Eine neuartige Studie zur Herstellung komplexierter und verkapselter Nährstoffe im Nanometerbereich zur Verbesserung des Pflanzenwachstums

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11100 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Komplexierung von Mikronährstoffen mit Komplexbildnern reduziert unerwünschte Reaktionen von Düngemitteln im Bodenwassersystem. In Form einer komplexen Struktur bleiben Nährstoffe für Pflanzen in verwertbarer Form verfügbar. Nanoformdünger vergrößert die Oberfläche der Partikel und verringert den Kontakt des Düngers mit großen Flächen der Pflanzenwurzeln, wodurch die Düngemittelkosten gesenkt werden. Durch die Kontrolle der Düngemittelfreisetzung mithilfe von Polymermaterialien wie Natriumalginat werden landwirtschaftliche Verfahren effizienter und kostengünstiger. Mehrere Düngemittel und Nährstoffe werden in großem Umfang eingesetzt, um weltweit die Ernteerträge zu verbessern, und fast die Hälfte davon wird verschwendet. Daher besteht ein dringender Bedarf, die pflanzenverfügbaren Nährstoffe im Boden durch den Einsatz praktikabler, umweltfreundlicher Technologien zu verbessern. In der vorliegenden Forschung konnten komplexierte Mikronährstoffe mithilfe einer neuartigen Technik erfolgreich im Nanometerbereich verkapselt werden. Die Nährstoffe wurden mit Prolin komplexiert und mit Natriumalginat (Polymer) verkapselt. Süßbasilikum wurde über einen Zeitraum von drei Monaten sieben Behandlungen in einer mäßig kontrollierten Umgebung (25 °C Temperatur und 57 % Luftfeuchtigkeit) unterzogen, um die Wirkung synthetisierter komplexierter Mikronährstoff-Nanodünger zu untersuchen. Die strukturellen Veränderungen der komplexierten Mikronährstoff-Nanoformen von Düngemitteln wurden mittels Röntgenpulverbeugung (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Die Größe der hergestellten Düngemittel lag zwischen 1 und 200 nm. Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Streckschwingungspeaks bei 1600,9 cm−1 (C=O), 3336 cm−1 (N–H) und bei 1090,2 cm−1 (N–H in einer Drehung und Schaukelbewegung) entsprechen dem Pyrrolidin Ring. Mithilfe der Gaschromatographie-Massenspektrometrie wurde die chemische Zusammensetzung des ätherischen Öls der Basilikumpflanzen analysiert. Der Ertrag an ätherischen Ölen von Basilikumpflanzen stieg nach den Behandlungen von 0,0035 auf 0,1226 %. Die Ergebnisse der vorliegenden Forschung zeigen, dass Komplexierung und Einkapselung die Erntequalität, den Ertrag an ätherischen Ölen und das antioxidative Potenzial von Basilikum verbessern.

