Ciência pela agricultura e pelo ambiente

AUTORES: Leonardo Fernandes Fraceto, Ricardo Polanczyk, Juliana L. S. Mayer, Renato Grillo, Renata de Lima, Vera Castro, Daiana Avila, Luciana M. A. Pinto e Halley C. Oliveira

Grupo utiliza nanotecnologia para reduzir volume de agrotóxicos usado em plantações

O aumento da produção agrícola brasileira visando atender não somente à crescente demanda global por alimentos, mas também à exportação de grãos e seus subprodutos, tem gerado impacto ao ambiente. Essa expansão está atrelada ao uso intenso de insumos visando diminuir as perdas causadas por fatores bióticos (que possuem relação com seres vivos – fauna e flora) e abióticos (que estão relacionados com influências recebidas por eles, como luz, temperatura, etc.) durante o processo produtivo. Os agrotóxicos, embora de grande importância no controle de pragas, podem ser utilizados em quantidade excessiva em determinadas situações onde não existe orientação técnica adequada, o que leva a uma série de impactos negativos ao ambiente, à saúde dos agricultores e dos consumidores. Além disso, as perdas anuais na produção brasileira devido a pragas e insetos são de 7,7%, o que equivale a cerca de 25 milhões de toneladas de alimentos, com prejuízos econômicos da ordem de US$ 17,7 bilhões.

Em algumas regiões brasileiras, especialmente nos Estados pertencentes à nova fronteira agrícola, existem condições climáticas favoráveis ao desenvolvimento de pragas (insetos, fungos e plantas daninhas). Isso, somado ao cultivo sucessivo (por exemplo, de algodão, soja e milho), contribui para a proliferação de pragas, em especial as polífagas, isto é, as que se alimentam de várias culturas. Esses dois aspectos levam ao aumento significativo no uso de agrotóxicos (chamados popularmente de pesticidas) que, por sua vez, além de eliminarem as pragas, também acabam por eliminar os seus inimigos naturais. Esses aspectos contribuem para o aumento da resistência das pragas aos agrotóxicos, causando maior impacto ao ambiente.

O aumento dos relatos de resistência das pragas aos ingredientes ativos dos agrotóxicos convencionais, aliado aos elevados custos para desenvolver novas moléculas químicas (cerca de US$ 250 milhões), juntamente com a preocupação ambiental relacionada aos efeitos deletérios dos agrotóxicos, aceleraram o desenvolvimento de novas tecnologias, como, por exemplo, o uso de agentes de controle biológico, sejam eles micro (fungos, vírus, bactérias) ou macro (parasitoides e predadores).

O mercado do controle biológico vem crescendo em media 15% ao ano em todo o mundo, porém, esses organismos são mais suscetíveis a fatores abióticos quando comparados aos inseticidas convencionais. Nesse contexto, a micro (estruturas com tamanho entre 1 e 1000 μm) e mais recentemente a nanotecnologia (estruturas com pelo menos uma dimensão entre 1 e
1.000 nm – 1 nanômetro equivale a 1 bilhonésimo do metro) tem apresentado grande potencial para o desenvolvimento de novas formulações com compostos ativos de interesse agrícola.

Como exemplo, temos a utilização de nanopartículas produzidas com materiais poliméricos (macromoléculas formadas pela união de substâncias simples, chamadas de monômeros) ou lipídicos, contendo agentes de controle (agrotóxicos sintéticos e inseticidas/repelentes de origem botânica), que visam aumentar a solubilidade desses ingredientes ativos, liberá-los de uma forma lenta ou protegê-los da degradação. Dessa maneira, é possível liberar uma quantidade menor do ingrediente ativo ao longo do tempo, mantendo níveis desejáveis do composto por longos períodos no ambiente. Essa característica resulta em aumento de eficiência e seletividade, não prejudicando os organismos não alvos, e por consequência gerando menor contaminação ambiental. Além disso, no caso de encapsulação de microrganismos, tal estratégia favorece sua proteção contra fatores ambientais, como degradação pela luz e drásticas mudanças de temperatura.

No entanto, cabe destacar que essas novas tecnologias, como a nanotecnologia, devem ser avaliadas antes de chegarem ao mercado, visando prevenir riscos ao ambiente e à saúde humana. Em relação à nanotecnologia, o transporte, o destino e a biodisponibilidade (porcentual de aproveitamento por um organismo de uma data substância) são altamente dependentes dos meios aos quais são expostos; logo, alterações relativamente sutis nas características físico-químicas da água, por exemplo, podem alterar a morfologia e a hidrofobicidade (resistência à água) desses nanomateriais, que por sua vez afetam a sua biodisponibilidade e o seu potencial de toxicidade.

Sendo assim, existe a necessidade de investigação desses materiais considerando diferentes ecossistemas, como os de água doce, salgada, sedimento e solo, já que os diferentes organismos podem responder de forma diferenciada quando em contato com um mesmo nanomaterial. Por sua vez, o conhecimento dos riscos que os nanomateriais podem causar ao ambiente é de grande importância para sua regulamentação, produção, comercialização e descarte, garantindo que estes sejam realizados de forma adequada e sustentável.

