Quando si parla di nanotecnologie si entra in un mondo fatto di dimensioni minuscole: un nanometro è un miliardesimo di metro. Lavorare su scala 1-100 nanometri significa manipolare materiali così piccoli da comportarsi in modo diverso rispetto alle stesse sostanze in forma "tradizionale". Il motivo è soprattutto fisico: riducendo le dimensioni cresce enormemente la superficie di contatto e cambiano reattività, solubilità e capacità di interazione con acqua, suolo e organismi viventi.
In agricoltura questi nuovi materiali hanno molteplici applicazioni: molti input che distribuiamo (nutrienti e agrofarmaci) non finiscono dove vorremmo. Una parte viene persa per lisciviazione, volatilizzazione o deriva. Un'altra si lega alle particelle di suolo e diventa meno disponibile. L'idea del "nano" è provare a portare la sostanza attiva più vicino al bersaglio, nel modo e nel momento giusto, usando meno prodotto e generando meno scarti.
Cosa sono le nanotecnologie?
Come si ottengono i nanomateriali e come arrivano alle colture
I nanomateriali possono essere prodotti seguendo due strade principali. La prima è ridurre un materiale più grande fino a portarlo alla scala nano con processi fisici e chimici (approccio top-down, come macinazione o omogeneizzazione ad alta pressione). La seconda è costruire la particella assemblando elementi più piccoli fino a ottenere la struttura finale (approccio bottom-up).
Una volta realizzati, i nanomateriali possono essere impiegati in campo in modi diversi: concia o trattamento del seme, miscelazione nel suolo oppure applicazione fogliare. Sono vie operative che cambiano molto l'effetto finale perché variano la velocità con cui le particelle incontrano radici e foglie e, soprattutto, come si muovono nel profilo del terreno.
Nanofertilizzanti: nutrizione più efficiente e meno perdite
La fertilizzazione è uno degli ambiti dove l'approccio nano può dare il meglio. Un concetto chiave è il rilascio controllato del nutriente: invece di rendere subito disponibile tutto l'azoto (o il fosforo o il potassio), l'obiettivo è modulare la cessione nel tempo, riducendo le perdite e migliorando l'assorbimento da parte della coltura.
Questo tema nasce da un dato di realtà: una quota consistente dei nutrienti distribuiti può andare persa nell'ambiente. Per l'azoto, ad esempio, una parte importante del prodotto non viene intercettata dalla coltura e si disperde nel sistema suolo-atmosfera-acqua. Se invece si rilascia l'elemento quando la pianta ne ha più bisogno (e dove la radice lo può prendere), si può aumentare l'efficienza e, in prospettiva, ridurre le unità fertilizzanti a parità di risultato.
A livello di materiali, si stanno testando formulazioni basate su matrici come chitosano, zeoliti, argille, idrossiapatite e vari polimeri, che funzionano da "contenitore" o supporto per i nutrienti, facilitando la lenta cessione. Alcune combinazioni puntano a prolungare la disponibilità dell'azoto per diverse settimane, proprio grazie alle interazioni tra particella e matrice che frenano la liberazione del nutriente. Si tratta però di un nuovo approccio e i nanofertilizzanti (non ancora in commercio) richiedono tarature, prove e gestione agronomica accurata.
Ad esempio, un gruppo di ricerca intende sviluppare e testare nano-idrossiapatite (nHAP) ottenuta da ossa scarto della macellazione (quindi dentro una logica di economia circolare) e usarla da sola o in forma di nanohybrids per creare fertilizzanti più efficienti e a minore impatto ambientale. La nHAP viene considerata principalmente come fonte di fosforo, ma può essere combinata con altri elementi (ad esempio azoto o micronutrienti) o molecole con finalità nutrizionali e, in alcuni casi, anche di protezione della pianta.
Nanofarmaci: portare la sostanza attiva più vicino al bersaglio
Sul fronte della difesa l'idea è simile: aumentare l'efficacia riducendo dispersioni. In molte applicazioni, infatti, solo una piccola parte del prodotto distribuito arriva davvero al bersaglio, mentre il resto si disperde nell'ambiente con potenziali conseguenze su ecosistemi e salute umana.
Le nanoformulazioni puntano soprattutto su due leve:
- incapsulamento della sostanza attiva in particelle o matrici che la proteggono e ne modulano il rilascio;
- rilascio lento e controllato, che prolunga l'effetto nel tempo e può ridurre il numero di interventi o le dosi per trattamento.
