De Muhammad Aamir Iqbal

pentru

Trimis: 13 iulie 2019 Revizuit: 8 august 2019 Publicat: 13 decembrie 2019

Abstract

Cuvinte cheie

  • îngrășăminte cu eliberare controlată
  • eutrofizare
  • nanogeluri
  • substanțe nutritive încapsulate
  • îngrășăminte cu eliberare lentă

informații despre capitol și autor

Autor

Muhammad Aamir Iqbal *

  • Facultatea de Agricultură, Departamentul de Agronomie, Universitatea Poonch Rawalakot (AJK), Pakistan

* Adresați toată corespondența la: [email protected]

Din volumul editat

Editat de Mirza Hasanuzzaman, Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira Filho, Masayuki Fujita și Thiago Assis Rodrigues Nogueira

1. Introducere

De asemenea, este relevant să menționăm că ionii de amoniu reacționează cu apa alcalină de ploaie, ceea ce duce la formarea gazului de amoniac care scapă în atmosferă și devine astfel o sursă de poluare a mediului. Ori de câte ori există un exces de azot, tot mai mulți nitrați și ioni de amoniu se acumulează în frunzele culturilor, în special legumele cu frunze și devin dăunătoare sănătății umane. În plus, dietele bogate în nitrați au fost raportate ca fiind asociate cu numeroase boli umane, cum ar fi vezica urinară și cancerul gastric, precum și cu methemoglobinemia [4]. Se subliniază livrarea cantităților necesare de agenți activi numai acolo unde sunt extrem de necesare. Ecologiștii și consumatorii solicită reducerea utilizării îngrășămintelor sintetice pentru a reduce poluarea și efectele reziduurilor asupra formelor produse împreună cu conservarea agro-ecosistemelor.

Nanotehnologia este un domeniu promițător de cercetare care are potențialul de a oferi remedii durabile provocărilor urgente cu care se confruntă agricultura intensivă modernă. Nanotehnologia utilizează nanomateriale care au de obicei dimensiunea de 1–100 nm, iar această dimensiune redusă conferă caracteristici și beneficii unice nanomaterialelor. În plus față de numeroase alte beneficii, suprafața extinsă oferă oportunitatea unei interacțiuni mai bune și eficiente a nanoparticulelor cu siturile țintă. Nanofertilizantele au potențialul de a îndeplini cerințele nutriționale ale plantelor, împreună cu asigurarea sustenabilității sistemelor de producție a culturilor și asta, fără a compromite randamentul culturilor [5].

Acest capitol implică și încearcă să îndeplinească necesitatea de a compila și revizui periodic starea actuală și progresele în materie de nanofertilizatoare și de a stimula interesul pentru efectuarea unor cercetări aprofundate. Scopul final este să sintetizeze și să evalueze rolul nanofertilizantelor în creșterea consumului de substanțe nutritive și a eficienței utilizării substanțelor nutritive, reducând pierderile prin levigare și emisiile gazoase, împreună cu reducerea riscului de toxicitate a nutrienților pentru asigurarea securității alimentare, obținută prin productivitate mai mare și rezultate economice, practicând practicile agricole durabile. Acest capitol prezintă pe scurt rolul critic al nanotehnologiei referitor la practicile agricole moderne, potențialul său în dezvoltarea de îngrășăminte inteligente, nanofertilizante și diferitele tipuri de formulări ale acestora, mecanismul biologic al nanofertilizantelor în plante, numeroase avantaje oferite de nanofertilizante și dovezi pe teren de performanțe superioare a nanoparticulelor în conferirea caracteristicilor critice plantelor de cultură, ducând la o productivitate mai mare. În cele din urmă, au fost descrise, de asemenea, puține limitări legate de dezvoltarea și utilizarea nanoparticulelor ca sursă de nutrienți ai plantelor.

