Material

Los polisacáridos de nopal y sábila fueron obtenidos en la Empresa Fitokimica Industrial de México, Saltillo, Coahuila. El alginato, tween 80, agua destilada, glicerol, goma xantana, persulfato de potasio, carbonato de calcio y cloruro de calcio se adquirieron de Sigma-Aldrich Chemicals (St. Louis, EE. UU.). Todos los demás productos químicos utilizados fueron de calidad analítica. Las semillas de alfalfa (Medicago sativa), acrilato de potasio como hidrogel comercial y sustrato Peat Moss fueron adquiridos en un centro de Agroinsumos de la Ciudad de Monclova, Coahuila.

Elaboración de hidrogeles con polímeros naturales

Para la elaboración de los hidrogeles, se prepararon 10 mL de soluciones poliméricas por separado de alginato, polisacáridos de nopal, polisacáridos de sábila y quitosano al 2% p/v en agua destilada. Con la finalidad de mejorar la homogenización de las soluciones, se colocaron en un baño ultrasónico a 35 °C durante 30 minutos aproximadamente. Posteriormente, se prepararon 10 mL de soluciones estabilizantes por separado de glicerol, tween 80 y goma xantana grado alimenticio al 2% p/v en agua destilada. A cada solución estabilizante por separado se adicionó cada una de las sales de persulfato de potasio, carbonato de calcio y cloruro de calcio a una concentración del 1M, en base al volumen de cada solución estabilizante. Las soluciones estabilizantes se agregaron por separado a cada una de las soluciones poliméricas por goteo con la ayuda de una jeringa de 10 mL, y se dejaron reaccionar durante 10 minutos; posteriormente se sometieron a un secado a 70 °C para promover la copolimerización y después fueron pulverizados. Se obtuvieron un total de 36 tratamientos (Tabla 1), los cuales se almacenaron en un recipiente de vidrio en un lugar seco y libre de humedad hasta su uso.

Caracterización de hidrogeles con polímeros naturales

Los 36 hidrogeles formulados con polímeros naturales se caracterizaron en términos de capacidad de retención hídrica y potencial biodegradable en comparación con el hidrogel comercial de acrilato de potasio como testigo comercial (TC). Los resultados se analizaron estadísticamente mediante análisis de varianza (ANOVA) y prueba de Tukey a un nivel de significancia del 5%, utilizando el software Statistica^® 7 (StatSoft Inc., Tulsa, EE. UU.). Una vez caracterizados se seleccionaron los hidrogeles que presentaron los mejores resultados en términos de capacidad de retención hídrica y potencial biodegradable, para posteriormente evaluar su efecto de germinación y morfométrico sobre plántulas de alfalfa a nivel laboratorio.

La capacidad de retención hídrica se llevó a cabo sumergiendo 0.1 g de cada muestra de los hidrogeles formulados a partir de polímeros naturales, así como del hidrogel comercial en agua destilada durante un tiempo de 120 minutos, después el agua se dreno y se registró el peso final de los hidrogeles hinchados. Cada medición se realizó por triplicado. Para calcular el porcentaje de retención hídrica se utilizó la siguiente fórmula:

Donde: Wf = peso final del material y Wi = peso inicial del material.

Las muestras de hidrogeles formulados a partir de polímeros naturales, así como del testigo comercial fueron sometidas a una prueba de biodegradabilidad a la intemperie a temperatura ambiente con una duración de 30 días. Donde, la prueba consistió en pesar 5 g de cada una de las muestras de hidrogel y del testigo comercial en una balanza analítica, posteriormente se colocaron las muestras en recipientes de vidrio sin tapa. Finalmente, los recipientes se colocaron al aire libre durante 30 días y después se pesaron las muestras con una balanza analítica. Cada medición se realizó por triplicado. Para calcular el porcentaje del potencial biodegradable se utilizó la siguiente fórmula:

