BR102020002179A2 - BIOPESTICIDES NANOFORMULATIONS BASED ON SECONDARY METABOLITES AND MICRONUTRIENTS, THEIR PROCESS FOR OBTAINING AND THEIR USE IN PATHOGEN AND PEST CONTROL - Google Patents
BIOPESTICIDES NANOFORMULATIONS BASED ON SECONDARY METABOLITES AND MICRONUTRIENTS, THEIR PROCESS FOR OBTAINING AND THEIR USE IN PATHOGEN AND PEST CONTROL Download PDFInfo
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Abstract
nanoformulações biopesticidas baseadas em metabólitos secundários e micronutrientes, seu processo de obtenção e seu uso no controle de patógenos e pragas. a presente invenção situa-se no campo da nanotecnologia. trata-se de nanoformulações baseadas em carbon-dots e cobre e carbon-dots e óleos essenciais de citronela, cravo e laranja doce. tais nanoformulações possuem atividade antifúngica e larvicida, portanto, úteis para o desenvolvimento de biopesticidas a serem utilizados no controle de patógenos e pragas.biopesticidal nanoformulations based on secondary metabolites and micronutrients, their production process and their use in the control of pathogens and pests. the present invention is situated in the field of nanotechnology. these are nanoformulations based on carbon-dots and copper and carbon-dots and essential oils of citronella, cloves and sweet orange. such nanoformulations have antifungal and larvicidal activity, therefore, useful for the development of biopesticides to be used in the control of pathogens and pests.
Description
[001] A presente invenção situa-se no campo da nanotecnologia. Trata-se de nanoformulações baseadas em Carbon-dots e cobre e Carbon-dots e óleos essenciais de citronela, cravo e laranja doce. Tais nanoformulações possuem atividade antifúngica e larvicida, portanto, úteis para o desenvolvimento de biopesticidas a serem utilizados no controle de patógenos e pragas.[001] The present invention is located in the field of nanotechnology. These are nanoformulations based on Carbon-dots and copper and Carbon-dots and essential oils of citronella, cloves and sweet orange. Such nanoformulations have antifungal and larvicidal activity, therefore, useful for the development of biopesticides to be used in the control of pathogens and pests.
[002] As doenças de plantas são causadas por patógenos, as quais acarretam em perdas significativas na produção agrícola, sendo o controle destes patógenos de extrema importância para o mercado agroindustrial.[002] Plant diseases are caused by pathogens, which lead to significant losses in agricultural production, and the control of these pathogens is extremely important for the agro-industrial market.
[003] Um exemplo disso é a ferrugem do café, a principal doença do cafeeiro, que é responsável anualmente por perdas financeiras significativas, pois interfere diretamente na produção de café arábica (Coffea arabica L.) (TALHINHAS, Pedro, et al. Molecular Plant Pathology, 18: 1039-1051, 2017).[003] An example of this is coffee rust, the main disease of the coffee tree, which is annually responsible for significant financial losses, as it directly interferes in the production of Arabica coffee (Coffea arabica L.) (TALHINHAS, Pedro, et al. Molecular Plant Pathology, 18: 1039-1051, 2017).
[004] Além das questões econômicas ligadas à agroindústria, o controle de pragas também é uma questão de saúde pública. O controle de doenças transmitidas por inseto tais como dengue, febre amarela, chikungunya e zika, é um problema principalmente em países de clima tropical e subtropical, uma vez que, não há vacinas efetivas e medicações especificas para estes vírus, tornando-se necessário o controle do mosquito vetor de transmissão por intermédio de inseticidas que atuam de forma repelente e/ou larvicida (YOON, Jong, et al. Journal of Parasitology Research, 2015: 1-6, 2015).[004] In addition to economic issues related to agribusiness, pest control is also a public health issue. The control of diseases transmitted by insects such as dengue, yellow fever, chikungunya and Zika is a problem mainly in countries with tropical and subtropical climate, since there are no effective vaccines and specific medications for these viruses, making it necessary to control of the mosquito vector of transmission through insecticides that act in a repellent and/or larvicide manner (YOON, Jong, et al. Journal of Parasitology Research, 2015: 1-6, 2015).
[005] Diante desta problemática, uma das soluções para o controle de pragas é o uso de pesticidas, nome geral para compostos químicos desenvolvidos para controlar pragas, que podem ser plantas, fungos ou animais. Existem vários tipos de pesticidas, para cada praga específica, incluindo: herbicidas, inseticidas, bactericidas, fungicidas, biopesticidas, repelentes de animais e outros. O principal uso de pesticidas é na agricultura, com a finalidade de proteger as culturas contra patógenos de plantas (bactérias, fungos e vírus), insetos e ervas daninhas (RAMADASS, Manjula; THIAGARAJAN, Padma. IOP Conf. Series: Mater. Sc. Eng, 263: 1-12, 2017).[005] Given this problem, one of the solutions for pest control is the use of pesticides, a general name for chemical compounds developed to control pests, which can be plants, fungi or animals. There are several types of pesticides, for each specific pest, including: herbicides, insecticides, bactericides, fungicides, biopesticides, animal repellents and others. The main use of pesticides is in agriculture, with the purpose of protecting crops against plant pathogens (bacteria, fungi and viruses), insects and weeds (RAMADASS, Manjula; THIAGARAJAN, Padma. IOP Conf. Series: Mater. Sc. Eng, 263: 1-12, 2017).
[006] No decorrer das últimas décadas, a Revolução Verde promoveu um aumento sensível na produção de alimentos e rações com base no uso indiscriminado de insumos agroquímicos (MOSSA, Abdel-Tawab H. Journal of Envir. Sc. Tech., 9: 354-378, 2016). As aplicações desenfreadas de pesticidas convencionais contribuíram para o aumento da resistência de pragas e doenças, o ressurgimento de pragas anteriormente controladas, anomalias genéticas em plantas e animais e a presença de resíduos tóxicos nos alimentos. Além disso, a dependência de pesticidas sintéticos e sua aplicação indiscriminada também são responsáveis por diversos efeitos prejudiciais ao meio ambiente.[006] Over the last few decades, the Green Revolution has promoted a significant increase in food and feed production based on the indiscriminate use of agrochemical inputs (MOSSA, Abdel-Tawab H. Journal of Envir. Sc. Tech., 9: 354 -378, 2016). Unrestrained applications of conventional pesticides have contributed to increased resistance to pests and diseases, the resurgence of previously controlled pests, genetic anomalies in plants and animals, and the presence of toxic residues in food. Furthermore, the dependence on synthetic pesticides and their indiscriminate application are also responsible for several harmful effects on the environment.
[007] O uso extensivo de pesticidas de uso sanitário na agricultura está associado à toxicidade ao meio ambiente, contribuindo para a presença de material tóxico na superfície do solo e águas subterrâneas e, além disso, podem ser tóxicos para a saúde das plantas e dos animais (DUHAN, Joginder et al. Biotechnology Reports, 15: 11–23, 2017).[007] The extensive use of pesticides for sanitary use in agriculture is associated with toxicity to the environment, contributing to the presence of toxic material on the surface of the soil and groundwater and, in addition, can be toxic to the health of plants and animals (DUHAN, Joginder et al. Biotechnology Reports, 15: 11–23, 2017).
[008] No caso de controle de insetos artrópodes, como Aedes aegypti L., por exemplo, utiliza-se frequentemente inseticidas baseados no composto DEET (N,N-dietil metatoluamida), sendo este associado com alguns efeitos adversos severos, como distúrbios sensoriais e alteração na capacidade motora, na memória e na capacidade de aprendizado (YOON, Jong, et al. Journal of Parasitology Research, 1-6, 2015). Além de que, o DEET em altas concentrações pode causar encefalopatia e outros efeitos colaterais em crianças (LEE, Mi Young. BioMed Research International, 1-9, 2018).[008] In the case of arthropod insect control, such as Aedes aegypti L., for example, insecticides based on the compound DEET (N,N-diethyl metatoluamide) are often used, which is associated with some severe adverse effects, such as sensory disturbances and alteration in motor ability, memory and learning ability (YOON, Jong, et al. Journal of Parasitology Research, 1-6, 2015). Furthermore, DEET in high concentrations can cause encephalopathy and other side effects in children (LEE, Mi Young. BioMed Research International, 1-9, 2018).
[009] Uma das alternativas aos pesticidas químicos tradicionais é o uso de biopesticidas. Biopesticidas são compostos que contêm agentes de biocontrole como organismos naturais (como bactérias, fungos, plantas ou animais) ou substâncias derivadas de seres vivos, incluindo seus genes e/ou metabólitos, para o controle de pragas.[009] One of the alternatives to traditional chemical pesticides is the use of biopesticides. Biopesticides are compounds that contain biocontrol agents such as natural organisms (such as bacteria, fungi, plants or animals) or substances derived from living beings, including their genes and/or metabolites, for pest control.
[010] Tais compostos podem ser classificados em: pesticidas microbianos, protetores incorporados em plantas (PIPs) e pesticidas bioquímicos (SPORLEDER, Marc; LACEY, Lawrence. Academic Press, 463–497, 2013).[010] Such compounds can be classified into: microbial pesticides, plant-incorporated protectants (PIPs) and biochemical pesticides (SPORLEDER, Marc; LACEY, Lawrence. Academic Press, 463–497, 2013).