2. Aplicații critice ale nanomaterialelor în agricultură

Nanotehnologia cuprinde controlul materiei la dimensiuni de 1–100 nm pentru utilizare în luarea de imagini, măsurători și pregătirea modelelor pentru a face predicții virtuale, împreună cu manipularea materiei la scară nanomatică. La fel ca toate celelalte domenii, impactul solid al nanomaterialelor este resimțit și în sectorul agricol. Anterior, nanoîncapsularea presupunea încapsularea agenților activi de către microsfere de amidon pe o matrice cu nanopori și-a condus rezistența în livrarea cu precizie a agenților activi către siturile țintă [6]. Aceste nanocapsule sau micro-margele se atașează de moștenitorul albinelor în mod similar cu polenii și mențin paraziții la distanță datorită eliberării lente a agenților activi treptat și încet. Astfel, nanoencapsularea a dus la o utilizare minimă a agenților activi și a oferit protecția maximă albinelor împotriva paraziților. În mod similar, au fost dezvoltate nanogeluri care ajută la eliberarea controlată de feromoni de la insecte pentru a le oferi protecție împotriva dăunătorilor diversificați. Nanocapsularea a dat, de asemenea, rezultate încurajatoare pentru îmbunătățirea eficacității utilizării îngrășămintelor, cu o reducere semnificativă a utilizării ingredientelor active [7].

Pentru a detecta agentul patogen și pentru a prelungi durata de valabilitate a alimentelor ambalate, nanosenzorii și nanobiosenzorii au dat rezultate încurajatoare. Cu toate acestea, dezvoltarea nanomaterialelor care utilizează nanotehnologia este un domeniu de cercetare în evoluție, iar viitorul este destinat să asiste la beneficii extinse și multidimensionale în producția și conservarea alimentelor. În viitor, va fi imposibil să se asigure securitatea alimentară și nutrițională fără a dezvolta tehnologii bazate pe nanomateriale pentru producția de alimente și agricultură.

3. Potențialul strategic al nanotehnologiei în dezvoltarea îngrășămintelor din viitor

4. Îngrășăminte la scară nano și formulările acestora

Nutrienții plantelor pot fi încapsulați în nanomaterialele de natură și compoziție chimică variate.

Particulele nutritive pot fi acoperite cu un strat subțire de nanomateriale, cum ar fi pelicula de polimer.

Nutrienții pot fi, de asemenea, furnizați sub formă de emulsii și particule având dimensiuni în domeniul nanoparticulelor.

5. Mecanismele biologice ale acțiunii nanofertilizantelor

Nanofertilizantele au fost susținute datorită NUE mai mare, deoarece pereții celulari ai plantelor au dimensiuni mici ale porilor (până la 20 nm), ceea ce duce la o absorbție mai mare a nutrienților [14]. S-a raportat că rădăcinile plantelor care acționează ca poartă pentru nutrienți sunt semnificativ poroase pentru nanomateriale în comparație cu materialele convenționale de dejecție. Asimilarea nanofertilizantelor poate fi îmbunătățită prin utilizarea exsudatelor radiculare și a transportorilor moleculari prin canalele ionice și crearea de noi micro-pori [15]. Nano-porii și deschiderile stomatale din frunze au fost, de asemenea, raportate că felicită absorbția nanomaterialelor și pătrunderea lor adânc în frunze. S-a ajuns la concluzia că în fasole largă (Vicia faba), particulele de dimensiuni nanometrice (43 nm) au contribuit la pătrunderea adâncului până la interiorul frunzelor în număr mare, comparativ cu particulele mai mari de peste 1,0 micrometri [16]. În mod similar, razele stomatale ale frunzelor cafelei arabe (C. arabica) au fost sub 2,5 nm, în timp ce cea a vișinelor (P. cerasus) a fost, de asemenea, sub 100 nm [17] și, astfel, a fost sugerată eficacitatea nanofertilizantelor în îmbunătățirea absorbției nutrienților.

Nanofertilizantele au fost, de asemenea, susținute pentru a avea NUE mai mari datorită transportului și livrării mai mari de substanțe nutritive prin plasmodesme care sunt canale nanozizate (50-60 nm) pentru transportul ionilor între celule [18]. Nanotuburile de carbon au transportat coloranții fluorescenți către celulele tutunului prin penetrarea sporită a membranelor celulare și au jucat în mod eficient rolul transportorilor moleculari [19]. Nanoparticulele de silice au fost, de asemenea, esențiale în transportul și livrarea diferitelor încărcături către siturile țintă din diferite plante [20].

