Diseño del modelo de laboratorio especializado en enfermedades de cultivos agrícolas - Laboratorio de Fitopatología a través de un caso de estudio

1. INTRODUCCIÓN

La agricultura es una actividad que comprende el conjunto de acciones humanas que trasforma el medio ambiente natural para fines alimenticios ( 1 (1) Raffino, M. (2020). Concepto de Agricultura. Concepto de. Retrieved from https://concepto.de/agricultura/
). Siendo una de las actividades esenciales para el crecimiento económico en países de amplios recursos naturales, climas favorables y extensos suelos aptos para el cultivo.

La actividad agrícola requiere de la constante investigación e innovación para la obtención de grandes cantidades, variedades de productos y la alta calidad para el consumo local y de exportación. Por ello, es necesario contar con instituciones públicas o privadas que se dediquen a la provisión de servicios especializados (investigación y trasferencia tecnológica) y brinden apoyo hacia los agricultores; con el fin de aumentar la competitividad y sostenibilidad.

Los cultivos agrícolas por lo general presentan dificultades en el proceso de producción, siendo una de las principales, la existencia de agentes patógenos que son los responsables de causar enfermedades que conllevan a la pérdida de cosechas y la baja calidad en sus productos. Por tal motivo, se disponen laboratorios que se dediquen a su investigación, diagnóstico e innovación para su detección y control en los denominados Laboratorios de Fitopatología.

Este tipo de laboratorio requiere de condiciones específicas: espacios con ambientes controlados en temperatura y humedad, áreas de acuerdo a sus actividades y equipos exclusivos para la investigación. Por lo que el presente artículo realiza el análisis del caso de estudio de la “Clínica de Diagnosis de Fitopatología y Nematología” de la Universidad Nacional Agraria La Molina - Perú donde a partir de ello, se presenta el adecuado diseño del Laboratorio de Fitopatología, como modelo base donde se muestra una correcta distribución y proporción de los espacios. Dirigido para investigadores, laboratoristas, especialistas relacionados a la actividad agrícola y profesionales del ámbito de la arquitectura, edificación e ingeniería.

2. METODOLOGIA DE TRABAJO

El método de trabajo realizado en el presente artículo sigue la siguiente secuencia:

3. DEFINICIÓN DE LABORATORIO DE FITOPATOLOGIA

Es un área especializada, controlada y equipada con las condiciones necesarias para realizar análisis de rutina, investigación básica y avanzada relacionados al estudio de los agentes infecciosos (hongos, virus, bacterias y nemátodos) causantes de enfermedades en las plantas ( 2 (2) Agrios, G.N. (2005). fitopatología, p. 952, México: Limusa.
, 3 (3) Urbina, C.M. (2011). Enfermedades causadas por hongos, fitopatología general, p. 21, Estelí.
). Por lo que, en este tipo de laboratorio se realizan trabajos de diagnóstico de enfermedades en plantas, caracterización morfológica, molecular; con la finalidad de identificar y conocer al agente causal de una determinada enfermedad, su variación genética y de virulencia, para adoptar medidas de manejo eficiente, evitando el uso de productos inadecuados ¹ Ph. V. Casa Coila, Definición, 27 de mayo 2022..

Tiene por objetivo principal asistir a los agricultores y todos aquellos que se relacionen a la actividad agrícola. Asimismo, en el presente laboratorio se realizan las investigaciones de estudiantes, tesistas y docentes de profesiones a fines al tema; aportando conocimiento, técnica y soluciones para futuras producciones agrícolas.

4. ACTIVIDADES DENTRO DEL LABORATORIO

Para definir las actividades dentro del laboratorio, es necesario conocer los pasos y/o secuencia que realizan los investigadores para diagnosticar las causas y el desarrollo de las enfermedades en las plantas ( 4 (4) Quintana, R.S. (2018). Manual de prácticas Fitopatológicas (AEJ-1028). ITZM Instituto Tecnológico de la Zona Maya. Retrieved from http://www.itzonamaya.edu.mx/web_biblio/archivos/manuales/07_fitopatologia.pdf
):

4.3. Identificación, análisis y diagnostico

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En el área principal del laboratorio, se realiza la identificación, análisis y diagnóstico; mediante las siguientes actividades:

• A. Para el estudio y conocimiento del agente causal (hongos, virus, bacterias y nemátodos), se debe cultivar en medios adecuados, aislando del suelo o de partes enfermas. Por lo que se requiere de equipos especializados y/o espacios complementarios, entre ellos se considera a los invernaderos y los almacenes de medios de cultivo.