I nanomateriali possono essere prodotti seguendo due strade
In questo modo, in linea di principio, si può utilizzare meno sostanza attiva, migliorando al contempo la sua efficacia. Proprio sul tema del nanoincapsulamento si sta lavorando, anche in Italia, per eliminare il problema della plastica, oggi utilizzata per il microincapsulamento di alcuni prodotti.
La formulazione gioca un ruolo fondamentale. Si è studiata ad esempio la combinazione di un principio insetticida con particelle di silice usate come carrier (cioè come "trasportatore" della sostanza attiva). Il confronto è stato fatto tra silice in forma nano e silice in forma micro. Il risultato è che l'attività insetticida risulta circa doppia quando si usano nanoparticelle di silice rispetto alle microparticelle. Questo perché la nanoformulazione tende a favorire un'azione più continua (rilascio più lento) e a contatto con il bersaglio.
Anche per il diserbo viene studiato l'impiego di polimeri biodegradabili come vettori: l'obiettivo è migliorare stabilità e comportamento nel suolo, riducendo la degradazione da parte dei microrganismi, la mobilità e i rischi di contaminazione, e rendendo l'azione più mirata sulle infestanti.
Qui, però, le cautele diventano ancora più importanti, perché cambiare forma e comportamento di una sostanza significa anche cambiare come interagisce con organismi non bersaglio. L'Efsa, l'Autorità Europea per la Sicurezza Alimentare, negli anni passati ha stilato linee guida per la valutazione dei nuovi formulati e reperito le competenze proprio per valutare gli effetti delle nanotecnologie non solo nel settore dell'agricoltura, ma anche nel settore agroalimentare.
Lo sviluppo di nanosensori
Un'altra applicazione molto promettente è quella dei nanobiosensori per sistemi suolo-pianta. Qui l'obiettivo non è distribuire un input, ma leggere l'ambiente: nutrienti disponibili, umidità, presenza di residui o contaminanti, segnali precoci di stress. Il vantaggio dei dispositivi su scala nano è la capacità di lavorare anche a concentrazioni molto basse, con sensibilità elevata e tempi di risposta rapidi.
In questo caso il tecnico può avere informazioni molto dettagliate e in tempo reale, da analizzare per consigliare la migliore gestione della coltura. Probabilmente queste tecnologie, ancora sperimentali, avranno un impatto su colture di pregio, come ad esempio la fragola, dove un errore di gestione può costare migliaia di euro. Si tratta, in fondo, di una delle strade che rendono concreto il concetto di agricoltura di precisione, perché collegano monitoraggio e gestione operativa.
In passato abbiamo parlato di una startup che lavora proprio in questo ambito e che ha creato un sensore "biologico" in grado di essere impiantato all'interno di una pianta, anche erbacea, per monitorare il flusso di nutrienti.
Ma ci sono anche esperienze nella realizzazione dei cosiddetti Lab-on-Chip, strumenti di piccole dimensioni in grado di eseguire test di laboratorio che tradizionalmente hanno bisogno di attrezzature ingombranti e costose. Nel caso di Xylella fastidiosa, ad esempio, si sono studiati dei Loc in grado di identificare la presenza del batterio dalle gocce di linfa estratte da un olivo.
Nel caso di Xylella fastidiosa si sono studiati dei Loc capaci di identificare la presenza del batterio dalle gocce di linfa estratte da un olivo
(Fonte foto: NanoInnovation 2024)
Agroalimentare: dal controllo qualità al packaging smart
Le nanotecnologie non si fermano in campo.
Nella parte agroalimentare entrano in gioco per:
- migliorare processi di trasformazione (ad esempio attraverso tecniche di filtrazione e membrane con caratteristiche molto spinte);
- potenziare sistemi di controllo e sicurezza, con sensori e biosensing in grado di intercettare contaminazioni in modo rapido;
- innovare il confezionamento, soprattutto con nanocompositi che rendono più performanti materiali biodegradabili e biopolimeri, migliorando barriere e resistenza meccanica.
Il packaging è un capitolo delicato perché apre un tema cruciale: la migrazione. Se nel materiale di confezionamento sono presenti nanoparticelle con funzione antimicrobica o di barriera, bisogna capire se e quanto possano trasferirsi all'alimento. È uno degli aspetti che rende necessarie valutazioni attente e regole chiare sulla sicurezza e sulla caratterizzazione dei materiali impiegati.
Anche in questo caso è necessaria una valutazione di Efsa, che deve valutare, caso per caso, la sicurezza di questi nuovi prodotti, siano essi utilizzati come novel food, additivi alimentari, ingredienti o coformulanti. In ogni caso, prima di poter entrare in commercio, i produttori devono presentare dossier che comprovino la sicurezza per il consumatore.
