Utafiti huu wa preprint unachunguza jinsi nanopartikeli za metali zinazotumika au zinazoweza kuchanganyika kwenye udongo wa kilimo zinavyoweza kuathiri uhamaji wa shaba chini ya hali zinazobadilika za oksijeni. Watafiti waliongeza nanopartikeli za oksidi ya shaba, nanopartikeli za chuma na nanopartikeli za fedha kwenye udongo mbili wa Mollisol wenye shaba nyingi. Kisha walisogeza kusimamishwa kwa udongo katika mzunguko kati ya hali ya oksiki na suboksiki kwa muda wa 35 days.

Matokeo makuu ni ya kuvutia sana: Nanopartikeli za oksidi ya shaba zilifanya kama chanzo endelevu cha shaba kwenye udongo. Nanopartikeli za chuma, ingawa hazikuongeza shaba moja kwa moja, ziliimarisha mizunguko ya kuyeyuka na kushikwa tena kwa shaba kupitia mabadiliko ya redoksi. Nanopartikeli za fedha zilionyesha athari ndogo zaidi ya moja kwa moja kwenye uhamaji wa shaba.

Utafiti unaonyesha, hasa katika maeneo ya kilimo ambapo ukame na mafuriko ya muda mfupi yanaongezeka, kwamba tathmini ya hatari ya nanopartikeli inapaswa kufanywa kulingana na hali zinazobadilika za redoksi, si tu hali thabiti za maabara.

Tatizo ni nini?

Kemia ya udongo si thabiti. Udongo wa kilimo wakati mwingine hukaa katika hali yenye hewa, oksijeni nyingi na kavu; wakati mwingine baada ya mvua nyingi, umwagiliaji au mafuriko huhamia hali yenye oksijeni iliyopungua. Mabadiliko haya huitwa mabadiliko ya redoksi.

Redoksi kwa ufupi inaeleza hali za kemikali zinazohusiana na ubadilishanaji wa elektroni. Wakati oksijeni iko kwenye udongo, baadhi ya metali zinaweza kushikwa katika hali thabiti zaidi. Wakati oksijeni inapungua, miundo ya madini inayoshikilia elementi kama chuma, manganese na shaba inaweza kuyeyuka au kuumbwa upya. Hii inaweza kufanya metali ziwe na uhamaji zaidi au ziwe rahisi zaidi kufikiwa na mimea na viumbe vya udongo.

Metali iliyo katikati ya utafiti huu ni shaba. Shaba inaweza kuwa mikroelementi muhimu kwa mimea; lakini ikiwa inakuwa yenye uhamaji kupita kiasi, inageuka kuwa chanzo cha mkazo kwa viumbe vya udongo na mizizi. Tatizo si tu kiasi cha jumla cha shaba, bali ni katika umbo gani iko na kiasi gani kinakuwa chenye uhamaji katika suluhisho.

Nanopartikeli zinazifanya hesabu hii kuwa ngumu zaidi. Katika kilimo, nanopartikeli za oksidi ya shaba zinaweza kuchanganyika kwenye mazingira kupitia udhibiti wa kuvu na bakteria, nanopartikeli za chuma kupitia kushika au kubadilisha uchafu, na nanopartikeli za fedha kutokana na sifa zao za antimikrobia. Hata hivyo bado si wazi jinsi chembe hizi zinavyoathiri usawa wa metali wa udongo chini ya hali zinazobadilika za oksijeni.

Kwa hiyo swali kuu la utafiti ni hili:

Chini ya hali zinazobadilika za oksijeni, nanopartikeli za metali zinabadilishaje kuyeyuka, kushikwa na kuhamishwa tena kwa shaba kwenye udongo?

Mbinu inapendekeza nini?

Watafiti walichukua sampuli mbili za udongo wa Mollisol kutoka eneo la kilimo nchini Chile. Ingawa udongo huo ni sawa, hutofautiana kwa suala la madini ya kikaboni na uwezo wa kubufa.

Udongo ulipewa majina yafuatayo:

• MA: Udongo wenye madini ya kikaboni kidogo na uwezo mdogo wa kubufa.
• MB: Udongo wenye madini ya kikaboni zaidi na uwezo mkubwa wa kubufa.

Tofauti hii ni muhimu kwa sababu madini ya kikaboni yanaweza kutengeneza kompleks na metali kama shaba. Yaani badala ya kuiacha shaba iwe huru kabisa, yanaweza kuishika na kupunguza uhamaji wake.

