elocation-id: e4049
El uso excesivo de fertilizantes y agroquímicos en la agricultura ha ocasionado un deterioro ambiental. En este contexto, la nanotecnología emerge como una alternativa sostenible para la agricultura moderna. El objetivo de este estudio fue evaluar el efecto bioestimulante de compuestos formados por nanopartículas de titanatos de hidrógeno y biopolímero de quitosano, en formulaciones con 10 y 90% de quitosano en el cultivo de frijol (Phaseolus vulgaris L.), variedad Frailescano, bajo condiciones de invernadero. La investigación se llevó a cabo en un invernadero de la Universidad Politécnica de Chiapas en 2024. Se empleó un diseño experimental en bloques completos al azar con cinco tratamientos: T1 (control), titanato de hidrógeno, quitosano, TH10QS (titanato de hidrógeno- 10% de quitosano) y TH90QS (titanato de hidrógeno- 90% de quitosano). El estudio reveló que los tratamientos con titanato de hidrógeno y TH10QS mejoraron significativamente el rendimiento del cultivo, aumentando el número de vainas, hojas y botones florales. En cuanto al contenido de clorofila (cα y cβ) y β-carotenoides, se observó un incremento por la aplicación de las nanopartículas. Este estudio demuestra que el uso de nanomateriales de titanatos y de quitosano tiene el potencial de impactar positivamente en el desarrollo del cultivo de frijol, mostrando efecto importante en variables clave de crecimiento y contenido de clorofila. Este enfoque permitió desarrollar estrategias innovadoras que mejoren la productividad agrícola y reduzcan el impacto ambiental.
Phaseolus vulgaris L., agricultura moderna, clorofila, estimulación vegetal, nanomateriales, titanatos de hidrógeno.
El calentamiento global, junto con el aumento de la población, ha incentivado el uso de agroquímicos para optimizar el rendimiento de los cultivos y garantizar la seguridad alimentaria en un contexto de creciente demanda mundial (Arora et al., 2022). Los fertilizantes químicos han sido cruciales para incrementar la producción agrícola. Sin embargo, su uso generalizado ha provocado un debate sobre sus impactos ambientales y en la salud humana (Tudi et al., 2021). Lo anterior, debido a que los residuos químicos de estos productos pueden contaminar el aire, el agua, el suelo (Bernardes et al., 2015).
El frijol (Phaseolus vulgaris L.) es una leguminosa de gran importancia a nivel mundial, cultivada en diversas regiones del mundo y en diversos climas y ambientes (Vázquez-Herrera y Taboada-Gaytán., 2023). Es uno de los cultivos de mayor importancia debido a que aporta proteínas, almidón, fibra dietética, vitaminas del complejo B y minerales esenciales (Morales-Santos et al., 2017). El frijol es fundamental en la alimentación de la población mexicana y su producción es clave para la soberanía alimentaria. Sin embargo, enfrenta una disminución en la producción debido a múltiples factores (Sangerman-Jarquín et al., 2010).
En este contexto, la nanotecnología ha emergido como una herramienta innovadora en diversos sectores, incluida la industria alimentaria y la agricultura (Jeyaraman y Eltzov, 2025). Se ha demostrado que el emplear nanotecnología es una estrategia prometedora para optimizar el crecimiento de las plantas y mejorar la producción de cultivos (Senthamizh et al., 2025). En la actualidad existen una amplia gama de nanomateriales que se usan en los cultivos agrícolas y que tiene diversos impactos en las plantas (Khan et al., 2024).
Entre esta gama se encuentra los nanomateriales metálicos, no metálicos, a base de carbono y materiales poliméricos (Manimegalai et al., 2023). Dentro de los metálicos, el dióxido de titanio ha llamado la atención debido a sus efectos positivos en las plantas, ya que mejora la eficiencia fotosintética al incrementar la absorción y utilización de la luz (Lian et al., 2020). Se ha reportado que el dióxido de titanio nanoestructurado favorece el crecimiento de plantas de Zea mays L. al mejorar la fotosíntesis, la transpiración y la actividad de microorganismos beneficiosos del suelo (Kumari et al., 2024).
Por otro lado, los materiales poliméricos como el quitosano tienen amplio uso en la agricultura debido a sus propiedades clave, como el grado de desacetilación y su peso molecular, que determinan su funcionalidad en diferentes aplicaciones agrícolas (Castro Velázquez et al., 2025). Por lo anterior, el quitosano en forma nano surge como una alternativa para mejorar las prácticas agrícolas de manera sostenible (Wang et al., 2024).
