Aplicación de biopesticidas para una agricultura sostenible

Ana Palacios

Ana Palacios

Angélica Zegarra

Angélica Zegarra

Aybel Almanza

Aybel Almanza

Bertha Morales

Bertha Morales

Revista Científica SCIENTIA, Vol 3. Diciembre 2020

scientiaunalm@gmail.com

Lima, Perú

Disponible Online en www.journalscientia.com/larevista

Artículo de revisión

Aplicación de biopesticidas para una agricultura sostenible

Aybel Almanza1, Ana Palacios2, Bertha Morales1, Angélica Zegarra1

1Universidad Nacional Agraria La Molina

2Universidad Nacional Mayor de San Marcos

Resumen: El uso excesivo de los pesticidas para el control de plagas de insectos y de enfermedades causadas por bacterias y hongos fitopatógenos ha generado, a lo largo del tiempo, daños irreparables al medio ambiente, como también en la salud de los seres humanos debido a su gran toxicidad. Con el fin de mitigar sus efectos, se están buscando alternativas que promuevan una agricultura sostenible. Gracias a la biotecnología agrícola, se han logrado encontrar métodos eficientes y naturales, como es el caso de los biopesticidas, los cuales son útiles para el control de plagas y fitopatógenos. Su producción se ha ido incrementando a lo largo de los años y cada vez están siendo más empleados por los agricultores. Esta revisión se enfoca en presentar agentes biológicos con uso potencial en el control de plagas con el objetivo de fomentar su aplicación como biopesticidas y promover una agricultura sostenible.

Palabras claves: Biopesticidas, medio ambiente, agricultura, fitopatógenos, plagas.


Introducción

El problema de la sobrepoblación constituye un gran reto para enfrentar el incremento de la demanda de alimentos, y se espera que incremente en un 70% para el 2050 [1].

Los campos de cultivos son amenazados por diversas plagas invasivas que provocan grandes pérdidas económicas. Este problema es provocado por microorganismos fitopatógenos, los cuales incluyen a bacterias, hongos y virus; así como también insectos, nematodos, entre otros. Aunque los controladores de enfermedades en cultivos por excelencia han sido los pesticidas, su uso desmesurado ha ido generando  daños irreparables tanto en el medio ambiente como en la salud de los seres humanos, por lo que la reducción de su uso es una medida necesaria [2]. 

A lo largo del tiempo, se han reportado daños severos como intoxicaciones tanto en las personas que consumen estos productos con altos niveles de pesticidas así como por parte de los agricultores que manipulan e inhalan cantidades muy altas de estos productos químicos. 

Debido a esta problemática, se han estado realizando investigaciones en

 

búsqueda del desarrollo de medidas más sostenibles para manejar el control de las plagas, sin necesidad de utilizar grandes cantidades de pesticidas y, en la medida de lo posible, dejar de utilizarlo.

La biotecnología representa un área de avances en investigaciones de las ciencias agrícolas, seguridad alimentaria, alimentos funcionales y la protección de plantas; contribuyendo con grandes aportes para afrontar dicha situación y  promoviendo así una agricultura más sostenible [3]. La biotecnología tiene como objetivo  encontrar métodos eficientes para reciclar nutrientes, controlar plagas y fitopatógenos, disminuir el impacto negativo del estrés abiótico, entre otros. Mediante estos métodos se están implementando nuevas prácticas agrícolas  a nivel mundial, dentro de los cuales se encuentran la producción de biofertilizantes, biopesticidas y plantas genéticamente modificadas.

Los biopesticidas son productos fitosanitarios de origen  natural procedentes de plantas, microorganismos y minerales. Actualmente, el mercado global de los biopesticidas está valorado en 3 billones de dólares y se espera que crezca en un 15% en los próximos 4 años [4].

 

 

Este artículo de revisión tiene como objetivo presentar agentes biológicos con uso potencial en el control de plagas con el objetivo de fomentar su aplicación como biopesticidas y promover una agricultura sostenible.

 

1. Biopesticidas

Los biopesticidas son metabolitos secundarios sintetizados por especies vegetales, hongos y bacterias, tanto terrestres como marinas, que proporcionan nuevas fuentes de controladores de plagas. Varios de estos metabolitos presentan actividad selectiva ya que ejercen presión sobre plagas de insectos, hongos y bacterias, al estar constituidos por combinaciones particulares que actúan sin generar resistencia [5].

