Nanofertilizantes hacia la agricultura sostenible y el medio ambiente

Nanofertilizantes hacia la agricultura sostenible y el medio ambiente

Md. Rashid  Al-Mamun, Md. Rafiul Hasan, Md. Sohel Ahommed, Md. Sadek  Bacchu, Md. Romzan Ali, Md. Zaved Hossain Khan - España, Japon, Bangladesh – 2021

Resumen

El manejo preciso de los nutrientes de los cultivos y la fertilidad del suelo será un gran desafío en todo el mundo en las próximas décadas porque las prácticas agrícolas actuales dependen predominantemente de fertilizantes químicos. El uso de fertilizantes convencionales adolece de una baja eficiencia de los nutrientes de los cultivos, impactos negativos en el medio ambiente y una gran pérdida de cuerpos de agua. La nanobiotecnología está emergiendo como una técnica alternativa prometedora y tiene el potencial de revolucionar los sistemas agrícolas al proporcionar nutrientes a los cultivos de forma controlada. Los nanofertilizantes basados ​​en nanopartículas de ingeniería ofrecen beneficios en el manejo de la nutrición de los cultivos al mejorar la tolerancia al estrés abiótico y mejorar la productividad agrícola. Esta revisión se centra en el diseño, la contribución y la interacción de los fertilizantes habilitados con nanotecnología con plantas comestibles en base a estudios muy recientes. Además, la revisión transmite el papel de los nanofertilizantes basados ​​en macronutrientes y micronutrientes, así como los nanobiofertilizantes, en el desarrollo de una agricultura futura inteligente y sostenible.

1. Introducción

La nanotecnología se ha convertido en el campo multidisciplinario de rápido desarrollo de las ciencias existentes (Battard, 2012; Rahayu et al., 2020; Yorseng et al., 2020). Prosperó entre los años 60 y 80 y luego ha ido llevando la ciencia a una etapa de progreso y ampliando el camino de la innovación al siguiente nivel (Usman et al., 2020). Es bien sabido que la población mundial está aumentando extremadamente rápido mientras que la producción agrícola no crece en consecuencia. Además, la productividad de los cultivos está disminuyendo día a día debido a diversos estreses bióticos, abióticos y la contaminación ambiental que conduce al cambio climático que provoca el estancamiento del rendimiento de los cultivos y la deficiencia de nutrientes de las plantas (Pandey et al., 2017). Para abordar estas dificultades, se necesitan urgentemente avances tecnológicos modernos y estrategias con soluciones efectivas para el sistema agrícola mundial. El uso de varios fertilizantes químicos y diferentes tipos de pesticidas hace posible aumentar la producción de cultivos, pero muchos residuos dañinos están ingresando al cultivo causando problemas a la salud humana, la sostenibilidad y la contaminación del agua para alterar el equilibrio del ecosistema (Zhang et al. .,2018).

Recientemente, la nanotecnología ha traído numerosos desarrollos en el sector agrícola a través de nanomateriales verdes (Khan et al.,2017), nanofertilizantes (Fatima et al.,2020), nanoagroquímicos (Gomez et al.,2021), nanopesticidas (Grillo et al., 2021), nanoherbicidas (Kumar et al., 2020), nano biosensores (Usman et al., 2020) y tratamiento basado en nano de residuos agrícolas para aumentar la productividad alimentaria mediante aplicación foliar y al suelo, así como para establecer la agricultura sostenible. manejo (Fig.1). Los materiales a nanoescala (1–100 nm) pueden manipular las propiedades alterando y autoensamblando los átomos que poseen una gran área superficial y una relación de volumen (Berbezier y De Crescenzi, 2015). Los nanomateriales sintetizados verdes son sostenibles, ecológicos y se ha reconocido que aportan una implementación significativa de la nanotecnología verde (Miao et al., 2020). El uso de varios fertilizantes asistidos por nanomateriales fue eficiente para la liberación rápida de micronutrientes encapsulantes (Khan et al., 2017). Además, la calidad del suelo se ha mantenido al disminuir la posterior liberación de componentes tóxicos al medio ambiente (Chhipa, 2017). Nanomateriales como ZnO (Zulfiqar et al., 2019), CuO (Wang et al., 2020), Fe (Li et al., 2020), SiO 2 (Kumaraswamy R. V et al., 2021), TiO 2 (Zulfiqar et al., 2019), AgNP (Younis et al., 2019), MWCNT (Usman et al., 2020), Al 2O3 (Osman et al., 2020), etc. pueden garantizar una entrega lenta y controlada de fertilizantes, un buena respuesta con respecto a la germinación de semillas, mayor potencial de absorción de agua, mejor acumulación de biomasa, mitigó varios contenidos tóxicos en el crecimiento de las plantas y el proceso de fotosíntesis (Du et al., 2019). Además, la aplicación potencial en el progreso de las raíces de las plantas se ha centrado en disminuir los nutrientes tóxicos bioconcentrados y fortalecer la nodulación de las raíces. Recientemente, la encapsulación de microorganismos con nanomateriales se ha convertido en una aplicación interesante en la agricultura para mejorar la salud de las raíces de las plantas al reducir la lixiviación y volatilización de nutrientes en la zona de las raíces (Pallavi Mehta et al., 2016). La suplementación del suelo con micronutrientes encapsulados en NP abre el camino de liberación lenta para promover el crecimiento de las plantas y la fertilidad del suelo (Boente et al., 2018; Gong et al., 2018). Este documento de revisión proporciona secuencialmente una descripción general sobre el posible uso de fertilizantes nanohabilitados en varios cultivos, su impacto en la calidad nutricional y la tolerancia al estrés de los cultivos, un posible destino en el medio ambiente y sus efectos potenciales en los ecosistemas.

