Biopesticidas na Agricultura Sustentável

A aplicação de pesticidas convencionais é enfatizada por muitas externalidades negativas, incluindo degradação ambiental e resistência a pragas. Consequentemente, seu uso na agricultura comercial está atraindo restrições regulatórias, levando a uma redução de 2% ao ano no uso de pesticidas sintéticos em favor de um aumento de 10% de biopesticidas como agroquímicos alternativos (Damalas e Koutroubas, 2018).

Biopesticidas microbianos, biopesticidas bioquímicos e protetores incorporados a plantas (PIPs) são as categorias bem conhecidas de biopesticidas e comandam 5% do mercado global de pesticidas, com os biopesticidas microbianos assumindo a liderança ( Pathma et al., 2021) No entanto, a adoção completa de biopesticidas é dificultada pela falta de oferta de produtos para atender às demandas dos agricultores, alto custo dos produtos refinados e ação lenta que eles apresentam em sua maioria (Verma et al., 2021 ). No entanto, essas desvantagens são contrabalançadas com a toxicidade tolerável, se houver, que é manifestada pelos biopesticidas. Eles também são biodegradáveis, específicos em ação (inofensivos para organismos não-alvo) e também possuem a capacidade de combater os problemas de resistência a pragas causados ??por pesticidas sintéticos ( Mishra et al., 2020) Nesse ínterim, enquanto o mundo aguarda os avanços da pesquisa para resolver as desvantagens, atualmente, extratos brutos de plantas pesticidas podem ser invocados, especialmente para agricultores locais e países em desenvolvimento.

A agricultura sustentável impulsionada por biopesticidas goza de aceitação social, promove a produtividade econômica e engendra a gestão ambiental. Essas três dimensões representam o conceito tripartite de desenvolvimento sustentável, cujo melhor conceito está atualmente contido na agenda das Nações Unidas para 2030, popularmente conhecida como Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS).

Os ODS tendem a abordar o desenvolvimento integral, incluindo a erradicação da fome, redução da pobreza e agricultura sustentável, entre outros ( Vetter et al., 2017) A agricultura sustentável atua como o setor mais crítico dos ODS e integra a maior parte dos aspectos dos 17 ODS, direta e indiretamente. No entanto, está diretamente ligado a oito dos 17 ODS em que tanto o ODS2 (Fome Zero) quanto o ODS1 (Sem Pobreza) exercem a maior influência, enquanto o ODS9 (tecnologia e infraestrutura inovadoras) e o ODS7 (energia acessível) têm a menor influência com base no grau decrescente de dependência da agricultura.

Os objetivos desses oito ODS estão centrados na produção e utilização sustentáveis, na dependência de matéria-prima biodegradável e na proteção ambiental, que são, em certa medida, os objetivos dos princípios da química verde (GC). Como agroquímicos verdes, os biopesticidas têm grande influência na agricultura sustentável, porque suas características satisfazem as condições dos princípios da CG e do conceito tripartido de desenvolvimento sustentável. Além disso, esta interconexão de desenvolvimento sustentável e GC pela agricultura comercial impulsionada por biopesticidas garante proteção ambiental, produtividade quantitativa e qualitativa, tecnologia segura e eficaz e uso judicioso e eficaz dos recursos.

Definição e categorias de biopesticidas

Biopesticidas são subclasses competitivas de pesticidas que são organismos ou compostos de ocorrência natural que suprimem o crescimento e a proliferação de populações de pragas por diversos mecanismos de ação, excluindo aqueles que interferem nos sistemas nervosos de pragas (Tijjani et al., 2016 ; Marrone, 2019 ; Nuruzzaman et al., 2019 ; Wattimena e Latumahina, 2021 ). Eles são categorizados em três grupos: biopesticidas microbianos, biopesticidas bioquímicos e PIPs (Leahy et al., 2014 ; Liu et al., 2019 ; Ram e Singh, 2021 ). Bacillus thuringiensis (Bt) controla 90% do mercado de biopesticidas microbianos; no entanto, Beauveria bassiana, Baculovirus, Steinernema, Nosema e Chlorella também demonstraram papéis significativos ( Steinkraus e Tugwell, 1997 ; Abu-Dieyeh e Watson, 2007 ; Radwan et al., 2018 ; Gonçalves, 2021 ).

