058 ACTIBIOMULCH

ActiBioMulch desarrolla un acolchado agrícola con compuestos activos que permiten resistir a patógenos

El acolchamiento o “mulching” se realiza habitualmente con plásticos no biodegradables y sin propiedades bioactivas / Fuente: LBM 1948 en Wikimedia Commons

El objetivo de ActiBioMulch es desarrollar un film sostenible y activo. El proyecto, cuyo investigador principal es Luis Cabedo Más de la Universitat Jaume I de Castelló, pretende formular y producir una película de origen vegetal, biodegradable y agrocompostable, que se pueda utilizar como acolchado o mantillo (“mulch”) en las explotaciones agrícolas. Para dotar al producto de mayor utilidad, están estudiando cómo encapsular y liberar agentes activos inductores de la respuesta inmune vegetal. El film generado permitirá sustituir plásticos convencionales y reducir el uso de productos fitosanitarios, constituyentes ambos de problemas ambientales de actualidad.

Para desarrollar un film apto para la agricultura es vital investigar su composición, propiedades y posibles residuos. Para hallar la mejor formulación, el equipo investigador emplea técnicas de mezclado en fundido. Las formulaciones que resulten seleccionadas se procesarán en forma de film mediante extrusión, de forma que se pueda evaluar si el film es procesable a escala industrial cuando el proyecto haya finalizado. También se está estudiando la formulación que pueda ser la más ventajosa y que permita buenas propiedades mecánicas para el material. Además, se está realizando un estudio minucioso de la composición de los materiales precursores de forma que no haya residuos que puedan ser perjudiciales para los diferentes cultivos, para el suelo o el agua. Para asegurar su sostenibilidad, se realizarán estudios de biodegradabilidad de los materiales de acuerdo con la norma ISO 23517, así como el estudio de la reciclabilidad orgánica por agrocompostaje de los materiales y una evaluación de la calidad del suelo resultante mediante medidas de ecotoxicidad.

Primeras pruebas de extrusión de las formulaciones plásticas biodegradables de uso en la fabricación de la capa estructural del film de acolchado

Paralelamente, se están seleccionando compuestos activos que se quieren añadir al film. Los principales candidatos son agentes activos inductores de la respuesta inmune vegetal como los aminoácidos: ácido glutámico y ácido 𝛃-aminobutírico (BABA). Pero, además, se están seleccionando otros compuestos producidos por la planta en condiciones óptimas de defensa. Para hallarlos se buscan metabolitos en bases de datos (metabolomas) extraídas de experimentos de resistencia inducida frente a algún patógeno. Al ser compuestos producidos por la planta, no son xenobióticos que puedan alterar equilibrios en el ecosistema. Con el fin de estudiar la eficacia de los compuestos seleccionados, se aplicarán progresivamente en diferentes organismos. Inicialmente, en una planta modelo (Arabidopsis thaliana) y, más adelante, con plantas de cultivo como el tomate (Solanum lycopersicum). En cuanto a los patógenos a los que se les expone, son esencialmente hongos, bacterias y oomicetos (falsos hongos).

El método escogido para incluir los compuestos bioactivos en el film y liberarlos es la encapsulación. Este método consiste en cubrir la molécula deseada con una matriz. En este momento, el personal investigador de ActiBioMulch se encuentra trabajando en la selección preliminar de las estrategias de encapsulación mediante la tecnología del procesado electrohidrodinámico. Para ello, está identificando las principales matrices compatibles con los compuestos activos y cómo acondicionarlas para poder ser transformadas mediante el proceso.

Imagen de la efectividad de uno de los compuestos activos contra la infección
del hongo Botrytis cinerea

El film desarrollado contribuirá al uso de plásticos en agricultura que sean más sostenibles y que a su vez tengan un papel activo a la hora de combatir plagas, de esta forma se sustituye el uso de plásticos convencionales a la par que se disminuye el uso de biocidas en la agricultura. Estos objetivos del proyecto ACtiBioMulch están alineados con el ODS 12 “Consumo y Producción responsable” de las Naciones Unidas. Por este mismo motivo el uso de materiales biobasados y biodegradables con una menor huella de carbono de los materiales desarrollados constituye uno de los principales retos del ODS 13 “Acción por el clima”.

