MÉTODOS BIOFÍSICOS EMPLEADOS EN LA AGRICULTURA Y SUS PRODUCTOS

María Cristina Julia Pérez-Reyes^1*, Gabriela Sánchez-Hernández¹, Flavio Arturo Domínguez-Pacheco² y Claudia Hernández-Aguilar^2**
1Unidad de Investigación en Granos y Semillas, FES-Cuautitlán Universidad Nacional Autónoma de México. ²SEPI-ESIME, Grupo de Sistemas Biofísicos para Agricultura, Alimentación y Medicina, Instituto Politécnico Nacional-Zacatenco.
^*crisp28@yahoo.com.mx^**clhernandez@ipn.mx

Resumen

De acuerdo con la FAO la producción agrícola mundial en el 2050 deberá aumentar un 60% para hacer frente a la creciente demanda de alimentos y piensos. Uno de los desafíos a los cuales se enfrentan los sistemas alimentarios y agrícolas es el cambio climático, representando una amenaza para la seguridad alimentaria, el desarrollo sostenible y la erradicación de la pobreza. Los sistemas de producción agrícola actualmente se ven afectados por altas temperaturas y presencia de fenómenos meteorológicos extremos. El uso de métodos biofísicos como la luz láser, UV, campos magnéticos, entre otros, se han demostrado como una alternativa sostenible que presenta efectos positivos en la calidad fisiológica y sanitaria de las semillas, además, de tolerancia al estrés hídrico. Asimismo, se han encontrado cambios a nivel fisiológico y bioquímico en algunos cultivos, al aumentar el contenido de fenoles y actividad antioxidante. La aplicación adecuada de estos métodos depende de parámetros como la intensidad, regímenes de irradiación, longitud de onda, frecuencia, longitud de penetración de la luz, tiempo de exposición, entre otros. Encontrando efectos positivos, negativos o nulos, por lo que se considera necesario seguir investigando y establecer el potencial bioenergético que aumente la activación de procesos bioquímicos y fisiológicos a nivel celular como una alternativa para mejorar y establecer efectos de bioestimulación en semillas y plantas de importancia agroalimentaria y poder establecer los parámetros óptimos y lograr una calidad adecuada para los productos que de ellos derivan, como es la elaboración de tortillas, pan, harinas.

