17/Feb/2022

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Resultados de investigaciones:

Las claves para la efectividad de la aplicación foliar de los bioestimulantes

Si bien la aspersión en el follaje es el mecanismo más común para la aplicación de estos nutrientes en los cultivos, su alta variabilidad refleja el desconocimiento en los factores que determinan su retención y penetración en la hoja. El científico alemán Heiner Goldbach explica cómo recientes investigaciones han traído luz a esta área.

Patricio Trebilcock y Francisco Fabres

“Spray and pray”, dice un viejo dicho en la agricultura. Se traduce como “aplica y reza” y se refiere a la incertidumbre que genera la pulverización foliar de bioestimulantes sobre las hojas de los cultivos. Esta práctica enfrenta un complejo obstáculo: la anatomía de las hojas, justamente diseñada para impedir el ingreso de elementos externos para evitar potenciales dañinos en su interior y, que de ahí, se transmitan al resto de la planta.

Si bien los bioestimulantes logran penetrar las barreras protectoras del follaje, y por eso se siguen utilizando, lo hacen con una gran variabilidad: en algunas oportunidades, un porcentaje importante del producto consigue penetrar; en otras, la entrada resulta insignificante. Este ha sido justamente uno de los campos de investigación del agro biólogo alemán  Heiner Goldbach, Ph.D. en nutrición vegetal y profesor de la Universidad de Bonn, quien ha buscado aclarar los misteriosos factores que favorecen u obstaculizan la absorción de bioestimulantes a través del follaje.

Goldbach señala que muchos de los bioestimulantes se aplican por aspersión sobre las hojas. De hecho, un estudio de Coherent Market Insights señala que el 78% del mercado global de bioestimulantes corresponde a productos foliares, muy por sobre los que se aplican en el suelo (casi 9%) y en las semillas (12%). No obstante, puntualiza el académico, su efectividad tiene dos grandes obstáculos: el diseño estructural de las hojas y las heterogéneas características del mundo de los bioestimulantes, donde se encuentran desde sustancias simples, pasando por mezclas complejas, hasta microorganismos. 

Heiner Goldbach dice que hay dos aspectos claves en la aplicación foliar de bioestimulantes: la retención de lo aplicado y la penetración en la hoja.
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“Todo en la morfología de las hojas está diseñado contra esa absorción, y sin embargo ocurre: la aplicación foliar realmente funciona”, señaló el profesor Goldbach, en su exposición “Aplicación foliar de bioestimulantes, ¿cómo hacer que lleguen al apoplasto?”, realizada en el Congreso Mundial de Bioestimulantes.

Lamentablemente no funciona siempre de la misma manera y a veces los resultados pueden ser contradictorios. El académico ejemplifica con antecedentes del campo de los fertilizantes: en distintos ensayos de aplicación foliar de urea en haba (Eichert & Goldbach, 2008) efectuados bajo casi idénticas condiciones, la absorción varió desde un 6,9% a un 49,3% de la dosis usada. Se trata de un fenómeno bastante típico en las pulverizaciones sobre las hojas, y de donde viene la idea de rezar tras aplicar. La gran dispersión en los resultados indica que todavía no se conoce bien el proceso y por lo tanto no se logra controlar completamente. El experto aclara que “la aplicación foliar realmente funciona; a veces mejor, a veces peor”.

EL DESAFÍO DE LA RETENCIÓN

En su análisis sobre los obstáculos para permitir una mayor eficacia de los bioestimulantes foliares, el académico analiza dos variables: la retención de lo aplicado y la penetración en la hoja.

La primera tiene que ver con la capacidad del bioestimulante de mantenerse en la superficie de las hojas. Esto, considerando que sus superficies son más bien hidrofóbicas, por lo que los líquidos en ellas tienden a escurrir. Se trata de una característica que aumenta o disminuye dependiendo de la especie, la variedad, las condiciones de producción, la humedad ambiental o el estado nutricional de la planta.

Lo anterior dificulta un aspecto relevante en la aplicación de bioestimulantes: la necesidad de cubrir uniformemente la superficie foliar, evitar el escurrimiento excesivo y mantener una película húmeda durante el mayor tiempo que se pueda, lo cual posibilita el “transporte” de los compuestos.