Aplicación de hidrogeles, efecto en la germinación y morfometría de las plántulas de alfalfa

El experimento se desarrolló en el verano del 2021. Se colocaron semillas de alfalfa (Medicago sativa) en recipientes plásticos con 300 g de sustrato peat moss. Se evaluaron 6 tratamientos: PSGP (Polisacáridos de sábila + Glicerol/persulfato de potasio); PNGP (Polisacáridos de nopal +Glicerol/persulfato de potasio); PNGCO (Polisacáridos de nopal + Glicerol/carbonato de calcio); PSGCL (Polisacáridos de sábila + Glicerol/cloruro de calcio); TC (Testigo comercial); y TQ (Control absoluto), cada uno con 10 repeticiones, tomando como unidad experimental cada una de las plántulas. Previamente a la siembra en el sustrato se adicionaron 125 g de hidrogel por cada kg de sustrato, ambos se mezclaron y se homogenizaron. Una vez obtenida la mezcla se colocaron las semillas de alfalfa y se adicionaron 400 mL de agua en todos los tratamientos y repeticiones, el cual fue previamente determinado basándose en obtener un punto de saturación. Al término del riego los recipientes plásticos con semilla, sustrato peat moss y tratamientos aplicados fueron colocados en malla sombra en las instalaciones del Centro de Investigación para la Conservación de la Biodiversidad y Ecología de Coahuila, ubicado en Cuatro Ciénegas, Coahuila. Una vez transcurridos 21 días se evaluaron los resultados. Se determinó la altura de la planta, longitud de raíz y número de hojas. De igual forma, se evaluó el porcentaje de germinación a los 8 días posteriores a la siembra. El experimento se realizó bajo un diseño experimental completamente al azar. Los resultados obtenidos fueron analizados con la prueba de comparación de medias Tukey al 0.05% de significancia, utilizando el programa SAS.

Capacidad de retención hídrica de hidrogeles formulados con polímeros naturales

Los resultados indican que el tratamiento PSGCL presentó el mayor valor de retención de agua (714 ± 40.84%), y el tratamiento PNXCL mostró el menor valor de retención de agua (132 ± 11.35%) en comparación con el testigo comercial (TC) (624 ± 44.84%). Los resultados demostraron que los tratamientos PSGCL, PSGP, AGP, TC, AGCO, AGCL, ATCL, ATCO y PSXP presentaron los mejores resultados para retener agua sin presentar diferencias significativas con el testigo comercial (TC) (624 ± 44.84%), con valores de retención de agua de 714 ± 40.84, 665 ± 38.93, 640 ± 37.85, 624 ± 44.84, 612 ± 10.81, 598 ± 11.13, 590 ± 11.13, 570 ± 33.64 y 562 ± 10.58%, respectivamente (Tabla 2).

Potencial biodegradable de hidrogeles formulados con polímeros naturales

Los resultados demuestran que todos los tratamientos obtenidos a partir de polímeros naturales tuvieron mayor potencial biodegradable en comparación con el testigo comercial (TC) (2.83 ± 0.20%), donde el tratamiento PNGP (30.36 ± 0.58%) presentó el mayor valor de biodegradabilidad (Tabla 2). Los resultados señalaron que los tratamientos PNGP, PNGCL, PSGP, AGP, PNGCO, PSGCL y PNTP presentaron los mejores resultados de biodegradabilidad sin presentar diferencias significativas con valores de biodegradabilidad de 30.36 ± 0.58, 29 ± 1.0, 28.6 ± 0.26, 27.66 ± 1.15, 25.56 ± 1.50, 24.4 ± 0.36, 24.2 ± 0.1 y 23.86 ± 0.15%, respectivamente. Sin embargo, si presentaron diferencia estadística con el testigo comercial (TC) (2.83 ± 0.20%). En base a los resultados obtenidos en las pruebas de retención hídrica y potencial biodegradable de los 36 tratamientos formulados, se seleccionaron los tratamientos PSGCL, PNGP, PSGP y PNGCO, los cuales mostraron los mejores resultados de retención de agua y biodegradabilidad en comparación con el acrilato de potasio como testigo comercial (TC), para posteriormente evaluar su efecto de germinación y morfométrico en plántulas de alfalfa.

