Nano-Fertilizers (NFs) for Resurgence in Nutrient Use Efficiency (NUE): A sustainable agricultural strategy

Resumo

Os sistemas agrícolas em todo o mundo dependem de fertilizantes sintéticos para atender à demanda de produção de alimentos da população crescente. Ao longo das décadas, o uso abundante desses produtos químicos sintéticos representou uma ameaça significativa ao meio ambiente e diminuiu a eficiência de uso de nutrientes das culturas (NUE). Os nanocarreadores podem modular a cinética de liberação de nutrientes e estender sua disponibilidade na rizosfera e na filosfera, melhorando a NUE e a nutrição das culturas. Nossa revisão fornece insights sobre o papel dos nanofertilizantes (NFs) na promoção da agricultura sustentável, várias formulações de fertilizantes macro e micronutrientes e métodos de síntese verde. Uma revisão de literatura extensa e sistemática foi conduzida, e os dados sob várias seções foram identificados usando uma busca bibliográfica via Web of Science, Scopus, Google Scholar e CAB abstracts, bem como vários sites. Na última década, uma pesquisa considerável foi conduzida empregando os NFs para nutrição de culturas, desenvolvimento, doses e formulações, melhorando a NUE, impactando a resiliência ao estresse das culturas, melhorando a viabilidade econômica e a sustentabilidade ambiental e promovendo a segurança. O uso de NFs sobre fertilizantes convencionais teve um impacto positivo e significativo, abrangendo todos os cenários de produção de culturas. Os NFs proporcionaram nutrição sustentada às culturas ao longo das fases de desenvolvimento, da germinação à colheita, enquanto minimizavam as perdas por escoamento e lixiviação e melhoravam as propriedades do solo. Vários avanços na produção de NFs utilizando métodos de síntese verde envolvendo micróbios e materiais vegetais são desenvolvidos para reduzir a poluição, os perigos ambientais e o aquecimento global. Os fertilizantes convencionais possuem grandes limitações, como formas químicas dinâmicas, que são mais desafiadoras para as plantas absorverem e não fornecem liberação sustentada de nutrientes. Os NFs são as melhores alternativas para aumentar a absorção de nutrientes, o rendimento das culturas e a produtividade do solo. No entanto, as abordagens de síntese envolvem alta energia e reagentes químicos agressivos. A síntese verde de NFs permanece como a abordagem sustentável, ecológica, economicamente viável, confiável e energeticamente eficiente, que usa extratos microbianos e vegetais. No entanto, o potencial futuro dos NFs na promoção da sustentabilidade depende da pesquisa de toxicologia que revele suas limitações, oferecendo uma compreensão completa da nutrição segura de culturas com NFs.

Abstract

Agriculture systems worldwide rely on synthetic fertilizers to meet the food production demand of the burgeoning population. Over the decades, the abundant use of these synthetic chemicals has posed a significant threat to the environment and declined crop nutrient uptake efficiency (NUE). Nanocarriers can modulate nutrient release kinetics and extend their availability in the rhizosphere and phyllosphere, improving NUE and crop nutrition. Our review provides insights into the role of nano-fertilizers (NFs) in promoting sustainable agriculture, various macro- and micronutrient fertilizers and formulations and green synthesis methods. An extensive and systematic literature review was conducted, and the data under various sections has been identified using a computerized bibliographic search via the Web of Science, Scopus, Google Scholar and CAB abstracts, as well as several websites. Over the past decade, considerable research has been conducted employing the NFs for crop nutrition, development, doses and formulations, improving NUE, impacting crop stress resilience, improving economic viability and environmental sustainability and promoting safety. Use of NFs over conventional fertilizers has yielded a positive and significant impact, encompassing all crop production scenarios. NFs provided sustained nourishment to crops throughout the development phases, from germination to harvest, while minimizing the runoff and leachate losses and improving soil properties. Several advancements in the NFs production utilizing green synthesis methods involving microbes and plant materials are developed to reduce pollution, environmental hazards and global warming. Conventional fertilizers possess major constraints like dynamic chemical forms, which are more challenging for plants to absorb and do not provide sustained release of nutrients. NFs are the best alternatives to increase nutrient uptake, crop yield and soil productivity. However, the synthesis approaches involve high-energy and aggressive chemical reagents. The green synthesis of NFs remains the sustainable, eco-friendly, economically viable, reliable and energy-efficient approach which uses microbial and plant extracts. However, the future potential of NFs in promoting sustainability relies on toxicology research that reveals their limitations, offering a thorough understanding of safe crop nutrition with NFs.