Se ha reportado que mejora el crecimiento de los cultivos de maíz (Zea mays L.), tomate (Solanum lycopersicum) y papa (Solanum tuberosum) (Khairy et al., 2022; Hassan et al., 2022), incluso estimula la concentración de clorofilas y mejora la actividad antioxidante de las plantas (Zayed et al., 2017; Abdel-Maksoud et al., 2022). En la actualidad hasta donde sabemos no hay información publicada sobre el efecto combinado de titanatos de hidrógeno y quitosano para inducir estimulación en plantas de frijol, esta combinación podría tener un efecto bioestimulante.
El objetivo de esta investigación fue evaluar el efecto bioestimulante de las nanopartículas de titanatos de hidrógeno con quitosano y sus combinaciones en el crecimiento, rendimiento y contenido de clorofila de planta de frijol variedad Frailescano.
El trabajo de investigación se llevó a cabo en un invernadero de la Universidad Politécnica de Chiapas, ubicado a 16° 36’ 56’’ latitud norte 93° 05’ 22’’ longitud oeste en el municipio de Suchiapa, Chiapas. A una altitud de 460 m, la temperatura media anual fue de 24~35 °C, el clima cálido subhúmedo y las precipitaciones anuales oscilaron entre 1 200 y 3 000 mm (INEGI, 2024).
El suelo se colectó en los primeros 30 cm de la capa arable en el rancho de la familia Aceros, en el municipio de Suchiapa, Chiapas, ubicado en las coordenadas geográficas 16° 36’ 58.4’’ longitud oeste y 93° 06’ 07.3’’ latitud norte. El suelo, de uso agrícola, se utiliza para cultivos como soya, maíz, frijol y otros. La parcela agrícola generalmente es labrada con tecnificación mediante tractor para la rotación del suelo.
Las nanopartículas de titanatos de hidrógeno y quitosano fueron sintetizadas en el Laboratorio de Catálisis Heterogénea (Lanocat) de la División de Materiales Avanzados (DMAv) del Instituto Potosino de Investigaciones Científicas y Tecnológicas AC (IPICyT). Estas se sintetizaron mediante el método hidrotermal asistido por microondas (Liu et al., 2011). Los tamaños de las nanopartículas oscilaron, entre 6 y 26 nm (Figura 1).
El experimento se estableció con un diseño de bloques aleatorizados. Se incluyeron cinco tratamientos, cada uno con 18 unidades experimentales (una planta como unidad experimental), dando un total de 90 unidades experimentales. Los tratamientos fueron T1: control, T2: titanatos de hidrógeno (TH), T3: quitosano (Qs), T4: titanatos de hidrógeno/quitosano 10% Qs (T10% QS), T5: titanatos de hidrógeno/quitosano 90% Qs (T90% QS). Para cada tratamiento se utilizaron 200 mg de nanomaterial.
Se usaron bolsas de polietileno con capacidad de 3 kg, las cuales se llenaron con suelo agrícola previamente muestreado. Se utilizaron semillas de frijol variedad Frailescano, recolectadas en la región Frailesca. La siembra se realizó en las bolsas con suelo humedecido a una profundidad de 3~5 cm, utilizando cuatro semillas por bolsa. Después de la germinación se seleccionó la plántula más vigorosa y el resto se eliminaron.
La fertilización con los nanomateriales se aplicó vía drench (directamente al suelo), dosificando de manera individual en cada unidad experimental con una frecuencia de 15 días posteriores a la germinación: 5 ml planta-1, los 15 días de la primera aplicación: 10 ml planta-1, 15 días después de la segunda aplicación: 15 ml planta-1 y finalmente 15 días de la tercera aplicación: 20 ml planta-1.
Se realizó un control de variables agronómicas para el monitoreo de crecimiento y determinar la interacción de nanomaterial con la planta y sus efectos en su crecimiento. Las variables agronómicas que se evaluaron en este trabajo fueron altura de planta, diámetro de tallo, número de hojas, botones florales, biomasa fresca de raíz, biomasa aérea fresca y seca, longitud radical y número de vainas.
Se realizó un muestreo de material vegetal por unidad experimental de cada tratamiento. Las hojas se recolectaron durante el periodo de floración de la planta de frijol y se almacenaron en bolsas al vacío debidamente etiquetadas. Estas fueron almacenadas en refrigeración a -2 °C hasta el momento que se realizó la extracción. La clorofila de las hojas se determinó mediante la técnica descrita por Senthilkumar et al. (2021) con modificaciones para estandarizar a 10 ml. Utilizando 100 g de tejido fresco, se preparó una solución de acetona al 80%, añadiendo 20 ml de agua destilada a 80 ml de acetona.