Siendo los invernaderos instalaciones protegidas, cubiertas con materiales trasparentes con el objetivo de controlar las condiciones climáticas (temperatura y humedad) y de contemplar tecnologías con riego controlado ( 5 (5) Alpi, A.; Tognoni, F. (1991). Cultivo en invernadero actual orientación científica y técnica, p. 17, Madrid: Mundiprensa.
). Para el diseño y su construcción, se considera el tipo de estructura, el material de la cubierta, ubicación, condiciones climáticas del lugar y la cantidad de almacenaje ( 6 (6) Mendez, F. (2010). La Presentación y descomposición en conjunto de: Invernadero, p. 14, Lima: Flash Grafic.
). En consecuencia, por lo general se trabaja con una estructura metálica, con recubrimiento de vidrio, con la cubierta de tipo curvo y considerando las medidas estándar ( Figura 1 ) descritas a detalle en la Tabla 1 .

Figura 1.  Esquema de dimensionamiento de invernaderos.

Tabla 1.  Dimensiones estándar para invernaderos en metros (m).

ANCHO (a)	ALTURA CANAL (b)	ALTURA CENITAL (c)	ALTURA TIRANTE (d)
6.40	3.00, 3.50, 4.00	4.36, 4.86, 5.36	2.83, 3.33, 3.83
7.40	3.00, 3.50, 4.00	4.58, 5.08, 5.58	2.83, 3.33, 3.83
8.0	3.00, 3.50, 4.00	4.71, 5.21, 5.71	2.83, 3.33, 3.83
9.0	3.00, 3.50, 4.00	4.95, 5.45, 5.95	2.83, 3.33, 3.83
10.0	3.00, 3.50, 4.00	5.16, 5.66, 6.16	2.83, 3.33, 3.83

Por otro lado, los almacenes de medios de cultivos son cuartos destinados a realizar ensayos de cultivo de plantas, germinación, cultivo in-vitro, entre otros; con altos niveles de almacenaje, tipos de iluminación y con control de la temperatura y humedad ( 7 (7) Aralab. (2013). Cámaras de cultivo y crecimiento de plantas. Biotecnología. Retrieved from https://aralab-esp.es/camaras-cultivo-biotecnologia/
).

• B. Se realiza el proceso de identificación y análisis de los agentes fitopatológicos, por lo que se requieren amplias mesas de trabajo y equipos especializados que sirven para agilizar y precisar los resultados. Por ello, se requieren de una ubicación adecuada según el tipo, uso y sus dimensiones, las cuales están descritas en la Tabla 2 .

• C. Luego, se elabora el reporte mediante un informe técnico de los resultados y se llama al usuario y/o agricultor para su explicación y asistencia respectiva.

• D. Posteriormente, los residuos, insumos y materiales utilizados en su mayoría son desechados para evitar contaminaciones y posibles expansiones.

• E. Finalmente, se utilizan áreas complementarias para el almacenaje de reactivos, insumos, entre otros.

Tabla 2.  Equipos, uso y dimensiones aproximadas para el laboratorio de fitopatología.

