Comportamento de nanoagroquímicos no solo: estudo da lixiviação, recuperação e impactos na germinação de sementes

A agricultura moderna enfrenta diversos desafios, como o aumento da demanda populacional por alimentos, alterações climáticas, uso excessivo de agroquímicos e a escassez de recursos hídricos. Nesse contexto, nanomateriais e suprapartículas têm se destacado como ferramentas promissoras, capazes de encapsular e promover a liberação controlada de ingredientes bioativos. O desenvolvimento de nanoformulações baseadas em nanomateriais com alta biocompatibilidade e biodegradabilidade tem avançado continuamente, visando reduzir os impactos ambientais. Entretanto, ainda se conhece pouco sobre a interação desses sistemas de liberação com o solo. Assim como os defensivos agrícolas convencionais, as nanopartículas podem se mover pelo solo e gerar riscos de contaminação ambiental. Por isso, é fundamental investigar as interações de nanoagroquímicos com o solo, de modo a desenvolver sistemas eficazes no campo, mas que não persistam por longos períodos ou sofram lixiviação excessiva. Neste estudo, diferentes nanocarreadores poliméricos de agroquímicos foram desenvolvidos, com e sem o herbicida atrazina (molécula modelo), para avaliar a mobilidade, recuperação no solo e efeito na germinação de sementes. Todos os sistemas foram constituídos por nanopartículas magnéticas de óxido de ferro, permitindo sua fácil recuperação no solo. No primeiro capítulo foi realizada uma revisão sobre as diferentes interações de nanoagroquímicos com o solo, concluindo que é necessário a implementação de métodos mais seguros e sustentáveis para detectar nanopartículas, que exige buscar por soluções inovadoras, como materiais biodegradáveis, que garantam a proteção dos ecossistemas. No segundo capítulo, cinco sistemas de liberação poliméricos, com e sem herbicida, foram preparados e caracterizados, e suas interações com o solo foram estudadas. Em resumo, os nanocarreadores apresentaram morfologia esférica observada através da microscopia eletrônica de varredura (MEV), com distribuição de tamanho de aproximadamente 600 nm analisada pelo espalhamento de luz dinâmico (DLS) e índice de polidispersão de 0,2. O potencial zeta variou de -19,2 mV a +13,9 mV, dependendo do revestimento e da presença de atrazina. Análises de rastreamentos de nanopartículas (NTA) indicaram tamanhos médios de cerca de 400 nm, enquanto o sistema supraparticulado apresentou distribuição de aproximadamente 10 μm. A lixiviação foi avaliada por análises de absorção atômica (AAS) (íon de ferro) e Cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) (atrazina), e os efeitos sobre o solo e a germinação do painço (Panicum miliaceum) foram analisados, evidenciando que os nanocarreadores revestidos com quitosana (carga positiva) e as suprapartículas (sistema auto-montado) apresentaram menor lixiviação, sugerindo potencial para reduzir o acúmulo de agroquímicos e nanopartículas no ambiente. No terceiro capítulo foram abordadas as conclusões finais e impacto e relevância científico-social do trabalho, mostrando que a nanotecnologia é uma ferramenta promissora para aumentar a produtividade agrícola e a sustentabilidade, oferecendo uma forma de controlar a liberação de herbicidas, reduzir a mobilidade de lixiviação e diminuir seu impacto no meio ambiente. Em resumo, este trabalho trouxe resultados significativos sobre a interação de nanoagroquímicos poliméricos com o solo, evidenciando como propriedades físico-químicas das nanopartículas (NPs), como revestimento com quitosana e estrutura suprapartículada, influenciam a mobilidade, a lixiviação e a recuperação desses sistemas. Os achados contribuem para a compreensão do comportamento ambiental de nanoagroquímicos, indicando estratégias promissoras para reduzir a contaminação do solo e otimizar a liberação controlada de bioativos, com potencial aplicação em práticas agrícolas mais sustentáveis e seguras.

Resumo (inglês)

Modern agriculture faces several challenges, such as increased population demand for food, climate change, excessive use of agrochemicals, and water scarcity. In this context, nanomaterials and superparticles have emerged as promising tools capable of encapsulating and promoting the controlled release of bioactive ingredients. The development of nanoformulations based on nanomaterials with high biocompatibility and biodegradability has been continuously advancing, aiming to reduce environmental impacts. However, little is known about the interaction of these delivery systems with the soil. Like conventional pesticides, nanoparticles can move through the soil and generate risks of environmental contamination. Therefore, it is essential to investigate the interactions of nanoagrochemicals with the soil in order to develop effective systems in the field that do not persist for long periods or suffer excessive leaching. In this study, different polymeric nanocarriers of agrochemicals were developed, with and without the herbicide atrazine (model molecule), to evaluate mobility, recovery in the soil, and effect on seed germination. All systems were composed of magnetic iron oxide nanoparticles, allowing for easy recovery from the soil and serving as a tracer. The first chapter reviewed the different interactions of nanoagrochemicals with the soil, concluding that it is necessary to implement safer and more sustainable methods for detecting nanoparticles, which requires searching for innovative solutions, such as biodegradable materials, that guarantee the protection of ecosystems. In the second chapter, five polymeric delivery systems, with and without herbicide, were prepared and characterized, and their interactions with the soil were studied. In summary, the nanocarriers presented a spherical morphology observed through scanning electron microscopy (SEM), with a size distribution of approximately 600 nm analyzed by dynamic light scattering (DLS) and a polydispersity index of 0.2. The zeta potential ranged from -19.2 mV to +13.9 mV, depending on the coating and the presence of atrazine. Nanoparticle tracking analyses (NTA) indicated average sizes of approximately 400 nm, while the supraparticle system showed a distribution of approximately 10 μm. Leaching was evaluated by atomic absorption spectroscopy (AAS) (iron ion) and high-performance liquid chromatography (HPLC) (atrazine), and the effects on soil and millet (Panicum miliaceum) germination were analyzed, showing that chitosan-coated nanocarriers (positive charge) and supraparticles (self-assembled system) showed less leaching, suggesting potential to reduce the accumulation of agrochemicals and nanoparticles in the environment. The third chapter addresses the final conclusions and the scientific and social impact and relevance of the work, showing that nanotechnology is a promising tool to increase agricultural productivity and sustainability, offering a way to control herbicide release, reduce leaching mobility, and decrease its impact on the environment. In summary, this work yielded significant results on the interaction of polymeric nanoagrochemicals with soil, highlighting how the physicochemical properties of nanoparticles (NPs), such as chitosan coating and supraparticulate structure, influence the mobility, leaching, and recovery of these systems. The findings contribute to the understanding of the environmental behavior of nanoagrochemicals, indicating promising strategies to reduce soil contamination and optimize the controlled release of bioactive compounds, with potential application in more sustainable and safer agricultural practices.

Palavras-chave

Nanomateriais, Suprapartículas, Defensivos agrícolas, Solo, Lixiviação, Recuperação, Nanomaterials, Supraparticles, Agricultural defensive, Soil, Leaching, Recovery

Idioma

Português

Citação

CAVALCANTE, Luiz Aparecido Ferreira. Comportamento de nanoagroquímicos no solo: estudo da lixiviação, recuperação e impactos na germinação de sementes. 2025. 101 f. Tese (Doutorado em Ciências dos Materiais) - Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista - UNESP, Ilha Solteira, 2025.