Secondo le Nazioni Unite, per soddisfare la domanda di cibo mondiale dei prossimi anni, la produzione agricola dovrebbe aumentare del 60% circa. Allo stato attuale delle conoscenze, si tratta di un obiettivo che sembra assolutamente irrealizzabile. Tuttavia, recentemente stanno emergendo tecnologie innovative, come le nanotecnologie (Nt), che potrebbero permetterci di superare i limiti odierni. Nella difesa delle piante dalle malattie, il loro impiego può presentare grandi vantaggi.
L’applicazione degli agrofarmaci (insetticidi, fungicidi ed erbicidi), che attualmente sono il principale strumento per difendere le colture agrarie dall’attacco di organismi antagonisti, accanto ai molti vantaggi, presenta anche numerosi effetti collaterali per l’ambiente. Inoltre, secondo alcuni recenti studi, il 90% degli agrofarmaci applicati viene perso durante o dopo l’applicazione e non raggiunge il bersaglio, con conseguente minore efficacia e con effetti dannosi sull’ambiente.
L’impiego delle nanotecnologie promette di superare queste criticità migliorando l’efficacia dei prodotti e riducendo la loro dispersione nell’ambiente.
Ricerche di laboratorio hanno dimostrato risultati promettenti, ma mancano ancora le applicazioni commerciali. Per queste ultime, occorre che la ricerca esca dai laboratori e si concentri sull’applicazione sulle principali piante coltivate e sugli organismi nocivi che si intende controllare.
Notevoli i vantaggi delle nanotecnologie
Dal punto di vista teorico le nanoparticelle possono proteggere le piante direttamente o indirettamente. In questo caso le nanoparticelle fungono da vettori di altre sostanze attive esistenti (come l’RNA a doppio filamento) che possono essere applicate mediante irrorazione o immersione sul seme, sull’apparato vegetativo o su quello radicale.
Se vengono impiegate come vettori, le nanoparticelle possono fornire diversi vantaggi alle sostanze attive già conosciute, come:
- maggiore durata di conservazione;
- migliore solubilità di sostanze attive scarsamente idrosolubili;
- riduzione della tossicità;
- aumento dell’assorbimento specifico del sito nell’obiettivo nocivo;
- aumento della stabilità sotto pressione ambientale (Uv e pioggia), riducendo significativamente il numero di applicazioni.
Recentemente sono stati compiuti importanti passi avanti nella gestione delle malattie delle piante utilizzando nanoparticelle come protettori, trasportatori di insetticidi, fungicidi, erbicidi, e dsRNA per protezione mediata da RNA-interferente (RNAi).
Nanoparticelle come protettori
Le nanoparticelle di metalli come argento, rame, ossido di zinco e biossido di titanio sono materiali che vanno da 10 a 100 nanometri (nm) e che possono essere direttamente applicate sulla pianta (semi, foglie o radici) per proteggerle da parassiti e agenti patogeni.
Le nanoparticelle d’argento hanno mostrato attività di inibizione fungina (Alternaria alternata, Sclerotinia sclerotiorum, Macrophomina phaseolina, Rhizoctonia solani, Botrytis cinerea e Curvularia lunata). Interessante anche l’efficacia contro i virus: utilizzate su foglie di fagioli hanno provocato la completa soppressione del virus della rosetta di canapa Sunn (Shrv) mentre su piante di fava hanno eliminato il virus del mosaico giallo del fagiolo. I migliori risultati si avevano applicando le nanoparticelle 24 ore post-infezione.
Le nanoparticelle di rame e il biossido di titanio sono più comunemente utilizzate con i fertilizzanti. Cisono pochi studi sui loro effetti diretti nel controllo delle avversità anche se, in alcuni casi, si sono ottenute la protezione dai batteri e l’inattivazione di alcuni virus.
In laboratorio le nanoparticelle di biossido di titanio, di argento, e di rame hanno mostrato delle interessanti proprietà antimicrobiche.
Quelle di alluminio, invece, hanno dimostrato un’efficacia insetticida.
L’introduzione di nanoparticelle d’oro poli-disperse tramite un abrasivo meccanico ha eliminato le particelle del virus del mosaico giallo dell’orzo, conferendo resistenza alla pianta.
Il chitosano è una nanoparticella caratterizzata da biodegradabilità, biocompatibilità, non allergenicità, abbinate ad una bassa tossicità per gli animali e gli esseri umani. Induce resistenza virale nei tessuti vegetali e li protegge dalle infezioni causate da alcuni virus del mosaico (erba medica, tabacco, arachidi, patate, e cetriolo).
