Un estudio novedoso para producir nutrientes complejos y encapsulados a escala nanométrica para mejorar el crecimiento de las plantas

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May 22, 2023

Un estudio novedoso para producir nutrientes complejos y encapsulados a escala nanométrica para mejorar el crecimiento de las plantas

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 11100 (2023) Cite este artículo 1040 Accesos 5 Detalles de Altmetric Metrics La complejación de micronutrientes con agentes complejantes reduce los efectos no deseados

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11100 (2023) Citar este artículo

1040 Accesos

5 altmétrico

Detalles de métricas

La complejación de micronutrientes con agentes complejantes reduce las reacciones indeseables de los fertilizantes en el sistema de agua del suelo. En forma de estructura compleja, los nutrientes permanecen disponibles para las plantas en forma utilizable. El fertilizante nanoforme mejora la superficie de las partículas y reduce la cantidad de contacto del fertilizante con una gran área de raíces de las plantas, lo que reduce el costo del fertilizante. Controlar la liberación de fertilizante utilizando material polimérico como el alginato de sodio hace que las prácticas agrícolas sean más eficientes y rentables. Varios fertilizantes y nutrientes se utilizan a gran escala para mejorar el rendimiento de los cultivos en todo el mundo y casi más de la mitad se desperdicia. Por lo tanto, existe una necesidad imperiosa de mejorar los nutrientes disponibles para las plantas en el suelo, utilizando tecnologías viables y respetuosas con el medio ambiente. En la presente investigación, se encapsularon con éxito micronutrientes complejos utilizando una técnica novedosa a escala nanométrica. Los nutrientes se complejaron con prolina y se encapsularon usando alginato de sodio (polímero). La albahaca dulce se sometió a siete tratamientos durante tres meses en un ambiente moderadamente controlado (25 °C de temperatura y 57% de humedad) para estudiar los efectos de los nanofertilizantes de micronutrientes complejos sintetizados. Se examinaron las modificaciones estructurales de las nanoformas de micronutrientes complejados de los fertilizantes mediante difracción de rayos X en polvo (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM). El tamaño de los fertilizantes fabricados oscilaba entre 1 y 200 nm. La espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) estira los picos de vibración a 1600,9 cm-1 (C=O), 3336 cm-1 (N-H) y a 1090,2 cm-1 (N-H en un movimiento de torsión y balanceo) corresponde a la pirrolidina. anillo. Se utilizó cromatografía de gases-espectrometría de masas para analizar la composición química del aceite esencial de las plantas de albahaca. La producción de aceite esencial de las plantas de albahaca aumentó del 0,0035 al 0,1226 % después de los tratamientos. Los hallazgos de la presente investigación muestran que la complejación y la encapsulación mejoran la calidad del cultivo, el rendimiento del aceite esencial y el potencial antioxidante de la albahaca.

