Hidrogel a base de celulosa como acondicionador de suelos y medio para la germinación de semillas | Informes científicos

Scientific Reports volumen 15, Número de artículo: 22648 (2025) Citar este artículo

Para abordar la brecha de investigación relacionada con los efectos de diferentes plastificantes en las propiedades del hidrogel de celulosa, este estudio investigó el impacto de varios agentes gelificantes, incluyendo carboximetilcelulosa sódica (NaCMC), alginato (AA), glicerol y polietilenglicol (PEG), en hidrogeles a base de celulosa. Entre estos plastificantes, los hidrogeles que contienen 1,75% (peso/peso) de NaCMC, 1,0% (peso/peso) de glicerol y 0,5% (peso/peso) de PEG exhibieron excelentes capacidades de captación y retención de agua, absorbiendo más del 2600% de agua y reteniendo al menos el 10% de esa agua durante un período de 96 h. Estos hidrogeles de celulosa también mejoraron el contenido de humedad del suelo, el pH y la conductividad eléctrica en cuatro tipos de suelo diferentes (arena, tierra vegetal, suelo gley y suelo arcilloso) durante un período de 15 días. Además, los hidrogeles se evaluaron como medios de germinación de semillas para semillas de hortalizas Choy Sum. El estudio demostró que el hidrogel de celulosa plastificada con glicerol mejoró significativamente la germinación de las semillas, incluso sin suministro de agua externo, gracias a sus excelentes propiedades de retención de agua. Las pruebas de biodegradabilidad revelaron que todos los hidrogeles perdieron más del 80 % de su peso después de 60 días en suelo franco, lo que confirma su biodegradabilidad.

Las propiedades del suelo son esenciales para la supervivencia de las plantas, siendo su contenido de humedad un factor clave. Un contenido insuficiente de agua en el suelo puede dificultar la supervivencia de muchas plantas. Actualmente, el contenido de humedad en grandes extensiones de tierra ha disminuido debido al cambio climático. Esto ha provocado una pérdida significativa de agua en muchos cultivos, impidiéndoles sobrevivir debido a las condiciones ambientales desfavorables. Como resultado, la producción agrícola en los países en desarrollo se vio gravemente afectada, lo que provocó una perturbación en la seguridad alimentaria¹. Recientemente, los hidrogeles han despertado un gran interés entre los investigadores debido a su potencial para impulsar el desarrollo agrícola y abordar los desafíos que enfrentan los cultivos en los países afectados². Un hidrogel es una estructura tridimensional de polímeros hidrófilos compuestos en una red reticulada. Los grupos funcionales hidrófilos del hidrogel interactúan principalmente con las moléculas de agua, lo que mejora su capacidad para absorber grandes cantidades de agua³. El hidrogel a base de celulosa se utiliza ampliamente en numerosos estudios debido a su abundancia de grupos hidroxilo, que mejoran su retención de agua y sus propiedades funcionales^3,4,5. El papel usado es un material de partida ideal para producir hidrogel a base de celulosa porque es una biomasa renovable y sostenible.

Los plastificantes, también conocidos como agentes gelificantes, desempeñan un papel crucial en la formación de hidrogel de celulosa al mejorar su flexibilidad y maleabilidad. Esto, a su vez, ayuda a prevenir el agrietamiento y aumenta la elasticidad del hidrogel6,7. La influencia del glicerol y el PEG como plastificante en hidrogel se ha estudiado en los últimos años. El PEG plastificado en el hidrogel mejoró la estabilidad térmica y el efecto de polimerización del agua en el hidrogel porque la flexibilidad de las cadenas de polímero aumentó en el hidrogel8,9. Además, la reducción de la densidad de la red reticulada en el hidrogel ha causado la alta capacidad de hinchamiento y la capacidad de retención de agua del hidrogel que se encuentra en el hidrogel incorporado con PEG10. El hidrogel incorporado con glicerol también ha demostrado una resistencia y flexibilidad considerables11. Aparte de sus beneficios en la formación de hidrogel, el PEG y el glicerol como plastificantes también presentan algunos inconvenientes. Aumentar la cantidad de PEG y glicerol afectará directamente la densidad de reticulación, lo que hará que la red en el hidrogel sea más compacta y perjudicial para su capacidad de hinchamiento5,12. Además del PEG y el glicerol, la carboximetilcelulosa sódica (NaCMC) también es un plastificante comúnmente utilizado en formulaciones de hidrogel. El hidrogel plastificado con la cantidad óptima de NaCMC exhibió un hinchamiento mejorado debido a la fuerza de refracción de la red elástica. Sin embargo, una mayor concentración de NaCMC en el hidrogel puede afectar negativamente la flexibilidad de las redes de reticulación, similar a los inconvenientes asociados con el PEG y el glicerol13,14,15,16. Por otro lado, hay pocos estudios sobre el efecto del alginato (AA) en las propiedades de los hidrogeles. Aunque el alginato puede servir como agente gelificante, la mayoría de los estudios solo utilizaron alginato como material de partida para preparar hidrogeles a base de alginato para aplicaciones farmacéuticas y biomédicas, principalmente debido a sus altos costos17.

No hay mucha investigación que compare los efectos de estos cuatro plastificantes en las propiedades del hidrogel. Por lo tanto, en este estudio, los hidrogeles de celulosa se sometieron a un proceso de gelificación con cuatro plastificantes (carboximetilcelulosa sódica (NaCMC), ácido algínico (AA), glicerol y polietilenglicol (PEG)) con epiclorhidrina (ECH) como reticulante. El hidrogel de celulosa se plastificó con cuatro plastificantes diferentes, a saber, ácido algínico (AA), carboximetilcelulosa sódica (NaCMC), glicerol y polietilenglicol (PEG) con diferentes cantidades (0,50–2,50 % en peso) para determinar la concentración óptima de cada uno que mejoraría la morfología de la superficie, la capacidad de absorción de agua y la capacidad de retención de agua. Además, se seleccionaron hidrogeles a base de celulosa con absorción y retención de agua óptimas para estudiar sus efectos como enmiendas del suelo en diferentes tipos de suelo, incluyendo arena, tierra vegetal, suelo gley y suelo arcilloso. Este estudio también evaluó el desempeño de estos hidrogeles de celulosa como medio de germinación de semillas de hortalizas Choy Sum, así como su biodegradabilidad.

