From synthesis to soil: transformations and impacts of nanoparticles in agroecosystems

Resumo

As nanopartículas (NPs) emergiram como agentes transformadores na agricultura, oferecendo aplicações promissoras em nanofertilizantes, nanopesticidas e condicionantes de solo. No entanto, persistem lacunas de conhecimento significativas em relação ao impacto de longo prazo das NPs projetadas na saúde do solo, incluindo redes microbianas e fluxos biogeoquímicos. Apesar de seu potencial para melhorar a eficiência do uso de nutrientes, promover a resiliência das culturas e apoiar a agricultura sustentável, as interações das NPs com as matrizes do solo, especialmente suas transformações, persistência e implicações ecológicas, não são totalmente exploradas. Esta revisão aborda essas lacunas, fornecendo uma análise aprofundada da pesquisa atual sobre transformações, reatividade e destino das NPs em ambientes de solo. Classificamos as NPs com base em seus precursores de síntese (natural vs. sintética) e examinamos como a carga superficial, as propriedades estruturais e a estabilidade governam suas interações no solo. Os mecanismos-chave de interação solo-NP são explorados em três vias de transformação: física (agregação, sorção), química (dissolução, processos redox) e biológica (transformação microbiana, degradação enzimática). Avaliamos os efeitos em cascata das NPs na integridade físico-química e biológica do solo, incluindo alterações na biomassa microbiana, diversidade, atividade enzimática, ciclagem de nutrientes e respiração. Com base em diversos estudos de laboratório e campo, esta revisão destaca preocupações de sustentabilidade relacionadas à síntese e aplicação de NPs, analisa potenciais impactos ecológicos e defende estratégias de síntese verde juntamente com abordagens regulatórias de mitigação de riscos. Ao integrar insights atuais e delinear necessidades críticas de pesquisa, esta revisão fornece uma estrutura para a implementação responsável de nanotecnologias na agricultura, preenchendo a lacuna entre inovação e gestão sustentável do solo, com atenção especial à preservação da fertilidade do solo e das funções do ecossistema no contexto da agricultura sustentável e regenerativa.

Abstract

Nanoparticles (NPs) have emerged as transformative agents in agriculture, offering promising applications in nanofertilizers, nanopesticides, and soil amendments. However, significant knowledge gaps persist regarding the long-term impact of engineered NPs on soil health, including microbial networks and biogeochemical fluxes. Despite their potential to enhance nutrient use efficiency, promote crop resilience, and support sustainable farming, the interactions of NPs with soil matrices, especially their transformations, persistence, and ecological implications, are not fully explored. This review addresses these gaps by providing an in-depth analysis of current research on NP transformations, reactivity, and fate in soil environments. We classify NPs based on their synthesis precursors (natural vs. synthetic) and examine how surface charge, structural properties, and stability govern their interactions in soil. Key mechanisms of soil–NP interaction are explored across three transformation pathways: physical (aggregation, sorption), chemical (dissolution, redox processes), and biological (microbial transformation, enzymatic degradation). We evaluate the cascading effects of NPs on soil physicochemical and biological integrity, including alterations in microbial biomass, diversity, enzyme activity, nutrient cycling, and respiration. Drawing on diverse laboratory and field studies, this review highlights sustainability concerns related to NP synthesis and application, analyzes potential ecological impacts, and advocates for green synthesis strategies alongside risk-mitigation regulatory approaches. By integrating current insights and outlining critical research needs, this review provides a framework for the responsible implementation of nanotechnologies in agriculture, bridging the gap between innovation and sustainable soil management, with particular attention to preserving soil fertility and ecosystem functions in the context of sustainable and regenerative agriculture.