Designing sustainable soil conditioners: Nanocomposite-based thermoplastic starch for enhanced soil health and crop performance
International Journal of Biological Macromolecules
Volume 297, March 2025
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.139747
- Jéssica S. Rodrigues
- Amanda S.M. de Freitas
- Henrique O.S. Vieira
- Lívia S. Emidio
- Stefanny F. Amaro
- Mariana A. Azevedo
- Iolanda C.S. Duarte
- Vagner R. Botaro
- Leonardo F. Fraceto
- Marystela Ferreira
Abstract:
A crescente demanda por soluções sustentáveis na agricultura, impulsionada pelo aumento da população global e pela intensificação da degradação dos solos, tem estimulado a busca por condicionadores de solo sustentáveis. Este estudo investigou o impacto da adição de nanargila (NC) e nanolignina (NL) ao amido termoplástico (TPS) em suas propriedades físicas, químicas e térmicas, bem como sua eficácia como condicionador de solo e sua resistência à degradação por radiação UV-C.
Nanocompósitos de TPS foram preparados com diferentes proporções de NC (3%, 5%, 7%) e NL (0,3%, 0,5%, 0,7%) e caracterizados por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (SEM), análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria diferencial de varredura (DSC). Foram avaliados testes de intumescimento, de solubilidade em tampão fosfato, de capacidade de troca catiônica (CTC) e de resistência à degradação por UV-C.
Os resultados indicaram que a incorporação de 7% de NC (TPS/NC7%) melhorou significativamente as propriedades de CTC e de intumescimento do TPS. Por outro lado, a adição de 0,3% de NL (TPS/NC7%/NL0,3%) aumentou a resistência à fotodegradação e a estabilidade térmica. Os nanocompósitos TPS/NC7%/NL0,3% também apresentaram maior retenção de água no solo, absorção eficiente e liberação controlada de fertilizantes NPK (nitrogênio, fósforo e potássio), redução significativa na lixiviação dos íons NH₄⁺, H₂PO₄⁻ e K⁺, além de atividade antimicrobiana contra bactérias Gram-positivas e Gram-negativas — evidenciando sua biodegradabilidade e potencial como condicionadores de solo para promover a sustentabilidade agrícola.
Além disso, testes realizados com tomate cereja confirmaram a eficácia desses nanocompósitos em condições reais de cultivo, com melhor desenvolvimento das mudas quando utilizou-se o condicionador de solo TPS/NC7%/NL0,3%.
Abstract:
The growing demand for sustainable solutions in agriculture, driven by global population growth and increasing soil degradation, has intensified the search for sustainable soil conditioners. This study investigated the impact of adding nanoclay (NC) and nano lignin (NL) to thermoplastic starch (TPS) on its physical, chemical, and thermal properties, its effectiveness as a soil conditioner, and its resistance to UV-C degradation. TPS nanocomposites were prepared with varying NC (3 %, 5 %, 7 %) and NL (0.3 %, 0.5 %, 0.7 %) proportions and characterized by FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), SEM (Scanning Electron Microscopy), TGA (Thermogravimetric Analysis), and DSC (Differential Scanning Calorimetry). Swelling tests, phosphate buffer solubility, cation exchange capacity (CEC), and UV-C degradation resistance were evaluated. Results indicated that incorporating 7 % NC (TPS/NC7%) significantly improved TPS’s CEC and swelling properties. Conversely, adding 0.3 % NL (TPS/NC7%/NL0.3 %) improved photodegradation resistance and thermal stability. The TPS/NC7%/NL0.3 % nanocomposites also demonstrated superior water retention in soil, efficient absorption and controlled release of nitrogen, phosphorus and potassium (NPK) fertilizer, significant reduction in the leaching of NH4+, H2PO4−, and K+ ions, and antimicrobial activity against both Gram-positive and Gram-negative bacteria, highlighting their biodegradability and potential as soil conditioners to promote agricultural sustainability. Additionally, tests conducted on cherry tomatoes confirmed the effectiveness of these nanocomposites under real cultivation conditions, with improved seedling development when using the TPS/NC7%/NL0.3 % soil conditioner.
