Нанодобрива для сталого виробництва рослинництва в умовах зміни клімату: глобальна перспектива

Мухаммад Аамір Ікбал

Подано: 13 липня 2019 р. Переглянуто: 8 серпня 2019 р. Опубліковано: 13 грудня 2019 р

Анотація

Ключові слова

добрива з контрольованим вивільненням
евтрофікація
наногелі
інкапсульовані поживні речовини
повільно випускаються добрива

інформація про главу та автора

Автор

Мухаммад Аамір Ікбал *

Сільськогосподарський факультет, кафедра агрономії, Університет Пунча Равалакот (AJK), Пакистан

* Надішліть усі листи за адресою: [email protected]

З редагованого тому

За редакцією Мірзи Хасануццамана, Марсело Карвальо Мінхото Тейшейра Фільо, Масаюкі Фуджіта і Тіаго Ассіса Родрігеса Ногейри

1. Вступ

Також доречно згадати, що іони амонію реагують з лужною дощовою водою, що призводить до утворення аміаку, який виходить в атмосферу і таким чином стає джерелом забруднення навколишнього середовища. Коли є надлишок азоту, все більше і більше нітратів та іонів амонію накопичується в листі сільськогосподарських культур, особливо листових овочів, і стає шкідливим для здоров’я людини. Крім того, повідомляється, що дієти, багаті нітратами, пов’язані з численними захворюваннями людини, такими як рак сечового міхура та шлунка, а також метгемоглобінемія [4]. Наголошується на тому, щоб доставити необхідну кількість активних речовин лише там, де вони гостро потрібні. Екологи та споживачі закликають зменшити використання синтетичних добрив для зменшення забруднення та впливу залишків на форму, а також збереження агро-екосистем.

Нанотехнології - перспективна галузь досліджень, яка може запропонувати стійкі засоби вирішення нагальних проблем, що стоять перед сучасним інтенсивним сільським господарством. Нанотехнологія використовує наноматеріали, які зазвичай мають розмір 1–100 нм, і цей невеликий розмір надає унікальні характеристики та переваги наноматеріалам. На додаток до численних інших переваг, велика площа поверхні дає можливість для кращої та ефективнішої взаємодії наночастинок з цільовими ділянками. Нанодобрива мають потенціал для задоволення потреб у харчуванні рослин поряд із наданням стійкості системам рослинництва, а також без шкоди для врожайності сільськогосподарських культур [5].

Ця глава передбачає та намагається задовольнити необхідність періодично складати та переглядати сучасний стан та досягнення нанодобрив та стимулювати інтерес для проведення подальших поглиблених досліджень. Кінцевою метою є синтез та оцінка ролі нанодобрив у збільшенні засвоєння поживних речовин та ефективності використання поживних речовин, зменшення втрат через вимивання та газоподібні викиди, а також зменшення ризику токсичності поживних речовин для забезпечення продовольчої безпеки, що досягається завдяки підвищенню продуктивності та економічного результату шляхом практики стійкого землеробства. У цій главі коротко висвітлюється критична роль нанотехнологій, що стосується сучасної сільськогосподарської практики, її потенціал у розробці розумних добрив, нанодобрив та їх різних типів рецептур, біологічний механізм нанодобрив у рослинах, численні переваги, що пропонуються нанодобривами, та польові докази чудових показників наночастинок у наданні критичних характеристик рослинництву, що веде до вищої продуктивності. Нарешті, також було описано декілька обмежень, що стосуються розвитку та використання наночастинок як джерела живильних речовин для рослин.

