NanotecnologiaNanotecnologia

O aumento da produção agrícola brasi-leira visando atender não somente à

crescente demanda global por alimentos, mas também à exportação de grãos e seus subpro-dutos, tem gerado impacto ao ambiente. Essa expansão está atrelada ao uso intenso de in-sumos 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 saú-de 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, especialmen-te nos Estados pertencentes à nova fronteira agrícola, existem condições climáticas favo-ráveis 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 popularmen-te de pesticidas) que, por sua vez, além de eliminarem as pragas, também acabam por eliminar os seus inimigos naturais. Esses as-pectos contribuem para o aumento da resis-tência 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 pre-ocupação ambiental relacionada aos efeitos deletérios dos agrotóxicos, aceleraram o de-senvolvimento 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 cres-cendo em media 15% ao ano em todo o mundo, porém, esses organismos são mais suscetíveis a fatores abióticos quando comparados aos inse-ticidas convencionais. Nesse contexto, a micro (estruturas com tamanho entre 1 e 1000 μm) e mais recentemente a nanotecnologia (estru-turas com pelo menos uma dimensão entre 1 e 1.000 nm – 1 nanômetro equivale a 1 bilhonési-mo do metro) tem apresentado grande potencial para o desenvolvimento de novas formulações com compostos ativos de interesse agrícola.

Como exemplo, temos a utilização de nano-partículas produzidas com materiais poliméri-cos (macromoléculas formadas pela união de substâncias simples, chamadas de monôme-ros) ou lipídicos, contendo agentes de controle (agrotóxicos sintéticos e inseticidas/repelentes de origem botânica), que visam aumentar a so-lubilidade desses ingredientes ativos, liberá-los de uma forma lenta ou protegê-los da degra-dação. Dessa maneira, é possível liberar uma quantidade menor do ingrediente ativo ao longo do tempo, mantendo níveis desejáveis do com-posto por longos períodos no ambiente. Essa característica resulta em aumento de eficiên-cia e seletividade, não prejudicando os orga-nismos não alvos, e por consequência gerando menor contaminação ambiental. Além disso, no caso de encapsulação de microrganismos, tal estratégia favorece sua proteção contra fa-tores 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,

GrupO utiliza NaNOtecNOlOGia para reduzir vOlume de aGrOtóxicOs usadO em plaNtações

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 eHalley c. Oliveira

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6 UnESpCiênCiA | nOvEmbRO 2018 7nOvEmbRO 2018 | UnESpCiênCiA

NanotecnologiaNanotecnologia

visando prevenir riscos ao ambiente e à saú-de humana. Em relação à nanotecnologia, o transporte, o destino e a biodisponibilidade (porcentual de aproveitamento por um orga-nismo de uma data substância) são altamente dependentes dos meios aos quais são expostos; logo, alterações relativamente sutis nas caracte-rísticas 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 in-vestigação desses materiais considerando di-ferentes ecossistemas, como os de água doce, salgada, sedimento e solo, já que os diferentes organismos podem responder de forma dife-renciada 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 (Fi-gura 1), coordenados pelo professor Leonardo

Fernandes Fraceto, do Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba (ICTS), aprovou recen-temente 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 Pes-quisa 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-es-tudos-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 utiliza-das para encapsular agentes de controle, como agrotóxicos sintéticos e inseticidas/repelentes de origem botânica. Além disso, serão utiliza-dos fungos e bactérias como agentes biológicos de controle encapsulados em micropartículas.

A partir do desenvolvimento desses siste-mas, serão realizados estudos de transporte e toxicidade de diferentes tipos de micro e nano-partículas 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/nanoes-truturados 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 minimiza-ção de impactos ambientais ocasionados pelo uso de agrotóxicos.

figura 1

Instituições nacionais e internacional participantes do projeto temático.

figura 2

Estrutura do projeto temático e sua integração entre agricultura, micro/nanotecnologia e ambiente.

