FORO
Nanoinsecticidas: Nuevas perspectivas para el control de plagas
Nanoinsecticides: New perspectives on insect pest control
Stadler, Teodoro*, Micaela Buteler* y David K. Weaver**
* Laboratorio de Toxicología Ambiental, Instituto de Medicina y Biología Experimental de
Cuyo (IMBECU), CCT CONICET-Mendoza, CC. 131, M 5500 IRA, Mendoza;
e-mail: lpe@mendoza-conicet.gov.ar
** Department of Land Resources and Environment Sciences, Montana State University,
Bozeman, MT, USA
RESUMEN: La agricultura de bajo impacto ambiental demanda nuevos pesticidas que deben ajustarse a las exigentes normativas internacionales. Parte de la búsqueda de nuevos productos bio-racionales se desarrolla por fuera del marco de la síntesis orgánica, explorando diferentes sustancias de origen natural como extractos vegetales, aceites insecticidas e insecticidas inorgánicos. Los polvos insecticidas representan el grupo más antiguo de sustancias utilizadas por el hombre para el control de plagas, cuya eficacia se basa principalmente en fenómenos físicos. Con el advenimiento de los insecticidas de síntesis, los polvos insecticidas fueron relegados por casi cinco décadas a la función de carriers de principios activos dentro de los insecticidas formulados. Con el desarrollo del caolín hidrófobo en la década de los 90´, los polvos inorgánicos resurgieron como insecticidas "per se", y, recientemente, a partir del descubrimiento de los nanoinsecticidas, afloran nuevas alternativas para expandir el espectro de aplicaciones de los polvos inorgánicos. El desarrollo y registro de nuevos productos a partir de nanomateriales manufacturados se basa en el paradigma "lo mismo pero diferente", ya que éstos difieren de las sustancias con idéntica estructura y composición química respecto de algunas propiedades como reactividad,área especifica, efectos cuánticos, carga eléctrica, etc. Estas sustancias con nuevas propiedades también se destacan como herramientas muy prometedoras para la protección de cultivos y la producción de alimentos y abren nuevas fronteras para el manejo de plagas con nanoinsecticidas. La alúmina nanoestructurada exhibe varias de las propiedades del insecticida ideal, ya que se trata de un producto natural desde el punto de vista químico, no reactivo, económico, con reducidas probabilidades de provocar resistencia en los insectos y su eficacia es mayor que la de otros polvos insecticidas como el caolín o la tierra de diatomeas. La masiva aparición de productos a base de nanomateriales en el mercado ha superado la velocidad a la que se evalúa su potencial impacto, de modo que la aplicación avanza por delante de la regulación para su uso. Esto sugiere la urgente necesidad de investigar los potenciales riesgos que surgen del empleo de estos productos en general, de los nanoinsecticidas en particular y sus efectos sobre organismos no blancos, así como sobre las nuevas tecnologías de aplicación más seguras y eficientes. Los actuales niveles de aplicación de nanopartículas y los desarrollos por venir, sugieren que la nanotecnología tendrá un efecto directo sobre las tendencias de la evolución de la agricultura para el control de plagas.
PALABRAS CLAVE: Insecticidas inorgánicos; Polvos insecticidas; Nanoinsecticidas; Control de plagas.
ABSTRACT: Sustainable agriculture demands new environmentally friendly pesticides that adhere to strict international regulations. Part of the research on new biorational pesticides focuses on natural products such as plant extracts, oils, and inorganic insecticides. Insecticidal dusts represent the oldest group of substances used by men for pest management, and their efficacy is based on physical phenomena. With the advent of synthetic pesticides, insecticidal dusts were used as carriers for other active ingredients in formulated insecticides. Organic dusts made a come-back as insecticides with the discovery of hidrophobic kaolin in the 90's. Recently, the discovery of nanoinsecticides brings new alternatives to expand the spectrum of applications of inorganic dusts. Development and registry of nanomaterials is based on the idea that they are not new materials, although they have different properties than the products with the same chemical structure, given that novel properties emerge from products when they are at the nanoscale. For example, reactivity, specific area, electric charge and quantum effects may differ. These substances with new properties are promising as tools for crop protection and food production, opening new frontiers for nanoinsecticides in pest management. For example, nanostructured alumina has been shown to have insecticidal properties, and it possesses some of the characteristics of an ideal insecticide, given that it is a natural product, not reactive, economical, with reduced probabilities of generating resistance in insects, and it is more effective than other commercially available insecticidal dusts. The current use of nanotechnology in a wide array of fields and products as well as the recent discovery of their potential in crop protection suggests that nanomaterials have a great potential for development of new products that will impact agriculture. Given the recent and widespread use of nanomaterials, there is an urgent need to study the impact of these products on human health and non target organisms, as well as to research more efficient and safer delivery technologies. The current levels of application of nanoparticles and the expected developments to come, suggest that nanotechnology will have a direct impact on the evolution of pest management practices in agriculture.
