Νανολιπάσματα (nanofertilizers): προωθούν την αειφορία στην αγροτική παραγωγή;

Με την πάροδο των ετών, οι γεωργικές πρακτικές εξελίχθηκαν για να συντηρήσουν τον πληθυσμό που ολοένα και αυξανόταν. Η μεγάλη πλειονότητα των αγροτών εξακολουθεί να εξαρτάται από τη χρήση λιπασμάτων, είτε πρόκειται για συνθετικά/χημικά είτε για οργανικά, όπως κοπριά από αγροκτήματα, κοπριά πουλερικών κ.λπ. (Rajput et al., 2021). Η έννοια της εφαρμογής των λιπασμάτων (οταν πρωτοδημιουργήθηκαν) ήταν να ενισχύσουν την παραγωγικότητα της καλλιέργειας και όχι να βελτιώσουν τις ιδιότητες του εδάφους.

Διάφορες νέες τεχνολογίες ανά τα χρόνια συνέβαλαν με τον ένα ή τον άλλο τρόπο στην επίτευξη της παγκόσμιας επισιτιστικής ασφάλειας, όπως οι μεταλλαγμένες καλλιέργειες ή οι γενετικά τροποποιημένες καλλιέργειες (ΓΤΟ), οι μη ΓΤΟ ποικιλίες καλλιεργειών που αναπτύχθηκαν με συμβατικές μεθόδους αναπαραγωγής, οι αλλαγές στο βάθος σποράς, η αλλαγή της γεωμετρίας της καλλιέργειας ή των διαστημάτων (αποστάσεων φύτευσης), τα νέα φυτοφάρμακα και πλήθος άλλων (Khan et al., 2022). Ο στόχος ήταν πάντα ο ίδιος: η ενίσχυση της παραγωγικότητας των καλλιεργειών. Τα τελευταία χρόνια, ο στόχος αυτός έχει διαφοροποιηθεί. Περιλαμβάνει πλέον έναν πρόσθετο στόχο βιωσιμότητας. Επομένως, οι υπάρχουσες τεχνολογίες χρειάζονται περαιτέρω βελτιώσεις για να ενταχθούν σε ένα βιώσιμο γεωργικό σύστημα (Bollag & Myers, 1992), που περιλαμβάνει όμως δεν περιορίζεται στα νέα λιπάσματα.

Η νανοτεχνολογία είναι ένας επιστημονικός κλάδος που χρησιμοποιεί νανοϋλικά των οποίων τα μεγέθη κυμαίνονται από 1-100 nm και φέρνει την επανάσταση στη σύγχρονη επιστήμη (Bhardwaj et al., 2022). Είναι ενδιαφέρον πως η επιστήμη αυτή έχει βρει το δρόμο της,  τη γεωργία και τα λιπάσματα. Τα νανολιπάσματα είναι κανονικά θρεπτικά συστατικά που ενθυλακώνονται μέσα στα νανοϋλικά για να ελέγχουν την απελευθέρωσή τους στο έδαφος (Raliya et al., 2018). Το πλεονέκτημα των νανολιπασμάτων έναντι των συμβατικών λιπασμάτων είναι ότι απαιτούνται πολύ λιγότερες ποσότητες, με ελάχιστη έως μηδενική απώλεια θρεπτικών συστατικών λόγω έκπλυσης, αποικοδόμησης, δέσμευσης ή εξάτμησης/εξάχνωσης. Έτσι, τα θρεπτικά συστατικά είναι άμεσα διαθέσιμα στα καλλιεργούμενα φυτά. Αυτά τα πλεονεκτήματα οφείλονται στην υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο και στην υψηλή διεισδυτικότητα λόγω του νανομεγέθους τους. Τα συμβατικά λιπάσματα σημειώνουν μεγαλύτερες απώλειες λόγω έκπλυσης ή απορροής, με αποτέλεσμα τα λιπάσματα να έρχονται σε επαφή ή να εισέρχονται στα υπόγεια υδάτινα αποθέματα ή σε κοντινά υδάτινα ρεύματα, ρυπαίνοντάς τα (Craswell, 2021).

Επιπλέον, η τιμή του pH και η αλατότητα του εδάφους επηρεάζονται από την εισροή χημικών λιπασμάτων (Liang et al., 2021). Αν και η συσσώρευση της αλατότητας είναι αργή, δεν μπορούμε να την αγνοήσουμε. Όσον αφορά τις βιολογικές ιδιότητες του εδάφους, η συνεχής εφαρμογή χημικών οδηγεί στη μείωση του πληθυσμού ωφέλιμων μικροβίων. Ως εκ τούτου, η παραγωγικότητα του εδάφους χάνεται σταδιακά, οδηγώντας σε μειωμένη ανάπτυξη και παραγωγικότητα των καλλιεργειών.

Παραδείγματα λίπανσης με νανολιπάσματα που βελτιώνουν τη γονιμότητα του εδάφους και αυξάνουν την απόδοση των καλλιεργειών 

Τα συμβατικά λιπάσματα εφαρμόζονται σε μεγάλες ποσότητες γεγονός που δημιουργεί προβλήματα μειωμένης αποτελεσματικότητας, έκπλυσης, απορροής, εξάτμισης, αποικοδόμησης και ταχείας μετατροπής σε μη αξιοποιήσιμες μορφές. Ως αποτέλεσμα, το περιβάλλον επιβαρύνεται και έχουμε  αυξημένες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και ευτροφισμό (Raliya et al., 2018; Ghormade et al., 2011). Το νανομέγεθος των νανοσωματιδίων (NPs) μπορεί να μειώσει τις απώλειες και να βελτιώσει την αποτελεσματικότητά τους απελευθερώνοντας σταδιακά τα θρεπτικά συστατικά. Η ιδιότητα της αργής απελευθέρωσης μειώνει σημαντικά την προσθήκη αλάτων στα αποθέματα των υπόγειων υδάτων και περιορίζει τον ευτροφισμό.

