Rilasciare controllata di pesticidi: una protezione contro la coltura più intelligente

L'agricoltura moderna è un incrocio critico: gli agricoltori devono fornire rese sempre più elevate per alimentare una popolazione globale in crescita, riducendo allo stesso tempo l'impronta ambientale dell'agricoltura. L'applicazione convenzionale di pesticidi, dove i grandi volumi di sostanze chimiche vengono spruzzati ripetutamente, è stata efficace ma comporta notevoli svantaggi: il runoff contamina corsi d'acqua, gli organismi non-target sono danneggiati e gli insetti sviluppano resistenza.

Le limitazioni dell'applicazione convenzionale di pesticidi

Per apprezzare le questioni di rilascio controllate, aiuta a capire le carenze dei metodi standard. Le formule di pesticidi sono progettate per il rilascio immediato: il principio attivo diventa disponibile non appena il prodotto viene applicato. Mentre questo fornisce un rapido abbattere i parassiti, crea anche un picco di concentrazione chimica che rapidamente declina. Il risultato è una finestra di esposizione irregolare, alti livelli che possono superare ciò che è necessario, seguita da livelli sub-letali che possono consentire ai superstiti di recuperare e infine sviluppare

Le applicazioni ripetute sono spesso necessarie per mantenere l'efficacia, aumentare i costi del lavoro e dei materiali. Il pedaggio ambientale include disturbi microbici del suolo, declino dell'impollinatore e bioaccumulazione nelle catene alimentari. Queste sfide hanno stimolato l'interesse nei sistemi di consegna che rilasciano pesticidi in modo controllato e prolungato.

Che cosa è il rilascio controllato di pesticidi?

Il rilascio controllato è una strategia di formulazione in cui il principio attivo di pesticidi è incorporato in un vettore o un rivestimento che ne modula la disponibilità nel tempo. Invece di rilasciare la sostanza chimica in una sola volta, questi sistemi lo forniscono continuamente a un ritmo progettato—minuti, giorni, settimane o anche mesi—a seconda della formulazione e del ciclo di vita del piest di destinazione. Il concetto si basa sui principi della consegna di farmaci farmaceutici, adattati per le condizioni di campo, tra cui si riferiscono l'attività di chimica, temperatura, umidità, umidità, umidità e umidità e umidità e microbica.

Per gli agenti patogeni, una dose lenta e costante in diverse settimane può essere ideale. Per i parassiti fogliari innescati da specifici modelli meteorologici, il rilascio può essere innescato da precipitazioni o umidità. Controllando quando e quanto pesticidi diventa disponibile, i coltivatori possono ridurre l'ingresso chimico totale, mantenendo o migliorando la soppressione dei parassiti.

Meccanismi chiave del rilascio controllato

Diversi approcci fisici e chimici sono utilizzati per ottenere il rilascio controllato:

  • Sistemi controllati da Diffusion: Il principio attivo si dissolve in o si diffonde attraverso una membrana polimerica o una matrice. Il tasso dipende dallo spessore del polimero, dalla porosità e dalla compatibilità con il pesticida.
  • Sistemi controllati dalla degradazione:[ Il materiale portante – in genere un biopolimero, una cera o un polimero sintetico – si estrae o degrada nell'ambiente del suolo.
  • Sistemi osmotici e controllati dal gonfiore:[ L'acqua entra nella formulazione, causando al vettore di gonfiare o generare pressione osmotica che spinge il principio attivo verso l'esterno. Questi sistemi sono meno comuni in agricoltura ma offrono il potenziale di rilascio innescato in risposta all'umidità.
  • Rilasciare in modo attivo:[] I nuovi sistemi utilizzano materiali stimolanti-responsabili che rilasciano pesticidi quando esposti a specifiche condizioni, come un aumento della temperatura, un cambiamento nel pH, o la presenza di enzimi da parassiti target o microbi del suolo.

Vantaggi delle tecnologie di rilascio controllate

I vantaggi del rilascio controllato si estendono ben oltre la semplice convenienza.Quando correttamente progettato, queste formulazioni offrono guadagni ambientali ed economici misurabili.

Riduzione del carico chimico e del deflusso

Poiché i sistemi di rilascio controllati migliorano l'efficienza di ogni applicazione, gli agricoltori possono utilizzare un ingrediente attivo meno totale per raggiungere gli stessi o migliori risultati. Una meta-analisi pubblicata in Scienza dell'ambiente totale] ha rilevato che le formulazioni di rilascio controllate hanno ridotto il discarico chimico del 30 al 70 per cento rispetto agli spray convenzionali. Meno pesticidi che raggiungono le corsi d'acqua si traduce direttamente a rischi inferiori per le specie acqua e le forniture di qualità acqua potabile.