KEYWORDS: Inorganic insecticides; Insecticide powders; Nanoinsecticides; Pest control.
Recibido: 19-X-2010;
Aceptado: 5-XI-2010
Tendencias en la investigación sobre el control de plagas
La cambiante y cada vez más estricta
legislación que regula el uso de pesticidas,
así como los criterios de competitividad que
se aplican a estos productos, han llevado a
la producción agrícola desde la "revolución
verde" hasta la "agricultura transgénica" (Altieri, 1995; Shaukat et al., 2008). La
segunda guerra mundial marcó el inicio de la
producción de alimentos a escala industrial
a través de la "agricultura convencional",
basada en el empleo intensivo y extensivo
de productos químicos sintéticos tales como
pesticidas y fertilizantes. En contraposición
y casi al unísono con la agricultura
convencional, surgió el concepto "agricultura orgánica", basado en el aprovechamiento
de la materia orgánica como elemento
nutricional para suelos y plantas y el empleo
de productos naturales para el control de
plagas y enfermedades (FAO, 1999; Paull,
2006). Este concepto, que surgiera en el
Reino Unido con L. Northbourne en 1940
(Paull, 2006), fue comprendido y aplicado
dos décadas más tarde a partir del categórico
efecto de la obra de Rachel Carlson "Silent
Spring", sobre la opinión del público acerca
del empleo de pesticidas químicos (van
Emdem & Peakall, 1996). Sin embargo,
las cada vez más arraigadas tendencias
ecologistas aún no han logrado desplazar
los pesticidas de síntesis que, por una parte,
brindaron un importante servicio en el
control de plagas y vectores de enfermedades
durante las pasadas cinco décadas, pero por
otra, continúan utilizándose en el marco de
una controvertida ecuación costo-beneficio,
a raíz de su impacto negativo sobre la salud
del hombre y sobre el equilibrio de los
ecosistemas.
La creciente demanda de una agricultura
de bajo impacto ha impulsado a los
investigadores y la industria, a trabajar en el
desarrollo de pesticidas alternativos, menos
tóxicos y ecológicamente aceptables, que se
ajustan a las exigentes normas internacionales
(FAO-WHO, 2010). Asimismo, la marcada
tendencia hacia la agricultura sustentable
también ha impulsado a los investigadores
en la búsqueda de insecticidas alternativos
por fuera del marco de la síntesis orgánica,
explorando diferentes sustancias de origen
natural como extractos vegetales, aceites
insecticidas e insecticidas inorgánicos.
El resurgimiento de los insecticidas inorgánicos
Los polvos minerales con propiedades
insecticidas y especialmente los polvos
inertes (PI), como por ejemplo la tierra de
diatomeas y el caolín, exhiben características
deseables tales como: especificidad,
baja toxicidad para el hombre y para los
organismos benéficos, biodegradabilidad,
bajo costo y baja probabilidad de generar
resistencia (Ebeling 1971; Banks & Fields
1995; D'Antonio, 1997; Golob, 1997;
Subramanyam & Roesli, 2000). Éstos, sin
embargo, a pesar de poseer muchas de las
características que definen al insecticida
ideal, se relacionan trivialmente con prácticas
agrícolas antiguas y poco tecnificadas (Glenn & Puterka, 2005). Históricamente, el polvo
presente en el suelo fue utilizado como
repelente de insectos por algunos pueblos
primitivos, probablemente, copiando el
comportamiento de mamíferos y aves, que
regularmente toman "baños de polvo" para
deshacerse de insectos y ácaros (Ebeling,
1961). Los primeros casos documentados
sobre el empleo de PI datan de alrededor
del año 2000 a.C. y se refieren al control de
plagas con tierra de diatomeas (Diatomita)
en China (Allen, 1972). En el antiguo Egipto
(1500 a.C.), se utilizó carbonato sódico y
cenizas para el control de plagas en granos
almacenados, a través de una tecnología de
aplicación que fuera plasmada en forma de
recomendaciones escritas (Panagiotakopulu
et al., 1995). En el siglo I d.C., se utilizó el polvo de piedra caliza (carbonato de
calcio) para controlar insectos del grano
almacenado y, posteriormente, alrededor del
siglo III, se incorporaron a estas prácticas los
polvos reactivos (no inertes) como hidróxido
de calcio y el azufre (Secoy & Smith, 1983),
a los que se sumó la "cal viva" (óxido de
calcio). Estos polvos fueron utilizados como
insecticidas domésticos, agrícolas y de
post-cosecha durante los siglos XVII y XIX,
junto con el polisulfuro de calcio (Ordish,
1976). El descubrimiento de las propiedades
insecticidas del arseniato de plomo (1892)
y del pigmento verde - París (1897) marcó el comienzo de la "era de los insecticidas
modernos" (Little, 1972) los que finalmente
fueron desplazados por el DDT en la década
de los 40´(Peryea, 1998), se dio comienzo así a la supremacía de los insecticidas químicos
de síntesis.
