Hydrogels as water and nutrient reservoirs in agricultural soil: a comprehensive review of classification, performance, and economic advantages

Resumo

Nos últimos anos, o desenvolvimento de vários tipos de hidrogel visou abordar preocupações a respeito a utilização ineficiente de água e nutrientes em ambientes agrícolas. No entanto, emergiram resultados conflitantes sobre a eficácia da aplicação de hidrogel na agricultura e suas potenciais consequências ambientais negativas. Portanto, esta revisão abrangente busca avaliar a funcionalidade dos hidrogéis como reservatórios de água e nutrientes, enquanto identifica soluções potenciais para mitigar seus impactos ambientais com base em pesquisas anteriores. Ao sintetizar dados de estudos prévios, esta revisão analisa como o desempenho dos hidrogéis pode ser influenciado pelo pH do solo, força iônica e outros fatores da química da solução no ambiente. Notavelmente, esta revisão engloba uma avaliação abrangente do impacto da matriz ambiental no desempenho do hidrogel, o que preenche uma lacuna de conhecimento importante e fornece insights valiosos para direções futuras de pesquisa e aplicações práticas em terras agrícolas. Considerando preocupações de sustentabilidade associadas às aplicações convencionais de hidrogel, é recomendado explorar hidrogéis biodegradáveis derivados de materiais naturais como a celulose. Estas opções biodegradáveis oferecem impactos negativos mínimos no ambiente. Embora os estudos sobre a análise econômica do uso de hidrogel sejam limitados, eles desempenham um papel significativo na identificação de obstáculos atuais e na promoção da adoção de hidrogéis biodegradáveis. Hidrogéis convencionais mostraram maiores benefícios comerciais, mas o foco crescente em preocupações ambientais tem impulsionado o desenvolvimento de hidrogéis de base natural (ex.: amido) nos últimos anos. No entanto, o contraste entre o custo relativamente alto dos hidrogéis biodegradáveis e seus baixos impactos ambientais, evidencia a necessidade de mais experimentos em escala piloto e de esforços políticos neste campo. Em resumo, esta revisão demonstra que a incorporação de hidrogéis sustentáveis nos solos pode efetivamente melhorar a retenção de água e nutrientes, aumentando, em última análise, a produção agrícola. Estes achados sugerem um futuro promissor e sustentável para as aplicações de hidrogel na agricultura, enquanto enfatizam a necessidade de mais pesquisa, estudos piloto e esforços concertados, para atingir um equilíbrio entre a viabilidade econômica e as considerações ambientais.

Abstract

In recent years, the development of various hydrogel types has aimed to address concerns regarding the inefficient utilization of water and nutrients in agricultural settings. However, conflicting outcomes have emerged regarding the effectiveness of hydrogel application in agriculture and its potential negative environmental consequences. Therefore, this comprehensive review seeks to evaluate the functionality of hydrogels as water and nutrient reservoirs, while identifying potential solutions to mitigate their environmental impacts based on previous research. By synthesizing data from prior studies, this review analyzes how the performance of hydrogels may be influenced by soil pH, ionic strength, and other solution chemistry factors in the environment. Notably, this review encompasses a comprehensive assessment of the impact of the environmental matrix on hydrogel performance, which fills an important knowledge gap and provides valuable insights for future research directions and practical applications in agricultural lands. Considering sustainability concerns associated with conventional hydrogel applications, it is recommended to explore biodegradable hydrogels derived from natural materials like cellulose. These biodegradable options offer minimal negative impacts on the environment. Although studies on the economic analysis of hydrogel usage are limited, they play a significant role in identifying current obstacles and promoting the adoption of biodegradable hydrogels. Conventional hydrogels have shown greater commercial benefits, but the increasing focus on environmental concerns has driven the development of nature-based hydrogels (e.g., starch) in recent years. However, the trade-off between the relatively high cost of biodegradable hydrogels and their low environmental impacts necessitates more pilot-scale experiments and political efforts in this field. In summary, this review demonstrates that incorporating sustainable hydrogels into soils can effectively improve water and nutrient retention, ultimately enhancing crop production. These findings suggest a promising and sustainable future for hydrogel applications in agriculture, while emphasizing the need for further research, pilot studies, and concerted efforts to strike a balance between economic viability and environmental considerations.