Palabras clave:Bioestimulación, semillas, plantas, luz láser, luz UV

Introducción

La demanda de alimentos para 2050-2100 es un reto global, siendo la cantidad poblacional estimada mayor a 11 mil millones, lo que conlleva a la construcción de más viviendas, dejando menos tierras cultivables para la producción de alimentos: agricultura vs urbanidad, una mayor conversión de la tierra con uso agrícola, aunado a la problemática del cambio climático, representando una amenaza para la seguridad alimentaria, el desarrollo sostenible y la erradicación de la pobreza (Azadi et al., 2018; ONU, 2022). Es necesario innovar en el uso de técnicas sustentables y responsables con los recursos naturales, como el uso de métodos físicos, a través del empleo de campos magnéticos, radiación con luz ultravioleta (UV), luz láser, campos eléctricos, rayos X, radiación ionizante y no ionizante, radiación con microondas (Hernández et al., 2007, 2009, 2010, 2016). Estos métodos físicos se empezaron a usar a finales del siglo XX en semillas de trigo tratadas con campos magnéticos, logrando una aceleración en el tiempo de la germinación y desarrollo de las plántulas (Domínguez et al., 2010). Los campos electromagnéticos son una combinación de campos de fuerza eléctricos y magnéticos invisibles, los cuales invierten su sentido con una frecuencia regular y se producen por medio de dispositivos, como bobinas que usan corriente alterna; si un campo eléctrico varía con el tiempo, se induce un campo magnético. Los efectos magnéticos en las plantas se manifiestan por la transferencia de energía sobre la materia, los radicales libres son atraídos o repelidos en función de su carga, los cuales la aumentan y se activan (Domínguez et al., 2010, Carbonell et al., 2017, Zepeda et al., 2019). El uso de los campos magnéticos en semillas o en el agua de riego, incrementa el porcentaje de germinación, mejorando sus condiciones, modificando la permeabilidad de la membrana celular, la capacidad de intercambio de iones, así como el aumento en la cantidad de ácidos grasos esenciales. Los efectos de la luz en las semillas han sido estudiados desde el siglo pasado, Flint y McAlister (1935) trabajaron con semillas de lechuga (Lactuca sativa L.) y luz roja (promotora) e infrarroja (inhibidora), encontrando que el fitocromo y el criptocromo son los fotorreceptores que promueven o afectan el proceso de germinación. Más adelante, Borthwick et al. (1952) observaron que la inhibición causada por la luz infrarroja podía revertirse al usar luz roja. En relación con la luz UV se tienen tres tipos: UV-A (320-390 nm), UV-B (280-320 nm) y UB-C (valores menores a 280 nm); es una radiación que actúa como elicitor natural, que impacta fisiológica y bioquímicamente a las plantas, así como sus propiedades nutrimentales. Diversos estudios muestran que la bioestimulación con láser incrementa la tolerancia a la sequía, a través de cambios bioquímicos, fisiológicos y morfológicos, mejorando el desarrollo y metabolismo de las plantas e incrementando la expresión de genes para la producción de enzimas antioxidantes. Se han empleado láseres de bióxido de carbono (CO2), helio-neón, diodos láser (principalmente rojo y verde), argón, NyYAG y CO2 (Hernández, 2010; 2016). La radiación gamma, es otro tipo de radiación ionizante, electromagnética, se ha visto que induce un crecimiento lento, mutaciones genéticas y tolerancia a sequía. Cabe mencionar que la infraestructura tecnológica que la radiación gamma requiere es más compleja que los otros métodos físicos mencionados (tratamientos con luz láser, luz UV y campos electromagnéticos). Los campos eléctricos se aplican a través de una descarga de barrera dieléctrica, que consiste en dos electrodos colocados al final de un plato de cerámica dentro de una cámara de aislamiento con una entrada de energía eléctrica, empleando aire mezclado con nitrógeno como gas de separación. Otro método físico es el plasma frío, seguro para tratar semillas y está compuesto por gases ionizados, átomos excitados, moléculas, electrones, un campo eléctrico fuerte y radiación UV, produciendo efectos estimulantes en las plantas (Gou et al., 2017; Romero et al., 2021). El uso de la radiación ionizante a nivel fisiológico estimula la producción de peróxido de hidrógeno, actuando como un mensajero intracelular en diferentes mecanismos de señalamiento (Gudkov et al., 2019).

Objetivo

Contribuir al conocimiento y difusión de la aplicación de métodos biofísicos sostenibles como una alternativa pre-siembra, o durante las distintas fases del establecimiento y desarrollo de los cultivos agrícolas y su impacto en la mejora de la calidad y producción de los alimentos.

Desarrollo del tema

Uso de métodos biofísicos
Campos magnéticos
La germinación y el vigor de las semillas son algunos de los parámetros más importantes que se consideran para el establecimiento de las plantas en campo, en los últimos años se han empleado diversos métodos biofísicos para estimular los procesos fisiológicos y bioquímicos y mostrar un efecto positivo. Uno de ellos es el empleo de campos magnéticos, en semillas como el maíz encontrando una estimulación en la germinación, desarrollo de las plántulas y mejores condiciones de la calidad sanitaria (Hernández et al., 2007, Zepeda et al., 2014). En un trabajo realizado por Podleśna et al. (2019) encontraron que en semillas y plántulas de haba tratadas con campos magnéticos y con un pretratamiento de remojo por 96 h hay un incremento significativo del ácido acetil salicílico. Además, de otras fitohormonas como el ácido giberélico y el ácido indol 3 acético, con respecto a las semillas no tratadas. El uso de campos electromagnéticos y nixtamalización con nejayote/agua (50/50) mejoró la calidad sanitaria, viscosidad y elasticidad de la masa (Valderrama et al., 2018). Por otro lado, Radhakrishnan (2019) empleó campos magnéticos para mitigar los efectos del cambio climático, así como el inadecuado uso de los recursos agrícolas en la producción de alimentos, destacando que se mejora la germinación de las semillas, bajo parámetros de radiación específicos.