El papel usado se recogió de la oficina de la Facultad de Recursos y Tecnología de la Ciencia en la Universidad de Malasia Sarawak (UNIMAS). El hidróxido de sodio (NaOH) y el etanol al 95% se adquirieron de HmbG® Chemicals (Alemania). Los plastificantes utilizados en la formación del hidrogel son ácido algínico (AA), carboximetilcelulosa sódica (NaCMC), glicerol y polietilenglicol (PEG) se adquirieron de Acros Organics (Nueva Jersey, Estados Unidos), Sigma-Aldrich (Darmstadt, Alemania) y R&M Chemicals (Essex, Reino Unido). La epiclorhidrina se adquirió de Sigma-Aldrich (Darmstadt, Alemania). Todos los productos químicos se utilizaron sin purificación adicional. Los cuatro tipos de suelo utilizados en este estudio fueron arena, tierra vegetal, tierra gley y tierra arcillosa. Las semillas de hortalizas Choy Sum (marca: Framoc) se utilizaron en el ensayo de germinación de semillas en varios tipos de hidrogeles de celulosa.

El papel usado se remojó en agua desionizada hasta convertirse en pulpa. La pulpa se remojó en una solución de NaOH al 12 % (p/p) durante 24 h para eliminar la tinta, la lignina y la hemicelulosa del papel usado14,18. Transcurridas 24 h, la celulosa se lavó con agua y etanol al 95 %. La celulosa pretratada se secó en un horno a 60 °C hasta eliminar toda el agua. Una vez secas, las fibras de celulosa se molieron y se filtraron a través de un tamiz.

El disolvente NaOH/urea con una proporción de 7:12 por 100 mL se preenfrió en el congelador hasta que la temperatura del disolvente alcanzó −12 °C3. Los 3 g de fibra de celulosa se disolvieron en el disolvente NU preenfriado y luego se congelaron durante 12 h. Después de 12 h, la mezcla se descongeló y se agitó hasta que se formó una solución homogénea. Luego, los agentes gelificantes (ácido algínico [AA], carboximetilcelulosa sódica [NaCMC], glicerol y polietilenglicol [PEG]) con diversas concentraciones (0,50–2,50 % en peso) se añadieron a la solución respectivamente con agitación continua. Se añadió epiclorhidrina (ECH) gota a gota a la mezcla y se sonicó durante 30 min. El hidrogel resultante se almacenó luego en el congelador.

Los espectros infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) de cada muestra se obtuvieron con un espectrómetro FTIR Thermo Scientific Nicolet iS 10 (Estados Unidos). La morfología superficial de cada hidrogel de celulosa con AA, NaCMC, glicerol y PEG se observó con el microscopio electrónico de barrido por emisión de campo (FESEM) (LEO, 1525). El área superficial específica, el tamaño medio de poro y el volumen de poro de los hidrogeles se analizaron con el analizador de área superficial BET (Quantachrome Autosorb iQ-AG), basado en la sorción de nitrógeno a 77 K, y el software Quantachrome AS1Win (Quantachrome Instruments versión 2.01)19.

Para determinar el índice de hinchamiento de cada hidrogel de celulosa con diferentes concentraciones de agentes gelificantes: AA, NaCMC, glicerol y PEG (entre el 0,50 % y el 2,50 % en peso), se pesaron las muestras secas y se registró su peso antes de sumergirlas en agua destilada. Cada hora, se midió y registró el peso de cada muestra hinchada. Posteriormente, se utilizó la ecuación (1) para calcular la capacidad de absorción de agua del hidrogel:

donde \({\text{W}}_{{\text{s}}}\) es el peso del hidrogel hinchado mientras que \({\text{W}}_{{\text{d}}}\) es el peso del hidrogel seco.

Para evaluar y comparar la capacidad de retención de agua del hidrogel de celulosa con diferentes concentraciones de gelificantes (AA, NaCMC, glicerol y PEG) del 0,50 al 2,50 % en peso, cada uno de los hidrogeles hinchados se dejó a temperatura ambiente, manteniéndolos al aire libre durante el tiempo especificado. Se utilizó la ecuación (2) para calcular la tasa de retención de agua:

donde \({\text{W}}_{{\text{t}}}\) es el peso del hidrogel húmedo en el tiempo diseñado; \({\text{W}}_{{\text{d }}}\) es el peso del hidrogel seco; \({\text{W}}_{{\text{s}}}\) es el peso de los hidrogeles hinchados a temperatura ambiente.

Cuatro tipos de suelo (suelo arenoso, tierra vegetal, suelo gley y suelo arcilloso) del Real Living Lab de la Universiti Malaysia Sarawak (UNIMAS) se utilizaron en este estudio. Todos los suelos se secaron al sol para deshidratarlos antes de ser utilizados. Después de secar los suelos, se tamizaron para eliminar los residuos, como ramas, piedras y sistemas de raíces. A continuación, se midió la humedad del suelo de cada suelo seco utilizando el medidor de humedad de suelo digital (Extech Instruments-MO750) para asegurar que el suelo estuviera completamente deshidratado. A continuación, el 50% de cada hidrogel de celulosa hinchado, con diferentes plastificantes y excelentes rendimientos en capacidad de absorción de agua y tasa de retención de agua, se mezcló con el 50% de cada tipo de suelo durante un minuto antes de colocarlo en bolsas de siembra de 6 cm × 6 cm × 6 cm. Esto se hizo para asegurar que todos los hidrogeles se mezclaran uniformemente con el suelo. La humedad del suelo de cada muestra se midió en el momento indicado con un medidor de humedad (Extech Instruments-MO750). Se midió tres veces en tres puntos diferentes marcados en cada bolsa de siembra, y el valor promedio se utilizó para el análisis.

A la hora indicada, se recogieron muestras de suelo de cada bolsa de siembra en tubos de centrífuga y se añadió agua a cada tubo en una proporción de 1:5. Tras añadir el agua, se agitaron las muestras durante un minuto para asegurar una mezcla homogénea. Se midieron el pH y la conductividad eléctrica de las muestras con un medidor de pH/conductividad (Cole-Parmer PC100) durante 15 días. El pH y la conductividad eléctrica de cada muestra se midieron tres veces en tres puntos diferentes y se registró el promedio de las lecturas.

Este estudio también determinó la tasa de germinación de semillas de Choy Sum (Brassica chinensis var. parachinensis) en hidrogeles con diferentes tipos de plastificantes. Las semillas de Choy Sum (Brassica chinensis var. parachinensis) se utilizaron para la siembra en el hidrogel. Las semillas se remojaron en agua durante 4 h antes de su uso. Un disco de algodón humedecido se utilizó como base para el conjunto de control de este experimento. Se colocaron veinte semillas en el conjunto de control y en cada tipo de hidrogel en las placas de Petri, que luego se mantuvieron a temperatura ambiente durante un mes sin registrar la humedad. Se plantaron dos conjuntos de semillas directamente sobre el algodón, cada uno con diferentes parámetros (uno requiere riego diario y el otro no). Las semillas que germinaron en los hidrogeles no se regaron durante todo el experimento. La germinación de las semillas en cada condición se observó y registró diariamente hasta el final del período de observación. Las tasas de germinación se calcularon con base en la Asociación Internacional de Análisis de Semillas (ISTA, 1985) utilizando la Ecuación (3):

donde a es el número total de semillas germinadas y b es el número total de semillas utilizadas.

