DOI: https://doi.org/10.3389/fsoil.2026.1677386
تاريخ النشر: 2026-03-11
المؤلف: Mubashir Sadiq V. وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
أدت الثورة الخضراء إلى زيادة كبيرة في إنتاج الغذاء العالمي، ومع ذلك فإن الاعتماد على الأسمدة التقليدية أدى إلى تدهور البيئة واستخدام غير فعال للعناصر الغذائية. وقد دفع هذا إلى التحول نحو الزراعة المستدامة، حيث ظهرت الأسمدة النانوية كحل واعد. تقيم هذه المراجعة آليات الأسمدة النانوية، وتغطي تقنيات تخليقها وصياغتها التي تسهل إطلاق العناصر الغذائية بشكل منظم. كما تفحص سلوكها في التربة والبيئات الجوية، والتفاعلات مع السكان الميكروبية، وعمليات الامتصاص والنقل في النباتات. بالإضافة إلى ذلك، تتناول المراجعة السموم النانوية، موضحة آليات السمية النباتية، عتبات السمية، واستراتيجيات التخفيف، مع تسليط الضوء على الحاجة إلى أطر تنظيمية قوية لضمان التسويق الآمن.
في الختام، تقدم الأسمدة النانوية استراتيجية قابلة للتطبيق لتعزيز كفاءة استخدام العناصر الغذائية وتقليل الآثار البيئية في الزراعة. تستكشف المراجعة بشكل منهجي مبادئ تكنولوجيا الأسمدة النانوية، بما في ذلك آليات الإطلاق المنظم، وتفاعلات التربة والميكروبات، ومسارات امتصاص النباتات. تؤكد على أن عتبات السمية تتأثر بخصائص الجسيمات النانوية، مثل الحجم وخصائص السطح. على الرغم من أن التقدم في تقنيات الصياغة والتطبيق يظهر وعدًا في التخفيف من السمية، إلا أن هناك فجوات معرفية كبيرة لا تزال قائمة بشأن الاستمرارية البيئية على المدى الطويل وآثار النظام البيئي للأسمدة النانوية. يجب أن تتبنى الأبحاث المستقبلية نهجًا متعدد التخصصات، يجمع بين تكنولوجيا النانو، وعلم وظائف النبات، والكيمياء الحيوية للتربة، وعلوم البيئة لمعالجة هذه الشكوك ودعم الممارسات الزراعية المستدامة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحدي الملح لضمان الأمن الغذائي لسكان العالم المتزايد، مع التأكيد على التأثير التاريخي لـ “الثورة الخضراء” على إنتاجية الزراعة من خلال تطوير أصناف المحاصيل عالية الغلة وتحسين الممارسات الزراعية. على الرغم من هذه التقدمات، أدت الثورة الخضراء إلى مشاكل بيئية وصحية كبيرة، مثل ضغط المياه، وتدهور التربة، والتلوث الناتج عن المواد الكيميائية الزراعية. كما ساهمت عدم الكفاءة في إدارة العناصر الغذائية في انبعاثات غازات الدفيئة وتراجع كفاءة استخدام العناصر الغذائية.
استجابةً لهذه التحديات، يتم تقديم ظهور الأسمدة النانوية كبديل واعد للأسمدة التقليدية. تتميز هذه المواد بسطحها العالي وزيادة تفاعلها، مما يسهل إطلاق العناصر الغذائية بشكل منظم يتناسب مع احتياجات المحاصيل، وبالتالي تحسين كفاءة استخدام العناصر الغذائية وتقليل الفقد. تهدف المراجعة إلى تقييم تصميم وصياغة الأسمدة النانوية، وتفاعلاتها مع التربة والمجتمعات الميكروبية، والمخاطر البيئية المحتملة. بالإضافة إلى ذلك، توضح الأطر التنظيمية الحالية والابتكارات التكنولوجية بينما ترسم خريطة المشهد البحثي المتطور في الأسمدة النانوية من 2020 إلى 2023، مع تسليط الضوء على المساهمين الرئيسيين والشبكات التعاونية التي تؤكد على الطبيعة متعددة التخصصات لهذا المجال.
