El sensor portátil permite monitorear en tiempo real la salud de los cultivos de soja y caña de azúcar
Agência FAPESP * – Los sensores portátiles están cada vez más presentes en la vida de las personas que utilizan dispositivos electrónicos para monitorear la frecuencia cardíaca durante la actividad física y la calidad del sueño, entre muchos otros estándares sensibles para la salud humana.
Se están diseñando dispositivos similares para monitorear aún más la salud de las plantas, en busca de aplicaciones útiles para la agricultura de precisión.
Los sensores portátiles son una estrategia prometedora para determinar la pérdida de contenido de agua de las hojas, ya que pueden proporcionar una cuantificación in situ y no destructiva del agua dentro de las células a partir de una sola medición. Como el contenido de agua es un marcador importante de la salud de las hojas, el monitoreo en tiempo real puede proporcionar datos valiosos para guiar el manejo en la agricultura de precisión, así como para estudios de toxicidad y desarrollo de nuevos insumos agrícolas.
“Los métodos convencionales tienen limitaciones, ya que se basan en sistemas de imágenes, satélites y drones. Necesitan que la planta atacada por una enfermedad presente señales fenotípicas o indicaciones visuales para generar alertas en el seguimiento. En cultivos como la soja, por ejemplo, el color el cambio puede señalar una etapa irreversible de enfermedades como la roya”, explica Renato Sousa Lima , investigador del Laboratorio Nacional de Nanotecnología (LNNano), órgano que integra el Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), con sede en Campinas.
A pesar de los avances tecnológicos en esta área, la fabricación de electrodos adecuados para el monitoreo de plantas presenta desafíos. Los materiales deben ser ligeros, flexibles y capaces de adherirse a la superficie de las hojas, cubiertas de tricomas, que protegen contra los insectos y contribuyen a reducir la pérdida de agua. Además, deben ser biocompatibles, es decir, no pueden dañar los procesos biológicos del desarrollo de las plantas.
La superación de todos estos desafíos desde un dispositivo se describió en el artículo Electrodos portátiles biocompatibles en las hojas hacia el monitoreo in situ de la pérdida de agua de las plantas , publicado recientemente en la revista ACS Applied Materials & Interfaces . El texto fue seleccionado para integrar un volumen especial de la revista dedicado a jóvenes investigadores de todo el mundo: Número especial: Early Career Forum .
El estudio, que utilizó plantas de soja y caña de azúcar como muestras, es el resultado de un proyecto apoyado por la FAPESP. La investigación movilizó un equipo multidisciplinario, que incluye investigadores de las Universidades Estatales de Campinas (Unicamp), Federal do ABC (UFABC) y Harvard (Estados Unidos), además de especialistas y recursos del LNNano, el Laboratorio Nacional de Biorenovables (LNBR) y la estación de investigación Carnaúba do Sirius, a cargo del Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS) – estos dos últimos laboratorios también forman parte del complejo CNPEM. El proyecto también contó con recursos del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (MCTI) y del Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq).
Como funciona
El dispositivo desarrollado en Campinas utiliza un electrodo obtenido por litografía. Una sola pieza recubierta por una fina película de níquel fijada con la ayuda de un adhesivo microporoso. A este electrodo se le aplica un campo eléctrico generado por un capacitor.
La polarización de los iones de nutrientes presentes en el agua revela de manera muy sensible variaciones mínimas en la impedancia, o resistencia eléctrica, que están relacionadas con los niveles de hidratación de la planta.
“Si tienes más agua, tienes más iones, cargas más el sistema, entonces la impedancia aumenta. Si tienes menos agua, menos iones, cargas menos el sistema y la impedancia disminuye”, explica Lima.
Las herramientas de aprendizaje automático, una técnica de inteligencia artificial, ayudaron a seleccionar, dentro de un amplio espectro de frecuencias, las más adecuadas para monitorear las referencias. También se utilizaron para determinar, entre temperaturas de 30 y 20 °C, los parámetros precisos para la cuantificación de la pérdida de agua en hojas bajo diferentes condiciones de microclima.
La adquisición de los datos recopilados por los dispositivos se realiza por bluetooth , con la ayuda de un teléfono inteligente , lo que permite la automatización de lecturas y el monitoreo remoto a través de Internet.
innovación patentada
Las principales ventajas del dispositivo desarrollado en el CNPEM son la portabilidad, la duración de la batería (diez días), la sensibilidad, la biocompatibilidad y la seguridad en la adquisición de datos, que permiten la automatización esencial para el monitoreo remoto. Como no hay sensores similares en el mercado, la solicitud de patente ya está en marcha.
Los métodos de fabricación del dispositivo son bien conocidos y ya están disponibles incluso en pequeñas industrias, lo que crea condiciones para la escalabilidad de la producción y la posible reducción del precio final si alguna empresa se interesa en la tecnología y decide transformarla en un producto.
Sirio
En el estudio se emplearon técnicas que hacen uso de la radiación sincrotrón para evaluar en profundidad las condiciones de biocompatibilidad de los sensores en las hojas.
En la estación de investigación de Carnaúba, en Sirius, el acelerador de electrones de última generación instalado en el CNPEM, las medidas de espectrometría certificaron la no interferencia del dispositivo en el metabolismo de las hojas de soja y caña de azúcar.
Las técnicas convencionales no permitirían medir las concentraciones de nutrientes con la sensibilidad y precisión necesarias para asegurar la biocompatibilidad.
“En las hojas sanas, los iones de zinc, manganeso, calcio y hierro, que son nutrientes esenciales tanto para la parte estructural como para el transporte, obedecen a una estructura morfológica similar a la de los capilares, xilemas y floemas. Cuando la hoja se ve afectada, las células se rompen. hacia abajo y ya no hay ningún patrón», explica Lima.
Próximos pasos
En la etapa actual de desarrollo, el dispositivo demuestra ser bastante eficiente para su uso en ambientes controlados, pero también es muy prometedor para el monitoreo en ambientes al aire libre. Las alianzas con la industria pueden traer diferentes demandas de mejora.
“El dispositivo mostró alta sensibilidad para la evaluación de la eficiencia del uso de algunas técnicas de manejo o el impacto del uso de insumos, así como para potencialmente monitorear las condiciones de productividad de los cultivos. Creemos que, con pequeñas adaptaciones, también podría contribuir como un recurso adicional en el monitoreo de las condiciones toxicológicas en campo”, evalúa Julia Adorno Barbosa , estudiante de doctorado en LNNano y primera autora del artículo.
Se puede acceder al estudio Biocompatible Wearable Electrodes on Leaves to the On-Site Monitoring of Water Loss from Plants en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c02943 .
* Con información de la Oficina de Comunicaciones del CNPEM .
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