Además de la tasa de germinación de las semillas de la hortaliza Choy Sum, se calculó el valor de germinación (GV) utilizando la ecuación (4):

donde DGS y N son la velocidad de germinación diaria y el número de conteos diarios.

Para evaluar la biodegradabilidad del hidrogel a base de celulosa con diferentes agentes gelificantes, se empleó el siguiente método en este estudio20. Los hidrogeles se pesaron y registraron antes de enterrarlos en suelo franco (una mezcla de arena, limo y arcilla), también conocido como tierra de jardín. Posteriormente, los hidrogeles pesados se enterraron a una profundidad de 5 a 10 cm en el suelo franco. Los materiales de compost adheridos a la superficie del hidrogel se retiraron con un cepillo antes de pesar la masa de los hidrogeles después de un cierto período. El experimento concluyó cuando el peso de las muestras se estabilizó y no varió. La ecuación (5) se utilizó para calcular la pérdida de peso del hidrogel mediante la prueba de biodegradabilidad.

donde \(W_{o}\) es el peso inicial del hidrogel y \(W_{i}\) es el peso del hidrogel después del intervalo de tiempo.

Para mejorar la precisión de los datos experimentales, todos los experimentos mencionados, como la capacidad de absorción de agua, la tasa de retención de agua, la humedad del suelo, el pH del suelo, la conductividad eléctrica del suelo y la biodegradabilidad de cada hidrogel, se realizaron por triplicado, y la germinación de las semillas se quintuplicó. Los datos experimentales se analizaron mediante ANOVA, con una significación estadística de p ≤ 0,05. Por consiguiente, los resultados de cada experimento se expresaron como media ± desviación estándar.

Los espectros de todos los hidrogeles en la Fig. 1a–d, plastificados con cuatro plastificantes diferentes, muestran bandas de estiramiento –OH alrededor de 3200 cm−1 a 3365 cm−1. Este pico es importante para todo el hidrogel porque indica que el estiramiento –OH se había formado con éxito con las cadenas de celulosa, ya sea por autoasociación o por entrelazamiento de las cadenas de celulosa a través de los grupos hidroxilo con la ayuda de ECH3. Además, los grupos funcionales hidroxilo presentes en todos los hidrogeles contribuyen a fuertes enlaces de hidrógeno intermoleculares dentro de la estructura de los hidrogeles alrededor de 3293 cm−1 y por encima. El hidrogel plastificado con glicerol en la Fig. 1c tuvo el enlace de estiramiento –OH más fuerte evidenciado por los 3363,59 cm−1 que tiene una longitud de onda más alta que los otros hidrogeles. Esto indica el efecto plastificante del glicerol sobre las cadenas de celulosa, atribuido a la naturaleza hidrófila tanto del glicerol como de la celulosa21. Según los espectros FTIR de todos los hidrogeles, la unión OH desempeña un papel crucial en la estructura de las cadenas de celulosa, contribuyendo significativamente a su capacidad de absorción de agua.

Espectros FTIR de (a) hidrogel a base de celulosa-AA, (b) hidrogel a base de celulosa-CMC, (c) hidrogel a base de celulosa-glicerol y (d) hidrogel a base de celulosa-PEG.

Además, los grupos carboxilo que se unieron a las cadenas de celulosa en la estructura del hidrogel a base de celulosa-NaCMC en la Fig. 1b están en la longitud de onda de 1591,03 cm⁻1 en sus espectros22. Los espectros de los hidrogeles a base de celulosa-AA en alrededor de 1609 cm⁻1 y este pico representaron las vibraciones simétricas de los grupos carboxilo23. El pico de 1465 a 1470 cm⁻1 en los hidrogeles con glicerol y PEG indicó la presencia de -COOH. Además, los espectros del hidrogel a base de celulosa-glicerol a 2923 cm⁻1 y 2850 cm⁻1 corresponden a las vibraciones de estiramiento de CH. Los picos observados a 2929 cm⁻1 y 2875 cm⁻1 en el glicerol se desplazaron a longitudes de onda más bajas en el hidrogel.24. Además, el pico observado a 1365 cm⁻1 en el hidrogel de celulosa plastificado con NaCMC confirma que el proceso de reticulación se llevó a cabo con éxito, lo que indica la formación de enlaces C-O-C entre las cadenas de polímero13. El pico de todas las muestras de hidrogel entre 1413 y 1417 cm−1 también pertenece a la vibración de estiramiento de COO − asimétrica13.

Además, los espectros FTIR del hidrogel a base de celulosa y glicerol mostraron picos a 2923 cm−1 y 2850 cm−1 que representan el estiramiento C–H, lo que indica la presencia de glicerol en el hidrogel24. Asimismo, el pico de 2850 cm−1 en los espectros del hidrogel plastificado con PEG en la Fig. 1d corresponde a la vibración de estiramiento simétrica de CH₂25.

Como se muestra en la Fig. 2, después de 5 h, el hidrogel a base de celulosa y glicerol presentó la mayor capacidad de absorción de agua en comparación con otros hidrogeles a base de celulosa plastificados con diferentes plastificantes. Esto se debe a que el glicerol ayuda a mantener la viscosidad del hidrogel y mejora la elongación de las redes de cadenas de celulosa, lo que permite que el hidrogel se expanda y absorba más agua26. El hidrogel con estas dos concentraciones, 1,0 % (p/p) y 1,5 % (p/p) de glicerol, mostró una alta capacidad de absorción de agua, 3562,97 % y 4192,17 %, respectivamente. Esto demuestra que el glicerol en estas dos concentraciones puede proporcionar una mayor flexibilidad a las cadenas poliméricas en la red del hidrogel. Mientras tanto, el hidrogel a base de celulosa-glicerol con una concentración de 1,75% (peso/peso) exhibe una morfología de superficie menos porosa, como se muestra en la Tabla 1. Esto indica que hay menos espacio disponible para el agua, como se ve en la Fig. 2. En consecuencia, la relación de hinchamiento al 1,75% (peso/peso) vuelve a una alta capacidad de absorción de agua debido a la mayor porosidad del hidrogel. Los hidrogeles plastificados con NaCMC y PEG también exhibieron altas capacidades de absorción de agua, alcanzando 2603,24% y 2672,79%, respectivamente. Sin embargo, el hidrogel a base de celulosa-AA logró una capacidad de absorción de agua de solo 808,3% en este estudio. A partir de esta observación, es claro que AA, como plastificante, no mejora significativamente la capacidad de absorción de agua del hidrogel de celulosa en comparación con los otros plastificantes. Se sospecha que el hidrogel a base de celulosa-AA presenta menos grupos hidrófilos que los demás hidrogeles de este estudio y una menor flexibilidad en sus cadenas de celulosa. Esto probablemente resulta en un hidrogel con menor capacidad de expansión al absorber agua. Sin embargo, los hidrogeles a base de celulosa-NaCMC presentan una mayor capacidad de hinchamiento que los hidrogeles a base de celulosa-AA. Como agente gelificante en la formación de hidrogeles, la NaCMC proporciona numerosos grupos funcionales hidrófilos, como grupos carboxílicos e hidroxilo, que facilitan la fijación del agua al hidrogel13. Además, la capacidad de absorción de agua de los hidrogeles con una concentración superior al 1,75 % (p/p) de NaCMC presenta una menor capacidad de absorción de agua, lo que puede atribuirse a la menor viscosidad de los hidrogeles, lo que limita el movimiento de la estructura de las cadenas poliméricas13. Por el contrario, el hidrogel a base de celulosa-PEG con una menor cantidad de PEG presenta una mayor capacidad de absorción de agua, ya que menos cadenas de PEG sin reaccionar o libres permanecen sin plastificar con las cadenas de celulosa. Una mayor cantidad de PEG crea un mayor impedimento estérico, lo que impide que las cadenas de celulosa y el reticulante se unan eficazmente a los extremos de las moléculas de PEG, lo que resulta en una menor capacidad de absorción de agua27.

