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Role of Cation Substitution and Synthesis Condition in a Calcium Phosphate-Based Novel Nanofertilizer on Lettuce (Lactuca sativa) Yield
ACS Sustainable Chemistry & Engineering ( IF 7.1 ) Pub Date : 2022-11-15 , DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c04451 Yuriy Sakhno 1 , Chuanxin Ma 2 , Jaya Borgatta 2 , Yan Jin 1 , Jason C. White 2 , Deb P. Jaisi 1
ACS Sustainable Chemistry & Engineering ( IF 7.1 ) Pub Date : 2022-11-15 , DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c04451 Yuriy Sakhno 1 , Chuanxin Ma 2 , Jaya Borgatta 2 , Yan Jin 1 , Jason C. White 2 , Deb P. Jaisi 1
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Hydroxyapatite nanoparticles (HANPs) have received increasing attention as a potential novel fertilizer. Although stoichiometric HANPs have limited solubility, they can be tuned for more controlled phosphorus (P) release applications. To enhance the dissolution for maximizing P delivery to plants, we synthesized HANPs and dicalcium phosphate anhydride (DCPA) under varying crystallization conditions (temperature, pH, and cation substitution). The efficacy of these materials in improving lettuce (Lactuca sativa) yield was investigated in the greenhouse. Comparative analyses of shoot and root biomass, tissue nutrient content, and P loss in the leachate show that all HANPs and DCPA stimulated lettuce growth, but the extent of enhancement was a function of synthesis condition. Lettuce fertilized with DCPA, a more soluble Ca–P product, showed two times higher crop yield than controls, but P loss in leachate was the highest. On the other hand, lettuce fertilized with HANPs synthesized at pH 7.0 resulted in a 73% greater crop yield than the control, and the P loss to leachate was lowest among all Ca–P products tested. Considering the 'green' efficiency that accounts for both promoting plant growth and limiting P loss, HANP synthesized at pH 7.0 is found to be more optimal. These results demonstrate that tuning the properties of HANPs is an effective approach to optimize P release to enhance crop yield and minimize P loss. These outcomes also provide a scientific basis for developing tunable nanofertilizers specific to a crop or soil condition and, thus, a sustainable approach toward meeting global food demands while simultaneously minimizing the negative environmental impacts of agriculture.
中文翻译：
磷酸钙基新型纳米肥料中阳离子取代和合成条件对生菜 (Lactuca sativa) 产量的作用
羟基磷灰石纳米粒子 (HANPs) 作为一种潜在的新型肥料受到越来越多的关注。尽管化学计量的 HANP 的溶解度有限，但可以对其进行调整以用于更受控的磷 (P) 释放应用。为了增强溶解以最大限度地向植物输送磷，我们在不同的结晶条件（温度、pH 和阳离子取代）下合成了 HANP 和磷酸氢钙 (DCPA)。这些材料提高生菜（Lactuca sativa ）的功效) 产量在温室中进行了调查。对芽和根生物量、组织养分含量和渗滤液中 P 损失的比较分析表明，所有 HANP 和 DCPA 都刺激了生菜的生长，但增强的程度是合成条件的函数。用 DCPA（一种更易溶解的钙磷产品）施肥的生菜，作物产量是对照的两倍，但渗滤液中的磷损失最高。另一方面，用 pH 7.0 合成的 HANP 施肥的生菜比对照作物产量高 73%，并且在所有测试的 Ca-P 产品中磷流失到渗滤液中是最低的。考虑到既促进植物生长又限制磷损失的“绿色”效率，发现在 pH 7.0 下合成的 HANP 更为优化。这些结果表明，调整 HANP 的特性是优化磷释放以提高作物产量和减少磷损失的有效方法。这些成果还为开发针对作物或土壤条件的可调纳米肥料提供了科学依据，从而为满足全球粮食需求同时最大限度地减少农业对环境的负面影响提供了一种可持续的方法。
更新日期：2022-11-15
中文翻译：
磷酸钙基新型纳米肥料中阳离子取代和合成条件对生菜 (Lactuca sativa) 产量的作用
羟基磷灰石纳米粒子 (HANPs) 作为一种潜在的新型肥料受到越来越多的关注。尽管化学计量的 HANP 的溶解度有限，但可以对其进行调整以用于更受控的磷 (P) 释放应用。为了增强溶解以最大限度地向植物输送磷，我们在不同的结晶条件（温度、pH 和阳离子取代）下合成了 HANP 和磷酸氢钙 (DCPA)。这些材料提高生菜（Lactuca sativa ）的功效) 产量在温室中进行了调查。对芽和根生物量、组织养分含量和渗滤液中 P 损失的比较分析表明，所有 HANP 和 DCPA 都刺激了生菜的生长，但增强的程度是合成条件的函数。用 DCPA（一种更易溶解的钙磷产品）施肥的生菜，作物产量是对照的两倍，但渗滤液中的磷损失最高。另一方面，用 pH 7.0 合成的 HANP 施肥的生菜比对照作物产量高 73%，并且在所有测试的 Ca-P 产品中磷流失到渗滤液中是最低的。考虑到既促进植物生长又限制磷损失的“绿色”效率，发现在 pH 7.0 下合成的 HANP 更为优化。这些结果表明，调整 HANP 的特性是优化磷释放以提高作物产量和减少磷损失的有效方法。这些成果还为开发针对作物或土壤条件的可调纳米肥料提供了科学依据，从而为满足全球粮食需求同时最大限度地减少农业对环境的负面影响提供了一种可持续的方法。
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