Quando agricultores aplicam pesticidas em suas plantações, 30 a 50% dos produtos químicos acabam no ar ou no solo, em vez de nas plantas. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de Singapura desenvolveu uma maneira muito mais precisa de aplicar substâncias nas plantas: pequenas agulhas feitas de seda. Em um estudo publicado na Nature Nanotechnology, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de produzir grandes quantidades dessas microagulhas ocas de seda para injetar agroquímicos e nutrientes nas plantas e monitorar sua saúde.
“Há uma grande necessidade de tornar a agricultura mais eficiente”, afirma Benedetto Marelli, autor sênior do estudo e professor associado de engenharia civil e ambiental no MIT. “Os agroquímicos são importantes para sustentar nosso sistema alimentar, mas também são caros e trazem efeitos colaterais ambientais, portanto, há uma grande necessidade de aplicá-los com precisão.” Yunteng Cao, pós-doutorando da Universidade de Yale, e Doyoon Kim, ex-pós-doutorando no laboratório Marelli, lideraram o estudo, que incluiu uma colaboração com o grupo de pesquisa interdisciplinar Tecnologias Disruptivas e Sustentáveis para Precisão Agrícola (DiSTAP) na Aliança de Pesquisa e Tecnologia de Singapura-MIT (SMART).
Em demonstrações, a equipe utilizou a técnica para fornecer ferro às plantas para tratar uma doença conhecida como clorose e adicionar vitamina B12 aos tomateiros para torná-los mais nutritivos. Os pesquisadores também demonstraram que as microagulhas poderiam ser usadas para monitorar a qualidade dos fluidos que fluem para as plantas e para detectar quando o solo ao redor continha metais pesados.
No geral, os pesquisadores acreditam que as microagulhas podem servir como um novo tipo de interface vegetal para monitoramento de saúde em tempo real e biofortificação. “Essas microagulhas podem ser uma ferramenta para que cientistas de plantas entendam melhor a saúde das plantas e como elas crescem”, diz Marelli. “Mas também podem ser usadas para agregar valor às culturas, tornando-as mais resilientes e possivelmente até aumentando a produtividade.”
O funcionamento interno das plantas
Para acessar os tecidos internos de plantas vivas, os cientistas precisam atravessar a pele cerosa das plantas sem causar muito estresse. Em trabalhos anteriores, os pesquisadores utilizaram microagulhas à base de seda para aplicar agroquímicos em plantas em ambientes de laboratório e detectar alterações de pH em plantas vivas. No entanto, esses esforços iniciais envolveram pequenas cargas úteis, o que limitou suas aplicações na agricultura comercial.
“As microagulhas foram originalmente desenvolvidas para a aplicação de vacinas ou outros medicamentos em humanos”, explica Marelli. “Agora, adaptamos a tecnologia para que ela possa ser aplicada em plantas, mas, inicialmente, não conseguíamos administrar doses suficientes de agroquímicos e nutrientes para mitigar fatores de estresse ou aumentar o valor nutricional das culturas.”
Estruturas ocas podem aumentar a quantidade de produtos químicos que as microagulhas podem fornecer, mas Marelli diz que a criação dessas estruturas em escala historicamente exigiu salas limpas e instalações caras como as encontradas dentro do prédio do MIT. Para este estudo, Cao e Kim criaram uma nova maneira de fabricar microagulhas ocas de seda, combinando a proteína fibroína da seda com uma solução salina dentro de pequenos moldes em formato de cone. À medida que a água evaporava da solução, a seda se solidificava no molde, enquanto o sal formava estruturas cristalinas dentro dos moldes. Quando o sal era removido, deixava em cada agulha uma estrutura oca ou minúsculos poros, dependendo da concentração de sal e da separação das fases orgânica e inorgânica.
“É um processo de fabricação bem simples. Pode ser feito fora de uma sala limpa — você pode fazer na sua cozinha, se quiser”, diz Kim. “Não requer nenhum maquinário caro.” Os pesquisadores então testaram a capacidade de suas microagulhas de fornecer ferro a plantas de tomate com deficiência de ferro, o que pode causar uma doença conhecida como clorose. A clorose pode reduzir a produtividade, mas tratá-la por pulverização nas plantações é ineficiente e pode ter efeitos colaterais ambientais. Os pesquisadores demonstraram que suas microagulhas ocas poderiam ser usadas para o fornecimento contínuo de ferro sem prejudicar as plantas.
Os pesquisadores também demonstraram que suas microagulhas poderiam ser usadas para fortificar plantações durante o crescimento. Historicamente, os esforços de fortificação de plantações se concentravam em minerais como zinco ou ferro, com vitaminas adicionadas somente após a colheita do alimento. Em cada caso, os pesquisadores aplicaram as microagulhas nos caules das plantas manualmente, mas Marelli prevê equipar veículos autônomos e outros equipamentos já usados em fazendas para automatizar e dimensionar o processo.
Como parte do estudo, os pesquisadores utilizaram microagulhas para injetar vitamina B12, encontrada principalmente em produtos de origem animal, nos talos de tomates em crescimento, demonstrando que a vitamina B12 foi transferida para os frutos antes da colheita. Os pesquisadores propõem que seu método possa ser usado para fortificar mais plantas com a vitamina. O coautor Daisuke Urano, cientista de plantas do DiSTAP, explica que “por meio de uma avaliação abrangente, mostramos efeitos adversos mínimos de injeções de microagulhas em plantas, sem impactos negativos observados em curto ou longo prazo”.
“Esse novo mecanismo de entrega abre muitas aplicações potenciais, então queríamos fazer algo que ninguém havia feito antes”, explica Marelli. Por fim, os pesquisadores exploraram o uso de suas microagulhas para monitorar a saúde das plantas, estudando tomates cultivados em soluções hidropônicas contaminadas com cádmio, um metal tóxico comumente encontrado em fazendas próximas a áreas industriais e de mineração. Eles demonstraram que suas microagulhas absorveram a toxina em até 15 minutos após serem injetadas nos talos dos tomates, oferecendo um caminho para uma detecção rápida.
As técnicas avançadas atuais de monitoramento da saúde das plantas, como análises colorimétricas e hiperespectrais de chumbo, só conseguem detectar problemas quando o crescimento das plantas já está prejudicado. Outros métodos, como a amostragem de seiva, podem ser muito demorados. Microagulhas, por outro lado, poderiam ser usadas para coletar seiva com mais facilidade para análises químicas contínuas. Por exemplo, os pesquisadores demonstraram que conseguiam monitorar os níveis de cádmio em tomates ao longo de 18 horas.
Uma nova plataforma para a agricultura
Os pesquisadores acreditam que as microagulhas podem ser usadas para complementar práticas agrícolas existentes, como a pulverização. Eles também observam que a tecnologia tem aplicações além da agricultura, como na engenharia biomédica. “Essa nova técnica de fabricação de microagulhas poliméricas também pode beneficiar a pesquisa sobre administração transdérmica e intradérmica de medicamentos e monitoramento da saúde mediados por microagulhas”, diz Cao.
Por enquanto, Marelli acredita que as microagulhas oferecem um caminho para práticas agrícolas mais precisas e sustentáveis. “Queremos maximizar o crescimento das plantas sem afetar negativamente a saúde da fazenda ou a biodiversidade dos ecossistemas ao redor”, diz Marelli. “Não deve haver apenas um compromisso entre a indústria agrícola e o meio ambiente. Eles precisam trabalhar juntos.”