Relación de hinchamiento del hidrogel a base de celulosa con cantidades variables de plastificantes después de 5 h.

Los hidrogeles conformados con AA, que se muestran en la Fig. 3a, demostraron que el que contenía 2,0 % de AA (peso/peso) es el que más agua retiene de todas las concentraciones analizadas. La tasa de retención de agua inicial de los hidrogeles con 2,0 % (peso/peso) de AA es del 100 %, y se mantuvo alta tras 24 h al aire libre, registrándose un 76,06 %. Tras 96 h, su tasa de retención de agua se mantuvo en el 9,24 %. Además de esta concentración, las tasas de retención de agua de los hidrogeles con otras concentraciones de AA descendieron por debajo del 60 % tras 24 h y fueron inferiores al 1 % tras 96 h. Esto indica que los hidrogeles con 2,0 % (peso/peso) de AA presentan una excelente capacidad de retención de agua en comparación con las otras concentraciones. Al comparar la capacidad de retención de agua entre todos los hidrogeles plastificados con cuatro plastificantes diferentes a esta concentración, el hidrogel con AA y glicerol tuvo un 9,24% y el 8,09% del agua permaneció en los hidrogeles después de 96 h. Sin embargo, los hidrogeles con NaCMC y PEG a esta concentración no tenían agua almacenada en la estructura. Esto se debe a que el hidrogel que contiene NaCMC y PEG a esta concentración, como se muestra en la Tabla 1, no demostró una mejor porosidad, por lo que resultó en una mala retención de agua. Los hidrogeles que contienen 2,0% (p/p) de AA y glicerol exhiben numerosos poros pequeños y están asociados con una alta capacidad de hinchamiento. Esta estructura ayuda a reducir la cantidad de agua que se evapora de los hidrogeles. Estas dos características mejoran directamente la capacidad de retención de agua de los hidrogeles3. Sin embargo, los hidrogeles con glicerol a esta concentración tuvieron una menor capacidad de retención de agua que aquellos con AA. Esto podría deberse a que el volumen de poro del hidrogel que contiene glicerol a esta concentración es menor que el volumen de poro del hidrogel que contiene AA, que es solo 4.315 \({\text{ccg}}^{ - 1}\) en la Fig. 4a. Sin embargo, el volumen de poro del hidrogel que contiene AA es 4.900 \({\text{ccg}}^{ - 1}\), lo que indica que el hidrogel a base de celulosa-AA a esta concentración tiene espacios más grandes para que el agua se llene. Otra razón por la que el hidrogel que contiene AA a esta concentración tiene mejor capacidad de retención es que tiene un tamaño de poro promedio más pequeño de 26.4 ± 0.3 nm, lo que puede evitar que el agua atrapada en la estructura se evapore del hidrogel. Por el contrario, el hidrogel con glicerol tiene un tamaño de poro promedio más grande de 31.3 ± 0.3 nm en este estudio.

La tasa de retención de agua del hidrogel a base de celulosa con diferentes cantidades de (a) AA; (b) NaCMC; (c) glicerol; (d) PEG.

Comparación de los datos BET entre cuatro hidrogeles de celulosa diferentes.

En cuanto a la tasa de retención de agua de los hidrogeles con NaCMC, como se muestra en la Fig. 3b, los hidrogeles con 1,75 % (p/p) de NaCMC mostraron una mejor retención de agua en comparación con otros hidrogeles de celulosa con diferentes concentraciones de NaCMC. Conservaban el 11,95 % de agua en su estructura después de 96 h, pero el resto de los hidrogeles no lograron retenerla durante 72 h, a pesar de que la tasa de hinchamiento de los hidrogeles con 0,5 % (p/p) y 1,0 % (p/p) de NaCMC es alta. La razón que causó que el hidrogel con 1,75 % (peso/peso) de NaCMC tuviera una mayor capacidad de retención de agua que otras concentraciones de NaCMC es la elongación de la red de gel a esta concentración, una gran cantidad de grupos carboxílicos y la presencia de presión osmótica de Donnan causada por la presencia de la alta cantidad de iones \({\text{Na}}^{ + }\) en toda la estructura polimérica del hidrogel13. Además, la morfología de la superficie de este hidrogel es más porosa en comparación con los otros hidrogeles a esta concentración en la Tabla 1. Tiene el tamaño de poro promedio más grande de 53,50 ± 0,2 nm y un poro más denso con un volumen de poro de 8,168 \({\text{ccg}}^{ - 1}\), proporcionó más espacios vacíos para retener el agua en cada poro. Esto se confirmó aún más por el hecho de que el NaCMC con 1,75 % (peso/peso) exhibió una alta fracción de gel y propiedad superabsorbente13.

