A quitosana pode desempenhar um papel fundamental na produção agrícola moderna e ser uma fonte valiosa para promover a sustentabilidade dos ecossistemas agrícolas. Sugestões futuras serão baseadas nas conquistas atuais e também nas lacunas existentes. Além disso, a quitosana contribui significativamente para a redução da poluição por fertilizantes e para o controle de pragas e patógenos na agricultura moderna.
A crescente demanda por alimentos, em consonância com o aumento constante da população mundial, impulsionou a busca por formas de produzir alimentos suficientes por meio de agricultura sustentável, a fim de satisfazer as necessidades nutricionais atuais dos consumidores. Os fertilizantes são cruciais para fornecer nutrientes às plantas e, assim, produzir colheitas de alta qualidade, garantindo a segurança alimentar. Da mesma forma, os pesticidas são substâncias químicas utilizadas para eliminar pragas e patógenos. Ao mesmo tempo, fertilizantes e pesticidas também são identificados como poluentes agrícolas. A contaminação tornou-se um desafio considerável em países industrializados avançados, em comparação com países em desenvolvimento. A disponibilidade de água doce é afetada pelo descarte de efluentes agrícolas, que são prejudiciais a todos os seres vivos.
O setor agrícola tornou-se um dos principais responsáveis pelos danos à biodiversidade, com influências cada vez mais intensas devido à alteração dos padrões de consumo e ao crescimento populacional, que transformam habitats naturais em estruturas extremamente sofisticadas e liberam poluentes e gases de efeito estufa. Uma grande porcentagem de poluentes orgânicos infiltra-se no solo, assim como diversas substâncias tóxicas produzidas industrialmente.
Além disso, o uso massivo de pesticidas químicos extremamente destrutivos tem um impacto drástico na saúde humana e nos ecossistemas. Esses produtos químicos são capazes de se depositar e serem absorvidos pelo solo, com tendência à lixiviação, resultando em acúmulo massivo nas partículas do solo, em moléculas biológicas e na transmutação metabólica de microrganismos. Os agricultores ainda utilizam uma quantidade enorme de agroquímicos (pesticidas, fertilizantes e organometálicos), agravando problemas como poluição do ar, toxicidade do solo, degradação agrícola, acúmulo de resíduos e resistência a pesticidas em pragas e microrganismos.
A agricultura orgânica é um sistema agrícola moderno e viável que fornece produtos agrícolas frescos e naturais aos consumidores. Na perspectiva de retorno à natureza, utilizando o progresso científico e tecnológico para melhorar os padrões de vida, as pessoas começaram a buscar soluções para aliviar a poluição ambiental. Pesquisadores pretendem criar produtos limpos, acessíveis, suaves e eficazes. Recentemente, diversos polímeros diferentes foram introduzidos. Algumas metodologias inovadoras estão sendo pesquisadas para controlar a liberação de fertilizantes e pesticidas, visando uma agricultura de excelência e reduzindo os diversos impactos nocivos dessas substâncias.
A adoção de diversos polissacarídeos como metodologias de administração de fármacos apresentou vantagens consideráveis, como biocompatibilidade, não toxicidade, afinidade por biomoléculas, excelente formulação, liberação sustentada, entre outras. No entanto, outras preocupações comuns na pesquisa agrícola incluem doenças e pragas, desperdício de nutrientes, produção agrícola insuficiente devido à escassez de água, fertilizantes (nitrogenados, fosfóricos, potássicos e organometálicos) e aplicação incorreta de pesticidas. Para lidar com as preocupações decorrentes do uso excessivo de agroquímicos sintéticos, torna-se crucial desenvolver práticas alternativas que permitam o uso seguro e produtivo desses produtos químicos.
Numerosos pesquisadores têm assumido que a restrição da distribuição de nutrientes por meio de materiais naturalmente degradáveis e o rápido desenvolvimento de nanomateriais inteligentes podem desempenhar um papel vital no desenvolvimento das atividades agrícolas. Considerando os avanços recentes na nanotecnologia, o revestimento de agroquímicos (fertilizantes, pesticidas e herbicidas) (Figura 1) pode oferecer uma plataforma incrível para esse fim. Atualmente, a adoção de nanocápsulas e nanossensores tem atraído o interesse de grupos de pesquisa de diversas áreas das ciências vegetais; portanto, contribuições científicas consideráveis estão em andamento para aprimorar a formulação de nanocápsulas à base de biopolímeros. Os cientistas parecem estar ansiosos para descobrir as capacidades dos nanomateriais que os tornam tão convenientes para promover a produtividade das culturas.
A quitosana é um polímero policatiônico sintetizado a partir da desacetilação da quitina (um material estrutural presente em inúmeros invertebrados), comumente encontrada nos exoesqueletos de crustáceos, particularmente camarões e caranguejos, bem como nas paredes celulares de fungos e leveduras e nos espinhos de diatomáceas. Por ser relativamente hidrofóbica, é praticamente insolúvel em água e em diversos solventes orgânicos. Esse contexto apresenta um enorme potencial e demanda por reguladores de crescimento vegetal vantajosos e ecologicamente sustentáveis para a agricultura.