Debido a la lixiviación, los cultivos intensivos, el encalado de suelos ácidos y la erosión de la capa superior del suelo, los déficits de micronutrientes en los cultivos han aumentado significativamente durante los últimos años1. La baja calidad y el rendimiento de los cultivos, la infestación generalizada de diferentes plagas y enfermedades, la estructura morfológica imperfecta de la planta (como un tamaño pequeño y menos vasos xilemáticos pequeños), una baja activación de los fitosideróforos y una menor eficiencia en el uso de los fertilizantes son algunos de los efectos negativos causados ​​por la deficiencia de micronutrientes. en plantas2. Aunque las plantas cultivadas necesitan micronutrientes en concentraciones más bajas, son esenciales para el crecimiento y el rendimiento de muchos cultivos3. Los problemas mencionados anteriormente pueden resolverse mediante el uso de fertilizantes con micronutrientes en formas queladas3. Los nodos de las raíces de las plantas poseen una carga ligeramente negativa y los iones metálicos de los micronutrientes son de naturaleza electropositiva, por lo que se unen a los sitios de los nodos de las raíces y no fluyen hacia los tejidos de la planta. A medida que estos nutrientes se combinan con un agente complejante, se vuelven neutros o ligeramente negativos, por lo que pasan fácilmente a través de los tejidos de la planta. La prolina es un ligando bidentado eficaz4. Protege a la planta de una variedad de desafíos y ayuda a recuperarse más rápidamente del estrés. La prolina aumenta el crecimiento de las plantas así como otras características fisiológicas cuando se administra de forma exógena a plantas estresadas5. Los nutrientes que se suministran a las plantas en forma de fertilizantes son cruciales para el crecimiento adecuado de las plantas y su metabolismo, pero el suministro inadecuado de fertilizantes a los cultivos provoca entre un 40% y un 70% de drenaje de fertilizantes y provoca la contaminación de metales pesados ​​en los depósitos de agua dulce y subterránea. Los nanofertilizantes proporcionan nutrientes exactamente según las necesidades de la planta y, por lo tanto, reducen la pérdida ambiental de nutrientes6. La técnica más importante y poderosa es el desarrollo de nanotecnología para la liberación controlada de fertilizantes y pesticidas en los campos agrícolas. El desarrollo de nanoportadores, nanofertilizantes y nanosensores ha mejorado la eficiencia de los fertilizantes con un desperdicio mínimo7. Se ha descubierto que la nanotecnología tiene bastante éxito en la síntesis de formulaciones de agroquímicos de liberación controlada8. Los beneficios de la tecnología de liberación controlada incluyen una menor necesidad de agentes activos y una mayor persistencia de los agentes activos en el sistema agua-suelo, lo que hace que los métodos agrícolas sean más rentables. Además, esto protege el agua subterránea de los peligrosos pesticidas, insecticidas y otros productos químicos que se han utilizado9. El uso de nanoportadores, que se comportan como vehículos de los micronutrientes necesarios y los entregan en la cantidad y duración requeridas, es una de las técnicas viables para abordar la deficiencia de micronutrientes10. El uso de polímeros naturales ha aumentado significativamente en los últimos años debido a su no toxicidad, su abundancia en la naturaleza11, su fácil disponibilidad12, su bajo costo13, su naturaleza ecológica14, su biodegradabilidad15 y su facilidad de funcionalización. Los estudios que reportan el uso de biopolímeros como alginato de sodio, quitosano, almidón y polisacárido están bien documentados en la literatura16. Las plantas aromáticas se utilizan en varias industrias17,18 y plantas como la albahaca responden rápidamente a las aplicaciones de fertilizantes.

En el presente estudio, se llevaron a cabo experimentos para estudiar la aplicación de fertilizantes nutritivos sobre el rendimiento de albahaca en los que se utilizó prolina como agente complejante y alginato de sodio como material de inmovilización. La novedad del presente trabajo es la producción de fertilizantes inmovilizados y complejos que mostraron rentabilidad y mejora de la producción de cultivos al aumentar la fertilidad del suelo con una disponibilidad equilibrada de nutrientes. Estos estudios serán de ayuda para mejorar las recomendaciones de fertilizantes y lograr producciones sostenibles en albahaca.

Para el crecimiento adecuado de la planta Ocimum basilicum, se empleó fibra de coco como medio de crecimiento. La Tabla 1 muestra la composición de la fibra de coco, mientras que la Tabla 2 enumera sus características físicas. Las macetas se llenaron con tierra, arena y fibra de coco bien mezcladas en proporciones de 3:3:1. Se utilizó arena con la intención de ablandar el suelo y promover el crecimiento saludable de las raíces. Las semillas de Ocimum basilicum se compraron en el mercado de Faisalabad. Para cultivar semillas de albahaca, se llenó una bandeja de plántulas con tierra mixta y se sembraron dos semillas por celda a 1 cm de profundidad. La bandeja de plántulas se cubrió con una bolsa de plástico transparente y la tierra se mantuvo húmeda durante el crecimiento de las semillas. Las plántulas de Ocimum basilicum que gozaban de buena salud se trasplantaron a macetas de 20 pulgadas. a la edad de cuatro semanas (una plántula por maceta) para permitir un crecimiento óptimo de la planta y mejorar la cantidad de humedad total disponible. La humedad y la temperatura se mantuvieron uniformemente para todas las macetas. Los experimentos se llevaron a cabo en la Universidad de Agricultura, Faisalabad, Pakistán, utilizando un diseño de bloques completos al azar en un invernadero con una intensidad de luz de 500 μmol/m2/s a 25 °C de temperatura y 57 % de humedad19. Todos los experimentos se realizaron en réplicas (cuatro réplicas de cada tratamiento). Hubo un total de siete tratamientos, cada uno con cuatro plantas.