[011] Esses agentes ganham destaque, pois são ambientalmente seguros, específicos para alvos, biodegradáveis e adequados para os programas de manejo integrado de pragas (MIP) (MOSSA, Abdel-Tawab H. Journal of Envir. Sc. Tech., 9: 354-378, 2016).[011] These agents are highlighted as they are environmentally safe, target-specific, biodegradable, and suitable for integrated pest management (IPM) programs (MOSSA, Abdel-Tawab H. Journal of Envir. Sc. Tech., 9: 354-378, 2016).
[012] Os pesticidas bioquímicos referem-se a produtos químicos que são totalmente ou parcialmente derivados de fontes biológicas, como, por exemplo, plantas, algas, culturas, animais e outros resíduos orgânicos, como os co-produtos das cadeias alimentícias. São substâncias naturais, como metabólitos, hormônios, extratos de plantas e reguladores naturais de crescimento de insetos, que controlam as pragas por mecanismos não tóxicos (SPORLEDER, Marc; LACEY, Lawrence. Academic Press, 463–497, 2013).[012] Biochemical pesticides refer to chemicals that are wholly or partially derived from biological sources, such as, for example, plants, algae, crops, animals and other organic wastes, such as by-products from the food chain. They are natural substances, such as metabolites, hormones, plant extracts and natural insect growth regulators, that control pests through non-toxic mechanisms (SPORLEDER, Marc; LACEY, Lawrence. Academic Press, 463–497, 2013).
[013] Ao contrário dos pesticidas químicos tradicionais, aqueles bioquímicos não precisam eliminar diretamente as pragas, mas podem controlar sua multiplicação e prevenir o desenvolvimento do ciclo biológico, além de serem mais específicos (VISHWAKARMA, Kanchan et al. Academic Press, 473–500, 2018).[013] Unlike traditional chemical pesticides, those biochemicals do not need to directly eliminate pests, but can control their multiplication and prevent the development of the biological cycle, in addition to being more specific (VISHWAKARMA, Kanchan et al. Academic Press, 473–500 , 2018).
[014] Extratos de plantas compreendem vários tipos de metabólitos (alcaloides, terpenoides e compostos fenólicos) e químicos secundários, uma mistura complexa que a planta desenvolveu para se proteger de diferentes pragas. Estes compostos químicos são agentes bioativos contra patógenos e outras pragas, e possuem modo de ação pelo controle (sendo repelente ou interferindo no ciclo biológico) e/ou efeito letal (eliminando as pragas) (PINHEIRO, Patrícia Fontes et al. Ciênc. agrotec. Lavras, 37: 138–144, 2013). Dessa forma, esses metabólitos são utilizados como biopesticidas para a proteção de cultivos agrícolas (SPORLEDER, Marc; LACEY, Lawrence. Academic Press, 463–497, 2013).[014] Plant extracts comprise several types of metabolites (alkaloids, terpenoids and phenolic compounds) and secondary chemicals, a complex mixture that the plant has developed to protect itself from different pests. These chemical compounds are bioactive agents against pathogens and other pests, and have a mode of action through control (being repellent or interfering in the biological cycle) and/or lethal effect (eliminating pests) (PINHEIRO, Patrícia Fontes et al. Ciênc. agrotec. Lavras, 37: 138–144, 2013). Thus, these metabolites are used as biopesticides for the protection of agricultural crops (SPORLEDER, Marc; LACEY, Lawrence. Academic Press, 463–497, 2013).
[015] Os óleos essenciais (OEs) também são moléculas bioativas, biodegradáveis, não tóxicas com uso potencial no manejo de pragas, pois são fontes ecológicas que apresentam atividade contra agentes como larvas e mosquitos adultos. Os OEs são uma mistura de compostos voláteis, lipofílicos e de baixo peso molecular, cujos constituintes mais comuns são terpenoides e fenilpropanoides (PAVELA, Roman, et al. Ind. Crops Prod., 129: 631–40, 2019).[015] Essential oils (EOs) are also bioactive, biodegradable, non-toxic molecules with potential use in pest management, as they are ecological sources that have activity against agents such as larvae and adult mosquitoes. EOs are a mixture of volatile, lipophilic and low molecular weight compounds, whose most common constituents are terpenoids and phenylpropanoids (PAVELA, Roman, et al. Ind. Crops Prod., 129: 631–40, 2019).
[016] Em contraste com as moléculas de pesticidas sintéticos, os OEs são particularmente atraentes porque a maioria deles é reconhecido como seguro pelo FDA (do inglês Food and Drug Administration) e pela EPA (do inglês Environmental Protection Agency). Os OEs não são apenas de fácil manipulação laboral, mas a presença de diferentes compostos bioativos reduz a chance de desenvolvimento de resistência. Atualmente, mais de 3000 constituintes foram identificados e alguns deles apresentaram efeitos inseticidas contra vários tipos de pragas (MOSSA, Abdel-Tawab H. Journal of Envir. Sc. Tech., 9: 354-378, 2016).[016] In contrast to synthetic pesticide molecules, EOs are particularly attractive because most of them are recognized as safe by the Food and Drug Administration (FDA) and the EPA (Environmental Protection Agency). EOs are not only easy to handle at work, but the presence of different bioactive compounds reduces the chance of resistance development. Currently, more than 3000 constituents have been identified and some of them have shown insecticidal effects against various types of pests (MOSSA, Abdel-Tawab H. Journal of Envir. Sc. Tech., 9: 354-378, 2016).
[017] Todas essas características são indicativas de que biopesticidas à base de OEs poderiam ser aplicados para controlar uma grande variedade de pragas, inclusive as pragas causadas por insetos, uma vez que relatos recentes mostraram que alguns constituintes químicos desses OEs podem interferir especificamente no sistema nervoso octopaminérgico desses animais, sem apresentar risco para mamíferos (JANKOWSKA, Milena, et al. Molecules, 23: 1-20, 2018).[017] All these characteristics are indicative that biopesticides based on EOs could be applied to control a wide variety of pests, including pests caused by insects, since recent reports have shown that some chemical constituents of these EOs can specifically interfere with the system octopaminergic nervous system of these animals, without presenting risk to mammals (JANKOWSKA, Milena, et al. Molecules, 23: 1-20, 2018).
[018] Embora as atividades biológicas de OEs sejam promissoras, algumas limitações precisam ser superadas para sua utilização em larga escala, como por exemplo, volatilidade, baixa solubilidade em água e fácil oxidação por exposição à luz e calor. (MOSSA, AbdelTawab H. Journal of Envir. Sc. Tech., 9: 354-378, 2016).[018] Although the biological activities of EOs are promising, some limitations need to be overcome for their use on a large scale, such as volatility, low water solubility and easy oxidation by exposure to light and heat. (MOSSA, AbdelTawab H. Journal of Envir. Sc. Tech., 9: 354-378, 2016).
[019] No Estado da Técnica são encontrados trabalhos que relatam a aplicação de OEs como pesticidas naturais.[019] In the State of the Art works that report the application of EOs as natural pesticides are found.
[020] Pereira e colaboradores (2012) descrevem o uso de OE de citronela (extraído de Cymbopogon nardus) como um potencial fungicida em cultivares de café. Nesse estudo, o OE de citronela controlou, de forma parcial, a ferrugem do café (Hemileia vastatrix) e a cercosporiose (Cercospora coffeicola) com eficácias de 47,2% e 29,7%, respectivamente. Além de realizar a ativação do sistema de defesa da planta, promovida pelo aumento das atividades das enzimas peroxidase e quitinase, assim como, o acúmulo de lignina nas folhas de café após 14 dias da pulverização do OE (PEREIRA, Ricardo Borges et al. Ciênc. agrotec, 36: 383-390, 2012).[020] Pereira et al. (2012) describe the use of citronella EO (extracted from Cymbopogon nardus) as a potential fungicide in coffee cultivars. In this study, citronella EO partially controlled coffee rust (Hemileia vastatrix) and brown spot (Cercospora coffeicola) with efficacy of 47.2% and 29.7%, respectively. In addition to activating the plant's defense system, promoted by the increase in the activities of the enzymes peroxidase and chitinase, as well as the accumulation of lignin in the coffee leaves after 14 days of spraying the OE (PEREIRA, Ricardo Borges et al. Ciênc . agrotec, 36: 383-390, 2012).
[021] Mahakittikun e colaboradores (2014) mostraram a utilização de OE de cravo (extraído de Eugenia caryophyllus) como potencial acaricida, bactericida e fungicida. Nesse estudo, um extrato herbal (contendo 2% de OE de cravo) teve sua atividade biológica testada contra ácaros da poeira doméstica (Dermatophagoides pteronyssinus), bactérias (Escherichia coli, Staphylococcus aureus e Pseudomonas aeruginosa) e fungos (Candida albicans e Aspergillus fumigatus). A solução de OE de cravo apresentou atividade acaricida expressiva, tendo uma taxa de mortalidade de 99% do ácaro. Além disso, a solução também apresentou atividade inibitória do crescimento de fungos e de bactérias (MAHAKITTIKUN, Vanna et al. Asian Pacific jour. all. immun., 32: 46–52, 2014).[021] Mahakittikun et al. (2014) showed the use of clove EO (extracted from Eugenia caryophyllus) as a potential acaricide, bactericide and fungicide. In this study, an herbal extract (containing 2% clove EO) had its biological activity tested against house dust mites (Dermatophagoides pteronyssinus), bacteria (Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa) and fungi (Candida albicans and Aspergillus fumigatus) . The clove EO solution showed expressive acaricide activity, with a 99% mortality rate for the mite. In addition, the solution also showed inhibitory activity on fungal and bacterial growth (MAHAKITTIKUN, Vanna et al. Asian Pacific jour. all. immun., 32: 46–52, 2014).