Aufgrund von Auswaschung, starkem Ackerbau, Verkalkung saurer Böden und Oberbodenerosion sind die Mikronährstoffdefizite in Kulturpflanzen in den letzten Jahren deutlich gestiegen1. Zu den negativen Auswirkungen des Mangels an Mikronährstoffen zählen eine geringe Qualität und ein geringer Ertrag der Ernte, ein weitverbreiteter Schädlings- und Krankheitsbefall, eine unvollkommene morphologische Struktur der Pflanze (z. B. geringe Größe und weniger kleine Xylemgefäße), eine geringe Aktivierung von Phytosiderophoren und eine verminderte Einsatzeffizienz von Düngemitteln in Pflanzen2. Auch wenn Kulturpflanzen Mikronährstoffe in geringeren Konzentrationen benötigen, sind sie für das Wachstum und den Ertrag vieler Nutzpflanzen unerlässlich3. Die oben genannten Probleme können durch den Einsatz von Mikronährstoffdüngern in Chelatform3 gelöst werden. Wurzelknoten von Pflanzen besitzen eine leicht negative Ladung und Metallionen von Mikronährstoffen sind von Natur aus elektropositiv, sodass sie sich an Wurzelknotenstellen binden und nicht in das Pflanzengewebe fließen. Wenn sich diese Nährstoffe mit einem Komplexbildner verbinden, werden sie neutral oder leicht negativ, sodass sie leicht durch das Pflanzengewebe gelangen. Prolin ist ein wirksamer zweizähniger Ligand4. Es schützt die Pflanze vor einer Vielzahl von Herausforderungen und hilft ihnen, sich schneller von Stress zu erholen. Prolin steigert das Pflanzenwachstum sowie andere physiologische Eigenschaften, wenn es gestressten Pflanzen exogen verabreicht wird5. Nährstoffe, die den Pflanzen in Form von Düngemitteln zugeführt werden, sind für ein angemessenes Pflanzenwachstum und ihren Stoffwechsel von entscheidender Bedeutung. Eine unzureichende Düngemittelversorgung der Nutzpflanzen führt jedoch zu einem Abfluss von 40–70 % des Düngemittels und führt zu einer Verunreinigung von Süß- und Grundwasserreservoirs mit Schwermetallen. Nanodünger liefern Nährstoffe genau nach dem Bedarf der Pflanze und reduzieren so den Nährstoffverlust in der Umwelt6. Die wichtigste und leistungsfähigste Technik ist die Entwicklung der Nanotechnologie zur kontrollierten Freisetzung von Düngemitteln und Pestiziden in der Landwirtschaft. Die Entwicklung von Nanoträgern, Nanodüngern und Nanosensoren hat die Düngemitteleffizienz bei minimalem Abfall verbessert7. Die Nanotechnologie hat sich bei der Synthese von Formulierungen mit kontrollierter Freisetzung von Agrochemikalien als recht erfolgreich erwiesen8. Zu den Vorteilen der Technologie zur kontrollierten Freisetzung gehören ein geringerer Bedarf an Wirkstoffen und eine längere Persistenz der Wirkstoffe im Wasser-Boden-System, wodurch landwirtschaftliche Methoden kostengünstiger werden. Darüber hinaus schützt dies das Grundwasser vor den gefährlichen Pestiziden, Insektiziden und anderen Chemikalien, die verwendet wurden9. Der Einsatz von Nanoträgern, die als Träger der notwendigen Mikronährstoffe fungieren und diese in der erforderlichen Menge und Zeitdauer liefern, ist eine der praktikablen Techniken zur Bekämpfung des Mikronährstoffmangels10. Die Verwendung natürlich vorkommender Polymere hat in den letzten Jahren aufgrund ihrer Ungiftigkeit, ihres Vorkommens in der Natur11, ihrer einfachen Verfügbarkeit12, ihrer geringen Kosten13, ihrer Umweltfreundlichkeit14, ihrer biologischen Abbaubarkeit15 und ihrer einfachen Funktionalisierung erheblich zugenommen. Die Studien, die über die Verwendung von Biopolymeren wie Natriumalginat, Chitosan, Stärke und Polysaccharid berichten, sind in der Literatur gut dokumentiert16. Aromatische Pflanzen werden in mehreren Branchen eingesetzt17,18 und Pflanzen wie Basilikum reagieren schnell auf Düngemittelanwendungen.

In der vorliegenden Studie wurden Experimente durchgeführt, um die Anwendung von Nährstoffdüngern auf den Basilikumertrag zu untersuchen, wobei Prolin als Komplexbildner und Natriumalginat als Immobilisierungsmaterial verwendet wurden. Die Neuheit der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung von immobilisierten und komplexen Düngemitteln, die eine Kosteneffizienz und eine Steigerung der Pflanzenproduktion durch Erhöhung der Bodenfruchtbarkeit bei ausgewogener Nährstoffverfügbarkeit aufweisen. Diese Studien werden hilfreich sein, um die Düngeempfehlungen zu verbessern und eine nachhaltige Produktion von Basilikum zu erreichen.

Für das richtige Wachstum der Ocimum-Basilicum-Pflanze wurde Kokosnuss-Kokos als Wachstumsmedium verwendet. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung von Kokosnuss, während Tabelle 2 seine physikalischen Eigenschaften auflistet. Die Töpfe wurden mit gründlich gemischter Erde, Sand und Kokosnussfaser im Verhältnis 3:3:1 gefüllt. Sand wurde mit der Absicht verwendet, den Boden aufzuweichen und ein gesundes Wurzelwachstum zu fördern. Die Samen von Ocimum basilicum wurden auf dem Markt in Faisalabad gekauft. Um Basilikumsamen anzubauen, wurde eine Setzlingsschale mit gemischter Erde gefüllt und zwei Samen pro Zelle in einer Tiefe von 1 cm ausgesät. Die Sämlingsschale wurde mit einer durchsichtigen Plastiktüte abgedeckt und die Erde wurde während des Samenwachstums feucht gehalten. Ocimum Basilicum-Sämlinge, die sich in einem guten Gesundheitszustand befanden, wurden in 20-Zoll-Töpfe verpflanzt. im Alter von vier Wochen (ein Sämling pro Topf), um ein optimales Pflanzenwachstum zu ermöglichen und die Menge an verfügbarer Gesamtfeuchtigkeit zu erhöhen. Die Luftfeuchtigkeit und Temperatur wurden in allen Töpfen gleichmäßig gehalten. Die Experimente wurden an der University of Agriculture in Faisalabad, Pakistan, unter Verwendung eines randomisierten vollständigen Blockdesigns in einem Gewächshaus mit einer Lichtintensität von 500 μmol/m2/s bei einer Temperatur von 25 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 57 % durchgeführt19. Alle Experimente wurden in Wiederholungen durchgeführt (vier Wiederholungen jeder Behandlung). Es gab insgesamt sieben Behandlungen mit jeweils vier Pflanzen.