Además, los hidrogeles a base de celulosa-glicerol con 1,00 % (p/p) de glicerol pueden retener agua durante más tiempo, almacenando más del 10 % de agua en su estructura incluso después de 96 h en la Fig. 3c. La morfología superficial del hidrogel con 1,0 % p/p de glicerol, como se muestra en la Tabla 1, es más porosa con un tamaño pequeño de alrededor de 37,74 ± 0,3 nm y un mayor volumen de poro de 6,535 \({\text{ccg}}^{ - 1}\) en su red interpenetrante, lo que resulta en que este hidrogel a esta concentración pueda almacenar el agua en su estructura después de 96 h. Las morfologías superficiales de los hidrogeles con los otros tres plastificantes a esta concentración se muestran en la Tabla 1, lo que indica que los poros más grandes conducen a una evaporación más rápida del agua almacenada dentro de la estructura. El uso de glicerol como plastificante a esta concentración en la formación de hidrogeles puede reducir la densidad de la matriz del hidrogel, lo que permite un mayor movimiento de las cadenas de celulosa. Esto resulta en una mayor flexibilidad y maleabilidad del hidrogel21. La tasa de retención de agua del hidrogel de celulosa con 1,5 % (peso/peso) de glicerol es de solo el 4,32 %. No puede retener mucha agua después de 96 h y comienza a secarse después de un día, aunque tiene una alta capacidad de hinchamiento y un mayor volumen de poro (7,380 \({\text{ccg}}^{ - 1}\)) en la Fig. 4a. Esto demuestra que no todos los hidrogeles con alta capacidad de hinchamiento pueden retener agua durante períodos más largos. Se sospecha que los poros son demasiado grandes, con un tamaño de poro promedio de 67,13 ± 0,3 nm, que se muestra en la Fig. 4b, por lo que pueden almacenar más agua pero no pueden evitar que el agua se evapore a una velocidad baja. La razón por la que el hidrogel con 1,75 % (p/p) de glicerol presenta una porosidad menor en comparación con otras concentraciones puede deberse a la organización de las moléculas del polímero polisacárido. A esta concentración, la asociación de las regiones hidrofóbicas se ve significativamente afectada, lo que provoca que la estructura del polímero se vuelva más amorfa y reduzca la fuerza intermolecular. La tasa de retención de agua de los hidrogeles con una concentración más baja de PEG, específicamente 0,5 % (p/p), mostró que el 33,47 % del agua permaneció dentro de los hidrogeles después de 96 h, como se muestra en la Fig. 3d, lo que resultó en una alta retención de agua y una alta porosidad en su morfología superficial, como se muestra en la Tabla 1. Además de la alta porosidad, también exhibió una mayor área superficial en alrededor de 104,575 m2 \({\text{g}}^{- 1}\) con un tamaño de poro más pequeño (11,92 ± 0,3 nm) y un volumen de poro significativo (6,232 \({\text{ccg}}^{- 1}\)) en la Fig. 4a, b, c. Por lo tanto, esta concentración representa el nivel óptimo para producir un hidrogel altamente poroso. A esta concentración, el hidrogel que contiene AA, NaCMC y glicerol no puede retener agua debido a la falta de numerosos poros, como se muestra en la Tabla 1. Además, el PEG actúa como plastificante al reducir las fuerzas intermoleculares y mejorar la movilidad de las cadenas de polímero. Los grupos hidroxilo en las cadenas de PEG contribuyen a este efecto, lo que resulta en un mayor contenido de humedad en el hidrogel28.

Al comparar las tasas de retención de agua más altas de cada hidrogel, el hidrogel con PEG como plastificante presenta la mayor capacidad de retención. Esto también se evidencia en su área superficial, volumen de poro y tamaño de poro. El hidrogel a base de celulosa-PEG presenta la mayor área superficial, con 104,575 m² (g - 1), y el menor tamaño de poro promedio, con 11,92 ± 0,3 nm. Este pequeño tamaño de poro ayuda a evitar que las moléculas de agua escapen de la estructura del hidrogel, a pesar de que su volumen de poro es de tan solo 6,232 ccg. Por el contrario, los hidrogeles con NaCMC y glicerol, si bien presentan una alta capacidad de absorción de agua y mayores volúmenes de poro, presentan una menor capacidad de retención de agua. Esto se debe a que sus poros promedio son mayores: 53,50 ± 0,2 nm para el hidrogel de NaCMC y 37,74 ± 0,3 nm para el hidrogel de glicerol. Por lo tanto, cuanto mayor sea el tamaño de poro en el hidrogel, menor será su capacidad de retención de agua. El hidrogel con AA exhibe la menor capacidad de retención de agua en comparación con los otros tres hidrogeles, ya que su volumen de poro es de tan solo 4,900 ccg - 1. Este menor volumen de poro resulta en una menor capacidad de captación y retención de agua, ya que hay menos espacio disponible para almacenarla dentro del hidrogel.

Nuestros estudios demostraron que los hidrogeles de celulosa con diversos agentes gelificantes, concretamente 1,75 % en peso de NaCMC, 2,0 % en peso de AA, 1,0 % en peso de glicerol y 0,5 % en peso de PEG como plastificante, mostraron una excelente capacidad de absorción de agua y una mayor tasa de retención de agua, lo que permitió mantener el agua en su estructura durante el mayor tiempo posible. Por lo tanto, estos hidrogeles se utilizan en la aplicación para determinar el efecto de los diferentes tipos de hidrogeles de celulosa en la humedad del suelo, el pH del suelo, la conductividad eléctrica del suelo, la germinación de las semillas de hortalizas Choy Sum y la biodegradabilidad de estos hidrogeles de celulosa en suelos francos.

Este estudio determinó el efecto de cada hidrogel a base de celulosa sobre la humedad del suelo en cuatro tipos diferentes (arena, tierra vegetal, suelo gley y suelo arcilloso). La humedad del suelo en todos los tipos de suelo sin hidrogel (conjunto de control) no aumentó al permanecer al 0 % durante 15 días. Esto significa que factores externos como la humedad ambiental no afectan el nivel de humedad del suelo en este estudio. El contenido de agua de todos los hidrogeles utilizados en la prueba de humedad del suelo se presenta en la Tabla 2.

La arena es un tipo de suelo poco utilizado en la agricultura, lo que ha planteado enormes desafíos debido a su baja capacidad de retención de agua29. Sin embargo, este estudio mostró una mejora prometedora del contenido de humedad de la arena mediante varios tipos de hidrogeles a base de celulosa, como se muestra en la Fig. 5a. Cuando se aplicaron hidrogeles de celulosa con PEG y NaCMC a suelo arenoso, ambos hidrogeles mejoraron la capacidad de retención de agua del suelo arenoso. Esta mejora se debió a los enlaces de hidrógeno formados entre el PEG o el NaCMC y las cadenas de celulosa, que introdujeron más grupos hidrófilos en la estructura de la red de los hidrogeles13,30,31. El hidrogel a base de celulosa-PEG exhibió una tasa de retención de agua superior y mejoró la humedad del suelo de la arena en comparación con otros hidrogeles de celulosa. Esto se atribuyó a la formación significativa de grupos hidroxilo hidrófilos entre las cadenas de PEG y celulosa, así como a su menor tamaño medio de poro. Estos factores llevaron a un aumento en la hidrofilicidad del hidrogel, causando que el agua ligada en el hidrogel se evaporara lentamente de la arena. Además, la humedad de la arena que contenía hidrogeles a base de celulosa-glicerol aumentó gradualmente hasta el día 7 y aumentó ligeramente en un 1,2% el día 15; la humedad del suelo de la arena con este hidrogel se mantiene alrededor del 19,9-21,1% desde el día 7 hasta el día 15. Esto demuestra que el hidrogel a base de celulosa-glicerol puede proporcionar suficiente agua a la arena debido a su alta capacidad de retención de agua, manteniendo el suelo arenoso hidratado y evitando que el agua se evapore de la arena. Sin embargo, el hidrogel que contenía AA fue menos eficaz para ayudar a la arena a retener agua que los otros hidrogeles en este estudio. Esto podría atribuirse potencialmente a la cantidad limitada de agua almacenada en el hidrogel a base de celulosa-AA, lo que podría conducir a un ligero aumento en el contenido de humedad de la arena. Además, la incapacidad del hidrogel para retener agua durante largos periodos podría deberse a la falta de grupos hidrófilos formados entre las cadenas de AA y celulosa, lo que impide mantener la humedad en la arena. Por lo tanto, la humedad del suelo de la arena con hidrogel con AA descendió al 15,6 % hasta el final del periodo de observación.

