The role of nanotechnology in agricultural systems with emphasis on water management

Resumo

A nanotecnologia está impulsionando avanços estratégicos na alimentação e agricultura, oferecendo soluções inovadoras para desafios de longa data. Os nanomateriais estão sendo cada vez mais aplicados como alternativas novas aos inseticidas, fertilizantes e biossensores convencionais, transformando fundamentalmente as práticas agrícolas e ambientais. Esta revisão destaca seu papel na gestão da água agrícola, focando em nanossensores para monitoramento em tempo real, nanofertilizantes e nanopesticidas para entrega controlada de nutrientes, e nanoargilas ou hidrogéis para retenção aprimorada de água no solo. Além disso, a nanotecnologia suporta a reciclagem de águas residuais através de membranas de nanofiltração e nanoabsorventes que removem metais pesados, patógenos e resíduos agroquímicos, promovendo assim o uso circular da água em sistemas agrícolas. O destino a longo prazo, a bioacumulação e os riscos ecológicos dos nanomateriais em solos e água agrícolas permanecem pouco compreendidos, destacando a necessidade de estudos abrangentes de toxicidade e impacto ambiental. Barreiras econômicas e tecnológicas, incluindo custo, escalabilidade e conscientização limitada dos agricultores, restringem ainda mais a adoção. Direções futuras clamam pela integração da nanotecnologia com plataformas digitais, como IoT e IA, pelo desenvolvimento de nanomateriais biodegradáveis e por arcabouços robustos de avaliação de risco para garantir sustentabilidade e segurança.

Abstract

Nanotechnology is driving strategic advances in food and agriculture by offering innovative solutions to longstanding challenges. Nanomaterials are increasingly being applied as novel alternatives to conventional insecticides, fertilizers, and biosensors, fundamentally transforming agricultural and environmental practices. This review highlights its role in agricultural water management, focusing on nanosensors for real-time monitoring, nanofertilizers and nanopesticides for controlled nutrient delivery, and nanoclays or hydrogels for enhanced soil water retention. Moreover, nanotechnology supports wastewater recycling through nanofiltration membranes and nano-adsorbents that remove heavy metals, pathogens, and agrochemical residues, thereby promoting circular water use in farming systems. The long-term fate, bioaccumulation, and ecological risks of nanomaterials in agricultural soils and water remain poorly understood, highlighting the need for comprehensive toxicity and environmental impact studies. Economic and technological barriers including cost, scalability, and limited farmer awareness further constrain adoption. Future directions call for the integration of nanotechnology with digital platforms such as IoT and AI, the development of biodegradable nanomaterials, and robust risk assessment frameworks to ensure sustainability and safety.