Posteriormente, la mezcla se trituró en un mortero hasta obtener una consistencia homogénea y se transfirió a un tubo Falcon para su centrifugación en una Frontier™ Serie 5000, modelo FC5707+R05, a 3000 RPM durante 5 min. El sobrenadante se extrajo con una micropipeta y se almacenó en un matraz aforado de 10 ml. El sedimento se lavó con 5 ml de acetona al 80% y se sometió nuevamente a centrifugación. Finalmente, las muestras fueron aforadas con acetona al 80% y analizadas en un espectrofotómetro UV-Vis Agilent Technologies Cary Series 5000, midiendo la absorbancia a 643, 645 y 470 nm.
Los valores obtenidos fueron procesados en Excel para determinar la concentración de clorofila α, clorofila β y β-carotenoides expresados en mg 100 g de peso fresco y los cálculos se realizaron mediante las siguientes ecuaciones: Clorofila (Cα) (μg ml-1)= [(12.25 A663 -2.79A645) (1 000 v)]/[1 000w] 1). Clorofilaβ (Cβ) (μg ml-1)= [(21.5 A645-5.10A663) (1 000 v)]/[1 000w] 2). Carotenoides (β) c(x+c) (μg ml-1)= [((1 000 A470-1.82 ca-5.02 cb)/(198)) (1 000 v)]/[1 000w]) 3).
Se realizó un análisis de varianza (Anova) para determinar las diferencias entre tratamientos, y una prueba de medias de acuerdo con la diferencia mínima Significativa de Fisher (α= 0.05). Para realizar los análisis se usó el paquete estadístico InfoStat (v2019). El diseño de las figuras se realizó con el software SigmaPlot (V12.0).
La altura de planta, diámetro de tallo y el número de hojas mostraron diferencias estadísticas significativas por la aplicación de los nanomateriales respecto al control, además, se observó una tendencia de estimulación en las tres variables respuestas por la aplicación de TH y T10QS (Cuadro 1). La altura de la planta de frijol aumentó 243.82% cuando se expusieron a TH, mientras que el tratamiento T10QS logró incrementar en un 99.48% la altura de la planta.
[i] Medias con letras distintas en la misma columna son estadísticamente diferentes según la prueba de diferencia mínima significativa de Fisher (p≤ 0,05). ±= desviación estándar; CV= coeficiente de variación; TH= titanatos de hidrógeno; QS= quitosano; T10QS= titanatos de hidrógeno/quitosano; T90%QS= titanatos de hidrógeno/quitosano 90%.
Se ha reportado que concentraciones de 100 mg L-1 de nanopartículas de TiO2 aumenta significativamente la altura de la planta de Dracocephalum moldavica (Gohari et al., 2020). El titanio en su forma nanoestructurada aumenta el crecimiento de las plantas debido a que estimula la producción de clorofilas y mejora la absorción de magnesio, hierro y nitrógeno (Farahi et al., 2023).
El aumento del crecimiento de las plantas de frijol en este estudio podría estar relacionado directamente con la mayor concentración de clorofila como se muestra en la Figura 2. Además, la aplicación de titanio en forma nano tiene efectos estimulativos que se ven reflejados en el crecimiento de las plantas y el tamaño de las hojas debido a una mejora en los procesos fisiológicos y moleculares (Trela-Makowej et al., 2024).
Por otra parte, en este estudio el quitosano aplicado solo no mostró un efecto significativo, sin embargo, cuando se combinó con 10% de titanatos de hidrógeno si hubo un efecto bioestimulante. El quitosano puede estimular el crecimiento de las plantas debido a que proporciona nutrientes y puede promover procesos fisiológicos y bioquímicos de las plantas (Ramírez-Rodríguez et al., 2024).
En cuanto al diámetro del tallo, las plantas tratadas con TH y T10QS mostraron un incremento del 32.46% y 24.35%, respectivamente, en comparación con el control. Respecto al número de hojas, la aplicación de TH en plantas de frijol resultó en un aumento del 86.22%, mientras que el tratamiento con T10QS logró un incremento del 65.14%, evidenciando un efecto positivo de ambos tratamientos sobre el desarrollo foliar.