Aplicación de hidrogeles, efecto en la germinación y morfometría de las plántulas de alfalfa

Los resultados obtenidos de la evaluación del porcentaje de germinación en la aplicación de hidrogeles con matrices biopoliméricas, demostró que el tratamiento PSGP fue quien presentó diferencia significativa en relación con el testigo absoluto. Este tratamiento (PSGP:80 ± 20%) presentó un 30% de germinación superior en comparación con el testigo absoluto (50 ± 10%) (Figura 1). En relación con los resultados de parámetros morfométricos, específicamente en la altura de la planta, se observó que los tratamientos PNGP (4.40 ± 0.230cm) y PSGP (4.066 ± 0.230cm) no presentaron diferencia significativa. Sin embargo, presentaron diferencia estadística con el resto los tratamientos PNGCO, PSGCL, TQ y T. El tratamiento formulado con polisacáridos de nopal, glicerol y persulfato de potasio y el PNGP mostraron un desarrollo superior al relacionado con el testigo químico (3.43 ± 0.057cm) y el testigo absoluto (3.13 ± 0.14cm) (Figura 1). En el caso de la longitud de raíz el tratamiento PSGCL (2.40 ± 0.1cm) presentó diferencia significativa con el resto de los tratamientos, presentando un comportamiento superior al testigo químico (2.066 ± 0.115 cm) y absoluto (1.666 ± 0.152 cm). Finalmente, respecto al número de hojas el tratamiento PSGP (14.333 ± 2.081 #) fue quien presentó diferencia significativa respecto al resto de los tratamientos. En comparación con el testigo absoluto (6.51 ± 1.732 #), este tratamiento presentó un aumento en el número de hojas del 220.46% (Figura 1). El tratamiento PSGP presentó el efecto más sobresaliente en el desarrollo de plántulas de alfalfa en comparación con el testigo absoluto. Siendo superior al resto de los tratamientos en porcentaje de germinación, altura de planta y desarrollo de follaje.

Figura 1 Evaluación in vivo de los hidrogeles con matrices poliméricas biodegradables. A) Porcentaje de germinación. Evaluación de parámetros morfométricos: B) Altura de la planta; C) Longitud de raíz; D) Número de hojas. El análisis estadístico utilizado fue Anova (Tukey, p ≤ 0.05), donde valores con misma letra son estadísticamente iguales. 

Capacidad de retención hídrica de hidrogeles formulados con polímeros naturales

Los tratamientos PSGCL, PSGP, y AGP, mostraron mayores valores de retención de agua en comparación con el testigo comercial (TC), esto puede deberse a la composición y conformación de los polisacáridos naturales de sábila y de alginato empleados, ya que su capacidad de hinchamiento depende de los grupos ácidos o básicos presentes en su estructura, tales como -OH, -COOH, -CONH, entre otros factores como la capacidad hidrofílica de las cadenas poliméricas, la densidad de entrecruzamiento, la tacticidad y la cristalinidad (^{Parvathy y Jyothi 2012}).

Los polisacáridos de sábila, y el alginato fueron los principales polímeros naturales de los hidrogeles que mostraron una mayor capacidad para retener agua, siendo el polisacárido de sábila el principal polímero retenedor de agua (Tabla 2). Esto debido a que los polisacáridos de sábila están constituidos principalmente de agua, mucílagos y otros carbohidratos, ácidos y sales orgánicas, enzimas, saponinas, taninos, heteróxidos antracénicos, esteroles, triacilglicéridos, aminoácidos, ARN, trazas de alcaloides, vitaminas y diversos minerales (^{Hadi et al. 2022}), cuyos componentes interaccionan con el agua formando redes poliméricas hidrofílicas tridimensionales reticuladas que son capaces de hincharse y retener un gran volumen de líquido en estado hinchado (^{Shin et al. 2010}). El polímero natural de alginato demostró ser también una alternativa para la formulación de hidrogeles con buena capacidad para retener agua, debido a su naturaleza aniónica, es decir, presenta numerosos grupos químicos cargados negativamente, los cuales le permiten formar geles en presencia de cationes divalentes como: calcio, bario y estroncio (^{Junyan et al. 2023}).