[022] Metoui e colaboradores (2015) relataram o uso de OE de laranja doce (extraído de Citrus aurantium) como potencial fungicida. Foram feitos testes de atividade antifúngica para os fungos Fusarium oxysporum, Fusarium solani, Botrytis cinerea, Bipolaris sorokiniana e Fusarium avenaceum, em que se observou uma taxa de inibição do crescimento de 80% para todos os fungos testados, mostrando significativa atividade antifúngica para a concentração de 4 µL∙mL-1 do OE (METOUI, Nadia et al. Natural Product Research, 29: 2238-2241, 2015).[022] Metoui et al. (2015) reported the use of sweet orange EO (extracted from Citrus aurantium) as a potential fungicide. Antifungal activity tests were carried out for the fungi Fusarium oxysporum, Fusarium solani, Botrytis cinerea, Bipolaris sorokiniana and Fusarium avenaceum, in which a growth inhibition rate of 80% was observed for all tested fungi, showing significant antifungal activity for the concentration of 4 µL∙ml-1 of the EO (METOUI, Nadia et al. Natural Product Research, 29: 2238-2241, 2015).
[023] Sendo assim, os trabalhos citados indicam que os OEs de citronela, cravo e laranja doce apresentam atividade antimicrobiana com potencial para aplicação como biopesticida para controle de insetos-pragas e doenças causadas por fungos e bactérias. No entanto, problemas como volatilidade, baixa solubilidade em meio aquoso, estabilidade dos OEs e entrega ao local-alvo das moléculas bioativas não são abordados pelos trabalhos descritos. Dessa forma, a presente invenção supera os estudos descritos por se tratar de nanoformulação em que os OEs estão associados à nanopartículas de Carbon-dots. Tal associação contribui para a redução das taxas de volatilização dos OEs, bem como, para a melhora na dispersão em meio aquoso e entrega direcionada das moléculas bioativas.[023] Thus, the works cited indicate that the EOs of citronella, clove and sweet orange have antimicrobial activity with potential for application as a biopesticide to control insect-pests and diseases caused by fungi and bacteria. However, problems such as volatility, low solubility in aqueous media, stability of EOs and delivery of bioactive molecules to the target site are not addressed by the works described. Thus, the present invention surpasses the studies described because it is a nanoformulation in which the EOs are associated with carbon-dots nanoparticles. This association contributes to the reduction of EO volatilization rates, as well as to the improvement in dispersion in aqueous media and targeted delivery of bioactive molecules.
[024] Além dos OEs, alguns micronutrientes, como o cobre, podem ser usados como agentes bioativos no controle de patógenos e pragas (RENNÓ, Marcelo, et al. SPCB, 8: 220-226, 2013).[024] In addition to EOs, some micronutrients, such as copper, can be used as bioactive agents in the control of pathogens and pests (RENNÓ, Marcelo, et al. SPCB, 8: 220-226, 2013).
[025] O cobre é um elemento químico importante na saúde de plantas e animais, sendo que a deficiência de cobre em culturas agrícolas é suplementada pelo uso de fertilizantes e nanofertilizantes (VISHWAKARMA, Kanchan et al. Academic Press, 473–500, 2018).[025] Copper is an important chemical element in the health of plants and animals, and copper deficiency in agricultural crops is supplemented by the use of fertilizers and nanofertilizers (VISHWAKARMA, Kanchan et al. Academic Press, 473–500, 2018) .
[026] O cobre está na composição de diversos fungicidas utilizados no mercado agroquímico mundial (ELGUINDI, Jutta, et al. Appl. Microb. Biotech., 91: 237–249, 2011).[026] Copper is in the composition of several fungicides used in the world agrochemical market (ELGUINDI, Jutta, et al. Appl. Microb. Biotech., 91: 237–249, 2011).
[027] Em relação à concentração de cobre a ser utilizada no controle de pragas, ressalta-se que as formulações devem ser estabelecidas abaixo de 100 ppm. Entretanto, os agroquímicos atuais ultrapassam esse parâmetro e, por isso, apresentam toxicidade (CAMPOY, Sonia; ADRIO, José L. Biochemical Pharmacology, 133: 86–96, 2017).[027] Regarding the concentration of copper to be used in pest control, it is noteworthy that the formulations should be established below 100 ppm. However, current agrochemicals go beyond this parameter and, therefore, present toxicity (CAMPOY, Sonia; ADRIO, José L. Biochemical Pharmacology, 133: 86–96, 2017).
[028] O cobre é aceito e amplamente utilizado na agricultura orgânica, como composição da calda bordalesa (sulfato de cobre com cal virgem diluídos em água) (BRASIL. Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Instrução Normativa n° 46, de 6 outubro de ; CIDADE JUNIOR, H. A.; FONTE, N. N. da; CAMARGO, R. F. R. Informações básicas sobre agricultura orgânica. Curitiba: SENAR-PR, 2007, 128p. HENZ, G. P.; ALCÂNTRA, F. A.; RESENDE, F. V. Produção orgânica de hortaliças: o produtor pergunta, a Embrapa responde. Brasília: Embrapa informação tecnológica, 2007, 308p; É FÁCIL FAZER! CALDA BORDALESA 1%, Vitória: Projeto Tecnologias Alternativas – FASE, 1986, 4p).[028] Copper is accepted and widely used in organic agriculture, as a composition of Bordeaux mixture (copper sulphate with quicklime diluted in water) (BRAZIL. Ministry of Agriculture, Livestock and Supply. Normative Instruction No. 46, of 6 October de ; CIDADE JUNIOR, HA; SOURCE, NN da; CAMARGO, RFR Basic information on organic agriculture. Curitiba: SENAR-PR, 2007, 128p. HENZ, GP; ALCÂNTRA, FA; RESENDE, FV Organic production of vegetables: the producer asks , Embrapa answers. Brasília: Embrapa technological information, 2007, 308p; IT'S EASY TO DO! CALDA BORDALESA 1%, Vitória: Alternative Technologies Project – FASE, 1986, 4p).
[029] Nesse sentido, a nanotecnologia é uma possível alternativa para resolver o problema das elevadas concentrações de cobre utilizadas na formulação dos pesticidas químicos tradicionais. O desenvolvimento de formulações em escala nano com agentes bioativos, os chamados nanobiopesticidas possibilita a disponibilização do metal de forma direcionada, reduzindo as concentrações do mesmo no meio (HAYLES, John et al. Academic Press, 193–225, 2017).[029] In this sense, nanotechnology is a possible alternative to solve the problem of high concentrations of copper used in the formulation of traditional chemical pesticides. The development of nanoscale formulations with bioactive agents, the so-called nanobiopesticides, makes it possible to make the metal available in a targeted way, reducing its concentrations in the medium (HAYLES, John et al. Academic Press, 193–225, 2017).
[030] Para isso, torna-se necessário a escolha de um sistema de carreamento ao alvo por meio da seleção de nanomateriais. Com a definição das nanopartículas que serão utilizadas na construção das nanoformulações, as características físicas e químicas destes nanomateriais conduzirão ao êxito da aplicação do produto final (PODDAR, Kingshuk et al. Woodhead Publishing, 281–303, 2018).[030] For this, it becomes necessary to choose a system for carrying to the target through the selection of nanomaterials. With the definition of the nanoparticles that will be used in the construction of the nanoformulations, the physical and chemical characteristics of these nanomaterials will lead to the successful application of the final product (PODDAR, Kingshuk et al. Woodhead Publishing, 281–303, 2018).
[031] Neste contexto, a presente invenção propõe uma nanoformulação baseada na associação de cobre a nanopartículas de Carbon-dots.[031] In this context, the present invention proposes a nanoformulation based on the association of copper to Carbon-dots nanoparticles.
[032] Carbon quantum dots, Carbon-dots, é uma classe de nanopartículas esferoidais, com dimensões menores que 10 nm, compostas por um domínio poliaromático altamente ordenado (núcleo) coberto por uma borda de carbono amorfa (CHOI, Yuri et al. Chem. Asian J., 13: 586-598, 2018; KWON, Woosung et al. Scientific Reports, 5: 12604- 12614, 2015).[032] Carbon quantum dots, Carbon-dots, is a class of spheroidal nanoparticles, with dimensions smaller than 10 nm, composed of a highly ordered polyaromatic domain (core) covered by an amorphous carbon border (CHOI, Yuri et al. Chem. Asian J., 13: 586-598, 2018; KWON, Woosung et al. Scientific Reports, 5: 12604-12614, 2015).
[033] Os Carbon-dots apresentam características que podem ser exploradas em diversas aplicações, como propriedades espectroscópicas, baixa toxicidade, biocompatibilidade e boa robustez química e física. Os Carbon-dots emergiram como um nanomaterial promissor, que pode atender à necessidade do desenvolvimento de pesticidas verdes (LUO, Pengju et al. RSC Advances, 4: 10791-10807, 2014).[033] Carbon-dots have characteristics that can be exploited in various applications, such as spectroscopic properties, low toxicity, biocompatibility and good chemical and physical robustness. Carbon-dots have emerged as a promising nanomaterial that may meet the need for the development of green pesticides (LUO, Pengju et al. RSC Advances, 4:10791-10807, 2014).