A principios de los años 20´, se emplearon
los polvos inertes como carriers de insecticidas
tales como el arseniato de plomo (polvos
mojables) y se obtuvieron niveles de control
de plagas más elevados que los alcanzados
con el principio activo solamente (Mote et
al., 1926). Los insectos tratados con estos formulados mostraron comportamientos
inusuales, como las reacciones de "autolimpieza" (self-cleaning behavior) previos
a la muerte del insecto por ingestión del
producto (Mote et al., 1926). Sobre la base
de estas observaciones, Hockenyos (1933)
postuló que los PI poseen propiedades "desecantes", fenómeno que más tarde fue
considerado el principal mecanismo de
acción insecticida de los PI (Maxwell, 1937).
Chiu (1939a, b) postuló que la mortalidad
en poblaciones de insectos por acción de
PI se debe a diversos fenómenos como: a)
intoxicación por ingestión, b) desecación,
c) reacciones químicas a nivel de la cutícula
del insecto y d) acción mecánica directa; se
observó, además, una correlación inversa
entre el tamaño de partícula y la toxicidad
del polvo.
Un valioso aporte al estudio del
mecanismo de acción de los PI surge a través
del trabajo de Briscoe (1943), quién demostró que estos productos provocan deshidratación
y muerte por desecación. Luego, Alexander
et al. (1944a, b) señalaron que el fenómeno
de desecación de los insectos por acción de
PI se debe a la "absorción de la epicutícula" o
a la "penetración de los PI en la misma", esta
acción es independiente de la composición
química del PI y de su reactividad. Este
autor demostró además, que la mortalidad
de insectos expuestos a PI se correlaciona
inversamente con el tamaño de partícula,
con la estructura angular de la misma y
con el incremento de la dureza intrínseca
del material, y que bajos porcentajes de
mortalidad en insectos tratados con PI se
encuentran asociados con altos valores de
humedad relativa (Alexander et al., 1944a,
b). Finalmente, el mecanismo de acción
insecticida de los PI fue definido como la suma
de los fenómenos de abrasión y absorción
de las ceras epicuticulares, que conducen
a la desecación de los insectos (Kalmus,
1944; Wigglesworth, 1944), mientras que la
eficacia de los diferentes PI se correlacionó
con las propiedades físicas del polvo, como
el tamaño de partícula, densidad, superficie
específica, dureza y factores exógenos como
la humedad relativa (David & Gardiner,
1950; Alexander et al.,1944a, b).
A partir del desarrollo de técnicas para
cuantificar la capacidad de los polvos
inertes para absorber y remover las ceras
de la cutícula de insectos, se comprobó que
los PI no abrasivos como Montmorillonita
(hidroxisilicato de magnesio y aluminio) y
Atapulgita (silicato de aluminio y magnesio
hidratados) remueven la capa de cera de
la cutícula de termitas, Incistermes menor (Hagan) (Ebeling & Wagner, 1959). Ebeling
(1961) comprobó que las partículas 20 Å absorben las moléculas de cera con cadenas
de más de C30, presentes en la mayoría de
las ceras cuticulares de insectos; y considera
además que el tamaño de partícula y la
superficie específica del polvo son factores
relevantes en la absorción de las ceras.
Este autor también evaluó la eficacia de los
polvos inertes para el control de diferentes
plagas, como insectos del grano almacenado
(Sitophilus oryzae (L.)), cucaracha americana
(Periplaneta americana (L.)) y ectoparásitos
de aves de corral (Ornithonyssus sylvarium (Canestrini & Fanzago)) (Ebeling, 1961).
