Characterization of a chitosan-based sustained release nanofertilizer formulation used as a soil conditioner while simultaneously improving biomass production of Zea mays L.

Resumo

Os nanofertilizantes de liberação lenta são de interesse para reduzir as perdas de nutrientes do solo e prevenir a degradação da terra associada ao uso de fertilizantes estabelecidos devido ao uso de fertilizantes. Nanopartículas de quitosana (CN) foram preparadas a partir da polimerização da quitosana com ácido metacrílico e posteriormente incorporada com potássio (CNK). Tanto o CN quanto o CNK foram caracterizados usando técnicas de espectroscopia infravermelha com transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão, microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo e microscopia de força atômica (AFM). A propriedade de liberação lenta de potássio da CNK foi elucidada empregando estudos de difusão de membrana. Zea maysplanta foram testados em ensaios de vaso usando diferentes doses de formulação de K com potássio incorporado ou não e comparados com controles adequados. Os solos tratados com doses reduzidas de potássio (75% CNK) aumentaram significativamente o acúmulo de biomassa fresca e seca em 51 e 47%, respectivamente, em relação ao controle positivo (100% KCl). O uso de 75% de CNK melhorou as propriedades físicas do solo por meio de maior porosidade, maior condutividade da água e maior friabilidade que favoreceu o crescimento das raízes. Estes, juntamente com a densidade seca reduzida, induziram as plantas a absorver maiores quantidades de nutrientes e desenvolver o dobro da biomassa radicular em relação ao controle. Além disso, nenhum efeito deletério da nanoformulação foi aparente e os tratamentos mostraram melhor atividade de ciclagem de carbono. O aumento da hidrólise do diacetato de fluoresceína (FDA) nesses tratamentos demonstrou maior atividade microbiana do solo em relação ao controle. CNK foi hipotetizado para condicionar o solo por ligação coesiva das partículas do solo, estabilizando os agregados do solo revestindo-os e evitando sua degradação em meio a forças perturbadoras, como rega repetida. A liberação sustentada de nutrientes sincroniza com as demandas da cultura, reduz a necessidade de fertilizantes e aumenta a produtividade.

Abstract

Slow release nanofertilizers are of interest for reducing soil nutrient losses and preventing land degradation associated with established fertilizer use due to use of fertilizers. Chitosan nanoparticles (CN) were prepared following polymerization of chitosan with methacrylic acid and later incorporated with potassium (CNK). CN as well as CNK were characterized using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy, field-emission scanning electron microscope, and atomic force microscopy (AFM) techniques. The slow potassium release property of CNK was elucidated employing membrane diffusion studies. Zea mays plant were tested in pot trials using different doses of K-formulation with potassium incorporated or otherwise and compared with suitable controls. Soils amended with reduced potassium rates (75% CNK) significantly increased the fresh- and dry-biomass accumulation by 51 and 47%, respectively, in relation to positive control (100% KCl). The use of 75% CNK improved physical properties of soil by way of enhanced porosity, higher water conductivity, and enhanced friability that favoured root growth. These along with reduced dry density induced the plants to uptake higher quantities of nutrients and develop double the root biomass relative to control. Further, no deleterious effect of the nanoformulation was apparent and the treatments showed better carbon-cycling activity. Increased fluorescein diacetate (FDA) hydrolysis in these treatments demonstrated higher soil microbial activity in relation to control. CNK was hypothesized to condition the soil by cohesive bonding of soil particles, stabilizing the soil aggregates by coating them, and preventing their degradation amidst disruptive forces such as repeated watering. Sustained nutrient release synchronize with crop demands, reduced fertilizer requirement and increased productivity.