Nanitrágyák a fenntartható növénytermesztéshez a változó éghajlat alatt: globális perspektíva

Írta: Muhammad Aamir Iqbal

Beküldve: 2019. július 13. Felülvizsgálat: 2019. augusztus 8. Megjelenés: 2019. december 13

Absztrakt

Kulcsszavak

szabályozott hatóanyag-leadású műtrágyák
eutrofizáció
nanogélek
kapszulázott tápanyagok
lassan felszabaduló műtrágyák

fejezet és a szerző információi

Szerző

Muhammad Aamir Iqbal *

Mezőgazdasági Kar, Agronómiai Tanszék, Poonch Rawalakot Egyetem (AJK), Pakisztán

* Címezze az összes levelezést: [email protected]

A szerkesztett kötetből

Szerk .: Mirza Hasanuzzaman, Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira Filho, Masayuki Fujita és Thiago Assis Rodrigues Nogueira

1. Bemutatkozás

Fontos megemlíteni azt is, hogy az ammóniumionok reagálnak a lúgos esővízzel, ami ammóniagáz képződéséhez vezet, amely a légkörbe kerül, és ezáltal a környezetszennyezés forrása lesz. Amikor nitrogénfelesleg van, egyre több nitrát és ammóniumion halmozódik fel a növények leveleiben, különösen a leveles zöldségekben, és károsak az emberi egészségre. Ezenkívül a nitrátokban gazdag étrend számos emberi betegséggel, például hólyag- és gyomorrákkal, valamint methemoglobinémiával társult [4]. Hangsúlyozzuk, hogy a szükséges mennyiségű hatóanyagot csak ott juttassuk el, ahol arra nagy szükség van. A környezetvédők és a fogyasztók a szintetikus műtrágyák használatának csökkentését szorgalmazzák a szennyezés és az űrtartalomra gyakorolt szermaradványok csökkentése érdekében, az agro-ökoszisztémák megőrzése mellett.

A nanotechnológia egy ígéretes kutatási terület, amely fenntartható gyógymódokat kínál a modern intenzív mezőgazdaság előtt álló sürgető kihívásokra. A nanotechnológia olyan nanoanyagokat alkalmaz, amelyek jellemzően 1–100 nm méretűek, és ez a kis méret egyedi jellemzőket és előnyöket biztosít a nanoanyagok számára. Számos egyéb előny mellett a nagy felület lehetőséget kínál a nanorészecskék jobb és hatékonyabb kölcsönhatására a megcélzott helyekkel. A nanotrágyák képesek kielégíteni a növények táplálkozási követelményeit, fenntarthatóságot biztosítva a növénytermesztési rendszereknek, és ezt is anélkül, hogy veszélyeztetnék a terméshozamot [5].

Ez a fejezet magában foglalja és megkísérli kielégíteni a nanotrágyák jelenlegi állapotának és fejlődésének időszakos összeállításának és felülvizsgálatának szükségességét, és felkelteni az érdeklődést további mélyreható kutatások elvégzése iránt. A végső cél a nanotrágyák szintetizálása és értékelése a tápanyagok felvételének és a tápanyagok felhasználásának hatékonyságának növelésében, a kimosódás és a gáznemű kibocsátás révén bekövetkező veszteségek csökkentésében, valamint a tápanyag-toxicitás kockázatának csökkentésében a magasabb termelékenység és a gazdasági fordulat által gyakorolt élelmezésbiztonság érdekében. a fenntartható gazdálkodási gyakorlat. Ez a fejezet röviden rávilágít a nanotechnológia kritikus szerepére a modern gazdálkodási gyakorlatokban, annak lehetőségeiben az intelligens műtrágyák, nanotrágyák és különböző készítményeik kifejlesztésében, a növényekben lévő nanotrágyák biológiai mechanizmusában, a nanotrágyák számos előnyében és a kiváló teljesítmények bizonyítékaiban a nanorészecskék kritikus jellemzőinek a terménynövényekre való átadásában, ami magasabb termelékenységhez vezet. Végül néhány korlátozást is leírtak a nanorészecskék növényi tápanyagforrásként történő kifejlesztésére és felhasználására vonatkozóan.

