RESSALVA Atendendo solicitação do(a) autor(a) o texto completo desta Dissertação será disponibilizado somente a partir de 20/07/2025. 1 CAMPUS DE BAURU Gabriela Patricia Unigarro Villarreal NANOPARTÍCULAS POLIMÉRICAS EM ASSOCIAÇÃO COM SEMIOQUÍMICOS COMO ESTRATÉGIA PARA CONTROLE DE PRAGAS EM AGRICULTURA BAURU 2023 2 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA JÚLIO DE MESQUITA FILHO CÂMPUS DE BAURU – FACULDADE DE CIÊNCIAS GABRIELA PATRICIA UNIGARRO VILLARREAL NANOPARTÍCULAS POLIMÉRICAS EM ASSOCIAÇÃO COM SEMIOQUÍMICOS COMO ESTRATÉGIA PARA CONTROLE DE PRAGAS EM AGRICULTURA Dissertação apresentada como requisito para a obtenção do título de Mestre em Ciência e Tecnologia de Materiais, ao programa de Pós- Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais – POSMAT, Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – UNESP – Campus de Bauru. Orientador: Prof. Dr. Leonardo Fernandes Fraceto BAURU 2023 V722n Villarreal, Gabriela Patricia Unigarro Nanopartículas poliméricas em associação com semioquímicos como estratégia para controle de pragas em agricultura / Gabriela Patricia Unigarro Villarreal. -- Bauru, 2023 74 p. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Ciências, Bauru Orientador: Leonardo Fernandes Fraceto 1. Nanotecnologia. 2. Agricultura sustentável. 3. Controle de pragas. 4. Liberação sustentável. 5. Salicilato de Metila. I. Título. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca da Faculdade de Ciências, Bauru. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Câmpus de Bauru ATA DA DEFESA PÚBLICA DA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO DE GABRIELA PATRICIA UNIGARRO VILLARREAL, DISCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS, DA FACULDADE DE CIÊNCIAS - CÂMPUS DE BAURU. Aos 20 dias do mês de julho do ano de 2023, às 14:00 horas, por meio de Videoconferência, realizou- se a defesa de DISSERTAÇÃO DE MESTRADO de GABRIELA PATRICIA UNIGARRO VILLARREAL, intitulada Nanopartículas poliméricas em associação com semioquímicos como estratégia para controle de pragas em agricultura. A Comissão Examinadora foi constituida pelos seguintes membros: Prof. Dr. LEONARDO FERNANDES FRACETO (Orientador(a) - Participação Virtual) do(a) Departamento de Engenharia Ambiental / Instituto de Ciencia e Tecnologia - Unesp/ Campus de Sorocaba, Profa. Dra. CLAUDIA QUINTINO DA ROCHA (Participação Virtual) do(a) Departamento de Química / Universidade Federal do Maranhão , Prof. Dr. ADRIANO ARRUÉ MELO (Participação Virtual) do(a) Defesa fitossanitária / Universidade Federal de Santa Maria. Após a exposição pela mestranda e arguição pelos membros da Comissão Examinadora que participaram do ato, de forma presencial e/ou virtual, a discente recebeu o conceito final:_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . Nada mais havendo, foi lavrada a presente ata, que após lida e aprovada, foi assinada pelo(a) Presidente(a) da Comissão Examinadora. Prof. Dr. LEONARDO FERNANDES FRACETO Faculdade de Ciências - Câmpus de Bauru - Eng. Luiz Edmundo Carrijo Coube, 14-01, 17033360, Bauru - São Paulo http://www.fc.unesp.br/#!/posmatCNPJ: 48.031.918/0028-44. Aprovada 3 Dedico esse trabalho à minha família, especialmente à minha mãe Sandra, avó Malvina e tia Patricia por seu amor incondicional, sua dedicação, apoio e ensinamentos. 4 AGRADECIMENTOS Hoje, ao chegar ao fim deste longo e desafiante caminho, quero expressar minha mais profunda gratidão a cada um dos que fizeram parte deste longo viagem de Mestrado. A vossa presença e o vosso encorajamento foram pilares fundamentais que me permitiram chegar até aqui. Agradeço inicialmente a meus amados pais Sandra y Victor Hugo, sempre foram a minha maior fonte de inspiração, sua dedicação e sacrifício foram a força da minha busca pelos meus sonhos, são os melhores pais. Esta dissertação é uma prova de seu amor e confiança estando tão longe de casa. Á meu querido irmão Victor Manuel pelo carinho apesar da distância, esta dissertação é também um tributo à nossa relação especial, e à forma como juntos crescemos e apoiámos mutuamente. A minha avó querida, Malvina que tem sido a base da nossa família, teu amor e sabedoria têm sido faróis de luz na minha vida, e minha tia Patricia, por todas as orações e abençoes, por teu carinho e a confiança em mim sempre. A meus avós Socorro e Henry, que agora são anjos que cuidam de mim desde o céu, por seu carinho e apoio, estão sempre no meu coração. O meu querido companheiro de vida Nicolas, seu amor, paciência e compreensão tem sido um grande apoio nos momentos mais difíceis, por teu apoio incondicional, por tuas palavras de encorajamento e tua confiança em mim, sempre me alentaste a perseguir meus objetivos. O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001. Agradeço à UNESP, ao programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologia de Materiais, ao Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba e a todos os professores que tive o prazer de conhecer, por me terem proporcionado as oportunidades de aprendizagem e crescimento que tive durante meu processo de mestrado. Vossa excelência acadêmica foi fundamental para minha formação. Agradeço a meu orientador, o Prof. Dr. Leonardo Fernandes Fraceto pela grande confiança e a enorme oportunidade para fazer parte de sua equipe dentro do Laboratório 5 de Nanotecnologia Ambiental, assim como também sua ajuda, dedicação, experiência e tempo dedicado dentro do meu processo de crescimento pessoal e professional. À equipe incrível que me acompanhou em meu trabalho dentro do laboratório, especialmente ao Anderson e Estefânia que foram meus principais orientadores dentro de tudo este processo maravilhoso, que sempre da melhor forma e com muita paciência, compartilharam comigo suas experiências e seu grande conhecimento. Sem olvidar também ao Jhones, a Roberta e a Patricia com quem trocamos ideias, ajudavam com suas sugestões e recomendações e conseguiam criar um ambiente muito agradável e divertido. À banca examinadora por aceitar o convite de fazer parte da minha qualificação e minha defesa, pelo tempo e as importantes contribuições. 6 “I am among those who think that science has great beauty. A scientist in his laboratory is not only a technician: he is also a child placed before natural phenomena which impress him like a fairy tale. We should not allow it to be believes that all scientific progress can be reduced to mechanisms, machines, gearings, even though such machinery has its own beauty.” ~Marie Curie 7 RESUMO Os insetos-praga têm sido um dos problemas mais frequentes na agricultura, e uma variedade de alternativas tem sido buscadas para combatê-las. Como consequência, o setor agrícola tem intensificado o uso de agroquímicos, causando problemas significativos relacionados a poluição ambiental e riscos para a saúde humana. Neste contexto, o desenvolvimento de nanoformulações, pode reduzir a quantidade de agroquímicos utilizados e aumentar sua eficácia em comparação com as formulações convencionais, permitindo assim uma maior produtividade com menor impacto no ambiente e na saúde humana. Dentro deste contexto, está dissertação é apresentada em dois capítulos, o primeiro é uma revisão do potencial dos semioquímicos e da nanotecnologia na agricultura; e o segundo, vista o desenvolvimento de sistemas de liberação sustentada de semioquímicos, neste caso o salicilato de metila como princípio ativo, para o manejo de pragas. Os sistemas nanocarreadores foram baseados em nanopartículas de zeína sendo inseridos em um sistema de suporte produzido por protótipos impressos em 3D. As nanopartículas de zeína como sistema carreador mostraram um tamanho hidrodinâmico médio na faixa de 130-134 nm, o índice de polidispersão de 0,147 – 0,149, potencial Zeta de 20 ± 0,6 mV, com uma alta eficiência de encapsulamento (>99%). Além disso, de acordo com a análise, os protótipos apresentam uma superfície adequada para o suporte e aderência das nanopartículas, cumprindo assim sua função de acordo com o seu objetivo inicial. Por outra parte, foi estudada a liberação de Salicilato de Metila (S_Met) em dois protótipos: S_Met SA-GL e NP-Zein with S_Met SA-GL. Foi observado que as nanopartículas tem um efeito na modulação da liberação de S_Met, reduzindo sua liberação em aproximadamente 10 vezes nas primeiras 24 horas. A aplicação de um modelo matemático mostrou que a liberação nos protótipos de S_Met SA-GL é resultado de transporte anômalo, enquanto que nos protótipos NP-Zein with S_Met SA-GL ocorreu por relaxação da parede polimérica ou erosão. O uso de NP-Zein pode melhorar a eficácia e o uso sustentável de S_Met em aplicações agrícolas para controle de pragas e é apresentado como uma ferramenta promissora para promover uma liberação sustentada, protegendo contra a volatilização e melhorando a estabilidade físico-química e a vida útil da molécula. Estes resultados, mostraram o grande potencial dos protótipos como carreadores do salicilato de metila, visando o controle de inimigos naturais de algumas espécies de pragas agrícolas. Palavras-chave: Nanotecnologia, Agricultura sustentável, Controle de pragas, Liberação sustentável, Salicilato de Metila. 