[034] Outro aspecto importante está relacionado à perspectiva de segurança ocupacional, pois os trabalhadores agrícolas são expostos cronicamente aos pesticidas durante sua rotina de trabalho. No entanto, por se tratar de um material não tóxico, a exposição humana aos Carbon-dots não acarreta problemas de saúde aos trabalhadores.[034] Another important aspect is related to the perspective of occupational safety, as agricultural workers are chronically exposed to pesticides during their work routine. However, as it is a non-toxic material, human exposure to Carbon-dots does not cause health problems for workers.
[035] Os resultados apresentados por Zheng e colaboradores (2015) mostraram que os Carbon-dots de ácido cítrico não apresentaram toxicidade (aguda e subaguda, LD50% ~ 400 mg∙kg-1) ou genotoxicidade em camundongos. Neste estudo, os Carbon-dots foram administrados por via intravenosa e, após algumas horas, foram excretados pelo trato urinário sem qualquer evidência de bioacumulação (ZHENG, Xiao, et al. RSC Advances, 5: 91398–406, 2015).[035] The results presented by Zheng et al. (2015) showed that citric acid carbon-dots did not show toxicity (acute and subacute, LD50% ~ 400 mg∙kg-1) or genotoxicity in mice. In this study, Carbon-dots were administered intravenously and, after a few hours, were excreted through the urinary tract without any evidence of bioaccumulation (ZHENG, Xiao, et al. RSC Advances, 5: 91398–406, 2015).
[036] Assim sendo, nanoformulações podem apresentar características úteis únicas em comparação com seus análogos materiais em massa, devido ao pequeno tamanho e enorme relação área/volume da superfície, além de aumentar a solubilidade e a dispersão de agentes bioativos e, até mesmo, substâncias químicas sintéticas na água. Tais formulações podem aumentar a biodisponibilidade dos compostos ativos, reduzir a toxicidade inerente a certos agentes e fornecer especifica e gradualmente nos locais-alvo (ATHANASSIOU, Christos, et al. J Pest Sci, 91: 1-15, 2018).[036] Therefore, nanoformulations may have unique useful characteristics compared to their bulk material analogues, due to the small size and huge surface area/volume ratio, in addition to increasing the solubility and dispersion of bioactive agents and even synthetic chemicals in water. Such formulations can increase the bioavailability of active compounds, reduce the toxicity inherent to certain agents and deliver specifically and gradually to target sites (ATHANASSIOU, Christos, et al. J Pest Sci, 91: 1-15, 2018).
[037] A publicação internacional WO2010/068275A1 relata sobre uma nanoformulação a base de sílica que pode ser usada para tratar o cancro cítrico causado pela bactéria Xanthomonas axonopodis, inibir o crescimento de mofo e bolor e adicionar nutrientes ao solo. Tratase de nanoestrutura à base de gel de sílica carregado com cobre (CuSiNG), que utiliza nanopartículas de sílica que apresentam um grupo hidroxila exposto em sua superfície. Entretanto, essa característica limita o tipo de molécula que será conjugada na superfície do nanomaterial, reduzindo a aplicabilidade de carreamento do mesmo. Por ser um nano gel, o modo de aplicação e o tipo de tratamento são limitados (WU, Si-Han, et al. Chem. Soc. Rev., 42: 3862-3875, 2013).[037] The international publication WO2010/068275A1 reports on a silica-based nanoformulation that can be used to treat citrus canker caused by the bacteria Xanthomonas axonopodis, inhibit mold and mildew growth and add nutrients to the soil. It is a nanostructure based on copper-loaded silica gel (CuSiNG), which uses silica nanoparticles that have an exposed hydroxyl group on their surface. However, this characteristic limits the type of molecule that will be conjugated on the surface of the nanomaterial, reducing its carrying applicability. As it is a nanogel, the mode of application and the type of treatment are limited (WU, Si-Han, et al. Chem. Soc. Rev., 42: 3862-3875, 2013).
[038] A presente invenção supera tais limitações, uma vez que, dependendo do material de partida para síntese dos Carbon-dots, as nanopartículas apresentam diferentes grupos funcionais que possibilitam a interação com diferentes moléculas, além de ser um carreador menor (diâmetro <10 nm), o que melhora a dispersão e incorporação do material. Estas características ampliam o campo de aplicação das nanoformulações baseadas em Carbon-dots.[038] The present invention overcomes such limitations, since, depending on the starting material for the synthesis of Carbon-dots, nanoparticles have different functional groups that enable interaction with different molecules, in addition to being a smaller carrier (diameter <10 nm), which improves dispersion and incorporation of the material. These characteristics extend the field of application of nanoformulations based on Carbon-dots.
[039] Já a publicação internacional WO2017/172634A1 relata sobre a composição de nanopartículas e método para entrega direcionada de um agente bioativo em plantas. Trata-se de nanopartículas revestidas com coronatina produzidas a partir de moinho de bolas planetário compreendendo um núcleo de nano-matriz, uma camada de revestimento de liberação e pelo menos um agente bioativo, sendo que a camada de revestimento de liberação é à base de policaprolactona (PCL) e polietileno glicol (PEG). A composição destas nanopartículas foi desenvolvida para fornecer o agente bioativo através de estômatos vegetais.[039] Already the international publication WO2017/172634A1 reports on the composition of nanoparticles and method for targeted delivery of a bioactive agent in plants. These are coronatin-coated nanoparticles produced from a planetary ball mill comprising a nano-matrix core, a release coating layer and at least one bioactive agent, the release coating layer being based on polycaprolactone (PCL) and polyethylene glycol (PEG). The composition of these nanoparticles was developed to provide the bioactive agent through plant stomata.
[040] As nanopartículas obtidas no documento patentário são polidispersas, com tamanho médio variando entre 5 e 1000 nm. Tendo em vista que a distribuição de tamanho de partículas influencia na nas propriedades da formulação, tais como, dispersão em meio aquoso e biodisponibilidade, a obtenção de partículas com faixa de distribuição de tamanho larga pode limitar a aplicação destes materiais (PODDAR, Kingshuk et al. Woodhead Publishing, 281–303, 2018).[040] The nanoparticles obtained in the patent document are polydispersed, with an average size ranging between 5 and 1000 nm. Considering that the particle size distribution influences the formulation properties, such as dispersion in aqueous media and bioavailability, obtaining particles with a wide size distribution range can limit the application of these materials (PODDAR, Kingshuk et al. Woodhead Publishing, 281–303, 2018).
[041] Além disso, infere-se que por ser constituído por coronatina, PCL e PEG, a capacidade de utilização dessa tecnologia é reduzida, uma vez que tais nanomateriais poliméricos são limitados no quesito de carreamento de moléculas, além de serem removidos rapidamente do organismo vivo sem alcançar os sítios ativos pretendidos (KUMARI, Avnesh et al. Coll. Surf. B: Biointerfaces, 75: 1-18, 2010). Assim sendo, as nanoformulações baseadas em Carbon-dots da presente invenção superam a invenção do referido documento patentário por apresentar maior capacidade de carreamento dos bioativos em diferentes sítios alvos no objeto tratado.[041] In addition, it is inferred that because it consists of coronatine, PCL and PEG, the ability to use this technology is reduced, since such polymeric nanomaterials are limited in terms of carrying molecules, in addition to being quickly removed from the living organism without reaching the intended active sites (Kumari, Avnesh et al. Coll. Surf. B: Biointerfaces, 75: 1-18, 2010). Therefore, the nanoformulations based on Carbon-dots of the present invention surpass the invention of the aforementioned patent document by presenting a greater capacity for carrying bioactives in different target sites in the treated object.
[042] Isto posto, o Estado da Técnica não prevê ou sugere o desenvolvimento de nanoformulações baseadas em Carbon-dots contendo micronutrientes e OEs como bioestimulantes e biopesticidas para aplicações na agricultura e no controle do mosquito vetor de transmissão de arboviroses, como apresentado na presente invenção.[042] That said, the State of the Art does not foresee or suggest the development of nanoformulations based on Carbon-dots containing micronutrients and EOs as biostimulants and biopesticides for applications in agriculture and in the control of the mosquito vector for transmission of arboviruses, as presented herein invention.
[043] Além disso, o presente invento se caracteriza como sendo nanoformulações seguras, pouco degradante em relação aos seus agentes bioativos, com viabilidade biopesticida e providas de liberação orientada ao alvo de agentes bioativos. Ademais, as nanoformulações propostas possibilitam o aumento da solubilidade de compostos ativos pouco solúveis em meio aquoso.[043] In addition, the present invention is characterized as being safe nanoformulations, little degrading in relation to its bioactive agents, with biopesticide feasibility and provided with target-oriented release of bioactive agents. Furthermore, the proposed nanoformulations enable the increase of the solubility of active compounds that are poorly soluble in aqueous media.
[044] A invenção poderá ser mais bem compreendida com base nas Figuras de 1 a 8, cuja descrição segue abaixo:[044] The invention can be better understood based on Figures 1 to 8, the description of which follows below:
[045] A Figura 1 apresenta o esquema de “química de fluxo do processo”.[045] Figure 1 presents the “process flow chemistry” scheme.