Humedad del suelo de (a) arena, (b) capa superficial del suelo, (c) suelo gley y (d) suelo arcilloso con hidrogeles a base de celulosa durante 15 días.

Además de la arena, todos los hidrogeles a base de celulosa mejoraron la humedad del suelo en la capa superficial, aunque no tan efectivamente como en la arena. Esto se debe a que la capa superficial es una capa superficial con muchos espacios vacíos, lo que la hace más propensa a la evaporación del agua32. La capa superficial que contenía hidrogel a base de celulosa-glicerol tuvo la humedad del suelo más alta, alcanzando 21.3% en el día 15 en la Fig. 5b. La caída del 7.9% en la humedad del suelo del día 7 al día 15 probablemente se deba a la evaporación del agua almacenada en la capa superficial. Los numerosos espacios vacíos en la capa superficial permitieron que el agua proporcionada por el hidrogel a base de glicerol se evaporara más rápidamente, evitando que se retuviera durante un período más prolongado. Esta situación también ocurrió en la capa superficial que fue tratada con hidrogel a base de celulosa-PEG. A pesar de exhibir una alta tasa de retención de agua en este estudio, el hidrogel plastificado con PEG no aumentó significativamente la humedad del suelo en la capa superficial. La humedad del suelo de la capa superficial con este tipo de hidrogel había aumentado del 10,5 % (día 3) al 19,9 % (día 7), pero bajó al 16,6 % el día 15. Esto puede deberse a que el agua proporcionada por el hidrogel se ha evaporado, pero el hidrogel todavía puede ayudar a la capa superficial del suelo a retener el 16,6 % del agua durante el día 15. Si bien el hidrogel a base de celulosa-NaCMC mantuvo constantemente la humedad del suelo de la capa superficial entre el 12 y el 16 % durante más de 15 días, las propiedades de la capa superficial del suelo no aumentaron ni disminuyeron significativamente.

El efecto de los hidrogeles a base de celulosa en la humedad del suelo gley se muestra en la Fig. 5c. El suelo gley con el hidrogel a base de celulosa-AA tuvo la humedad del suelo más baja en el día 15 con 10.7%, pero pudo alcanzar 18.1% en el día 7. El agua ligada en este hidrogel había aumentado la humedad del suelo gley. Sin embargo, el hidrogel que contiene la capacidad de absorción de agua de AA fue insuficiente para mantener la humedad del suelo gley durante más de una semana, ya que la alta concentración del suelo de partículas de arcilla y materia orgánica requirió una mayor absorción de agua33. Además, el suelo gley tratado con hidrogel a base de celulosa-PEG tuvo la humedad del suelo más alta en 41.3% en comparación con los otros tratamientos. Esto se debe a su excelente capacidad de retención de agua, lo que le permite liberar agua gradualmente con el tiempo. Por lo tanto, las partículas de arcilla en el suelo pueden retener el agua que proporciona el hidrogel, evitando que se evapore. El hidrogel a base de celulosa-glicerol y el hidrogel a base de celulosa-NaCMC mostraron un rendimiento similar en el mantenimiento de la humedad del suelo gley. Al día 15, el suelo gley tratado con estos hidrogeles retuvo un 22,8 % y un 21,1 % de agua, respectivamente. El estudio no encontró diferencias significativas en la capacidad de retención de agua de ambos hidrogeles a base de celulosa, lo que indica solo un pequeño margen en el porcentaje de humedad del suelo.

El suelo arcilloso está lleno de partículas de arcilla, que requieren más moléculas de agua para llenar la gran superficie de la porosidad en el sistema del suelo. Esto necesita una mayor cantidad de agua para llenar el vacío, lo que lleva a agua insuficiente en los hidrogeles para que las partículas de arcilla la absorban34 En consecuencia, los hidrogeles plastificados con AA, NaCMC y glicerol no pueden mejorar significativamente el contenido de humedad del suelo arcilloso. A los 15 días, la humedad del suelo de esos hidrogeles era solo entre 14 y 19% en la Fig. 5d. El hidrogel a base de celulosa-PEG promovió la mayor disponibilidad de agua en el suelo arcilloso, mostrando 20.5% en el día 15 debido a su retención de agua superior en comparación con otros hidrogeles.

En conclusión, los hidrogeles de celulosa examinados en este estudio pueden mejorar la humedad del suelo en suelos arenosos, capa superficial, suelos gley y suelos arcillosos. Sin embargo, los hidrogeles de celulosa plastificados con PEG, NaCMC y glicerol mejoran la humedad del suelo en los cuatro tipos de suelo utilizados en este estudio debido a su capacidad de absorción y retención de agua.

El pH del suelo también es un factor que puede influir en el crecimiento de las plantas. Cuando el pH del suelo se encuentra en el rango óptimo de pH 5 a pH 8, la mayoría de las plantas, en particular las hortalizas, pueden prosperar en este rango35,36. Además, las plantas pueden absorber eficientemente los nutrientes que necesitan cuando el suelo tiene el pH adecuado. Por lo tanto, este estudio busca determinar si los hidrogeles a base de celulosa plastificados con NaCMC, AA, glicerol y PEG pueden aumentar el pH del suelo y mantenerlo durante 15 días.