Para que el follaje retenga un volumen importante de la solución asperjada se utilizan productos (surfactantes y otros adyuvantes) que colaboran a esparcir la solución en la superficie foliar, así como a incrementar la adhesión y retención de las gotas para mojar bien las hojas (figura 1). Pero hay que ser cuidadoso de no sobrepasarse: si se aplica un volumen excesivo o si la tensión se reduce demasiado, se genera un escurrimiento que no solo disminuye la fracción de bioestimulante retenido en la hoja, sino que genera desigualdad: al desplazarse sucede que unas partes de la hoja quedan sin producto mientras otras —por ejemplo, en ciertos pliegues—, sufren de daños por concentración (figura 2).

Figura 1. La humectabilidad y tensión superficial determinan el volumen de solución que permanece en la hoja. La humectabilidad aumenta cuando el ángulo de contacto se aproxima a 0° y el líquido se encuentra más extendido.
Figura 2. Problemas derivados de dos extremos: una humectabilidad demasiado baja con una retención muy alta (izquierda) o una humectabilidad excesiva con escasa retención que escurre y se acumula en un doblez de la hoja (derecha).

Teniendo esos aspectos en consideración, Goldbach analiza los principales factores que pueden influir sobre los procesos de retención en dichas superficies.

Tipo de compuestos: aquellos muy polares (moléculas con enlaces en los que la distribución de átomos no es simétrica) son higroscópicos, absorben agua con una muy baja humedad relativa en el aire; por ejemplo, cloruros, como el cloruro de magnesio. A la inversa, otras sales, como la mayoría de los sulfatos, solo absorben agua con una elevada humedad relativa. El punto de delicuescencia (DHR) es el nivel de humedad relativa en que un compuesto empieza a licuarse.

Especie: existen marcadas diferencias en las propiedades de la superficie de las hojas de las diferentes especies de plantas, y por lo tanto de su permeabilidad.

Cultivo: dos variedades de una misma especie pueden ser muy distintas en la estructura de sus hojas en aspectos como, por ejemplo, la forma de las ceras que cubren su cutícula.

Condiciones ambientales: plantas de la misma especie y variedad pueden verse afectadas, por ejemplo, debido a la condición del aire. Por dar un caso, imágenes microscópicas de la superficie de hojas de plantas al aire libre expuestas al “aire alemán normal”, muestran elementos contaminantes que tapan los poros por donde deberían ingresar los productos, mientras hojas de plantas similares en invernadero con aire filtrado mantienen todas sus vías de ingreso operativas.

Higroscopía/delicuescencia del bioestimulante (formulación): Para poder ingresar a las hojas, los productos deber ir disueltos en un líquido (al menos las sustancias polares o semipolares). Con poquísimas excepciones, los residuos secos sobre la hoja jamás entrarán a ella. Por tanto, hay que mantener la superficie humedecida durante todo el tiempo necesario para la absorción del bioestimulante. Algunos factores intervinientes son: una alta humedad relativa del aire contribuye a mantener la hoja húmeda; una sustancia con un bajo punto de delicuescencia se conservará más fácilmente en forma líquida; durante la noche hay menos riesgo de que la aplicación se seque en comparación al día, cuando suben las temperaturas y baja la humedad relativa.

PENETRACIÓN EN LA HOJA

El segundo gran desafío para la aplicación foliar es el traspaso de los compuestos de los bioestimulantes desde la superficie al interior de los tejidos. Esto puede ocurrir por dos rutas: una, a través de las capas cerosas y cutículas; la otra, por vía de los estomas, que corresponden a aperturas regulables en la epidermis o “piel” de las plantas. Durante mucho tiempo se ha discutido si realmente es factible penetrar a través de esta segunda ruta, debate que Goldbach zanja con la evidencia obtenida de que algunos estomas –pero no todos– sí permiten una transferencia desde el exterior, ingresando por sus poros, hacia el apoplasto. “Mientras los poros en las cutículas tienen dimensiones de unos pocos nanómetros (la millonésima parte de un milímetro), los poros de los estomas abren el paso a la entrada de compuestos de mayor tamaño y microorganismos”, afirma. 

Hay otros factores que también contribuyen a la variabilidad de penetración, como es la morfología de la hoja. Por ejemplo, las plantas adaptadas a un ambiente seco (xeromórficas) son muy diferentes de aquellas adaptadas a un medio húmedo (higromórficas). Por otra parte, en la mayoría de las especies, los estomas se concentran en el envés o cara inferior de la hoja, solo unas pocas tienen estomas también en el haz o cara superior. 

