Nanotecnologia aplicada a bioinsumos: potencial de nanopartículas poliméricas com reguladores de crescimento vegetal para impulsionar a agricultura

Diante do desafio de aumentar a produtividade devido a estimativa prevista do aumento populacional frente às mudanças climáticas, novas tecnologias sustentáveis têm sido testadas no manejo agrícola, como o uso de nanoformulações para entrega de ativos que resultam em benefícios fisiológicos e promovem melhor resposta contra estresses bióticos e abióticos e ganho de produtividade. Essa pesquisa teve como objetivo desenvolver um sistema de liberação sustentada de reguladores de crescimento vegetal utilizando nanopartículas de zeína recobertas com quitosana. O potencial dessa formulação foi investigado tanto no tratamento de sementes de soja e milho quanto em estágios fenológicos mais avançados, por meio da aplicação foliar, com o intuito de avaliar o desempenho do sistema em duas condições distintas: na ausência e na presença de estresse hídrico. O trabalho foi realizado em duas partes, a primeira consistiu na síntese da nanopartícula de 30 mL (protótipo) e a caracterização desta, avaliando tamanho, índice de polidispersão (PDI), potencial zeta, pH e FTIR. Após essa etapa, foi realizado o escalonamento para 300 mL e 1 Litro, a síntese dessas formulações em maiores volumes também foram condicionadas a avaliação de tamanho, PDI, potencial zeta e pH. A segunda parte do trabalho consistiu em aplicar a formulação protótipo em soja e milho, as variáveis analisadas para o teste no tratamento de sementes foram ensaio de germinação, tamanho do sistema radicular (raiz principal) e massa seca dos grãos, para outro estágio fenológico, na soja, foi aferido o tamanho da parte aérea, o tamanho da raiz, o número de nódulos e a biomassa seca das plantas. No milho foi avaliado parâmetros bioquímicos em plantas submetidas ao estresse, foi quantificado níveis de malondialdeído (MDA), Peroxidase (POD), Ascorbato peroxidase (APX) e Peroxido de hidrogênio (H₂O₂). Os resultados de caracterização apresentaram parâmetros físico-químicos dentro da faixa característica de sistemas obtidos pelo método de precipitação, apresentando diâmetro médio entre 199 a 242 nm, polidispersidade variando de 0,19 a 0,34 e potencial zeta na faixa de 46,9 a 57,3 mV. No ensaio biológico, os tratamentos com nanopartículas apresentaram boa taxa germinativa e maior comprimento radicular, sendo algumas concentrações superiores à testemunha e ao controle positivo, destacando-se as doses de 750 e 500 mL/100 kg de sementes, que atingiram 100% de germinação. Para os ensaios bioquímicos, os tratamentos não aumentaram excessivamente as Espécies Reativas de Oxigênio (ROS) sob estresse hídrico, sugerindo regulação eficiente do sistema antioxidante. O tratamento de nanoZnCS em uma dosagem de 1,5 mL /100 kg de sementes elevou os pigmentos fotossintéticos, indicando efeitos fisiológicos positivos. Esses resultados abrem novas possibilidades para o desenvolvimento de formulações inovadoras baseadas em nanopartículas para hormônios vegetais, oferecendo uma abordagem mais eficiente e ambientalmente responsável para o manejo agrícola.

Resumo (inglês)

Faced with the challenge of increasing productivity in response to the projected population growth and climate change, new sustainable technologies have been tested in agricultural management, such as the use of nanoformulations for the delivery of active compounds that provide physiological benefits, enhance plant responses to biotic and abiotic stresses, and improve productivity. This research aimed to develop a sustained-release system for plant growth regulators using zein nanoparticles coated with chitosan. The potential of this formulation was investigated both in the treatment of soybean and maize seeds and at more advanced phenological stages through foliar application, in order to evaluate the system's performance under two distinct conditions: with and without water stress. The work was conducted in two parts. The first part involved the synthesis of the 30 mL nanoparticle prototype and its characterization, assessing size, polydispersity index (PDI), zeta potential, pH, and FTIR. Following this step, the formulation was scaled up to 300 mL and 1 L, with the larger-volume syntheses also evaluated for size, PDI, zeta potential, and pH. The second part consisted of applying the prototype formulation to soybean and maize. For the seed treatment, the variables analyzed were germination rate, root system length (primary root), and grain dry mass. At a later phenological stage in soybean, the aerial part length, root length, nodule number, and plant dry biomass were measured. In maize, biochemical parameters were assessed under stress, including quantification of malondialdehyde (MDA), peroxidase (POD), ascorbate peroxidase (APX), and hydrogen peroxide (H₂O₂) levels. Characterization results indicated physicochemical parameters within the characteristic range of systems obtained by the precipitation method, with average diameters between 199 and 242 nm, polydispersity ranging from 0.19 to 0.34, and zeta potential between 46.9 and 57.3 mV. In the biological assay, nanoparticle treatments showed good germination rates and greater root length, with some concentrations surpassing both the control and the positive control, particularly the doses of 750 and 500 mL per 100 kg of seeds, which achieved 100% germination. For the biochemical assays, the treatments did not excessively increase reactive oxygen species (ROS) under water stress, suggesting efficient regulation of the antioxidant system. The nanoZnCS treatment at a dose of 1.5 mL per 100 kg of seeds enhanced photosynthetic pigments, indicating positive physiological effects. These results open new possibilities for the development of innovative nanoparticle-based formulations for plant hormones, offering a more efficient and environmentally responsible approach to agricultural management.

Palavras-chave

Insumos agrícolas, Agricultura, Sustentabilidade, Quitosana, Agriculture, Sustainability, Chitosan

Idioma

Português

Citação

PINHEIRO, Peterson Willian Pereira. Nanotecnologia aplicada a bioinsumos: potencial de nanopartículas poliméricas com reguladores de crescimento vegetal para impulsionar a agricultura. 2025. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) – Instituto de Ciência e Tecnologia, Universidade Estadual Paulista, Sorocaba, 2025.