Luz UV-C
La luz UV-C (200-280 nm) ha sido ampliamente empleada por su efecto germicida ya que inactiva diversos agentes patógenos (bacterias, hongos, virus) que causan efectos nocivos en la industria de alimentos y poscosecha durante el almacenamiento de frutos y vegetales, alargando la vida de anaquel (Singh et al., 2020). En un trabajo realizado en semilla de maíz H-159 irradiada con lámparas de UV-C (15 W, 254 nm) durante 10 min se observó una reducción del 61.7% de Fusarium moniliforme y en el híbrido San Juan de 53.74% a un mayor tiempo exposición de 30 minutos (Rodríguez et al., 2011). En maíz palomero tratado con luz UV-C a 254 nm de longitud de onda con una intensidad de 65.2 µw cm2- y 3 regímenes de exposición, se encontró que el tratamiento de 20 min presentó una mayor reducción (57.6%) en la micobiota natural. En la prueba de reventado se encontró un aumento de 2.5% en los granos tratados con respecto a los no tratados (García, 2015). Thomas y Puthur (2017) describieron el uso de radiación UV como método para estimular la germinación y la producción de compuestos bioactivos benéficos para incrementar las condiciones de estrés biótico y abiótico. En un trabajo realizado en maíz amarillo tratado con luz UV-C (254 nm) y con un pretratamiento de remojo se encontró un aumento en el vigor del 31. 63% a los 10 min y una diminución de la micobiota del 41.37%. En semillas irradiadas y sin preremojo la reducción (73.22%) fue mayor, mejorando la calidad sanitaria (Fernández, 2021).

Luz láser
La irradiación con luz láser se ha reportado también como un bioestimulador en semillas y plantas, mejorando parámetros fisiológicos, microbiológicos y la calidad nutrimental, así como, un incremento a la resistencia ante condiciones adversas de estrés (Hernández et al., 2010; 2016). El avance de la tecnología en el uso de láseres de diodo ha permitido una mejora en las características para la instrumentación, la eficiencia y su vida útil funcional, además de ser económicos. En un trabajo realizado en semilla de frijol procedente de distintos ciclos agrícolas tratadas presiembra con luz láser diodo de 408 nm y potencia de 150 mW expuestas a 18 regímenes de irradiación (alternando 10 min con irradiación y 30 sin irradiación) por 24 h, se observó que las semillas con mayor longitud de penetración óptica mostraron un incremento en el porcentaje de germinación con respecto al control del 47% (Sánchez et al., 2015). En semillas de cebada teñidas con azul de metileno y sin teñir, tratadas con luz láser diodo de 650 nm, con un tratamiento de pre-remojo y 4 regímenes de exposición, se encontró para ambos tratamientos una diminución de la micobiota en comparación con el control. La mayor reducción de la micobiota (52%) se observó en la semilla teñida a los 120 s de exposición, resultando ópticamente opacas, presentando un mayor coeficiente de absorción a 650 nm y un aumento en el efecto de la bioestimulación con la luz láser (Pérez et al., 2015). En semillas de chícharo con un pretratamiento de remojo antes de ser sometidas a radiación con luz láser encontraron un aumento significativo en la producción de enzimas amilolíticas (Podleśna et al., 2015). En la Tabla 1 se resumen los resultados de trabajos de investigación de investigadores y estudiantes del programa en Ingeniería de Sistemas en la SEPI-ESIME, IPN en colaboración con académicos de la Unidad de Investigación en Granos y Semillas FESC- UNAM sobre la aplicación de métodos biofísicos.

Conclusión

Los métodos biofísicos podrían ser empleados en un futuro como una tecnología alternativa en los sistemas de producción agrícola durante la pre y poscosecha, ya que numerosos estudios han demostrado su efecto positivo, negativo o nulo. Es importante seguir investigando y encontrar los parámetros adecuados de intensidad, potencia, longitud de onda, regímenes de irradiación y tiempos de exposición que produzcan efectos favorables mejorando los parámetros fisiológicos, microbiológicos, así como la calidad nutrimental de los productos.

Referencias

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Quinto Congreso Nacional de Tecnología 19, 20 y 21 de octubre de 2022,
celebrado en formato virtual

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FORMA SUGERIDA DE CITAR:

Pérez-Reyes, M. C. J., Sánchez-Hernández, G., Domínguez-Pacheco, F. A. y Hernández-Aguilar, C. (2022). Métodos biofísicos empleados en la agricultura y sus productos. MEMORIAS DEL CONGRESO NACIONAL DE TECNOLOGÍA (CONATEC), Año 5, No. 5, septiembre 2022 - agosto 2023. Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán. UNAM. https://tecnicosacademicos.cuautitlan.unam.mx/CongresoTA/memorias2022/mem2022_ExtensoPaper13.html

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