Actualmente existe reportes referentes a la capacidad de retención de agua de hidrogeles, donde los resultados del testigo comercial (TC) coinciden con los reportados por ^{Arbona et al. (2005}), quienes demostraron que hidrogeles comerciales a partir de acrilamida presentan un aumento de peso superior al 100% al usar una concentración de 0.1 a 0.4 g de hidroretenedor. Por otro lado, ^{Bres y Weston (1993)} encontraron un porcentaje de retención superior a 300% en dos diferentes hidroretendores comerciales de origen químico de acrilamina en un estudio realizado con la aplicación de fertilizantes. Los resultados obtenidos fueron superiores a los reportados por ^{Liu et al. (2020)} quienes demostraron que un hidrogel formulado a partir de fenogreco, galactomananos y bórax mostró un índice de retención de agua del 16.28 al 35.53%. Así como el trabajo reportado por ^{Pathak y Kumar (2017)} quienes reportaron que un hidrogel obtenido a partir de car boximetilcelulosa, almidón y nanopartículas de SiO2 tuvo una capacidad de retención de agua del 35%. También se ha confirmado que los hidrogeles a base de alginato-carboximetil celulosa-alfalfa tienen la capacidad de liberar iones Cu²⁺ como micronutriente para el desarrollo de plantas, incrementando hasta un 22% más la capacidad de hinchamiento en 48 h a pH 3.65 (^{Skrzypczak et al. 2019}).

Potencial biodegradable de hidrogeles formulados con polímeros naturales

Los resultados demuestran que todos los tratamientos obtenidos a partir de polímeros naturales tuvieron mayor potencial biodegradable en comparación con el testigo comercial. Esto puede ser a causa de la composición fisicoquímica de las matrices poliméricas naturales, que las hace más susceptibles a la degradación por factores químicos, físicos, y biológicos, en comparación a la del testigo comercial que ha reportado escasa biodegradabilidad, a su vez también probablemente a algunas preocupaciones existentes en cuanto a su toxicidad y deposición en el suelo de cultivos agrícolas (^{Demitri et al. 2013}).

Los hidrogeles obtenidos a partir de polímeros naturales en el presente estudio cuentan con un bajo nivel de toxicidad, debido a que fueron producidos por métodos de química verde en su preparación, lo cual los hace candidatos a ser una alternativa a los polímeros sintéticos en aplicaciones agrícolas (^{Saruchi et al. 2019}). Los resultados obtenidos coinciden con los reportados por ^{Song et al. (2020}) quienes reportaron que un hidrogel obtenido a partir de lignina y alginato de sodio como polímeros naturales mostró un 20% de biodegradabilidad a la intemperie cuando se entierra en el suelo.

Los polisacáridos de nopal, de sábila, y el alginato fueron los principales polímeros naturales de los hidrogeles que mostraron un mayor potencial biodegradable a la intemperie, siendo el polisacárido de nopal el principal polímero (Tabla 2). Esto debido a que el mucílago de nopal contiene agua, arabinosa, xilosa, galactosa, ácido galacturónico y ramnosa, además de calcio, potasio, sílice, sodio y en menor cantidad hierro, aluminio magnesio, y zinc, otros compuestos como glúcidos y compuestos nitrogenados, así como aminoácidos y ácidos orgánicos, cuyos componentes interaccionan en solución acuosa con cationes de calcio, plomo, bario, plata, cobre, hierro cobalto o níquel, precipitando el mucílago (^{Cortés-Camargo et al. 2023}).