2. A nanoanyagok kritikus alkalmazása a mezőgazdaságban

A nanotechnológia magában foglalja az anyag 1–100 nm-es dimenziókban történő vezérlését a képek készítéséhez, a mérésekhez és a virtuális előrejelzések készítésére szolgáló modellek előkészítéséhez, valamint az anyag nanoszkópon történő manipulálásához. Mint minden más területen, a nanoanyagok szilárd hatása a mezőgazdaságban is érezhető. Korábban a nano-kapszulázás, amely aktív hatóanyagok kapszulázását tartalmazta keményítő mikrogömbjeivel egy nanorészecskékkel rendelkező mátrixon, ellenálló képességét a hatóanyagok pontos eljuttatásában a célhelyekbe végezte [6]. Ezek a nanokapszulák vagy mikrogömbök a virágporokhoz hasonló módon kapcsolódnak a méhek örököséhez, és a parazitákat távol tartják a hatóanyagok lassú felszabadulásának köszönhetően. Így a nano-kapszulázás minimális hatóanyag-felhasználást eredményezett, és a méhek maximális védelmét nyújtotta a paraziták ellen. Hasonló módon nanogéleket fejlesztettek ki, amelyek elősegítik a feromonok szabályozott felszabadulását a rovarokból, hogy védelmet nyújtsanak számukra a változatos kártevők ellen. A nanokapszulázás szintén biztató eredményeket hozott a műtrágya-felhasználás hatékonyságának javítása érdekében, a hatóanyagok felhasználásának jelentős csökkentésével [7].

A kórokozók kimutatása és a csomagolt élelmiszerek eltarthatóságának meghosszabbítása érdekében a nanoszenzorok és a nanobioszenzorok biztató eredményeket hoztak. A nanoanyagok nanotechnológiával történő fejlesztése azonban a kutatások egyre növekvő területe, és a jövő célja, hogy széles és többdimenziós előnyöket tanúsítson az élelmiszer-előállításban és -konzerválásban. A jövőben lehetetlen lesz biztosítani az élelmiszer- és táplálkozásbiztonságot az élelmiszer-előállítás és a mezőgazdaság nanoanyag-alapú technológiáinak fejlesztése nélkül.

3. A nanotechnológia stratégiai potenciálja a jövő műtrágyáinak fejlesztésében

4. Nanoméretű műtrágyák és készítményeik

A növényi tápanyagok a különböző természetű és kémiai összetételű nanoanyagokba kapszulázhatók.

A tápanyagrészecskék vékony nanoanyagok, például polimer fóliák bevonhatók.

A tápanyagok emulziók és részecskék formájában is szállíthatók, amelyek mérete a nanorészecskék tartományában van.

5. A nanotrágyák működésének biológiai mechanizmusai

A nanotrágyákat a magasabb NUE miatt támogatták, mivel a növényi sejtfalak kis pórusmérettel rendelkeznek (20 nm-ig), ami magasabb tápanyagfelvételt eredményez [14]. A tápanyagok átjáróként működő növényi gyökerekről beszámoltak arról, hogy a hagyományos trágyázó anyagokhoz képest jelentősen porózusak a nanoanyagokkal szemben. A nanotrágyák felvétele javítható az ioncsatornákon keresztül gyökérváladékok és molekuláris transzporterek felhasználásával, valamint új mikropórusok létrehozásával [15]. A levelekben található nanopórusok és sztómás nyílások szintén beszámoltak arról, hogy a nanoanyagok felvétele és behatolása mélyen a levelek belsejében történik. Arra a következtetésre jutottak, hogy a széles/faba babban (Vicia faba) a nano méretű részecskék (43 nm) nagy szerepet játszottak a mély és a levél belsejébe való nagy behatolásban a nagyobb, nagyobb mint 1,0 mikrométeres részecskékhez képest [16]. Hasonlóképpen, az arab kávé (C. arabica) levél sztómás sugara 2,5 nm alatt volt, míg a meggy (P. cerasus) szintén 100 nm alatt volt [17], és ezért a nanotrágyák hatékonyságát javasolták a tápanyagfelvétel fokozásában.

Azt is támogatták, hogy a nanotrágyák magasabb NUE-vel rendelkezzenek a tápanyagok magasabb transzportjának és bejuttatásának köszönhetően a plazmodásmákon keresztül, amelyek nanoszintált (50–60 nm) csatornákon keresztül áramolják az ionokat a sejtek között [18]. A szén nanocsövek fluoreszkáló festékeket szállítottak a dohánysejtekbe a sejthártyák fokozott behatolása révén, és hatékonyan játszották a molekuláris transzporterek szerepét [19]. A szilícium-dioxid nanorészecskék szintén fontos szerepet játszottak a különböző rakományok különböző üzemek célhelyeire történő szállításában és szállításában [20].