Die in Tabelle 3 aufgeführten Mengen wurden verwendet, um die Lösungen der Makronährstoffnahrung (Sigma Aldrich) separat herzustellen20. Blindlösung (T1), Kontrolllösung für nicht immobilisierten Mikronährstoffdünger (T2), Kontrolllösung für immobilisierten Mikronährstoffdünger (T3) und zwei Arten von komplexierten Mikronährstoff-Nanodüngern (i), nicht immobilisierter Prolin-Mikronährstoff-Nanodünger NI/Pro- MNF (T4, T5) und (ii) immobilisierte Prolin-Mikronährstoffe Nanodünger I/Pro-MNF (T6, T7) wurden hergestellt, um die Behandlung gezielter Düngemittel damit zu testen.

In der folgenden Tabelle 4 sind die Mengen an Mikronährstoffen (Sigma Aldrich) aufgeführt, die in der aktuellen Untersuchung20 verwendet wurden. Die Mikronährstoffe wurden mit zwei unterschiedlichen Mengen gemischt, darunter 5 g und 7,5 g Prolin-Komplexbildner (Sigma Aldrich)20,21. Diese Lösung wurde gründlich gemischt und dann in einem Elektroofen bei 150 °C dehydriert. Nach dem Trocknen bei einer Temperatur von 150 °C ließ man den Dünger langsam auf Labortemperatur abkühlen. Nach dem Abkühlen wurde die endgültige Hartmasse mit einer Kugelmühle im Nanometerbereich (Maschenweite 1–1000 nm) zu einem feinen Pulver gemahlen6. Nicht immobilisierter Mikronährstoff-Nanodünger mit 5 g Prolin, nicht immobilisierter Mikronährstoff-Nanodünger mit 7,5 g Prolin, immobilisierter Mikronährstoff-Nanodünger mit 5 g Prolin und immobilisierter Mikronährstoff-Nanodünger mit 7,5 g Prolin wurden als T4, T5, T6 und T7 bezeichnet bzw. (Tabelle 5).

Um T2, T4 und T5 aus einer Mischung herzustellen, wurde 1 g jeder Stufe mit 1 l destilliertem Wasser verdünnt. Das Experiment dauerte 3 Monate und jede Woche wurden 100 ml vorbereiteter Dünger auf jede Pflanze aufgetragen.

Zur Herstellung immobilisierter oder eingekapselter Form von Nanodüngern für die Behandlungen T3, T6 und T7 wurde eine Natriumalginat-Mikroemulsion (Sigma Aldrich) hergestellt, indem 1 g Natriumalginat in 30 ml destilliertes Wasser mit 3–4 Tropfen Paraffin gegeben wurde Öl. Diese Mischung wurde 40 Minuten lang kräftig gerührt und dann 1,2 g Nanodünger aus der Brühe hinzugefügt. Diese dicke Paste wurde in eine Bürette gegeben und man ließ die Tröpfchen in eine 1 M Calciumchloridlösung (Sigma Aldrich)22 fallen, die sich in 300 feste Perlen verwandelte (Abb. 1), die drei Monate lang einmal als Einzeldosis auf jede Pflanze aufgetragen wurden.

(a) Einrichtung zur Herstellung von Nanoträgern, (b) vorbereitete Nanoträger.

Die hergestellten Prolin-komplexierten Mikronährstoff-Nanodünger wurden durch verschiedene Techniken charakterisiert, darunter:

Die Phasen sowie die Kristallinität der vorbereiteten Proben T2, T3, T4 und T6 wurden mittels Röntgenbeugung (XRD) untersucht. Die Proben wurden getrocknet und durch Kugelmühlen fein gemahlen. Die Scherrer-Gleichung, L = Kλ/β. cosθ wurde zur Berechnung der Größe von Nanokristalliten (L) verwendet. Zu diesem Zweck wurde das Diffraktometer D8 Advance von Brucker eingesetzt23.

Das Spectrum GX FT-IR-Spektrometer (Perkin Elmer, USA) wurde zur Durchführung einer FT-IR-Analyse (Fourier-Transformations-Infrarot) der synthetisierten Nanodüngerproben T2, T3, T4 und T6 verwendet. Zu diesem Zweck wurden insgesamt 32 Scans mit einer Wellenzahl von 4000–400 cm−1 und einer Auflösung von 4 cm−1 gesammelt. Die FT-IR-Analyse wurde unter Verwendung von Kaliumbromid als Matrix22,24,25 durchgeführt.

