Adsorventes naturais e sintéticos como potenciais plataformas de libertação de bionematodicidas de base naftoquinona

Abstract

O crescente aumento populacional cria grandes desafios para o setor agroalimentar. Por um lado, existe a necessidade de aumentar a capacidade de produção agrícola e por outro, há que fazê-lo de forma sustentável, quer do ponto de vista económico quer ecológico. Alguns obstáculos a este desenvolvimento resultam da ocorrência de pragas e doenças que afetam as culturas. Dentro destas, destacam-se os nemátodes fitoparasitas, os quais são responsáveis por perdas significativas na agricultura. De forma a proteger as colheitas e controlar estas pragas/doenças, os agricultores recorrem normalmente ao uso de agroquímicos. Dentro destes, destacam-se os pesticidas de base sintética que apesar de eficientes, geralmente têm associado um elevado impacto negativo na saúde humana e no ambiente. Recentemente, têm vindo a ser desenvolvidas alternativas mais sustentáveis aos nematodicidas sintéticos, baseadas no uso de nematodicidas naturais (bionematodicidas). Dentro desta categoria, algumas naftoquinonas, como a juglona (JUG) e a 1,4-naftoquinona (1,4-NTQ), presentes em várias partes de plantas do género Juglans, demonstraram um elevado potencial no controlo de nemátodes das galhas radiculares. Nesta dissertação, foi realizado um estudo preliminar de diferentes materiais adsorventes porosos, de origem natural e sintética, com o objetivo de verificar o seu potencial uso como plataformas de libertação controlada de bionematodicidas de base naftoquinona. Foi estudada a velocidade e capacidade de adsorção de JUG e 1,4-NTQ nos diferentes materiais porosos: clinoptololite, terra diatomácea, Zeoflair® 100, Porous Alpha e ainda um aerogel à base de sílica e um criogel composto por alginato de sódio e gelatina. Todos os adsorventes, à exceção do aerogel e criogel, foram ainda incorporados num polímero biodegradável (Biopar®), com o objetivo de verificar a possibilidade de aplicação no solo sob a forma de filme ou grânulos. O uso de Porous Alpha resultou na degradação dos compostos ativos, sendo desta forma incompatível com este tipo de aplicação. Dentro dos restantes destaca-se a terra diatomácea, adsorvendo pelo menos mais 29% de 1,4-NTQ e 12% de JUG que a clinoptololite e o Zeoflair® 100, ao fim de 72 h. No geral, a JUG mostrou melhor desempenho, em termos de velocidade e quantidade adsorvida em todos os adsorventes. Verificou-se também que ambos os compostos são instáveis em valores de pH alcalinos, resultando na sua degradação. O criogel e o aerogel foram os materiais adsorventes com melhor desempenho adsorvendo significativamente mais que os materiais mencionados anteriormente, contudo o seu uso em aplicações agroalimentares apresenta como principal entrave os custos elevados associados ao processo de fabrico destes materiais. Razão pela qual, a adsorção de JUG em terra diatomácea mostrou-se a alternativa mais atrativa para o desenvolvimento e otimização de sistemas de libertação controlada com matrizes porosas. Da incorporação dos materiais adsorventes na matriz polimérica resultaram diversos filmes uniformes. Futuramente, e num estudo mais aprofundado, será necessário estudar a cinética de libertação do composto ativo do material adsorvente e após a incorporação deste num material polimérico biodegradável.

The increasing population growth creates several challenges to the agri-food sector. On one hand, there is the need to increase production capacity, on the other, it needs to be done in a sustainable manner, from an economic and ecological standpoint. The occurrence of pests/diseases constitutes the most important hurdles to the development of this sector. Amongst them, phytoparasitic nematodes are responsible for significant worldwide crop losses. To protect the crops against these pests, farmers usually resort to the use of pesticides/nematicides, which are effective but show high environmental and human health impact. Recent research has focused on the development of more sustainable alternatives, based on natural origin nematicides (bionematicides). In this category, naphthoquinones like juglone (JUG) and 1,4-naphthoquinone (1,4-NTQ), present in several parts of Juglans spp., have shown significant nematicidal activity against root knot nematodes. In this dissertation, a preliminary study of different natural and synthetic porous adsorbents, as potential platforms for controlled release of naphthoquinone-based bionematicides, was carried out. The rate and adsorption capacity of JUG and 1,4-NTQ on clinoptololite, diatomaceous earth, Zeoflair® 100, Porous Alpha, silica-based aerogel and sodium alginate and gelatin cryogel was studied. Besides the aerogel and cryogel, all the adsorbents were incorporated in a biodegradable polymer (Biopar ®) to verify the possibility of application on the soil, in the form of films and granules. Porous Alpha showed unsatisfactory results for this specific application due to the possibility of degradation of both bionematicides. Overall, JUG showed greater potential, in terms of rate of adsorption and total adsorbed mass. Alkaline pH resulted on the instability and degradation of JUG and 1,4-NTQ. Diatomaceous earth, on the other hand, displayed great potential adsorbing, at least, 29% of 1,4-NTQ and 12% of JUG more than the clinoptololite and Zeoflair® 100, in 72 h. Cryogel and aerogel showed promising results, adsorbing significantly more than the other materials, however their use on the agri-food sector is greatly impaired by the high costs associated with the manufacturing of these materials. In conclusion, the use of JUG on diatomaceous earth matrix showed the most promising results. Therefore, this option seems to be the most feasible for future studies on the development and optimization of controlled release systems with porous matrices. The incorporation of the adsorbents in a biodegradable polymeric matrix resulted in several uniform films. Release kinetics of the active ingredient from the porous matrix and its incorporation in a biodegradable polymer need to be studied in future work.