Desarrollo de un producto herbicida natural respetuoso con el medio ambiente para el control biológico de arvenses

Abstract

[ES] El desarrollo y uso biofungicidas y bioinsecticidas para el control de enfermedades y plagas ha sido objeto de una amplia atención por parte de la comunidad científica. Sin embargo, puede afirmarse que el desarrollo y uso de bioherbicidas está, desde el punto de vista de la investigación y su aplicación práctica en campo, en sus primeros estadios. Esta tesis doctoral, surgida desde el seno de una empresa del sector a través de un proyecto de investigación conjunto con la UPV, pretende profundizar en el análisis de los efectos producidos por los bioherbicidas en malas hierbas, contribuyendo a la cuantificación de su eficacia y evaluando los modos de acción, ya que consideramos que estos son los aspectos esenciales para el desarrollo industrial y en el avance del conocimiento científico. Concretamente, se ha partido del conocimiento previo de sustancias naturales bioherbicidas de los grupos de investigación del Instituto Agroforestal Mediterráneo de la Universitat Politècnica de València y de la Universidade de Vigo, así como de la experiencia en la formulación de compuestos naturales por parte de la empresa Seipasa S.A. El objetivo principal de esta investigación ha sido desarrollar un herbicida natural mejorado para su implementación en el mercado nacional e internacional. Dado que el ácido pelargónico ha demostrado su alta eficacia en campo para el de control de malas hierbas y que, por otra parte, resulta un activo de producción viable a nivel industrial fue escogido como activo principal para el desarrollo de los experimentos que componen esta investigación. Las altas dosis de ácido pelargónico necesarias para conseguir sus efectos bioherbicidas la concentración elevada del activo en los productos disponibles actualmente en el mercado hacen que económicamente no sea una alternativa real a los herbicidas de síntesis química. Por ello, en esta tesis se estudiaron las posibles sinergias de la combinación del activo principal (ácido pelargónico) con otras sustancias herbicidas naturales, sustancias viables de producir en términos de costes: el aldehído cinámico y el carvacrol. En el estudio y comprobación de la eficacia o capacidad de control, así como del modo de acción de cada uno de los compuestos seleccionados, se realizaron ensayos en diferentes condiciones experimentales. ¿ in vitro en placa Petri y condiciones controladas de temperatura y humedad. Ensayos de germinación, modo de acción y curvas de dosis respuesta en malas hierbas objetivo y en plantas modelo (Arabidopsis sp.) ¿ Ensayos en invernadero sin control de temperatura ni humedad. Ensayos en macetas y suelo con semillas de malas hierbas seleccionadas por su importancia agronómica (monocotiledóneas y dicotiledóneas). ¿ Ensayos en campo en parcelas seleccionadas por su amplia diversidad de malas hierbas en los cultivos leñosos escogidos (viñedo). En concreto, se determinó la actividad bioherbicida del ácido pelargónico (AP), carvacrol (CV) y aldehído cinámico (AC) de forma individual y de sus combinaciones en las diferentes condiciones experimentales citadas anteriormente, y frente a malas hierbas monocotiledóneas y dicotiledóneas como Amaranthus retroflexus L., Avena fatua L., Portulaca oleracea L., Chenopodium album L. y Erigeron bonariensis L. Los tres activos mostraron una potente actividad fitotóxica, alcanzando una elevada eficacia y nivel de daño en todas las especies, siendo el AP el más eficaz para el cuál se estudió el modo de acción. Gracias a estos estudios se determinó la curva dosis- respuesta, así como las concentraciones letales para el 50 y 80 % de la población de malas hierbas estudiadas. Se desarrollaron prototipos de formulaciones viables industrialmente de acuerdo con dichas concentraciones y se procedió al registro comercial de una de ellas. Se comprobaron las sinergias, efectos aditivos o antagónicos gracias a una triple comprobación nunca antes realizada con moléculas naturales, lo que caracteriza con novedad esta tesis doctoral.

[CA] El desenvolupament i ús de biofungicides i bioinsecticides per al control de malalties i plagues ha rebut una atenció generalitzada per part de la comunitat científica. No obstant això, es pot afirmar que el desenvolupament i ús de bioherbicidas està, des del punt de vista de la recerca i la seva aplicació pràctica al camp, en els seus primers estats. Aquesta tesi doctoral, sorgida des del si d'una empresa del sector a través d'un projecte de recerca conjunt amb la UPV, pretén aprofundir en l'anàlisi dels efectes produïts pels bioherbicidas en males herbes, contribuint a la quantificació de la seva eficàcia i avaluant els modes d'acció, ja que considerem que aquests són aspectes essencials per al desenvolupament industrial i en l'avanç del coneixement científic.

Concretament, s'ha partit del coneixement previ de substàncies naturals bioherbicidas dels grups de recerca de l'Institut Agroforestal Mediterrani de la Universitat Politècnica de València i de la Universitat de Vigo, així com de l'experiència en la formulació de compostos naturals per part de l'empresa Seipasa S.A. L'objectiu principal d'aquesta recerca ha estat desenvolupar un herbicida natural millorat per a la seva implementació en el mercat nacional i internacional. Atès que l'àcid pelargònic ha demostrat la seva alta eficàcia en camp per al control de males herbes i, d'altra banda, resulta un actiu de producció viable a nivell industrial, va ser triat com a actiu principal per al desenvolupament dels experiments que composen aquesta recerca. Les altes dosis d'àcid pelargònic necessàries per aconseguir els seus efectes bioherbicidas i la concentració elevada de l'actiu en els productes disponibles actualment en el mercat fan que econòmicament no sigui una alternativa real als herbicides de síntesi química. Per això, en aquesta tesi es van estudiar les possibles sinergies de la combinació de l'actiu principal (àcid pelargònic) amb altres substàncies herbicidas naturals, substàncies viables de produir en termes de costos: l'aldehid cinàmic i el carvacrol.