Las cantidades enumeradas en la Tabla 3 se utilizaron para preparar las soluciones de nutrición de macronutrientes (Sigma Aldrich) por separado20. Solución en blanco (T1), solución de control para fertilizante de micronutrientes no inmovilizados (T2), solución de control para fertilizante de micronutrientes inmovilizados (T3) y dos tipos de micronutrientes complejados nano fertilizante (i) micronutrientes prolina no inmovilizados nano fertilizante NI/Pro- Se prepararon MNF (T4, T5) y (ii) micronutrientes de prolina inmovilizados nanofertilizante I/Pro-MNF (T6, T7) para probar el tratamiento de fertilizantes específicos con ellos.

La siguiente Tabla 4 enumera los niveles de micronutrientes (Sigma Aldrich) utilizados en la investigación actual20. Los micronutrientes se mezclaron con dos niveles diferentes, incluidos 5 gy 7,5 g de agente complejante prolina (Sigma Aldrich)20,21. Esta solución se mezcló completamente y luego se deshidrató en un horno eléctrico a 150ºC. Se dejó que el fertilizante se enfriara lentamente hasta la temperatura del laboratorio después de secarlo a una temperatura de 150˚C. Después de enfriar, el material de masa dura final se trituró hasta obtener un polvo fino utilizando un molino de bolas hasta un rango nanométrico (tamaño de malla 1-1000 nm)6. Los nanofertilizantes con micronutrientes no inmovilizados con 5 g de prolina, los nanofertilizantes con micronutrientes no inmovilizados con 7,5 g de prolina, los nanofertilizantes con micronutrientes inmovilizados con 5 g de prolina y los nanofertilizantes con micronutrientes inmovilizados con 7,5 g de prolina se designaron como T4, T5, T6 y T7. respectivamente (Tabla 5).

Para preparar T2, T4 y T5 a partir de la mezcla, se diluyó 1 g de cada nivel con 1 litro de agua destilada. El experimento duró 3 meses y cada semana se aplicaron 100 ml del fertilizante preparado a cada planta.

Para la preparación de nanofertilizantes en forma inmovilizada o encapsulada para los tratamientos T3, T6 y T7, se preparó una microemulsión de alginato de sodio (Sigma Aldrich) agregando 1 g de alginato de sodio en 30 ml de agua destilada que contenía 3 a 4 gotas de parafina. aceite. Esta mezcla se agitó vigorosamente durante 40 minutos y luego se agregaron 1,2 g de nanofertilizante del stock. Esta pasta espesa se añadió en una bureta y se dejaron caer gotas en una solución de cloruro de calcio 1 M (Sigma Aldrich)22 que se convirtió en 300 perlas sólidas (Fig. 1) que se aplicaron una vez a cada planta como dosis única durante tres meses.

(a) Configurado para preparar nanoportadores, (b) nanoportadores preparados.

Los nanofertilizantes de micronutrientes complejos de prolina preparados se caracterizaron mediante varias técnicas, entre ellas.

Las fases y la cristalinidad de las muestras preparadas T2, T3, T4 y T6 se examinaron mediante difracción de rayos X (DRX). Las muestras fueron secadas y molidas finamente mediante molinos de bolas. La ecuación de Scherrer, L = Kλ/β. cosθ, se utilizó para calcular el tamaño del nanocristalito (L). Para este propósito se utilizó el difractómetro Brucker D8 Advance23.

