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INGENIERÍA QUÍMICA

Cruzada contra la tierra seca

Polímeros naturales superabsorbentes agregados como suplementos en el suelo podrían viabilizar cultivos agrícolas en zonas áridas

Léo Ramos Hidrogel elaborado con goma gelana, que es producida por una bacteria, y quitosano, sustancia que se extrae del caparazón de ciertos crustáceosLéo Ramos

Uno de los retos para la agricultura moderna consiste en lograr un menor gasto de agua en el campo sin perder productividad, una meta a la que pueden contribuir tecnológicamente ciertos polímeros con alta capacidad de absorción y retención de líquidos. Durante el desarrollo de su doctorado en el Instituto de Química de São Carlos, de la Universidad de São Paulo (IQSC-USP), bajo la supervisión de Agnieszka Joanna Pawlica Maule, el químico Rodrigo César Sabadini ideó un hidrogel superabsorbente para su uso en cultivos en suelos áridos, que se resienten con la sequía, o bien en plantaciones irrigadas, reduciendo el consumo de agua. Como aditivo en el suelo, este producto posee la capacidad de absorber gran cantidad de agua ‒ya sea de lluvia o de riego‒, y sirve como una reserva hídrica para los períodos de sequía (vea la infografía). El hidrogel o polímero hidroretenedor se elabora a partir de polímeros naturales. La investigación derivó en una solicitud de patente, relacionada con la síntesis del producto.

Los hidrogeles fueron creados en los años 1950 en Estados Unidos y, desde entonces, se han utilizado en la agricultura. “La mayor parte de la investigación y desarrollo de estos materiales se basa en el empleo de polímeros sintéticos. La ventaja de los nuestros es que son biodegradables, no generan residuos”, explica la química Maule. “Los sintéticos, además de acumularse en el ambiente, al no degradarse naturalmente, pueden lixiviarse en ríos y otros cursos de agua. Y sus residuos de monómeros de acrilatos pueden ser tóxicos tanto para el suelo como para los ríos”. La lixiviación es el proceso de extracción de una sustancia (en este caso, los acrilatos) de un medio sólido (el suelo de las plantaciones) mediante su permanente disolución. Los hidrogeles comerciales sintéticos pueden retener agua durante un período que va de tres meses a un año. Según Sabadini, todavía no se han efectuado test de durabilidad del hidrogel biodegradable.

Para convertir en una realidad el proyecto de un nuevo hidrogel, Sabadini ideó y probó durante su doctorado varias fórmulas, entre ellas, una compuesta por quitosano y goma gelana. “El proceso de obtención y purificación del quitosano, que se extrae del caparazón de crustáceos, es sencillo”, dice el investigador. A su vez, la goma gelana es generada por bacterias que proliferan en la raíz de una planta acuática, denominada elodea. La goma se elabora en un medio de cultivo de laboratorio y se la seleccionó y está disponible comercialmente debido a su alto poder de absorción de agua.

Léo Ramos Análisis microscópico y termogravimétrico del hidrogel en el Instituto de Química de São Carlos da USP, para comprobar la pérdida de masa aliada a la temperaturaLéo Ramos

Esponja mojada
Tanto los hidrogeles sintéticos como los naturales son similares a los que se emplean en la fabricación de pañales y toallas íntimas femeninas. En su versión agrícola, los geles pueden tener diferentes formatos. Cuando está seco, el polímero superabsorbente ideado en la USP se parece a un trozo de plástico poco maleable. Al mojarse, se asemeja a una esponja embebida. En tanto, el polímero hidroretenedor comercial Hydroplan-EB, del grupo francés SNF, líder mundial en la fabricación de poliacrilatos, es un producto granulado, con partículas de diferentes tamaños, que asume la forma de un gel transparente una vez hidratado. La empresa francesa exporta ese producto a Brasil desde una de sus plantas elaboradoras en Estados Unidos. A nivel global, también fabrican hidrogeles las empresas Evonik, Sanyo y Basf.

“El gel que distribuye Hydroplan-EB es un copolímero de acrilato de potasio y acrilamida, que funciona como un reservorio junto a las raíces, almacenando agua y aquello que estuviera disuelto en ella, como en el caso de pesticidas y fertilizantes”, explica el ingeniero químico Loremberg Fernandes de Moraes, gerente comercial de Hydroplan-EB. El producto puede absorber entre 200 y 400 veces su propio peso aumentando hasta 100 veces su volumen. “Las raíces de la planta captan el agua del gel por ósmosis, de la misma forma que la absorben del suelo”. Moraes subraya que la gran ventaja de esta tecnología subyace en que reduce la frecuencia y el volumen de agua que se emplea para el riego. “Si en condiciones normales el agricultor necesita regar la plantación cada dos días, con el uso de nuestro gel, repite esa operación cada tres o cuatro días”, sostiene Moraes.

“Las poliacrilamidas no se degradan biológicamente, por ello, una vez aplicadas en el suelo, sufren una degradación paulatina o disociación por acción del cultivo, de los rayos ultravioletas del sol y un fraccionamiento constante que ronda alrededor del 10% en los suelos cultivados continuamente por medio de implementos agrícolas”, explica Moraes. “El deterioro del polímero se produjo en forma acelerada. En experimentos científicos y por espacio de tres meses, se colocó al polímero en soluciones que contenían sales de calcio, magnesio y hierro. Este tipo de degradación también puede producirse en los suelos abonados anualmente con fertilizantes completos”. Para ello, él se basa en estudios publicados en la década de 1980, en artículos científicos de Reda Azzam, de la Autoridad de Energía Atómica de Egipto, y de científicos del Instituto de Investigación en Horticultura de Australia, y de la Universidad de California, en Los Ángeles.