Biopesticidas bioquímicos são compostos (ou análogo sintético exato) de origem natural que possuem princípios ativos que controlam as pragas por mecanismos não tóxicos para a praga alvo, o meio ambiente e os humanos ( Kumar, 2012 ; Reddy e Chowdary, 2021 ). Os exemplos incluem óleo essencial, semioquímicos, reguladores de promoção de crescimento de plantas, reguladores de crescimento de insetos, metabólitos secundários e minerais naturais ( Ghongade e Sangha, 2021; Singh et al., 2021 ). PIPs são plantas transgênicas que tornam a planta inadequada para o ataque de pragas. As moléculas inseticidas empregadas na tecnologia PIP são proteínas Bt Cry, proteínas complexas tóxicas (Tc) de Xenorhabdus e Photprhabdus , inibidores de α-amilase, protease de Baculovírus, ácido ribonucleico de fita dupla (dsRNA) e Mir1-CP de milho ( Shingote et al ., 2013 ; Maciel et al., 2014 ; Parker e Sander, 2017 ; Wei et al., 2018 ; Ganapathy et al., 2021 ).

Vantagens dos Biopesticidas

Os biopesticidas exercem seus efeitos inibitórios por meio de vários modos de ação, como reguladores de crescimento, desreguladores intestinais, veneno metabólico, toxinas neuromusculares e inibidores multi-locais não específicos ( Sparks e Nauen, 2015 ; Dar et al., 2021) Esses vários modos de ação contra as pragas direcionadas eliminam as chances de desenvolver resistência, como é comum com os pesticidas químicos. O uso intensivo de pesticidas convencionais na agricultura em escala industrial por um longo período, especialmente na era da Revolução Verde, também criou desafios como poluição relacionada a pesticidas, consumo de produtos químicos pós-colheita por meio de bioacumulação, perdas de biodiversidade e insurgência de pragas secundárias e eliminação de inimigos naturais / benéficos. Essas consequências negativas não estão associadas ao uso de biopesticidas.

Assim, restrições proibitivas são continuamente impostas aos pesticidas sintéticos para reduzir seu número com o tempo. Por exemplo, houve uma redução para 250 ingredientes ativos de pesticidas convencionais em 2009, em oposição a mais de 1,McDougall, 2013 ). O resultado direto do declínio do número de pesticidas clássicos é o aumento da demanda por biopesticidas por algumas razões benéficas. Esses benefícios incluem, mas não são exclusivos de alteração do curso de resistência a pragas, propriedades de baixa toxicidade, entrada complementar a pesticidas sintéticos, eco-compatibilidade, especificidade (portanto, têm pouco ou nenhum impacto negativo em organismos não-alvo e humanos), biodegradabilidade , e pouco ou nenhum problema de contaminação pós-colheita, estabilidade contra estresse abiótico ( Deravel et al., 2014 ; Kalpana e Anil, 2021 ) e compatibilidade no manejo integrado de pragas (MIP).

Perspectivas e limitação de biopesticidas

Em um futuro próximo, os biopesticidas podem substituir os pesticidas sintéticos sem afetar significativamente a produtividade e o rendimento, se seus potenciais forem totalmente maximizados ( Mishra et al., 2020). As limitações que confrontam a adoção total de biopesticidas são o alto custo dos produtos comerciais refinados, incapacidade de atender a demanda do mercado global, diferentes métodos padrão de preparações e diretrizes, determinação da dose de ingredientes ativos, a suscetibilidade dos biopesticidas a vários fatores ambientais, estabilidade efêmera, e ação lenta, entre outros. Enquanto esperam que essas limitações sejam abordadas por meio de descobertas de pesquisa nos próximos anos, os agricultores, especialmente nas áreas rurais, podem tirar proveito de um extrato bruto de planta para proteger as plantas para melhorar o rendimento (Stevenson et al., 2017). A eficácia da aplicação de pesticidas, incluindo biopesticidas, é máxima quando incorporados no IPM (Quarles, 2013). Um IPM é uma opção de controle de pragas, equivalente a uma abordagem multifacetada eficaz envolvendo a combinação de práticas culturais e outras táticas de controle adequadas em um programa de manejo para alcançar uma redução duradoura da população de pragas e problemas associados (Sadof et al. , 2021). As externalidades positivas que acompanham os biopesticidas, além da redução significativa da população de pragas, são a aceitabilidade social, a viabilidade econômica e a gestão ambiental, o conceito de três domínios do desenvolvimento sustentável.

