Hidrogeles agrícolas – ¿Cómo funcionan?

by | Ene 23, 2019

Para algunas personas resulta increíble el efecto que posee un hidrogel de absorber agua; parece “magia”, y eso ocurre precisamente porque no lo pueden explicar.

Los valores de absorción de los hidrogeles hoy se encuentran entre 10 y 5.000 veces su peso en agua; lo que en la práctica significa que 1 Kg de hidrogel seco puede absorber entre 10 L y 5.000 L de agua.

Pero más que su capacidad de absorción de agua, importa su capacidad de liberación; ya que el objetivo de los hidrogeles agrícolas es entregar agua a las raíces de las plantas cuando sea necesario.

Lo anterior se debe a varios factores que explican cómo funcionan, para lo que recordaremos algunos principios básicos.

 

Principios básicos

 

Antes de continuar, primero debemos recordar algunos conceptos de física, química y biología:

  1. El agua, como “solvente” universal busca diluir todo lo que puede, hasta lograr una solución en equilibrio. (Piensa en algo tan grande como el mar o en algo tan pequeño como una taza de café; solutos disueltos en equilibrio.)
  2. El agua posee 2 cargas, por eso se le llama solvente “polar” (tiene 2 polos); polo positivo desde el lado hidrógeno (+) y polo negativo desde el lado oxígeno (-).
  3. Las cargas eléctricas diferentes se atraen.
  4. Una sal en solución de separa en sus componentes en forma de iones (La sal de mesa por ejemplo; NaCl, se separa en Na+ y Cl-)
  5. Existen sustancias “higroscópicas” que atraen el agua ambiental y la atrapan de manera reversible (Piensa en la sal de mesa cuando forma “rocas”) dependiendo de la humedad ambiental.
  6. El proceso de osmosis permite al agua movilizarse a través de membranas semi-permeables desde zonas con menor concentración de solutos (menos sales por ejemplo) a zonas más concentradas (más sales), para lograr una solución en equilibrio.
  7. Un polímero es una molécula compuesta por secuencias repetidas de una molécula más pequeña, o monómero. (El glucógeno en nuestros músculos es un polímero porque se compone de muchas moléculas de glucosa)

Cargas de una molécula de agua (H2O)

Estructura de un hidrogel

 

Un hidrogel, como lo explicamos en este artículo, tiene una estructura tridimensional que permite que el agua ingrese y pueda salir de su interior.

El entrecruzante dispuesto entre las cadenas poliméricas es el que mantiene la estructura unida, por lo que cuando el hidrogel se hincha con agua y luego pierde el agua, la “memoria” se mantiene para que pueda recuperar su forma una vez al agua vuelva a entrar.

Esquema molecular de un hidrogel

A su vez, para mantener el hidrogel sólido (forma de sal) en equilibrio y receptivo al agua, es necesario neutralizar sus cargas, lo que generalmente se hace con potasio (K), que para el caso de plantas, funciona muchísimo mejor que un hidrogel neutralizado con sodio (Na).

 

Y sólo como un detalle curioso, existen 2 tipos de composición de un hidrogel:

  1. Polimérica: Se compone de un monómero repetido varias veces. (Ej: Poliacrilato)
  2. Co-polimérica: Se compone de varios monómeros repetidos varias veces. (Ej: Alginato)

 

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Izquierda: Unidad repetitiva de Poliacrilato. Derecha: Unidad repetitiva de Alginato

 

Retención de agua

 

Al entrar en contacto el hidrogel con el agua, esta “intenta diluirlo” para lograr una “solución en equilibrio”, lo que resulta en la dispersión del agua por todos los espacios internos del hidrogel; debido a la naturaleza polar en el interior del hidrogel (alta afinidad con el agua).

Humesuelo T hidratándose con agua

Pero la dilución infinita es limitada por el entrecruzante, que define hasta qué punto se puede expandir el hidrogel, momento en que el agua deja de ingresar (Capacidad máxima de absorción).

En paralelo al ingreso del agua, la forma de “sal” (sólida) del hidrogel se disuelve parcialmente (porque el polímero no se disuelve, pero los iones positivos que lo balancean si) liberando los iones (potasio por ejemplo, K+) al medio, dando como resultado una oportunidad de intercambio catiónico que balancea cargas con el medio hasta que el balance se vuelve 0, momento en que el hidrogel deja de absorber agua.