Nesse cenário, um grupo de pesquisadores (detalhes da equipe na Tabela 1) envolvendo 7 Instituições nacionais e 1 internacional (Figura 1), coordenados pelo professor Leonardo Fernandes Fraceto, do Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba (ICTS), aprovou recentemente o projeto temático Agricultura, micro/nanotecnologia e ambiente: da avaliação dos mecanismos de ação a estudos de transporte e toxicidade junto à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp (Detalhes em: <https://bv.fapesp.br/pt/auxilios/101291/agricultura-micronanotecnologia-e-ambiente-da-avaliacao-dos-mecanismos-de-acao-a-estudos-de-trans/>). Nessa proposta, espera-se avaliar as potencialidades de sistemas micro/nanoestruturados para controle de pragas em agricultura a partir da abordagem de avaliação de atividade biológica em organismos alvos, bem como dos destinos e potencial de toxicidade desses sistemas para o ambiente (Figura 2).

 

 

 

Nesse projeto a equipe propõe alternativas mais sustentáveis para o controle de pragas, baseadas em sistemas micro/nanoestruturados (Figura 3). Diferentes estratégias serão utilizadas para encapsular agentes de controle, como agrotóxicos sintéticos e inseticidas/repelentes de origem botânica. Além disso, serão utilizados fungos e bactérias como agentes biológicos de controle encapsulados em micropartículas.

 

 

A partir do desenvolvimento desses sistemas, serão realizados estudos de transporte e toxicidade de diferentes tipos de micro e nanopartículas com potencialidades para aplicações em agricultura. Dentre os diferentes desafios, destaca-se o fato de poucos estudos na literatura terem avaliado questões relativas ao mecanismo de ação de agentes de controle de pragas em associação com micro/nanotecnologia. Dessa forma, o desenvolvimento e estratégias para avaliar a interação de sistemas micro/nanoestruturados com organismos alvos é um desafio que esta proposta pretende superar.

Outro aspecto diz respeito ao destino e efeitos em organismos não alvos, de extrema importância para agricultura, uma vez que, o uso de sistemas micro/nanoestruturados visa não somente aumentar a eficácia biológica de agentes de controle, mas também a minimização de impactos ambientais ocasionados pelo uso de agrotóxicos.

Nesse cenário, o estudo de potenciais mecanismos de ação, destino e toxicidade serão propostos utilizando como modelo diferentes organismos e tipos de sistemas micro e nanopartículas (poliméricos, lipídicos, metálicos), bem como diferentes agentes de controle, dentre eles compostos sintéticos, naturais e microrganismos. Dessa forma, a partir de estudos de especificidade (atividade biológica) e seletividade (destinos e toxicidade), será possível a obtenção de dados de forma a produzir conhecimento científico necessário para compreensão dos fenômenos e processos que governam a atividade biológica desses sistemas, assim como contribuir para a geração de sistemas micro e nanoestruturados visando ao controle de pragas em agricultura.

Algumas atividades já foram realizadas por integrantes da equipe e seus resultados iniciais foram obtidos. Em especial, destacamos um sistema baseado em nanopartículas poliméricas carreadoras de atrazina, um herbicida largamente utilizado em cultivos de milho e cana-de-açúcar. Essas formulações mostraram-se mais eficientes que a formulação convencional de atrazina no controle de plantas daninhas (Figura 4). Dessa forma, foi possível reduzir em 10 vezes a dosagem do herbicida sem afetar sua atividade biológica, o que implicaria menor contaminação ambiental. Por outro lado, as mesmas formulações não levaram a efeitos persistentes no milho, que é uma cultura resistente à atrazina, bem como reduziram a toxicidade da atrazina em células humanas. Esses ensaios foram realizados em casa de vegetação e o próximo desafio é a avaliação da eficiência desse produto em condições de campo, o que já está em andamento.

 

 

Em relação ainda a esse sistema, estudos de mecanismos de ação têm sido conduzidos para elucidar como as nanocápsulas potencializam a atividade da atrazina. Dessa forma, análises anatômicas de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão fornecem informações importantes sobre como ocorrem os danos causados pelo herbicida atrazina e como a nanocápsula é capaz de modificar essa resposta nos tecidos foliares, tornando o herbicida 10 vezes mais eficiente. Somado a isso, análises em microscopia confocal (que acentua o contraste e produz imagens tridimensionais) das folhas tratadas com os nanopesticidas permitem a visualização e o acompanhamento do transporte das nanocápsulas marcadas com fluorescência diretamente no tecido vegetal (Figura 5).

 

 

Também, para estudos de toxicidade, o grupo de pesquisa já evidenciou e interação de nanopartículas formadas pelo polímero sintético PCL (poli-ε-caprolactona) em nematoides C. elegans. Neste estudo foi possível observar que tais partículas causaram problemas no desenvolvimento dos organismos (Figura 6). Por outro lado, em estudos em andamento com outros tipos de partículas poliméricas (zeína, uma proteína de milho), foi observado que tais partículas apresentaram menor toxicidade nos vermes, indicando assim uma melhor biocompatibilidade do organismo com esse tipo de nanocarreador e possivelmente menor impacto no bioma do solo.

 

 

Nos próximos cinco anos, a equipe espera, através do uso de abordagens multidisciplinares, contribuir para geração de conhecimento científico e tecnológico, bem como potencializar a formação de recursos humanos qualificados nessa área, no sentido de propor soluções mais seguras e eficientes para o controle de pragas em agricultura.

_____________

 

Deixe uma resposta

*