Biopesticidas como impulsionadores da agricultura sustentável e do desenvolvimento sustentável

Tal como acontece com outros recursos naturais, como bioestimuladores e biofertilizantes, a aplicação de biopesticidas na agricultura mecanizada cria um equilíbrio entre relevância sociocultural, produtividade econômica e proteção ambiental que é considerado fundamental para a agricultura sustentável. A integração da política pública nestes quatro domínios (tecnologia inclusiva) renderia um conceito muito mais elevado conhecido como desenvolvimento sustentável (Marteel-Parrish e Newcity, 2017 ; Adhikari et al., 2020) As estratégias mais atuais destinadas a alcançar o desenvolvimento sustentável estão contidas na Agenda 2030 das Nações Unidas (17 ODS). A agricultura sustentável é um setor prático que se conecta a todos os ODS, mas está diretamente ligado a oito das 17 metas. A agricultura sustentável impulsionada por biopesticidas pode reduzir a pobreza (ODS1: Sem Pobreza) e combater a fome (ODS2: Fome Zero). O manejo dos recursos naturais é necessário para a exploração contínua do meio ambiente para a produtividade agrícola (ODS6: Água Limpa e Saneamento, ODS12: Consumo e Produção Sustentáveis, ODS14: Vida Subaquática e ODS15: Vida na Terra). Além disso, a agricultura sustentável requer energia (ODS7: Energia Acessível), tecnologia e inovação (ODS9).

Química Verde na Agricultura Sustentável e ODSs

O conceito mais crítico de GC é o de design, e visa alcançar a sustentabilidade no nível molecular ( Ahluwalia e Kidwai, 2004 ; Anastas e Eghbali, 2010) Como resultado, o GC cobre uma ampla gama de campos, incluindo agricultura. A conexão direta da agricultura sustentável nos ODS depende do impacto positivo imediato da agricultura, uso judicioso e conservação de recursos críticos, aplicação de agro-produtos verdes, tecnologia sustentável e energia verde, ou a combinação de quaisquer dois ou mais destes.

O uso de produtos agrícolas verdes pode influenciar o ODS2 e o ODS1, enquanto o ODS6, o ODS12, o ODS14 e o ODS15 podem ser influenciados por princípios de conservação, sustentabilidade ambiental e uso criterioso de recursos críticos. Essas metas são refletidas no GC, que visa mitigar produtos químicos prejudiciais desde a produção até a aplicação, segurança do processo, consumo ideal de energia e economia aprimorada ( Tickner et al., 2021) As duas métricas prioritárias baseadas em massa nas quais o GC parcialmente se apóia são a economia atômica (AE) e o fator de impacto ambiental (fator E). O AE mede o conteúdo de reagentes presentes nos produtos finais ( Koulougliotis et al., 2021 ) enquanto o fator E mede a quantidade de resíduo em 1 kg de massa do produto alvo, isentando água ( Hechelski et al., 2021 ). No contexto do GC, quanto maior o fator AE / menor o fator E, melhor para os objetivos de sustentabilidade associados à agricultura. A busca do AE ideal (100%) e do fator E (0) na produção de um produto químico alvo exige 100% de eficiência de recursos: massa dos reagentes = massa dos produtos alvo (Glavic et al., 2021) Além das métricas baseadas em massa está a avaliação do ciclo de vida, que considera de forma abrangente fatores como a entrada do processo (reagentes, solventes, metais), sustentabilidade, impacto ambiental (pegada de carbono, consumo de energia, ecotoxicidade, fator de risco), materiais / produtos implicados (Sheldon, 2017 ; Sukumaran e Gopi, 2021 ) e métodos analíticos que trabalham no conceito de riscos e solventes minimizados, maximização da segurança do operador, miniaturização de dispositivo e amostra e uso de solvente mais verde ( Panhwar et al., 2021 ). Essas métricas são cobertas pelos 12 princípios do GC.

