El objetivo de la investigación en agricultura debe ser conseguir alimentar a una población mundial en crecimiento exponencial y los biopolímeros están empezando a tener un papel relevante en los ciclos vitales de las plantas. Tal es el caso del quitosano, un derivado de la quitina

Efecto del quitosano en las plantas

Qué son los polímeros

Los polímeros son moléculas grandes que se forman por la unión repetitiva de una o varias moléculas unidas por enlaces covalentes. Estas moléculas que se combinan de forma repetida para formar los polímeros se denominan monómeros y las reacciones a través de las cuales se obtienen los polímeros se denominan reacciones de polimerización. Cuando solo se repite un solo tipo de molécula en la cadena se denomina homopolimerización y a la molécula resultante homopolímero. Cuando son dos o más moléculas diferentes las que se repiten en la cadena se habla de copolimerización, comonómeros y copolímero. Las reacciones de polimerización se suelen dividir en dos grandes grupos: reacciones de adición y reacciones de condensación, y los polímeros obtenidos por cada una de estas vías se conocen como polímeros de adición y polímeros de condensación.

Los monómeros están unidos por enlaces covalentes y las cadenas de polímeros se unen entre sí por fuerzas de cohesión de naturaleza muy diversa en función de la polaridad y el volumen de los átomos que conforman las cadenas.

Tipos de polímeros

  • Polímeros naturales. Son aquellos cuya materia prima proviene de organismos vivos y, por lo tanto, es considerada una materia prima renovable.
  • Polímeros sintéticos. Son iguales a los polímeros naturales y tienen las mismas propiedades que ellos, de hecho, son químicamente iguales, y se diferencian en la fuente de las materias primas.
    • Polímeros biodegradables.
    • Polímeros no biodegradables.

El quitosano

Es un polímero natural formado por unidades repetidas de D-glucosamina, que se obtiene a partir de la quitina, uno de los biopolímeros más abundantes en la naturaleza. La quitina forma parte de la estructura de soporte de numerosos organismos vivos como los artrópodos (crustáceos e insectos), moluscos y hongos; además es un subproducto importante de las industrias pesquera y cervecera. La quitina está formada por unidades de 2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucosa unidas por enlaces β-(1→4). La obtención del quitosano a partir de quitina se realiza por desacetilación de la misma, dejando libre el grupo amino del carbono 2, si bien este proceso nunca llega al 100% de rendimiento. Es por ello que el quitosano es un copolímero de 2- acetamido-2-deoxy-β-D-glucosa y 2-amino-2-deoxy-β-D-glucosa.

Estructura de la quitina
Estructura de la quitina
Estructura del quitosano
Estructura del quitosano

Propiedades del quitosano

Las principales propiedades físico-químicas del quitosano que determinan sus propiedades funcionales son su grado de desacetilación y su peso molecular, aunque la cristalinidad, el contenido de agua, cenizas y proteínas también son características físico-químicas a considerar para la aplicación de un quitosano específico. El porcentaje de grupos amino que quedan libres en la molécula de quitosano es lo que se denomina grado de desacetilación y está estrechamente vinculado con su solubilidad; la hidrólisis del grupo N-acetilo, aumenta la capacidad hidrofílica del quitosano y pasa a ser soluble en soluciones ácidas diluidas y es la protonación de los grupos amino del quitosano en medio ácido lo que le confiere un carácter altamente reactivo. Algunas de las propiedades funcionales del quitosano son la biodegradabilidad, biocompatibilidad, mucoadhesión, capacidad filmogénica, hemostático, promotor de absorción, actividad antimicrobiana, anticolesterolémica y antioxidante.

Beneficio del quitosano para las plantas

El quitosano, además de poder generar los mismos efectos que produce la quitina en sus aplicaciones sobre las plantas guarda un as bajo la manga y este es su solubilidad en medio acuoso. Esta solubilidad nos permite tener un mayor control sobre su manipulación y sobre todo sobre su dosificación (solo o en mezclas) en la preparación de sus múltiples formas de aplicación (soluciones, emulsiones, hidrogeles, nanopartículas, películas, etc.).

Una de las propiedades clave del quitosano es que es una molécula catiónica, lo que le hace tener la capacidad de actuar como floculante, humectante y quelante sobre aniones como el nitrato y el fosfato. Uno de sus usos más comunes es como coagulante primario en aguas residuales de alta turbidez y alta alcalinidad y como floculante para la remoción de partículas coloidales y para la captura de metales pesados y pesticidas en soluciones acuosas.