TaBELa 1

mEmbRO dA EqUipE inSTiTUiçãO ÁREA dE ATUAçãO nO pROjETO

Leonardo Fernandes

Fraceto

unesp/

sorocaba

desenvolvimento de sistemas carreadores e estudos de interação com matrizes complexas

Ricardo polanczyk unesp/

Jaboticabal

controle biológico de pragas

Renato Grillo

unesp/

ilha solteira

desenvolvimento de sistemas carreadores e estudos de interação com matrizes complexas

Gerson Araújo de

medeiros

unesp/

sorocabaGestão ambiental

juliana L. S. mayer unicampmorfologia vegetal e mecanismos de interação nanopartículas/planta

marcelo bispo de

jesus

unicamp estudo de interações de nanopartículas e células

Renata de Lima unisotoxicidade de nanomateriais e síntese de nanopartículas biogênicas

Alejandra bravo uNam/ méxicomecanismo de ação de Bacilus thurnigiensis

vera Castro embrapaavaliação toxicológica e de risco de nanopartículas em organismos não-alvo

Claudio jonsson embrapa risco de nanopartículas para o ambiente aquático

Luciana m. A. pinto uFlasíntese e caracterização de nanomateriais

Claudia b. R. martinez uelecotoxicidade de nanomateriais em organismo aquático (prochilodus lineatus)

Halley Caixeta Oliveira uel

Fisiologia vegetal e efeitos de nanomateriais em plantas

daiana Silva Avila unipampatoxicidade de nanomateriais em nematoide de solo caenorhabditis elegans

8 UnESpCiênCiA | nOvEmbRO 2018 9nOvEmbRO 2018 | UnESpCiênCiA

amet.

MICRO/NANOTECNOLOGIA

Micro/nanopartículas poliméricas

Nanopartículas metálicas biogênicas

AGRICULTURA

Atividade Biológica

Organismos alvo

AMBIENTEDestino/transporte

Toxicidade em organismos não alvos

NanotecnologiaNanotecnologia

Nesse cenário, o estudo de potenciais me-canismos de ação, destino e toxicidade serão propostos utilizando como modelo diferentes organismos e tipos de sistemas micro e na-nopartículas (poliméricos, lipídicos, metáli-cos), bem como diferentes agentes de contro-le, dentre eles compostos sintéticos, naturais e microrganismos. Dessa forma, a partir de estudos de especificidade (atividade biológi-ca) e seletividade (destinos e toxicidade), será possível a obtenção de dados de forma a pro-duzir conhecimento científico necessário para compreensão dos fenômenos e processos que governam a atividade biológica desses siste-mas, 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 larga-mente 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 me-nor contaminação ambiental. Por outro lado, as mesmas formulações não levaram a efei-tos 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 potencia-lizam a atividade da atrazina. Dessa forma, análises anatômicas de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão fornecem in-formações 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 tridi-mensionais) das folhas tratadas com os nano-pesticidas permitem a visualização e o acom-panhamento do transporte das nanocápsulas marcadas com fluorescência diretamente no tecido vegetal (Figura 5).

Também, para estudos de toxicidade, o gru-po de pesquisa já evidenciou e interação de nanopartículas formadas pelo polímero sinté-tico 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 observa-do 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 multidisciplina-res, 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.

figura 3

Sistemas micro e nanoestruturados como sistemas carreadores de compostossintéticos, botânicos e microorganismos.

figura 5

Células do parênquima clorofiliano da folha da mostarda (vermelho) e as nanopartículas contendo atrazina marcadas (verde) dentro das células condutoras do xilema da planta.

figura 6

Imagens de C. elegans após exposição a nanopesticidas. A imagem apresenta o animal que foi exposto à nanopartículas marcadas com a sonda fluorescente rodamina. A região em vermelho indica que as partículas foram ingeridas pelo organismo sendo estas digeridas pelo mesmo.

Figura modificada de Jacques et al (2017) Ecotoxicology and Environmental Safety 139:245-253, sob os termos da Elsevier Inc.

figura 4

Controle de plantas de mostarda por nanopartículas poliméricas carreadoras de atrazina em comparação com uma formulação comercial de atrazina. Os sintomas foram registrados 7 dias após o tratamento das plantas com as formulações.

NANOATRAZINA(DOSE PADRÃO)

NANOATRAZINA(DOSE 10 x MENOR)

ATRAZINA CONVENCIONAL

(DOSE PADRÃO)ATRAZINA CONVENCIONAL

(DOSE 10 x MENOR)

(Figura modificada de Oliveira et al. (2015) PlosOne 10:e0132971, sob os termos da Creative Commons Attribution License)

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