Synthesis and characterization of novel dual-capped Zn–urea nanofertilizers and application in nutrient delivery in wheat

Resumo

Nutrientes em nanoescala são promissores para melhorar o desempenho das culturas. No entanto, o potencial induzido pelo tamanho para deriva, segregação ou transformação exige estratégias para otimizar os regimes de fertilização. Neste trabalho, desenvolvemos três nanofertilizantes revestindo grânulos de ureia com nanopartículas de Zn (NPs-Zn) recobertas com agentes de capação binários: N-acetilcisteína (NAC) e salicilato de sódio (SAL); NAC e ureia; ou SAL e ureia. O revestimento foi realizado com eficiências de 80–100%. Quando avaliados em sorgo por aplicação no solo nas doses de 6,4 (dose-1) e 2,1 (dose-2) mg Zn por kg de solo, os nanofertilizantes influenciaram o desempenho do sorgo, o acúmulo na planta e a retenção no solo de Zn, N e P de forma comparável ao controle (sulfato de zinco). No entanto, os nanofertilizantes SAL-ureia-Zn, NAC-SAL-Zn e NAC-ureia-Zn evocaram efeitos significativos (P < 0,05) dependentes da dose em comparação com o sulfato de zinco. As contagens iniciais de SPAD (clorofila) foram significativas com SAL-ureia-Zn dose-1, em comparação com o sulfato de zinco. NAC-SAL-Zn e SAL-ureia-Zn dose-1 aumentaram significativamente a biomassa da parte aérea, em comparação com o sulfato de zinco. Notavelmente, NAC-ureia-Zn dose-2 promoveu fortemente o acúmulo de Zn ou N nos grãos ou na parte aérea total em comparação com SAL-ureia-Zn dose-1, NAC-SAL-Zn dose-1 ou NAC-ureia-Zn dose-1, indicando que uma dose mais baixa de Zn pode ser usada para NAC-ureia-Zn para facilitar a entrega de Zn e N. O Zn residual no solo foi significativamente maior com NAC-SAL-Zn dose-1, em comparação com o sulfato de zinco. No entanto, o amônio residual foi significativamente maior no tratamento com sulfato de zinco, em comparação com os outros tratamentos, exceto para NAC-ureia-Zn dose-2. Contrariamente, o P residual foi significativamente maior com SAL-ureia-Zn dose-1 do que com o sulfato de zinco. Esses achados indicam que o revestimento de ureia com nanopartículas de Zn pode facilitar a aplicação de nutrientes em nanoescala na agricultura, sem qualquer penalidade no desempenho da planta ou na entrega de nutrientes.

Abstract

Nanoscale nutrients are promising for improving crop performance. However, size-induced potential for drifting, segregation, or transformation warrants strategies to streamline fertilization regimes. Herein, we developed three nanofertilizers by coating urea granules with Zn nanoparticles capped with binary capping agents: N-acetyl cysteine (NAC) and sodium salicylate (SAL); NAC and urea; or SAL and urea. Coating was accomplished at 80–100% efficiencies. When evaluated in sorghum through soil application at 6.4 (rate-1) and 2.1 (rate-2) mg Zn per kg soil, the nanofertilizers influenced sorghum performance, plant accumulation, and soil retention of Zn, N, and P comparably with the control (Zn-sulfate). However, SAL–urea–Zn, NAC–SAL–Zn, and NAC–urea–Zn nanofertilizers evoked rate-dependent significant (P < 0.05) effects compared to Zn-sulfate. Early SPAD (chlorophyll) counts were significant with SAL–urea–Zn rate-1, compared to Zn-sulfate. NAC–SAL–Zn and SAL–urea–Zn rate-1 significantly increased shoot biomass, compared to Zn-sulfate. Notably, NAC–urea–Zn rate-2 strongly promoted grain or total above-ground Zn or N accumulation compared to SAL–urea–Zn rate-1, NAC–SAL–Zn rate-1, or NAC–urea–Zn rate-1, indicating that a lower rate of Zn can be used for NAC–urea–Zn to facilitate Zn and N delivery. Residual soil Zn was significantly higher with NAC–SAL–Zn rate-1, compared to Zn-sulfate. However, residual ammonium was significantly higher in Zn-sulfate, compared to other treatments, except for NAC–urea–Zn rate-2. Contrarily, residual P was significantly higher with SAL–urea–Zn rate-1 than with Zn-sulfate. These findings indicate that coating of urea with Zn nanoparticles can facilitate the application of nanoscale nutrients in agriculture, without any penalty on plant performance or nutrient delivery.