Nuova frontiera dell’innovazione, la nanotecnologia trova sempre più spazio anche in un settore come quello agricolo, dove può contribuire a migliorare la gestione della produzione. Conoscerla è dunque fondamentale, specialmente per comprenderne a fondo vantaggi ed eventuali criticità.

Secondo la definizione della Raccomandazione 2011/696/EU della Commissione Europea (CE), si definiscono nanomateriali tutti quei materiali naturali, incidentali o ingegnerizzati contenenti particelle allo stato libero, aggregato o agglomerato, e in cui, per almeno il 50% delle particelle nella distribuzione dimensionale numerica, una o più dimensioni esterne siano comprese nell’intervallo tra 1 nm e 100 nm (Istituto Superiore di Sanità, 2022).

I nanomateriali, quindi, si classificano in:

• naturali che, molto diffusi nell’ambiente, derivano da processi biologici e geologici, come ad esempio processi di combustione naturale o eruzioni vulcaniche;
• incidentali, prodotti involontariamente e che derivano ad esempio dal traffico dei veicoli, dai motori diesel, dagli inceneritori delle industrie, da operazioni di saldatura e processi di stampa laser delle fotocopiatrici;
• ingegnerizzati, caratterizzati da una composizione chimica ben definita e prodotti intenzionalmente a livello di laboratorio per scopi scientifici e industriali.

Accanto a questa classificazione, possono essere suddivisi in nanofibre, se presentano due dimensioni su scala nanometrica, e nanoplasti se presentano una dimensione su scala nanometrica. Si caratterizzano per le loro piccole dimensioni, l’elevata penetrabilità, la permeabilità, l’aderenza e la possibilità di veicolare altre molecole. Diversi metodi sono utilizzati per la sintesi di nanoparticelle, come quello fisico, chimico, enzimatico e biologico (“sintesi verde”). I metodi biologici utilizzano risorse eco-compatibili come estratti vegetali, batteri, funghi, microalghe, ecc.

La nanotecnologia verde si riferisce all’applicazione della nanotecnologia per migliorare la sostenibilità ambientale dei processi e per ridurre i costi e i potenziali rischi ambientali derivanti dalle esternalità negative prodotte.

Per quanto riguarda il settore agricolo-zootecnico, le nanoparticelle possono essere utilizzate per la fabbricazione di nanofertilizzanti, nanobiofertilizzanti e “nanoagrofarmaci”. Tuttavia, date le loro piccole dimensioni e l’elevata permeabilità, che permettono loro di attraversare facilmente i tessuti e penetrare nelle cellule, non mancano rischi tossicologici per l’uomo e per gli animali.

Nanofertilizzanti

Grazie alla nanotecnologia (agronanotecnologia) è stata sviluppata una notevole varietà di nanomateriali come “nanoagrofarmaci”, nanofertilizzanti, nanoemulsioni e nanoparticelle.

I nanofertilizzanti sono prodotti realizzati con nanoparticelle che utilizzano la nanotecnologia per migliorare l’efficienza dei nutrienti. Hanno proprietà fisico-chimiche uniche, che li rendono più vantaggiosi dei fertilizzanti chimici tradizionali. Le piccole dimensioni delle particelle (<100 nm) consentono ai nanofertilizzanti di entrare facilmente nei tessuti vegetali, sia in caso di applicazioni fogliari che radicali (Seleiman et al., 2021). Grazie alle dimensioni molto ridotte, presentano un’area superficiale e un rapporto superficie/volume elevati (Hussain et al., 2022) che migliorano la capacità di assorbimento e ritenzione degli elementi nutritivi rispetto ai fertilizzanti chimici convenzionali. In più, contengono più nutrienti che rilasciano gradualmente in base alle esigenze delle piante (Siddiqi e Husen, 2017).

I nanofertilizzanti vengono raggruppati in tre categorie:

1. fertilizzanti su scala nanometrici, ovvero normali fertilizzanti che, spesso, si presentano come nanoparticelle a causa delle dimensioni;
2. fertilizzanti additivi su scala nanometrica, fertilizzanti tradizionali con additivi su scala nanometrica;
3. fertilizzanti di rivestimento su scala nanometrica, fertilizzanti tradizionali rivestiti o caricati con nanoparticelle.