EQUIPOS	USO Y UBICACIÓN SML (Sobre la mesa de Lab.) SMO (Sobre la mesa de Oficina) SP (Sobre el Pavimento)	DIMENSIONES APROX. Metros (m)
		L (largo), A (ancho), H (altura)	PLANTA	CORTE
a. Microscopios	Se utiliza para ampliar la imagen de objetos o seres que no se pueden ver a simple vista ( 8 (8) Aklia Eduk. (2019). El microscopio. Retrieved from https://www3.gobiernodecanarias.org/medusa/ecoblog/mmelrey/2019/10/16/el-microscopio/#:~:text=Tal%20y%20como%20hemos%20visto,de%20lentes%20de%20gran%20aumento . ). SML, SMO	L:0.40, A:0.40, H:0.60
b. Lupas estereoscópicas	Se dispone para la observación y estudio, por reflexión de luz incidente, de muestras tridimensionales ( 9 (9) Universidad Politécnica de Cataluña. (s.f.). Lupa estereoscópica. Servicios Científicos - Técnicos de la UPC. Retrieved from https://www.upc.edu/sct/es/equip/712/lupa-estereoscopica.html#:~:text=Equipo%20consistente%20en%20una%20lupa,luz%20incidente,%20de%20muestras%20tridimensionales . ). SML	L:0.40, A:0.40, H:0.60
c. Balanzas analíticas	Se emplea para la medición de masas muy pequeñas, fundamentalmente de aquellas que están por debajo del miligramo ( 10 (10) Significados. (2017). Balanza analítica. Retrieved from https://www.significados.com/balanza-analitica/ . ). SML	L:0.20, A:0.21 H:0.23-0.34
d. Autoclave	Se utiliza para esterilizaciones del material o instrumentos del laboratorio, presuriza y las lleva a altas temperaturas ( 11 (11) Medicalbuy. (2020). ¿Qué es una autoclave y cómo funciona? Retrieved from https://medicalbuy.mx/blog/238-que-es-una-autoclave-y-como-funciona . ). SML	L:0.41-0.53, A:0.41-0.53, H:0.75 - 0.87
e. Centrifugas	Se aplica para la rotación de muestra para separar por fuerza centrífuga sus componentes o fases en función de su densidad ( 12 (12) Equipos y laboratorio de Colombia. (2021). Que es una centrifuga. Retrieved from https://www.equiposylaboratorio.com/portal/articulo-ampliado/que-es-una-centrifuga . ). SML	L:0.30, A:0.30, H:0.50
f. Agitadores	Se utiliza para la agitación de los medios líquidos. Gracias a diferentes procesos y tipos de agitación, pueden realizar diferentes procesos ( 13 (13) PCE Inst. (s.f.). Agitadores de laboratorio. Retrieved from https://www.pce-iberica.es/instrumentos-de-medida/instrumentos-laboratorios/equipos-laboratorios/agitadores-laboratorio.htm . ). SML	L:0.30, A:0.30, H:0.50 - 1.00
g. Cámara de incubación / estufas de cultivo	Se emplea para la incubación de muestras de microorganismos (bacterias y hongos) y cultivos celulares en condiciones de temperatura para su crecimiento óptimo ( 14 (14) Real Academia de Ingeniería. (s.f.). Estufa de incubación. Retrieved from http://diccionario.raing.es/es/lema/estufa-de-incubaci%C3%B3n . ). SML	L:0.83, A:1.05, H:0.80-1.80
h. Cabina/ Cámara/campana de flujo laminar	Se trabaja con cultivos celulares, muestras biológicas, o cualquier otro sistema que deba mantenerse limpio y deba evitarse la contaminación de partículas minúsculas ( 15 (15) Equipos y laboratorio de Colombia. (2021). Cabinas de flujo laminar. Retrieved from https://www.equiposylaboratorio.com/portal/articulo-ampliado/cabinas-de-flujo-laminar . ). SP	L:1.17, A:0.60 H:0.63 - 1.00
i. Cámaras de preservación/ refrigeradores	Se utiliza para la mantención de muestras en refrigeración o ultra refrigeración (-40°C). Controlan la temperatura, humedad, circulación y renovación de aire; evita su maduración ( 16 (16) CSA 30 años. (s.f.). Cámaras de refrigeración y conservación. Retrieved from https://www.centrodeserviciosagricolas.com/info/camaras-de-refrigeracion-y-conservacion . ). SP	L:0.80, A:0.80, H:1.90-2.00
j. Cámara climática / cámaras húmedas	Se usa para simular condiciones controladas de temperatura y humedad relativa en su interior llevando a cabo estudios o ensayos con los que verificar el comportamiento, la durabilidad y calidad de productos ( 17 (17) MPcontrol. (2016). ¿Qué es una cámara climática? Retrieved from http://www.mpcontrol.es/index.php/definicion-camara-climatica/ . ). SP	L:0.70, A:0.70, H:0.90 - 1.50
k. Estufas de secado / horno de secado	Se utiliza para secar y esterilizar recipientes de vidrio y metal en el laboratorio ( 18 (18) Equipos y laboratorio de Colombia. (2021). Estufa de secado u horno de secado. Retrieved from https://www.equiposylaboratorio.com/portal/articulo-ampliado/estufa-de-secado-u-horno-de-secado#:~:text=La%20estufa%20de%20secado%20es,y%20metal%20en%20el%20laboratorio.&text=Los%20fabricantes%20han%20desarrollado%20b%C3%A1sicamente,que%20operan%20mediante%20convecci%C3%B3n%20forzada . ). SML	L:0.70, A:0.70, H:0.50
l. Liofilizador	Se destina para la congelación y deshidratación de muestras para su conservación duradera, manteniendo sus características organolépticas ( 19 (19) Universidad Politécnica de Cataluña. (s.f.). Liofilizador. Servicios Científico - técnico de la UPC. Retrieved from https://www.upc.edu/sct/es/equip/649/liofilizador . ). SML	L:0.80, A:0.80, H:1.00