[046] A Figura 2 apresenta, a esquerda, os discos foliares de folha de café acomodados em placa de Petri, a direita, imagem de microscopia de fluorescência esporos de Hemileia vastatrix.[046] Figure 2 shows, on the left, the leaf discs of coffee leaf accommodated in a Petri dish, on the right, fluorescence microscopy image of Hemileia vastatrix spores.
[047] A Figura 3 apresenta o gráfico que mostra a inibição da germinação dos esporos de Hemileia vastatrix em função de diferentes tratamentos.[047] Figure 3 shows the graph that shows the inhibition of germination of Hemileia vastatrix spores as a function of different treatments.
[048] A Figura 4 apresenta o bioensaio larvicida com larvas L3 de Aedes aegypti. São apresentadas as placas de 12 poços utilizadas para acomodar as larvas durante o ensaio nos períodos de 24 a 72 horas.[048] Figure 4 shows the larvicide bioassay with L3 larvae of Aedes aegypti. The 12-well plates used to accommodate larvae during the assay for periods of 24 to 72 hours are shown.
[049] Figura 5 apresenta o gráfico que mostra a taxa de mortalidade das larvas L3 de Aedes aegypti em função de diferentes tratamentos.[049] Figure 5 shows the graph that shows the mortality rate of L3 larvae of Aedes aegypti as a function of different treatments.
[050] A Figura 6 apresenta o gráfico que mostra a inibição do diâmetro micelial do fungo Lasiodiplodia theobromae em função de diferentes tratamentos, avaliada após 48 horas de ensaio.[050] Figure 6 shows the graph that shows the inhibition of the mycelial diameter of the fungus Lasiodiplodia theobromae as a function of different treatments, evaluated after 48 hours of testing.
[051] A Figura 7 apresenta as imagens das placas de Petri contendo o fungo Lasiodiplodia theobromae e sua respectiva inibição a diferentes tratamentos por um período posterior a 26 horas, em que “A” observa-se o tratamento controle BDA (Batata-Dextrose-Ágar), em “B” observa-se o tratamento com Carbon-dots, em “C” observase o tratamento com óleo essencial de citronela (OEC), em “D” observa-se o tratamento com nanoformulação Cdots-OEC e em “E” observa-se o tratamento com a nanoformulação C-dots-Cu.[051] Figure 7 shows the images of Petri dishes containing the fungus Lasiodiplodia theobromae and its inhibition to different treatments for a period later than 26 hours, in which "A" is observed the control treatment BDA (Potato-Dextrose- Agar), in "B" the treatment with Carbon-dots is observed, in "C" is observed the treatment with citronella essential oil (OEC), in "D" the treatment with Cdots-OEC nanoformulation is observed and in " E” the treatment with the C-dots-Cu nanoformulation is observed.
[052] A Figura 8 apresenta as imagens das placas de Petri contendo o fungo Lasiodiplodia theobromae e sua respectiva inibição a diferentes tratamentos por um período posterior a 120 horas.[052] Figure 8 shows the images of Petri dishes containing the fungus Lasiodiplodia theobromae and its respective inhibition to different treatments for a period later than 120 hours.
[053] A presente invenção refere-se a nanoformulações biopesticidas baseadas em Carbon-dots e cobre e Carbon-dots e OEs de citronela, cravo e laranja doce, obtidos a partir da ligação de cobre e óleos essenciais na superfície de Carbon-dots constituídos com grupos carboxila, hidroxila e amina.[053] The present invention relates to biopesticidal nanoformulations based on Carbon-dots and copper and Carbon-dots and OEs of citronella, clove and sweet orange, obtained from the binding of copper and essential oils on the surface of constituted Carbon-dots with carboxyl, hydroxyl and amine groups.
[054] A incorporação dos OEs e do cobre nas nanopartículas de Carbon-dots confere às nanoformulações biopesticidas características tais como: liberação orientada ao alvo de agentes bioativos, redução da degradação desses agentes, maior eficiência na ação, com redução da dose utilizada no controle de um determinado patógeno, e para os OEs, redução das taxas de volatilização e aumento a solubilidade em meio aquoso.[054] The incorporation of EOs and copper in Carbon-dots nanoparticles gives biopesticidal nanoformulations characteristics such as: target-oriented release of bioactive agents, reduced degradation of these agents, greater efficiency in action, with reduced dose used in control of a given pathogen, and for EOs, reduced volatilization rates and increased solubility in aqueous media.
[055] Além disso, as nanoformulações são feitas com nanomateriais não bioacumulativos, seu uso reduz o impacto adverso da transferência trófica de nanopartículas convencionais na cadeia alimentar, e não tóxicos, quando usados para a proteção de cultivos e no controle mosquitos vetores de transmissão de arboviroses reduzem o impacto ambiental em relação à contaminação do solo e água, em relação aos agroquímicos convencionais e não causam mal ao organismo humano.[055] In addition, nanoformulations are made with non-bioaccumulative nanomaterials, their use reduces the adverse impact of trophic transfer of conventional nanoparticles in the food chain, and non-toxic, when used for crop protection and control mosquito vectors of transmission arboviruses reduce the environmental impact in relation to soil and water contamination, compared to conventional agrochemicals and do not harm the human body.
[056] Uma das modalidades da presente invenção refere-se ao processo de obtenção de nanoformulações baseadas em Carbon-dots, por meio de reação em fluxo contínuo, conforme Figura 1.[056] One of the modalities of the present invention refers to the process of obtaining nanoformulations based on Carbon-dots, through a continuous flow reaction, as shown in Figure 1.
[057] De forma geral, tal modalidade pode ser compreendida por meio do processo de obtenção dos Carbon-dots e modificações de superfície que consistem nas seguintes etapas:
- (A) Formação de nanopartículas de Carbon-dots;
- (B) Purificação das partículas;
- (C) Modificação da superfície das nanopartículas com compostos bioativos.
- (A) Formation of Carbon-dots nanoparticles;
- (B) Particle purification;
- (C) Surface modification of nanoparticles with bioactive compounds.
[058] A etapa (A) consiste na formação das nanopartículas de Carbon-dots. As nanopartículas são obtidas a partir de diferentes fontes de carbono, podendo ser utilizados ácido cítrico, glicose, aminoácidos e resíduos agrícolas, tais como cascas de frutos, bagaços e excremento de animais, sendo preferencialmente o ácido cítrico, devido à reação de neutralização parcial ácido-base em que uma solução básica, fonte de grupo funcional hidroxila, é utilizada para formação do sal dos ácidos e contribui para a formação de diversos pontos de nucleação por meio da repulsão eletrostático induzida pelos íons (OH-) em solução. As bases utilizadas podem ser hidróxido de cálcio, hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de amônio, anilina, metalamina, uréia e tiouréia, sendo preferencialmente o hidróxido de amônio e uréia.[058] Step (A) consists of the formation of carbon-dots nanoparticles. The nanoparticles are obtained from different carbon sources, and citric acid, glucose, amino acids and agricultural residues such as fruit peels, bagasse and animal excrement can be used, preferably citric acid, due to the partial acid neutralization reaction -base in which a basic solution, a source of a hydroxyl functional group, is used to form the acid salt and contributes to the formation of several nucleation points through the electrostatic repulsion induced by ions (OH-) in solution. The bases used can be calcium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, ammonium hydroxide, aniline, metalamine, urea and thiourea, preferably ammonium hydroxide and urea.
[059] São preparadas uma solução ácida, fonte de carbono, e uma solução básica, fonte de grupo funcional, e colocada no sistema de fluxo.[059] An acidic solution, carbon source, and a basic solution, functional group source, are prepared and placed in the flow system.
[060] Com o uso de uma bomba dosadora e uma válvula, essas soluções são dosadas em um misturador, que em seguida apresenta outro vaso misturador região onde permite-se receber o reciclo e os dopantes (micro e macronutrientes ou estimulantes). Os reagentes após passar pelos misturadores são bombeados para um reator tubular de fluxo em pistão (PFR) que é dotado de uma válvula que restringe a saída do material, mantendo a pressão constante em seu interior evitando a vaporização dos reagentes, pois esse reator é aquecido faixa de 100 a 250 ºC, sendo preferencialmente a 150 ºC.[060] With the use of a dosing pump and a valve, these solutions are dosed in a mixer, which then presents another mixing vessel in the region where it allows to receive the recycle and dopants (micro and macronutrients or stimulants). The reagents, after passing through the mixers, are pumped into a tubular piston flow reactor (PFR) which is equipped with a valve that restricts the output of the material, maintaining a constant pressure inside, preventing the vaporization of the reagents, as this reactor is heated range from 100 to 250 °C, preferably at 150 °C.
[061] O reator PFR deve possuir diâmetro reduzido apenas alguns milímetros e também ser construído de material com pouca rugosidade para reduzir a perda de carga durante o escoamento do material. Outro fator importante do processo é manter um regime de escoamento hidrodinâmico turbulento, tudo isso deve ser calculado pela equação do movimento Equação de Bernoulli, pois esse reator deve ser acomodado dentro de uma estufa para o aquecimento da mistura.[061] The PFR reactor must have a reduced diameter only a few millimeters and also be constructed of material with little roughness to reduce pressure loss during material flow. Another important factor in the process is to maintain a turbulent hydrodynamic flow regime, all of which must be calculated by the equation of motion Bernoulli's Equation, as this reactor must be accommodated inside a greenhouse for heating the mixture.