La figura 3 muestra las grandes diferencias de penetración de un elemento como el boro en una planta xeromórfica, el lichi (poco más de 7 microgramos durante el periodo experimental), y otra higromórfica, la soya (400 microgramos en ese mismo lapso). Pero además se observa que el envés presenta un mucho mayor nivel de absorción que el haz: se triplica en el caso de la hoja de soya y supera en más de 7 veces en el caso del lichi.

Figura 3. Absorción foliar de boro en dos especies: lichi y soya.
Will, Eicher, Fernández et al. (2012), J. Plant Nutr. Soil Sci. 175, 180-188.

Los principales factores que influyen en la penetración –algunos coincidentes con los que influyen en la retención– son:

Las propiedades químicas de los componentes que se aplican: su polaridad y también la distribución de la carga eléctrica de las moléculas.

La condición de ser polar de una sustancia más la técnica de formulación. Por ejemplo si contiene algun tipo de sal con su correspondiente punto de delicuescencia (bajo en el caso de los cloruros o alto en los sulfatos).

La especie: se presentan diferencias fundamentales en la superficie de la hoja y en las propiedades de la cutícula.

La gradiente de concentración, que se explicará más adelante.

Al hablar del ingreso de los bioestimulantes a la hoja, podemos dividirlos,a grandes rasgos, en tres tipologías: moléculas polares, que van de pequeñas a grandes –por ejemplo, los aminoácidos serina, cisteína y teonina–; las moléculas apolares, también de pequeñas a grandes –como los aminoácidos glicina, alanina y leucina–, y material particulado / microorganismos –como las bacterias Bacillus y Pseudomonas–.

PENETRACIÓN EN LA HOJA DE SUSTANCIAS POLARES

¿Cómo ocurre la penetración en la superficie hidrofóbica de la hoja por parte de compuestos hidrofílicos?

Se trata de un proceso pasivo, por difusión, vale decir que es impulsado por la gradiente de concentración entre el exterior y el interior de la hoja. Así las partículas altamente concentradas de la solución que se aplicó, tienden a moverse hacia la zona de menor concentración, el apoplasto.

La cutícula está compuesta por ceras de tipo cristalino y de tipo amorfo. La penetración de las sustancias polares ocurre a través de estas últimas y en forma indirecta. Dado que existen diferencias de tamaño entre las moléculas, la tasa de penetración también es distinta (figura 4)

Figura 4. Absorción de sustancias polares (por ejemplo sales) a través de la cutícula, y selección según el tamaño molecular. Modelo simplificado.

La humedad ambiental también juega un rol, de hecho prácticamente no existe penetración con una humedad relativa bajo 70-80% (figura 5). Esto se explica porque la capa cuticular no contiene solamente ceras, también hay algunos compuestos o dominios hidrofílicos conformados por lo general con polisacáridos de la pared celular. Bajo condiciones secas, esos elementos hidrofílicos permanecen bien cubiertos por la cutícula, pero frente a una humedad mayor, el agua es absorbida por esos polímeros, los cuales se expanden siendo incluso medible el enanchamiento de la cutícula (figura 6).

Figura 5. Efecto de la humedad relativa en la permeabilidad de cutículas aisladas.
Figura 6. Modelo de poros “dinámicos”.
Modificado de: Eichert & Fernández (2012), en: Marschner 3ª ed.

La actividad de los estomas también juega un papel, porque cuando se abren se produce un incremento de la humedad relativa en la superficie de la hoja, cercana al 90% o más (figura 7). Cuando se cierran, la humedad baja. Se trata de un proceso muy dinámico, pues no todos los estomas se abren al mimo tiempo.

Figura 7. Humedad relativa en la superficie de la hoja con los estomas abiertos (esquema de una planta, como haba, con estomas en ambas caras de la hoja).
Basado en un esquema de E.H. Rub, completado y modificado usando una representación de https://www.slideshare.net/safa-medaney/what-are-plants-2.

Otro tema relevante se vincula al tamaño de los poros. Por mucho tiempo se estimó en 1 nanómetro (nm), la millonésima parte de 1 milímetro, para cutículas aisladas y sin ceras. Pero el aislamiento de cutículas conlleva un riesgo de sesgo ya que solo se seleccionan ciertas cutículas, las cuales se someten a un largo proceso que también puede cambiar sus propiedades. De ahí que el profesor Goldbach junto al profesor Thomas Eichert prefirieran el uso de hojas intactas, encontrando tamaños de poros incluso sobre los 40 nm en superficies con estomas.

