Con modelos matemáticos, investigadores BUAP buscan controlar plagas y minimizar daños al suelo

En la región de América Latina y el Caribe, la transformación del uso del suelo, las prácticas agrícolas y la deforestación, son responsables del 47 por ciento de las emisiones totales de gases de efecto invernadero, una cifra significativamente superior al promedio global (19 por ciento), según datos del Banco Mundial.

Esta situación se ve agravada por el uso de grandes cantidades de agroquímicos que contaminan y degradan el suelo, lo cual disminuye su fertilidad y aumenta la presencia de plagas; además de causar serios estragos al medio ambiente y a la salud de los consumidores de los productos agrícolas. Esto evidencia la urgencia de impulsar estrategias sostenibles y prácticas agrícolas resilientes al cambio climático en la región, con el objetivo de mitigar el impacto ambiental y promover la seguridad alimentaria a largo plazo.

Académicos del Grupo de Investigación Interdisciplinaria “Biotecnología agropecuaria frente al cambio climático”, de la BUAP, desarrollan bioplaguicidas y bioinsumos para la agricultura, a la par de incorporar técnicas de modelado matemático para describir la interacción de estos insecticidas biológicos con el suelo, plagas y cultivos. Así, se busca diseñar estrategias para utilizar estos bioinsumos minimizando efectos dañinos del cambio climático en la agricultura.

Los investigadores son Jessica Batalla Mayoral, Patricia Cruz Bautista, Jennifer Pérez Martínez y Carlos Eslí Tirado Erazo, de Ingeniería Agronómica y Zootecnia del Complejo Regional Centro, en Los Reyes de Juárez; Tania Gómez Hernández, del Bachillerato Tecnológico-San José Chiapa; así como Montserrat González Limón y Ángel Silveti Loeza, de la Facultad de Ingeniería Química (FIQ).

También colaboran Jesús Hinojosa Moya y Miriam Vega Hernández, de la FIQ, y Andrés Fraguela Collar, académico de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas (FCFM), quien se desempeña como asesor.

Enemigos naturales de plagas agrícolas

Jessica Batalla Mayoral, responsable del grupo de investigación, explicó que en esta búsqueda de conservación del suelo se estudia el efecto de bioplaguicidas desarrollados a partir de nemátodos entomopatógenos (NEP), capaces de infectar y matar insectos plaga que atacan los cultivos.

Estos NEP pertenecen al phylum nematoda y son miembros de las familias Steinernematidae y Heterorhabditidae. Se han registrado a nivel mundial alrededor de 100 especies de Steinernema y 26 de Heterorhabditis. Los NEP Steinernema y Heterorhabditis son parásitos de lepidópteros, coleópteros y ocasionalmente de ortópteros, dípteros e himenópteros. Steinernematidos y Heterorhabditis viven en simbiosis con bacterias Gram negativas del género Xenorhabdus y Photorhabdus, respectivamente, las cuales son su mayor fuente de alimento.

Los NEP invaden a los insectos huésped a través de sus orificios naturales (boca, ano y traquea) o directamente, a través de la cutícula. Una vez que entran a los insectos huésped encuentran condiciones óptimas para su reproducción. Las bacterias producen toxinas y otros metabolitos, para vencer los mecanismos de defensa del insecto y producir su muerte en cerca de dos días después de la invasión por NEP.

Biológicamente hablando, prosiguió Batalla Mayoral, los NEP son un enemigo natural que tiene una buena eficacia por su acción de hasta dos meses en cultivos agrícolas, en comparación con productos químicos. Por lo anterior, pueden usarse como controladores biológicos debido a su pronta respuesta y eficacia en control de plagas.

“Estos organismos microscópicos son enemigos naturales y depredadores de las plagas; sin embargo, necesitan de ellas para reproducirse y multiplicarse. No son patógenos para otras especies y no son dañinos para el medio ambiente ni para el ser humano”, detalló Batalla Mayoral, doctora en Tecnología Avanzada por el Instituto Politécnico Nacional.

La académica del Complejo Regional Centro comentó que además de trabajar con nemátodos entomopatógenos comerciales, se aislarán estos agentes de control biológico del suelo de la región de Los Reyes de Juárez, con el fin de optimizar la eficiencia del bioinsecticida en cuestión, el cual se probará en el control de plagas de gallina ciega y mosquita blanca en cultivos de brócoli.