Debido a la polaridad del agua y la naturaleza iónica del hidrogel, el agua queda “atrapada” en el hidrogel entre su extremo positivo (hidrógeno) y los terminales negativos, al interior del hidrogel (generalmente grupos carboxilo).

Interacción de agua y grupo carboxilo

Por tanto, la capacidad de absorción de un hidrogel está definida por 2 principales condiciones:

  1. Porcentaje de entrecruzante: A mayor porcentaje de entrecruzante, menos se expande la estructura.

  2. Cargas iónicas en el agua: A mayor salinidad, menor absorción de agua.

Una vez que el proceso de absorción se termina, el hidrogel se queda con el agua dentro hasta que un cambio de presión o un cambio de cargas iónicas lo afecte; guardando el agua que de otra forma podría escurrir o evaporarse dentro del perfil de suelo.

 

Liberación de agua a la planta

 

Debido a la humedad contenida en el hidrogel (una vez hidratado), el desarrollo “inteligente” de las raíces hacia la humedad (hidrotropismo) orienta el crecimiento radicular hacia el hidrogel, provocando una perforación por parte de las raíces.

Plantín de pimentón perforando partículas de hidrogel con sus raíces

Luego, para que una planta (principalmente plantas vasculares) pueda aprovechar el agua contenida dentro del hidrogel, debe extraerlo mediante la única forma que puede: cambios de presión.

La capacidad absorbente de las raíces se encuentra determinada por 2 factores principales que gatillan un cambio de presión alrededor de las raíces:

  1. Tasa de transpiración de la planta: Determinada por las condiciones ambientales que perciben las hojas.
  2. Presión osmótica radicular: Determinada por la actividad celular al interior de la raíz.

Una vez que la planta requiere agua, sus raíces son capaces de extraer el agua disponible en el suelo hasta el límite natural; es decir que toman el agua disponible hasta que sólo se encuentra agua higroscópica en el medio (que la planta no puede absorber).

Raicilla asorbiendo agua desde hidrogel

El agua contenida en el hidrogel puede “despegarse” del mismo debido a que la atracción polar entre el agua y el hidrogel es débil, por lo que el cambio de presión es suficiente para que la raíz pueda absorber el agua contenida en su interior.

Pero debido a que la planta tiene un límite de presión que puede ejercer, no puede extraer toda el agua desde el interior del hidrogel, lo que está definido por 2 grandes factores:

  1. Tamaño de la partícula de hidrogel: Mientras más grande, más difícil es sacar el agua desde el centro del hidrogel.
  2. Fuerzas iónicas del hidrogel: Mientras mayor fuerza posea el hidrogel para retener el agua, más difícil resulta sacar el agua de su interior.

Luego de la liberación de agua hacia la planta, los espacios vacíos que generan las partículas de hidrogel deshinchadas también provocan aireación dentro del suelo, lo que resulta beneficioso para la planta.

Efecto de hinchamiento de hidrogel en la porosidad del suelo: (a) Hidrogel seco, (B) Hidrogel hidratado

Y es por este motivo que resulta importante comprender cuál es la capacidad que posee un hidrogel de liberar el agua para las plantas, más que su capacidad de absorción; porque algunos hidrogeles son muy buenos absorbiendo grandes cantidades de agua, pero dejando muy poca disponible para la planta.

 

Otras características

 

Otro punto que destacar es la capacidad que poseen los hidrogeles de retener en su interior otras moléculas, como fertilizantes o compuestos más complejos; que también es posible debido a su naturaleza iónica.

Este campo se está explorando hace algunos años y actualmente se está evaluando el uso de hidrogeles para la entrega lenta de nutrientes y otros compuestos, pensando futuros usos para la agricultura.

Referencias
  1. Effects of Superabsorbent Polymers on the Hydraulic Parameters and Water Retention Properties of Soil – Renkuan Liao, WenyongWu, Shumei Ren and Peiling Yang, 2016
  2. Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review – Enas M. Ahmed, 2015
  3. Osmotic Swelling of Polyacrylate Hydrogels in Physiological Salt Solutions – Ferenc Horkay, Ichiji Tasaki, and Peter J. Basser, 2000
  4. Superabsorbent polymers – BASF, 2010
  5. Characterization and effects of cross-linked potassium polyacrylate as soil amendment – Jorge Sanz Gomez, 2015