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Fig. 1. Representación esquemática del posible mecanismo de captación, acumulación y distribución de nanofertilizantes en los cultivos.

2. Nanofertilizante en el crecimiento y desarrollo vegetal

Las plantas necesitan algunos nutrientes esenciales (macronutrientes y micronutrientes) para un crecimiento y rendimiento saludables. Si falta uno de esos componentes esenciales, es posible que la planta no pueda germinar a partir de la semilla correctamente (Madan et al., 2016). Sin embargo, la presencia de una cantidad excesiva de nutrientes también puede dañar a las plantas. Un suministro adecuado de estos nutrientes para satisfacer las demandas del proceso celular básico es un asunto desafiante. Por lo tanto, se requiere urgentemente un suministro adecuado y específico de nutrientes para que las plantas completen su ciclo de vida. Cuando los nutrientes minerales fueron absorbidos por la planta, desempeñaron muchas funciones en el cuerpo de la planta (Duhan et al., 2017). Pueden ayudar a crear y organizar el tejido vegetal. Son los constituyentes de diversas proteínas, pigmentos, enzimas y participan en la señalización y el metabolismo celular. Hasta ahora se han identificado 17 elementos (N, P, K, H, B, C, O, Mg, S, Cl, Ca, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo) como nutrientes esenciales para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Entre ellos, el nitrato, el fósforo, el potasio y el magnesio son los principales elementos esenciales que necesita la planta. No pueden ser absorbidos directamente de la atmósfera, pero las plantas los absorben a través de sus raíces (Wang et al., 2016). Por lo tanto, la dimensión a nanoescala de los nanofertilizantes se ha convertido en una solución tecnológica para los problemas de deficiencia de nutrientes. Los nanofertilizantes están compuestos por varias nanopartículas que incluyen óxidos metálicos, a base de carbono y otros materiales nanoporosos que varían según su composición y propiedades de combinación (Liu y Lal, 2015). Se puede sintetizar mediante enfoques de arriba hacia abajo (físicos), de abajo hacia arriba (químicos) y biológicos (Zulfiqar et al., 2019). Se informó que el nanofertilizante es capaz de proporcionar una función de liberación lenta, un suministro controlado de diferentes macro y micronutrientes a las plantas con concentraciones específicas, tamaño adecuado y área de superficie adicional (Usman et al., 2020). La respuesta de las plantas al absorber nutrientes del suelo depende de la morfología y criterios de síntesis de varias nanopartículas. A través de años de investigación basada en suministros de nutrientes específicos, es posible desarrollar diferentes tipos de nanofertilizantes como nanofertilizantes de micronutrientes, nanofertilizantes de macronutrientes, fertilizantes mejorados con nanomateriales (Duhan et al., 2017). La formulación moderna de nanofertilizantes en tamaño nanométrico mejora la solubilidad, la dispersión de nutrientes insolubles, la biodisponibilidad y la accesibilidad de la entrega definitiva para reducir las pérdidas de nutrientes (Prasad et al., 2017). Los materiales basados ​​en nanoescala funcionan como influenciadores de muchas proteínas, pigmentos fotosintéticos, coenzimas, purinas, vitaminas, activadores de la fotosíntesis y sistemas de respiración de la planta (Jakiene et al., 2015). Primero, los nanomateriales se sintetizaron a través de diferentes enfoques de ingeniería y luego se encapsularon los nutrientes necesarios para aumentar la eficiencia de absorción de la planta específica (Zulfiqar et al., 2019). Con base en la investigación, las paredes celulares de las plantas se trabajaron como barrera para la autoprotección con un tamaño de poro de 5 a 20 nm. Solo el agente externo con un diámetro menor que las células de la planta puede pasar los límites de exclusión de tamaño (SEL) y desarrollar vehículos de transporte integrados de los nutrientes necesarios que generalmente se aplican en el suelo o en la superficie de las hojas (Ma et al., 2010). Además, se pueden combinar otras nanopartículas mixtas para desarrollar estructuras intracelulares en las paredes celulares para ingresar y mejorar las propiedades genéticas potenciales (Larue et al., 2012a). Por lo tanto, los fertilizantes asistidos por nano mostraron excelentes características de transporte a través de tejidos/células vegetales con movilidad controlada sobre los fertilizantes solubles en agua convencionales. Al utilizar varios canales iónicos a través de mecanismos de alimentación avanzados, se han aliviado con éxito problemas como la lixiviación de nutrientes, la conversión prematura y la fijación del suelo (Cieschi et al., 2019). El mecanismo de trabajo de las nanopartículas es flexible tanto en la entrada de raíces como en la entrada foliar (Zulfiqar et al., 2019). Por lo tanto, los materiales asistidos por nano en nanofertilizantes juegan un papel importante contra varios estreses abióticos como sequía (Jaberzadeh et al., 2013), salinidad (Siddiqui et al., 2014), estrés por metales (Tripathi et al., 2015), efectos de temperatura (Haghighi et al.,2014), etc. Los nanofertilizantes se han convertido en una gran alternativa en el manejo de suelos para reducir la sobreaplicación de fertilizantes convencionales. Además, el mecanismo de liberación lenta brinda la oportunidad de usos de acuerdo con el crecimiento y el estado ambiental. Además, los nanofertilizantes han mostrado una excelente respuesta para impulsar el crecimiento y la productividad de las plantas, pero la absorción, la translocación y la acumulación del uso de nanopartículas aún no están bien definidas. El modelo propuesto de adquisición y translocación de nanopartículas por vías probables se representa en la Fig.2.

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