Efficacia estesa con passi minori

Un'unica applicazione di rilascio controllata può sostituire più trattamenti convenzionali: ad esempio, una formulazione granulare rivestita in polimero applicata alla piantatura può fornire una protezione prolungata di stagione contro insetti e agenti patogeni, eliminando la necessità di spray di mezza stagione.

Maggiore sicurezza per i candidati e gli operatori

I sistemi di erogazione dei prodotti agricoli, i vicini residenti e gli organismi non bersaglio, sono soggetti a gocce di pesticidi concentrati. Le formulazioni di rilascio controllate, in particolare i prodotti granulari o incapsulati, hanno un potenziale di inalazione e di esposizione dermica molto inferiore. L'Agenzia per la protezione dell'ambiente degli Stati Uniti (EPA) ha designato diverse formulazioni di rilascio controllate come rischio ridotto, perché abbassano i rischi di tossicità acuta.

Protezione degli organismi beneficiali

Una delle critiche più forti dei pesticidi convenzionali è il loro impatto indiscriminato sulle specie non target, compresi i pollinatori, i nemici naturali dei parassiti e la biota del suolo. Il rilascio controllato può mitigare questo danno in due modi. In primo luogo, riducendo la concentrazione di picco, evita l'uccisione di insetti benefici che si accumulano indistintamente.

Gestione costante della pressione e della resistenza

I parassiti sono controllati in modo più efficace quando i livelli di esposizione rimangono al di sopra della soglia letale per l'intero periodo vulnerabile. Il rilascio controllato mantiene una concentrazione costante, riducendo i periodi "trough" durante i quali i sopravvissuti possono moltiplicarsi o disintossicare. Questa consistenza rallenta anche l'evoluzione della resistenza perché ci sono meno finestre in cui le dosi sub-letali consentono ai singoli individui parzialmente resistenti di sopravvivere e riprodurre.

Tipi di formule di rilascio controllate

La diversità dei prodotti di rilascio controllati sul mercato riflette l'ampia gamma di sistemi di coltura, pressioni sui parassiti e preferenze dei coltivatori.

Incapsulazioni basate su polimeri

I polimeri sintetici come il poliammide e il glicole polietilene sono comunemente utilizzati per creare microcapsul o matrici che intrappolano i pesticidi. La scocca o la matrice del polimero è scelta per la sua permeabilità, il tasso di degradazione e la compatibilità con il principio attivo.

Formulazioni granulari e matrici

I prodotti granulari sono costituiti da pesticidi dispersi in un solido vettore, argilla, sabbia o materia vegetale, che si forma in piccoli pellet. Il tasso di rilascio dipende dalla dimensione della particella, dalla densità della matrice, e dalla solubilità del principio attivo. Le granule sono ampiamente utilizzate per insetticidi, nematicidi e e erbicidi di granuli, che sono facili da applicare con i diffusori di rischio standard.

Microcapsulini e Nanocapsulini

La microincapsulazione consiste nel rivestimento di piccole gocce o particelle solide di pesticidi con un sottile film di polimeri. Le capsule che ne risultano, tipicamente da 1 a 100 micron di diametro, possono essere sospese in acqua per spruzzare come un liquido convenzionale, ma rilasciano il principio attivo durante ore a settimane.

Rivestimenti e impianti per semi

I semi rivestiti con uno strato polimero di rilascio controllato che contiene insetticidi, fungicidi e talvolta fertilizzanti sono una delle strategie di consegna più efficienti. Il pesticida è posto esattamente dove è necessario - nella zona radice - ed è rilasciato come germina di semi e il sistema radice si sviluppa.

Sfide e considerazioni

Nonostante la sua promessa, la tecnologia di rilascio controllata non è una soluzione universale.

Costi più alti

I materiali e i processi produttivi necessari per l'incapsulamento, le matrici polimeriche e il rivestimento di precisione sono più costosi di miscelare semplicemente gli ingredienti attivi con i filler inerti. Di conseguenza, le formulazioni di rilascio controllate portano spesso un premio di prezzo del 20 al 50 per cento rispetto agli equivalenti convenzionali.

Prevedibile e affidabile Rilasciare in condizioni variabili

Gli ambienti di campo sono molto meno uniformi di un laboratorio. L'umidità del suolo, la temperatura, il pH, l'attività microbica e il contenuto di materia organica influenzano tutti il tasso di rilascio di formulazioni controllate. Un prodotto che si esibisce bene nel terreno a 20°C può rilasciare troppo rapidamente in sabbia, terreno caldo o troppo lentamente in terreno freddo e argilla.