Debido a la carga positiva en el C-2 del monómero de glucosamina a un pH por debajo de 6 el quitosano es más soluble y tiene una mejor actividad antimicrobiana que la quitina (a un pH por encima de 6,5 el quitosano no es soluble). El mecanismo de la acción antimicrobiana se debe a la interacción entre las cargas positivas de las moléculas de quitosano con las cargas negativas de las membranas celulares, tanto de las plantas como de hongos, bacterias, virus y fitoplasmas; en el caso de las plantas, las células vegetales en presencia del quitosano excretan sustancias tóxicas que inhiben los centros en los que actúan los patógenos. En el caso de los fitopatógenos la interacción de las cargas positivas del quitosano con las cargas negativas de las membranas celulares microbianas aumenta la permeabilidad de estas lo que conduce a la fuga de proteínas y otros componentes intracelulares hacia el exterior de las células. El peso molecular del quitosano para ejercer su acción contra los patógenos es de 10.000 a 100.000.

Al imitar el contacto de la planta con un fitopatógeno, el quitosano induce un amplio espectro de reacciones de protección en la planta que limitan sistémicamente la propagación de los virus y los viroides a lo largo de la planta, llevando a cabo el desarrollo de la resistencia sistémica adquirida; el quitosano aplicado por pulverización foliar protege contra infecciones locales y sistémicas causadas por el virus del mosaico de la alfalfa (ALMV), el virus de la necrosis del tabaco (TNV), el virus del mosaico del tabaco (TMV), doble virosis del cacahuate (PSV), el virus del mosaico del pepino (CMC) y el virus de la papa X (PVX). La eficiencia del quitosano para inhibir infecciones virales depende de la combinación hospedero-virus, la concentración del quitosano y el modo de aplicación (Pospieszny et al., 1991; Pospieszny 1997). Además, los quitosanos oligoméricos (pentámeros y heptámeros) tienen un mejor efecto antifúngico que los de unidades monoméricas. La actividad antimicrobiana del quitosano es más inmediata sobre hongos y algas que sobre bacterias y la dosis es al 1%.

Otro aspecto importante del uso del quitosano es en el recubrimiento de semillas ayudando a la retención de las sustancias fúngicas que se aplican, como por ejemplo en la patata de siembra.

También en postcosecha la aplicación de quitosano en frutas y semillas actúa como protector ante ataques microbianos aumentando la vida de anaquel.

Aplicado al suelo conjuntamente con micorrizas o trichodermas actúa como fuente de carbono y nitrógeno promoviendo el desarrollo de estos organismos antagónicos.

El quitosano puede actuar como una fuente glucoproteica que específicamente potencia la fase reproductiva de las plantas (la floración y la polinización).

A cierta dosis el quitosano también puede actuar como un antitranspirante aumentando la eficiencia del uso del agua por parte de las plantas.

Pero donde la agricultura está viendo el máximo potencial del empleo de este biopolímero es en el empleo del quitosano conjuntamente con productos fitosanitarios como una forma de que las sustancias activas tengan una liberación controlada ayudando a evitar el empleo de cantidades excesivas de estas sustancias activas:

  1. Actúa como un agente de protección de las materias activas.
  2. Permite la liberación de la materia activa únicamente en el lugar seleccionado y a una velocidad adecuada.
  3. Mantiene la concentración de la materia activa en el sistema dentro de los límites óptimos durante un período de tiempo específico, otorgando especificidad y persistencia.
  4. Los efectos de los agroquímicos liberados se prolongan con lo cual se obtienen ahorros económicos sustanciales debido a que se puede ejercer un mejor control de las cantidades usadas.
  5. La liberación desde la matriz ocurre cuando la planta lo necesita, generalmente en dosis menores a las que se obtienen cuando el agroquímico se aplica solo.
  6. Reducción del número de aplicaciones, disminuyendo el contacto del personal con los agroquímicos y las horas dedicadas a este trabajo, así como también el estrés en las plantas.
  7. Disminución del riesgo en la toxicidad hacia humanos y animales debido a que la aplicación se realiza en la vecindad de cada planta y en dosis controladas.
  8. Un trato más amigable del medioambiente debido a la liberación de las cantidades necesarias para las plantas.

10. Igualmente, la degradación del quitosano usado como soporte no afecta la calidad del suelo.