Katika jaribio, aina tatu za nanopartikeli zilijaribiwa:

• CuONPs: Nanopartikeli za oksidi ya shaba
• FeNPs: Nanopartikeli za chuma
• AgNPs: Nanopartikeli za fedha

Pia kikundi cha kudhibiti kisicho na nanopartikeli kilitumika.

Kusimamishwa kwa udongo kulihifadhiwa katika reactor maalum kwa muda wa 35 days. Katika kipindi hicho, mifumo ilibadilishwa kwa mzunguko kati ya hali ya oksiki na suboksiki. Hali ya oksiki inawakilisha hali yenye oksijeni nyingi zaidi; hali ya suboksiki inawakilisha hali yenye oksijeni iliyopungua na michakato ya kupunguza ikiwa mbele.

Watafiti walifuatilia vigezo vifuatavyo wakati wa jaribio:

• pH: Hali ya asidi-alkali ya udongo
• Eh: Uwezo wa redoksi, yaani ukaribu wa mazingira na hali zinazooksidisha au zinazopunguza
• EC: Uendeshaji wa umeme, ishara ya jumla kuhusu uhamaji wa ioni katika suluhisho
• Cu²⁺ huru: Ioni ya shaba iliyo katika hali ya uhamaji wa moja kwa moja katika suluhisho
• Cu iliyofanyiwa kompleks: Sehemu ya shaba iliyoshikwa na madini ya kikaboni au vipengele vingine
• Jumla ya shaba inayoweza kutolewa kwa CaCl₂: Sehemu inayowakilisha hifadhi ya shaba inayofikiwa/yenye uhamaji zaidi

Fomula zinaeleza nini?

Utafiti huu haujajengwa juu ya fomula nyingi za kinadharia, bali juu ya vipimo vya majaribio na mizani ya wingi. Mantiki muhimu zaidi ya hesabu inalenga kuelewa shaba ilihamia kutoka hifadhi gani kwenda hifadhi gani.

Watafiti waligawanya shaba katika sehemu kadhaa:

• CuF: Ioni huru ya shaba. Inaweza kuchukuliwa kuwa yenye uhamaji wa moja kwa moja katika suluhisho.
• CuComplex: Shaba iliyofanyiwa kompleks. Inaweza kuwa imeshikwa na madini ya kikaboni au vipengele vingine vilivyoyeyuka.
• CuT CaCl₂: Jumla ya shaba huru na iliyofanyiwa kompleks inayofikiwa.
• Non-labile Cu: Hifadhi ya shaba inayohamia kwa ugumu zaidi, kawaida iliyoshikwa kwa nguvu zaidi au inayofikiwa kidogo.

Wazo muhimu hapa ni hili: Ikiwa mwishoni mwa jaribio shaba inayoweza kutolewa kwa CaCl₂ inaongezeka, sehemu ya hifadhi ya shaba iliyokuwa inahamia kwa ugumu zaidi inaweza kuwa imekuwa rahisi zaidi kufikiwa.

Mantiki ya uhamasishaji wa asilimia katika utafiti, ikirahisishwa, inasomeka hivi:

Sehemu gani ya jumla ya shaba kwenye udongo ilihamia katika sehemu yenye uhamaji zaidi na inayoweza kupimwa chini ya hali za jaribio?

Kadri uwiano huu unavyokuwa juu, ndivyo athari ya mchanganyiko wa nanopartikeli na mzunguko wa redoksi katika kufanya shaba ionekane zaidi katika suluhisho inavyochukuliwa kuwa yenye nguvu.

Ujumbe mkuu wa Grafu / Jedwali / Mchoro

Ujumbe mkuu wa picha katika makala unaweza kufupishwa hivi bila msomaji kuona maumbo asilia:

Grafu ya kwanza inaonyesha jinsi chaji za uso wa nanopartikeli zinavyobadilika pH inapobadilika. Ujumbe mkuu: Nanopartikeli za CuO, Fe na Ag hazionyeshi tabia ile ile ya umeme. Tofauti hii inaweza kuamua jinsi zinavyoshirikiana na chembe za udongo, madini ya kikaboni na ioni za metali.

Grafu za uendeshaji wa umeme zinaonyesha kwamba kiasi cha ioni katika suluhisho kinabadilika-badilika na mizunguko ya redoksi. Katika vipindi vya oksiki uendeshaji huelekea kuongezeka; katika vipindi vya suboksiki kuna kupungua kwa muda. Hii inaonyesha kwamba michakato ya kuyeyuka, kutulia na kushikwa tena kwa metali ni ya mzunguko.