8 ABSTRACT Insect pests have been one of the most frequent problems in agriculture, and a variety of alternatives have been sought to combat them. As a result, the agricultural sector has intensified the use of agrochemicals, causing significant problems related to environmental pollution and risks to human health. In this context, the development of nanoformulations can reduce the amount of agrochemicals used and increase their efficacy compared to conventional formulations, thus enabling greater productivity with less impact on the environment and human health. Within this context, this dissertation is presented in two chapters, the first being a review of the potential of semiochemicals and nanotechnology in agriculture; and the second, focusing on the development of sustained release systems of semiochemicals, in this case methyl salicylate as an active ingredient, for pest management. The nanocarrier systems were based on zein nanoparticles being inserted into a support system produced by 3D printed prototypes. The zein nanoparticles as carrier systems showed an average hydrodynamic size in the 130-134 nm range, PDI of 0.147 - 0.149, Zeta potential of 20 ± 0.6 mV, with a high encapsulation efficiency (>99%). In addition, according to the analysis, the prototypes have a suitable surface for the support and adhesion of nanoparticles, thus fulfilling their function according to their initial purpose. On the other hand, the release of Methyl Salicylate (S_Met) was studied in two prototypes: S_Met SA-GL and NP-Zein with S_Met SA-GL. It was observed that nanoparticles modulate the release of S_Met, reducing its release by approximately 10 times in the first 24 hours. The application of a mathematical model showed that the release in S_Met SA-GL prototypes is the result of anomalous transport, while in NP- Zein with S_Met SA-GL prototypes, it occurred due to relaxation of the polymeric wall or erosion. The use of NP-Zein can improve the effectiveness and sustainable use of S_Met in agricultural applications for pest control and is presented as a promising tool to promote sustained release, protecting against volatilization and improving the physical- chemical stability and shelf life of the molecule. These results showed the great potential of prototypes as carriers of methyl salicylate, aiming at controlling natural enemies of some species of agricultural pests. Keywords: Nanotechnology, Sustainable Agriculture, Pest Control, Sustainable Release, Methyl Salicylate. 9 SUMÁRIO INTRODUÇÃO GERAL ............................................................................................... 11 OBJETIVOS ................................................................................................................... 13 CHAPTER I .................................................................................................................... 14 DEVELOPMENT AND COMMERCIALIZATION OF PHEROMONES-BASED BIOPESTICIDES: A GLOBAL PERSPECTIVE .......................................................... 14 ABSTRACT ................................................................................................................... 14 INTRODUCTION .......................................................................................................... 15 Biopesticides ............................................................................................................... 18 Pheromones ................................................................................................................ 19 Pheromones classification .......................................................................................... 23 Nano-based formulations for pheromones applications ............................................. 26 Regulatory issues ........................................................................................................ 30 CONCLUSIONS AND FUTURE PERSPECTIVES ..................................................... 31 REFERENCES ............................................................................................................... 32 CHAPTER II .................................................................................................................. 37 ZEIN-BASED NANOFORMULATIONS WITH ENCAPSULATED METHYL SALICYLATE INCORPORATED IN 3D PRINTING BIOPOLYMER DEVICES TARGETING POTENTIAL USES IN PEST MANAGEMENT .................................. 37 HIGHLIGHTS ................................................................................................................ 38 ABSTRACT ................................................................................................................... 39 INTRODUCTION .......................................................................................................... 40 MATERIALS AND METHODS ................................................................................... 42 Materials ..................................................................................................................... 42 Methods ...................................................................................................................... 42 Preparation of polymeric nanocarrier systems containing S_Met .............................. 