Arredo regolatore

Le formulazioni di rilascio controllate sono regolate come nuovi prodotti di pesticidi nella maggior parte delle giurisdizioni. Il processo di registrazione richiede dati estensivi sul potenziale di leaching, la cinetica di degradazione, l'ecotossicità del materiale del vettore, e gli effetti sugli organismi non-target. Mentre questi dati proteggono l'ambiente e la salute umana, aggiungono anche anni e milioni di dollari ai tempi di sviluppo del prodotto.

Potenziale per l'accumulazione dei materiali di trasporto

Mentre il pesticida si degrada o viene consumato, i materiali portanti, soprattutto se non sono polimeri biodegradabili, possono persistere in ambienti del suolo o dell'acqua. L'inquinamento microplastico da materie plastiche agricole è una preoccupazione emergente, e le capsule di rilascio controllate prodotte da polimeri sintetici contribuiscono a risolvere questo problema se non si rompe completamente. L'industria si concentra sempre più sui vettori biodegradabili e bio-based, ma la vita economica e le prestazioni scambiano.

Integrazione con le pratiche esistenti

I coltivatori abituati a ispezioni visive e a una rapida spruzzatura di risposta possono essere necessari per regolare la loro mentalità di gestione per sistemi di rilascio controllati. Poiché il pesticida viene rilasciato automaticamente, vi è meno spazio per le decisioni dell'ultimo minuto basate su scouting di parassiti. In alcuni casi, i prodotti di rilascio controllati devono essere applicati prima che la pressione di parassiti sia confermata, che può sentire controintuitiva.

Le direzioni e le innovazioni future

Il campo del rilascio controllato si sta evolvendo rapidamente, guidato dai progressi nella scienza dei materiali, nella nanotecnologia e nell'agricoltura digitale.

Sistemi di consegna intelligenti con Sensing Ambientale

I ricercatori stanno progettando dei vettori che rispondono a dei segnali ambientali in tempo reale. Ad esempio, una formulazione a base di idrogel può espandere e rilasciare più pesticidi quando l'umidità del suolo aumenta - un indicatore che le condizioni di germinazione delle spore fungine sono favorevoli. Altri sistemi utilizzano polimeri sensibili al pH che rilasciano il principio attivo quando si riscontra un pH intestinale di un insetto di destinazione, assicurando che il pesticida raggiunga l'ambiente piest interno piuttosto che lavarsi dalla superficie ridotta.

Prodotti di combinazione: Pesticide Plus Biostimolant

Le piattaforme di rilascio controllate possono essere progettate per fornire simultaneamente più principi attivi: combinare un pesticida con un fertilizzante, un biostimolante o un microbo benefico. Ad esempio, i granuli di urea rivestiti che contengono anche un fungicida forniscono sia la soppressione della nutrizione che della malattia in una singola applicazione.

Integrazione digitale e Agricoltura di precisione

Poiché le aziende agricole adottano la tecnologia a tasso variabile e l'applicazione guidata dal GPS, le formulazioni di rilascio controllate possono essere abbinate a mappe ad alta risoluzione del tipo di suolo, storia del parassiti e vigore delle colture. Piuttosto che applicare un tasso uniforme in un campo, i coltivatori in futuro potrebbero utilizzare algoritmi per selezionare il profilo di rilascio ottimale per ogni zona di gestione.

Portatori Bio-Basati e Rinnovabili

La spinta a eliminare i polimeri sintetici dai sistemi agricoli sta accelerando la ricerca sui vettori realizzati dal chitosano (dagli scafi di gamberetti), dalla lignina (dai cartellini), dall'alginato (dall'alga marina), e dagli oli vegetali derivati. Questi materiali sono rinnovabili, biodegradabili e spesso portano le proprie proprietà benefiche, per esempio, ha innato l'attività antimicrobica.

Conclusioni

Il rilascio controllato dei pesticidi non è una sola tecnologia, ma una famiglia di approcci uniti da una visione fondamentale: fornire la giusta quantità di principio attivo al momento giusto e il luogo migliora i risultati per gli agricoltori, i consumatori e gli ecosistemi. Riducendo il carico chimico totale, abbassando i rischi di esposizione, e consentendo una protezione più duratura, queste formulazioni affrontano molte delle critiche più urgenti dell'agricoltura convenzionale.

Per ulteriori informazioni sui benefici ambientali delle formulazioni di rilascio controllate, consultare questa recensione completa in Scienza dell'ambiente totale[].