In generale, i rivestimenti con nanomateriali (es. nanomembrane) possono rallentare il rilascio di sostanze nutritive, così come un nanofertilizzante poroso può includere una rete di canali che ritarda la solubilità dei nutrienti. I nanofertilizzanti possono anche essere utilizzati per migliorare la tolleranza agli stress abiotici e, in combinazione con microrganismi (i cosiddetti nanobiofertilizzanti), si ottengono benefici aggiuntivi. La letteratura scientifica ha dimostrato che i nanofertilizzanti possono aumentare la produzione agricola di circa il 20-30% rispetto ai fertilizzanti convenzionali, con il vantaggio di ridurre fortemente le dosi di applicazione.

“Nanoagrofarmaci”

I “nanoagrofarmaci” comprendono particelle molto piccole di sostanze attive di prodotti fitosanitari o altre nanostrutture con proprietà specifiche degli agrofarmaci. I principali approcci possibili all’uso dei nanomateriali nella difesa delle colture sono:
a) uso diretto di nanomateriali inorganici come “nanoagrofarmaci”, come metalli nobili o materiali a base di silicio;
b) uso di dispositivi su scala nanometrica naturali o sintetici, come i polimeri naturali per trasportare meglio le sostanze attive;
c) nanoformulazione dei prodotti fitosanitari già esistenti.

L’uso di nanoformulazioni permette di ottenere una migliore gestione e utilizzo dei principi attivi e di ridurre gli impatti negativi. Le due principali tecnologie sviluppate sono le nanosospensioni e le nanocapsule.

Le nanosospensioni prevedono nanoparticelle-vettore (carrier) su cui viene adsorbita la sostanza attiva (lipidi, argille, strutture metallorganiche, ecc.). Il nanoincapsulamento, invece, sfrutta polimeri biodegradabili ed ecocompatibili per racchiudere e proteggere il principio attivo e regolarne il rilascio. Entrambe le strategie servono a proteggere e controllare la cinetica di rilascio dell’agrofarmaco, evitando una degradazione precoce e una mobilità d’uso indesiderata, e a ridurre le dosi applicate. Spesso la tecnica dei carrier e l’incapsulamento vengono usati contemporaneamente (S. Kumar et al., 2019).

Per quanto concerne i nanomateriali inerti (es. nanosilice, nanoargilla, nanoidrossiapatite, ecc.), alcuni possono essere considerati già prodotti fitosanitari poiché possono controllare, attraverso meccanismi per lo più fisici, insetti, acari e funghi. Possono inoltre fungere da vettori di sostanze attive grazie alle loro caratteristiche strutturali. D’altra parte, diverse particelle metalliche (es. rame, argento, zinco), come tali o incapsulate e stabilizzate, vengono già utilizzate come agenti antimicrobici, battericidi e fungicidi.

Interessante appare anche l’uso di nanovettori a base di polimeri (es. chitosano, alginato, ciclodestrine, ecc.) come nanocarrier, sostanze attive stesse o rivestimenti biodegradabili di sostanze attive (Pasqua G., 2022).
In generale, i possibili vantaggi delle nanotecnologie nel settore dei prodotti fitosanitari possono ricondursi a:
1. aumento della biodisponibilità;
2. aumento dell’efficacia;
3. diminuzione delle dosi;
4. diminuzione delle applicazioni;
5. diminuzione dell’esposizione umana e ambientale.

Assorbimento e traslocazione nelle piante

Le caratteristiche fisico-chimiche, in particolare la composizione chimica, le dimensioni, la morfologia e il tipo di rivestimento, influenzano l’assorbimento delle nanoparticelle nelle piante. Accanto a queste, però, anche le differenze fra le diverse specie vegetali, le modalità di somministrazione (fogliare o radicale) e assorbimento (apoplastico o simplastico), le caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche dei terreni possono interferire positivamente o negativamente sugli assorbimenti. Alcuni materiali, infatti, tendono ad accumularsi in particolari organi vegetali, mentre altri vengono degradati nella pianta in un certo arco di tempo. Per questo, in futuro sarà di primaria importanza conoscere e approfondire bene anche il metabolismo di queste sostanze nella pianta, al fine di evitare possibili fenomeni fitotossici e tossicologici sull’uomo.

Quali? Continua a leggere l’articolo e approfondire l’uso della nanotecnologia in agricoltura, scaricando la rivista.

Articolo a cura di: Silverio Pachioli
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