Synergistic impact of nanomaterials and plant probiotics in agriculture: A tale of two-way strategy for long-term sustainability

Resumo

A agricultura moderna está focada principalmente na produção massiva de cereais e outras culturas alimentares de maneira sustentável, a fim de atender às demandas alimentares de uma população global sempre crescente. No entanto, práticas agrícolas intensivas, uso descontrolado de agroquímicos e outros fatores ambientais resultam na degradação da fertilidade do solo, poluição ambiental, ruptura da biodiversidade do solo, resistência a pragas e declínio nos rendimentos das culturas. Assim, os especialistas estão deslocando seu foco para outros métodos de fertilização ecológicos e mais seguros, a fim de garantir a sustentabilidade agrícola. De fato, a importância dos microrganismos promotores de crescimento de plantas, também determinados como “probióticos de plantas (PPs)”, ganhou reconhecimento generalizado, e seu uso como biofertilizantes está sendo ativamente promovido como um meio de mitigar os efeitos nocivos dos agroquímicos. Como bio-elicitadores, os PPs promovem o crescimento das plantas e colonizam o solo ou tecidos vegetais quando administrados no solo, sementes ou superfície da planta e são usados como um meio alternativo para evitar o uso pesado de agroquímicos. Nos últimos anos, o uso da nanotecnologia também trouxe uma revolução na agricultura devido à aplicação de vários nanomateriais (NMs) ou nano fertilizantes para aumentar a produtividade das culturas. Dadas as propriedades benéficas dos PPs e NMs, estes dois podem ser usados em tandem para maximizar os benefícios. No entanto, o uso de combinações de NMs e PPs, ou seu uso sinérgico, está em sua iniciação, mas exibiu melhores efeitos de modulação de culturas em termos de melhoria na produtividade das culturas, mitigação do estresse ambiental (seca, salinidade, etc.), restauração da fertilidade do solo e fortalecimento da bioeconomia. Além disso, uma avaliação adequada dos nanomateriais é necessária antes de sua aplicação, e uma dose mais segura de NMs deve ser aplicável sem mostrar qualquer impacto tóxico no ambiente e nas comunidades microbianas do solo. O combo de NMs e PPs também pode ser encapsulado dentro de um carreador adequado, e este método auxilia na entrega controlada e direcionada dos componentes encapsulados e também aumenta a vida útil dos PPs. No entanto, esta revisão destaca a anotação funcional do impacto combinado de NMs e PPs na produção agrícola sustentável de maneira ecológica.

Abstract

Modern agriculture is primarily focused on the massive production of cereals and other food-based crops in a sustainable manner in order to fulfill the food demands of an ever-increasing global population. However, intensive agricultural practices, rampant use of agrochemicals, and other environmental factors result in soil fertility degradation, environmental pollution, disruption of soil biodiversity, pest resistance, and a decline in crop yields. Thus, experts are shifting their focus to other eco-friendly and safer methods of fertilization in order to ensure agricultural sustainability. Indeed, the importance of plant growth-promoting microorganisms, also determined as “plant probiotics (PPs),” has gained widespread recognition, and their usage as biofertilizers is being actively promoted as a means of mitigating the harmful effects of agrochemicals. As bio-elicitors, PPs promote plant growth and colonize soil or plant tissues when administered in soil, seeds, or plant surface and are used as an alternative means to avoid heavy use of agrochemicals. In the past few years, the use of nanotechnology has also brought a revolution in agriculture due to the application of various nanomaterials (NMs) or nano-based fertilizers to increase crop productivity. Given the beneficial properties of PPs and NMs, these two can be used in tandem to maximize benefits. However, the use of combinations of NMs and PPs, or their synergistic use, is in its infancy but has exhibited better crop-modulating effects in terms of improvement in crop productivity, mitigation of environmental stress (drought, salinity, etc.), restoration of soil fertility, and strengthening of the bioeconomy. In addition, a proper assessment of nanomaterials is necessary before their application, and a safer dose of NMs should be applicable without showing any toxic impact on the environment and soil microbial communities. The combo of NMs and PPs can also be encapsulated within a suitable carrier, and this method aids in the controlled and targeted delivery of entrapped components and also increases the shelf life of PPs. However, this review highlights the functional annotation of the combined impact of NMs and PPs on sustainable agricultural production in an eco-friendly manner.