5. REQUERIMIENTO TÉCNICO - NORMATIVO DE BIOSEGURIDAD

Según el Manual de la Organización Mundial de la Salud de Bioseguridad en el laboratorio, indica las buenas prácticas para el adecuado diseño e instalación desde una perspectiva medida a través de sus factores de riesgos. Por lo que clasifican a estas infraestructuras según los siguientes niveles de Bioseguridad ( 20 (20) Organización Mundial de la Salud. (2008). Manual de bioseguridad en el laboratorio. Bioseguridad. Retrieved from https://www.medigraphic.com/pdfs/medlab/myl-2008/myl081-2d.pdf
) analizando sus actividades y nivel de riesgo en el laboratorio: desde el Nivel de Bioseguridad I que son laboratorios básicos destinados a la enseñanza sin riesgo a patógenos peligrosos, hasta el Nivel de Bioseguridad IV que son laboratorios especializados de contención máxima.

En consecuencia, de acuerdo a la clasificación expuesta, el Laboratorio de Análisis y Diagnóstico de Fitopatología pertenecen al Nivel de Bioseguridad II, ya que es un laboratorio básico para el servicio de atención primaria, diagnóstico e investigación. Son adecuados para trabajos que involucran agentes patógenos que pueden provocar enfermedades humanas o animales pero que tienen pocas probabilidades de entrañar un riesgo grave para el personal de laboratorio, la población, el ganado o el medio ambiente.

De esta clasificación se desprende los siguientes requerimientos mínimos y aspectos de seguridad que se debe cumplir ( 21 (21) Ministerio de trabajo y asuntos sociales de España y el Instituto Nacional de Seguridad e higiene en el trabajo. (2000). NTP 551: Prevención de riesgos en el laboratorio: la importancia del diseño. Retrieved from https://www.insst.es/documents/94886/327064/ntp_551.pdf/b9194b7b-078f-46b0-a163-425c3d8a80c7 .
, 22 (22) Cámara Peruana de la Construcción (2018). Reglamento Nacional de Edificaciones, Lima, Setiembre 2018: Deposito de la Biblioteca Nacional del Perú N°2018-13189.
) ( Tabla 3 ).

Por otro lado, para el diseño ergonómico en los laboratorios, las Normas Técnicas de Prevención (NTP) definen las condiciones que se debe cumplir para que los espacios resulten saludables y confortables para los investigadores o laboratoristas. Dichas pautas están corroboradas y contrastadas con la normativa peruana vigente (Reglamento Nacional de Edificaciones - RNE).