SEM (Rasterelektronenmikroskopie) (Nova NanoSEM) wurde verwendet, um die Form, Oberflächenmorphologie, das Verhalten und die Analyse der synthetisierten Nanodünger T2, T3, T4 und T6 zu beurteilen.

Nach der Düngung wurden an allen Pflanzen Messungen durchgeführt26. Es gab insgesamt sieben Behandlungen mit jeweils vier Pflanzen.

Für jede Behandlung wurden Gewicht, Höhe, Feuchtigkeitsgehalt und Aschegehalt der Pflanze geschätzt. Geerntete Pflanzen wurden bei 60 °C in einem Elektroofen getrocknet, bis das Probengewicht konstant blieb26. Anschließend wurde es zu einem feinen Pulver gemahlen und für die weitere Verwendung ordnungsgemäß gelagert27.

Hydrodestillationsgeräte vom Typ Clevenger wurden verwendet, um den Ertrag an ätherischen Ölen (EO) von Basilikumpflanzen zu bewerten, die mit synthetischen, nicht immobilisierten und immobilisierten, komplexierten Mikronährstoff-Nanodüngern behandelt wurden28,29,30. Abgewogenes Basilikum-Pflanzenmaterial wurde zur EO-Extraktion in einem Rundkolben in Wasser eingeweicht31,32. Die EO-Ausbeute wurde mit Hilfe der folgenden Formel berechnet und der Tukey-HSD-Test wurde auf die Daten angewendet

Biologische Aktivitäten wie Antioxidantien33 und insektizide Aktivitäten34 aller Pflanzen wurden nach der Anwendung von sieben verschiedenen Behandlungen gemäß den in der Literatur angegebenen Standardmethoden bewertet. Diese Aktivitäten wurden durch Herstellung des Extrakts aus Basilikumpflanzen mit Methanol bewertet.

Basilikum EO (0,1 µl) wurde unter den folgenden Bedingungen in ein GC-MS (QP-2000-Gerät, ausgestattet mit einem massenselektiven HP 597A-Detektor und einer Kapillarsäule aus Ulbon HR1) injiziert: Als Trägergas wurde Helium verwendet, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömte von 1,5 ml/min mit einem Temperaturbereich von 70 bis 225 °C (100 °C/min); Die Injektor- und Detektortemperaturen betrugen 250 bzw. 280 °C. Die Massenspektrometriebedingungen waren wie folgt: Massenbereich von 0–400 Da, Ionisationsspannung von 70 eV und Emissionsstrom von 40 mA35. Unbekannte Chemikalien wurden durch den Vergleich der beobachteten Spektren mit Massenspektrumbibliotheken identifiziert.

Es wird geltend gemacht, dass die experimentelle Forschung an Pflanzen, einschließlich der Sammlung von Pflanzenmaterial, den einschlägigen institutionellen, nationalen und internationalen Richtlinien und Gesetzen entsprach. Die Verfahren/Genehmigungen für die Pflanzensammlung und alle anderen Protokolle wurden vom Prüfungsausschuss des Fachbereichs Chemie der Universität für Landwirtschaft, Faisalabad, Pakistan, genehmigt.

Die Höhe, Biomasse, Feuchtigkeit, Asche und der prozentuale Ölertrag aller Pflanzen wurden bewertet. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt. Alle Behandlungen (T2–T7) zeigten höhere Biomassegehalte und einen besseren Ertrag an ätherischen Ölen (%) als die Nullbehandlung . Bei allen Behandlungen zeigte T7 den höchsten Anteil an ätherischen Ölen. Gemäß Tabelle 7 liegt der p-Wert, der der F-Statistik der einfaktoriellen ANOVA entspricht, unter 0,05, was darauf hindeutet, dass eine oder mehrere Behandlungen signifikant unterschiedlich sind. Um herauszufinden, welche der Behandlungspaare sich signifikant voneinander unterscheiden, wurde der Tukey-HSD-Test auf die Daten angewendet. Der dem Tukey HSD-Test entsprechende p-Wert liegt für alle Behandlungen unter 0,01, was darauf hindeutet, dass alle Behandlungspaare signifikant unterschiedlich sind. Maximale und minimale Feuchtigkeitskonzentrationen wurden jeweils in T1 und T6 aufgezeichnet. T6 hatte die höchsten Aschegehalte und T2 den niedrigsten27.

