Desarrollan un ‘gel’ a partir de algas y cáscaras de gamba que conserva la humedad en los cultivos

Un equipo de investigación de la Universidad de Sevilla ha desarrollado un material hidroabsorbente a partir de quitosano y alginato, dos compuestos naturales procedentes de algas y cáscaras de crustáceos. Cuando está seco, se comporta como una esponja porosa, pero al hidratarse se transforma en una red gelificada que absorbe hasta 60 veces su propio peso en agua. Esta capacidad podría aprovecharse para conservar la humedad del suelo en periodos de sequía y, en el futuro, para liberar nutrientes de forma controlada en los cultivos.

Hidrogel de alginato de sodio y quitosano.

El trabajo propone una alternativa sostenible a los hidrogeles sintéticos que ya se utilizan en agricultura y jardinería para retener agua en el suelo. Aunque estos materiales resultan eficaces para conservar la humedad, muchos proceden de derivados petroquímicos y presentan una degradación limitada en el medio natural. En este caso, el equipo ha sustituido esas estructuras sintéticas por materiales biodegradables de origen natural con el objetivo de obtener formulaciones con menor impacto ambiental.

La novedad de la propuesta reside en el proceso desarrollado para combinar quitosano y alginato, sin incorporar compuestos sintéticos adicionales. El equipo ha ajustado las condiciones de fabricación para aprovechar la resistencia que aporta el quitosano y la elevada capacidad de absorción asociada al alginato. Además, el calcio actúa como una especie de ‘andamio molecular’ que refuerza la estructura física del material y mejora su estabilidad. “Esto quiere decir que el hidrogel resultante no se deshace cuando está hidratado y, al mismo tiempo, conserva una elevada capacidad para retener agua. Además, en el futuro este material podría cargarse con fertilizantes o micronutrientes para liberarlos de forma gradual en el suelo”, explica a la Fundación Descubre la investigadora de la Universidad de Sevilla Carmen María Granados Carrera.

Equipo de investigación del Departamento de ‘Ingeniería Química y Ambiental’ de la Universidad de Sevilla.

Elaborado con materiales de origen marino

El estudio, titulado ‘Chitosan-alginate hybrid hydrogels: Prospects for sustainable horticulture’ publicado en la revista Journal of Environmental Chemical Engineering, el equipo experto explica que su investigación parte de un problema creciente en agricultura: la pérdida de fertilidad de los suelos, la escasez de agua y el uso prolongado de productos agroquímicos. El empleo excesivo de fertilizantes puede provocar la pérdida de nutrientes, contaminar suelos y aguas y contribuir al crecimiento desproporcionado de organismos como las algas. 

Ante este escenario, los hidrogeles se plantean como pequeñas reservas de humedad: absorben agua durante el riego o la lluvia y la liberan progresivamente cuando el suelo se seca. “Buscábamos un material que no solo tuviera capacidad de absorción hídrica, sino que mantuviera su estructura física con el tiempo para que fuera duradero. Para una aplicación agrícola no basta con que el hidrogel se hinche; también debe resistir las condiciones del suelo y conservar sus propiedades”, comenta la científica.

Hidrogel de quitosano.

El equipo ha trabajado con dos compuestos naturales de origen marino: quitosano, obtenido a partir de la cáscara de crustáceos como las gambas, y alginato, presente en las algas. El primero aporta resistencia a la estructura; el segundo favorece la absorción y retención de agua. La combinación de ambos permite crear un material más equilibrado para su aplicación en el suelo.

De hidrogel a ‘esponja’ y viceversa

Para fabricar los hidrogeles, el equipo preparó tres mezclas: una con el material procedente de las cáscaras de gamba, otra con el extraído de algas y una tercera con ambos a partes iguales. Esta comparación les permitió comprobar qué aportaba cada ingrediente por separado y si la combinación de ambos lograba un material más equilibrado, que mantenía su estructura y capacidad de absorción. Después, los disolvieron en agua con ácido acético, un compuesto presente en el vinagre que ayuda a integrar los ingredientes. La mezcla se calentó y agitó durante una hora, como si se removiera una receta hasta conseguir una textura uniforme.

Hidrogel de alginato de sodio.

A continuación, convirtieron la mezcla en gel en dos fases. Primero, ajustaron el pH (es decir, la acidez) del quitosano para que formara una estructura física más sólida. Después, sumergieron el material en una disolución de cloruro de calcio, que reforzó el alginato y completó la formación del hidrogel. El resultado fue un material húmedo, flexible y con una textura parecida a la gelatina.

Una vez obtenido el material, los investigadores analizaron sus propiedades mediante distintas técnicas. Estudiaron sus enlaces químicos, su cristalinidad, su carga superficial, si mantenía la forma frente a cambios de temperatura y su estructura interna. Asimismo, evaluaron su comportamiento mecánico, es decir, cómo respondía el hidrogel ante deformaciones o esfuerzos repetidos. Esto sirve para comprobar si, una vez aplicado en el suelo, resistirá sin romperse o degradarse demasiado rápido. 

Por último, analizaron su capacidad para absorber agua después de secarlo mediante liofilización, un proceso que elimina el agua por congelación y vacío. “Es como fabricar una red microscópica, como una ‘esponja seca’. Si la red es demasiado rígida, absorbe menos agua; si es demasiado débil, puede perder la forma. Nuestro reto ha sido encontrar una formulación que combine ambas características”, señala Carmen María Granados Carrera. 

Biofertilizantes más sostenibles

Los resultados mostraron que la mezcla formada por quitosano y alginato a partes iguales ofrecía un buen equilibrio entre resistencia y absorción. En concreto, estos hidrogeles retenían entre 40 y 60 veces su propio peso en agua, según el tiempo que permanecieran sumergidos durante el proceso de fabricación. Además, conservaron su estabilidad hasta los 40 ºC, una temperatura elevada para un suelo agrícola, lo que indica que podrían mantener su estructura incluso en condiciones de calor.

Análisis de muestras en el laboratorio.

El equipo plantea ahora avanzar en la incorporación de fertilizantes y micronutrientes naturales al hidrogel, así como en la evaluación de su comportamiento en condiciones reales de suelo, con agua de riego y en escenarios adversos como salinidad o acidez. Además, analizarán su biodegradación y ecotoxicidad, esto es, la capacidad que tiene una sustancia de causar efectos dañinos en los seres vivos y ecosistemas con los que entra en contacto, para confirmar su seguridad ambiental antes de una posible aplicación agrícola a mayor escala. 

Este estudio ha sido co-financiado por la Consejería de Universidad, Investigación e Innovación de la Junta de Andalucía y fondos europeos, a través del proyecto ‘Desarrollo de matrices proteicas para la liberación controlada de nutrientes y agua en horticultura’. También ha contado con financiación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, la Agencia Estatal de Investigación.

Reportaje en iDescubre: Cómo mantener el suelo húmedo con algas y cáscaras de gamba