Interaction of CoFe2O4 nanoparticles for wheat and bean fortification.

Abstract

Esta investigación se realizó por necesidad de transformar nuestro actual sistema de producción de alimentos en uno más sustentable; y que permita producir alimentos con mayor valor nutricional. En este sentido, exploré el uso de nanopartículas (NPs) de cobalto-ferrita recubiertas de citrato (CoFe2O4 NPs) como fertilizante alternativo para la fortificación agronómica de Fe de trigo y frijol. El trabajo se divide en cuatro capítulos. A través del primer capítulo, el lector descubrirá el contexto de la nanotecnología agrícola (con énfasis en el uso de NPs metálicas) y los aspectos a tomar en cuenta para el diseño de nano fertilizantes, así como las variables que influyen en la interacción entre NP-planta-microorganismo-suelo, formas de aplicar la nanotecnología en la agricultura y la remediación de suelos. En el Capítulo 2 se presenta la caracterización de las NPs de CoFe2O4 y su modelo de disolución por efecto de la solución del suelo y exudados radicales artificiales (ERA). Identifiqué que las NPs son insolubles en la solución del suelo, pero tanto Fe como Co se liberan por la acción de los ERA. El modelo de disolución de las NPs por efecto de los ERA con base a Co y Fe fue de pseudo-segundo orden y de Korsmeyer-Peppas, respectivamente. En los Capítulos 3 (experimento con trigo) y 4 (experimento con frijol) se presentan los resultados de la aplicación de NPs con propósito de biofortificación. Las NPs se aplicaron en tres formas: al suelo, y foliares (Capítulo 3) y a través de seed priming (o nano-priming; Capítulo 4). En trigo, la fertilización al suelo con 68 mg Fe kg-1 como NPs incrementó la concentración de Fe en grano 1.37 y 0.26 veces por arriba de la concentración objetivo de biofortificación (60 mg kg-1). A demás se redujo significativamente la concentración de ácido fítico del grano en comparación con la fertilización con Fe-EDTA y foliar de NPs. Sorprendentemente, el nano-priming en frijol (10 y 40 mg L-1) aumentó de 5% a 27% la concentración de Zn en grano con respecto a la de los granos del testigo. La relación molar ácido fítico:Zn más baja (3:1) se observó en las semillas de las plantas procedentes de semillas con nano-priming a 10 mg L-1. A pesar de que el nano-priming no aumentó el rendimiento económico del frijol, éste puede ser una herramienta para aumentar el contenido mineral del grano sin necesidad de añadir una fuente externa de nutrientes. Estos resultados son prometedores, sin embargo, el costo de la tecnología es clave para su uso extendido e inversión comercial. Para el nano-priming, el costo osciló de 121 a 143 USD por ha de cultivo de frijol y usando una suspensión de NPs de 10 a 40 mg L-1. Para la biofortificación del trigo, el costo por ha de fertilización al suelo (98-145 mg kg-1) osciló de 44,283 a 65,523 USD y 1.553 USD para la fertilización foliar. Por último, al analizar el costo-beneficio de los nanofertilizantes en la biofortificación se recomienda considerar los beneficios indirectos, como el costo indirecto de las deficiencias de micronutrientes en la población, o las emisiones de alcance 2. _______________ INTERACTION OF CoFe2O4 NANOPARTICLES FOR WHEAT AND BEAN FORTIFICATION. ABSTRACT: This research was inspired by the existing need to transform our current food production system into one that is more sustainable, and the growing concern to produce food with better nutritional quality. In this regard, I explored the use of citrate-coated cobalt ferrite nanoparticles (CoFe2O4 NPs) as an alternative Fe fertilizer for the agronomic fortification of wheat and beans. This thesis comprises four chapters. In the first section, the context of agricultural nanotechnology (focusing on the use of metal NPs) and the various issues to consider in the design of nanofertilizers are presented. The variables that influence the NP-plant-microorganism-soil interaction and the different ways in which nanotechnology is applied in agriculture and soil remediation are also discussed. Chapter two discusses the characterization of CoFe2O4 NPs and their dissolution model based on the effect of soil solution and artificial root exudates (ARE), which are relevant for determining the dosage and application form. I found that the NPs are almost insoluble in the soil solution. However, they can also be used as a source of controlled release of Fe and Co through the action of artificial root exudation. The model of NPs dissolution by the effect of ARE on Co was a pseudo-second-order model, and Fe followed the Korsmeyer-Peppas model. Meanwhile, NPs were applied in three different forms: soil and foliar (Chapter 2), and seed priming (Chapter 3). In the wheat experiment, soil application of NPs at 68 mg Fe kg-1 increased grain by 1.37 and 0.26 times above the target biofortification concentration (60 mg kg-1) of the lines inefficient in grain Zn storage and inefficient in P uptake, respectively. Likewise, soil fertilization with NPs significantly reduced grain phytic acid concentration compared to fertilization with Fe-EDTA, and foliar application of NPs. Surprisingly, the nano-priming treatment at 10 and 40 mg NPs L-1 increased the Zn concentration in beans by 5% -27% compared to the control treatment seeds. Seeds from plants of the treatment with 10 mg NPs L-1 had the lowest phytic acid:Zn molar ratio. Although bean yield was not improved, nano-priming may be an alternative to improve bean quality without the addition of an external nutrient source. These results are encouraging for the nano-enabled biofortification of wheat and bean; however, the cost may be a key concern for its widespread application and business investment. The calculated cost of nano-priming of bean seeds ranged from 121 to 143 USD per ha when using NPs suspension concentrations from 10 to 40 mg NPs L-1. Meanwhile, the estimated cost for soil fertilization of wheat (98-145 mg NPs kg-1), ranged from 44,283 to 65,523 USD per ha, and 1,553 USD for foliar fertilization per ha. Finally, the indirect benefits of nano-enabled biofortification should be considered in the cost-benefit analysis, such as the burden costs of micronutrient deficiencies in the population, the Scope 2 emissions, or the potential low inputs.