Ha mostrato anche proprietà antimicrobiche (Fusarium, marciume delle radici del pomodoro, Botrytis cinerea nell’uva e Pyricularia grisea nel riso); queste derivano da alcuni effetti che provoca come l’agglutinazione, la rottura della membrana cellulare, l’inibizione dell’attività H + -ATPasi, l’inibizione della produzione di tossine e della crescita microbica, l’inibizione della sintesi di RNA messaggero e proteine e il blocco del flusso dei nutrienti.
Comprovata anche l'efficacia insetticida diretta sull’afide dell’oleandro (Aphis nerii), sulla tignola del cotone (Spodoptera littoralis), sulle ninfe di psilla (Cacopsylla pyricola) e i nematodi galligeni (Meloidogyne javanica).
Questo schema mostra diversi nanomateriali potenzialmente impiegabili come sostanze protettive o come trasportatori di molecole insetticide, fungicide, erbicide, o molecole di interferenza dell'RNA, efficaci per un'ampia gamma di parassiti e agenti patogeni. Evidenzia anche i potenziali benefici delle applicazioni di nanomateriali, come per esempio una prolungata conservazione, un migliore assorbimento sito-specifico, una maggiore solubilità, riducendo al contempo la lisciviazione e l’accumulo di sostanze tossiche nel suolo
Incapsulare i principi attivi
Le nanoparticelle di silice, chitosano, Sln e Ldh possono anche essere usate per sviluppare formulazioni agricole in cui hanno la funzione di vettori-trasportatori per intrappolare, assorbire o attaccare le molecole attive di insetticidi, fungicidi, erbicidi e molecole che inducono l’RNAi.
La letteratura suggerisce che il silicio è già stato usato per migliorare la tolleranza delle piante contro vari stress abiotici e biotici; pertanto, sembra essere una delle scelte più logiche per lo sviluppo di prodotti destinati alla difesa. Le nanoparticelle di silice possono essere facilmente sintetizzate. Comunemente sono prodotti in una forma sferica con fori simili a pori; per esempio, nanoparticelle di silice cava porosa (Phsn) o silice mesoporosa nanoparticelle (Msn) inglobano la sostanza attiva nel nucleo interno in modo da proteggerla e fornire un rilascio prolungato. La struttura del guscio dei Phsn protegge le molecole attive all’interno delle nanoparticelle contro la degradazione mediante luce Uv.
Anche il chitosano è particolarmente promettente come vettore di sostanze attive ad azione insetticida. A causa della loro idrofobicità, queste particelle hanno una bassa solubilità in mezzo acquoso. Di conseguenza, vengono miscelate con un co-polimero (organico e/o inorganico), per migliorare la loro solubilità. Il chitosano, inoltre, aderisce bene all’epidermide di foglie e steli, delle piante prolungando il tempo di contatto e facilitando l’assorbimento delle molecole bioattive.
Le nanoparticelle lipidiche solide (Sln) sono simili alle emulsioni e sono composte da lipidi che si presentano solidi a temperatura ambiente. Esse presentano un importante vantaggio: forniscono una matrice per intrappolare le molecole attive lipofile senza l’uso di solventi organici. Inoltre, possono anche permettere un rilascio controllato dei componenti lipofili grazie alla ridotta mobilità del principio attivo nella matrice solida. Quando le nanoparticelle lipidiche sono disperse in acqua, per stabilizzarle vengono utilizzati i tensioattivi che però hanno una bassa efficienza di carico e questo a volte permette la fuoriuscita del principio attivo dalla struttura durante la conservazione.
I doppi idrossidi stratificati (Ldh) sono argille che si formano in fogli esagonali con strati di molecole attive intrappolate nello spazio inter-strato. In presenza dell’umidità e dell’anidride carbonica presente nell’atmosfera, si ha la rottura di tali nanoparticelle. Quando le ldh delaminato possiedono carica positiva dimostrano una interessante capacità di facilitare il trasporto di materiali biologicamente attivi attraverso la barriera della parete cellulare della pianta.
Le sfide delle nanotecnologie per il futuro
L’efficacia delle nanotecnologie è molto promettente. Tuttavia, soprattutto in ambito agricolo, ci sono poche conoscenze sugli effetti a lungo termine che potrebbero sull’ambiente e sulla salute umana.
La valutazione del rischio si potrebbe realizzare testando l’esposizione e il rischio potenziale ma la grande varietà di nanoparticelle possibili e la mancanza di dati sulla loro tossicità in condizioni di impiego molto variabili, impediscono la creazione di strumenti standardizzati per realizzarla.
Per migliorare la fattibilità della valutazione del rischio, a livello internazionale si sta lavorando per raggruppare le nanoparticelle con le stesse proprietà. Questo lavoro, tuttavia, non potrà essere terminato se non verrà definito un quadro normativo di riferimento.