طرق
تناقش هذه القسم طرق التغطية للأسمدة النانوية، التي تستخدم حوامل مختلفة مثل المصفوفات البوليمرية، والميكيلات، والهلامات النانوية، والليبوزومات، والهياكل النانوية ذات القشرة المجوفة. تحمي تقنيات التغطية هذه العناصر الغذائية من الفقد بسبب التطاير أو التحلل في التربة، بينما تضمن توصيلًا دقيقًا إلى جذور النباتات. يتم تسليط الضوء على البوليمرات القابلة للتحلل مثل الكيتوزان والألجينات لملاءمتها الحيوية واستدامتها، إلى جانب المواد المسامية المتوسطة مثل السيليكا والألومينوسيليكات التي تسهل تحميل العناصر الغذائية من خلال تبادل الأيونات والامتزاز. ومن الجدير بالذكر أن الجسيمات النانوية ذات القشرة المجوفة، مثل هياكل كربونات المنغنيز المحملة بكبريتات الزنك، تظهر خصائص إطلاق منظم تتماشى مع توافر العناصر الغذائية واحتياجات النباتات.
تؤكد الأبحاث على تطور استراتيجيات التغطية، من المصفوفات البوليمرية الأساسية إلى تركيبات أكثر تعقيدًا مثل كبسولات الكيتوزان والألجينات التي تتضمن حمض الهيوميك والميكروبات المفيدة. على سبيل المثال، أفاد هاشم وآخرون (95) بإطلاق تراكمي للعناصر الغذائية يبلغ حوالي 33.2% نيتروجين، 47.8% فوسفور، و68.3% بوتاسيوم على مدى 30 يومًا من كبسولاتهم النانوية. وبالمثل، طور ما وآخرون (96) كريات كيتوزان لإطلاق منظم لأسمدة النيتروجين، محققين معدل إنبات للبذور بنسبة 96% ومعايير نمو محسنة في الملفوف الصيني مقارنة بمعالجات اليوريا التقليدية. تعكس هذه التقدمات اتجاهًا كبيرًا في استخدام البوليمرات الحيوية في الكيمياء النانوية، خاصة مع دمج الميكروبات المفيدة في تكنولوجيا التغطية النانوية، مما يمثل تقدمًا محوريًا في تطوير الأسمدة النانوية من 2021 إلى 2026.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث تخليق الأسمدة النانوية، مع تسليط الضوء على إمكانياتها كنظم توصيل متقدمة تعزز كفاءة العناصر الغذائية وعائد المحاصيل. يتم استكشاف طرق التخليق المختلفة، بما في ذلك الأساليب من الأعلى إلى الأسفل (الفيزيائية) ومن الأسفل إلى الأعلى (الكيميائية والبيولوجية). تعاني الطرق الفيزيائية، على الرغم من فعاليتها في تقليل حجم الجسيمات، غالبًا من ضعف السيطرة على التوحيد والتلوث. في المقابل، يسمح التخليق الكيميائي بتحكم أفضل في خصائص الجسيمات النانوية من خلال عمليات مثل الجل-الهلام والترسيب المشترك، على الرغم من أنه قد يتطلب خطوات تنقية إضافية. يقدم التخليق البيولوجي، الذي يستخدم كائنات مثل البكتيريا والنباتات، بديلاً صديقًا للبيئة يقلل من استخدام المواد الكيميائية الضارة واستهلاك الطاقة.
تناقش القسم أيضًا تقنيات التخليق الهجينة التي تجمع بين عدة طرق لتحسين توصيل العناصر الغذائية. على سبيل المثال، يمكن صياغة الأسمدة النانوية الهجينة من خلال دمج الجسيمات النانوية مع الأسمدة التقليدية، مما يعزز توافر العناصر الغذائية وكفاءة الامتصاص. يتم التأكيد على استراتيجيات مثل التداخل، والتفاعل الكهروستاتيكي، والامتزاز السطحي لدورها في التحكم في إطلاق العناصر الغذائية وتحسين التوافر الحيوي. تستفيد هذه الأساليب من الخصائص الفريدة للمواد النانوية لإنشاء حلول زراعية أكثر فعالية واستدامة، مما يساهم في تحسين الكفاءة الزراعية وتقليل الأثر البيئي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsoil.2026.1677386
Publication Date: 2026-03-11
Author(s): Mubashir Sadiq V. et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
The green revolution significantly boosted global food production, yet reliance on traditional fertilizers has resulted in environmental degradation and inefficient nutrient use. This has prompted a shift towards sustainable agriculture, with nanofertilizers emerging as a promising solution. This review evaluates the mechanisms of nanofertilizers, covering their synthesis and formulation techniques that facilitate controlled nutrient release. It also examines their behavior in soil and atmospheric environments, interactions with microbial populations, and the processes of uptake and translocation in plants. Additionally, the review addresses nanotoxicology, detailing mechanisms of phytotoxicity, toxicity thresholds, and mitigation strategies, while highlighting the need for robust regulatory frameworks to ensure safe commercialization.