42 Labeled NP-Zein......................................................................................................... 43 Encapsulation efficiency of nanoparticles with S_Met .............................................. 43 3D-printed prototypes containing S_Met encapsulated in NP-Zein ........................... 43 Nanoparticle characterization ..................................................................................... 44 Differential scanning calorimetry ............................................................................... 44 Morphology of nanoparticles and 3D prototypes by atomic force microscopy ......... 44 Analysis of nanoparticles and prototypes by Fourier transform infrared spectroscopy .................................................................................................................................... 45 10 Characterization of 3D prototypes by fluorescence microscopy ................................ 45 Characterization of the 3D prototypes by scanning electron microscopy (SEM) ...... 45 Rheology of bioinks for the 3D prototypes ................................................................ 45 Volatile sample from 3D printing prototypes with S_Met ......................................... 46 Chemical analysis of volatile samples ........................................................................ 46 RESULTS AND DISCUSSIONS .................................................................................. 47 Characterization of NP-Zein ....................................................................................... 47 Differential scanning calorimetry (DSC) analysis...................................................... 48 Characterization of NP-Zein by FTIR ........................................................................ 50 Incorporation of NP-Zein loaded S_Met in 3D prototypes ........................................ 51 Characterization of the bioinks for the print 3D prototypes ....................................... 51 Characterization of the 3D prototypes ........................................................................ 53 Morphology analysis of the 3D prototypes with NP-Zein loaded S_Met by microscopy .................................................................................................................................... 55 S_Met release profile by the SA-GL prototypes ........................................................ 58 CONCLUSIONS ............................................................................................................ 61 REFERENCES ............................................................................................................... 61 SUPPLEMENTARY INFORMATION ......................................................................... 66 CONCLUSÕES FINAIS ................................................................................................ 69 REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 70 CURRICULUM.............................................................................................................. 71 11 INTRODUÇÃO GERAL A população humana, segue um crescimento exponencial, e por causa disso, aumenta diretamente a demanda de alimentos (Talaviya et al., 2020). Coincidente com esta necessidade, surgem preocupações para reduzir o impacto da agricultura cada vez mais intensivo, e com efeitos nocivos, prejudicando a biodiversidade (Ruscoe et al., 2022). Atualmente, produtividade e sustentabilidade são dois fatores importantes para produzir mais alimentos, ao mesmo tempo que preserve o meio ambiente (Viera-Arroyo et al., 2020). Um dos maiores problemas no setor da agricultura, é o manejo de insetos-praga. Elas causam um impacto negativo na produtividade e qualidade dos produtos, sendo fundamental para os agricultores preveni-las e combate-las, entretanto esta tem sido uma tarefa cada vez mais difícil (Azfar et al., 2018). Atualmente, o uso intensivo e o mau uso dos produtos químicos tem causado em alguns casos graves problemas como contaminação, resistência de pragas, deterioração do meio ambiente e impacto na saúde humana. Neste contexto, vem aumentando o mercado de produtos que visam alternativas de manejo mais sustentáveis, por exemplo, os insumos biológicos, que têm características e modos de ação que ajudam a controlar pragas com menores riscos quando comparados aos pesticidas convencionais (Viera-Arroyo et al., 2020). Esta tendência de mercado, vêm abrindo uma nova revolução no setor da agricultura, visando reduzir os impactos ambientais devido ao uso de pesticidas (Lima et al., 2020). De uma forma geral, as plantas, tendem a desenvolver doenças durante seu ciclo de vida, e isto leva a uma redução significativa na qualidade do vegetal, e para controlar essas doenças, as plantas de forma natural, como mecanismos de defesa, são capazes de gerar compostos orgânicos voláteis como os feromônios. Com base nestas substancias, têm sido desenvolvido formulações ou protótipos para o controle de insetos-praga na agricultura, reduzindo assim o uso de pesticidas convencionais (Bulhões, 2020). O salicilato de metila é um feromônio que pode ser capaz de atuar na defesa das plantas contra patógenos e certos herbívoros, particularmente pulgões (Ninkovic et al., 2021). Compostos naturais como estes podem ser uma grande alternativa em comparação ao uso dos pesticidas químicos, tendo uma alta especificidade e pouco impacto no meio ambiente. Entretanto, o controle da liberação desses compostos químicos é uma barreira que pode interferir na sua eficácia no controle de insetos-praga no campo (Bulhões, 2020). 