6. Avantajele nanofertilizantelor față de îngrășămintele minerale convenționale

Nutrienții minerali, dacă sunt aplicați pe culturi sub formă de nanofertilizante, pot oferi numeroase beneficii pentru a face producția de culturi mai durabilă și mai ecologică [21]. Unele dintre avantajele evidente sunt;

Nanofertilizantele hrănesc plantele recoltate treptat într-un mod controlat, în contradicție cu eliberarea rapidă și spontană a nutrienților din îngrășămintele chimice.

Nanofertilizantele sunt mai eficiente în ceea ce privește absorbția și utilizarea nutrienților datorită pierderilor considerabil mai mici sub formă de levigare și volatilizare.

Nanoparticulele înregistrează o absorbție semnificativ mai mare datorită trecerii libere din porii de dimensiuni nanometrice și de către transportorii moleculari, precum și din exudatele radiculare. Nanoparticulele utilizează, de asemenea, diverse canale ionice care duc la absorbția mai mare a nutrienților de către plantele de cultură. În cadrul plantei, nanoparticulele pot trece prin plasmodesmate, ceea ce duce la livrarea eficientă a nutrienților către locurile de scufundare.

Datorită pierderilor considerabil mici de nanofertilizante, acestea pot fi aplicate în cantități mai mici în comparație cu îngrășămintele sintetice care se aplică în cantități mai mari, ținând cont de bucățile lor majore care se pierd din cauza levigării și emisiilor.

Nanofertilizantele oferă cel mai mare beneficiu în ceea ce privește pierderile mici, ceea ce duce la un risc mai mic de poluare a mediului.

Solubilitatea și difuzia comparativ mai ridicate conferă superioritate nanofertilizantelor față de îngrășămintele sintetice convenționale.

Nanofertilizantele inteligente, cum ar fi îngrășămintele acoperite cu polimer, evită contactul prematur cu solul și apa datorită încapsulării subțiri a nanoparticulelor, ceea ce duce la pierderea neglijabilă a nutrienților. Pe de altă parte, acestea devin disponibile de îndată ce plantele sunt în măsură să interiorizeze nutrienții eliberați.

7. Dovezi pe teren ale utilizării nanofertilizantelor pentru producția de culturi durabile

Rezultatele cercetării unei investigații de teren s-au dovedit în conformitate cu ipoteza postulată în care îngrășămintele nanoazotice s-au dovedit a fi esențiale în creșterea productivității orezului. S-a dedus că îngrășămintele nano azotate pot fi utilizate în locul ureei minerale și, de asemenea, poate reduce poluarea mediului cauzată de levigarea, deznitrificarea și volatilizarea îngrășămintelor chimice [22]. În mod similar, substanțele nutritive aplicate în mod exogen ca nanomateriale au crescut creșterea vegetativă a cerealelor, inclusiv orz [23] (om), în timp ce, în schimb, nanofertilizantele aplicate împreună cu doze reduse de îngrășăminte minerale s-au dovedit a fi esențiale pentru creșterea atributelor de randament și a randamentului de cereale pentru cereale [24]. Nanofertilizantul de zinc aplicat ca ZnO sa dovedit a fi esențial în creșterea randamentului de arahide datorită creșterii solide a plantelor, a conținutului crescut de clorofilă al frunzelor și a creșterii semnificativ mai bune a rădăcinii [25]. Impactul creșterii și creșterii randamentului diferitelor nanomateriale este prezentat în Tabelul 1.

Nanofertilizante Culturi Increment de randament (%)
Nanofertilizant + ureeOrez10.2
Nanofertilizant + ureeOrez8.5
Nanofertilizant + ureeGrâu6.5
Nanofertilizant + ureeGrâu7.3
Fosfor nano-încapsulatPorumb10.9
Fosfor nano-încapsulatSoia16.7
Fosfor nano-încapsulatGrâu28,8
Fosfor nano-încapsulatLegume12.0–19.7
Îngrășăminte nano chitosan-NPKGrâu14.6
Nano chitosanRoșie20.0
Nano chitosanCastravete9.3
Nano chitosanArdei gras11.5
Nano chitosanSfeclă8.4
Nano chitosanMazăre20
Nanopraf din semințe de bumbac și îngrășământ cu amoniuCartof dulce16
Soluție apoasă pe nanoironCereale8-17
Nanoparticule de ZnOCastravete6.3
Nanoparticule de ZnOArahide4.8
Nanoparticule de ZnOVarză9.1
Nanoparticule de ZnOConopidă8.3
Nanoparticule de ZnONăut14.9
Nanoparticule de oxizi de pământ rarLegume7–45
Nanosilver + alicinăCereale4–8,5
Nanoparticule de oxid de fier + nanoparticule de carbonat de calciu + turbăCereale14.8–23.1
Nanoparticule de sulf + nanoparticule de dioxid de siliciu + îngrășământ sinteticCereale3,4–45%

tabelul 1.