Grafu za pH zinaonyesha, hasa, kwamba nanopartikeli za CuO na Fe katika baadhi ya vipindi zinaweza kuongeza asidi ya mfumo. Hata kama kuongezeka kwa asidi kunaonekana kidogo, kunaweza kuwa muhimu kwa uyeyushaji wa metali. Katika udongo wa MA wenye madini ya kikaboni kidogo, mabadiliko haya yanaonekana wazi zaidi.

Grafu za Eh zinaonyesha kwamba jaribio kweli lilihama kati ya hali ya oksiki na suboksiki. Nanopartikeli za chuma zilitengeneza mojawapo ya mabadiliko yenye nguvu zaidi katika uwezo wa redoksi. Hii inalingana na asili ya chuma inayoelekea ubadilishanaji wa elektroni.

Grafu za shaba zinatoa ujumbe mkuu wa utafiti. Katika mifumo yenye nanopartikeli za CuO, shaba inaongezeka hatua kwa hatua katika suluhisho na ongezeko hili halirudi nyuma kwa urahisi. Nanopartikeli za Fe badala ya kuongeza shaba kwa kuendelea hutengeneza mawimbi ya mara kwa mara: katika awamu moja shaba hutolewa, katika awamu nyingine inashikwa tena. Nanopartikeli za Ag zinaonyesha tabia iliyo karibu zaidi na kikundi cha kudhibiti.

Jedwali la mizani ya wingi linaimarisha mifumo hii kwa namba. Katika udongo wa MA wenye uwezo mdogo wa kubufa, nanopartikeli za CuO zilifanya zaidi ya nusu ya hifadhi ya shaba yenye uhamaji mgumu kuwa yenye uhamaji zaidi. Nanopartikeli za Fe pia zilionyesha athari muhimu lakini ya mzunguko zaidi. Katika udongo wa MB, kwa sababu madini ya kikaboni yalikuwa mengi zaidi, sehemu ya shaba ilifanyiwa kompleks na kubufiwa kwa nguvu zaidi.

Mchoro wa mwisho unatoa muhtasari rahisi wa daraja la kazi la nanopartikeli tatu:

• CuONPs: Chanzo endelevu cha shaba
• FeNPs: Mawimbi ya kutolewa-kushikwa yanayolingana na redoksi
• AgNPs: Athari ndogo ya moja kwa moja ya jiokemia, athari inayowezekana ya kimikrobia isiyo ya moja kwa moja

Majaribio yalifanywaje?

Katika utafiti, sampuli mbili za udongo wa kilimo zilitumika. Udongo kwanza ulibainishwa kutoka mtazamo wa fizikia-kemia. Sifa kama pH, madini ya kikaboni, uendeshaji, maudhui ya shaba, uwezo wa kubadilishana kationi na muundo wa madini ziliamuliwa.

Kisha udongo ulichanganywa na maji na kufanywa kuwa kusimamishwa. Kila kusimamishwa hakikuongezewa nanopartikeli yoyote, au kiliongezewa nanopartikeli ya CuO, Fe au Ag. Vikundi vya majaribio vilifanywa kwa marudio matatu.

Katika reactor, hali za gesi zilizobadilishana zilitumika kwa muda wa 35 days. Katika awamu za oksiki oksijeni ilihifadhiwa juu; katika awamu za suboksiki oksijeni ilipunguzwa. Hii ni modeli inayolenga kuiga mabadiliko ya oksijeni yanayoweza kusababishwa na matukio kama ukame na ghafla ya maji katika asili.

Katika siku maalum, pH, Eh na uendeshaji wa umeme vilipimwa. Wakati huo huo sehemu huru na zinazoweza kutolewa za shaba zilichambuliwa. Kwa hivyo haikuzingatiwa tu shaba ya jumla, bali pia umbo la kemikali ambalo shaba ilikuwa nayo.

Hatimaye mizani ya wingi ilifanywa ili kuhesabu kiasi gani cha shaba nanopartikeli zilihamisha kutoka hifadhi iliyochukuliwa kuwa yenye uhamaji mdogo kwenda umbo linalofikiwa.

Matokeo yanaonyesha nini?

Matokeo yaliyo wazi zaidi ya utafiti ni kwamba kila nanopartikeli haifanyi hivyo hivyo.