Utilização da quitosana como fertilizante de liberação controlada
A aplicação indiscriminada de fertilizantes químicos é um grave problema mundial. A aplicação racional de fertilizantes e o aumento da capacidade de utilização de nutrientes, limitando a toxicidade prejudicial, dependem do fornecimento de nutrientes de acordo com as necessidades das plantas e da manutenção da absorção desses nutrientes. Os fertilizantes de liberação controlada (FLC) são caracterizados pela liberação retardada de nutrientes por um período limitado. No entanto, aspectos como a duração da liberação podem ser fortemente afetados por fatores como armazenamento, transporte, aplicação no campo, umidade do solo e atividade biológica.
Recentemente, a aplicação de quitosana em fertilizantes de liberação controlada ainda está em fase inicial. No entanto, devido às suas características biodegradáveis, ecologicamente corretas e outras vantagens, ela pode ser um excelente fertilizante. Além disso, a estrutura porosa em sua superfície facilita a permeação de água e nutrientes. Após a liberação controlada, as microesferas de quitosana carregadas com nitrogênio podem liberar os nutrientes lentamente no solo, atendendo às necessidades nutricionais das plantas em diferentes estágios de desenvolvimento, melhorando a taxa de utilização do fertilizante e reduzindo as perdas de fertilizantes químicos.
Preparação e formulação do CRF
As nanopartículas de quitosana foram sintetizadas inicialmente em 1994, aplicando a técnica de emulsificação e reticulação utilizada como carreadoras de fármacos. Posteriormente, diversas tecnologias foram desenvolvidas, como gelificação iônica, abordagem micelar reversa, precipitação, peneiramento, coalescência de gotículas de emulsão e secagem por aspersão. Essas tecnologias já foram desenvolvidas para fins agrícolas. O mecanismo e a função determinam, em grande parte, as metodologias de preparação; por exemplo, a taxa de liberação de componentes ativos geralmente é determinada pelo tamanho e morfologia dos nanocompósitos, pelo desempenho termomecânico e pelo nível de efeitos nocivos dos resíduos degradáveis. As técnicas de liberação controlada baseadas em quitosana são utilizadas principalmente em aplicações de liberação controlada de fármacos.
Alguns estudos determinaram que a capacidade de absorção de água do CRF revestido com quitosana influencia suas características de distribuição. Embora a quitosana apresente excelente biodegradabilidade, devido à taxa de liberação retardada das ligações poliméricas, ela possui um potencial de intumescimento reduzido ao formar um hidrogel. No entanto, a combinação da quitosana com diversos materiais poliméricos hidrofílicos aumenta sua capacidade de absorção de água no estado gel.
O método de emulsificação e reticulação é uma excelente metodologia para preparar fertilizantes de liberação controlada (CRF), estabilizando a estrutura das partículas e modificando suas características de liberação controlada. A modificação do grau de reticulação em uma partícula altera a permeabilidade dos fertilizantes ao longo dela. A reticulação melhora a estabilidade mecânica da partícula resultante ou das microesferas de quitosana (carregadas com fertilizantes) por meio da utilização de uma nanoemulsão. O procedimento ocorre com a emulsão da solução de quitosana em uma gota de óleo (emulsão água-em-óleo). Surfactantes suficientes estabilizam inicialmente a fase de quitosana antes da combinação com um agente de reticulação apropriado (por exemplo, formaldeído, glutaraldeído, genipina, glioxal, etc.). Após isso, os fertilizantes de liberação controlada à base de microesferas de quitosana devem ser lavados e secos (Figura 2).
O mecanismo de liberação controlada do CRF
É importante compreender o processo de liberação controlada, que seria a avaliação direta do desempenho de um fertilizante de liberação controlada (CRF). Em termos gerais, o sistema de liberação controlada é complexo de se conceber, pois depende de diversos fatores, como a composição dos materiais de revestimento, o tipo de CRF, o contexto agrícola, entre outros. O CRF à base de hidrogel de quitosana pode melhorar a retenção de água no solo. Polímeros hidrofílicos, que constituem hidrogéis (por exemplo, álcool polivinílico), liberam compostos químicos ativos por difusão, enquanto a quitosana libera componentes ativos por degradação e difusão. É incomum observar uma liberação imediata e súbita de componentes ativos a partir de partículas que normalmente os distribuem durante a difusão ou degradação.
Isso ocorre em resposta à adsorção de substâncias ativas nas partes externas das partículas. Quando essa liberação inicial se esgota, observa-se uma liberação contínua, que aumenta à medida que a matriz de partículas continua a se degradar. As partículas de quitosana-álcool polivinílico (PVA) sintetizadas foram utilizadas para avaliar a liberação do componente ativo em diversas situações. Os pesquisadores determinaram a liberação controlada por difusão investigando a interação linear entre a quantidade de componente ativo liberado e a raiz quadrada do tempo.