6. A nanotrágyák előnyei a hagyományos ásványi műtrágyákkal szemben

Ha az ásványi tápanyagok nanotrágyák formájában kerülnek a növényekbe, számtalan előnyt kínálhatnak a növénytermesztés fenntarthatóbbá és környezetbarátabbá tételéhez [21]. Néhány kiemelkedő előny:

A nanotrágyák fokozatosan, ellenőrzött módon táplálják a növényeket, ellentétben a vegyi műtrágyákból származó tápanyagok gyors és spontán felszabadulásával.

A nanotrágyák hatékonyabbak a tápanyagok felszívódása és felhasználása szempontjából, mivel a csurgás és az elpárologtatás jelentősen kisebb veszteségeket okoz.

A nanorészecskék felvétele szignifikánsan magasabb, mivel a nano méretű pórusokból, a molekuláris transzporterekből és a gyökérváladékokból szabadon átjutnak. A nanorészecskék különféle ioncsatornákat is felhasználnak, amelyek a növényi növények nagyobb tápanyagfelvételhez vezetnek. A növényen belül a nanorészecskék átjuthatnak a plazmodesmatákon, amelynek eredményeként a tápanyag hatékonyan jut el a süllyedési helyekre.

A nanotrágyák jelentősen kisebb veszteségei miatt ezek kisebb mennyiségben alkalmazhatók a szintetikus műtrágyákhoz képest, amelyeket nagyobb mennyiségben adagolnak, szem előtt tartva a fő darabot, amely elveszik a kimosódás és az emisszió miatt.

A nanotrágyák nyújtják a legnagyobb hasznot a kis veszteségek szempontjából, amelyek alacsonyabb környezeti szennyezés kockázatához vezetnek.

Viszonylag nagyobb oldhatóság és diffúzió jelentőséget kölcsönöz a nanotrágyáknak a hagyományos szintetikus műtrágyákkal szemben.

Az intelligens nanotrágyák, például a polimer bevonatú műtrágyák elkerülik a korai érintkezést a talajjal és a vízzel a nanorészecskék vékony bevonatának köszönhetően, ami elhanyagolható tápanyagveszteséghez vezet. Másrészt ezek elérhetővé válnak, amint a növények képesek a felszabadult tápanyagok internalizálására.

7. A nanotrágyák fenntartható növénytermesztésben való felhasználásának helyszíni bizonyítékai

A terepi vizsgálat kutatási eredményei összhangban voltak a feltételezett hipotézissel, amelyben a nano-nitrogén műtrágyák fontosnak bizonyultak a rizs termelékenységének növelésében. Arra a következtetésre jutottak, hogy a nano-nitrogén műtrágya felhasználható az ásványi karbamid helyett, és csökkentheti a kémiai műtrágyák kimosódása, dinitrifikációja és elpárolgása által okozott környezetszennyezést is [22]. Hasonlóképpen, az exogén módon alkalmazott tápanyagok, mint nanoanyagok, megnövelik a gabonafélék vegetatív növekedését, beleértve az árpát is [23] (ember), míg a csökkentett mennyiségű ásványi műtrágya mellett alkalmazott nanotrágyákról kiderült, hogy hozzájárulnak a gabonafélék hozamjellemzőinek és gabonahozamának növeléséhez. [24]. Megállapították, hogy a ZnO-ként alkalmazott cink nanotrágya fontos szerepet játszik a mogyoró termésnövelésében a robusztus növénynövekedés, a levelek megnövekedett klorofilltartalma és a gyökérzet jelentősen jobb növekedése miatt [25]. A különféle nanoanyagok növekedését és hozamnövelő hatását az 1. táblázat mutatja be.

Nantrágya Termények növekménye (%)

Nanofertilizer + karbamid	Rizs	10.2
Nanofertilizer + karbamid	Rizs	8.5
Nanofertilizer + karbamid	Búza	6.5
Nanofertilizer + karbamid	Búza	7.3
Nanokapszulázott foszfor	Kukorica	10.9
Nanokapszulázott foszfor	Szójabab	16.7
Nanokapszulázott foszfor	Búza	28.8
Nanokapszulázott foszfor	Zöldségek	12,0–19,7
Nano kitozán-NPK műtrágyák	Búza	14.6
Nano kitozán	Paradicsom	20.0
Nano kitozán	Uborka	9.3
Nano kitozán	Paprika növény	11.5
Nano kitozán	Cékla	8.4
Nano kitozán	Borsó	20
Nanopor pamutmagból és ammóniumtrágyából	Édesburgonya	16.
Vizes oldat nanovason	Gabonafélék	8–17
A ZnO nanorészecskéi	Uborka	6.3
A ZnO nanorészecskéi	Földimogyoró	4.8
A ZnO nanorészecskéi	Káposzta	9.1
A ZnO nanorészecskéi	Karfiol	8.3
A ZnO nanorészecskéi	Csicseriborsó	14.9
Ritkaföldfém-oxid nanorészecskék	Zöldségek	7–45
Nanoszilver + allicin	Gabonafélék	4–8.5
Vas-oxid nanorészecskék + kalcium-karbonát nanorészecskék + tőzeg	Gabonafélék	14.8–23.1
Kén nanorészecskék + szilícium-dioxid nanorészecskék + szintetikus műtrágya	Gabonafélék	3,4–45%

Asztal 1.