Se utilizó el espectrómetro FT-IR Spectrum GX (Perkin Elmer, EE. UU.) para realizar análisis FT-IR (transformada infrarroja de Fourier) de muestras de nanofertilizantes sintetizados T2, T3, T4 y T6. Las muestras se realizaron acumulando un total de 32 exploraciones con un número de onda de 4000–400 cm-1 con una resolución de 4 cm-1 para este propósito. El análisis FT-IR se realizó utilizando bromuro de potasio como matriz22,24,25.

Se utilizó SEM (microscopía electrónica de barrido) (Nova NanoSEM) para evaluar la forma, la morfología de la superficie, el comportamiento y el análisis de los nanofertilizantes sintetizados T2, T3, T4 y T6.

Tras la aplicación de fertilizantes, se tomaron medidas de todas las plantas26. Hubo un total de siete tratamientos, cada uno con cuatro plantas.

Para cada tratamiento se estimó el peso, la altura, el contenido de humedad y el contenido de cenizas de la planta. Las plantas cosechadas se secaron a 60 °C en un horno eléctrico, hasta que el peso de la muestra se mantuvo constante26. Luego, se molió hasta obtener un polvo fino y se almacenó adecuadamente para su uso posterior27.

Se utilizó un equipo de hidrodestilación tipo Clevenger para evaluar el rendimiento de aceite esencial (EO) de plantas de albahaca tratadas con nanofertilizantes sintéticos de micronutrientes complejados no inmovilizados e inmovilizados28,29,30. El material vegetal de albahaca pesado se empapó en agua en un matraz de fondo redondo para la extracción de OE31,32. El rendimiento de EO se calculó con la ayuda de la siguiente fórmula y se aplicó la prueba Tukey HSD a los datos

Las actividades biológicas, como las actividades antioxidantes33 y insecticidas34 de todas las plantas, después de aplicar siete tratamientos diferentes, se evaluaron de acuerdo con los métodos estándar proporcionados en la literatura. Estas actividades se evaluaron preparando el extracto de plantas de albahaca con metanol.

Se inyectó EO de albahaca (0,1 µl) en un GC-MS (instrumento QP-2000 equipado con un detector selectivo de masas HP 597A y una columna capilar de Ulbon HR1) en las siguientes condiciones: se usó helio como gas portador, fluyendo a una velocidad de 1,5 ml/min con un rango de temperatura de 70 a 225 °C (100 °C/min); las temperaturas del inyector y del detector fueron 250 y 280 °C, respectivamente. Las condiciones de espectrometría de masas fueron las siguientes: rango de masas de 0 a 400 Da, voltaje de ionización de 70 eV y corriente de emisión de 40 mA35. Se identificaron sustancias químicas desconocidas comparando los espectros observados con bibliotecas de espectro de masas.

Se afirma que la investigación experimental sobre plantas, incluida la recolección de material vegetal, cumplió con las directrices y la legislación institucionales, nacionales e internacionales pertinentes. Los procedimientos/permisos de recolección de plantas y todos los demás protocolos fueron aprobados por el comité de escrutinio del Departamento de Química de la Universidad de Agricultura de Faisalabad, Pakistán.

Se evaluaron la altura, la biomasa, la humedad, las cenizas y el porcentaje de rendimiento de aceite de todas las plantas, y los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 6. Todos los tratamientos (T2-T7) han mostrado mayores contenidos de biomasa y un mejor rendimiento de aceite esencial (%) que el blanco. . En todos los tratamientos, T7 ha mostrado el mayor porcentaje de aceite esencial. Según la Tabla 7, el valor p correspondiente al estadístico F del ANOVA unidireccional es inferior a 0,05, lo que sugiere que uno o más tratamientos son significativamente diferentes. Para identificar cuáles de los pares de tratamientos son significativamente diferentes entre sí, se aplicó la prueba Tukey HSD a los datos. El valor p correspondiente a la prueba Tukey HSD es inferior a 0,01 para todos los tratamientos, lo que sugiere que todos los pares de tratamientos son significativamente diferentes. Las concentraciones máximas y mínimas de humedad se registraron en T1 y T6, respectivamente. T6 tuvo el mayor contenido de cenizas y T2 el menor27.

