Nanosized Calcium Phosphates as Novel Macronutrient Nano-Fertilizers

Resumo

A necessidade de produção de alimentos qualitativa e quantitativamente melhorada, necessária para alimentar uma população mundial progressivamente crescente, requer a adoção de novos protocolos agrícolas sustentáveis. Entre eles, limitar o desperdício de fertilizantes no meio ambiente tornou-se uma meta global. A nanotecnologia pode oferecer a possibilidade de projetar e preparar novos materiais alternativos aos fertilizantes convencionais, que são mais facilmente absorvidos pelas raízes das plantas e, portanto, aumentam a eficiência do uso de nutrientes. Nesse contexto, durante a última década, grande atenção tem sido dada às nanopartículas de fosfato de cálcio (CaP), particularmente apatita nanocristalina e fosfato de cálcio amorfo, como potenciais nanofertilizantes de macronutrientes com eficiência de uso de nutrientes superior às suas contrapartes convencionais. Seu conteúdo inerente em macronutrientes, como fósforo, e solubilidade gradual em água têm sido explorados para seu uso como nanofertilizantes P lentos. Da mesma forma, suas grandes superfícies (específicas), devido ao seu tamanho nanométrico, foram funcionalizadas com espécies adicionais contendo macronutrientes, como ureia ou nitrato, para gerar N-nanofertilizantes com perfis de liberação de nitrogênio mais vantajosos. Nesse sentido, vários estudos relatam resultados encorajadores sobre a eficiência superior no uso de nutrientes demonstrada pelos nanofertilizantes CaP em diversas culturas do que suas contrapartes convencionais. Com base nisso, os avanços deste tópico são revisados ​​aqui e discutidos criticamente, com ênfase especial nas abordagens de preparação e caracterização empregadas para sintetizar/funcionalizar as nanopartículas projetadas, bem como em suas propriedades de fertilização em diferentes culturas e em diferentes condições (solo, foliar, fertirrigação e hidropônica). Além disso, os desafios restantes em andamento em direção à aplicação real do CaP como nanofertilizantes, envolvendo vários campos (ou seja, setores agronômicos ou de ciência dos materiais), são identificados e discutidos.

Abstract

The need for qualitatively and quantitatively enhanced food production, necessary for feeding a progressively increasing World population, requires the adoption of new and sustainable agricultural protocols. Among them, limiting the waste of fertilizers in the environment has become a global target. Nanotechnology can offer the possibility of designing and preparing novel materials alternative to conventional fertilizers, which are more readily absorbed by plant roots and, therefore, enhance nutrient use efficiency. In this context, during the last decade, great attention has been paid to calcium phosphate nanoparticles (CaP), particularly nanocrystalline apatite and amorphous calcium phosphate, as potential macronutrient nano-fertilizers with superior nutrient-use efficiency to their conventional counterparts. Their inherent content in macronutrients, like phosphorus, and gradual solubility in water have been exploited for their use as slow P-nano-fertilizers. Likewise, their large (specific) surfaces, due to their nanometric size, have been functionalized with additional macronutrient-containing species, like urea or nitrate, to generate N-nano-fertilizers with more advantageous nitrogen-releasing profiles. In this regard, several studies report encouraging results on the superior nutrient use efficiency showed by CaP nano-fertilizers in several crops than their conventional counterparts. Based on this, the advances of this topic are reviewed here and critically discussed, with special emphasis on the preparation and characterization approaches employed to synthesize/functionalize the engineered nanoparticles, as well as on their fertilization properties in different crops and in different (soil, foliar, fertigation and hydroponic) conditions. In addition, the remaining challenges in progress toward the real application of CaP as nano-fertilizers, involving several fields (i.e., agronomic or material science sectors), are identified and discussed.