Urea-functionalized amorphous calcium phosphate nanofertilizers: optimizing the synthetic strategy towards environmental sustainability and manufacturing costs

Resumo

Fertilizantes nanométricos são a nova fronteira da nanotecnologia rumo a uma agricultura sustentável. Aqui, um N-nanofertilizante eficiente é obtido por modificação pós-sintética (PSM) de nanopartículas (NPs) de fosfato de cálcio amorfo (ACP) dopadas com nitrato com ureia. O protocolo PSM, sem desperdício, leva a cargas úteis de N de até 8,1% p/p, é bem replicado pelo uso de reagentes de nível técnico de baixo custo para aumento de escala com boa relação custo-benefício e favorece moderadamente a desaceleração da liberação de ureia. Usando a abordagem PSM, a quantidade de N é cerca de 3 vezes maior do que a obtida em uma síntese equivalente em um único recipiente, onde ureia e nitrato são adicionados conjuntamente durante a preparação das NPs. Testes in vivo em plantas de pepino em condições hidropônicas mostram que as NPs de ACP dopadas com N, com metade do teor absoluto de N do que no tratamento convencional com ureia, promovem a formação de uma quantidade equivalente de biomassa de raízes e brotos, sem depleção de nitrogênio. A alta eficiência no uso de nitrogênio (até 69%) e um método de preparação econômico dão suporte ao uso real sustentável do ACP dopado com N como nanofertilizante.

Abstract

Nanosized fertilizers are the new frontier of nanotechnology towards a sustainable agriculture. Here, an efficient N-nanofertilizer is obtained by post-synthetic modification (PSM) of nitrate-doped amorphous calcium phosphate (ACP) nanoparticles (NPs) with urea. The unwasteful PSM protocol leads to N-payloads as large as 8.1 w/w%, is well replicated by using inexpensive technical-grade reagents for cost-effective up-scaling and moderately favours urea release slowdown. Using the PSM approach, the N amount is ca. 3 times larger than that obtained in an equivalent one-pot synthesis where urea and nitrate are jointly added during the NPs preparation. In vivo tests on cucumber plants in hydroponic conditions show that N-doped ACP NPs, with half absolute N-content than in conventional urea treatment, promote the formation of an equivalent amount of root and shoot biomass, without nitrogen depletion. The high nitrogen use efficiency (up to 69%) and a cost-effective preparation method support the sustainable real usage of N-doped ACP as a nanofertilizer.