Los resultados del análisis GC-MS del aceite esencial de albahaca producido después de todos los tratamientos se muestran en la Fig. 2. Se encontró que los tratamientos (T2-T7) tenían una mayor cantidad de compuestos que el blanco (T1)36,37. En el aceite esencial producido a partir de plantas de albahaca de T1, T2, T3, T4, T5, T6 y T7, los constituyentes químicos identificados fueron 16, 24, 24, 18, 22, 22 y 23, respectivamente. Se descubrió que el estragol era el componente principal de los aceites AE de todas las plantas de albahaca que habían sido tratadas. Se encontró que el estragol tenía una concentración máxima en el tratamiento T5 y una concentración mínima en el tratamiento T1 (en blanco). Los niveles de estragol también variaron con la inmovilización del fertilizante38,39,40. Se sabe que los cultivares comerciales de 'Sweet Basil' contienen metil chavicol (estragol), eugenol, linalool y 8-cineol como sus principales componentes de aceites esenciales41. Dependiendo de la estación, la ubicación y el fertilizante utilizado en la planta, la proporción de los distintos componentes del AE cambia mucho42,43,44. El estragol, un derivado fenilpropanoide, está comúnmente presente en varias plantas, así como en Ocimum basilicum (albahaca dulce)45. Que es una sustancia natural que se puede extraer del hinojo, anís estrellado, anís y albahaca. Los sabores y fragancias que contienen estragol se utilizan ampliamente en perfumes, alimentos, detergentes y jabones. Según la Asociación de Fabricantes de Sabores y Extractos (FEMA), se estima que la exposición al estragol en los EE. UU. es de 70 µg per cápita por día46. El estragol, por otro lado, afecta significativamente el aroma general del Ocimum basilicum.

Análisis GCMS de aceite esencial de albahaca (i) T1 (blanco), (ii) T2 (control), (iii) T3 (control inmovilizado), (iv) T4 [prolina (5 g)], (v) T5 [prolina ( 7,5 g)], (vi) T6 [prolina inmovilizada (5 g)], (vii) T7 [prolina inmovilizada (7,5 g)].

Proline tiene una serie de características que contribuyen a su capacidad para mejorar la resistencia de las plantas. (i) La prolina, un osmolito potente, puede aumentar la presión osmótica celular47. (ii) La prolina protege contra el daño oxidativo. Una de las primeras respuestas de las plantas al estrés biogénico y abiogénico es generalmente reconocida como estrés oxidativo (un aumento en la concentración de especies reactivas de oxígeno (ROS))48. La estructura de una molécula de prolina permite interacciones directas con varios tipos de ROS, lo que los inactiva y reduce sus niveles. Además, la prolina puede reducir el estrés oxidativo al activar las enzimas antioxidantes catalasa, ascorbato peroxidasa y superóxido dismutasa49. (iii) La prolina funciona como quelante de metales, formando compuestos no tóxicos con ellos. (iv) La prolina funciona de manera similar a las proteínas chaperonas, las proteínas de choque térmico, en el sentido de que puede detener la desnaturalización y agregación de proteínas inducida por el estrés y al mismo tiempo estabilizar las estructuras celulares. La prolina evita que las proteínas se desnaturalicen cuando interactúa con enzimas antioxidantes5,50 y otras proteínas51,52. También puede ejercer efectos protectores indirectos sobre la estructura de las proteínas al regular las acciones de las propias chaperonas53. (v) La prolina es de naturaleza proteinogénica, lo que significa que puede participar en la síntesis de proteínas. Provoca rigidez y estabilidad de la estructura de una proteína en una región de una "fractura" cuando se coloca dentro de los segmentos alfa helicoidales y de bandas beta de la proteína. Se supone que esta característica protege a las enzimas contra la degradación proteolítica inespecífica. La prolina juega un papel en la síntesis de proteínas ricas en prolina (PRP), que apoyan la función de las paredes celulares como barreras contra patógenos y condiciones ambientales desfavorables. (vi) La prolina realiza tareas de señalización desencadenando la producción de genes que codifican las enzimas que ayudan a las plantas contra los factores estresantes. Por ejemplo, puede activar genes de enzimas antioxidantes (catalasa, ascorbato peroxidasa, superóxido dismutasa, etc.)54.