Die Ergebnisse der GC-MS-Analyse des nach allen Behandlungen produzierten ätherischen Basilikumöls sind in Abb. 2 dargestellt. Bei den Behandlungen (T2–T7) wurde eine größere Anzahl an Verbindungen festgestellt als bei der Leerprobe (T1)36,37. In ätherischem Öl, das aus Basilikumpflanzen der Klassen T1, T2, T3, T4, T5, T6 und T7 hergestellt wurde, waren es 16, 24, 24, 18, 22, 22 und 23 identifizierte chemische Bestandteile. Es wurde festgestellt, dass Estragol der Hauptbestandteil der EO-Öle aller behandelten Basilikumpflanzen ist. Es wurde festgestellt, dass Estragol in Behandlung T5 eine maximale Konzentration und in Behandlung T1 eine minimale Konzentration aufwies (leer). Die Estragolspiegel variierten auch mit der Immobilisierung von Düngemitteln38,39,40. Es ist bekannt, dass die kommerziellen Sorten von „Sweet Basil“ Methylchavicol (Estragol), Eugenol, Linalool und 8-Cineol als Hauptbestandteile ätherischer Öle enthalten41. Abhängig von der Jahreszeit, dem Standort und dem auf der Pflanze verwendeten Dünger ändert sich das Verhältnis der verschiedenen EO-Komponenten stark42,43,44. Estragol, ein Phenylpropanoid-Derivat, kommt häufig in verschiedenen Pflanzen sowie in Ocimum Basilicum (Süßbasilikum) vor45. Dabei handelt es sich um eine natürlich vorkommende Substanz, die aus Fenchel, Sternanis, Anis und Basilikum gewonnen werden kann. Aromen und Duftstoffe, die Estragol enthalten, werden häufig in Parfüms, Lebensmitteln, Reinigungsmitteln und Seifen verwendet. Nach Angaben der Flavor and Extract Manufacturers Association (FEMA) wird die Estragol-Exposition in den USA auf 70 µg pro Kopf und Tag geschätzt46. Estragol hingegen beeinflusst das Gesamtaroma des Ocimum Basilicum erheblich.

GCMS-Analyse von ätherischem Basilikumöl (i) T1 (leer), (ii) T2 (Kontrolle), (iii) T3 (immobilisiert), (iv) T4 [Prolin (5 g)], (v) T5 [Prolin ( 7,5 g)], (vi) T6 [Prolin immobilisiert (5 g)], (vii) T7 [Prolin immobilisiert (7,5 g)].

Prolin weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die zu seiner Fähigkeit beitragen, die Pflanzenresistenz zu verbessern. (i) Prolin, ein starker Osmolyt, kann den zellulären osmotischen Druck erhöhen47. (ii) Prolin schützt vor oxidativen Schäden. Als eine der frühesten pflanzlichen Reaktionen auf biogenen und abiogenen Stress gilt allgemein oxidativer Stress (ein Anstieg der Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies (ROS))48. Die Struktur eines Prolinmoleküls ermöglicht direkte Wechselwirkungen mit mehreren Arten von ROS, wodurch diese inaktiviert und ihre Spiegel gesenkt werden. Darüber hinaus kann Prolin oxidativen Stress reduzieren, indem es die antioxidativen Enzyme Katalase, Ascorbatperoxidase und Superoxiddismutase auslöst49. (iii) Prolin fungiert als Chelator für Metalle und bildet mit ihnen ungiftige Verbindungen. (iv) Prolin funktioniert ähnlich wie Protein-Chaperone, Hitzeschockproteine, indem es die stressbedingte Denaturierung und Aggregation von Proteinen stoppen und gleichzeitig Zellstrukturen stabilisieren kann. Prolin verhindert die Denaturierung von Proteinen, wenn es mit antioxidativen Enzymen5,50 und anderen Proteinen51,52 interagiert. Es kann auch indirekte Schutzwirkungen auf die Proteinstruktur ausüben, indem es die Wirkung von Chaperonen selbst reguliert53. (v) Prolin ist von Natur aus proteinogen, was bedeutet, dass es an der Proteinsynthese beteiligt sein kann. Es sorgt für Steifheit und Stabilität der Struktur eines Proteins in einem Bereich eines „Bruchs“, wenn es innerhalb der Alpha-Helix- und Beta-Band-Segmente des Proteins positioniert ist. Diese Eigenschaft soll Enzyme vor unspezifischem proteolytischem Abbau schützen. Prolin spielt eine Rolle bei der Synthese prolinreicher Proteine (PRPs), die die Funktion der Zellwände als Barriere gegen Krankheitserreger und ungünstige Umweltbedingungen unterstützen. (vi) Prolin übernimmt Signalaufgaben, indem es die Produktion der Gene auslöst, die für die Enzyme kodieren, die Pflanzen bei der Abwehr von Stressfaktoren unterstützen. Beispielsweise kann es die Gene für antioxidative Enzyme (Katalase, Ascorbatperoxidase, Superoxiddismutase usw.) aktivieren54.