Attualmente le valutazioni del rischio variano a seconda della regione e a volte del settore, e questa parcellizzazione delle regole è il principale problema da risolvere.
Sicuramente il sistema di valutazione futuro dovrà avere una impostazione multidisciplinare; dovrà fare lavorare insieme scienziati, regolatori, industrie e le organizzazioni non governative.
Un altro problema riguarda la mancanza di una definizione delle Nt concordata a livello internazionale. Questa mancanza di chiarezza rende molto difficile regolamentare il settore. Qualcuno propone di adottare una regolamentazione specifica per le nano sostanze visto che possono avere proprietà diverse dalle stesse molecole in versione macro.
Sicuramente è necessario arrivare ad alla formulazione di una definizione comune per stimolare i paesi a condividere conoscenza, commercio di prodotti contenenti nanomateriali e mitigare i rischi associati.
Molti aspetti ancora da indagare
In farmacologia e in medicina le nanotecnologie hanno già fatto passi da gigante, mentre nel settore agricolo il loro impiego è ancora in fase di studio.
I possibili campi d’azione di queste tecnologie che spazzano via le tradizionali barriere tra fisica, chimica e biologia, potenzialmente sono tanti. Le nanoparticelle potrebbero essere utilizzate come protettori o per la diffusione mirata di un fitofarmaco tramite adsorbimento, incapsulamento e / o coniugazione della sostanza attiva.
Le nanotecnologie in agricoltura hanno guadagnato slancio nell’ultimo decennio con abbondanza di finanziamenti pubblici. Nonostante le premesse, però, il ritmo dello sviluppo è ancora modesto.
Nel campo della nanoscienza occorre padroneggiare la complessità della piccola scala in modo da evitare argomentazioni basate sulla paura. L’approccio negativo che l’opinione pubblica spesso ha verso questo tipo di innovazioni va gestito attraverso il dibattito pubblico e la presentazione di dati scientifici inoppugnabili.
Un primo passo in questo dibattito è senza dubbio il riconoscimento dell’enorme divario che esiste tra la nostra comprensione di alcune funzioni su scala nanometrica e la complessità della vita.
Occorre capire perché le nanotecnologie ottengono risultati così promettenti in laboratorio in modo da capire se esistono zone d’ombra; inoltre, è bene indagare eventuali effetti collaterali che oggi ignoriamo.
In questo momento, infatti, un nuovo “nano pesticida” verrebbe accolto con sospetto dall’opinione pubblica. Il rischio è che diventi un’arma a doppio taglio se non c’è stata a monte una attenta valutazione degli effetti sulla salute dell’uomo e sull’ambiente.
Inoltre, considerato che si tratta di una tecnologia completamente nuova, forse andrebbe regolamentata in un quadro legislativo diverso. Anche per questo passaggio, tuttavia, è necessaria una maggiore comprensione dei fenomeni che regolano il mondo dell’ultra piccolo.
Conosciamo le nanotecnologie e in nanomateriali
La nanotecnologia è la scienza interessata alla progettazione, sintesi, caratterizzazione e applicazione di materiali e dispositivi che hanno una organizzazione funzionale in una dimensione sulla scala di un nanometro (nm), che varia da pochi a circa 100 nm. Poiché un nanometro è uno miliardesimo di metro, i materiali che rientrano nella scala nanometrica hanno proprietà completamente diverse dalle loro controparti di dimensioni più grandi. Pertanto, parlando di “nanotecnologie”, si fa riferimento alle tecniche di manipolazione o autoassemblaggio di singoli atomi, molecole o cluster molecolari in modo tale da creare materiali e dispositivi con proprietà nuove o molto diverse dal materiale di origine.
Le potenziali applicazioni della nanotecnologia in agricoltura sono numerose e in parte ancora da esplorare (ad esempio i nano rivestimenti, la bioingegneria dell’acido nucleico, i nanosensori bioanalitici, i nano materiali e le superfici bio-selettive ecc.) ma nel loro complesso hanno la potenzialità per trasformare l’industria alimentare cambiando il modo in cui il cibo viene prodotto, elaborato, confezionato, trasportato e consumato.
Nella storia umana le divere epoche storiche sono state caratterizzate dall’utilizzo di materiali diversi e questi periodi sono chiamati di conseguenza “età della pietra”, “età del bronzo” e “età del ferro” ecc. La nanotecnologia ha possibilità di sviluppo così elevate che potrebbe influenzare la vita umana nel prossimo futuro in modo così pervasivo da dire che ci stiamo muovendo verso la “nano-età”.