Por consiguiente, se ha realizado un esquema gráfico que contiene el resumen de los datos numéricos recopilados a fin de establecer las dimensiones esenciales de un puesto de trabajo en el interior de un laboratorio ( Figura 2 ) tales como: la altura estándar de las mesas de trabajo dependiendo de la posición de trabajo y la postura; el ancho y el largo mínimo de la mesa para el uso del usuario, la altura de los estantes altos si es que se ubicaran debajo de una mesa de trabajo y los anchos mínimos de circulación en el interior ( 23 (23) Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el trabajo. (2014). Ergonomía en el laboratorio: requisitos de diseño de mobiliario y equipos. Retrieved from https://www.insst.es/documents/94886/329170/ntp-1029w.pdf/c4f65f2b-c8cf-4c46-93e0-05bcb8116498
).

6. CASO DE ESTUDIO: CLÍNICA DE DIAGNOSIS DE FITOPATOLOGÍA Y NEMATOLOGÍA - UNALM

Debido a la necesidad de comprender mediante la observación el funcionamiento específico en el interior del laboratorio de fitopatología, se realizó la visita guiada a la “Clínica de Diagnosis de Fitopatología y Nematologia” perteneciente a la Universidad Nacional Agraria La Molina - UNALM, Perú; siendo una institución estatal ampliamente especializa en la enseñanza, investigación y servicios en el ámbito de las ciencias agrarias, naturales y medioambientales, brindando el servicio de identificación del agente causal asociado a un cuadro sintomatológico de las plantas enfermas; para identificar los factores en el manejo del cultivo y recomendar las medidas más adecuadas para el control de la enfermedad ( 24 (24) Universidad Nacional Agraria La Molina. (2021). Clínica de Diagnosis de Fitopatología y Nematologia. Retrieved from http://www.lamolina.edu.pe/facultad/agronomia/diagnosis/
).

Para un mejor entendimiento, se ha realizado el plano esquemático ( Figura 3 ), donde se observa la distribución y los componentes espaciales de la mencionada infraestructura.

El encargado del laboratorio ² J. Flores, entrevista personal, 5 de diciembre 2018. explica la secuencia de actividades, obteniendo la siguiente información:

El tiempo de duración de todo el proceso es de aproximadamente 1 semana desde la llegada de la muestra hasta la entrega de resultados.

Con respecto a la cantidad de usuarios que utilizan la infraestructura, responde a 5 personas: 1 secretaria encargada de la recepción y llenado de datos de muestras en el sistema, 2 ingenieros agrónomos laboratoristas que se encargan del análisis de las muestras y 2 auxiliares que se encargan de la preparación de los medios de cultivos y la esterilización de materiales.

Asimismo, nos menciona las bondades y deficiencias que ha observado durante su utilización, las cuales se han ordenado por su nivel de seguridad, por su funcionalidad en cuanto a la distribución y comodidad de los espacios y si éstos son suficientes en relación a las actividades y los equipos ( Figura 4 ):

A partir de ello, se presenta el siguiente cuadro referente a los espacios mínimos con los que se trabaja, su función, sus equipos y sus condiciones climáticas ( Tabla 4 ).

7. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

7.2. Organigrama de relación espacial

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Una vez definido los espacios que componen el laboratorio, se recomienda trabajar con sus conexiones de recorridos directos e indirectos y flujo de desechos, en función a las actividades que desempeñan y sus dependencias ( Figura 5 ).

Figura 5.  Organigrama funcional del Modelo de un laboratorio de Fitopatología.

La oficina de recepción de muestras como la oficina del laboratorista, pueden ser espacios de acceso independiente hacia la circulación exterior o pasillo de ingreso y a su vez estar conectado hacia el ingreso previo para el traslado directo de muestras. Dicho ingreso de desinfección debe tener acceso independiente desde el exterior, siendo el espacio previo que conecta al área de análisis.

Posteriormente, el laboratorio debe tener conexión directa con sus espacios de apoyo (almacén de muestras y almacén de reactivos). Además, tanto el invernadero como el almacén de medios de cultivo se sugiere conectar al laboratorio de manera indirecta, a través de antesalas para mantener un control de la temperatura.