Den Ergebnissen zufolge zeigten T5, T6, T6 und T4 höhere TPC- (Gesamtphenolgehalte), TFC- (Gesamtflavonoidgehalte), DPPH- (α-Diphenyl-β-picrylhydrazyl) und RPA-Aktivitäten (reduzierende Leistungsaktivität). jeweils. Die Behandlung (T2) zeigte nach der Leerprobe die niedrigsten TPC-, TFC-, DPPH- und RPA-Aktivitäten. Das antioxidative Potenzial jeder Probe hängt von der Substitution, der Konfiguration und der Gesamtzahl der Hydroxylgruppen (OH) ab. die Anordnung der funktionellen Gruppen um die Kernstruktur; und die Gesamtzahl, Struktur und das Vorkommen antioxidativer Wirkstoffe. In früheren Studien wurde außerdem beobachtet, dass Basilikumpflanzen starke antioxidative Eigenschaften haben55.

Khapra-Käfer wurden methanolischen Extrakten von Basilikumpflanzen ausgesetzt, die in der aktuellen Studie behandelt wurden, um die insektizide Wirkung zu testen. Abbildung 3 zeigt die Abwehrwirkung von Khaprakäfern gegen die sieben Basilikumpflanzenextrakte. Den Ergebnissen zufolge hatten T1 und T2 nach 48-stündiger Exposition die geringste Abwehrwirkung, während T7 die höchste Abwehrwirkung aufwies. Nach 72 Stunden wurden ähnliche Effekte erzielt. Es wurde gezeigt, dass die insektizide Wirkung dieses Extrakts auf die im ätherischen Öl enthaltenen Monoterpenmoleküle zurückzuführen ist. Zuvor wurden insektenabweisende Wirkungen bestimmter EO und ihrer isolierten Verbindungen beobachtet56. Hauptbestandteile, die für die insektizide Wirkung von Pflanzenextrakten und EO verantwortlich sind, sind Monoterpenoide57. Es wurde festgestellt, dass die aktuellen Ergebnisse mit früheren übereinstimmen58.

Insektenabweisende Wirkung des metanolischen Extrakts behandelter Basilikumpflanzen nach 48 und 72 Stunden.

Abbildung 4a, b zeigen das FTIR-Spektrum von immobilisiertem Kontroll-Nanodünger bzw. nicht-immobilisiertem Kontroll-Nanodünger. Es ist zu erkennen, dass sich die Peaks sowohl des a- als auch des b-Spektrums in Abb. 4 deutlich voneinander unterscheiden, was die erfolgreiche Modifikation der synthetisierten Nanodünger zeigt. Diese Düngemittel wurden ohne den Komplexbildner Prolin synthetisiert, um die Wirkung komplexierter Nanodünger (CNF) mit diesen Nanodüngern zu bewerten. Das Spektrum zeigt mehrere Peaks, die auf das Vorhandensein verschiedener funktioneller Gruppen im hergestellten Nanodünger hinweisen. Das Hauptziel der Durchführung einer FTIR-Studie an synthetisierten Nanodüngern bestand darin, den Effekt der Immobilisierung zu bestimmen. Der Einbau von Nährstoffen in immobilisiertes Material kann durch die Peakverschiebung in den FTIR-Spektren auf 3334,1 cm−1, 2357,5 cm−1, 2260,8 cm−1, 1623,3 cm−1, 1418,3 cm−1 und 1054,8 cm−1 erklärt werden. Die Streckschwingung von C=O durch Natriumalginat zeigte einen Peak bei 1000–1100 cm−160. Die Schwingung der Na-O-Bindung war mit dem Peak verbunden, der bei 1000 cm−1 auftrat.

FTIR-Spektren von (a) Kontrolle (T2) und (b) immobilisiertem Kontroll-Nanodünger (T3).

Das FTIR-Spektrum von nicht immobilisierten komplexierten Mikronährstoffen mit Prolin-Nanodünger (NI/Pro-MNF) und immobilisierten komplexierten Mikronährstoffen mit Prolin-Nanodünger (I/Pro MNF) ist in Abb. 5a, b dargestellt. Es gibt einen deutlichen Unterschied zwischen den Peaks der beiden Spektren a und b in Abb. 5. Das Auftreten mehrerer Peaks im Spektrum zeigt, dass der synthetisierte Nanodünger über verschiedene Funktionsgruppen verfügt. Die Streckschwingungen von C=O und N–H sind für die Peaks in den FTIR-Spektren verantwortlich, die bei 1600,9 cm−1 und 3336 cm−161 beobachtet werden. Der Peak des FTIR-Spektrums von NI/Pro-MNF, der bei 1090,2 cm−1 erschien, entspricht jedoch dem N-H des Pyrrolidinrings in einer Dreh- und Schaukelbewegung. Andere Forscher62 haben ebenfalls über ähnliche Ergebnisse berichtet. Der Wellenzahlbereich zwischen 900 und 1100 cm-1 zeigte Streckungsfrequenzen von Metall-Sauerstoff und der Bereich zwischen 1100 und 1150 cm-1 zeigte Streckungsfrequenzen von Metall-Stickstoff. Die Peakverschiebung im FTIR-Spektrum von I/Pro-MNF (Abb. 5b) auf 3341,6 cm−1, 1615,8 cm−1 und 1054,8 cm−1 wurde dem Einbau von Nährstoffen in die immobilisierte Substanz zugeschrieben59. Die Streckschwingung von C=O in Natriumalginat zeigte einen Peak bei etwa 1000–1100 cm−160,63 und die Schwingung der Na-O-Bindung war mit dem Peak verbunden, der bei 1000 cm−164 erschien.