2. Критичне застосування наноматеріалів у сільському господарстві

Нанотехнологія охоплює управління речовиною в розмірах 1–100 нм для використання при зйомці зображень, вимірюванні та підготовці моделей для створення віртуальних прогнозів поряд з маніпуляцією речовиною в наномасштабі. Як і всі інші галузі, значний вплив наноматеріалів також відчувається у сільському господарстві. Раніше нанокапсуляція, що передбачає інкапсуляцію активних речовин мікросферами крохмалю на матриці, що має нанопори, довела свою стійкість у точній доставці активних речовин до цільових ділянок [6]. Ці нанокапсули або мікрогранули прикріплюються до спадкоємця бджіл подібно до пилку і утримують паразитів у відстані завдяки повільному вивільненню активних речовин поступово і повільно. Таким чином, нанокапсуляція призвела до мінімального використання активних речовин та забезпечувала максимальний захист бджіл від паразитів. Подібним чином були розроблені наногелі, які сприяють контрольованому вивільненню феромонів з комах, щоб забезпечити їм захист від різноманітних шкідників. Нанокапсуляція також дала обнадійливі результати для поліпшення ефективності використання добрив зі значним зменшенням використання активних інгредієнтів [7].

З метою виявлення збудника захворювання та продовження терміну зберігання упакованих продуктів харчування наносенсори та нанобіосенсори дали обнадійливі результати. Однак розробка наноматеріалів з використанням нанотехнологій - це сфера досліджень, що розвивається, і майбутнє судилося засвідчити великі та багатовимірні переваги у виробництві та консервації харчових продуктів. У майбутньому неможливо буде забезпечити продовольчу та харчову безпеку без розробки технологій виробництва харчових продуктів та сільського господарства на основі наноматеріалів.

3. Стратегічний потенціал нанотехнологій у розробці добрив майбутнього

4. Наномасштабні добрива та їх рецептури

Поживні речовини рослин можуть бути вкладені в наноматеріали різного характеру та хімічного складу.

Частинки поживних речовин можуть бути покриті тонким шаром наноматеріалів, таких як полімерна плівка.

Поживні речовини також можуть подаватися у вигляді емульсій та частинок, що мають розмір в діапазоні наночастинок.

5. Біологічні механізми дії нанодобрив

Нанодобрива пропонуються завдяки підвищенню NUE, оскільки клітинні стінки рослин мають невеликі розміри пір (до 20 нм), що призводить до більшого поглинання поживних речовин [14]. Повідомляється, що рослинні коріння, які виступають шлюзами для поживних речовин, є значно пористими для наноматеріалів порівняно із звичайними гноєвими матеріалами. Поглинання нанодобрив можна покращити, використовуючи ексудати коренів та молекулярні транспортери через іонні канали та створюючи нові мікропори [15]. Також повідомляється, що нанопори та устьинні отвори у листках сприяють поглинанню наноматеріалів та їх проникненню глибоко всередину листя. Було зроблено висновок, що у широких/фабових бобах (Vicia faba) нанорозмірні частинки (43 нм) великою мірою сприяли проникненню углиб листка у велику кількість порівняно з більшими частинками розміром більше 1,0 мікрометра [16]. Подібним чином радіуси устьичного листя аравійської кави (C. arabica) були нижче 2,5 нм, тоді як у вишні (P. cerasus) також були нижче 100 нм [17], і, отже, була запропонована ефективність нанодобрив у посиленні поглинання поживних речовин.

Підтримується також підтримка нанодобрив із високим вмістом NUE завдяки більшому транспорту та доставці поживних речовин через плазмодесмати, які є нанорозмірними (50–60 нм) каналами для транспортування іонів між клітинами [18]. Вуглецеві нанотрубки транспортували флуоресцентні барвники до тютюнових клітин завдяки посиленому проникненню в клітинні мембрани і ефективно відігравали роль молекулярних транспортерів [19]. Наночастинки діоксиду кремнію також сприяли транспортуванню та доставці різних вантажів до цільових місць на різних заводах [20].

6. Переваги нанодобрив перед звичайними мінеральними добривами

Мінеральні поживні речовини, застосовувані для посівів у вигляді нанодобрив, можуть запропонувати численні переваги, роблячи рослинництво більш стійким та екологічним [21]. Деякі помітні переваги:

Нанодобрива підживлюють рослини сільськогосподарських культур поступово, контрольовано, всупереч швидкому і спонтанному виділенню поживних речовин із хімічних добрив.