[062] Esse reator deve ser aquecido a temperatura entre 100 e 250 ºC, a depender da concentração do material usado, a pressão no interior do reator é controlada pela válvula de saída evitando que a solução entre em ebulição, a pressão irá variar de reação para reação a depender a densidade dos sais envolvidos. Essa pressão é elevada, por isso, o material de construção do reator deve suporta uma pressão de até 5 bar. O fluxo de material que sai desse primeiro reator, o tubular, descarrega em um reator tanque agitado contínuo (CSTR) que também está aquecido e possui agitação, o fluxo de saída desse reator passa por um sistema de separação, que funciona por diferença de densidade hidrociclone ou decantador que permite retirar o produto acabado pelo overflow e retorna a corrente de underflow para o refluxo.[062] This reactor must be heated to a temperature between 100 and 250 ºC, depending on the concentration of the material used, the pressure inside the reactor is controlled by the outlet valve preventing the solution from boiling, the pressure will vary in reaction for reaction depending on the density of the salts involved. This pressure is high, so the material of construction of the reactor must withstand a pressure of up to 5 bar. The material flow that leaves this first reactor, the tubular, discharges into a continuous stirred tank reactor (CSTR) which is also heated and has agitation, the exit flow of this reactor goes through a separation system, which works by density difference hydrocyclone or decanter that allows the removal of the finished product by overflow and returns the underflow stream to reflux.
[063] Se faz necessário, um refluxo do material até as condições ótimas de operação se estabelecerem. O produto formado tem densidade inferior a solução de sais precursora, por isso, o produto pode ser separado por esse princípio, retirando o sobrenadante e recirculando o material de fundo, inserindo antes do reator somando a corrente inicial dos reagentes. Até o processo de estabilização em que o material fica em refluxo dura entre 0,5 e 2 horas, sendo preferencialmente 1 hora, a partir desse período começa alterar a densidade do material e a formar o produto.[063] If necessary, a backflow of the material until the optimal operating conditions are established. The product formed has a density lower than the solution of precursor salts, therefore, the product can be separated by this principle, removing the supernatant and recirculating the bottom material, inserting it before the reactor, adding the initial current of the reactants. Until the stabilization process, in which the material is refluxed, lasts between 0.5 and 2 hours, preferably 1 hour, from that period onwards, the density of the material starts to change and to form the product.
[064] Este processo apresenta rendimento de 95% (713 g após 2 horas de ciclo. Essa quantidade de material é suficiente para ser aplicado em 24 hectares.[064] This process has a yield of 95% (713 g after 2 hours of cycle. This amount of material is enough to be applied in 24 hectares.
[065] Esse produto pode ser armazenado líquido ou passar por um processo de secagem, no qual, o material expande sua área superficial, aumentando em aproximadamente 05 vezes o seu volume.[065] This product can be stored liquid or go through a drying process, in which the material expands its surface area, increasing its volume by approximately 05 times.
[066] A etapa (B) consiste na purificação das nanopartículas de Carbon-dots. Após o resfriamento até a temperatura ambiente, a solução obtida na etapa A é submetida à centrifugação a 10.000 rpm e, em seguida, filtrada para remover sal e resíduos não reagidos.[066] Step (B) consists of the purification of Carbon-dots nanoparticles. After cooling to room temperature, the solution obtained in step A is subjected to centrifugation at 10,000 rpm and then filtered to remove salt and unreacted residues.
[067] A etapa (C) consiste na modificação da superfície das nanopartículas obtidas na etapa (B). O processo de modificação é realizado mediante a incorporação de OEs tais como citronela, cravo, laranja doce, eucalipto, hortelã e copaíba sendo preferencialmente a utilização dos OEs de citronela, cravo e laranja doce ou ainda com a inserção de elementos bioativos, tais como cobre, fósforo, magnésio e alumínio, sendo preferencialmente a utilização de cobre.[067] Step (C) consists of modifying the surface of the nanoparticles obtained in step (B). The modification process is carried out by incorporating EOs such as citronella, clove, sweet orange, eucalyptus, mint and copaiba, preferably using citronella, clove and sweet orange EOs or even with the insertion of bioactive elements such as copper , phosphorus, magnesium and aluminium, with copper being preferably used.
[068] Nos processos de modificação da superfície os OEs de citronela, cravo e laranja doce são carregados em partículas de Carbon-dots através de interações não covalentes entre os grupos COOH, OH e NH2 na superfície das nanopartículas e o grupo funcional nos OEs, com frações mássicas entre 0 e 100% de cada óleo essencial, sendo preferencialmente 3%. Para modificação das nanopartículas em uma solução de 50 mg/L de Carbon-dots são adicionados vagarosamente 3% de óleo essencial sob constante agitação. Após a adição dos óleos essenciais o recipiente é tampado e permanece sob agitação por 60 minutos à 40oC. As soluções de biopesticidas produzidas são mantidas à 10 oC e protegidas da luz. A estocagem é um parâmetro importante para manter as atividades larvicidas, fungicidas, bactericida e inseticidas das formulações por 12 meses.[068] In surface modification processes, citronella, clove and sweet orange EOs are loaded onto Carbon-dots particles through non-covalent interactions between the COOH, OH and NH2 groups on the surface of the nanoparticles and the functional group on the EOs, with mass fractions between 0 and 100% of each essential oil, preferably 3%. To modify the nanoparticles in a solution of 50 mg/L of Carbon-dots, 3% essential oil is slowly added under constant agitation. After the addition of essential oils, the container is capped and remains under agitation for 60 minutes at 40oC. The biopesticides solutions produced are kept at 10 oC and protected from light. Storage is an important parameter to maintain the larvicidal, fungicidal, bactericidal and insecticidal activities of the formulations for 12 months.
[069] Em relação à incorporação do cobre, a inserção na nanopartícula é realizada por meio adição de Cu e Cu2+, sendo preferencialmente Cu2+. Cátions de cobre são carregados em partículas de Carbon-dots através de ligações coordenadas entre os grupos funcionais na superfície das nanopartículas e átomos de cobre advindos de complexos de cobre (II). Para tal procedimento, uma solução de 50 mg/L de Carbon-dots e 30-110 mg/L de íons cobre são bombeadas até misturador à temperatura ambiente. Em seguida solução segue bombeada para um reator tubular tipo (PFR) à 100 °C com objetivo de garantir a coordenação dos íos na superfície das partículas. As soluções de biopesticidas produzidas são mantidas à 10 °C e protegidas da luz. A estocagem é um parâmetro importante para manter as atividades larvicidas, fungicidas, bactericida e inseticidas das formulações por 12 meses.[069] Regarding the incorporation of copper, the insertion into the nanoparticle is performed by adding Cu and Cu2+, preferably Cu2+. Copper cations are loaded onto Carbon-dot particles through coordinated bonds between functional groups on the surface of nanoparticles and copper atoms arising from copper(II) complexes. For this procedure, a solution of 50 mg/L of Carbon-dots and 30-110 mg/L of copper ions are pumped to a mixer at room temperature. Then the solution is pumped into a tubular reactor (PFR) at 100 °C in order to ensure coordination of the ions on the surface of the particles. The biopesticides solutions produced are kept at 10 °C and protected from light. Storage is an important parameter to maintain the larvicidal, fungicidal, bactericidal and insecticidal activities of the formulations for 12 months.
[070] A tecnologia para produção de Carbon-dots apresenta características de escalonamento que lhe permite uma factível transição para escala industrial sem impactos negativos na qualidade dos Carbon-dots formados. Testes realizados fazendo scale-up de 100 vezes a produção do C-dot produzido em bancada verificou-se a possível produção e manutenção das mesmas propriedades e qualidades. Sob uma demanda elevada de produção de baixo impacto ambiental, como requisitado na indústria de insumos agrícolas, esta tecnologia é disruptiva e coesa com as novas demandas de produção da atualidade.[070] The technology for the production of Carbon-dots presents scaling characteristics that allow a feasible transition to industrial scale without negative impacts on the quality of the formed Carbon-dots. Tests carried out with a scale-up of 100 times the production of the C-dot produced on a bench, verified the possible production and maintenance of the same properties and qualities. Under a high demand for low environmental impact production, as required in the agricultural inputs industry, this technology is disruptive and cohesive with today's new production demands.
[071] A versatilidade é também umas das principais características da plataforma de produção desenvolvida, uma que permite variação em sua composição e em suas propriedades com vistas a atender as demandas da cadeia produtiva.[071] Versatility is also one of the main features of the production platform developed, one that allows for variation in its composition and properties in order to meet the demands of the production chain.