O GC e seus 12 princípios podem desempenhar um papel útil na definição do conceito de sustentabilidade em seis dos oito ODS destacados. Embora os 12 princípios sejam mais orientados para o processo químico em escala de bancada, eles ainda podem ser ligados à agricultura ( Galuszka et al., 2013 ; Abdussalam-Mohammeda et al., 2020 ) com a utilização eficiente de recursos renováveis ??e eliminação de resíduos como as dimensões mais influentes ( Sheldon, 2017 ). Os 12 princípios do GC e sua relação com os oito ODS (com o SDG7 e o SDG9 como entrada) são representados na Figura 1. Os rendimentos agrícolas aumentarão efetivamente com o menor custo quando as pragas forem controladas com biopesticidas seguindo a sequência dos oito princípios de IPM descritos no ANEXO III da Diretiva-Quadro 2009/128 / CE ( Barzman et al., 2015 ), que são prevenção e supressão , monitoramento, tomada de decisão, métodos não químicos, seleção de pesticidas, uso reduzido de pesticidas, estratégias anti-resistência e avaliação. Esses princípios, em grande parte, são voltados para a relação custo-benefício, maior produtividade, proteção ambiental, segurança do processo, produção sustentável e consumo.

Biopesticidas são produtos químicos mais seguros para o controle de pragas, principalmente derivados de um recurso natural (GCP7: uso de matéria-prima renovável). Em suas formas mais puras, eles têm um alto EA (GCP2) e baixo fator E (GCP1: evitar desperdício). Isso implica que a maioria das espécies químicas iniciais são refletidas nos produtos finais. Biopesticidas botânicos são caracterizados por resíduos provenientes de materiais primários ( Jessop et al., 2008 ). Nesse sentido, o produto final apresenta menor eficiência de recursos: baixo EA e alto fator E.

No entanto, os resíduos são engenhosos, pois podem ser usados ??para a melhoria de terras agrícolas por meio de adubo composto, supressão de patógenos e biorremediação do solo ( Rai et al., 2021 ; Tyagi e Kumar, 2021) Essas vantagens secundárias, juntamente com os benefícios diretos dos biopesticidas (declarados anteriormente), levarão à agricultura sustentável: aumento da produção agrícola, melhoria da segurança ambiental e aceitabilidade sociocultural. Como agroquímico, os biopesticidas são únicos por serem biodegradáveis ??(GCP10) e apresentarem fator E baixo, atendendo assim ao critério de um químico mais seguro (GCP4). No entanto, para atingir o máximo de benefícios inerentes ao GC, medidas deliberadas são tomadas durante o processo de produção: emprego de tecnologia verde [através da combinação de síntese química menos perigosa (GCP3), uso de solvente e auxiliares mais seguros (GCP5), redução de derivados (GCP8) ), catálise (GCP9) e processos de segurança inerentes (GCP12)].

Os Princípios 4 e 10 do GC definem as características dos biopesticidas; Os Princípios 3, 5, 8 e 9 governam uma produção mais verde; enquanto o Princípio 12 governa um procedimento de produção seguro. O princípio 6 diz respeito ao uso eficiente e criterioso da energia obtida por meio de catálise, reações sem solvente, fotoquímica sintética e síntese assistida por microondas ( Jessop et al., 2008 ; Kharissova et al., 2019 ). Os atributos da agricultura sustentável incluem, mas não exclusivamente, a aplicação de produtos químicos verdes (GCP4, 7, 8 e 10), conservação ambiental (GCP1, 2 e 11), uso criterioso dos recursos naturais e emprego de produtos mais seguros (GCP3, 5 , 8, 9 e 12) tecnologia ( Sheldon, 2017 ; Tickner et al., 2021) Correspondentemente, esses atributos também estão ligados aos ODS que estão diretamente ligados à agricultura sustentável. O agroproduto verde está vinculado à produtividade (SDG1 e SDG2); o uso criterioso dos recursos está vinculado ao ODS12; e o atributo de conservação está vinculado aos ODS6, ODS14 e ODS15; enquanto a tecnologia inovadora (SDG9) e os insumos de energia acessível (SDG7) contribuem para a produtividade. A partir do exposto, é evidente que o GCP7 é o recurso mais crítico para biopesticidas, cuja melhoria está na tecnologia verde e no avanço da pesquisa. Assim, a atenção prioritária em GCP7, tecnologia verde e ações humanas construtivas (políticas e liderança) pode levar a uma agricultura sustentável definida pela produtividade agrícola, sustentabilidade ambiental e aceitabilidade sociocultural.

