Forskare vid University of Delaware har upptäckt unika beteenden hos hydroxyapatit-nanopartiklar (HANP) som visar lovande som ett fosfornanogödselmedel och som kan användas för att bromsa utsläppet av fosfor i jordar.

Detta skulle både öka fosforupptagets effektivitet vid odling av växter och även för att skydda miljökänsliga platser, inklusive vattenförekomster, genom att minska mängden näringsämnen, vilket är viktigt eftersom fosfor är en icke-förnybar resurs och ett viktigt näringsämne för jordbruksproduktion.

Finansierat av United States Department of Agriculture (USDA), forskningen utfördes av Dengjun Wang, en postdoktor vid institutionen för växt- och markvetenskaper vid UD:s College of Agriculture and Natural Resources; Yan Jin, professor i växt- och markvetenskap med gemensam förordnande vid institutionen för bygg- och miljöteknik; och Deb Jaisi, biträdande professor i växt- och markvetenskap med gemensam förordnande vid institutionen för geologiska vetenskaper.

HANP:erna är kända som en stark sorbent för föroreningar som tungmetaller och radionuklider och används redan för att sanera jordar, sediment och grundvatten. Dock, dess potential som ett bättre fosforgödselmedel i jordbruket har precis börjat utforskas fullt ut, sa forskarna.

Det nanopartikelbaserade gödselmedlet har tre stora fördelar jämfört med konventionella fosforgödselmedel genom att det inte frigör fosfor lika snabbt som de konventionella gödselmedlen, det ändrar inte jordens pH vid utsläpp av fosfor och förlusten av fosfor från jorden är låg. Den långsamma och stadiga frisättningen av fosfor gör att växter kontinuerligt kan ta upp näringsämnet när de växer.

Jaisi sa att det sätt som fosfor för närvarande appliceras på jordar i gödsel är som att någon tar en glukostablett i motsats till att få den genom ett IV-dropp. Medan ett kommersiellt fosforgödselmedel träffar jorden på en gång och inte tillåter tillräckligt med tid för växtupptag, resulterar i fosforförlust i avrinning eller genom urlakning, HANP ger en långsam frisättning av fosfor under en längre tidsperiod.

"När fosfor frigörs från HANP, det ökar inte markens surhet, ", sa Jaisi. "Det var en fråga om global markförsurning efter den gröna (jordbruks)revolutionen, en direkt följd av appliceringen av kemiska gödningsmedel. Kostnaden för att vända jordens pH till optimalt för växtodling är extremt hög."

I takt med att efterfrågan på att tillhandahålla mat till en växande befolkning har ökat, så har appliceringen av fosforgödselmedel, vilket har lett till fosforförlust från jordbruksmark till öppet vatten och har orsakat övergödning i miljökänsliga områden som Chesapeake Bay. Med förmågan hos HANP att frigöra fosfor långsamt, nanopartiklarna kan visa sig vara miljövänliga genom att minska fosforförlusten till öppet vatten.

"Du kan minimera den risken och samtidigt öka tillgängligheten av fosfor under en längre tid under växttillväxt, " sa Jin.

"Jag tror att målet skulle vara att undersöka om detta är en genomförbar form av fosforgödsel för att användas i stor skala, ", tillade hon. "Vi har applicerat mycket fosfor på jorden i många år, och den tillgängliga källan minskar. Vi måste hitta nya produkter och nya sätt att tillföra näringsämnet, samtidigt som miljöpåverkan minimeras."

"Ett huvudmål med detta arbete, " Jaisi sa, "var att titta på dessa nanopartiklars öde - om nanopartiklarna själva flyttar bort från jorden till öppet vatten eller om de förblir i jorden, och hur de interagerar med andra nanopartiklar i jorden. Detta är viktigt eftersom för bästa utnyttjande av fosfor, HANP måste förbli i marken under en längre tid och inte förloras genom avrinning eller genom urlakning."

Wang sa att HANPs har låg rörlighet, och närvaron av andra nanopartiklar i jorden, såsom positivt laddade järnoxider som finns allestädes närvarande i jord och andra underjordiska miljöer, skulle fixera sig till de negativt laddade HANP-partiklarna och sakta ner deras rörelse.

Jin förklarade att för att växter ska kunna ta upp fosfor från HANP, det måste frigöras från nanopartiklarna. "När växter växer, de frigör kontinuerligt olika typer av lågmolekylära organiska syror som oxalsyra och citronsyra. Syrorna som kommer in i jorden kommer att interagera med dessa partiklar så att fosfor kan frigöras och tas upp av växter, " sa Jin.

Wang sa att processen är mycket dynamisk. "Anläggningen frigör kontinuerligt organiska syror och dessa organiska syror kommer att lösa upp HANPs som gör fosfor tillgänglig för växten. Frisättningshastigheten i närvaro av dessa organiska syror och möjligheten att HANP är ett fosforgödselmedel undersöks för närvarande av forskargruppen. "

När de kom fram till sina slutsatser, teamet undersökte hur HANP interagerar med naturligt förekommande goetitnanopartiklar (GNP), en vanlig järnoxid i jordar, att undersöka samtransport och retention av HANP och BNP i vattenmättade sandpelare under miljörelevanta transportförhållanden.

Wang sa att nanopartikeln som gruppen arbetar med är mycket liten, allt från en nanometer till 100 nanometer, med en nanometer som är cirka 10, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår.

"Dessa mycket små partiklar har stora specifika ytareor och hög reaktivitet; de är ganska fantastiska för en mängd olika tillämpningar inom olika områden, inklusive jordbruk, " han sa.