Nano-biofertilizers as bio-emerging strategies for sustainable agriculture development: Potentiality and their limitations

Resumo

A nanotecnologia é uma tecnologia revolucionária emergente no século XXI. Emergências climáticas causadas por atividades naturais ou antrópicas têm repercussões tragicamente consequentes na produção agrícola mundial. Os sistemas de cultivo modernos dependem profundamente de fertilizantes sintéticos para fornecer nutrientes necessários, mas sua administração prolongada e persistente, é perigosa para o meio ambiente, a fertilidade do solo e a dinâmica nutricional do microbioma rizosférico. Esta revisão enfatiza a integração de nanopartículas e biofertilizantes em conjunto como nano-biofertilizantes (NBF),  ao abordar a desvantagem do fertilizante de dimensão nano sintetizado físico-quimicamente, que podem salvaguardar a segurança alimentar global face ao aumento populacional. A inoculação com nanopartículas e biofertilizantes fortalece o crescimento das plantas e a tolerância ao estresse. No entanto, os combinados (NBF) emergiram como uma ferramenta agrícola  economicamente e ambientalmente mais sustentável, altamente versátil e de longa duração. A síntese verde baseada em micróbios usando o encapsulamento de nanopartículas inorgânicas de Si, Zn, Cu, Fe, Ni, Ti e Ag, bem como materiais orgânicos, incluindo quitosana, celulose e amido, para formular os NBF pode eliminar as restrições da contaminação por fertilizantes convencionais. A aplicação de NBF está em seu inicio na agricultura, mas tem potencial promissor para transformar as técnicas de agricultura tradicionais em agricultura inteligente, em comparação com qualquer uma das estratégias existentes. A partir desta perspectiva, esta revisão é uma tentativa de fornecer uma compreensão abrangente das formulações, fabricação e caracterização dos NBF, enquanto desvenda os mecanismos subjacentes das interações planta-NBF, juntamente com sua contribuição para a tolerância ao estresse biótico e abiótico induzido pelas mudanças climáticas. Nós substancialmente resumimos os últimos avanços das aplicações de campo de NBF para a agricultura de precisão. Além disso, revisamos criticamente suas aplicações em agroecossistemas de acordo com a literatura atual, enquanto também discutimos os gargalos e tendências futuras para o desenvolvimento de NBF potentes.

Abstract

Nanotechnology is a burgeoning revolutionary technology in the 21st century. Climate emergencies caused by natural or anthropogenic activities have tragically consequential repercussions on agricultural output worldwide. Modern cropping systems profoundly rely on synthetic fertilizers to deliver necessary nutrients, yet their prolonged and persistent administration is hazardous to the environment, soil fertility, and nutritional dynamics of the rhizospheric microbiome. By addressing the drawback of physico-chemically synthesized nano-dimensioned fertilizer, this review emphasizes on integrating nanoparticles and biofertilizers conjointly as nano-biofertilizers (NBF) which can safeguard global food security, in light of the population surge. Inoculation with nanoparticles and biofertilizers strengthens plant growth and stress tolerance. However, combined together (NBF), they have emerged as a more economically and environmentally sustainable, highly versatile, and long-lasting agriculture tool. Microbe-based green synthesis using the encapsulation of inorganic nanoparticles of Si, Zn, Cu, Fe, Ni, Ti, and Ag as well as organic materials, including chitosan, cellulose, and starch, to formulate NBFs can eliminate the constraints of conventional fertilizer contamination. The application of NBFs is in its infancy in agriculture, yet it has promising potential for transforming traditional farming techniques into smart agriculture, compared to any of the existing strategies. From this perspective, this review is an attempt to provide a comprehensive understanding of the formulations, fabrication, and characterization of NBFs while unraveling the underlying mechanisms of plant-NBF interactions along with their contribution to climate change-induced biotic and abiotic stress tolerance. We substantially summarize the latest advancements of field applications of NBFs for precision farming. Moreover, we critically revised their applications in agro-ecosystems according to the current literature, while also discussing the bottlenecks and future trends for developing potent NBFs.