Des chercheurs de l'Université du Delaware ont découvert des comportements uniques de nanoparticules d'hydroxyapatite (HANP) qui sont prometteurs en tant que nanofertilisant au phosphore et pourraient être utilisés pour aider à ralentir la libération de phosphore dans les sols.

Cela augmenterait à la fois l'efficacité d'absorption du phosphore dans la culture des plantes et également dans la protection des sites écologiquement sensibles, y compris les plans d'eau, en réduisant la charge en nutriments, ce qui est important car le phosphore est une ressource non renouvelable et un nutriment essentiel pour la production agricole.

Financé par le Département de l'agriculture des États-Unis (USDA), la recherche a été menée par Dengjun Wang, chercheur postdoctoral au Département des sciences des plantes et des sols du Collège de l'agriculture et des ressources naturelles de l'UD ; Yan Jin, professeur de sciences végétales et pédologiques avec nomination conjointe au Département de génie civil et environnemental; et Deb Jaisi, professeur adjoint de sciences végétales et pédologiques avec nomination conjointe au Département des sciences géologiques.

Les HANP sont connus comme un sorbant puissant pour les contaminants tels que les métaux lourds et les radionucléides et sont déjà utilisés pour assainir les sols, sédiments et eaux souterraines. Cependant, son potentiel en tant que meilleur engrais phosphoré en agriculture vient de commencer à être pleinement exploré, les chercheurs ont dit.

L'engrais à base de nanoparticules présente trois avantages majeurs par rapport aux engrais phosphorés conventionnels en ce qu'il ne libère pas de phosphore aussi rapidement que les engrais conventionnels, il ne modifie pas le pH du sol lors de la libération de phosphore et la perte de phosphore du sol est faible. La libération lente et régulière de phosphore permet aux plantes d'absorber continuellement les nutriments au fur et à mesure de leur croissance.

Jaisi a déclaré que la façon dont le phosphore est actuellement appliqué aux sols dans les engrais est comme si quelqu'un prenait un comprimé de glucose au lieu de le recevoir par perfusion intraveineuse. Alors qu'un engrais au phosphore commercial frappe le sol d'un seul coup et ne laisse pas suffisamment de temps pour l'absorption des plantes, entraînant une perte de phosphore par ruissellement ou par lessivage, les HANP fournissent une libération lente de phosphore pendant une période de temps prolongée.

"Lorsque le phosphore est libéré des HANP, il n'augmente pas l'acidité du sol, " a déclaré Jaisi. " Il y avait un problème d'acidification mondiale des sols après la révolution verte (agriculture), conséquence directe de l'application d'engrais chimiques. Le coût de l'inversion du pH du sol à un niveau optimal pour la production agricole est extrêmement élevé."

Alors que la demande pour fournir de la nourriture à une population croissante a augmenté, il en va de même pour l'application d'engrais phosphorés, ce qui a entraîné une perte de phosphore des sols agricoles vers les eaux libres et a provoqué l'eutrophisation dans des zones écologiquement sensibles comme la baie de Chesapeake. Avec la capacité des HANP à libérer lentement du phosphore, les nanoparticules pourraient s'avérer bénéfiques pour l'environnement en réduisant les pertes de phosphore vers les eaux libres.

"Vous pouvez minimiser ce risque et en même temps, augmenter la disponibilité du phosphore pendant une période plus longue au cours de la croissance des plantes, " dit Jin.

"Je pense que l'objectif serait d'explorer s'il s'agit d'une forme réalisable d'engrais au phosphore à utiliser à grande échelle, " a-t-elle ajouté. " Nous appliquons beaucoup de phosphore au sol depuis de nombreuses années, et la source disponible diminue. Nous devons trouver de nouveaux produits et de nouvelles façons de fournir les nutriments, tout en minimisant les impacts environnementaux."

« Un objectif majeur de ce travail, " Jaisi a dit, « était d'examiner le devenir de ces nanoparticules - si les nanoparticules elles-mêmes s'éloignent du sol vers les eaux libres ou si elles restent dans le sol, et comment ils interagissent avec d'autres nanoparticules dans le sol. Ceci est important car pour la meilleure utilisation du phosphore, Les HANP doivent rester dans le sol pendant une période prolongée et ne pas être perdus par ruissellement ou par lessivage."

Wang a déclaré que les HANP ont une faible mobilité, et la présence d'autres nanoparticules dans le sol, tels que les oxydes de fer chargés positivement qui sont omniprésents dans le sol et d'autres environnements souterrains, se fixeraient sur les particules HANP chargées négativement et ralentiraient leur mouvement.

Jin a expliqué que pour que les plantes absorbent le phosphore des HANP, il doit être libéré des nanoparticules. "Quand les plantes poussent, ils libèrent en continu différents types d'acides organiques de faible poids moléculaire tels que l'acide oxalique et l'acide citrique. Les acides qui pénètrent dans le sol interagiront avec ces particules afin que le phosphore puisse être libéré et absorbé par les plantes, " dit Jin.

Wang a déclaré que le processus est très dynamique. "La plante libère en continu des acides organiques et ces acides organiques vont dissoudre les HANP rendant le phosphore disponible pour la plante. Le taux de libération en présence de ces acides organiques et la possibilité que les HANP soient un engrais phosphoré sont actuellement à l'étude par l'équipe de recherche. "

En parvenant à leurs conclusions, l'équipe a examiné comment les HANP interagissent avec des nanoparticules de goethite (PNB) naturelles, un oxyde de fer commun dans les sols, étudier le co-transport et la rétention des HANP et des PNB dans des colonnes de sable saturées d'eau dans des conditions de transport pertinentes pour l'environnement.

Wang a déclaré que la nanoparticule avec laquelle le groupe travaille est très petite, allant d'un nanomètre à 100 nanomètres, avec un nanomètre étant d'environ 10, 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain.

"Ces très petites particules ont de grandes surfaces spécifiques et une réactivité élevée ; elles sont tout à fait fantastiques pour une variété d'applications dans divers domaines, y compris l'agriculture, " il a dit.