almidón proveniente de otras fuentes, como residuos, por ejemplo. Se trata de un almidón comercial”, explica la investigadora. “Pero para la fertilización del suelo no es necesario que sea un almidón de alta pureza, como el utilizado en la industria alimentaria. Por eso, el objetivo es intentar abaratarlo al máximo para que la agroindustria pueda incorporarlo. De este modo, los sachets tienen un mayor potencial de ser efectivamente introducidos en el mercado, contribuyendo al avance de tecnologías en la agricultura”.

Otra ventaja es que el fertilizante añadido no afecta el procesamiento del sachet en su formulación o formato. “Cualquier fertilizante granulado o particulado puede incorporarse al sachet, otro punto positivo para su adopción por la industria”, destaca Malafatti. Además, el sachet evita la manipulación directa de los fertilizantes en forma particulada por parte de los trabajadores del sector agrícola.

Según Paris, la tecnología aún se encuentra a escala de laboratorio. La aplicación inmediata se daría en paisajismo, jardinería, hidroponía o en casas de vegetación (invernaderos). Para grandes producciones agrícolas son necesarias optimizaciones de escalado y de viabilidad económica, que constituyen las próximas etapas planificadas por el grupo.

Sciena recuerda que el envoltorio puede utilizarse para distintos cultivos. “La uva tiene necesidades diferentes a las del tomate, por ejemplo. Es una especie de fertilización personalizada, en la que se puede ajustar una mezcla de nutrientes deseables y también el tipo de sachet: uno más ácido, para potenciar la solubilización de fertilizantes poco solubles, y otro menos ácido, para solubilizar lentamente fertilizantes que ya son solubles”, resume.

El artículo Copper-modified faujasite zeolite reinforcement in biodegradable starch sachets for potassium fertilizer releasing puede leerse en: link.springer.com/article/10.1007/s10904-025-03655-1.