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Quantitative modelling of survivability and controlled release of a double-entrapped Azospirillum formulation

Este estudio demuestra que una formulación de Azospirillum de doble encapsulación, que combina perlas de alginato dentro de una matriz biodegradable no tejida, mejora significativamente la supervivencia del almacenamiento bacteriano, permite la liberación controlada y mejora el crecimiento y el rendimiento de las plantas tanto en condiciones normales como de estrés salino en comparación con los sistemas de soporte convencionales.

Autores originales: Abitha Benson, Melvin Joe Manoharan, T Ragunathan, R. Nagajothi, M Selvarani, Denver I. Walitang, Tongmin Sa

Publicado 2026-08-19

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CC BY 4.0

Autores originales: Abitha Benson, Melvin Joe Manoharan, T Ragunathan, R. Nagajothi, M Selvarani, Denver I. Walitang, Tongmin Sa

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En los vastos campos de la agricultura, los agricultores han dependido durante mucho tiempo de los fertilizantes químicos para alimentar los cultivos, pero estos insumos sintéticos conllevan un elevado precio ambiental, contribuyendo a la contaminación y al cambio climático. La naturaleza ofrece una alternativa más limpia en forma de diminutas bacterias beneficiosas que viven en el suelo y ayudan a las plantas a crecer al desbloquear nutrientes y producir hormonas de crecimiento naturales. Una de estas bacterias, llamada Azospirillum, es particularmente valorada por su capacidad para ayudar a que plantas como el arroz prosperen sin una fuerte asistencia química. Sin embargo, durante décadas, estos ayudantes vivos han sido difíciles de utilizar de manera efectiva. Cuando los agricultores intentan aplicarlos, las bacterias suelen morir rápidamente porque son demasiado frágiles para sobrevivir a las duras condiciones de almacenamiento o al choque repentino de ser depositadas en un suelo seco. Necesitan un lugar seguro para vivir y una forma de ser liberadas lentamente, pero encontrar un contenedor que las proteja sin atraparlas en su interior ha sido un desafío persistente para los científicos.

Un equipo de investigadores se propuso resolver este problema creando un nuevo tipo de hogar protector para estas bacterias, uno que combina dos materiales diferentes para crear una doble capa de defensa. En lugar de simplemente mezclar las bacterias en un gel o envolverlas en una sola hoja, desarrollaron un sistema donde pequeñas esferas de una sustancia natural y gelatinosa llamada alginato, que contienen las bacterias, se colocan cuidadosamente dentro de un trozo de papel no tejido. Este papel actúa como una chaqueta resistente y transpirable que protege las delicadas esferas del daño físico y de los cambios ambientales bruscos. Los investigadores querían ver si este diseño de doble encapsulación mantenía vivas a las bacterias durante más tiempo durante el almacenamiento y las liberaba de manera más constante en el suelo en comparación con los métodos de una sola capa que se utilizan actualmente. Probaron su creación observando cómo sobrevivían las bacterias a lo largo del tiempo, midiendo qué tan rápido escapaban del portador y, finalmente, plantándolas en el suelo para ver qué tan bien ayudaban a crecer a las plantas de arroz, incluso cuando el suelo era salino y estresante.

Los resultados mostraron que este enfoque de doble capa funcionó significativamente mejor que los métodos antiguos. Cuando los investigadores rastrearon las bacterias durante un período de seis meses, descubrieron que el sistema de doble encapsulación mantenía vivas a las bacterias durante mucho más tiempo. En los portadores tradicionales, las bacterias morían rápidamente, pero en el nuevo diseño de doble capa, la población disminuía muy lentamente, con la tasa de muerte cayendo a solo 0.003 por día en la etapa final de almacenamiento. Esto sugiere que la capa de papel exterior proporcionó un amortiguador crucial, protegiendo a las bacterias del estrés de secarse o de los cambios de temperatura. El estudio también analizó cómo las bacterias se desplazaban fuera del portador y hacia el suelo. Utilizando un enfoque matemático para rastrear la liberación, encontraron que el sistema de doble encapsulación liberaba las bacterias a un ritmo constante y controlado, en lugar de hacerlo todo de una vez. Esta liberación lenta es exactamente lo que se necesita para que las bacterias se establezcan en el suelo y ayuden a las raíces de las plantas.