 

Los agentes plaguicidas de origen natural o biopesticidas están siendo estudiados ampliamente, y contienen toxinas naturales que han mostrado una gran eficacia para el control de malezas,  insectos nocivos y microorganismos fitopatógenos. Además, estos productos presentan una gran diversidad estructural y los mecanismos mediante los cuales ejercen su actividad biológica son específicos.

Las toxinas ejercen su efecto afectando procesos esenciales del metabolismo o la fisiología de los fitopatógenos.

Por ejemplo, en el caso de los hongos fitopatógenos, destacan aquellos mecanismos que interfieren con: (a) la biodisponibilidad de energía, la fosforilación oxidativa, el transporte de electrones y la destrucción de pigmentos; (b) la organización estructural mediante la alteración de la biosíntesis de lípidos y quitina; (c) la división celular, la síntesis de ácidos nucleicos y el metabolismo del nitrógeno, incluyendo la biosíntesis de aminoácidos. 

Por otro lado, en los insectos plaga, los biopesticidas presentan: (a) acción insecticida, (b) acción antialimentaria, (c) acción inhibidora de la pupación, (d) simulación de hormonas de crecimiento en insectos, (e) inhibición de la oviposición, (f) inhibición de la enzima acetilcolinesterasa, (g) inhibición de la enzima tirosinasa e (h) inhibición de fenol oxidasas [6].

En las últimas décadas, los hongos entomopatógenos se han convertido en una alternativa importante en la conformación de un espectro más amplio de insecticidas. Por ejemplo, Isaria fumosorosea ocupa un lugar destacado como uno de los hongos entomopatógenos más conocidos a nivel

mundial, con una amplia distribución geográfica y un extenso rango de hospederos, lo cual lo hace un agente de interés para el desarrollo de métodos de control biológico. Este hongo produce dos tipos de propágulos, conidios y blastosporas, efectivas para el control de insectos como moscas blancas, áfidos y escarabajos [5].

Asimismo, existen bacterias que tienen actividad biopesticida, es decir, son capaces de inhibir fitopatógenos, como los géneros Bacillus y Burkholderia que se utilizan como agentes de biocontrol [7]

Con respecto a las plantas también hay aquellas que tienen actividades biopesticida como las endémicas, que constituyen una fuente valiosa de aleloquímicos. Estas están representadas por el género Allium y las crucíferas que contienen sustancias azufradas con alto potencial fitosanitario principalmente utilizadas contra los insectos fitófagos. Las células oleaginosas idioblásticas también tienen actividad insecticida, contenidos en los granos de las leguminosas para su protección mediante los compuestos alelopáticos denominados “herbicidas del futuro”. Los polifenoles también confieren a las plantas mecanismos de defensa. Otras plantas son nematicidas y otras resistentes a los nematodos [6].

 

2. Clasificación de los biopesticidas

2.1 Biopesticidas botánicos

Desde 1950, en búsqueda de sustancias nocivas para el control de insectos y hongos se realizaron aplicaciones de compuestos organoclorados. Posteriormente, en el año 1960 se empezó a emplear plaguicidas de origen vegetal, como los piretroides obtenidos de las flores secas del «piretro» Chrysanthemum cinerariaefolium [Asteraceae] [9]. 

Diversos estudios han determinado que las plantas presentan una serie de sustancias fitoquímicas que actúan como insecticidas, tales como los taninos, alcaloides, saponinas, entre otros. Estas sustancias son empleadas como alternativas al uso de los pesticidas sintéticos [10], ya que los metabolitos secundarios obtenidos de las plantas actúan sobre diferentes sitios específicos, inhibiendo el normal crecimiento y desarrollo de los insectos, por ejemplo, pueden actuar sobre los receptores de los neurotransmisores, alterando el sistema nervioso [9].

2.2 Biopesticidas bioquímicos

Son sustancias naturales empleadas para el monitoreo y control de plagas,

dentro de este grupo se encuentran los ácidos grasos y las feromonas, las cuales actúan mediante mecanismos no tóxicos sobre los procesos biológicos de las plagas, tales como la reproducción y el apareamiento de los insectos [11].

2.2.1 Feromonas sexuales

El uso de feromonas se basa en la comunicación química que realizan los insectos, siendo empleadas generalmente en el grupo de los lepidópteros. Diversas especies se comunican químicamente mediante feromonas que son emitidas, en su mayoría, por las hembras para atraer a los machos; sin embargo, se ha observado que los machos también pueden emitir hormonas en menor frecuencia durante el cortejo [12].

Entre los biopesticidas bioquímicos, las feromonas sexuales son las más empleadas para interferir con el apareamiento de los insectos, siendo usadas frecuentemente para monitorear las poblaciones de insectos y en ciertas ocasiones para el control de las plagas [11].