Nanopartikeli za oksidi ya shaba zilisababisha ongezeko la shaba katika suluhisho wakati wa jaribio. Athari hii ilikuwa na nguvu zaidi hasa katika udongo wa MA wenye madini ya kikaboni na uwezo wa kubufa mdogo. Nanopartikeli za CuO zilifanya kama chanzo kipya cha shaba kilichoongezwa kwenye udongo na kwa kuyeyuka ziliongeza kutolewa kwa Cu²⁺. Kurudi nyuma kwa kutolewa huku kwa kiwango kidogo katika muda wa jaribio kunavutia kwa suala la hatari inayokusanyika.

Nanopartikeli za chuma si chanzo cha moja kwa moja cha shaba. Hata hivyo kwa kuathiri mizunguko ya redoksi zinaweza kusababisha kutolewa kwa mara kwa mara au kushikwa tena kwa shaba kutoka miundo inayofanana na oksidi ya chuma. Kwa hiyo athari ya FeNPs haikuonekana kama ongezeko endelevu, bali kama mawimbi ya «mapigo» ya kutolewa-kushikwa.

Nanopartikeli za fedha chini ya hali hizi za jaribio zilionyesha athari ndogo ya moja kwa moja ya jiokemia kwenye uhamaji wa shaba. Hata hivyo watafiti wanabainisha kwamba nanopartikeli za fedha, kutokana na sifa zao za antimikrobia, zinaweza kuathiri kwa njia isiyo ya moja kwa moja michakato ya redoksi ya kimikrobia kwenye udongo. Pointi hii inapaswa kusomwa zaidi kama uwezekano unaohitaji utafiti wa baadaye, si kama matokeo makuu yaliyothibitishwa moja kwa moja.

Sifa za udongo pia zilibadilisha matokeo kwa kiasi kikubwa. Udongo wa MA, kwa sababu ulikuwa na madini ya kikaboni na uwezo wa kubufa mdogo, ulionekana wazi zaidi kwa mkusanyiko wa shaba. Udongo wa MB, kwa madini ya kikaboni mengi zaidi, uliweza kufanya kompleks sehemu ya shaba na kupunguza uhamaji huru.

Matokeo ya mizani ya wingi yanaunga mkono picha hii. Katika udongo wa MA, uwiano wa uhamasishaji ulifikia takriban %55 na nanopartikeli za CuO, na takriban %44 na nanopartikeli za Fe. Katika udongo wa MB uwiano huu ulibaki chini zaidi. Hii inaonyesha kwamba madini ya kikaboni na uwezo wa kubufa vinaweza kuchukua nafasi muhimu ya ulinzi katika hatari ya mazingira.

Kwa nini hii ni muhimu?

Utafiti huu unaonyesha kwamba wakati wa kutathmini hatari ya mazingira ya nanopartikeli, swali la «kiasi gani cha dutu kiliongezwa kwenye udongo?» pekee halitoshi. Moja ya pointi muhimu zaidi ni hali gani za kemikali udongo unapitia kwa muda.

Kwa mabadiliko ya tabianchi, katika maeneo mengi hali mbili kali hutokea mara nyingi zaidi: vipindi virefu vya ukame na mvua fupi lakini kali. Mzunguko huu unaweza kubadilisha haraka kiasi cha oksijeni kwenye udongo. Kuongezeka na kupungua kwa oksijeni kunaweza kubadilisha uyeyushaji, kushikwa na ufikikaji wa kibiolojia wa metali.

Nanopartikeli za shaba zinazotumika katika kilimo au nanopartikeli za metali zinazochanganyika kwa njia isiyo ya moja kwa moja kwenye mazingira zinaweza kutenda tofauti na inavyotarajiwa chini ya hali hizi zinazobadilika. Haswa katika udongo wenye shaba nyingi, nanopartikeli za CuO zinaweza kuunda chanzo cha ziada cha shaba yenye uhamaji juu ya mzigo wa shaba uliopo.

Nanopartikeli za chuma zinavutia katika teknolojia za mazingira kwa sababu ya uwezo wao wa kushika uchafu. Hata hivyo utafiti huu unaonyesha kwamba chuma pia kinaweza kutenda kama chombo kinachoweza kutoa shaba kwa mara kwa mara katika mizunguko ya redoksi. Hii inakumbusha kwamba nanopartikeli za chuma hazipaswi kufikiriwa kama «zinazothibitisha katika kila hali».

Ujumbe mpana wa utafiti ni huu: Usalama wa nanopartikeli katika kilimo unapaswa kutathminiwa kwa majaribio dinamiki yanayozingatia hali zinazobadilika za redoksi, si kwa vipimo thabiti na vya mara moja.