En l'estudi i comprovació de l'eficàcia o capacitat de control, així com del mode d'acció de cadascun dels compostos seleccionats, es van realitzar assajos en diferents condicions experimentals:

In vitro en placa Petri i condicions controlades de temperatura i humitat. Assajos de germinació, mode d'acció i corbes de dosi resposta en males herbes objectiu i en plantes model (Arabidopsis sp.). Assajos en hivernacle sense control de temperatura ni humitat. Assajos en testos i terra amb llavors de males herbes seleccionades per la seva importància agronòmica (monocotiledònies i dicotiledònies). Assajos en camp en parcel·les seleccionades per la seva àmplia diversitat de males herbes en els conreus llenyosos escollits (vinya). Concretament, es va determinar l'activitat bioherbicida de l'àcid pelargònic (AP), carvacrol (CV) i aldehid cinàmic (AC) de forma individual i de les seves combinacions en les diferents condicions experimentals esmentades anteriorment, i davant de males herbes monocotiledònies i dicotiledònies com Amaranthus retroflexus L., Avena fatua L., Portulaca oleracea L., Chenopodium album L. i Erigeron bonariensis L. Els tres actius van mostrar una potent activitat fitotòxica, assolint una elevada eficàcia i nivell de dany en totes les espècies, sent l'AP el més eficaç pel qual es va estudiar el mode d'acció. Gràcies a aquests estudis es va determinar la corba dosi-resposta, així com les concentracions letals per al 50 i 80% de la població de males herbes estudiades. Es van desenvolupar prototips de formulacions viables industrialment d'acord amb aquestes concentracions i es va procedir al registre comercial d'una d'elles. Es van comprovar les sinergies, efectes additius o antagònics gràcies a una triple comprovació mai abans realitzada amb molècules naturals, la qual cosa caracteritza amb novetat aquesta tesi doctoral.

[EN] The development and use of biofungicides and bioinsecticides for the control of diseases and pests have received widespread attention from the scientific community. However, it can be asserted that the development and use of bioherbicides are, from the standpoint of research and practical field application, in their early stages. This doctoral thesis, originating from within a company in the sector through a joint research project with UPV, aims to delve into the analysis of the effects produced by bioherbicides on weeds, contributing to the quantification of their efficacy and evaluating the modes of action, as we consider these to be essential aspects for industrial development and the advancement of scientific knowledge.

Specifically, this research has built upon previous knowledge of natural bioherbicidal substances from the research groups of the Mediterranean Agroforestry Institute at the Polytechnic University of Valencia and the University of Vigo, as well as the experience in formulating natural compounds by Seipasa S.A. The main objective of this research has been to develop an improved natural herbicide for implementation in the national and international markets. Given that pelargonic acid has demonstrated its high efficacy in the field for weed control and, furthermore, it is a commercially viable active ingredient at the industrial level, it was chosen as the primary active ingredient for the development of the experiments comprising this research. The high doses of pelargonic acid required to achieve its bioherbicidal effects and the elevated concentration of the active ingredient in currently available market products make it economically unfeasible as a real alternative to chemically synthesized herbicides. Therefore, this thesis explored the potential synergies of combining the primary active ingredient (pelargonic acid) with other natural herbicidal substances, economically viable substances in terms of production costs: cinnamic aldehyde and carvacrol.

In the study and verification of the efficacy or control capacity, as well as the mode of action of each of the selected compounds, experiments were conducted under different experimental conditions:

In vitro on Petri dishes under controlled temperature and humidity conditions. Germination assays, mode of action, and dose-response curves on target weeds and model plants (Arabidopsis sp.). Greenhouse trials without temperature or humidity control. Pot and soil trials with seeds of selected weeds of agronomic importance (monocotyledons and dicotyledons). Field trials in plots selected for their wide diversity of weeds in chosen woody crops (vineyards). Specifically, the bioherbicidal activity of pelargonic acid (AP), carvacrol (CV), and cinnamic aldehyde (AC) was determined individually and in combination under the aforementioned experimental conditions, against monocotyledonous and dicotyledonous weeds such as Amaranthus retroflexus L., Avena fatua L., Portulaca oleracea L., Chenopodium album L., and Erigeron bonariensis L. All three active ingredients showed potent phytotoxic activity, achieving high efficacy and levels of damage in all species, with AP being the most effective for which the mode of action was studied. Through these studies, the dose-response curve was determined, as well as the lethal concentrations for 50 and 80% of the weed population studied. Prototypes of industrially viable formulations were developed according to these concentrations, and the commercial registration of one of them was initiated. Synergies, additive effects, or antagonisms were verified through a triple verification never before conducted with natural molecules, which characterizes this doctoral thesis with novelty.