Aplicación de hidrogeles, efecto en la germinación y morfometría de las plántulas de alfalfa

El tratamiento PSGP presentó el efecto más sobresaliente en el desarrollo de plántulas de alfalfa en comparación con el testigo absoluto. Esto se puede atribuir a su composición basada en polisacáridos de sábila (Aloe Vera), la cual está compuesta de principalmente de agua, polisacáridos, azúcares, vitaminas, minerales y compuestos fenólicos permitió una mayor capacidad de hinchamiento y rehidratación al sustrato durante un tiempo más prolongado. La composición química de la sábila le confiere múltiples características que a hacen atractiva para diversas aplicaciones. Una de las características más importantes es su naturaleza hidrofílica, la cual la hace capaz de actuar como un promotor de hidratación (^{Darzi et al. 2021}). Lo anterior, ha sido publicado en la literatura especializada y se ha encontrado que la adición de Aloe Vera en la preparación de hidrogeles aumenta la absorción de agua y mejora las propiedades hidrofílicas de los mismos (^{Pereira et al.2013}).

La capacidad de hinchamiento/rehidratación de los hidrogeles en contacto con agua y su habilidad para liberar hasta el 95% de la misma en medios secos, ha sido de gran interés para su investigación en aplicaciones biomédicas, alimentarias y agroindustriales (^{Tomadoni et al. 2019}). En esta última, las investigaciones se han enfocado principalmente en el acondicionamiento del suelo, es decir, control de humedad y suministro de agua a las plantas. Asimismo, a la encapsulación y liberación de agroquímicos ya que además de las características mencionadas anteriormente, los hidrogeles, no solo pueden retener agua, sino que también pueden absorber nutrientes y otras sustancias como pesticidas para liberarlas gradualmente en suelo (^{Rizwan et al. 2021}). En el 2020, ^{Alvarado y Munzón (2020)}, utilizaron el gel de Aloe Vera como tratamiento a sustrato para mejorar el enraizamiento y desarrollo de plántulas de Ficus benjamina alcanzando un porcentaje de prendimiento de 54.17% y 1.95 brotes, superando a la hormona comercial (41.67% y 1.15 brotes). Además, se ha confirmado que las cortezas de A. vera pueden valorizarse mediante tratamientos ácidos combinados con ultrasonido para obtener nanofibras de celulosa. Los análisis SEM, FITR, TEM y TGA mostraron la eficiencia de este método para obtener nanofibras. Además, se encontró que la inclusión de nanofibras de celulosa en hidrogeles comerciales no reforzados puede aumentar la capacidad de hinchamiento de estos materiales (^{Guancha Chalapud et al. 2022}). También se ha reportado que el uso de un hidrogel a partir de quitosano poliacrilamida en plantas de Alfalfa (Medicago Sativa) retiene el agua y reduce la tasa de evaporación evitando marchitez y estrés por sequía hasta 10 y 7 días (suelo aluvial y rojo, respectivamente), incrementando el crecimiento de la plántula hasta 1.52 y 1.41 veces más con respecto al control (suelo aluvial y rojo, respectivamente) (^{Pandey y De 2017}).

Los hidrogeles a base de Tulipalin A [poli (acrilamida-co-sodio 4-hidroxi-2-metilenbutanoato)] han demostrado promover un 10% más el crecimiento de plantas monocotiledoneas de Avena Sativa en comparación con plantas que crecen en suelo sin hidrogeles (^{Rychter et al. 2019}). Pero hasta el momento se encuentran muy pocos reportes respecto al uso de hidrogeles biopoliméricos y biodegradables con aplicaciones en el campo. Sin embargo, el uso de hidrogeles en la agricultura podría ser de gran utilidad para el crecimiento y nutrición de plantas dando lugar al mejoramiento de sus características morfométricas.