Η αποτελεσματικότητα των νανολιπασμάτων με άζωτο με τη μορφή νιτρικού-N (NO3-) και αμμωνιακού-N (NH4+) που συντίθενται με τη χρήση νανο-ζεόλιθου στον μετριασμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από την καλλιέργεια ρυζιού εξετάστηκε από τους Mohanraj et al. 2019. Τα συμβατικά λιπάσματα απελευθέρωσαν τα θρεπτικά στοιχεία από τις πηγές τους σε 9-13 ημέρες μετά την εφαρμογή, ενώ η απελευθέρωση του αζώτου από την πηγή του νανολιπάσματος ήταν μεταξύ 12-20 ημερών, με αποτέλεσμα χαμηλότερες εκπομπές N2O κατά 1,8 mg m-2 day-1 σε σύγκριση με το συμβατικό λίπασμα με εκπομπή 2,7 mg m-2 days-1. Μια άλλη μελέτη διεξήχθη με τη χρήση νανοαζώτου και ψευδαργύρου σε ένα βιολογικό σύστημα παραγωγής για την παραγωγή σιταριού, κεχριμπαριού, σιναπιού και σουσαμιού. Τα νανολιπάσματα εφαρμόστηκαν διαφυλλικά για να μειωθεί η μαζική εφαρμογή συμβατικών λιπασμάτων όπως η ουρία στο έδαφος. Ως εκ τούτου, διατηρήθηκε η οργανική ουσία του εδάφους. Παρατηρήθηκε αύξηση της μέσης απόδοσης κατά 5,35% στο σιτάρι, 24,23% στο σουσάμι, 4,2% στο κεχρί και 8,4% στο σινάπι. Η χρήση νανολιπασμάτων σε συνδυασμό με πρακτικές βιολογικής γεωργίας οδηγεί σε υψηλότερη απόδοση, καλύτερη ανάπτυξη και ελαχιστοποιεί την απαίτηση μαζικού όγκου συμβατικών λιπασμάτων (Kumar et al., 2022).

Τα νανολιπάσματα μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση της καλλιέργειας με την ενίσχυση της απορρόφησης θρεπτικών στοιχείων και της αποτελεσματικότερης χρήσης θρεπτικών στοιχείων. Μπορούν ακόμη να συμβάλλουν στην ανάπτυξη του μικροβιακού πληθυσμού του εδάφους σε σύγκριση με τα συμβατικά λιπάσματα. Όμως πριν από την καθολική εφαρμογή νανολιπασμάτων σε μια περιοχή απαιτείται συνεχής διερεύνηση και πειράματα πεδίου σχετικά με την αποτελεσματικότητα τους.

Πηγές:

• Rajput V.D., Singh A., Minkina T., Rawat S., Mandzhieva S., Sushkova S., Shuvaeva V., Nazarenko O., Rajput P., Komariah, et al. Nano-enabled products: Challenges and opportunities for sustainable agriculture. Plants. 2021; 10:2727. doi: 10.3390/plants10122727.

• Khan S.T., Adil S.F., Shaik M.R., Alkhathlan H.Z., Khan M., Khan M. Engineered nanomaterials in soil: Their impact on soil microbiome and plant health. Plants. 2022; 11:109. doi: 10.3390/plants11010109.
• Bollag J.M., Myers C.J., Minard R.D. Biological and chemical interactions of pesticides with soil organic matter. Sci. Total Environ. 1992; 123–124:205–217. doi: 10.1016/0048-9697(92)90146-J
• Bhardwaj A.K., Arya G., Kumar R., Hamed L., Pirasteh-Anosheh H., Jasrotia P., Kashyap P.L., Singh G.P. Switching to nanonutrients for sustaining agroecosystems and environment: The challenges and benefits in moving up from ionic to particle feeding. J. Nanobiotechnol. 2022; 20:19. doi: 10.1186/s12951-021-01177-9
• Raliya R., Saharan V., Dimkpa C., Biswas P. Nanofertilizer for Precision and Sustainable Agriculture: Current State and Future Perspectives. J. Agric. Food Chem. 2018; 66:6487–6503. doi: 10.1021/acs.jafc.7b02178

• Craswell E. Fertilizers and nitrate pollution of surface and ground water: an increasingly pervasive global problem. SN Applied Sciences. 2021 Apr;3(4):518.
• Liang X., Gao Y., Zhang X., Tian Y., Zhang Z., Gao L. Effect of optimal daily fertigation on
• migration of water and salt in soil, root growth, and fruit yield of cucumber (Cucumis sativus L.) in solar-greenhouse. PloS one. 2014 Jan 27;9(1): e86975.
• Ghormade V., Deshpande M.V., Paknikar K.M. Perspectives for nano-biotechnology enabled protection and nutrition of plants. Biotechnol. Adv. 2011; 29: 792–803. doi: 10.1016/j.biotechadv.2011.06.007.
• Mohanraj J., Subramanian K.S., Lakshmanan A. Role of nano-fertilzer on greenhouse gas emission in the rice soil ecosystem. Madras Agric. J. 2019; 106: 10-12. doi: 10.29321/MAJ.2019.000327.
• Kumar A., Singh K., Verma P., Singh O., Panwar A., Singh T., Kumar Y., Raiya R. Effect of nitrogen and zinc nanofertilizer with the organic farming practices on cereal and oil seed crops. Sci Rep 2022; 12: 6938. doi: 10.1038/s41598-022-10843-3.