FTIR-Spektren von (a) NI/Pro-MNF (T4) und (b) I/Pro-MNF (T6).

Die REM-Bilder der Kontrolle und der immobilisierten Kontrolle sind in Abb. 6a bzw. b dargestellt. In Abb. 6a wurde die blockartige Struktur mit deutlichen Kanten in der Morphologie der Kontrolldünger beobachtet. Abbildung 6a, b zeigte, dass es zu keiner Agglomeration oder Clusterbildung kam, da in ihnen kein Komplexbildner vorhanden war. Abbildung 6b zeigte, dass die Morphologie der immobilisierten Kontrolle eine komplizierte Agglomeration von Partikeln aufweist. Außerdem ist aus den Bildern ersichtlich, dass die immobilisierte Substanz (Natriumalginat) den Kontrolldünger effektiv an der Oberfläche sorbiert hat. Die früheren Studien haben die Überlegenheit von Natriumalginat als Material für die Immobilisierung von Komponenten gezeigt, die hauptsächlich durch den Sorptionsprozess erfolgt65. Abbildung 6a, b im Nanometermaßstab zeigen, dass Nanodünger erfolgreich synthetisiert wurde, da viele der Partikel in diesem Bereich sichtbar sind.

REM-Bilder hergestellter Nanodünger (a) nicht immobilisierte Kontrolle (T2), (b) immobilisierte Kontrolle (T3), (c) NI/Pro-MNF (T4), (d) I/Pro-MNF (T6).

Die REM-Bilder von NI/Pro-MNF und I/Pro-MNF sind in Abb. 6c bzw. d dargestellt. Beide REM-Bilder von NI/Pro-MNF und I/Pro-MNF wurden verwendet, um den Unterschied zwischen Oberflächen- und morphologischen Eigenschaften herauszufinden. Die Morphologie von NI/Pro-MNF (Abb. 6c) zeigt die kugelähnliche Form und einige ovale Formen zusammen mit weichen makroskopischen Trennungen. Darüber hinaus zeigen die makroskopischen Zwischenräume zwischen den Partikeln deutlich, dass der Komplexbildner (Prolin) gut dispergiert wurde und aggregierte kleine Partikel vorhanden sind, die auf der Oberfläche verteilt sind66. In Abb. 6d zeigte die Morphologie des I/Pro-MNF, dass es eine glatte Schichtstruktur mit komplexer Aggregation besaß. Außerdem ist aus den Bildern ersichtlich, dass die immobilisierte Substanz (Natriumalginat) den Kontrolldünger effektiv auf der Oberfläche absorbiert hat65. Die im Nanometermaßstab erhaltenen Abbildungen 6c und d zeigen, dass der Nanodünger erfolgreich synthetisiert wurde, da viele der Partikel in diesem Bereich sichtbar sind.

Wenn sich die Kristallgröße aus einem Massenmaterial auf die Dimensionen von Nanogrößen reduzierte, kam es zu einer Verbreiterung der XRD-Peaks. Die Scherrer-Gleichung D = κλ/(β θ cos) wird insbesondere zur quantitativen Bestimmung der Peakverbreiterung im Beugungswinkel (θ) verwendet, die mit der Breite des Peaks auf halber Höhe (β) und dem Kristall zusammenhängt Domaingröße (D)67. Die Scherrer-Konstante κ wird typischerweise mit 0,968 angenommen, aber die Morphologie der Kristalldomäne kann den Wert der Scherrer-Konstante κ ändern. Die Wellenlänge (λ) ist abhängig von der verwendeten Art der Röntgenstrahlung. In der Scherrer-Gleichung wird der Beugungswinkel im Bogenmaß (nicht in Grad) angegeben und entspricht θ und nicht 2θ, wie es normalerweise in einem XRD-Muster aufgetragen wird. Die Größe der kristallinen Domäne entspricht nicht unbedingt der Partikelgröße, da Partikel polykristallin sein können und mehrere kristalline Domänen enthalten69. Die durchschnittliche Partikelgröße der Kontrolle und des immobilisierten Kontroll-Nanodüngers betrug 24,49 nm bzw. 24,50 nm70,71. Die durchschnittliche Partikelgröße von NI/Pro-MNF wurde mit 27,75 nm bestimmt, während die durchschnittliche Partikelgröße von I/Pro-MNF 37,81 nm betrug70,71 (Abb. 7).