También resulta importante considerar que el aumento de la permeabilidad de la cutícula en condición de alta humedad se suma al punto de delicuescencia de las sustancias polares en el exterior que hace que absorban agua y generen una alta concentración. Una elevada concentración significa una alta gradiente en la difusión hacia el interior de la hoja. Se trata, entonces, de una doble influencia de la humedad relativa (Fernández y Eichert, 2009). Sin embargo la máxima penetración no se logra con la máxima humedad, sino con niveles de 70 a 80%, y también se aprecia una gran diferencia de la absorción entre la superficie inferior y superior de la hoja (figura 8)

Figura 8. Absorción de nitrato de calcio Ca(NO3) en hojas de café.

Es posible adaptarse a la humedad relativa esperada mediante la selección de un producto con un punto de delicuescencia mayor o menor según sea el caso. No obstante, debe tenerse presente que la delicuescencia disminuye al mezclar dos sales o componentes distintos. Por ejemplo, el nitrato de amonio (delicuescencia = 62%) combinado con urea (delicuescencia 79%) tiene una delicuescencia menor a 20%. “Por tal razón muchos de nuestros productores usan esa mezcla en primavera para sus primeras aplicaciones foliares, pues mantiene una buena humedad que favorece la absorción de los compuestos”, comenta Goldbach.

MATERIAL PARTICULADO / MICROORGANISMOS

Por largo tiempo se creyó que este tipo de materiales no podía traspasar la superficie estomática, dadas su capacidad de repeler el agua (hidrofobicidad) y su especial estructura. En verdad esto es correcto respecto de una gota, porque se requiere una gran fuerza para empujarla a través de los estomas, admite Goldbach. Sin embargo, él mismo junto a Eichert y Burkhart (1998) probaron una serie de compuestos y, utilizando tintura fluerescente, pudieron comprobar que algunos sí penetraban.

Se demostró que no todos los estomas son tan hidrofóbicos como indicaban las publicaciones. En la foto 1 de un estoma de puerro se aprecian los bajos ángulos de contacto de un estoma, indicando que su superficie interior es hidrofílica. Nuevos ensayos con partículas fluorescentes de 40 nm penetraron bajo los estomas e incluso algunos llegaron al apoplasto (figura 9).

Foto 1. Superficie interior hidrofílica de un estoma de puerro (Allium porrum).
Figura 9. Distribución de Nanosferas® fluorescentes a distintas profundidades.

En definitiva, las partículas pueden entrar al apoplasto de las hojas, existe absorción a través de los poros estomáticos y el mecanismo de transporte es usualmente la concentración de gradientes, o sea por difusión. No existen indicios de penetración por infiltración de los estomas, ya que se encontró una concentración muy baja en el interior de la hoja, en el apoplasto, y se observó también que las partículas de más de un micrómetro (la milésima parte de un milímetro) no pasaban a través de los estomas.

Los ácidos húmicos comúnmente no entran a través de la cutícula de la parte superior de la hoja pero sí a través de los estomas en el envés.

Por otra parte, siempre que los estomas están abiertos, existe una mayor penetración de los compuestos. Evaluaciones con distintas formas de nitrógeno han mostrado que los estomas abiertos pueden contribuir hasta 75% o a veces 80% de la absorción total (figura 10).

Figura 10. Contribución relativa de los estomas y la cutícula a la penetración de distintos fertilizantes nitrogenados

Por lo tanto, se comprueba que hay más de una vía de ingreso: la ruta cuticular y la vía estomática. Probablemente los estomas son la única entrada posible para las partículas, si no hay grietas o rupturas mayores en la superficie foliar.

SUSTANCIAS APOLARES

La tasa de absorción se ve bastante influenciada por el volumen molecular, a mayor volumen la absorción disminuye en forma significativa, especialmente en las especies lipofílicas (sustancias apolares atraídas por los lípidos, generalmente hidrofóbicas), en las cuales las diferencias de tamaño de las moléculas hace una gran diferencia en términos de penetración.

EN SÍNTESIS

Dos procesos limitantes en la absorción foliar fueron abordados en la presentación del Dr. Heiner Goldbach: la retención y la penetración.

-La retención y penetración pueden ser modificadas con el uso de ajuvantes, como detergentes, adherentes y humectantes, además de la elección apropiada de sales o complejos adicionales.

