Prospects of nano phosphorus fertilizers (NPFs) in plant-based agriculture: effects and mechanisms

Resumo

O fósforo (P) é um macronutriente crucial para o crescimento das plantas, desenvolvimento radicular e rendimento. Os fertilizantes de P comerciais têm baixa eficiência de entrega e utilização e são perdidos das zonas radiculares das plantas por baixa disponibilidade ou lixiviação ou escoamento superficial que leva a danos ambientais. Esta revisão investiga como os nanofertilizantes de P (NFPs) podem superar as ineficiências atuais das formulações convencionais e, assim, aumentar o rendimento das plantas, minimizando os impactos ambientais negativos. Os NFPs têm potencial significativo para aumentar a germinação das plantas, penetrando mais efetivamente os revestimentos das sementes e facilitando uma maior absorção de água e nutrientes. A natureza em nanoescala do NFP também facilita singularmente uma maior absorção de P pelas raízes, o que, por sua vez, aumenta a síntese de clorofila, melhora a absorção de luz e otimiza a eficiência do transporte de elétrons, fatores-chave para impulsionar a fotossíntese das plantas. Adicionalmente, estimula processos fisiológicos gerais (ex.: produção de metabólitos secundários, exsudação radicular), aumenta as atividades de enzimas antioxidantes e melhora o rendimento das plantas. Os NFPs também podem minimizar o acúmulo de elementos tóxicos por vários mecanismos, incluindo o controle da biodisponibilidade de contaminantes no solo, ao aumentar a absorção de elementos essenciais para as plantas (ex.: P, Ca). Além disso, os NFPs também medeiam o pH do solo, o que tem implicações importantes para a biogeoquímica do solo em áreas agrícolas de baixo pH. Os microbiomas do solo e os processos associados frequentemente melhoram com a aplicação de NFP em relação às formulações convencionais de P. Embora um grande potencial tenha sido demonstrado, uma compreensão mecanicista de certos aspectos da atividade do NFP permanece incompleta, incluindo impactos em diversas espécies de culturas, condições ambientais e tipos de solo. No entanto, os NFPs oferecem um grande potencial como uma ferramenta importante na transformação da agricultura convencional, diminuindo simultaneamente o uso de recursos finitos de P, reduzindo a pegada ambiental da agricultura e melhorando a segurança alimentar futura.

Abstract

Phosphorus (P) is a crucial macronutrient for plant growth, root development, and yield. Commercial P fertilizers have low efficiency of delivery and utilization and are lost from plant root zones by either low availability or leaching or surface runoff that leads to environmental damage. This review investigates how nano P fertilizers (NPFs) can overcome the current inefficiencies of conventional formulations and, thus, enhance plant yield while minimizing negative environmental impacts. NPFs have significant potential for augmenting plant germination by more effectively penetrating seed coatings and facilitating greater water and nutrient uptake. The nanoscale nature of NPF also uniquely facilitates greater P absorption by roots, which in turn enhances chlorophyll synthesis, improves light absorption, and optimizes electron transport efficiency—key factors in boosting plant photosynthesis. Additionally, it stimulates overall physiological processes (e.g., secondary metabolite production, root exudation), increases antioxidant enzyme activities, and enhances plant yield. NPFs can also minimize the accumulation of toxic elements by several mechanisms, including controlling contaminant bioavailability in soil by enhancing competing plant essential element (e.g., P, Ca) uptake. Moreover, NPFs also mediate soil pH, which has important implications for soil biogeochemistry in low-pH agricultural areas. Soil microbiomes and associated processes will often improve with NPF application relative to conventional P formulations. Although great potential has been demonstrated, a mechanistic understanding of certain aspects of NPF activity remains incomplete, including impacts across diverse crop species, environmental conditions, and soil types. However, NPFs offer great potential as an important tool in the transformation of conventional agriculture, simultaneously lessening the usage of finite P resources, reducing the environmental footprint of agriculture, and improving future food security.