Tras mezclar hidrogeles de celulosa al 50 % con cada tipo de suelo en las bolsas de siembra, cada tipo de suelo con los hidrogeles aumentó y mantuvo un pH de 5 o superior de forma constante después del tercer día. Se cree que el aumento de la humedad del suelo influye directamente en su pH, como lo demuestra la mejora de la humedad después del primer día, lo que conduce a un aumento constante del pH. Después del tercer día, el pH del hidrogel de celulosa y glicerol en el suelo gley continuó aumentando, alcanzando un pH de 7,77 el día 15. La formación de un mecanismo de difusión entre el exterior y el interior del hidrogel de celulosa y glicerol podría haber contribuido a la lenta liberación de agua. Por lo tanto, la humedad del suelo aumentó lentamente, al igual que el pH37,38. Además, el suelo gley contiene una gran cantidad de partículas de arcilla y materia orgánica, lo que provoca que atrape y retenga más agua en su interior, aumentando el pH a lo largo de 15 días. La presencia de hidrogel en el suelo puede aumentar el pH del suelo de forma eficaz39. Además, el pH del suelo gley y arcilloso se mantuvo inicialmente en 4,58 y 5,12, respectivamente, pero aumentó gradualmente hasta alcanzar un pH ligeramente alcalino en todas las condiciones al ser tratado con hidrogel. Por el contrario, después de 3 días, el pH de toda la arena que contenía hidrogeles aumentó de 7,4 a 8 o más. Esto sugiere que la presencia de hidrogeles de celulosa puede elevar el pH de la arena en respuesta a un aumento de la humedad del suelo, estableciendo así una correlación directa entre el contenido de humedad de la arena y su pH. Antes de añadir los hidrogeles, el valor de pH de la capa superficial del suelo era de pH 5. Después de añadir los hidrogeles, todos los valores de pH aumentaron a pH 6,53 (con hidrogeles a base de celulosa-NaCMC), pH 5,63 (con hidrogeles a base de celulosa-AA), pH 7,77 (con hidrogeles a base de celulosa-glicerol) y pH 7,84 (con hidrogeles a base de celulosa-PEG) para el día 15. Todos los valores de pH de la capa superficial del suelo aumentaron en todas las condiciones, pasando de un pH ácido a un pH ligeramente alcalino o alcalino, con la excepción de la condición en la que no se añadió hidrogel.

La conductividad eléctrica del suelo, también conocida como salinidad, es un índice para medir la cantidad de sales presentes en el suelo y está relacionada con las propiedades del suelo que afectan directamente la productividad de los cultivos40. El efecto de los diversos hidrogeles a base de celulosa en la salinidad de cada tipo de suelo es importante porque puede determinar si los hidrogeles seleccionados pueden mejorar la salinidad de la arena, la capa superficial del suelo, el suelo gley y el suelo arcilloso. Las conductividades eléctricas del suelo de la arena, la capa superficial del suelo, el suelo gley y el suelo arcilloso del conjunto de control en este estudio son 63,9 µs/cm, 44,2 µs/cm, 55,0 µs/cm y 113,9 µs/cm. Toda la salinidad en los conjuntos de control se mantuvo constante durante 15 días y se garantizó que ningún factor externo como la temperatura o la humedad afectara los resultados de cada tipo de suelo durante el período experimental.

Con respecto al efecto de los hidrogeles en la salinidad de la arena, los hidrogeles basados en celulosa-NaCMC causaron un aumento continuo en la conductividad eléctrica durante el período de 15 días. Para el día 15, la arena tratada con este hidrogel exhibió la salinidad más alta entre todos los hidrogeles basados en celulosa, alcanzando 803.3 µS/cm. Por el contrario, los otros hidrogeles plastificados con AA, glicerol y PEG mostraron niveles de salinidad similares, manteniéndose por debajo de 260 µS/cm. Esta observación indica que el hidrogel basado en celulosa-NaCMC aumentó 739.4 µs/cm de la salinidad de la arena. Sin embargo, los otros hidrogeles mostraron solo un aumento gradual en la salinidad. Esto puede deberse a que el hidrogel con NaCMC tiene la presencia de los iones Na + que vagan libremente en la estructura del hidrogel; la presencia del catión aumentará la conductividad eléctrica de la arena13,41. Además de la arena, los hidrogeles a base de celulosa-PEG exhibieron la conductividad eléctrica más alta en la capa superficial del suelo (689,7 µs/cm), suelo gley (446,7 µs/cm) y suelo arcilloso (386,7 µs/cm). Después de esto, los hidrogeles a base de celulosa-glicerol mostraron mayor salinidad en la capa superficial del suelo (572,0 µs/cm), suelo gley (338,0 µs/cm) y suelo arcilloso (336,3 µs/cm). La razón probable por la que el hidrogel con PEG y glicerol puede mejorar la conductividad eléctrica del suelo gley y el suelo arcilloso es que estos hidrogeles ayudan a minimizar la pérdida por lixiviación de cationes esenciales del suelo.

En conclusión, los resultados de salinidad de cada tipo de suelo indicaron que el hidrogel a base de celulosa plastificado con NaCMC, glicerol y PEG puede mejorar la conductividad eléctrica del suelo arenoso, la capa superficial del suelo, el suelo gley y el suelo arcilloso.

La formación de una condición sin suelo con el hidrogel es una opción eficaz para la germinación de semillas. Esto se demostró en nuestro estudio anterior que mostró que el hidrogel a base de celulosa plastificado con NaCMC tuvo un mejor rendimiento en la germinación de las semillas de arroz con condiciones sin suelo en comparación con la germinación en los suelos42. Para estudiar más a fondo la eficacia de los hidrogeles a base de celulosa en la germinación de la verdura común como la verdura Choy Sum, este estudio demostrará y comparará la eficacia de los tipos de hidrogel a base de celulosa plastificados con ácido algínico (AA), carboximetilcelulosa sódica (NaCMC), glicerol y polietilenglicol (PEG) en la germinación de semillas de semillas de verduras Choy Sum. Los resultados de la germinación de semillas de diferentes tipos de hidrogeles a base de celulosa se compararon entre sí, así como con el resultado de la germinación de semillas sin ningún hidrogel.

La tasa de germinación de las semillas de las hortalizas Choy Sum en el algodón (sin hidrogel) regado diariamente es de solo el 27%, con un valor de germinación de solo el 2,25%, como se muestra en la Tabla 3. Las semillas germinadas sin hidrogel y sin riego diario no dieron como resultado ninguna germinación en el algodón. Por lo tanto, las semillas germinadas en el algodón necesitan ser regadas diariamente. Sin riego regular, el agua se evaporará, dejando una humedad insuficiente para apoyar la germinación de las semillas. El método tradicional de germinación de semillas en algodón es insuficiente para apoyar la germinación sin agua o con un suministro de agua inadecuado. Sin embargo, la mayoría de las semillas germinaron con éxito en los hidrogeles hinchados a base de celulosa, incluso cuando no se proporcionó agua durante el período de germinación.