Según los hallazgos, T5, T6, T6 y T4 mostraron mayores actividades de TPC (contenido total de fenólicos), TFC (contenido total de flavonoides), DPPH (α-difenil-β-picrilhidrazilo) y RPA (actividad de poder reductor). respectivamente. El tratamiento (T2) ha mostrado las actividades más bajas de TPC, TFC, DPPH y RPA después del blanco. El potencial antioxidante de cualquier muestra depende de la sustitución, la configuración y el número total de grupos hidroxilo (OH); la disposición de los grupos funcionales alrededor de la estructura nuclear; y el número total, estructura y aparición de componentes activos antioxidantes. En estudios anteriores, también se observó que las plantas de albahaca tienen fuertes propiedades antioxidantes55.

Los escarabajos Khapra fueron expuestos a extractos metanólicos de plantas de albahaca que habían sido tratadas en el estudio actual para probar los efectos insecticidas. La Figura 3 muestra la repelencia de los escarabajos khapra contra los siete extractos de plantas de albahaca. Según los hallazgos, T1 y T2 tuvieron la actividad repelente más baja, mientras que T7 tuvo la actividad repelente máxima después de 48 h de exposición. Después de 72 h, se lograron efectos similares. Se demostró que las actividades insecticidas de este extracto son causadas por las moléculas de monoterpenos que se encuentran en el aceite esencial. Anteriormente se habían observado actividades repelentes de insectos de ciertos AE y sus compuestos aislados56. Los principales componentes responsables de las actividades insecticidas de los extractos de plantas y los AE son los monoterpenoides57. Se observó que los resultados actuales son consistentes con los anteriores58.

Actividades repelentes de insectos del extracto metanólico de plantas de albahaca tratadas después de 48 y 72 h.

Las Figuras 4a, b muestran el espectro FTIR del nanofertilizante de control inmovilizado y del nanofertilizante de control no inmovilizado, respectivamente. Se puede ver que los picos de los espectros a y b de la Fig. 4 difieren claramente entre sí, lo que demuestra la modificación exitosa de los nanofertilizantes sintetizados. Estos fertilizantes se sintetizaron sin el agente complejante prolina para evaluar el impacto de los nanofertilizantes complejados (CNF) con estos nanofertilizantes. El espectro muestra varios picos, lo que indica la presencia de diversos grupos funcionales en el nanofertilizante producido. El principal objetivo de realizar un estudio FTIR sobre nanofertilizantes sintetizados era determinar el efecto de la inmovilización. La incorporación de nutrientes en el material inmovilizado puede explicarse por el cambio de pico en los espectros FTIR a 3334,1 cm-1, 2357,5 cm-1, 2260,8 cm-1, 1623,3 cm-1, 1418,3 cm-1 y 1054,8 cm-159. La vibración de estiramiento del alginato de sodio de C = O mostró un pico entre 1000 y 1100 cm-160. La vibración del enlace Na-O se asoció con el pico que apareció a 1000 cm-1.

Espectros FTIR de (a) control (T2) y (b) nanofertilizante de control inmovilizado (T3).

El espectro FTIR de micronutrientes complejados no inmovilizados con nanofertilizante de prolina (NI/Pro-MNF) y micronutrientes complejados inmovilizados con nanofertilizante de prolina (I/Pro MNF) se muestra en las figuras 5a, b. Hay una clara diferencia entre los picos de los espectros a y b de la Fig. 5. Los múltiples picos que aparecieron en el espectro muestran que el nanofertilizante sintetizado tiene una variedad de grupos funcionales. Las vibraciones de estiramiento de C=O y N –H son responsables de los picos en los espectros FTIR observados a 1600,9 cm-1 y 3336 cm-161. Sin embargo, el pico del espectro FTIR de NI/Pro-MNF que apareció en 1090,2 cm-1 corresponde al N-H del anillo de pirrolidina en un movimiento de torsión y balanceo. Otros investigadores62 también han informado de hallazgos similares. El área del número de onda entre 900 y 1100 cm-1 ha mostrado frecuencias de estiramiento de metal-oxígeno y el rango entre 1100 y 1150 cm-1 ha mostrado frecuencias de estiramiento de metal-nitrógeno. El cambio de pico en el espectro FTIR de I/Pro-MNF (Fig. 5b) a 3341,6 cm-1, 1615,8 cm-1 y 1054,8 cm-1 se atribuyó a la incorporación de nutrientes en la sustancia inmovilizada59. La vibración de estiramiento del alginato de sodio de C=O mostró un pico cerca de 1000-1100 cm-160,63 y la vibración del enlace Na-O se asoció con el pico que apareció en 1000 cm-164.