Según Moraes, Brasil es el segundo  consumidor de hidrogeles para la agricultura en el mundo, tan sólo detrás de Estados Unidos, donde ese producto también se emplea en jardines. “Aquí, la principal aplicación de los geles superabsorbentes se da en las plantaciones de eucalipto, que requieren mucha agua. Estimamos que la demanda del producto por la agricultura se ubica en torno a unas 500 toneladas anuales. En una plantación de eucalipto, por ejemplo, de alrededor de 1.200 ejemplares, se emplean 1,5 kilogramos por hectárea. El precio del Hydroplan-EB varía según el volumen encargado por el productor, pero se ubica entre 25 y 30 reales el kilogramo”, aclara Moraes.

Según Agnieszka Maule, del IQSC-USP, la mayor desventaja de esta innovación es el alto costo del hidrogel natural a base de quitosano y goma gelana. “Nuestra materia prima tiene un alto costo en comparación con los polímeros sintéticos, siendo unas 100 veces mayor. Esperamos que las materias primas naturales reduzcan su precio a medida que aumente su demanda”, analiza. Previo al inicio de su elaboración comercial, el producto aún debe atravesar una serie de pruebas a escala reducida. “Normalmente, esos test se desarrollan en forma conjunta con empresas interesadas en la producción o con laboratorios de institutos de tecnología”.

Lechuga y café
Durante el desarrollo del producto, Sabadini testeó el hidrogel en cultivos de lechuga con el objetivo de evaluar su eficacia. Se colocaron semillas en cuencos pequeños para hacerlas germinar en un sustrato de cáscara de coco. En algunos recipientes se mezclaron muestras de hidrogel seco y, en otros, con fertilizante. Hubo un tercer lote que se montó con muestras de control, solamente con las semillas. Todos los potes recibieron la misma cantidad de agua de una sola vez. “Luego de unos días pudo verse germinar a las semillas que recibieron solamente el hidrogel e hidrogel con fertilizante. En el caso de las muestras de control, no se constató germinación alguna”, relata Sabadini.

Las primeras investigaciones sobre esta tecnología en Brasil comenzaron alrededor del año 2000. En principio, los hidrogeles pueden utilizarse en cualquier tipo de cultivo agrícola o forestal y en diferentes tipos de suelo. “No hay un límite para la aplicación del producto, puesto que la idea consiste en prolongar la presencia de agua en el suelo o promover su fertilización. Pero se sacaría mayor provecho de ellos en terrenos áridos y arenosos, que no poseen capacidad de retención de agua”, sostiene Maule.

La Universidad Federal de Lavras (Ufla), en el estado de Minas Gerais, realiza investigaciones al respecto de esta tecnología desde 2009. El ingeniero agrónomo Rubens José Guimarães estudia los beneficios de los hidrogeles sintéticos en plantaciones de café. El estudio cuenta con el apoyo del Consorcio Pesquisa Café, coordinado por Embrapa Café, cuya sede se encuentra en Brasilia, y suscitó cuatro tesinas de maestría y una tesis doctoral, que, según el investigador, confirmaron la eficacia del producto. Si bien los hidrogeles constituyen una tecnología ya consagrada, resulta importante determinar parámetros para su utilización, que varían según el cultivo, el suelo, el clima y las características meteorológicas de la región. El estudio también se propuso identificar la granulometría ideal del gel, que es el Hydroplan-EB, que será empleado en los cafetales, además de la cantidad del producto empleado en cada planta, entre otras variables.

“La optimización del agua mediante el uso de este producto puede darse tanto en regiones de caficultura de secano [sin riego o con bajo índice pluviométrico] como en áreas de riego. En el primer caso, el empleo del polímero podría garantizar el afianzamiento de las plántulas mientras no aparezca la lluvia. En tanto, en las plantaciones con riego, los hidrogeles permiten alargar el tiempo entre riegos”, explica Guimarães. “El producto podría servir como aliado de los caficultores en períodos de sequía prolongados, reduciendo las pérdidas”.

RODRIGO CÉSAR SABADINI En la USP, el experimento con cultivos de lechuga reveló que en los recipientes con el hidrogel, las semillas germinaron. En los potes sin hidrogel, ellas no prosperaronRODRIGO CÉSAR SABADINI

Los estudios de la Ufla revelaron que las plantas de café que contaron con el agregado del polímero hidroretenedor mostraron una evolución un 10% mayor que el resto. Otro resultado sorprendente fue el que se detectó en las raíces, que crecieron un 40% más que las de las plantas que no recibieron el producto. El hidrogel, según Guimarães, debe utilizarse para que el agricultor no pierda las plántulas y semillas plantadas en caso de sequía. Así, el producto se transforma en garante para la prosperidad de la plantación, incluso ante la ausencia de lluvias. “El uso de los geles es una opción viable porque para las plantas es fácil extraer del polímero el agua necesaria para su supervivencia. Esto quedó evidenciado en los trabajos que resaltaron la evolución de las raíces en el interior de los gránulos del polímero hidratado, promoviendo mayor superficie de contacto entre ellas, el agua y los nutrientes esenciales para el crecimiento de la planta”, explica Guimarães.

El investigador sostiene que esta tecnología redujo la mortalidad de los cafetos y, consecuentemente, el porcentaje de resiembra, una práctica que encarece los costos de producción. “Pero hay otras tecnologías que deben asimismo promoverse, tales como un manejo adecuado de las plantas invasoras, el abono ecológico, el riego localizado, entre otras prácticas”.