A su vez, estos materiales tendrán una biodegradabilidad certificada tanto en medio marino como en suelo, por lo que se disminuye el impacto lesivo que tiene el uso de plásticos en agricultura y eliminando la problemática de los microplásticos y el uso masivo de plaguicidas y pesticidas. Esto forma parte de los ODS 13 y 14 “Vida Submarina” y “Vida de los Ecosistemas Terrestres”, a las que se protegen en este proyecto.

En general el presente proyecto permitirá un desarrollo agrícola más sostenible, donde los agricultores no tengan que renunciar a las ventajas que presentan el uso de plásticos para el control del cultivo y beneficiándose a su vez, de un plástico bioactivo que prevenga la aparición de plagas y enfermedades.

Reunión de coordinación del equipo de trabajo del proyecto ACTIBIOMULCH

Entrevista a Luis Cabedo Mas, investigador principal del proyecto ActiBioMulch.

¿Cuál es el objetivo principal de su investigación?

El objetivo de la investigación que llevamos a cabo en el proyecto ActiBioMulch es el desarrollo de un film biobasado y activo para acolchado agrícola completamente biodegradable y agrocompostable que a su vez tenga la capacidad de encapsular y liberar agentes activos inductores de la respuesta inmune vegetal como pueden ser los aminoácidos: ácido glutámico y ácido 𝛃-aminobutírico (BABA). La utilización de estos compuestos evitará el uso masivo de biocidas para combatir plagas y enfermedades, lo que evita la contaminación del suelo y el agua repercutiendo así al desarrollo de una agricultura sostenible.

¿Qué resultados ha obtenido hasta el momento y cómo cree que estos pueden contribuir al objetivo principal de su investigación?

La investigación que se está realizando en ActiBioMulch es la formulación y producción del film biodegradable con propiedades aptas para su uso en agricultura de forma que se conozca cuáles son las propiedades de estos films, así como su composición y posibles residuos. Por ello, se está realizando un estudio minucioso de la composición de los materiales precursores de forma que no haya residuos que puedan ser perjudiciales para los diferentes cultivos, para el suelo o el agua. Por ello se está estudiando la formulación que pueda ser la más ventajosa y que permita buenas propiedades mecánicas para el material.

Paralelamente, el grupo de agro está realizando la selección de compuestos activos, además de los citados anteriormente. Estos compuestos se están seleccionando a partir del análisis de metabolomas extraídos de experimentos de resistencia inducida frente a algún patógeno, por lo que son compuestos directamente producidos por la planta en condiciones óptimas de defensa. Al ser compuestos producidos por la planta, no son xenobióticos que puedan alterar equilibrios en el ecosistema. Además, se está poniendo a punto métodos de análisis de dichos compuestos para poder hacer un seguimiento en la planta y poder distinguirlo del endógeno. En cuanto al grupo de CSIC, se encuentra trabajando en la selección preliminar de las estrategias de encapsulación de los compuestos activos seleccionados mediante la tecnología del procesado electrohidrodinámico. Para ello, está identificando las principales matrices compatibles con los compuestos activos y cómo acondicionarlas para poder ser transformadas mediante el proceso.

¿Qué metodología y tecnologías está utilizando en su investigación?