12 Uma das soluções para este problema, é o uso da nanotecnologia, ainda mais quando o processo de síntese é através da química verde. O uso da nanotecnologia mais o processo de química verde tem sido denominada como “nanotecnologia verde” o qual visa um processo de preparo sustentável, gerando produtos mais eficientes, além disto, sendo o processo de desenvolvimento mais seguro em termos energéticos, se tornando um processo mais ecologicamente correto (Prasad et al., 2017). Os nanopesticidas são utilizados para carrear ingredientes ativos, que devido às propriedades físico-químicas das nanopartículas, podem oferecer uma grande variedade de benefícios no campo, por exemplo, a diminuição das doses de agrotóxicos, o incremento na dispersão das formulações agrícolas ou aumento na estabilidade, permeabilidade e biodegradabilidade (Chaud et al., 2021). Com isto otimizar o controle de pragas e superar os efeitos adversos causados por pesticidas sintéticos, podendo o uso dos nanobiopesticidas alterar o manejo agrícola para se tornar mais sustentável (Pascoli et al., 2020). 13 OBJETIVOS O presente estudo teve como objetivo revisar o potencial do uso de semioquímicos na agricultura, assim como o desenvolvimento de um sistema de liberação baseado em nanopartículas de zeína para o semioquímico salicilato de metila. Ademais, o desenvolvimento de protótipos através da impressão 3D para a inserção das nanopartículas, visando o manejo de inimigos naturais de culturas agrícolas, como estratégia de manejo mais sustentável para controle de insetos-praga na agricultura. A fim de facilitar a organização do trabalho o mesmo está sendo apresentado na forma de Capítulos, o primeiro intitulado Development and commercialization of pheromones- based biopesticides: a global perspective, o segundo intitulado Zein-based nanoformulations with encapsulated methyl salicylate incorporated in 3d printing biopolymer devices targeting potential uses in pest management 61 CONCLUSIONS NP-Zein capable of encapsulating S_Met were synthesized, presenting good physicochemical properties and excellent stability throughout the 30 days of evaluation. From a physicochemical point of view, the results indicate that the NP-Zein with S_Met have a spherical shape and reach an average encapsulation efficiency of approximately 100 %, indicating high interaction between the S_Met and polymeric matrix. Analysis of the NP-Zein with S_Met and the 3D-printed prototypes of SA-GL demonstrated that the particles were well adhered and preserved on their surface. In the CMC-HEC prototypes, it was not possible to prove the presence of NP-Zein with S_Met, possibly because of their degradation in the crosslinking process. NP-Zein with S_Met in the 3D-printed prototypes of SA-GL promoted a sustained release of S_Met reducing losses by volatilization. The strategy of using nanoformulations and 3D printing systems in conjunction with nanoparticles shows promise for the study of the release of encapsulated S_Met for applications in agrosystems, with the aim of controlling pests in agriculture. As a highlight, the use of 3D printing for the development of prototypes containing semiochemical result in advantages, for instance 1: i) fast designer of prototypes in relation the size and form, ii) the evaluation of polymerics ink for prototypes, iii) development of prototypes with non-toxic and biodegradable polymeric matrix, iv) reduce cost and time for the evaluation of different prototypes and v) development of eco- friendly systems. REFERENCES [1] J. Lacasta, F.J. Lopez-Pellicer, B. Espejo-García, J. Nogueras-Iso, F.J. Zarazaga- Soria, Agricultural recommendation system for crop protection, Comput. Electron. Agric. 152 (2018) 82–89, https://doi.org/10.1016/j.compag.2018.06.049. [2] R. Van Driesche, M. Hodle, T. Center, Control de plagas y malezas por enemigos naturales, 2007, 765. [3] A. Kessler, I.T. Baldwin, Defensive function of herbivore-induced plant volatile emissions in nature, Science 291 (2001) 2141–2144, https://doi.org/10.1126/ science.291.5511.2141. [4] V. 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