[072] Outra modalidade da presente invenção referese ao uso das nanoformulações baseadas em Carbon-dots e cobre e Carbon-dots e óleos essenciais de citronela, cravo e laranja doce na produção de biopesticidas para o controle de patógenos e pragas. Essas nanoformulações aumentam a solubilidade e dispersão em meio aquoso, aumentam a biodisponibilidade e reduzem a toxicidade dos agentes bioativos utilizados na preparação. Essas características tornam as nanoformulações descritas nesta invenção eficientes par ao tratamento de diversos agentes patógenos e insetos, além de serem de baixo custo de produção, baixa toxicidade e sustentáveis. Pelo nosso processo, 1,0 Kg de Carbon-dots e 1,0 L rendem cerca de 33 mil Litros de nanobiopesticidas.[072] Another modality of the present invention refers to the use of nanoformulations based on Carbon-dots and copper and Carbon-dots and essential oils of citronella, clove and sweet orange in the production of biopesticides for the control of pathogens and pests. These nanoformulations increase the solubility and dispersion in aqueous media, increase the bioavailability and reduce the toxicity of the bioactive agents used in the preparation. These characteristics make the nanoformulations described in this invention efficient for the treatment of various pathogens and insects, in addition to being of low production cost, low toxicity and sustainable. By our process, 1.0 Kg of Carbon-dots and 1.0 L yield about 33 thousand liters of nanobiopesticides.
[073] Dessa forma, as nanoformulações baseadas em Carbon-dots podem ser exploradas como sistemas bioestimulantes e biopesticidas inteligentes, uma vez que esta tecnologia pode fornecer simultaneamente vários nutrientes às plantas, melhorar a eficiência de absorção das plantas, reduzir o impacto adverso das aplicações convencionais de pesticidas e realizar o controle ecologicamente seguro de patógenos e pragas. Além disso, nanoformulações baseadas em Carbon-dots apresentadas nesta tecnologia não necessitam de períodos de quarentena por serem atóxicos para humanos, animais e peixes.[073] Thus, nanoformulations based on Carbon-dots can be explored as biostimulant systems and intelligent biopesticides, since this technology can simultaneously provide several nutrients to plants, improve the efficiency of plant absorption, reduce the adverse impact of applications pesticides and carry out ecologically safe control of pathogens and pests. Furthermore, nanoformulations based on Carbon-dots presented in this technology do not require quarantine periods as they are non-toxic to humans, animals and fish.
[074] As nanoformulações biopesticidas do presente invento demonstram significativa eficiência no controle de Hemileia vastatrix (fungo da ferrugem do café), de larvas de Aedes aegypti e de Lasiodiplodia theobromae. Assim sendo, seu uso em diversas culturas tais como café, cacau, soja, trigo e tomate, tem ampla aplicabilidade.[074] The biopesticidal nanoformulations of the present invention demonstrate significant efficiency in the control of Hemileia vastatrix (coffee rust fungus), Aedes aegypti and Lasiodiplodia theobromae larvae. Therefore, its use in various crops such as coffee, cocoa, soybeans, wheat and tomatoes, has wide applicability.
[075] Além disso, a nanoformulação de Carbon-dots com óleo essencial de citronela promove a inibição do crescimento do fungo Lasiodiplodia theobromae com eficácia de 100%, tornando assim seu uso viável em diversas culturas como abacateiro, citros, coqueiro, eucalipto argentino, jaqueira, mandioca, ficus ornamental, meloeiro, figueira, mangueira oiticica, goiabeira, mamoeiro, roseira, sapotizeiro, cacaueiro e videira.[075] In addition, the nanoformulation of Carbon-dots with citronella essential oil promotes the inhibition of the growth of the fungus Lasiodiplodia theobromae with 100% efficiency, thus making its use viable in various crops such as avocado, citrus, coconut, Argentine eucalyptus, jackfruit, cassava, ornamental ficus, melon, fig, oiticica mango, guava, papaya, rose, sapodilla, cocoa and vine.
[076] Os exemplos abaixo são representados a fim de ilustrar a melhor execução da invenção. Vale destacar que a presente invenção não se limita aos exemplos citados, podendo ser utilizada em todas as aplicações descritas ou em quaisquer outras variações equivalentes.[076] The examples below are represented in order to illustrate the best execution of the invention. It is noteworthy that the present invention is not limited to the examples cited, and can be used in all applications described or any other equivalent variations.
[077] A avaliação da atividade antifúngica para Hemileia vastatrix (fungo da ferrugem do café) é realizada em discos de folhas de café com área superficial de 1 cm2, condicionados em placas de Petri com uma camada de 2% p/v de gel de agarose.[077] The evaluation of antifungal activity for Hemileia vastatrix (coffee rust fungus) is carried out on discs of coffee leaves with a surface area of 1 cm2, conditioned in Petri dishes with a layer of 2% w/v of gel. agarose.
[078] Sobre cada disco foliar são depositadas uma gota das soluções de tratamento preparada a partir das soluções estoques das formulações com cobre e óleos essenciais de citronela, cravo e laranja doce, contendo 30 µL de solução com esporos do fungo Hemileia vastatrix com uma concentração de 100 urediniósporos por disco. As placas de Petri apresentadas a esquerda na Figura 2 são mantidas a 26 ºC em um ambiente escuro.[078] On each leaf disc are deposited a drop of treatment solutions prepared from the stock solutions of the formulations with copper and essential oils of citronella, clove and sweet orange, containing 30 µL of solution with spores of the fungus Hemileia vastatrix with a concentration of 100 urediniospores per disc. The Petri dishes shown on the left in Figure 2 are kept at 26°C in a dark environment.
[079] Após 24 horas, as percentagens relativas da germinação dos esporos são avaliadas por observação sob um microscópio de fluorescência, como apresentado à direita na Figura 2. Cada teste é realizado em triplicata e os resultados finais são obtidos pela média aritmética.[079] After 24 hours, the relative percentages of spore germination are assessed by observation under a fluorescence microscope, as shown on the right in Figure 2. Each test is performed in triplicate and the final results are obtained by arithmetic mean.
[080] Esses resultados obtidos são tabelados em planilhas de dados para aplicação de testes estatísticos. Aplica-se em primeiro lugar o teste de normalidade de Shapiro-Wilk, que indica que os dados coletados não possuem distribuição normal. Como se trata de dados de distribuição livre torna-se necessário a utilização de um teste estatístico não paramétrico. Logo, aplica-se o teste de Kruskal-Wallis de amostras independentes na avaliação dos resultados. O teste de Kruskal-Wallis mostra que há uma diferença estatisticamente significante nas taxas de inibição da germinação dos esporos entre os diferentes tratamentos aplicados, x2(10) = 30,330, p = 0,001.[080] These results are tabulated in data sheets for the application of statistical tests. First, the Shapiro-Wilk normality test is applied, which indicates that the collected data do not have a normal distribution. As it is free distribution data, it is necessary to use a non-parametric statistical test. Therefore, the Kruskal-Wallis test of independent samples is applied to evaluate the results. The Kruskal-Wallis test shows that there is a statistically significant difference in the spore germination inhibition rates between the different treatments applied, x2(10) = 30.330, p = 0.001.
[081] Para mostrar as diferenças nas taxas de inibição da germinação dos esporos entre os tratamentos aplicados no bioensaio é feito um gráfico diagrama de caixa (do inglês, boxplot). Conforme é observado na Figura 3, há maior taxa de inibição da germinação de Hemileia vastatrix quando se utilizam as nanoformulações de Carbon-dots-OEs (Nanoformulações 1, 2 e 3) e Carbondots-Cu (Nanoformulação 4) quando comparados aos controles negativo e positivo (água e oxicloreto de cobre, respectivamente), após 24 horas. Indicando assim, que o uso das nanoformulações inibe o desenvolvimento do fungo em discos foliares de café.[081] To show the differences in the rates of inhibition of spore germination between the treatments applied in the bioassay, a boxplot graph is made. As seen in Figure 3, there is a higher germination inhibition rate of Hemileia vastatrix when using the nanoformulations of Carbon-dots-OEs (Nanoformulations 1, 2 and 3) and Carbondots-Cu (Nanoformulation 4) when compared to negative and positive (water and copper oxychloride, respectively) after 24 hours. Thus indicating that the use of nanoformulations inhibits the development of the fungus in coffee leaf discs.
[082] A atividade larvicida das nanoformulações é testada em placas para cultura de células – 12 poços, as quais são colocadas 10 larvas de estágio 3 (L3) de Aedes aegypti L. em cada poço. Sendo o experimento realizado em quadruplicata, destinam-se 40 larvas para cada tratamento. Nessas placas são adicionadas as soluções controle e formulações e, em seguida, são mantidas sob as mesmas condições de criação (ambiente escuro a 27 ºC). São realizadas avaliações em 24, 48 e 72 horas após o início do ensaio, onde as percentagens relativas da mortalidade das larvas, as quais são contabilizadas por observação a olho nu.[082] The larvicidal activity of the nanoformulations is tested in cell culture plates – 12 wells, in which 10 stage 3 (L3) Aedes aegypti L. larvae are placed in each well. The experiment being carried out in quadruplicate, 40 larvae are destined for each treatment. The control solutions and formulations are added to these plates and then kept under the same creation conditions (dark environment at 27 ºC). Evaluations are carried out at 24, 48 and 72 hours after the start of the test, where the relative percentages of mortality of the larvae, which are accounted for by observation with the naked eye.