 2.3 Biopesticidas microbianos
 

 2.3.1 Plaguicidas bacterianos

Los bioplaguicidas bacterianos se basan en el uso de bacterias entomopatógenas, que pueden ser Gram positivas, las

cuales tienen la capacidad de formar esporas; y Gram negativas, que no forman esporas, como las especies de los géneros Serratia, Yersinia, Photorhabdus, Chromobacterium, entre otras. 

La bacteria Gram positiva Bacillus thuringiensis es la más representativa dentro del grupo de los entomopatógenos, la cual es empleada como un regulador natural de las poblaciones de insectos plagas en la agricultura [11], siendo exitosa en el control de lepidópteros, coleópteros y dípteros [13].

Las bacterias empleadas para el control biológico de insectos ingresan a los hospederos mediante el alimento que estos ingieren, luego se multiplican en el sistema digestivo de los insectos, y producen enzimas y toxinas [lecitinasa y las proteinasas] dañando las células del intestino medio. Esto permite que invadan el hemocele del insecto y ocasionan su muerte por septicemia [11].

Por otro lado, los bioplaguicidas bacterianos son ampliamente empleados en la producción de cultivos orgánicos, siendo un método eficiente en el manejo de las plagas. El rol que desempeñan las bacterias como agentes de control biológico, demuestran la importancia de llevar a cabo mayores investigaciones de nuevas cepas [13]

2.3.1 Plaguicidas virales

 

Dentro de los plaguicidas virales, la familia Baculoviridae es la más estudiada de los virus entomopatógenos, siendo empleados como insecticidas eficientes debido a que son específicos respecto al insecto huésped, resultando seguro para los seres humanos, plantas y medio ambiente. En los programas de manejo integrado de plagas realizados en Brasil, se observó que el uso del nucleopoliedrovirus para controlar Anticarsia gemmatalis en el cultivo de soya, resulta eficiente siendo considerado el más importante [10].

2.3.1 Hongos entomopatógenos

Este grupo incluye a los patógenos obligados o facultativos que afectan el crecimiento y desarrollo de los insectos. Se ha determinado que existen más de 700 especies de hongos asociados al control de los insectos, ya que viven a expensas de estos. Estos hongos son empleados en los programas de control biológico, siendo eficaces controladores de importantes plagas agrícolas y son inocuos para el ser humano e insectos benéficos [14]. 

Por otro lado, existen grupos importantes de hongos entomopatógenos que son

 

 

empleados como una alternativa a los insecticidas, siendo muy útil en el manejo de la resistencia a estos. Dentro del grupo de los entomopatógenos se puede mencionar a Beauveria bassiana, Trichoderma spp., Metarhizium anisopliae, Hirsutella thompsoni, entre otros [11].

3. Beneficios de los biopesticidas

Los pesticidas químicos han contribuido con el control de plagas a lo largo del tiempo, sin embargo, sus desventajas como la toxicidad, persistencia y no degradabilidad se están evidenciando en la actualidad [15]. Estos agroquímicos son capaces de generar graves problemas de contaminación ambiental así como dañar la salud de la población humana [1,16].

En los últimos años, los biopesticidas representan una solución en el manejo de plagas y son una alternativa contra los plaguicidas sintéticos convencionales que se utilizan actualmente en el control de enfermedades y plagas de los cultivos, tanto en la fase de pre-cosecha como post-cosecha [17].

Son considerados como alternativas debido a la gama de ventajas que presentan, tales como su fácil disponibilidad, sus diversos modos de acción, su alta especificidad, ya que solo

 

afectan a la plaga a la cual van dirigidos. En efecto, esto resulta adecuado porque no son patogénicos para otros organismos y no va a eliminar a  microorganismos acompañantes o enemigos naturales que protegen a la planta. Además, son de fácil descomposición, por lo que no generan residuos en el medio ambiente y; sobre todo, son efectivos en bajas concentraciones lo que hace que la generación de resistencia no sea tan alta [18]. Al mismo tiempo, estos microorganismos pueden ser modificados genéticamente con el fin de que produzcan mayor cantidad de toxinas o compuestos patogénicos contra las plagas.

De este modo, además de su actividad como controladores biológicos, muchos de estos microorganismos también poseen atributos beneficiosos para la planta como la fijación de nitrógeno, solubilización de fósforo, potasio, zinc  y la producción de enzimas hidrolíticas.