Impactul nanofertilizantelor asupra productivității diferitelor culturi în condiții pedo-climatice variate [32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40].

Nanofertilizante Culturi Caracteristici începute
Nanoparticule de ZnONăutCreșterea germinației, dezvoltarea mai bună a rădăcinilor, sinteza mai mare a acidului indoleacetic.
Nano dioxid de siliciuPorumbRezistența la secetă, creșterea numărului rădăcinilor laterale ale rădăcinii, împreună cu lungimea lăstarilor.
Nano dioxid de siliciuPorumbCreșterea clorofilei frunzelor.
Nano dioxid de siliciuRoșiePlantele mai înalte și diametrul crescut al tuberculilor.
Silice coloidală + îngrășăminte NPKRoșieCreșterea rezistenței la agenți patogeni.
Nano-TiO2SpanacIndici de vigoare îmbunătățiți și 28% clorofilă crescută.
Polietilenă + oxid de indiuLegumeAbsorbție crescută a soarelui
Polipropilenă + oxid de indiu-staniuLegumeUtilizare crescută a soarelui
Nanoparticule de aur + sulfStruguriiAntioxidanți și alte beneficii pentru sănătatea umană.
Caolin + SiO2LegumeRetenție îmbunătățită a apei.
Inocularea bacteriilor Bentonite + N-fixatoareLeguminoaseÎmbunătățirea fertilității solului și a rezistenței la insectele dăunătoare.
Nanocarbon + metale din pământuri rare + N îngrășăminteCerealeEficiență îmbunătățită a utilizării azotului
Extract de Stevia + nanoparticule de Se + organo-Ca + elemente din pământuri rare + chitosanLegumeRețea de rădăcină îmbunătățită și diametrul rădăcinii.
Pudră de zgură nano-fierăPorumbIncidența redusă a insectelor dăunătoare
Nano-fier + gunoi de grajd organicBumbacEliberarea controlată a nutrienților acționează ca un insecticid eficient și îmbunătățește starea fertilității solului.

masa 2.

Impactul nanofertilizantelor asupra diferitelor culturi în condiții pedo-climatice variate [34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46].

8. Limitări ale nanoîngrășămintelor

În ciuda faptului că oferă numeroase beneficii legate de producția durabilă a culturilor, nanofertilizantele au unele limitări în ceea ce privește lacunele de cercetare, lipsa unei monitorizări riguroase și lipsa legislației care în prezent împiedică dezvoltarea rapidă și adoptarea nanoparticulelor ca sursă de nutrienți ai plantelor [47]. Câteva dintre limitările și dezavantajele asociate utilizării nanofertilizantelor pentru producția durabilă a culturilor sunt prezentate mai jos.

Legislația legată de nano îngrășăminte și gestionarea riscurilor asociate continuă să rămână principala limitare în promovarea și promovarea nanoîngrășămintelor pentru o producție durabilă a culturilor.

Un alt factor limitativ este producția și disponibilitatea nano îngrășămintelor în cantități necesare și aceasta este cea mai importantă limitare în adoptarea la scară mai largă a nano îngrășămintelor ca sursă de nutrienți ai plantelor.

Costul mai ridicat al nanoîngrășămintelor constituie un alt obstacol în calea promulgării lor pentru producția de culturi în condiții pedo-climatice variate de pe glob.

O altă limitare majoră legată de nanofertilizante este lipsa unei formulări și standardizări recunoscute care poate duce la efecte contrastante ale acelorași nanomateriale în diferite condiții pedoclimatice.

Există multe produse care se pretind a fi nano, dar de fapt au dimensiuni submicronice și micronice. Se teme că această dilemă va rămâne persistentă până și dacă nu va fi implementată dimensiunea uniformă a nanoparticulelor (1-100 nm).

9. Concluzii