Mambo ya kuzingatia

Makala hii ni preprint ambayo haijapitia tathmini ya watahini. Matokeo yanaweza kubadilika baada ya mchakato wa tathmini huru.

Jaribio halikufanywa katika hali halisi za shamba, bali katika kusimamishwa kwa udongo-maji yaliyodhibitiwa. Mbinu hii ni muhimu kwa kuona wazi ishara za kemikali; lakini katika udongo halisi mizizi, mikroorganismi, muundo wa mashimo, mtiririko wa maji na tofauti za anga ni ngumu zaidi.

Dozi ya nanopartikeli inaweza kuwa haionyeshi kila wakati kiwango kinachotarajiwa katika mazingira. Makala inasema dozi hii ilitumika zaidi kwa ubainishaji wa hatari na kuelewa utaratibu. Kwa hiyo matokeo yanapaswa kujaribiwa kando na viwango halisi vya mfiduo.

Utafiti unafasiri baadhi ya taratibu kupitia pH, Eh, uendeshaji na sehemu za shaba. Hata hivyo inabainishwa kwamba ili kuona moja kwa moja ni awamu gani za madini au kikaboni shaba imeshikwa, uchambuzi wa spektroskopia na mikroskopu kama XAS, XANES au TEM unahitajika siku zijazo.

Uwezekano wa nanopartikeli za fedha kuathiri michakato ya kimikrobia kwa njia isiyo ya moja kwa moja ni wa kuvutia; lakini katika utafiti huu uchambuzi wa moja kwa moja wa jamii ya kimikrobia haujawasilishwa kama ushahidi mkuu. Kwa hiyo tafsiri hii inapaswa kutumiwa kwa tahadhari.

Hitimisho

Utafiti huu wa preprint unaonyesha kwamba athari ya nanopartikeli katika udongo wa kilimo si thabiti, bali ni mchakato dinamiki unaotegemea hali za redoksi. Nanopartikeli za oksidi ya shaba, hasa katika udongo wenye uwezo mdogo wa kubufa, zinaweza kuunda hatari inayokusanyika kwa kutolewa endelevu kwa shaba. Nanopartikeli za chuma, ingawa si chanzo cha moja kwa moja cha shaba, zinaweza kutengeneza mawimbi ya mara kwa mara ya kutolewa na kushikwa tena kwa shaba kupitia mabadiliko ya oksiki-suboksiki. Nanopartikeli za fedha chini ya hali hizi zilionyesha athari ndogo zaidi ya moja kwa moja.

Kwa msomaji wa Verianla, ujumbe muhimu zaidi wa makala hii ni huu: Hatari kwenye udongo haieleweki kwa swali la «ni dutu gani ipo?» pekee. Dutu ile ile inaweza kutenda tofauti chini ya hali za redoksi zinazohamia kati ya ukame na mafuriko. Wakati wa kutathmini matumizi ya nanopartikeli katika kilimo, kiwango cha madini ya kikaboni ya udongo, uwezo wa kubufa, mzigo wa metali uliopo na mabadiliko ya redoksi yanayotokana na tabianchi vinapaswa kufikiriwa pamoja.

Maelezo ya chanzo na mbinu

Andiko hili ni ufafanuzi rahisi wa ndani wa utafiti wa preprint ambao haujapitia tathmini ya watahini wenye kichwa «Redox oscillations amplify copper mobilisation from engineered nanoparticles in agricultural soils: a functional hierarchy from sustained release to episodic pulses» kwa wasomaji wa Verianla. Maandishi si tafsiri neno kwa neno; ujumbe mkuu wa tatizo, mbinu, matokeo, jedwali na grafu katika makala umeelezwa upya kwa namna ya pekee kwa msomaji wa Verianla.

Utafiti umejengwa juu ya sampuli mbili za udongo wa Mollisol wenye shaba nyingi nchini Chile, nanopartikeli za CuO/Fe/Ag, mzunguko wa redoksi wa oksiki-suboksiki wa 35 days, na vipimo vya pH, Eh, uendeshaji wa umeme na sehemu za shaba. Kwa kuwa matokeo yalitoka katika mfumo wa maabara uliodhibitiwa, wakati wa kuyahamisha kwa hali halisi za shamba muundo wa ndani wa udongo, tabianchi, madini ya kikaboni, mizizi ya mimea na mfiduo wa muda mrefu vinapaswa kuzingatiwa.