7.3. Modelo de laboratorio de Fitopatología

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Definida la programación de áreas y el organigrama de relación espacial, se propone el Modelo de Laboratorio de Fitopatología ( Figura 6 ).

Figura 6.  Modelo del Laboratorio de Fitopatología y leyenda de los equipos especializados que se utilizan

En el contexto físico-espacial, los laboratorios de investigación pueden organizarse de manera vertical (torres o barras arquitectónicas) u horizontales (infraestructuras independientes).

En ambos casos, es necesario precisar la importancia de que dicho laboratorio se ubique en la primera planta por depender de su conexión inmediata al invernadero (instalación de gran altura que requiere de iluminación natural en techo y paredes). Por tal motivo se ha considerado un frente de ingreso que puede ser una circulación compartida (pasillo) que conecta directamente a varios laboratorios.

Para organizar los espacios interiores, se recomienda trabajar con una configuración ortogonal debido a que facilita el funcionamiento y distribución que contribuye con el desenvolvimiento eficiente del personal, evitando realizar el menor recorrido posible y la idoneidad para la localización de mobiliarios y equipos ( Figura 6 ). Además, los espacios complementarios se distribuyen alrededor del área de análisis (que es el espacio principal para el diagnóstico). Dicho espacio comprende 3 áreas según su función:

1. Al ingreso, para una oportuna evacuación se encuentra el área de emergencia contra accidentes conformado por un lavabo y una ducha, ambos de fácil control con codos, antebrazo, rodillas o pies. A su costado inmediato, se ubica el área de desechos, siendo un pequeño espacio de almacén de residuos cerrado, independiente y sin riesgo grave.

2. En la parte central, se ubican las mesas de trabajo teniendo en sus extremos dos lavabos, recomendado para 4 usuarios.

3. Hacia el lateral, con iluminación natural directa y una mesada longitudinal, se ubica el área de esterilización, con un lavabo para la limpieza de instrumentos, la máquina destiladora que neutraliza el pH del agua potable y el área de uso de equipos ( Tabla 2 ).

En cuanto a la circulación interior, se recomienda tener: entre 1.40m y 1.50m. entre pared y la mesa central o el área de emergencia y la mesa central, 1.80m a 2.00m. entre el área de equipos y la mesa central. Así mismo, las mesas de trabajo tienen un ancho mínimo normativo de 0.60m para el análisis y 0.80m para el uso de equipos.

Con respecto a las condiciones climáticas, el laboratorio debe mantener una temperatura no mayor a los 22 °C para el adecuado funcionamiento de sus equipos, por lo que para el diseño del prototipo se ha elegido vanos hacia el lado más largo con el fin de tener vasta iluminación natural con la condición de que se encuentren cerradas herméticamente para evitar el intercambio de temperatura, el ingreso de patógenos u otros contaminantes externos; complementar con un sistema de ventilación e iluminación controlada. Mientras que en el invernadero, es imprescindible recibir la mayor cantidad de iluminación y radiación solar, es así que deben ser trasparentes y estar libre de sombra para su mayor exposición solar. En el caso de los almacenes de muestras, almacén de reactivos y almacén de medios de cultivos, son instalaciones que no requieran recibir ventilación o iluminación natural. Por otro lado, tanto en la oficina de recepción de muestras como la oficina de laboratorista, es preciso que cuente con iluminación y ventilación natural ya que son espacios de uso permanente.

En cuanto a los acabados y recubrimientos en su interior, los espacios que requieren mantener un adecuado control de la contaminación son: la antesala, el área de análisis, los almacenes de muestras y reactivos y el almacén de medios de cultivo; por lo que es propicio que su material tanto en pisos y paredes sean resistentes a productos químicos de fácil limpieza, impermeables y antideslizante.

Finalmente, en cuanto al mobiliario a utilizar, deben considerar que sean ergonómicos, pues incide directamente sobre la eficacia y la funcionalidad. Las mesas de trabajo que sostienen los equipos, hay que tener en cuenta que éstos pueden ser pesados debido al modelo de fábrica o producir vibraciones; por lo que se recomienda trabajar con materiales resistentes que soporten la carga, la corrosión y sean de fácil manipulación.