ÁREA
Iniciação Científica
Autores
Ojaimi, B. (UFPE) ; Moreno, Y.P.M. (UFPE) ; Galembeck, A. (UFPE)
RESUMO
Este trabalho visou o desenvolvimento de nanomateriais mais eficientes no quesito de entrega de nutrientes, ao passo de que sejam biodegradáveis, abundantes e biocompatíveis com o solo e com as plantas. Com este intuito, foram sintetizadas nanopartículas de sílica encapsuladas com os macronutrientes primários, nitrogênio (N), fósforo (P) e potássio (K). Estes materiais foram caracterizados quanto ao diâmetro hidrodinâmico por DLS, carga superficial por Potencial Zeta, área superficial específica utilizando porosimetria de nitrogênio e foi feita a análise da morfologia através do MEV e MET. Por meio do estudo, foi possível realizar a síntese de nanopartículas mesoporosas de tamanhos reduzidos a fim de induzir uma maior absorção pela planta e permitir a liberação lenta de nutrientes
Palavras Chaves
Sílica de Stöber; Nanofertilizantes; NPK
Introdução
O cenário atual do setor agrícola possui forte indicativo de impulso em suas demandas de modo a garantir segurança alimentar para a população em constante expansão. A fim de estimular a produtividade agrícola, o uso de fertilizantes tem sido uma tendência nesse campo nas últimas cinco décadas (CHHIPA, 2016). Entretanto, existem problemáticas ambientais associadas ao uso dos fertilizantes convencionais, como a lixiviação de nutrientes e a eutrofização da água (DITTA; ARSHAD, 2016). Cerca de 40-70% do teor de N no fertilizante, 80-90% do teor de P e 50-90% do teor de K são perdidos no meio ambiente (SOLANKI et al., 2015). Aliado a isso, um outro obstáculo advém do Brasil ser um país fortemente dependente da importação dos três principais nutrientes fertilizantes, NPK, sendo cerca de 74% importados (GALEMBECK, et al. 2019). Destarte, a partir da insustentabilidade das técnicas tradicionais de agricultura intensiva, surge a necessidade de desenvolvimento de novos métodos de incentivo a agricultura de precisão moderna. De modo a suprir as necessidades nutricionais das culturas com uso tecnologias poupadoras de recursos escassos, sobrevém o emergente advento da nanotecnologia aplicada à agricultura (VIEIRA FILHO, 2016). Neste contexto, em razão do uso de nanofertilizantes ser uma rota de alto impacto para o aumento da produtividade, este trabalho avaliou a eficiência de nanopartículas de sílica como carreadoras dos macronutrientes NPK para aplicação na agricultura. Buscam se características como liberação lenta dos nutrientes e tamanhos reduzidos, facilitando a internalização dos nutrientes na planta. O emprego de nanopartículas de sílica e quitosana é uma alternativa sustentável, haja vista a biodegradabilidade da quitosana e a abundância e biocompatibilidade do silício.
Material e métodos
A síntese das nanopartículas de sílica foi realizada pelo método sol-gel (STÖBER, 1968), baseando-se na hidrólise básica do tetraetilortosilicato (TEOS) utilizando água, etanol, e o hidróxido de amônio (NH4OH) como catalisador. Quatro dispersões de nanopartículas foram preparadas com diferentes metodologias. Descritas da seguinte forma: Si MSI são nanosílicas sintetizadas incorporando nutrientes; a síntese da SI MSI/Q procedeu da mesma forma da Si MSI, diferindo-se apenas pela adição de uma solução de quitosana previamente preparada em meio ácido; nanosílicas sem nutrientes foram sintetizadas como controle negativo, denominada Si 0KPN; já a amostra Si C, o controle positivo, representa as nanopartículas de sílica incorporando os nutrientes de um fertilizante comercial, OSMOCOTE 14-14-14. Os nanomateriais foram caracterizados por várias técnicas: Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS) para a determinação do diâmetro hidrodinâmico das partículas; o Potencial Zeta (PZ) para medir a carga superficial; a Microscopia Eletrônica de Varredura e de Transmissão (MEV e MET) para a análise morfológica; A porosimetria de nitrogênio, usando o método de BET (Brunauer, Emmet e Teller) para a quantificação de área superficial específica, distribuição de tamanho de poro e volume de poro. A quantificação de fósforo e potássio encapsulados às nanopartículas foi efetuada por meio da Espectrometria de Emissão Óptica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES), usando o espectrômetro Optima7000 DV (Perkin Elmer, USA) e o gás argônio. O nitrogênio foi quantificado usando o método de Kjeldahl, sendo utilizado ácido sulfúrico (H2SO4) e uma mistura catalítica composta por sulfato de sódio (Na2SO4) e sulfato de cobre (CuSO4) para digerir o material, a uma temperatura de aproximadamente 415°C.