Espectros FTIR de (a) NI/Pro-MNF (T4) y (b) I/Pro-MNF (T6).

Las imágenes SEM de control y control inmovilizado se muestran en las figuras 6a, b, respectivamente. En la Fig. 6a se observó la estructura en forma de bloque con bordes distintos en la morfología de los fertilizantes de control. Las Figuras 6a, b mostraron que no hubo aglomeración ni formación de grupos porque no había ningún agente complejante presente en ellos. La Figura 6b demostró que la morfología del control inmovilizado tiene una aglomeración complicada de partículas. Además, de las imágenes se desprende claramente que la sustancia inmovilizada (alginato de sodio) ha absorbido eficazmente el fertilizante de control en la superficie. Los estudios previos han demostrado la superioridad del alginato de sodio como material para la inmovilización de componentes, que ocurre principalmente a través del proceso de sorción65. Las Figuras 6a, b obtenidas a escalas nanométricas demuestran que el nanofertilizante se sintetizó con éxito ya que muchas de las partículas son visibles en este rango.

Imágenes SEM de nanofertilizantes fabricados (a) control no inmovilizado (T2), (b) control inmovilizado (T3), (c) NI/Pro-MNF (T4), (d) I/Pro-MNF (T6).

Las imágenes SEM de NI/Pro-MNF e I/Pro-MNF se presentan en la Fig. 6c, d, respectivamente. Se utilizaron ambas imágenes SEM de NI/Pro-MNF e I/Pro-MNF para descubrir la diferencia entre las características morfológicas y de superficie. La morfología de NI / Pro-MNF (Fig. 6c) muestra una forma esférica y algo de forma ovalada junto con separaciones macroscópicas suaves. Además, los espacios intermedios macroscópicos entre las partículas muestran claramente que el agente complejante (prolina) se ha dispersado bien con la presencia de pequeñas partículas agregadas que se extienden sobre la superficie66. En la Fig. 6d, la morfología del I / Pro-MNF mostró que poseía una estructura en capas suave con agregación compleja. Además, de las imágenes se desprende claramente que la sustancia inmovilizada (alginato de sodio) ha absorbido eficazmente el fertilizante de control en la superficie65. Las Figuras 6c, d obtenidas a escalas nanométricas demuestran que el nanofertilizante se sintetizó con éxito ya que muchas de las partículas son visibles en este rango.

Cuando el tamaño cristalino se redujo a dimensiones nanométricas a partir de un material a granel, se produjo un ensanchamiento de los picos de XRD. La ecuación de Scherrer, D = κλ/(β θ cos) se utiliza particularmente para determinar cuantitativamente el ensanchamiento del pico en el ángulo de difracción (θ), que está relacionado con el ancho del pico a la mitad de su altura (β) y el cristalino. tamaño de dominio (D)67. Normalmente se considera que la constante de Scherrer, κ, es 0,968, pero la morfología del dominio cristalino puede cambiar el valor de la constante de Scherrer, κ. La longitud de onda (λ) depende del tipo de rayos X utilizado. En la ecuación de Scherrer, el ángulo de difracción está en radianes (no en grados) y corresponde a θ y no a 2θ, como normalmente se representa en un patrón XRD. El tamaño del dominio cristalino no se corresponde necesariamente con el tamaño de las partículas, ya que las partículas pueden ser policristalinas y contener múltiples dominios cristalinos69. Se encontró que el tamaño promedio de partícula del nanofertilizante de control y de control inmovilizado era 24,49 nm y 24,50 nm, respectivamente70,71. Se determinó que el tamaño medio de partícula de NI/Pro-MNF era 27,75 nm, mientras que el tamaño medio de partícula de I/Pro-MNF era 37,81 nm70,71 (Fig. 7).