Нанодобрива є більш ефективними з точки зору поглинання та використання поживних речовин завдяки значно меншим втратам у вигляді вилуговування та випаровування.

Наночастинки фіксують значно більше поглинання завдяки вільному проходженню з нанорозмірних пір та молекулярних транспортерів, а також ексудатів коренів. Наночастинки також використовують різні іонні канали, що призводять до більшого засвоєння поживних речовин рослинними культурами. Усередині рослини наночастинки можуть проходити через плазмодесмати, що призводить до ефективної доставки поживних речовин до місць заглиблення.

Через значно невеликі втрати нанодобрив, їх можна застосовувати в менших кількостях порівняно із синтетичними добривами, які вносяться у більшій кількості, враховуючи їх основну частину, яка втрачається внаслідок вимивання та викидів.

Нанодобрива пропонують найбільшу вигоду з точки зору невеликих втрат, що призводять до зниження ризику забруднення навколишнього середовища.

Порівняно вища розчинність та дифузія надають перевагу нанодобривам над звичайними синтетичними добривами.

Розумні нанодобрива, такі як добрива з полімерним покриттям, уникають передчасного контакту з ґрунтом та водою завдяки інкапсуляції наночастинок у тонке покриття, що призводить до незначної втрати поживних речовин. З іншого боку, вони стають доступними, як тільки рослини здатні інтерналізувати вивільнені поживні речовини.

7. Польові докази використання нанодобрив для сталого виробництва сільськогосподарських культур

Результати досліджень, проведених на місцях, підтвердились у відповідності з постульованою гіпотезою, де нано-азотні добрива виявилися інструментами підвищення продуктивності рису. Було зроблено висновок, що нано-азотні добрива мають потенціал для використання замість мінеральної сечовини, а також можуть зменшити забруднення навколишнього середовища, спричинені вилуговуванням, зненітруванням та випаровуванням хімічних добрив [22]. Подібним чином, екзогенно застосовувані поживні речовини як наноматеріали збільшували вегетативний ріст зернових культур, включаючи ячмінь [23] (людина), тоді як, на відміну від цього, було виявлено, що нанодобрива, внесені разом зі зменшеними дозами мінеральних добрив, сприяють підвищенню показників урожайності та врожайності зернових [24]. Встановлено, що нанодобриво цинку, що застосовується як ZnO, сприяє підвищенню врожаю арахісу завдяки стійкому росту рослин, підвищеному вмісту хлорофілу в листі та значно кращому зростанню коренів [25]. Вплив на ріст та врожайність різних наноматеріалів наведено у таблиці 1.

Нанодобрива Кропси Збільшення врожаю (%)

Нанодобриво + сечовина	Рис	10.2
Нанодобриво + сечовина	Рис	8.5
Нанодобриво + сечовина	Пшениця	6.5
Нанодобриво + сечовина	Пшениця	7.3
Нанокапсульований фосфор	Кукурудза	10.9
Нанокапсульований фосфор	Соя	16.7
Нанокапсульований фосфор	Пшениця	28.8
Нанокапсульований фосфор	Овочі	12,0–19,7
Нанохитозанові-NPK добрива	Пшениця	14.6
Нано хітозан	Помідор	20,0
Нано хітозан	Огірок	9.3
Нано хітозан	Стручковий стручок	11.5
Нано хітозан	Буряковий корінь	8.4
Нано хітозан	Гороху	20
Нанопорошок насіння бавовни та амонійного добрива	Солодка картопля	16
Водний розчин на наноіроні	Крупи	8–17
Наночастинки ZnO	Огірок	6.3
Наночастинки ZnO	Арахіс	4.8
Наночастинки ZnO	Капуста	9.1
Наночастинки ZnO	Цвітна капуста	8.3
Наночастинки ZnO	Нут	14.9
Наночастинки рідкоземельних оксидів	Овочі	7–45
Наносрібло + алліцин	Крупи	4–8,5
Наночастинки оксиду заліза + наночастинки карбонату кальцію + торф	Крупи	14,8–23,1
Наночастинки сірки + наночастинки діоксиду кремнію + синтетичне добриво	Крупи	3,4–45%

Таблиця 1.