Resultado e discussão
Através das análises em DLS, as amostras Si 0KPN e Si C suspensas em etanol
apresentaram diâmetro hidrodinâmico de 38,80 nm e 48,42 nm e potencial zeta de
-19,29 ± 0,91 mV e -9,02 ± 3,24 mV, respectivamente. Já as nanopartículas Si MSI
e Si MSI/Q, possuíram diâmetro de 762,22 nm e 680,14 nm e carga de -16,18 ± 0,92
mV e -6,58 ± 1,71 mV, havendo a redução do valor de PZ devido à natureza
catiônica da quitosana. A Figura 1 mostra as imagens obtidas pelo MET, em que a
amostra controle, Si 0KPN, (Fig. 1A) demonstrou ser constituída por partículas
de tamanho reduzido, e através de análises no MEV, foi possível estimar o
diâmetro médio correspondente a 13,88 nm. A Si C apresentou um tamanho também
pequeno, de 13,77 nm (Fig. 1B). As amostras Si MSI e Si MSI/Q exibiram um maior
número de aglomerados (Fig. 1C e 1D), e o tamanho médio de 15,14 nm e 23,78 nm
respectivamente, sendo este último maior devido a presença da quitosana. Na
porosimetria de nitrogênio, as amostras que possuíram maiores áreas superficiais
específicas foram a Si C (423,92 m2g-1) e a Si 0KPN (365,71 m2g-1), sugerindo
uma maior capacidade de incorporação de nutrientes na matriz desses materiais.
Com relação ao diâmetro do poro, os maiores obtidos foram para as amostras Si
MSI (20,86 nm) e Si MSI/Q (15,75 nm), sendo todas as nanosílicas sintetizadas
mesoporosas. A isoterma adsorção e dessorção da Si 0KPN é mostrada na Figura 2.
Pelo ICP-OES, verificou-se que as amostras com maiores teores de K e de P foram
a Si MSI (K-1,917% e P-0,062%) e Si MSI/Q (K–1,529% e P–0,020%).
Comparativamente, a amostra na qual fora incorporado o fertilizante comercial,
houve baixos teores de K, de 0,011% e de P, de 0,001%. Utilizando o método de
Kjeldahl, as maiores incorporações foram na Si MSI (0,223%) e Si MSI/Q (0,174%).
Imagens das nanopartículas: Si 0KPN (A), Si C (B), \r\nSi MSI (C) e Si MSI/Q (D) obtidas através da \r\nmicroscopia eletrônica de transmissão (MET).
Isotermas de adsorção e dessorção da nanopartícula \r\nde sílica sem incorporação de nutriente (Si OKPN).
Conclusões
A partir deste estudo foi possível verificar que a síntese das nanopartículas pelo método de Stöber permitiu a incorporação dos macronutrientes à suas matrizes. Ainda, pôde-se averiguar maiores teores de nutrientes nas amostras Si MSI e Si MSI/Q, quando comparados com a nanosílica Si C. As imagens obtidas pelo MEV contribuíram para a determinação do reduzido tamanho das partículas, o que implica que esses materiais podem ser facilmente absorvidos pela planta. Por fim, por serem matrizes mesoporosas, as nanopartículas serão capazes de realizar a liberação de NPK de maneira mais lenta.
Agradecimentos
Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e Fundação de Amparo à Ciência e Tecnologia do Estado de Pernambuco (FACEPE).
Referências
CHHIPA, H. Nanofertilizers and nanopesticides for agriculture. Environmental Chemistry Letters, v. 15, p. 15-22, 2016.
DITTA, A.; ARSHAD, M. Applications and perspectives of using nanomaterials for sustainable plant nutrition. Nanotechnol Rev, v. 5, p. 209-229, 2016.
GALEMBECK, F.; GALEMBECK, A.; SANTOS, L. P. NPK: Essentials for Sustainability. Química Nova, v. 42, p. 1-9, 2019.
LI, S.; WAN, Q.; Qin, Z.; Fu, Y.; Gu, Y. Understanding Stöber Silica’s Pore Characteristics Measured by Gas Adsorption. Langmuir, v. 31, p. 824-832, 2022.
SOLANKI, P.; BHARGAVA A.; CHHIPA, H.; JAIN, N.; PANWAR, J. Nano-fertilizers and Their Smart Delivery System, v. 1, p. 86-89, 2015.
STOBER, W., FINK, A.; BOHN, E. Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range. Journal of Colloid and Interface Science, v. 26, p. 62-69, 1968.
VIEIRA FILHO, J. E. R. Expansão da fronteira agrícola no Brasil: desafios e perspectivas. Rio de Janeiro: IPEA, 2016.