A agricultura orientada por biopesticidas mostra ligar o GC e o desenvolvimento sustentável em quatro dimensões: (1) segurança ambiental, (2) uso criterioso de recursos, (3) produtividade e (4) segurança / tecnologia econômica. A segurança ambiental conecta GCP1, 2, 11 com SDG6, 14, 15, enquanto o uso criterioso de recursos vincula GCP6, 7 e SDG12. A terceira dimensão, produtividade, conecta GCP4, 10 com SDG1 e 2, enquanto a última dimensão, segurança / tecnologia econômica, conecta GCP1, 2, 3, 8, 9, 12 com SDG7, 9. No geral, biopesticidas de um GC perspectiva estão intrinsecamente conectadas à matéria-prima renovável (GCP7), produto verde (GCP4, 10), minimização de resíduos (GCP1, 2, 11), eficiência energética (GCP6, GCP9) e segurança do processo (GCP12). Quando aplicado na agricultura em grande escala impulsionada por tecnologia inovadora (SDG9) e energia acessível (SDG7), agricultura sustentável é definida, que é caracterizada pelo aumento da produtividade (ODS1, ODS2), sustentabilidade ambiental e conservação (ODS6, ODS12, ODS14, ODS15) e aceitabilidade sociocultural. No entanto, a relevância dos ODS para a agricultura sustentável está na seguinte ordem: ODS2> ODS1> ODS15> ODS14> ODS12> ODS6> ODS9> ODS7, enquanto os princípios de GC mais dominantes que orientam a agricultura baseada em biopesticidas são um uso eficiente de fontes renováveis eliminação de matéria-prima e desperdício.

Superar o que atualmente parece ser um obstáculo à plena adoção de biopesticidas na agricultura requer avanços em pesquisas que garantam a eficiência na produção, formulação e embalagem de produtos formulados como processos críticos de comercialização de biopesticidas. Além disso, o conhecimento da nanotecnologia será necessário para formulações, entrega de material genético em lavouras, liberação controlada, detecção de pesticidas e patógenos, melhorando a estabilidade e encapsulamento de (bio) pesticidas (Manchikanti, 2019). À medida que aumenta o interesse pelos nanobiopesticidas, igual atenção deve ser dada aos biossurfactantes que têm significado pesticida porque os microrganismos que produzem essas moléculas multifuncionais também podem servir como biofertilizantes (Kulkarni et al., 2007 ;Sarwar et al., 2018 ; Fenibo et al., 2019 ; Oliveira, 2021). Além disso, a tecnologia ômica, como técnicas de DNA recombinante e proteômica, seria necessária para a elucidação da descoberta de novas toxinas (Nakasu et al., 2014 ; Sarethy e Saharan, 2021 ; Trivedi et al., 2021). A tecnologia de sequenciamento é crítica para a seleção de cepas durante o bioprocessamento de agente microbiano ativo e direcionamento de gene inseticida ( Glare e Moran-Diez, 2016 ; Peralta et al., 2021 ). Mais ainda, tecnologia de drones ( Sujayanand et al., 2021) protocolos regulatórios, incentivos do governo e da educação são necessários para tornar os produtos de biopesticidas mais baratos e substituir favoravelmente os pesticidas sintéticos com as consequentes externalidades positivas, incluindo a produtividade da safra e a proteção ambiental.

Artigo de 
Emmanuel O. Fenibo 1 * , Grace N. Ijoma 2 e Tonderayi Matambo 2
1 Centro de Excelência da África do Banco Mundial, Centro de Pesquisa Química do Campo Petrolífero, Universidade de Port Harcourt, Port Harcourt, Nigéria
2 Instituto para o Desenvolvimento de Energia para a Sustentabilidade Africana, Universidade da África do Sul, Roodepoort, África do Sul

Originalmente disponível neste link