Carbon Dots Improve Nitrogen Bioavailability to Promote the Growth and Nutritional Quality of Soybeans under Drought Stress

Resumo

Nanomateriais estão contribuindo para a transformação da produção agrícola, desempenhando um papel crucial na promoção do desenvolvimento sustentável, no aumento da produtividade das culturas e na segurança do uso de fertilizantes. Este estudo combinou as vantagens dos pontos de carbono (CDs) para explorar os efeitos positivos de CDs dopados com elementos essenciais no crescimento vegetal. Pela primeira vez, foram preparados pontos de carbono dopados com nitrogênio (N-CDs), com emissão de fluorescência azul, por meio de reação assistida por micro-ondas utilizando ácido succínico e m-fenilenodiamina (MPD) como fonte de nitrogênio, e seus efeitos sobre o crescimento e desenvolvimento de culturas foram estudados. Os N-CDs apresentaram boa estabilidade, com tamanho médio de partícula de 2,20 nm. O comprimento de onda ótimo de emissão foi de 360 nm, com pico máximo de emissão de fluorescência em 452 nm e rendimento quântico absoluto de 35,60%. Os resultados mostraram que a maior taxa de germinação (86,67% para milho e 68,33% para tomate), o maior índice de vigor (127,76% para milho e 15,31% para tomate) e a maior biomassa foram observados após tratamento com 0,010 mg/mL de N-CDs. Com o aumento da concentração de N-CDs, os índices inicialmente aumentaram e depois diminuíram, sendo observada inibição significativa do crescimento em concentrações excessivamente altas. Portanto, concentrações adequadas de N-CDs podem melhorar o desenvolvimento de mudas. Este estudo estabelece as bases para aplicações de nanofertilização com CDs, que podem ser posteriormente dopados com potássio, fósforo e outros nutrientes vegetais importantes.

Abstract

Nanomaterials are helping to transform agricultural production, playing a crucial role in achieving sustainable development, increasing crop yields, and addressing the safety of fertilizer use. This study combined the advantages of CDs to explore the positive effects of CDs doped with essential elements on plant growth. For the first time, nitrogen-doped CDs (N-CDs) with blue fluorescence emission were prepared by a microwave reaction with succinic acid using m-phenylenediamine (MPD) as the nitrogen source, and their effects on crop growth and development were studied. N-CDs exhibited good stability with an average particle size of 2.20 nm. The optimal emission wavelength was 360 nm, the maximum fluorescence emission peak was 452 nm, and the absolute quantum yield (QY) was 35.60%. The results showed that the highest germination rate (86.67%, 68.33%), vigor index (127.76%, 15.31%), and biomass in maize and tomato were observed after treatment with 0.010 mg/mL N-CDs. With increasing N-CDs concentration, the indices first increased and then decreased, with significant growth inhibition observed at excessively high concentrations. Therefore, appropriate concentrations of N-CDs can enhance the development of crop seedlings. This study lays the foundation for the nanofertilization applications of CDs, which could be further doped with potassium, phosphorus, and other important plant nutrients.