A nanotrágyák hatása a különböző növények termelékenységére változó pedoklimatikus körülmények között [32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40].

NanofertilizersCropopsTeljesített jellemzők

A ZnO nanorészecskéi	Csicseriborsó	Fokozott csírázás, jobb gyökérfejlődés, magasabb indolecetsav szintézis.
Nano szilícium-dioxid	Kukorica	Aszályállóság, az oldalgyökerek növekedése a hajtás hosszával együtt.
Nano szilícium-dioxid	Kukorica	Megnövekedett levél klorofill.
Nano szilícium-dioxid	Paradicsom	Magasabb növények és megnövekedett gumóátmérő.
Kolloid szilícium-dioxid + NPK műtrágyák	Paradicsom	Fokozott ellenállás a kórokozókkal szemben.
Nano-TiO2	Spenót	Javultak az erőindexek és 28% -kal a klorofill.
Polietilén + indium-oxid	Zöldségek	Fokozott napfény felszívódás
Polipropilén + indium-ón-oxid	Zöldségek	Fokozott napfény-kihasználás
Arany nanorészecskék + kén	Szőlő	Antioxidánsok és egyéb emberi egészségre gyakorolt előnyök.
Kaolin + SiO2	Zöldségek	Javított vízvisszatartás.
Bentonit + N-fixáló baktériumok beoltása	Hüvelyesek	Javult a talaj termékenysége és a rovarkártevőkkel szembeni ellenálló képesség.
Nanokarbon + ritkaföldfémek + N műtrágya	Gabonafélék	Javított nitrogénfelhasználási hatékonyság
Stevia kivonat + Se nanorészecskék + szerves-Ca + ritkaföldfém elemek + kitozán	Zöldségek	Fokozott gyökérhálózat és gyökérátmérő.
Nano-vas salakpor	Kukorica	Csökkentett rovarkártevők előfordulása
Nano-vas + szerves trágya	Pamut	A tápanyagok ellenőrzött felszabadulása hatékony rovarölő szerként működik, és javítja a talaj termékenységi állapotát.

2. táblázat.

A nanotrágyák hatása a különböző növényekre változó pedoklimatikus körülmények között [34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46].

8. A nano műtrágyák korlátai

Annak ellenére, hogy a fenntartható növénytermesztés számos előnyét kínálja, a nanotrágyáknak vannak bizonyos korlátai a kutatási hiányosságok, a szigorú ellenőrzés hiánya és a jogszabályok hiánya tekintetében, amelyek jelenleg akadályozzák a nanorészecskék növényi tápanyagforrásként történő gyors fejlődését és elfogadását [47]. Az alábbiakban felsorolunk néhányat a fenntartható növénytermesztéshez használt nanotrágyákhoz kapcsolódó korlátozásokból és hátrányokból.

A nano műtrágyákra vonatkozó jogszabályok és a kapcsolódó kockázatkezelés továbbra is az elsődleges korlát a nano műtrágyák támogatásának és népszerűsítésének a fenntartható növénytermesztés érdekében.

Egy másik korlátozó tényező a szükséges mennyiségű nano műtrágyák előállítása és rendelkezésre állása, és ez a legfontosabb korlátozás a nano műtrágyák növényi tápanyagforrásként történő szélesebb körű alkalmazásában.

A nano-műtrágyák magasabb költségei újabb akadályt jelentenek a növénytermesztés területén történő meghirdetésükben, a világ különböző földrajzi éghajlati viszonyai között.

A nanotrágyákra vonatkozó másik fő korlát az elismert készítmények és szabványosítás hiánya, amelyek ugyanazon nanoanyagok kontrasztos hatásához vezethetnek különböző pedoklimatikus körülmények között.

Sok termékről állítják, hogy nano, de valójában szubmikron és mikron méretűek. Attól tartanak, hogy ez a dilemma kitartó marad, amíg meg nem valósul a nanorészecskék egységes mérete (1–100 nm).