Вплив нанодобрив на продуктивність різних сільськогосподарських культур при різних педокліматичних умовах [32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40].

Нанодобрива Посіви Вказані характеристики

Наночастинки ZnO	Нут	Підвищена схожість, кращий розвиток коренів, вищий синтез індолецтової кислоти.
Нано діоксид кремнію	Кукурудза	Стійкість до посухи, збільшення кількості бічних кореневих коренів поряд із довжиною пагона та довжиною пагона.
Нано діоксид кремнію	Кукурудза	Підвищений хлорофіл листків.
Нано діоксид кремнію	Помідор	Більш високі рослини і збільшений діаметр бульби.
Колоїдний діоксид кремнію + NPK добрива	Помідор	Підвищена стійкість до збудників хвороб.
Нано-TiO2	Шпинат	Покращені показники енергійності та 28% збільшення хлорофілу.
Поліетилен + оксид індію	Овочі	Підвищене поглинання сонячного світла
Поліпропілен + індій – оксид олова	Овочі	Збільшення використання сонячного світла
Наночастинки золота + сірка	Виноград	Антиоксиданти та інші переваги для здоров’я людини.
Каолін + SiO2	Овочі	Покращене утримання води.
Інокуляція бентоніту + N-фіксуючих бактерій	Бобові культури	Покращена родючість ґрунту та стійкість до комах-шкідників.
Нанокарбон + рідкісноземельні метали + N добрива	Крупи	Покращена ефективність використання азоту
Екстракт стевії + наночастинки Se + органо-Ca + рідкісноземельні елементи + хітозан	Овочі	Покращена коренева мережа та діаметр кореня.
Нанозалізний шлаковий порошок	Кукурудза	Зниження захворюваності на комах-шкідників
Нано-залізо + органічні гній	Бавовна	Контрольоване виділення поживних речовин діє як ефективний інсектицид та покращує стан родючості ґрунту.

Таблиця 2.

Вплив нанодобрив на різні культури в різних педокліматичних умовах [34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46].

8. Обмеження нано добрив

Незважаючи на те, що пропонують численні переваги, що стосуються сталого виробництва рослинництва, нанодобрива мають певні обмеження щодо прогалин у дослідженнях, відсутність суворого моніторингу та відсутність законодавства, що на сьогодні перешкоджає швидкому розвитку та прийняттю наночастинок як джерела рослинних поживних речовин [47]. Нижче наведено деякі обмеження та недоліки, пов'язані з використанням нанодобрив для сталого виробництва рослинництва.

Законодавство, що стосується нанодобрив, та пов'язане з ними управління ризиками продовжують залишатися основним обмеженням у пропаганді та просуванні нано добрив для сталого виробництва рослинництва.

Іншим обмежуючим фактором є виробництво та доступність нано добрив у необхідних кількостях, і це головне обмеження у широкому масштабі прийняття нано добрив як джерела рослинних поживних речовин.

Більш висока вартість нано добрив становить ще одну перешкоду на шляху їх оприлюднення для рослинництва в різних педокліматичних умовах по всьому світу.

Іншим основним обмеженням, що стосується нанодобрив, є відсутність визнаної рецептури та стандартизації, що може призвести до контрастних ефектів одних і тих самих наноматеріалів за різних педокліматичних умов.

Існує багато продуктів, які, як стверджується, є нано, але насправді вони мають субмікронний і мікронний розмір. Боїться, що ця дилема залишатиметься стійкою до тих пір, поки не буде застосовано однаковий розмір наночастинок (1–100 нм).