Espectros XRD de (a) control no inmovilizado (T2), (b) control inmovilizado (T3), (c) NI/Pro-MNF (T4), (d) I/Pro-MNF (T6).

La complejación de micronutrientes con agentes complejantes reduce las reacciones indeseables de los fertilizantes en el sistema de agua del suelo. Estos fertilizantes encapsulados se aplican a las plantas durante largos períodos de tiempo porque ese material polimérico se degrada biológicamente y libera nutrientes cargados según las necesidades de la planta. Por lo tanto, la aplicación de fertilizantes al campo alguna vez conllevó importantes reducciones de costos, así como el potencial de reducir los gastos de mano de obra. En el presente trabajo se hizo un esfuerzo para abordar todos los puntos anteriores mediante la síntesis de nanofertilizantes complejados inmovilizados y no inmovilizados. Mediante análisis SEM y XRD se reveló que el tamaño de los fertilizantes fabricados estaba entre 1 y 200 nm. En NI-Pro-MNF los picos de vibración de estiramiento son 1600,9 cm-1 (C=O), 3336 cm-1 (N-H) y 1090,2 cm-1 corresponde al N-H del anillo de pirrolidina en un estado de torsión y balanceo. la evidencia de la formación de complejos de iones metálicos con el agente complejante prolina. El espectro FTIR de I/Pro-MNF muestra que los nanocomplejos se cargaron o encapsularon con éxito porque la vibración del enlace Na-O se asoció con el pico que apareció a 1000 cm-1. Se comprobó el efecto de estos fertilizantes preparados en las plantas de albahaca. Las plantas de albahaca, además de servir como adorno de jardín, sirven como fuente de aceite esencial (AE) que se utiliza en alimentos, fragancias y sabores. Además, en comparación con los nanofertilizantes no inmovilizados, se observó que los nanofertilizantes inmovilizados generalmente mejoraban los parámetros de crecimiento de la planta de albahaca. El aumento del rendimiento de EO de 0,0035 a 0,1226 % y otros parámetros de crecimiento de las plantas de albahaca después de aplicar varios nanofertilizantes sintetizados demuestran cuán crucial es el manejo de nutrientes agrícolas para el cultivo de plantas de albahaca. La mejora de la calidad y cantidad de los cultivos es posible mediante la disponibilidad de un nivel adecuado de nutrientes según las necesidades de las plantas, la naturaleza del suelo y el momento pico de cosecha.

Todos los datos han sido incluidos en el manuscrito. Si se requiere algún otro dato relevante para la publicación, el autor correspondiente lo proporcionará.

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Los autores desean agradecer a la Oficina de Investigación, Innovación y Comercialización (ORIC) por su apoyo durante todo el proyecto.

Laboratorio de Nanomateriales y Biomateriales, Departamento de Química, Universidad de Agricultura, Faisalabad, 38040, Pakistán

Marium Khaliq, Muhammad Asif Hanif e Ijaz Ahmad Bhatti

Departamento de Bioquímica, Universidad de Agricultura, Faisalabad, 38040, Pakistán

Zahid Mushtaq

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MK: Concibió y diseñó el análisis, Investigación, Recogió los datos, Redacción-borrador original. MAH: Supervisión, Conceptualización, Curación de datos. IAB: Análisis formal, Redacción-revisión y edición. ZM, MS: Curación de datos, Validación.

Correspondencia a Muhammad Asif Hanif.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Khaliq, M., Hanif, MA, Bhatti, IA et al. Un estudio novedoso para producir nutrientes complejos y encapsulados a escala nanométrica para mejorar el crecimiento de las plantas. Representante científico 13, 11100 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37607-x

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Recibido: 23 de febrero de 2023

Aceptado: 24 de junio de 2023

Publicado: 09 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37607-x

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