In conclusion, nanofertilizers present a viable strategy to enhance nutrient use efficiency and reduce environmental impacts in agriculture. The review systematically explores the principles of nanofertilizer technology, including controlled-release mechanisms, soil-microbe interactions, and plant uptake pathways. It emphasizes that toxicity thresholds are influenced by the properties of nanoparticles, such as size and surface characteristics. Although advancements in formulation and application techniques show promise in mitigating toxicity, significant knowledge gaps remain regarding the long-term environmental persistence and ecosystem effects of nanofertilizers. Future research must adopt a transdisciplinary approach, integrating nanotechnology, plant physiology, soil biogeochemistry, and environmental science to address these uncertainties and support sustainable agricultural practices.
Introduction
The introduction highlights the pressing challenge of ensuring food security for a growing global population, emphasizing the historical impact of the “green revolution” on agricultural productivity through the development of high-yielding crop varieties and improved agronomic practices. Despite these advancements, the green revolution has led to significant environmental and health issues, such as water stress, soil degradation, and pollution from agrochemicals. The inefficiencies in nutrient management have also contributed to greenhouse gas emissions and declining nutrient use efficiencies.
In response to these challenges, the emergence of nanofertilizers is presented as a promising alternative to conventional fertilizers. These materials, characterized by their high surface area and enhanced reactivity, facilitate controlled nutrient release tailored to crop needs, thereby improving nutrient use efficiency and minimizing losses. The review aims to critically assess the design and synthesis of nanofertilizers, their interactions with soil and microbial communities, and their potential ecological risks. Additionally, it outlines current regulatory frameworks and technological innovations while mapping the evolving research landscape in nanofertilizers from 2020 to 2023, highlighting key contributors and collaborative networks that underscore the interdisciplinary nature of this field.
Methods
The section discusses the encapsulation methods for nanofertilizers, which utilize various carriers such as polymeric matrices, micelles, nanogels, liposomes, and hollow core-shell nanostructures. These encapsulation techniques protect nutrients from loss due to volatilization or degradation in soil, while ensuring precise delivery to plant roots. Biodegradable polymers like chitosan and alginate are highlighted for their biocompatibility and sustainability, alongside mesoporous materials such as silica and aluminosilicates that facilitate nutrient loading through ion exchange and adsorption. Notably, hollow core-shell nanoparticles, such as Mn-carbonate structures loaded with zinc sulfate, demonstrate controlled release properties that align nutrient availability with plant demands.
The research underscores the evolution of encapsulation strategies, from basic polymer matrices to more complex formulations like chitosan-alginate nanocapsules that incorporate humic acid and beneficial microorganisms. For instance, Hashem et al. (95) reported a cumulative nutrient release of approximately 33.2% nitrogen, 47.8% phosphorus, and 68.3% potassium over 30 days from their nano capsules. Similarly, Ma et al. (96) developed chitosan microspheres for controlled release of nitrogen fertilizers, achieving a 96% seed germination rate and enhanced growth parameters in Chinese cabbage compared to conventional urea treatments. This progression reflects a significant trend in the use of biopolymers in nanochemistry, particularly with the integration of beneficial microorganisms into nano-encapsulation technology, marking a pivotal advancement in the development of nanofertilizers from 2021 to 2026.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the synthesis of nanofertilizers, highlighting their potential as advanced delivery systems that enhance nutrient efficiency and crop yield. Various synthesis methods are explored, including top-down (physical) and bottom-up (chemical and biological) approaches. Physical methods, while effective in reducing particle size, often suffer from poor control over uniformity and contamination. In contrast, chemical synthesis allows for better control of nanoparticle characteristics through processes like sol-gel and coprecipitation, although it may involve additional purification steps. Biological synthesis, utilizing organisms such as bacteria and plants, presents an eco-friendly alternative that minimizes harmful chemical usage and energy consumption.
The section also discusses hybrid synthesis techniques that combine multiple methods to optimize nutrient delivery. For instance, hybrid nanofertilizers can be formulated by integrating nanoparticles with conventional fertilizers, enhancing nutrient availability and uptake efficiency. Strategies such as intercalation, electrostatic interaction, and surface adsorption are emphasized for their roles in controlling nutrient release and improving bioavailability. These approaches leverage the unique properties of nanomaterials to create more effective and sustainable agricultural solutions, ultimately contributing to enhanced agronomic efficiency and reduced environmental impact.