Desenvolvimento de esferas híbridas biodegradáveis visando a liberação de zinco e de bactérias promotoras do crescimento de plantas

Abstract

A agricultura continua enfrentando problemas antigos, como a necessidade de aumentar a produção de alimento, mudanças climáticas, uso indiscriminado de agroquímicos, escassez de água e entre outros. As esferas de hidrogéis têm sido consideradas como uma grande aliada para o setor agrícola, sendo capaz de encapsular ingredientes ativos e proporcionar liberação controlada ao longo do tempo. O uso de polissacarídeos que possuem boa biocompatibilidade e biodegradabilidade para desenvolver novos esferas que não agridem o ambiente, está em ascensão. Atrelado a isso, tem-se o desenvolvimento de sistemas híbridos, que consiste na mescla de dois ou mais compostos, que lhe conferem inúmeras propriedades em um único sistema. Esta nova abordagem tem sido amplamente explorada nos últimos anos em diversos setores, sendo ainda pouco explorado na agricultura. Entre alguns dos problemas enfrentados pela agricultura mundialmente está a deficiência de zinco, que é o micronutriente que possui o maior déficit entre culturas mundiais, sendo necessário na ativação de enzimas em processos metabólicos da planta e essencial para a síntese de clorofila. Neste sentido, nanomateriais engenheirados a base de zinco, vem sendo desenvolvido para suprir déficit nutricionais, e com o potencial de liberar Zn de maneira controlada, reduzindo as perdas por lixiviação. Além disso, o uso de bactérias promotoras de crescimento vegetal como Azospirillum brasilense tem sido frequentemente combinado ao zinco, devido a sua capacidade de proporcionar maior absorção de zinco pela planta. No entanto, a disponibilidade das bactérias é influenciada por diversos fatores abióticos do ambiente. Neste contexto, objetivou-se sintetizar nanopartículas de óxido de zinco (ZnONPs) pelo método de nanoprecipitação e, em seguida, preparar esferas híbridas por gelificação iônica compostas por hidrogéis de polissacarídeos, como alginato de sódio e xilana, para a liberação de ZnONPs e bactéria fixadora de nitrogênio A. brasilense e avaliar o seu comportamento em solo e plantas. As análises físico-químicas das ZnONPs indicaram uma morfologia esférica, distribuição de tamanho de 334 nm e tamanho médio de cristalito de ~ 19,8 nm por DRX. As análises biológicas demonstraram um ótimo crescimento das bactérias e boa compatibilidade de Azospirillum brasilense no meio de preparo das esferas. Assim, sistemas híbridos de liberação foram preparados e apresentaram morfologia esférica e distribuição de tamanho de ~ 3 mm, além de presença de ZnONPs e A. brasilense. Espectroscopia de espalhamento de raios X (EDS) confirmou a existência Zn distribuídas intrinsecamente nas esferas com picos de energia na faixa de 8,65 keV para Zn. Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) indicaram interações entre polímeros e ZnONPs. As análises térmicas de DSC demonstraram mudanças com a mescla de materiais (alginato e xilana) para cada sistema estudado. Também foi avaliado o efeito deste sistema de esferas de hidrogel em plantas de milho cultivadas em casa de vegetação. Análises biométricas, nutrição de plantas e fertilidade do solo revelaram pouca diferença de teor de Zn nos diferentes tratamentos. Ensaios de liberação demonstraram que ZnONPs e bactérias co-encapsuladas nas esferas podem liberar íons de zinco e bactérias de forma lenta e simultânea. A cinética de liberação revelou ser governada por diferentes mecanismos, sendo o de transporte anômalo para o íon Zn e de transporte super caso-II para A. brasilense. Portanto, nosso sistema se mostra promissor abrindo novas discussões e perspectivas para o desenvolvimento de sistemas híbridos com potencial para alterar a biodisponibilidade do zinco no solo contribuindo para uma melhor absorção de micronutrientes, promovendo o melhoramento e o crescimento de plantas.

Agriculture continues to face longstanding issues, such as the need to increase food production, climate change, indiscriminate use of agrochemicals, water scarcity, among others. Hydrogel spheres have been considered a great ally for the agricultural sector, as they can encapsulate active ingredients and provide controlled release over time. The use of polysaccharides that have good biocompatibility and biodegradability to develop new spheres that are environmentally friendly is on the rise. Alongside this, we have the development of hybrid systems, which consist of the combination of two or more compounds, giving them numerous properties within a single system. This new approach has been extensively explored in recent years across various sectors, but it is still underexplored in agriculture. Among the problems faced by agriculture worldwide is zinc deficiency, which is the micronutrient with the greatest deficit across global crops. Zinc is necessary for the activation of enzymes in the plant's metabolic processes and is essential for chlorophyll synthesis. In this context, engineered nanomaterials based on zinc have been developed to address nutritional deficiencies and have the potential to release Zn in a controlled manner, reducing losses due to leaching. Furthermore, the use of the plant growth-promoting bacteria Azospirillum brasilense has often been combined with zinc due to its ability to enhance zinc absorption by the plant. However, the availability of these bacteria is influenced by various abiotic environmental factors. In this context, the objective of this thesis is to synthesize zinc oxide nanoparticles (ZnONPs) using the precipitation method and then prepare hybrid spheres through ionic gelation composed of polysaccharide hydrogels, such as sodium alginate and xylan, for the release of ZnONPs and the nitrogen-fixing bacteria A. brasilense. The behavior of these materials in soil and plants will be evaluated. The physicochemical analyses of the ZnONPs indicated a spherical morphology, a size distribution of 334 nm, and an average crystallite size of approximately 19.8 nm as determined by X-ray diffraction (XRD). Biological analyses demonstrated excellent growth of the bacteria and good compatibility of Azospirillum brasilense in the medium used for preparing the spheres. Thus, hybrid release systems were prepared, showing a spherical morphology and a size distribution of approximately ~3 mm, as well as the presence of ZnONPs and A. brasilense. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed the intrinsic distribution of Zn within the spheres, with energy peaks in the range of 8.65 keV for Zn. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) indicated interactions between polymers and ZnONPs. Thermal analysis by differential scanning calorimetry (DSC) showed changes with the mixing of materials (alginates and xylan) for each studied system. The effect of this hydrogel sphere system was also evaluated on maize plants grown in a greenhouse. Biometric analyses, plant nutrition, and soil fertility revealed little difference in Zn content across the different treatments. Release tests demonstrated that the co-encapsulated ZnONPs and bacteria in the spheres could release zinc ions and bacteria slowly and simultaneously. The release kinetics revealed that different mechanisms govern the process, with anomalous transport for the Zn ion and super case-II transport for A. brasilense. Therefore, our system shows promise, opening new discussions and perspectives for developing systems with the potential to alter zinc bioavailability in the soil, contributing to better micronutrient absorption and promoting plant growth and improvement.