Adicionalmente, los bioplaguicidas se adaptan bien a los sistemas de manejo integrado de plagas  [MIP]; por lo general, son compatibles con otros controles de base biológica [por ejemplo, parasitoides / depredadores]. El MIP no es una idea nueva, pero su aplicación depende de tener una variedad de

herramientas que se puedan combinar para reducir los impactos de las plagas por debajo de los umbrales económicos. Varias empresas están promoviendo el uso combinado de biopesticidas y plaguicidas sintéticos, como la empresa Bayer con Votivo, basada en Bacillus firmus para el control de nematodos, combinado con un insecticida sintético para el tratamiento de semillas [19].

Por otro lado, la aplicación de los biopesticidas es segura para los trabajadores debido a que no son tóxicos para los mamíferos [18].

Entre las desventajas de los biopesticidas están los altos costos de producción en masa y que muchos de ellos requieren de un hospedero para completar su ciclo de vida. Además, los biopesticidas suelen ser más sensibles a los factores ambientales tales como la exposición a la humedad, así mismo, presentan un menor efecto control sobre las plagas debido a su corta durabilidad. Cabe resaltar, que faltan más investigaciones con el fin de buscar cepas más virulentas y que puedan ser aplicadas para tener una agricultura más sostenible [2,19].

 

4. Situación de los biopesticidas en el mundo

Tradicionalmente, los pesticidas microbianos presentan una producción limitada en el mercado agrícola [21]. Sin embargo, en los últimos 5 años, estos biopesticidas están siendo adoptados cada vez más por empresas medianas y grandes y comercializados para una gama más amplia de cultivos agrícolas [19]. Además, debido a la estricta regulación por parte de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura [FAO], se han ido eliminando el uso de varios productos químicos, lo cual representaría una oportunidad para los biopesticidas [22].

El registro y la validación de los biopesticidas para su uso comercial se basan en prolongados y complicados procesos, debido a ello, la Unión Europea solo ha registrado 60 biopesticidas en comparación a países como Brasil, Estados Unidos, China e India [4] que tienen hasta 200 productos disponibles.

La utilización de biopesticidas a nivel global ha ido incrementando  en aproximadamente un 10% por año [23]. En el mundo, hay 125 especies de enemigos naturales disponibles comercialmente en el mercado, los

cuales se incluyen  en programas de control biológico [24].

En África, el uso de bioplaguicidas está en sus inicios y solo representa el 3% del mercado mundial, aunque se están produciendo cambios favorables en Sudáfrica y Kenia. En Sudáfrica, de los 31 productos registrados, 7 son de producción local en base a Beauveria bassiana [25] mientras que en otros países de África como Nigeria, el uso de biopesticidas es reducido debido a los altos costos y políticas del gobierno. 

Entre 2015 y 2019, el uso de productos a base de hongos entomopatógenos ha aumentado, sobresaliendo los productos basados en la cepa ICIPE 69 de  Metarhizium anisopliae dirigido a cochinillas, trips y moscas de la fruta [26].

En China, se han registrado 327 biopesticidas, entre los cuales destacan los de origen bacteriano, siendo la  especie Bacillus thuringiensis la  más usada para la formulación de estos biopesticidas [24].

En la actualidad, aún se sigue cuestionando si los biopesticidas pueden reemplazar el uso de los pesticidas sintéticos en la agricultura. Esta interrogante se genera debido a que su

uso se limita aún a etapas iniciales en países desarrollados [24].

La aceptación del uso de los biopesticidas por parte del agricultor está limitada por el bajo nivel de conocimientos y la falta de  investigaciones que demuestren sobre la efectividad de estos productos en el control de plagas [28].  Debido a esto,  las empresas no invierten en el desarrollo de nuevos biopesticidas [29]. 

Un ejemplo de los biopesticidas usados es Spinosad, el cual es un insecticida comercial exitoso derivado de metabolitos denominados espinosinas del actinomiceto Saccharopolyspora spinosa [31]. Este biopesticida consiste de una formulación que combina espinosina A y espinosina D en una proporción de aproximadamente 5:1, que tiene amplio espectro, con baja toxicidad para humanos y su modo de acción es a nivel de neurotransmisores. Fue aprobada por primera vez en Corea del Sur y los Estados Unidos a fines de la década de 1900,  y se utiliza en más de 150 cultivos convencionales y orgánicos en el 2004 [32].