La aplicación de nanomateriales vía drench no tuvo un efecto estadístico significativo en la longitud radical. El titanio en su forma nano con aplicaciones vía suelo y foliar tiene efectos beneficiosos en concentraciones bajas, por lo tanto, sugiere su potencial como agente promotor del crecimiento en la agricultura (Machanuru et al., 2024). En la longitud radical no hubo impacto por la aplicación de los nanomateriales; sin embargo, las respuestas de las plantas pueden ir desde la bioestimulación hasta la toxicidad o a un impacto nulo (Benavides-Mendoza et al., 2021).
En el tratamiento T90QS, la alta proporción de quitosano (90%) puede explicar la escasa diferencia respecto al control. Aunque el quitosano actúa como bioestimulante, mejorando fotosíntesis, crecimiento y tolerancia al estrés, su efecto tiende a estabilizar el estado fisiológico en condiciones no estresantes, sin inducir grandes cambios visibles (Ahmed et al., 2020).
Su acción se manifiesta principalmente a nivel bioquímico, parámetro no evaluado en este trabajo, estimulando defensas como fitoalexinas y enzimas antioxidantes, lo cual no siempre se traduce en aumentos de biomasa o altura en el corto plazo (Ithape et al., 2024). Además, el bajo contenido de titanatos (10%) pudo no ser suficiente para potenciar los efectos del quitosano o generar respuestas adicionales. Por ello, el tratamiento mostró una respuesta similar al control en los parámetros medidos.
La producción de biomasa seca aérea y radical no fue estimulada por la aplicación de nanomateriales; sin embargo, se observó un ligero incremento por el tratamiento de T10QS, aunque fue estadísticamente igual al control (Cuadro 2). La aplicación de TH incrementó un 192.71% la producción de botones florales el resto de los tratamientos fueron estadísticamente igual al control. En cuanto al número de vainas el tratamiento de TH estimuló 84.4% la producción de vainas, mientras que la aplicación de T10QS logró aumentar en un 57.7% esta variable.
[i] Medias con letras distintas en la misma columna son estadísticamente diferentes según la prueba de diferencia mínima significativa de Fisher (p≤ 0,05). ±= desviación estándar; CV= coeficiente de variación; TH= titanatos de hidrógeno; QS= quitosano; T10QS= titanatos de hidrógeno/quitosano; T90%QS= titanatos de hidrógeno/quitosano 90%.
Las nanopartículas mejoran la productividad de los cultivos debido a que actúan como moléculas de señalización, activando genes, mejorando los mecanismos de defensa y mejorando la absorción de nutrientes (Francis et al., 2024). El incremento en crecimiento y rendimiento de una planta expuesta a nanomateriales se debe a su elevada relación superficie volumen y sus propiedades físicas y químicas únicas (Jie et al., 2024). En cuanto al incremento de botones florales por la aplicación de TH y T1OQS este puede estar relacionado con la regulación de las fitohormonas, debido a que los nanomateriales pueden regular la síntesis de alguna hormona específica a través de una comunicación cruzada de señalización (Tripathi et al., 2022).
La concentración de clorofilas (α - β) y β-carotenoides en plantas de frijol expuestas a nanopartículas de TH y QS y a su combinación con diferentes porcentajes mostró diferencias estadísticas significativas respecto al control (Figura 1). Interesantemente, todos los tratamientos evaluados aumentaron la concentración de clorofilas. El contenido de clorofila α aumentó 19.79% cuando las plantas fueron tratadas con T90QS.
En cuanto a la clorofila β, el tratamiento de T10QS aumentó hasta un 42.68%. Por otra parte, el QS logró aumentar 21.42% de β-carotenoides en las plantas de frijol. Se ha reportado que los nanomateriales estimulan la producción de clorofilas y los carotenoides (Li et al., 2024).
En el caso de los nanomateriales a base de titanio han presentado un efecto positivo en la absorción de luz debido a sus propiedades fotocatalíticas y conductividad térmica (Ebrahimi et al., 2016), además, los nanomateriales a base de titanio pueden acelerar el proceso de transferencia de electrones en los centros de fotorreacción, reducir el NADPH y estimular la fotólisis del agua (Xinyi et al., 2024). Esta capacidad de absorción de luz en la clorofila generará efectos bioestimulantes en la fotosíntesis (Medina-Pérez et al., 2018).
La aplicación de TH solo y en su combinación con 10% de QS generó un efecto estimulante en variables del rendimiento del cultivo. La aplicación de los nanomateriales en el cultivo del frijol variedad Frailescano tuvo un efecto estimulante en el contenido de pigmentos fotosintéticos. Los nanomateriales en la agricultura pueden ser una tecnología sustentable para mejorar la productividad agrícola.
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