Cuando los investigadores pasaron del laboratorio a macetas reales de suelo, los beneficios de este nuevo diseño se hicieron aún más claros. Cultivaron plantas de arroz utilizando las bacterias de doble encapsulación y las compararon con plantas cultivadas con los portadores tradicionales o sin bacterias. Las plantas que recibieron el tratamiento de doble encapsulación crecieron más altas, desarrollaron hojas más grandes y produjeron más grano que las otras. En suelo normal, las plantas de arroz alcanzaron una altura de 100 centímetros, lo que representó un 15 por ciento más de altura que aquellas tratadas con las esferas de alginato estándar y un 33 por ciento más que aquellas con el papel no tejido solo. Aún más impresionante, cuando los investigadores simularon condiciones de suelo salino y difícil que usualmente frenan el crecimiento de las plantas, las bacterias de doble encapsulación aún ayudaron a las plantas de arroz a superar a las demás. Estas plantas tenían raíces un 20 por ciento más largas y produjeron un 25 por ciento más de grano que las tratadas con el método tradicional de alginato.

El estudio también midió la actividad biológica de las bacterias en el suelo, encontrando que el sistema de doble encapsulación condujo a niveles más altos de fijación de nitrógeno, el proceso mediante el cual las bacterias convierten el aire en una forma de nitrógeno que las plantas pueden consumir. Esta actividad fue un 35 por ciento mayor que en el grupo de control sin bacterias. Los investigadores observaron que las bacterias eran capaces de colonizar las raíces de las plantas de arroz de manera más efectiva, adhiriéndose a las superficies de las raíces en grupos densos en lugar de lavarse o morir. Esta fuerte presencia en la zona de las raíces, conocida como rizosfera, es lo que impulsa la mejora del crecimiento y el rendimiento. Al crear un portador que protege a las bacterias durante el almacenamiento y las libera lentamente en el suelo, los investigadores han demostrado una forma de hacer que estos ayudantes naturales de las plantas sean más confiables y efectivos. Este enfoque podría ayudar a los agricultores a reducir su dependencia de los fertilizantes químicos y, al mismo tiempo, lograr altos rendimientos de cultivos, incluso en entornos desafiantes.

Resumen Técnico: Modelado Cuantitativo de la Supervivencia y Liberación Controlada de una Formulación de Azospirillum de Doble Encapsulamiento

Planteamiento del Problema
Los bioinoculantes, particularmente los biofertilizantes basados en Azospirillum, enfrentan limitaciones significativas para su adopción global debido a la baja supervivencia durante el almacenamiento y al rápido declive poblacional tras la aplicación al suelo. Aunque la encapsulación basada en alginato es una estrategia común para la protección microbiana, esta sufre de baja resistencia mecánica y una tolerancia restringida a los estreses ambientales, lo que conduce a una difusión incontrolada y una liberación rápida. Por el contrario, los materiales no tejidos ofrecen una resistencia mecánica superior, pero carecen de una investigación sistemática para la formulación de Azospirillum. Además, existe una falta de comprensión cuantitativa sobre la supervivencia y la cinética de liberación de estas formulaciones utilizando modelos matemáticos, específicamente modelos de supervivencia bifásicos y análisis de difusión-reacción.

Metodología
El estudio desarrolló un sistema portador de doble entrampamiento (DE, por sus siglas en inglés) mediante la inserción de perlas de alginato que contienen Azospirillum (aprox. 3 mm de diámetro) dentro de capas de papel biodegradable no tejido (abacá), creando una estructura compuesta. El papel no tejido fue tratado con glicerol al 5% para restringir la difusión de oxígeno, y el ensamblaje fue sellado con goma arábiga.

La investigación empleó un enfoque multifacético:

Supervivencia en Almacenamiento: La viabilidad bacteriana se monitoreó durante 180 días utilizando la técnica del Número Más Probable (MPN) en un medio de ácido málico libre de nitrógeno.
Modelado Matemático:
- Modelo de Supervivencia Bifásico: Se utilizó para ajustar los datos de almacenamiento, distinguiendo entre poblaciones de inactivación rápida ( $N_1, k_1$ ) y lenta ( $N_2, k_2$ ).
- Análisis de Difusión-Reacción: Se calculó la difusividad efectiva de humedad ( $D_{eff}$ ) utilizando la segunda ley de Fick. Se computaron el módulo de Thiele ( $\Phi$ ) y el número de Biot ($Bi$) para caracterizar los regímenes de transporte (controlado por reacción vs. controlado por difusión).
- Cinética de Liberación: Se aplicó el modelo de Weibull para analizar las tasas de liberación bacteriana bajo condiciones normales y afectadas por salinidad (NaCl 100 mM).
Evaluación In Vivo: Se realizaron experimentos en macetas utilizando arroz (Oryza sativa L. cv. Green World Pusa PR-130) bajo condiciones de invernadero. Los tratamientos incluyeron controles sin inocular, PGPR libres, formulaciones basadas en alginato y la formulación DE. Se midieron parámetros como la arquitectura radicular, la actividad de la nitrogenasa, la altura de la planta, el peso seco, el área foliar y el rendimiento de grano.
Análisis Estadístico: Los datos se analizaron mediante ANOVA, la prueba de rango múltiple de Duncan (DMRT) y el Análisis de Componentes Principales (PCA) para evaluar las relaciones entre las propiedades del portador y el desempeño biológico.

Resultos Clave

Supervivencia: La formulación DE demostró una estabilidad de almacenamiento superior en comparación con el alginato y el papel no tejido por sí solos. El modelo bifásico reveló las constantes de tasa de inactivación más bajas para el sistema DE ( $k_1 = 0.030$ día $^{-1}$ y $k_2 = 0.003$ día $^{-1}$ ), lo que representa una reducción del 57% en la inactivación rápida y una reducción del 70% en la inactivación lenta en comparación con el portador no tejido.
Dinámica de Transporte: El análisis de difusión de humedad indicó que el sistema DE opera bajo un régimen de transporte controlado por la difusión. Exhibió la mayor difusividad efectiva normalizada ( $D_{eff}$ ) con un valor relativo de 1.0 (comparado con 0.14 para el no tejido y 0.37 para el alginato), un $D_{eff}$ absoluto de $2.57 \times 10^{-9}$ m $^2$ día $^{-1}$ , un módulo de Thiele de 6.84 y un número de Biot de $6.73 \times 10^5$ . Estos valores confirman que la matriz compuesta proporciona una fuerte barrera de difusión, protegiendo a las células a costa de limitaciones en la transferencia de masa interna.
Cinética de Liberación: El modelo de Weibull confirmó un perfil de liberación sostenida y controlada para el sistema DE. Bajo condiciones normales del suelo, la constante de tasa de liberación ( $k$ ) fue de $0.135 $día$ ^{-1}$, lo que es un 18% más lenta que el alginato y un 52% más lenta que el papel no tejido. Esta tendencia persistió bajo estrés salino, donde el sistema DE mantuvo una tasa de liberación menor ( $k = 0.235$ día $^{-1}$ ) en comparación con otros portadores.
Crecimiento de la Planta y Colonización: En los estudios de cultivo en macetas, la formulación DE resultó en una colonización de la rizosfera significativamente mayor en comparación con otras formulaciones. Específicamente, el portador DE registró una población un 26% mayor que el alginato y un 50% mayor que los portadores no tejidos bajo condiciones normales. Bajo condiciones normales, el arroz tratado con DE mostró un aumento del 16% en la longitud de la raíz y un aumento del 30% en el área radicular en comparación con el alginato. Bajo estrés salino, el tratamiento DE mantuvo longitudes de raíz superiores (5% más altas que el alginato) y mejoró significativamente el rendimiento de grano (4.5 g planta $^{-1}$ ), el cual fue un 25% mayor que el del alginato y un 67% mayor que el del control. La actividad de la nitrogenasa también fue la más alta en el tratamiento DE bajo condiciones normales y de estrés salino.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el sistema portador de doble entrampamiento aborda con éxito el compromiso entre la protección mecánica y la liberación controlada en las formulaciones de biofertilizantes. Al combinar perlas de alginato con una matriz no tejida, el sistema crea un microambiente protector que extiende significativamente la vida útil bacteriana y modula las cinéticas de liberación. El estudio afirma que esta protección controlada por difusión mejora la persistencia microbiana en la rizosfera, lo que conduce a una mejor arquitectura radicular y al crecimiento de las plantas, particularmente bajo condiciones de estrés abiótico como la salinidad. La integración de la modelación cuantitativa (supervivencia bifásica, módulo de Thiele y cinética de Weibull) proporciona un marco robusto para comprender y optimizar los fenómenos de transporte dentro de los portadores de PGPR, pasando de la observación empírica a una comprensión mecánica del desempeño de la formulación.

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