[083] Esses resultados obtidos são tabelados em planilhas de dados para aplicação de testes estatísticos. Aplica-se em primeiro lugar o teste de normalidade de Shapiro-Wilk, que indicou que os dados coletados não possuem distribuição normal. Como se trata de dados de distribuição livre e com medidas repetidas torna-se necessário à utilização de um teste estatístico não paramétrico pareado. Logo, aplica-se o teste de Friedman de amostras relacionadas na avaliação dos resultados. O teste de Friedman mostrou que há uma diferença estatisticamente significante nas taxas de mortalidade das larvas entre os diferentes tratamentos aplicados, x2(9) = 25,991, p = 0,002.[083] These results are tabulated in data sheets for the application of statistical tests. First, the Shapiro-Wilk normality test was applied, which indicated that the collected data do not have a normal distribution. As it is data with free distribution and repeated measures, it is necessary to use a paired non-parametric statistical test. Therefore, the Friedman test of related samples is applied in the evaluation of the results. The Friedman test showed that there is a statistically significant difference in larval mortality rates between the different treatments applied, x2(9) = 25.991, p = 0.002.
[084] Para mostrar as diferenças nas taxas de mortalidade das larvas de Aedes aegypti entre os tratamentos aplicados no bioensaio é feito um gráfico diagrama de caixa (do inglês, boxplot). Conforme é observado na Figura 5, onde os tratamentos são: Controle 1 - água destilada, Controle 2 - C-dots, Controle 3 - óleo essencial de citronela (OEC), Controle 4 - óleo essencial de cravo (OECr), Controle 5 - óleo essencial de laranja doce (OELD), Controle 6 - cobre (Cu), Nanoformulação 1 - C-dots-OEC, Nanoformulação 2 - Cdots-OECr, Nanoformulação 3 - C-dots-OELD e Nanoformulação 4 - C-dots-Cu, há uma maior taxa de mortalidade das larvas L3 quando se utiliza as nanoformulações de Carbon-dots-OEC (Nanoformulação 1), Carbon-dots-OECr (Nanoformulação 2), e Carbon-dots-Cu (Nanoformulação 4), quando comparadas aos Controle 1 e Controle 2 . Sendo a nanoformulação Carbon-dots-OECr a que apresenta maior atividade larvicida após 24 horas.[084] To show the differences in mortality rates of Aedes aegypti larvae between treatments applied in the bioassay, a boxplot graph is made. As seen in Figure 5, where the treatments are: Control 1 - distilled water, Control 2 - C-dots, Control 3 - citronella essential oil (OEC), Control 4 - clove essential oil (OECr), Control 5 - sweet orange essential oil (OELD), Control 6 - copper (Cu), Nanoformulation 1 - C-dots-OEC, Nanoformulation 2 - Cdots-OECr, Nanoformulation 3 - C-dots-OELD and Nanoformulation 4 - C-dots-Cu , there is a higher mortality rate of L3 larvae when using the nanoformulations of Carbon-dots-OEC (Nanoformulation 1), Carbon-dots-OECr (Nanoformulation 2), and Carbon-dots-Cu (Nanoformulation 4), when compared to Control 1 and Control 2 . The Carbon-dots-OECr nanoformulation is the one with the highest larvicidal activity after 24 hours.
[085] A atividade antifúngica das nanoformulações para o fungo Lasiodiplodia theobromae é testada adicionando 10 mL de solução dos tratamentos preparas a partir das soluções estoques de cobre e óleos essenciais de citronela, cravo e laranja doce em 90 mL meio de cultura BDA (Batata-Dextrose-Ágar) fundido e, em seguida, verte-se em placas de Petri de 70 cm. Para o controle, é adicionada água destilada e esterilizada ao meio de cultura.[085] The antifungal activity of nanoformulations for the fungus Lasiodiplodia theobromae is tested by adding 10 mL of treatment solution prepared from the stock solutions of copper and essential oils of citronella, clove and sweet orange in 90 mL PDA culture medium (Potato- Dextrose-Agar) melt and then pour into 70 cm Petri dishes. For the control, distilled and sterilized water is added to the culture medium.
[086] Após 24 horas, um disco micelial (inoculo do fungo) de 5 mm de diâmetro é transferido para o centro da placa. São realizadas medições de 2 diâmetros perpendiculares no verso da placa a cada 24 horas para observar a taxa de crescimento micelial. O teste é realizado com 4 repetições, sendo 1 placa por repetição.[086] After 24 hours, a mycelial disc (inoculum of the fungus) 5 mm in diameter is transferred to the center of the plate. Measurements of 2 perpendicular diameters are taken on the back of the plate every 24 hours to observe the mycelial growth rate. The test is performed with 4 repetitions, 1 plate per repetition.
[087] Após 48 horas, o diâmetro do disco micelial é medido por observação a olho nu. Esses resultados obtidos são tabelados em planilhas de dados para aplicação de testes estatísticos. Aplica-se em primeiro lugar o teste de normalidade de Shapiro-Wilk, que indica que os dados coletados não possuem distribuição normal. Como se trata de dados de distribuição livre torna-se necessário a utilização de um teste estatístico não paramétrico.[087] After 48 hours, the diameter of the mycelial disc is measured by observation with the naked eye. These results are tabulated in data sheets for the application of statistical tests. First, the Shapiro-Wilk normality test is applied, which indicates that the collected data do not have a normal distribution. As it is free distribution data, it is necessary to use a non-parametric statistical test.
[088] Assim, aplica-se o teste de Kruskal-Wallis de amostras independentes na avaliação dos resultados. O teste de Kruskal-Wallis mostra que há uma diferença estatisticamente significante nas taxas de inibição do diâmetro micelial do fungo entre os diferentes tratamentos aplicados, x2(5) = 28,456, p < 0,001.[088] Thus, the Kruskal-Wallis test of independent samples is applied in evaluating the results. The Kruskal-Wallis test shows that there is a statistically significant difference in the inhibition rates of the fungus mycelial diameter between the different treatments applied, x2(5) = 28.456, p < 0.001.
[089] Para mostrar as diferenças nas taxas de inibição do diâmetro micelial do fungo entre os tratamentos aplicados no bioensaio é feito um gráfico diagrama de caixa (do inglês, boxplot). Conforme é observado na Figura 6, há maior taxa de inibição do diâmetro do disco micelial de Lasiodiplodia theobromae quando se utilizam as nanoformulações de Carbon-dotsOEC (Nanoformulação 1) e Carbon-dots-Cu (Nanoformulação 2) quando comparados aos controles 1, 2, 3 e 4 (BatataDextrose-Ágar, C-dots, OEC e cobre, respectivamente), após 48 horas. Indicando assim, que o uso das nanoformulações inibe o desenvolvimento do fungo em placas de Petri.[089] To show the differences in the inhibition rates of the fungus mycelial diameter between the treatments applied in the bioassay, a boxplot graph is made. As seen in Figure 6, there is a higher inhibition rate of the diameter of the mycelial disc of Lasiodiplodia theobromae when using the nanoformulations of Carbon-dotsOEC (Nanoformulation 1) and Carbon-dots-Cu (Nanoformulation 2) when compared to controls 1, 2 , 3 and 4 (Potato Dextrose-Agar, C-dots, OEC and copper, respectively) after 48 hours. Thus indicating that the use of nanoformulations inhibits the development of the fungus in Petri dishes.
[090] Como apresentado na Figura 7, em que “A” observa-se o tratamento controle com Batata-DextroseÁgar, em “B” observa-se o tratamento com C-dots, em “C” observa-se o tratamento com óleo essencial de citronela (OEC), em “D” observa-se o tratamento com nanoformulação C-dots-OEC e em “E” observa-se o tratamento com a nanoformulação C-dots-Cu, é observada a inibição do crescimento do fungo Lasiodiplodia theobromae após 26 horas, utilizando ambas as nanoformulações de Carbon-dots-OEC e Carbon-dots-Cu. A nanoformulação de Carbon-dots com óleo essencial de citronela consegue inibir o crescimento do fungo com eficácia de 100% tendo decorrido um período de 120 horas desde o inoculo, apresentado na Figura 8.[090] As shown in Figure 7, in which "A" shows the control treatment with Potato-DextroseAgar, in "B" the treatment with C-dots is observed, in "C" the treatment with oil citronella essential (OEC), in "D" the treatment with C-dots-OEC nanoformulation is observed and in "E" the treatment with the C-dots-Cu nanoformulation is observed, the inhibition of fungus growth is observed Lasiodiplodia theobromae after 26 hours, using both Carbon-dots-OEC and Carbon-dots-Cu nanoformulations. The nanoformulation of Carbon-dots with citronella essential oil is able to inhibit the growth of the fungus with 100% efficiency having elapsed a period of 120 hours from the inoculum, shown in Figure 8.
Claims (16)
- A. Formação de nanopartículas de Carbon-dots;
- B. Purificação das partículas;
- C. Modificação da superfície das nanopartículas com compostos bioativos.
- A. Formation of Carbon-dots nanoparticles;
- B. Particle purification;
- C. Surface modification of nanoparticles with bioactive compounds.
Priority Applications (2)
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BR102020002179-6A BR102020002179B1 (en) | 2020-01-31 | BIOPESTICIDE NANOFORMULATIONS BASED ON SECONDARY METABOLITES AND MICRONUTRIENTS, THEIR PROCESS OF OBTAINING AND THEIR USE IN THE CONTROL OF PATHOGENS AND PESTS | |
PCT/BR2021/050040 WO2021207808A1 (en) | 2020-01-31 | 2021-01-26 | Biopesticide nanoformulations based on secondary metabolites and micronutrients, related production method and related use to control pathogens and pests |
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