A partir de 1970, el masivo empleo de
compuestos sintéticos como los aerogeles de
sílice y productos fumigantes de bajo costo,
provocó una reducción significativa en el
uso de PI, y las investigaciones sobre polvos
inertes se limitaron a su eficacia como
carriers de insecticidas sintéticos (Kirkpatrick & Gillenwater, 1981; Margulies et al., 1992)
o de agentes microbianos (Studdert et al.,
1990; Tapp & Stotzky, 1995). Sin embargo,
esta tendencia se revirtió en la última
década con los avances tecnológicos en el
procesamiento del caolín [Al4Si4O10(OH) 8], lo
que abrió nuevas fronteras para su uso como
PI. La producción de partículas de tamaños y
propiedades específicas (Glenn et al., 1999)
con alta eficacia en estudios de repelencia,
disuasión de oviposición y reducción de
daños por insectos y ácaros en frutales
(Glenn et al., 1999; Stadler & Buteler, 2008;
Puterka et al., 2000) colocaron nuevamente
los PI en la lista de opciones para el control
de plagas.
A diferencia de la mayoría de los
insecticidas de síntesis, que poseen
mecanismos de acción bioquímicos para
un sitio de acción específico (Kramer & Schirmer, 2007), el control de plagas con
polvos insecticidas está ligado a fenómenos
muy diversos como: repelencia, disuasión
de la oviposición, efectos antialimentarios,
incertidumbre durante el reconocimiento
de la planta hospedera, interferencias en
la sujeción al hospedero y mortalidad
directa (Puterka et al., 2000), que deben ser
analizados desde diferentes disciplinas como
el comportamiento y fisiología de insectos,
la tecnología de materiales y la física básica.
De aquí se desprende que el lento desarrollo
tecnológico y la escasa diversificación de los
insecticidas inorgánicos son, en parte, una
consecuencia de las dificultades asociadas
al análisis multidisciplinario de fenómenos
cuali-cuantitativamente tan diversos. Sin
embargo, hallazgos recientes como los
nanoinsecticidas (Stadler et al., 2010)
ofrecen nuevas alternativas que permiten
ampliar el espectro de aplicaciones de los
polvos inertes o simplemente mejorar su
eficacia, tal como sucedió con los avances
tecnológicos en el procesamiento del caolín
para la producción de películas hidrofóbicas
(Glenn et al., 1999).
Avances tecnológicos en el control bioracional de plagas
Durante la última década, se produjo
un aumento exponencial del interés por
los nanomateriales en el ámbito académico
e industrial. Éste surge a partir de las
propiedades nuevas que emergen de los
materiales en esa escala, tales como los
cambios en la conductividad eléctrica,
actividad de superficie y reactividad. La
nanotecnología también se presenta como
una herramienta muy prometedora para
el control de plagas, aunque su desarrollo
se encuentra en su etapa inicial (Perez-de-Luque & Rubiales, 2009; Parr-Vasquez et
al, 2010; Stadler et al., 2010). La prisa de la
industria por colocar productos a base de
nanomateriales en el mercado ha superado
la velocidad en la que se evalúa su potencial
impacto, de modo que el uso de la ingeniería
de nanomateriales sigue avanzando por
delante de la regulación para el empleo de
estos productos (Paull & Lyons, 2008).
La nanotecnología aplicada a la
producción de alimentos es el principio de
una nueva "agricultura de avanzada" (NNCO,
2006), o por lo menos un novedoso desafío
para la agricultura, tal como sucedió con
los organismos genéticamente modificados
(OGM´s) (Paull & Lyons, 2008). Se trata de una
ciencia de rápido desarrollo enfocada en lo "ultra-pequeño" [desde 1 a 100 nanometros
(10-9m)], una escala en la cual los materiales
exhiben nuevas propiedades. Sobre la base
del paradigma "lo mismo pero diferente",
los nanomateriales manufacturados
difieren de las sustancias con idéntica
estructura y composición química respecto
de propiedades como reactividad, área
especifica, efectos cuánticos, carga eléctrica,
etc. Estas nuevas propiedades surgen a partir
de la reducción del tamaño de partícula
hacia el rango nanométrico, y se amplía así el espectro de aplicaciones del compuesto a
diferentes productos industriales, agrícolas,
electrónicos, vestimenta, pinturas, alimentos,
cosméticos, medicamentos, etc.