-La mayor parte, si no toda la transferencia desde la superficie de la hoja al apoplasto ocurre por difusión, no es un proceso activo.

-Hay tres rutas principales:

Sustancias apolares: se disuelven en la capa cuticular y se mueven a través de ella en los dominios lipofílicos. En este caso se produce una notoria separación por tamaño.

Sustancias polares: su movimiento través de los dominios polares de la cutícula depende de la humedad relativa.

La permeabilidad a través de la cutícula puede llevar a un efecto de separación por tamaño molecular y carga.

La ruta estomática permite la penetración de microorganismos completos, requiriendo de suficientes estomas penetrables, grietas, etc., y es libre para partículas de menos de 1 micrón.

GLOSARIO:

Adsorción: adhesión de un gas, líquido o sólido disuelto (adsorbato) a una superficie (del adsorbente). Mientras en la absorción ese gas, líquido o sólido se disuelve o penetra en el absorbente, la adsorción es un fenómeno superficial.

Adyuvante: sustancia que se añade a otra para mejorar su aplicación o potenciar su efecto.

Apoplasto: el apoplasto de la hoja es el un espacio que queda entre las células, incluida la pared celular y el xilema. Por él fluyen agua, nutrientes, agua y otras sustancias.

Cutícula: capa protectora que se encuentra en la superficie más externa de las plantas y que interacciona con el ambiente. La cutícula es formada y secretada por las células de la epidermis.

Delicuescencia: fenómeno en que una sustancia absorbe humedad del aire hasta asumir una forma líquida (solución acuosa). Además de las ceras que frecuentemente se encuentran sobre la hoja, una gran barrera entre el exterior y el apoplasto corresponde a la cutícula: primero la cutícula propiamente dicha, y luego una capa cuticular que tiene cierta continuidad con la pared celular de polisacáridos parcialmente entremezclados con ella.

Epidermis: capa exterior de la piel, es el protector vivo que recubre la superficie de casi toda la planta.

Estomas: células que forman parte de la epidermis de la planta y dan forma a un poro o apertura llamada ostiolo. Son una vía de paso para la mayor parte del oxígeno y del dióxido de carbono, dos gases utilizados por las células del interior de la planta durante la fotosíntesis y la respiración celular, y también son la vía principal por la que la planta pierde el agua absorbida por las raíces, en forma de vapor.

Hidrofílico: sustancia que tiene afinidad con el agua, que la capta con facilidad.

Hidrofobicidad: capacidad de un material para repeler o ser repelido por el agua.

Higromorfismo: conjunto de caracteres morfológicos y fisiológicos que permiten la sobrevivencia exitosa en suelos o ambientes húmedos

Higroscopía: capacidad de absorber humedad del ambiente.

Lipofílico: compuesto que tiene la capacidad de disolverse en grasas, aceites vegetales, lípidos en general. En otras palabras, la sustancia llamada lipofílica es la que tiene afinidad y es soluble en lípidos.

Micrón (µm): milésima parte de un milímetro.

Nanómetro (nm): millonésima parte de un milímetro.

Polaridad: es una propiedad que representa la separación de cargas eléctricas en una misma molécula. Esta característica se relaciona con aspectos tales como la solubilidad, el punto de fusión, el punto de ebullición y las fuerzas intermoleculares, entre otros. Por ejemplo, la capacidad disolvente del agua se debe a que se trata de una molécula polar; y el aceite y el agua no se mezclan porque el primero es apolar mientras que la otra es polar. Las moléculas con enlaces polares en que la distribución de átomos no es simétrica, son polares; las moléculas enlazadas a átomos idénticos, distribuidos simétricamente, son apolares.

Punto de delicuescencia (DHR): nivel de humedad relativa en que un compuesto empieza a licuarse.

Soluto: sustancia (por ejemplo, sal) disuelta en otra que se denomina solvente (por ejemplo, agua) para formar una mezcla llamada solución (por ejemplo, salmuera).

Surfactante: compuesto que reduce la tensión superficial del líquido al que se añade.

Xeromorfismo: conjunto de caracteres morfológicos y fisiológicos que brindan a las plantas protección contra la sequía.

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Biologicals Latam es un newsletter quincenal de Redagrícola para informar de manera especializada de la intensa actividad que se está llevando a cabo en el espacio de los bioinsumos para la producción agrícola. Esta publicación en español e inglés es complemento de las series de cursos y conferencias que este grupo de medios realiza en torno al tema.