Os fertilizantes de liberação controlada desenvolvidos com hidrogéis de quitosana apresentam um processo de difusão quase-Fickiano que controla a cinética de liberação de potássio e a absorção de água. Observa-se uma forte correlação entre a quantidade de fármaco liberada e a raiz quadrada da duração, indicando que a liberação do fármaco através das microcápsulas é controlada por difusão e segue as equações de Higuchi.
A relação entre a degradação da matriz e a cinética de liberação da indometacina via micropartículas de quitosana. O tempo de retenção da quitosana dentro das microcápsulas e o pH do meio liberado mostraram-se inter-relacionados com a cinética de liberação. A avaliação da liberação in vitro de nanopartículas de quitosana carregadas com o fármaco forneceu informações sobre o inchamento dinâmico das nanopartículas de quitosana e indicou que o inchamento das nanopartículas de quitosana diminui com o acúmulo de ligações cruzadas. A resposta de expansão de hidrogéis de quitosana/álcool polivinílico em função do pH, das formulações poliméricas e dos graus de reticulação.
Fertilizantes controlados fisicamente
A quitosana e seus compósitos ocorrem em diversas formas físicas, incluindo resinas, microesferas, hidrogéis, membranas e fibras. A variedade de uma forma física específica depende da configuração do sistema para aplicações limitadas. A determinação das formas físicas desejadas para a quitosana começa com a mistura dos componentes da mistura na forma líquida e a aplicação do método de conformação apropriado.
O desenvolvimento de fertilizantes revestidos tem aumentado progressivamente na década atual, sendo que 95% deles são fertilizantes de liberação controlada. Os fertilizantes à base de matriz, também conhecidos como fertilizantes de liberação controlada do tipo físico, são únicos, de baixo custo e com propriedades de liberação controlada. Os avanços atuais em fertilizantes têm aumentado progressivamente, e 95% deles são fertilizantes de liberação controlada. Os fertilizantes à base de matriz também são classificados como um tipo físico de fertilizante de liberação controlada com propriedades únicas, de baixo custo e de liberação controlada.
Fertilizantes controlados quimicamente
Fertilizantes de liberação controlada quimicamente podem retardar a liberação, impedindo a decomposição do fertilizante ou a transformação de nutrientes por meio de atividade química. O tipo químico de fertilizante de liberação controlada é dividido em duas categorias: fertilizantes quimicamente ligados e fertilizantes quimicamente inibidos. Esta categoria de fertilizante de liberação lenta tem um impacto mais significativo, mas seu custo é comparativamente alto. Os fertilizantes quimicamente ligados permitem que fertilizantes misturados com um ou mais componentes químicos, por meio de ligações cruzadas ou iônicas, desenvolvam uma substância parcialmente solúvel ou insolúvel.
Ele fornece os nutrientes necessários através das raízes das plantas e da atividade biológica. A quantidade de recursos tem sido frequentemente avaliada através do tamanho das partículas e do teor de água em todo o solo; fertilizantes químicos controlados liberam nitrogênio onde este pode ser incorporado em substâncias controladas. Inibidores de urease e nitrificantes são amplamente utilizados, pois reduzem a hidrólise da ureia, embora estes últimos inativem a nitrificação de amônio e diversas outras fontes.
Fertilizante de quitosana com liberação controlada e capacidade de retenção de água
O fertilizante de liberação controlada com retenção de água é um produto de alta tecnologia que combina agentes de retenção de água com a teoria moderna de fertilização e nutrição vegetal, além da tecnologia de liberação controlada, para determinar a taxa de fornecimento de nutrientes e o período de eficácia do fertilizante. Atualmente, a maioria dos fertilizantes de liberação controlada com retenção de água disponíveis no mercado utiliza agentes de retenção de água como material de revestimento. As microesferas presentes nesse material são responsáveis pela liberação controlada de nutrientes.
Conclusão
Em conclusão, a quitosana destaca-se como um biopolímero multifuncional, biodegradável e não tóxico, que oferece um caminho promissor para práticas agrícolas mais sustentáveis e ambientalmente responsáveis. Sua aplicação como veículo de liberação controlada de fertilizantes não só melhora a eficiência do uso de nutrientes e reduz a frequência de aplicações de agroquímicos, como também mitiga os graves riscos ecológicos e de saúde associados ao uso excessivo de fertilizantes e pesticidas sintéticos.
Apesar do progresso encorajador alcançado em formulações à base de quitosana — desde hidrogéis e microesferas até nanocompósitos — desafios significativos ainda persistem. Entre eles, destacam-se o aumento da escala de produção, a padronização dos métodos de preparação, a redução de custos e a adaptação das formulações a diferentes tipos de solo e condições climáticas. Pesquisas futuras devem priorizar ensaios em escala de campo, avaliações de segurança ecológica a longo prazo e a integração da quitosana com tecnologias de sensores inteligentes para a agricultura de precisão.
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