En la investigación de ActiBioMulch se están utilizando diferentes tecnologías para el desarrollo del film biodegradable. En primer lugar se ha estudiado la mejor formulación mediante mezclado en fundido. Las formulaciones resultantes se procesarán en forma de film mediante extrusión plana y extrusión por soplado, de forma que se pueda evaluar si el film es procesable a escala industrial cuando el proyecto haya finalizado.
Otra de las metodologías que estamos realizando en paralelo es el estudio de biodegradabilidad de los materiales de acuerdo con la norma ISO 23517, así como el estudio de la reciclabilidad orgánica por agrocompostaje de los materiales. Cuando este último estudio haya terminado se evaluará la calidad del suelo resultante mediante medidas de ecotoxicidad. En cuanto a la encapsulación de los compuestos activos para la capa activa, se va a emplear el procesado electrohidrodinámico. Con esta tecnología se obtendrá una capa de espesor microscópico en el que se encapsularán los compuestos activos que serán posteriormente liberados al suelo del cultivo.
En trabajos previos hemos comprobado que el BABA (aminoácido no proteínico) confiere casi un 95% de protección en plantas frente a oomicetos, y en torno a un 60% frente a hongos y bacterias fitopatógenas. Por tanto, por una parte estamos poniendo a punto la metodología de análisis de BABA mediante extracción líquida y cuantificación en LC-MS/MS. Esta metodología de cromatografía acoplada a triple quadrupolo (TQS, Waters) se usará también para la cuantificación de otros compuestos seleccionados y extraídos en plantas de cultivos de interés. Para la selección de dichos compuestos se realizan ensayos de resistencia inducida por BABA frente a patógenos (actualmente estamos usando Hyaloperonospora arabidopsidis) usando primero una planta modelo (Arabidopsis thaliana) y luego pasaremos a plantas de cultivo como Solanum lycopersicum (tomate). Tras la extracción de un metaboloma en condiciones de resistencia inducida, se seleccionan aquellos clústeres de compuestos que estén más acumulados en condiciones de resistencia y se tratará de identificar dichos compuestos por masa exacta y fragmentación espectral. Este análisis se hace con cromatografía líquida acoplada a un detector de masas de tiempo de vuelo (UPLC-QTOF), y con el software Masslynx 4.2.
Para determinar la protección frente a patógenos se usa de momento tinción de azul de trypano, y para algunos hongos, se detecta su presencia mediante cuantificación de gen constitutivo por qPCR. Más adelante se trabajará con otros patógenos como Botrytis cinerea o Pseudomonas syringae DC3000.

¿En qué medida su investigación está contribuyendo al desarrollo de un sector agroalimentario más verde, sostenible y/o saludable? ¿En cuáles de los Objetivos de Desarrollo Sostenible se enmarca su proyecto?

El film desarrollado contribuirá al uso de plásticos en agricultura que sean más sostenibles y que a su vez tengan un papel activo a la hora de combatir plagas, de esta forma se sustituye el uso de plásticos convencionales a la par que se disminuye el uso de biocidas en la agricultura. Estos objetivos del proyecto ACtiBioMulch están alineados con el ODS 12 “Consumo y Producción responsable” de las Naciones Unidas. Por este mismo motivo el uso de materiales biobasados y biodegradables con una menor huella de carbono de los materiales desarrollados constituye uno de los principales retos del ODS 13 “Acción por el clima”.
A su vez, estos materiales tendrán una biodegradabilidad certificada tanto en medio marino como en suelo, por lo que se disminuye el impacto lesivo que tiene el uso de plásticos en agricultura y eliminando la problemática de los microplásticos y el uso masivo de plaguicidas y pesticidas. Esto forma parte de los ODS 13 y 14 “Vida Submarina” y “Vida de los Ecosistemas Terrestres”, a las que se protegen en este proyecto.
En general el presente proyecto permitirá un desarrollo agrícola más sostenible, donde los agricultores no tengan que renunciar a las ventajas que presentan el uso de plásticos para el control del cultivo y beneficiándose a su vez, de un plástico bioactivo que prevenga la aparición de plagas y enfermedades. El hecho de usar compuestos activos en defensa frente a estreses bióticos procedentes de las propias plantas hará que se reduzca casi a cero el residuo químico derivado sintético y asegure la viabilidad y producción del propio
cultivo. Estos compuestos no son extraños en la naturaleza, por lo que podrán ser degradados o incorporados por el ecosistema sin alterar su equilibrio y biodiversidad. Sabemos que el uso abusivo de pesticidas y fertilizantes está causando serios problemas medioambientales y de salud pública: contaminación de suelos y aguas, reducción de la biodiversidad, riesgos de toxicidad para los trabajadores y presencia de residuos tóxicos en los alimentos.
Por tanto, es una prioridad para el sistema agroalimentario poder encontrar soluciones “verdes” que aumenten la resiliencia y productividad agrícola, que se asegure la producción alimentaria sostenible, y que tanto productores como consumidores, puedan obtener beneficios económicos y sanitarios. Así aseguraremos la calidad y la seguridad alimentaria para la población. Esto tiene impacto directo en los ODS ya señalados y en el 15 referente a la vida de ecosistemas terrestres, puesto que el desarrollo de estos compuestos encapsulados por el proyecto permitirá la sostenibilidad de cultivos locales, asegurará la supervivencia de alimentos y respetará la fauna, la microfauna y microbiota presente en las zonas de aplicación. También, todo lo relacionado con el trabajo agroalimentario impacta de lleno en el ODS 2 de “Hambre cero”, ya que afronta el problema de la pérdida de cosechas, reforzando la respuesta inmune vegetal frente a enfermedades y/o plagas.