XRD-Spektren von (a) nicht immobilisierter Kontrolle (T2), (b) immobilisierter Kontrolle (T3), (c) NI/Pro-MNF (T4), (d) I/Pro-MNF (T6).

Die Komplexierung von Mikronährstoffen mit Komplexbildnern reduziert unerwünschte Reaktionen von Düngemitteln im Bodenwassersystem. Diese eingekapselten Düngemittel werden über einen längeren Zeitraum auf Pflanzen angewendet, da das Polymermaterial biologisch abgebaut wird und entsprechend dem Pflanzenbedarf geladene Nährstoffe freisetzt. Das Ausbringen von Düngemitteln auf dem Feld bringt also erhebliche Kosteneinsparungen mit sich und bietet die Möglichkeit, die Arbeitskosten zu senken. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, alle oben genannten Punkte durch die Synthese immobilisierter und nicht immobilisierter komplexierter Nanodünger anzugehen. Durch SEM- und XRD-Analyse wurde festgestellt, dass die Größe der hergestellten Düngemittel zwischen 1 und 200 nm lag. In NI-Pro-MNF entsprechen die Streckschwingungspeaks bei 1600,9 cm−1 (C=O), 3336 cm−1 (N–H) und bei 1090,2 cm−1 dem N–H des Pyrrolidinrings in einer Dreh- und Schaukelschwingung der Nachweis einer Komplexbildung von Metallionen mit dem Komplexbildner Prolin. Das FTIR-Spektrum von I/Pro-MNF zeigt, dass Nanokomplexe erfolgreich geladen oder eingekapselt wurden, da die Schwingung der Na-O-Bindung mit dem Peak verbunden war, der bei 1000 cm−1 erschien. Die Wirkung dieser zubereiteten Düngemittel wurde auf Basilikumpflanzen überprüft. Basilikumpflanzen dienen nicht nur als Gartenschmuck, sondern dienen auch als Quelle ätherischer Öle (EO), die in Lebensmitteln, Düften und Aromen verwendet werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass immobilisierte Nanodünger im Vergleich zu nicht immobilisierten Nanodüngern allgemein die Wachstumsparameter der Basilikumpflanze verbessern. Der erhöhte EO-Ertrag von 0,0035 auf 0,1226 % und andere Pflanzenwachstumsparameter bei Basilikumpflanzen nach der Anwendung verschiedener synthetisierter Nanodünger zeigen, wie wichtig das landwirtschaftliche Nährstoffmanagement für den Anbau von Basilikumpflanzen ist. Eine Verbesserung der Qualität und Quantität der Ernte ist durch die Verfügbarkeit ausreichender Nährstoffmengen entsprechend den Pflanzenanforderungen, der Bodenbeschaffenheit und der Haupterntezeit möglich.

Alle Daten sind im Manuskript enthalten. Sollten weitere für die Veröffentlichung relevante Daten erforderlich sein, würde der korrespondierende Autor diese bereitstellen.

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Die Autoren möchten dem Office of Research, Innovation and Commercialization (ORIC) für die Unterstützung während des gesamten Projekts danken.

Labor für Nano- und Biomaterialien, Fachbereich Chemie, Universität für Landwirtschaft, Faisalabad, 38040, Pakistan

Marium Khaliq, Muhammad Asif Hanif und Ijaz Ahmad Bhatti

Abteilung für Biochemie, Universität für Landwirtschaft, Faisalabad, 38040, Pakistan

Zahid Mushtaq

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MK: Konzipierte und gestaltete die Analyse, Untersuchung, sammelte die Daten, verfasste den Originalentwurf. MAH: Supervision, Konzeptualisierung, Datenkuration. IAB: Formale Analyse, schriftliche Überprüfung und Bearbeitung. ZM, MS: Datenkuration, Validierung.

Korrespondenz mit Muhammad Asif Hanif.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Khaliq, M., Hanif, MA, Bhatti, IA et al. Eine neuartige Studie zur Herstellung komplexierter und verkapselter Nährstoffe im Nanometerbereich zur Verbesserung des Pflanzenwachstums. Sci Rep 13, 11100 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37607-x

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Eingegangen: 23. Februar 2023

Angenommen: 24. Juni 2023

Veröffentlicht: 09. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37607-x

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