De manera previa, se llevan a cabo experimentos en el laboratorio sobre las características fisicoquímicas y biológicas del suelo. También se estudiará cierto tipo de plagas (gallina ciega y mosquita blanca), de cultivos y de nemátodos a utilizar, así como el periodo idóneo para asperjar el insecticida biológico.

Minimizar el efecto de plagas

Los nemátodos entomopatógenos son organismos complejos con un ciclo de vida que involucra interacciones con insectos hospederos y el suelo. La modelación matemática puede abordar la dinámica de estas interacciones a lo largo del tiempo.

Andrés Fraguela Collar, coordinador del Centro Multidisciplinario de Modelación Matemática y Computacional (CEMMAC), definió la modelación matemática como una herramienta para describir de forma aproximada un objeto de estudio del mundo real, a través del conocimiento de las leyes que rigen su comportamiento y de abstracciones matemáticas expresadas en forma de ecuaciones de diferentes tipos (algebraicas, trascendentes, diferenciales, integrales, etcétera).

“Cuando se tiene un modelo matemático de un componente de la realidad (calibrado y validado con datos y mediciones), se cuenta con una herramienta capaz de reproducir de forma aproximada las propiedades cualitativas y cuantitativas que se observan de esa realidad. También permite realizar pronósticos y simulaciones de situaciones que, aunque podrían ocurrir, sería difícil reproducirlas de forma material para estudiarlas. Pero, aún más importante, el modelo permite diseñar estrategias de control, mediante las cuales se puede transformar esa realidad, llevándola de un estado no deseable a otro deseable, con un gasto mínimo de recursos y de manera óptima según ciertos criterios que se establecen a priori”.

El académico señaló que todo lo anterior tiene la virtud de ofrecer soluciones cualitativas y cuantitativas fundamentadas a los problemas de la vida real, las cuales brindan información para la toma de decisiones y desarrollo de sistemas computarizados de gestión. Sin embargo, para que esta metodología funcione, se requiere del apoyo, colaboración, confianza y compromiso mutuo entre los investigadores, autoridades académicas y tomadores de decisiones. Cuando alguno de estos eslabones falla, la investigación se queda, si acaso, en la publicación de algún paper y nunca llega a aplicarse.

En el caso del biocontrol de plagas en cultivos, el doctor Fraguela Collar, quien también desarrolla la línea de investigación Epidemiología Matemática con el estudio del dengue y el COVID, enfatizó que las técnicas de modelación matemática permitirán conocer las interacciones de los microorganismos en cuestión con las plagas, para optimizar la aplicación de bioinsecticidas en el control de éstas.

El académico de la FCFM informó que su contribución en modelación matemática en este estudio se divide en cuatro etapas: la primera es la aspersión de bioplaguicidas elaborados con nemátodos, considerando todas las variables que intervienen en este proceso, desde su preparación hasta su aplicación al suelo o al cultivo.

“En la segunda etapa se estudiará el proceso de acercamiento entre el nemátodo y la plaga, que aún no sabemos si es de carácter determinístico o un problema estadístico relacionado con la llamada caminata aleatoria. En la tercera, la dinámica poblacional de la interacción nemátodo-plaga a medida que transcurren sus ciclos evolutivos, para planificar el proceso de aspersión de los nematodos y lograr un control óptimo de la población de plagas; y, la última etapa se centra en el análisis de la interacción de la plaga con la planta en presencia del nemátodo”, expuso.

El proyecto se encuentra en el desarrollo de la primera y segunda etapas, con el diseño de la metodología, en la definición de los modelos a utilizar y en la distribución de actividades entre los miembros del grupo de investigación.

Dos estudiantes de la Licenciatura en Física de la FCFM están vinculados a este proyecto. Uno estudia las variables del proceso de aspersión de nemátodos, en dependencia con las características de diferentes tipos de aspersores y cómo se expresa; en función de esas variables, la densidad de nemátodos que va a atacar a la plaga. El segundo, el tiempo promedio de contacto entre nemátodos asperjados y la plaga. Igualmente, colaboran dos estudiantes de la carrera de Ingeniería Agronómica y Zootecnia, a través de una estancia de investigación.