Forskere identificerer adfærd af nanopartikler, der viser lovende som nanofødning

Forskere ved University of Delaware har opdaget unikke adfærd af hydroxyapatit-nanopartikler (HANP'er), der viser lovende som en fosfor-nanogødning og kan bruges til at hjælpe med at bremse frigivelsen af ​​fosfor i jord.

Dette ville både øge effektiviteten af ​​fosforoptagelsen i dyrkningen af ​​planter og også til at beskytte miljøfølsomme steder, herunder vandmasser, ved at reducere næringsstofbelastningen, hvilket er vigtigt, fordi fosfor er en ikke-vedvarende ressource og et væsentligt næringsstof for landbrugsproduktionen.

Finansieret af United States Department of Agriculture (USDA), forskningen blev udført af Dengjun Wang, en postdoc-forsker ved Institut for Plante- og Jordbundsvidenskab i UD's College of Agriculture and Natural Resources; Yan Jin, professor i plante- og jordbundsvidenskab med fælles ansættelse i Institut for Byggeri og Miljø; og Deb Jaisi, adjunkt i plante- og jordbundsvidenskab med fælles ansættelse i Institut for Geologiske Videnskaber.

HANP'erne er kendt som en stærk sorbent til forurenende stoffer som tungmetaller og radionuklider og bliver allerede brugt til at sanere jord, sedimenter og grundvand. Imidlertid, dets potentiale som en bedre fosforgødning i landbruget er netop begyndt at blive fuldt udforsket, sagde forskerne.

Den nanopartikelbaserede gødning har tre store fordele i forhold til konventionelle fosforgødninger, idet den ikke frigiver fosfor så hurtigt som de konventionelle gødninger, det ændrer ikke jordens pH ved fosforfrigivelse, og tabet af fosfor fra jorden er lavt. Den langsomme og stabile frigivelse af fosfor gør det muligt for planterne kontinuerligt at optage næringsstoffet, mens de vokser.

Jaisi sagde, at den måde, fosfor på nuværende tidspunkt påføres jord i gødning, er som en person, der tager en glukosetablet i modsætning til at modtage den gennem et IV-dryp. Mens en kommerciel fosforgødning rammer jorden på én gang og ikke giver tilstrækkelig tid til planteoptagelse, resulterer i fosfortab i afstrømning eller ved udvaskning, HANP'erne giver en langsom frigivelse af fosfor i en længere periode.

"Når der frigives fosfor fra HANP'er, det øger ikke jordens surhedsgrad, " sagde Jaisi. "Der var et problem med global jordforsuring efter den grønne (landbrugs)revolution, en direkte følge af anvendelsen af ​​kunstgødning. Omkostningerne ved at vende jordens pH-værdi til optimal for afgrødeproduktion er ekstremt høj."

Efterhånden som efterspørgslen efter at skaffe mad til en voksende befolkning er steget, det samme har anvendelsen af ​​fosforgødning, hvilket har ført til fosfortab fra landbrugsjord til åbent vand og har forårsaget eutrofiering i miljøfølsomme områder som Chesapeake Bay. Med HANPs evne til at frigive fosfor langsomt, nanopartiklerne kan vise sig at være miljøvenlige ved at reducere fosfortabet til åbent vand.

"Du kan minimere den risiko og samtidig øge tilgængeligheden af ​​fosfor i længere tid under plantevækst, " sagde Jin.

"Jeg tror, ​​at målet ville være at undersøge, om dette er en mulig form for fosforgødning, der kan bruges i stor skala, " tilføjede hun. "Vi har brugt meget fosfor på jorden i mange år, og den tilgængelige kilde er aftagende. Vi skal finde nye produkter og nye måder at tilføre næringsstoffet på, samtidig med at miljøpåvirkningerne minimeres."

"Et hovedmål med dette arbejde, " sagde Jaisi, "var at se på disse nanopartiklers skæbne - hvis nanopartiklerne selv bevæger sig væk fra jorden til åbent vand, eller hvis de forbliver i jorden, og hvordan de interagerer med andre nanopartikler i jorden. Dette er vigtigt, fordi for den bedste udnyttelse af fosfor, HANP'er skal forblive i jorden i længere tid og ikke gå tabt via afstrømning eller ved udvaskning."

Wang sagde, at HANP'erne har lav mobilitet, og tilstedeværelsen af ​​andre nanopartikler i jorden, såsom positivt ladede jernoxider, der er allestedsnærværende i jord og andre underjordiske miljøer, ville fiksere sig til de negativt ladede HANP-partikler og bremse deres bevægelse.

Jin forklarede, at for at planter kan optage fosforet fra HANP'er, det skal frigives fra nanopartiklerne. "Når planter vokser, de frigiver kontinuerligt forskellige typer organiske syrer med lav molekylvægt, såsom oxalsyre og citronsyre. De syrer, der kommer ind i jorden, vil interagere med disse partikler, så fosfor kan frigives og optages af planter, " sagde Jin.

Wang sagde, at processen er meget dynamisk. "Anlægget frigiver løbende organiske syrer, og disse organiske syrer vil opløse de HANP'er, der gør fosfor tilgængeligt for planten. Frigivelseshastigheden i nærvær af disse organiske syrer og muligheden for, at HANP'er er en fosforgødning, er i øjeblikket ved at blive undersøgt af forskerholdet. "

Ved at nå frem til deres konklusioner, holdet undersøgte, hvordan HANP'er interagerer med en naturligt forekommende goethit-nanopartikler (GNP'er), et almindeligt jernoxid i jord, at undersøge samtransport og tilbageholdelse af HANP'er og BNP'er i vandmættede sandsøjler under miljørelevante transportforhold.

Wang sagde, at den nanopartikel, som gruppen arbejder med, er meget lille, spænder fra en nanometer til 100 nanometer, hvor en nanometer er omkring 10, 000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår.

"Disse meget små partikler har store specifikke overfladearealer og høj reaktivitet; de er ganske fantastiske til en række forskellige anvendelser inden for forskellige områder, herunder landbrug, " han sagde.