Onderzoekers van de Universiteit van Delaware hebben uniek gedrag ontdekt van hydroxyapatiet-nanodeeltjes (HANP's) die veelbelovend zijn als fosfor-nanomeststof en kunnen worden gebruikt om de afgifte van fosfor in de bodem te vertragen.

Dit zou zowel de efficiëntie van de fosforopname bij de teelt van planten verhogen als bij de bescherming van ecologisch kwetsbare locaties, met inbegrip van wateren, door de nutriëntenbelasting te verminderen, wat belangrijk is omdat fosfor een niet-hernieuwbare hulpbron is en een essentiële voedingsstof voor de landbouwproductie.

Gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van landbouw (USDA), het onderzoek werd uitgevoerd door Dengjun Wang, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Plant- en Bodemwetenschappen van het UD's College of Agriculture and Natural Resources; Yan Jin, hoogleraar plant- en bodemwetenschappen met een gezamenlijke aanstelling bij de afdeling Civiele Techniek en Milieutechniek; en Deb Jaisi, universitair docent plant- en bodemwetenschappen met een gezamenlijke aanstelling bij de vakgroep Geologische Wetenschappen.

De HANP's staan ​​bekend als een sterk sorptiemiddel voor verontreinigingen zoals zware metalen en radionucliden en worden nu al gebruikt voor het saneren van bodems, sedimenten en grondwater. Echter, het potentieel ervan als een betere fosforhoudende meststof in de landbouw is net begonnen volledig te worden onderzocht, aldus de onderzoekers.

De op nanodeeltjes gebaseerde meststof heeft drie grote voordelen ten opzichte van conventionele fosforhoudende meststoffen, omdat het fosfor niet zo snel afgeeft als de conventionele meststoffen, het verandert de pH van de bodem niet bij het vrijkomen van fosfor en het verlies van fosfor uit de bodem is laag. Door de langzame en gestage afgifte van fosfor kunnen planten de voedingsstof continu opnemen terwijl ze groeien.

Jaisi zei dat de manier waarop fosfor momenteel in kunstmest op de bodem wordt aangebracht, is alsof iemand een glucosetablet inneemt in plaats van het via een infuus te krijgen. Terwijl een commerciële fosformeststof de grond in één keer raakt en niet voldoende tijd geeft voor opname door de plant, resulterend in verlies van fosfor in de afvoer of door uitspoeling, de HANP's zorgen voor een langzame afgifte van fosfor gedurende een langere periode.

"Wanneer fosfor vrijkomt uit HANP's, het verhoogt de zuurgraad van de bodem niet, " zei Jaisi. "Er was een probleem van wereldwijde bodemverzuring na de Groene (landbouw) Revolutie, een direct gevolg van de toepassing van kunstmest. De kosten van het omkeren van de pH van de bodem naar optimaal voor de productie van gewassen zijn extreem hoog."

Nu de vraag naar voedsel voor een groeiende bevolking is toegenomen, zo ook de toepassing van fosforhoudende meststoffen, die heeft geleid tot verlies van fosfor uit landbouwgronden naar open wateren en heeft geleid tot eutrofiëring in ecologisch kwetsbare gebieden zoals de Chesapeake Bay. Met het vermogen van HANP's om fosfor langzaam af te geven, de nanodeeltjes kunnen gunstig zijn voor het milieu door het verlies van fosfor naar open water te verminderen.

"Je kunt dat risico minimaliseren en tegelijkertijd verhoging van de beschikbaarheid van fosfor gedurende een langere periode tijdens de plantengroei, " zei Jin.

"Ik denk dat het doel zou zijn om te onderzoeken of dit een haalbare vorm van fosformeststof is die op grote schaal kan worden gebruikt, " voegde ze eraan toe. "We passen al vele jaren veel fosfor op de grond toe, en de beschikbare bron neemt af. We moeten nieuwe producten en nieuwe manieren vinden om de voedingsstof te leveren, en tegelijkertijd de impact op het milieu te minimaliseren."

"Een belangrijk doel van dit werk, "Jaisi zei, "was om te kijken naar het lot van deze nanodeeltjes - als de nanodeeltjes zelf van de bodem naar open water gaan of als ze in de bodem blijven, en hoe ze interageren met andere nanodeeltjes in de bodem. Dit is belangrijk omdat voor het beste gebruik van fosfor, HANP's moeten langere tijd in de bodem blijven en mogen niet via afspoeling of uitspoeling verloren gaan."

Wang zei dat de HANP's een lage mobiliteit hebben, en de aanwezigheid van andere nanodeeltjes in de bodem, zoals positief geladen ijzeroxiden die alomtegenwoordig zijn in de bodem en andere ondergrondse omgevingen, zouden zich hechten aan de negatief geladen HANP-deeltjes en hun beweging vertragen.

Jin legde uit dat om planten de fosfor uit HANP's te laten opnemen, het moet vrijkomen uit de nanodeeltjes. "Als planten groeien, ze geven continu verschillende soorten organische zuren met een laag molecuulgewicht af, zoals oxaalzuur en citroenzuur. De zuren die in de bodem terechtkomen, zullen een interactie aangaan met die deeltjes, zodat fosfor kan vrijkomen en door planten kan worden opgenomen, " zei Jin.

Wang zei dat het proces erg dynamisch is. "De plant geeft continu organische zuren af ​​en deze organische zuren zullen de HANP's oplossen waardoor fosfor beschikbaar komt voor de plant. De afgiftesnelheid in aanwezigheid van deze organische zuren en de mogelijkheid dat HANP's een fosforhoudende meststof zijn, wordt momenteel onderzocht door het onderzoeksteam. "

Bij het bereiken van hun conclusies, het team onderzocht hoe HANP's interageren met natuurlijk voorkomende goethiet-nanodeeltjes (BNP's), een veelvoorkomend ijzeroxide in de bodem, het co-transport en retentie van HANP's en BNP's in met water verzadigde zandkolommen onderzoeken onder milieurelevante transportomstandigheden.

Wang zei dat het nanodeeltje waarmee de groep werkt erg klein is, variërend van één nanometer tot 100 nanometer, waarbij één nanometer ongeveer 10 is, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar.

"Deze zeer kleine deeltjes hebben een groot specifiek oppervlak en een hoge reactiviteit; ze zijn behoorlijk fantastisch voor een verscheidenheid aan toepassingen op verschillende gebieden, inclusief landbouw, " hij zei.