Un nuovo studio per la produzione di nutrienti complessati e incapsulati su scala nanometrica per migliorare la crescita delle piante

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11100 (2023) Citare questo articolo

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La complessazione dei micronutrienti con agenti complessanti riduce le reazioni indesiderate dei fertilizzanti nel sistema idrico del suolo. Sotto forma di struttura complessa i nutrienti rimangono a disposizione delle piante nella forma utilizzabile. Il fertilizzante nanoformato migliora la superficie delle particelle e riduce la quantità di contatto del fertilizzante con un'ampia area di radici delle piante, riducendo così i costi del fertilizzante. Il controllo del rilascio di fertilizzanti utilizzando materiale polimerico come l’alginato di sodio rende le pratiche agricole più efficienti ed economiche. Numerosi fertilizzanti e sostanze nutritive vengono utilizzati su larga scala per migliorare i raccolti a livello globale e quasi più della metà viene sprecata. Pertanto, esiste un disperato bisogno di migliorare i nutrienti disponibili per le piante nel suolo, utilizzando tecnologie fattibili e rispettose dell’ambiente. Nella presente ricerca, i micronutrienti complessati sono stati incapsulati con successo utilizzando una nuova tecnica su scala nanometrica. I nutrienti sono stati complessati con prolina e incapsulati utilizzando alginato di sodio (polimero). Il basilico dolce è stato sottoposto a sette trattamenti nell'arco di tre mesi in un ambiente moderatamente controllato (25 °C di temperatura e 57% di umidità) per studiare gli effetti dei nano fertilizzanti micronutrienti complessati sintetizzati. Sono state esaminate le modifiche strutturali delle nanoforme complessate di micronutrienti dei fertilizzanti, mediante diffrazione di raggi X su polveri (XRD) e microscopia elettronica a scansione (SEM). La dimensione dei fertilizzanti prodotti era compresa tra 1 e 200 nm. La spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR) allunga i picchi di vibrazione a 1600,9 cm−1 (C=O), 3336 cm−1 (N–H) e a 1090,2 cm−1 (N–H in una torsione e oscillazione) corrisponde alla pirrolidina squillo. La gascromatografia-spettrometria di massa è stata utilizzata per analizzare la composizione chimica dell'olio essenziale delle piante di basilico. La resa in olio essenziale delle piante di basilico è aumentata dallo 0,0035 allo 0,1226% dopo i trattamenti. I risultati della presente ricerca mostrano che la complessazione e l’incapsulamento migliorano la qualità del raccolto, la resa in olio essenziale e il potenziale antiossidante del basilico.

A causa della lisciviazione, dei raccolti pesanti, del calcare del terreno acido e dell’erosione del suolo superficiale, le carenze di micronutrienti nelle colture sono aumentate in modo significativo negli ultimi anni1. Bassa qualità e resa del raccolto, diffusa infestazione di diversi parassiti e malattie, struttura morfologica imperfetta della pianta (come dimensioni ridotte e meno piccoli vasi xilematici), bassa attivazione dei fitosiderofori e diminuzione dell'efficienza d'uso dei fertilizzanti sono alcuni degli effetti negativi causati dalla carenza di micronutrienti nelle piante2. Anche se le piante coltivate necessitano di micronutrienti in concentrazioni inferiori, essi sono essenziali per la crescita e la resa di molte colture3. I problemi sopra menzionati possono essere risolti utilizzando fertilizzanti micronutrienti in forme chelate3. I nodi radicali delle piante possiedono una carica leggermente negativa e gli ioni metallici dei micronutrienti sono di natura elettropositiva, quindi si legano ai siti dei nodi radicali e non fluiscono nei tessuti vegetali. Poiché questi nutrienti si combinano con un agente complessante, diventano neutri o leggermente negativi, quindi passano facilmente attraverso i tessuti vegetali. La prolina è un efficace ligando bidentato4. Protegge la pianta da una serie di sfide e aiuta a riprendersi più rapidamente dallo stress. La prolina aumenta la crescita delle piante e altre caratteristiche fisiologiche quando viene somministrata per via esogena a piante stressate5. I nutrienti forniti alle piante sotto forma di fertilizzanti sono cruciali per una crescita adeguata delle piante e il loro metabolismo, ma una fornitura inappropriata di fertilizzanti alle colture provoca un drenaggio di circa il 40-70% del fertilizzante causando la contaminazione di metalli pesanti nei serbatoi di acqua dolce e sotterranea. I nanofertilizzanti forniscono nutrienti esattamente in base al fabbisogno della pianta e riducono così la perdita di nutrienti nell'ambiente6. La tecnica più importante e potente è lo sviluppo della nanotecnologia per il rilascio controllato di fertilizzanti e pesticidi nei campi agricoli. Lo sviluppo di nanovettori, nanofertilizzanti e nanosensori ha migliorato l’efficienza dei fertilizzanti con uno spreco minimo7. È stato riscontrato che la nanotecnologia ha avuto molto successo per la sintesi di formulazioni a rilascio controllato di prodotti chimici per l'agricoltura8. I vantaggi della tecnologia a rilascio controllato comprendono una minore necessità di agenti attivi e una maggiore persistenza degli agenti attivi nel sistema acqua-suolo, il che rende i metodi agricoli più convenienti. Inoltre, questo protegge le acque sotterranee dai pericolosi pesticidi, insetticidi e altri prodotti chimici che sono stati utilizzati9. L'uso di nanovettori, che si comportano come veicoli dei micronutrienti necessari e li forniscono nella quantità richiesta e nella durata temporale, è una delle tecniche praticabili per affrontare la carenza di micronutrienti10. L'utilizzo di polimeri naturali è aumentato in modo significativo negli ultimi anni a causa della non tossicità, dell'abbondanza in natura11, della facile disponibilità12, del basso costo13, della natura ecocompatibile14, della biodegradabilità15 e della facilità di funzionalizzazione. Gli studi che riportano l'utilizzo di biopolimeri quali alginato di sodio, chitosano, amido e polisaccaride sono ben documentati in letteratura16. Le piante aromatiche vengono utilizzate in diversi settori17,18 e piante come il basilico rispondono rapidamente alle applicazioni di fertilizzanti.