La reducción del tamaño de la partícula
de una sustancia se traduce en el aumento de
la relación superficie/volumen por unidad de
peso, que se correlaciona generalmente con
el incremento en la toxicidad del material
(Paull & Lyons, 2008), característica que ha
sido capitalizada por algunos investigadores
al aplicar nanopartículas para el control
de diferentes microorganismos e insectos.
Por ejemplo, se ha encontrado que un
nanomaterial a base de plata y azufre tiene
propiedades antimicrobianas (Chopra, 2007)
e insecticidas cuando es incorporado en
artículos textiles (Ki et al., 2007). Por otro
lado, la alúmina nanoestructurada (NSA)
recientemente descubierta como insecticida
(Stadler et al., 2010), se caracteriza por
partículas de 40-60ηm y una superficie
específica de 14m2.g-1 (Mimani & Patil,
2001), que forman agregados grandes (Fig.1). Desde el punto de vista químico, se trata
de óxido de aluminio (Al2O3), una sustancia
omnipresente en la naturaleza, que junto
con la sílice es uno de los principales
ingredientes de las arcillas (Hurlbut & Klein, 1985). A diferencia de la alúmina natural, la
NSA es el resultado de una síntesis química
por combustión (Mimani & Patil, 2001), cuyo
producto es un polvo homogéneo y de alto
grado de pureza con características uniformes
y propiedades físico-químicas específicas,
que resultan del proceso de fabricación y
son responsables de la actividad insecticida
(Stadler et al., 2010).
Fig. 1. Micrografía MEB de agregados de NSA. Alúmina nanoestructurada, a partir de nanopartículas
de 40-60ηm.
A pesar de que el mecanismo de acción insecticida de la NSA aún no ha sido totalmente esclarecido, la NSA actúa, en principio, sobre la base de carga electroestática de las partículas y fenómenos de triboelectrificación (Carlton, 1971) y a través de la absorción de las ceras cuticulares de los insectos (Cook et al., 2008). En los nanomateriales obtenidos a partir de síntesis por oxidación de metales (ej. NSA), las partículas resultantes son dipolos permanentes con cargas eléctricas fijas, donde la interacción dipolo-dipolo promueve la formación de agregados con resistencia a las fuerzas de disociación (Chacón, 2007). En aquellos insectos que exhiben cargas eléctricas generadas por triboelecrificación (McGonigle et al., 2002) los agregados de NSA se adhieren firmemente a la superficie corporal (Fig. 2, b) y la capa de cera de la cutícula puede ser absorbida (secuestrada) por la NSA debido a su alta superficie específica (14m2.g-1; Mimani & Patil, 2001), fenómeno que conduce a la muerte del insecto por deshidratación (Cook et al., 2008).
Fig. 2. Antenito distal de Sitophilus oryzae (micrografia MEB 700x). a, Insecto sin tratamiento (control);
b, Insecto tratado con NSA; p = partículas de NSA [Foto: Lic. Fabián Tricárico, MEB, MACN Bernardino
Rivadavia].
El descubrimiento de la NSA (Stadler et
al, 2010) abre nuevas fronteras en el manejo
de plagas con polvos inorgánicos así como
de los nanoinsecticidas, ya que su actividad
insecticida (250mg.kg-1) es mayor a la
obtenida a través de los polvos insecticidas
disponibles en el mercado (500 a 5000mg.
kg-1), cuya eficacia depende además de la
composición mineral del polvo y del tipo de
formulación (Subramanyam & Roesli, 2000;
Vardeman et al., 2007). De aquí se desprende
que la NSA es una alternativa promisoria
para el control de plagas de insectos, por
tratarse de un producto natural (en cuanto
a su composición química), eficaz (por la
baja dosificación), seguro para el hombre y
el ambiente (desde el punto de vista de su
escasa reactividad química), con reducidas
probabilidades de provocar resistencia
a corto o mediano plazo (debido a su
mecanismo de acción basado en fenómenos
físicos y no bioquímicos). Si bien la NSA
presenta muchas de las características del
insecticida ideal, aún quedan por determinar
los potenciales riesgos del uso de este material
nanoestructurado para la salud humana y el
ambiente.
La rápida incorporación de la
nanotecnología en diversos ámbitos como
la medicina, ingeniería, electrónica y en
la agroindustia es la prueba de su enorme
potencial para el desarrollo de nuevos
productos. Los nanomateriales tendrán un
impacto directo sobre la evolución de la
agricultura, debido al amplio espectro de
posibilidades para el desarrollo de nuevas
tecnologías y de estrategias para el control
de plagas.
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