¿Qué desafíos ha encontrado en la implementación de sus resultados en el sector agroalimentario?

Uno de los principales desafíos de este proyecto es obtener materiales biodegradables que resulten económicos para el agricultor. La sostenibilidad económica del proyecto depende de la aceptación que pueda tener el consumidor final, en este caso el agricultor, del producto desarrollado, por ello se está abogando por aquellos materiales biodegradables que resulten
competitivos con los plásticos tradicionales, así como por las técnicas de procesado que resulten más económicas y ampliamente implementadas en la industria. Esto también supone un reto para la tecnología de electrospinning utilizada para el encapsulamiento de materiales bioactivos. Por ello se cuenta con la colaboración de la empresa Bioinicia especializada en el procesado electrohidrodinámico de materiales poliméricos.
Además, es importante seleccionar la concentración de los compuestos y la forma de aplicación. Las concentraciones con las que se trabaja en laboratorio son diferentes, como también lo son las condiciones de crecimiento vegetal. En campo las plantas están expuestas a mayores amenazas bióticas y abióticas, por lo que estos cambios pueden afectar a la efectividad de dichos compuestos o la duración en planta, si es que se hace por aplicación foliar. Por tanto, es importante determinar concentraciones que sean estimulantes del sistema inmune vegetal sin que llegue a ser biocida.

¿Qué impactos sociales y económicos cree que puede tener la implementación de sus resultados en el sector agroalimentario?

A día de hoy, en el contexto de un encarecimiento de los productos agrícolas debido a la inflación relacionada con el aumento de las materias primas es importante que podamos disponer de productos que puedan estar fabricados de forma local. Este es el caso de los productos biobasados fabricados a partir de mermas agroalimentarias. Por un lado, nos permite ser independientes de la volatilidad del mercado basado en productos procedentes del petróleo, y por otro lado, estamos repercutiendo a generar una nueva industria del plástico más respetuosa con el medioambiente y con la posibilidad de generar nuevos puestos de trabajo en biorefinerias, fábricas de plásticos y distribuidores locales de estos nuevos productos. Para el agricultor el desarrollo de este producto también repercutirá económicamente en un menor uso de productos biocidas. Por un lado el agricultor se ahorra el uso de estos productos y su incorporación en suelo o producto con las posibles restricciones que esto conlleve en su comercialización, como por el otro lado el agricultor podrá optar a nuevos mercados con un mayor grado de aceptación por el consumidor como es el de los productos ecológicos, repercutiendo así en un valor añadido mayor por sus
cultivos.

¿Qué recomendaciones tiene para otros investigadores o actores del sector agroalimentario en cuanto a la implementación de sus resultados?

En el estado actual del proyecto es complicado adelantar cuales pueden ser las directrices, pero los resultados preliminares indican que el uso de agentes bioactivos que promuevan la resistencia vegetal puede ser una buena alternativa al uso de fitosanitarios para combatir plagas e infecciones en los cultivos.