5. Situación de los biopesticidas en el Perú

Según el IV Censo Nacional Agropecuario del Perú realizado en el

año 2012; el 37,7% de productores agropecuarios utilizan insecticidas químicos, en tanto el 5,4% aplican insecticidas no químicos o biológicos. Asimismo, el 23,5% de los productores agropecuarios aplicaron herbicidas y el 27,1% fungicidas. Los productores que hacen el mayor uso de pesticidas se encuentran registrados en la Costa, de los cuales por cada cien, 67 utilizan insecticidas químicos, 55 herbicidas, 52 fungicidas y solo 12 de cada cien, insecticidas no químicos o biológicos [33].

6. Biopesticidas comerciales

En el mercado de agroquímicos existe una amplia gama de biopesticidas que son empleados en los programas de manejo integrado de plagas de diferentes cultivos. Estos biopesticidas son derivados de fuentes naturales, como plantas, bacterias y ciertos minerales, entre ellos se pueden mencionar los más representativos: 

6.1. Limoneno

Se ha determinado que el limoneno presenta un efecto tóxico sobre las larvas de Aedes aegypti, ejerciendo un control sobre este insecto. Algunos estudios sobre el limoneno señalan que presenta una acción neurotóxica sobre el sistema nervioso, causando descoordinación y convulsiones en el insecto [34].

6.2. Azadiractina 

La azadiractina es extraída del árbol Azadirachta, conocido comúnmente como Neem, que pertenece a la familia Meliaceae y es originario de la India. Esta sustancia es empleada para la elaboración de biopesticidas de origen natural, ya que se ha demostrado que presenta un efecto en el control de áfidos como Aphis gossypii, Macrosiphum rosae L. y Macrosiphoniella sanbornii. La azadiractina actúa disminuyendo la actividad alimenticia de los insectos, ocasionando una merma en la población de la plaga [35]. 

6.3. Piretrinas 

Las piretrinas son obtenidas de manera natural de las flores de plantas del género Chrysanthemum. Estas sustancias son empleadas en el control de un amplio grupo de insectos como los áfidos, dípteros, entre otros. Se ha determinado que las piretrinas actúan inhibiendo el transporte de sodio en las membranas celulares de las neuronas, sobre el sistema nervioso de los insectos, es decir, afectan la transmisión nerviosa [36]. 

6.4. Rotenona

La rotenona es un compuesto extraído de las plantas del género Lonchocarpus, y es empleada como un biopesticida en la agricultura. Actúa inhibiendo el complejo I de la cadena respiratoria mitocondrial en los artrópodos, por ello es aplicado para el control de pulgones, ácaros, entre otros [37]. 

6.5. Sabadilla

La sabadilla es un insecticida de origen botánico proveniente de las semillas del lirio [Schoenocaulon officinale]. 

Se ha determinado que presenta un mecanismo de acción similar al de las piretrinas, sin embargo, no presentan la misma estructura molecular. Este biopesticida es empleado para el control de diferentes especies de hemípteros [38].

7. Prospección

En la actualidad, los avances en nanotecnología han ido promoviendo el uso eficaz de biopesticidas para su aplicación en campo. Según algunos estudios, se ha demostrado que el potencial de las bacterias entomopatógenas de especies como Bacillus thuringiensisPhotorhabdus luminescens aumentó significativamente cuando se aplicaron en forma de nanopartículas contra plagas de insectos

[39]. Esto se debe a que la toxina Cry  de B. thuringiensis es más soluble en el intestino medio alcalino de los insectos, lo cual favorece su entrada y en consecuencia, hay una mortalidad más rápida [40].

Además, las nanoformulaciones o nanosuspensiones mejoran  la durabilidad y estabilidad de los biopesticidas en condiciones ambientales adversas, lo cual evita se vea afectado por la exposición a la luz UV y la humedad [41].

En otros casos, los ingredientes activos de los biopesticidas se encapsulan con el fin de que se libere como respuesta ante un estímulo como la luz, temperatura, pH y humedad [42]. Esto favorece a que la entrega sea más precisa y que no se necesiten mayores dosis en su aplicación con el fin de reducir algún impacto negativo en el medio ambiente.

Conclusión

Los biopesticidas se están utilizando cada vez más en el sector agrícola; sin embargo, aún no es suficiente para poder desplazar a los agroquímicos. Se necesitan realizar más investigaciones para potenciar su uso a nivel industrial ya que es una alternativa más beneficiosa tanto para el medio ambiente como la salud humana, gracias a sus múltiples

ventajas como su biodegradabilidad, especificidad y nula toxicidad. Con ayuda de la biotecnología agrícola y la nanotecnología, estos pesticidas naturales serán cada vez más rentables y utilizados como controladores biológicos.

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