Con base en los resultados de la Tabla 3, el 65% de las semillas germinaron en el hidrogel a base de celulosa-glicerol, seguido del 51% en el hidrogel a base de celulosa-NaCMC y el 49% en el hidrogel a base de celulosa-PEG. El hidrogel a base de celulosa-AA tuvo la tasa de germinación de semillas más baja entre todos los hidrogeles de celulosa en este estudio con un 40%. No hubo suministro de agua a las semillas que germinaron en todos los hidrogeles a base de celulosa. En comparación con la germinación de semillas de vegetales Choy Sum en la condición sin hidrogel y con riego diario, mostró que la mayoría de las semillas de vegetales Choy Sum germinaron con éxito en estos hidrogeles, con una tasa de germinación de semillas del 40% o superior. Todos los tratamientos en este estudio fueron estadísticamente significativos, con un valor p inferior a 0,05. Esto puede deberse a la capacidad de retención de agua de estos hidrogeles en sus estructuras, que proporcionan la humedad suficiente necesaria para la germinación de las semillas. Con los hidrogeles de celulosa, no es necesario regar las semillas durante el periodo de germinación, ya que retienen el agua y proporcionan condiciones sin suelo que favorecen la germinación. Además, el hidrogel a base de celulosa y glicerol presentó la mayor tasa de germinación de semillas, con un 61 %, en comparación con la tasa de germinación de semillas de todos los hidrogeles de celulosa seleccionados. Este hidrogel de celulosa permite la germinación de más semillas gracias a su capacidad de retención de agua, ya que contiene una gran cantidad de grupos hidrófilos en su estructura y proporciona agua continuamente a todas las semillas43.

Según el valor de germinación de las semillas y el porcentaje medio de germinación diaria de todas las condiciones en la Tabla 3, el hidrogel con glicerol como plastificante tuvo el mayor valor de germinación de las semillas del 16,91% y exhibió la germinación más temprana, con la mayoría de las semillas comenzando a germinar en el día 3. El valor pico de la tasa de germinación diaria es el cociente máximo de la tasa de germinación diaria de las semillas de Choy Sum en el hidrogel a base de celulosa y glicerol durante el período de observación. Esto demuestra que las semillas que germinaron en el hidrogel a base de celulosa y glicerol son más tempranas y rápidas ya que la humedad proporcionada por el hidrogel mejora la actividad metabólica de las semillas y causa la mejora en el proceso de germinación con una germinación más temprana y mejor44,45. Por otro lado, aunque el valor de germinación del resto de hidrogeles de celulosa plastificados con NaCMC, PEG y AA se encuentra entre 4,5 y 6,9%, también promovieron la germinación de las semillas, con lo que las semillas germinaron el día 3. Estos hidrogeles pueden mejorar el proceso de germinación de las semillas en comparación con las semillas que germinan en algodón sin ningún hidrogel porque las capacidades de absorción de agua de esos hidrogeles son el factor principal que promueve el proceso de germinación más temprano de las semillas.

Este estudio evaluó la biodegradabilidad de cada hidrogel a base de celulosa plastificado con cuatro plastificantes en el suelo común de jardín conocido como suelo franco. En este estudio, los hidrogeles de celulosa que contienen NaCMC y AA ya habían perdido su peso en más del 60% después de 14 días, alrededor del 62%, pero la pérdida de peso de los hidrogeles a base de celulosa-glicerol y los hidrogeles a base de celulosa-PEG no son más del 20% que son 18,99% y 6,14%, respectivamente. Después de 28 días, la pérdida de peso de los hidrogeles con glicerol y PEG había alcanzado el 75,49% y el 71,77%, que se habían compostado más del 60%. Esto demostró que los hidrogeles de celulosa con NaCMC y AA tienen una biodegradabilidad más rápida que los otros dos hidrogeles de celulosa. Sin embargo, los materiales de partida y el método utilizado para la formación del hidrogel son los mismos. Esto puede deberse a que el NaCMC y el AA no causan que la densidad de reticulación de los hidrogeles de celulosa se vuelva lo suficientemente fuerte, y estos dos plastificantes pertenecen al biopolímero, produciendo el polímero que es fácil de compostar cuando se entierra en el suelo franco30,46. Además, los hidrogeles que contienen NaCMC y AA habían compostado hasta el 96% de la pérdida de peso después de ser quemados en el suelo franco durante 60 días. Mientras tanto, los hidrogeles de celulosa contenían glicerol y PEG y solo compostaron hasta el 87% del peso perdido después de 60 días. La razón por la que los hidrogeles basados en celulosa-PEG y los hidrogeles basados en celulosa-glicerol se compostan a un ritmo más lento es que ambos plastificantes aumentan la densidad de reticulación del hidrogel y mejoran la elasticidad del hidrogel, y su elasticidad ralentiza el proceso de degradación47,48. Sin embargo, todos los tipos de hidrogeles a base de celulosa presentaron un alto grado de biodegradabilidad, y la degradación total de los hidrogeles alcanzó el 85 %. Este hallazgo también fue comprobado por Tefera et al.39. Esto podría deberse a los enlaces glucosídicos presentes en las cadenas de polisacáridos de las fibras de celulosa, que promueven la degradación enzimática por enzimas comunes presentes en el suelo de jardín, como la amilasa49.

El uso de diferentes plastificantes en la formación de hidrogeles a base de celulosa influyó en diversas características de los hidrogeles, incluyendo su morfología superficial, enlaces químicos, capacidad de absorción de agua y capacidad de retención de agua. Los hidrogeles a base de celulosa que contienen NaCMC, glicerol y PEG tienen una alta capacidad de absorción y retención de agua, mejorando la humedad del suelo, el pH y la conductividad eléctrica en diversos tipos de suelo. Además, la tasa de germinación de las semillas de Choy Sum en los hidrogeles a base de celulosa y glicerol fue excelente, alcanzando el 65%, en comparación con solo el 27% de las semillas germinadas sin hidrogel. Todos los hidrogeles de celulosa se descompusieron y perdieron hasta el 87% de su peso después de 60 días en el suelo franco.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido razonable del autor correspondiente.

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SJJ presentó todas las figuras y datos de este estudio, y los autores agradecen a todos los correctores y editores que lo revisaron.

Este trabajo fue apoyado por el Ministerio de Educación Superior (KPT) de Malasia a través de la concesión del Plan de Becas de Investigación Fundamental (Beca No. FRGS/1/2020/STG05/UNIMAS/02/1).

Facultad de Ciencia y Tecnología de Recursos, Universidad de Malasia Sarawak, 94300, Kota Samarahan, Sarawak, Malasia

Shu-Jun Jong, Suk-Fun Chin y Mohd Effendi Wasli

Buscar autor en:PubMed Google Académico

SJJ dirigió los experimentos, la recopilación de datos y la redacción del manuscrito; SFC y MEW se encargaron de la supervisión, la edición del manuscrito y la validación del proyecto. SFC es el investigador principal del proyecto.

Correspondencia con Suk-Fun Chin.

Los autores declaran no tener intereses en conflicto.

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Reimpresiones y permisos

Jong, SJ., Chin, SF. y Wasli, ME. Hidrogel a base de celulosa como acondicionador de suelo y medio de germinación de semillas. Sci Rep 15, 22648 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-05920-2

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Recibido: 14 de diciembre de 2024

Aceptado: 05 de junio de 2025

Publicado: 02 de julio de 2025

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-05920-2

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