Síntese verde de nanopartículas de óxido de manganês: avaliação dos parâmetros de processo e aplicação no tratamento de sementes de milho

Abstract

Neste século, um dos grandes desafios da humanidade é garantir a segurança e a disponibilidade alimentar global, fornecendo de maneira sustentável alimentos e energia. Para isso, torna-se necessário o desenvolvimento de uma agricultura inteligente e mais sustentável, a fim de alcançar as metas futuras e garantir a segurança alimentar. A nanotecnologia ainda é um tema em ascensão para o agronegócio, mas já apresenta sua importância desde o início das cadeias produtivas, acarretando no aumento da produtividade das lavouras e na redução dos impactos ambientais sem perder eficiência. O presente trabalho teve o objetivo de desenvolver uma metodologia de síntese verde de nanocompósitos de manganês, a partir de dois extratos vegetais de espécies diferentes de eucalipto, Eucalyptus robusta e Corymbia citriodora, e avaliar a sua eficiência como nanofertilizante no tratamento de sementes de milho (Zea mays). Para isso, foi aplicado um planejamento fatorial 2² com três pontos centrais, variando os parâmetros de processo tempo e concentração de extrato. As nanopartículas foram caracterizadas com MEV, FEG, EDS, MET, FTIR, TGA e DRX. As amostras apresentaram diferentes composições resultantes da variação da espécie de eucalipto utilizada, sendo Mn2O3 e K1,33Mn8O16 para o eucalipto robusta, e MnO2, potássio e MnCO3 para eucalipto citriodora, verificadas através do espectro DRX e confirmadas através do refinamento de Rietveld, definindo o porcentual de cada componente. Através do DRX e da Equação de Scherrer, foi determinado o tamanho do cristalito, sendo de 14,14 a 26,18 nm para as nanopartículas sintetizadas com o extrato de eucalipto citriodora, e 23,77 a 28,69 nm, com o eucalipto robusta. O planejamento fatorial demonstrou que para o eucalipto robusta a maior concentração de extrato favoreceu a redução no tamanho cristalito, enquanto para o eucalipto citriodora, os menores diâmetros ocorreram na menor concentração de extrato e maior tempo, sendo o extrato e o fator de segunda ordem significativo. Na análise FTIR, as bandas características apresentadas colaboraram com os resultados DRX, apresentando bandas de ligação O-Mn-O em 526 a 544 cm-1 . Através do MET, foi possível verificar a morfologia das nanopartículas, onde o produto da síntese com eucalipto citriodora apresentou-se na forma de nanobastões com diâmetros variando entre 21,77 e 28,63 nm, enquanto para o eucalipto robusta apresentaram forma arredondada com diâmetros de 16,61 a 23,68 nm. O rendimento da síntese também foi avaliado através do planejamento experimental, sendo somente a variação da concentração de extrato significativo para ambos os eucaliptos. Para avaliar o desempenho das nanopartículas como fertilizantes, foi utilizado dois compostos comerciais e um controle para comparação. A análise de germinação não apresentou diferenças estatísticas, porém ao avaliar a qualidade do sistema radicular e foliar, as nanopartículas apresentaram-se estatisticamente superiores ao controle. O melhor resultado no crescimento do sistema radicular foi a nanopartícula sintetizada com 40 g.L-1 do extrato de eucalipto robusta na concentração de 0,25 mg.mL-1 , inclusive com média superior aos compostos comerciais.

Abstract: In this century, one of humanity's greatest challenges is guarantee the global food security and the availability, providing sustainable food and energy. For this, it is necessary to develop smart and more sustainable agriculture in order to achieve future goals and ensure food security. Nanotechnology is still an emerging topic for agribusiness, but it has already shown its importance since the beginning of the production chains, resulting in increased crop productivity and reduced environmental impacts without losing efficiency. The goal of this study was to develop a methodology for green synthesis of manganese nanocomposites, from two plant extracts of different species: Eucalyptus robusta and Corymbia citriodora; and to evaluate its efficiency as a nanofertilizer in the treatment of corn seeds (Zea mays). For this, a factorial design 2² with three central points was applied, varying the process parameters: time and extract concentration. The nanoparticles were characterized with SEM, FEG, EDS, TEM, FTIR, TGA and XRD. The composition of the samples was influenced by the species of eucalyptus, with the eucalyptus robusta extract was obtained nanocomposites of Mn2O3 and K1,33Mn8O16, and with eucalyptus citriodora extract, was obtained MnO2, potassium and MnCO3, these composites were checked by the XRD spectrum, and confirmed by the Rietveld refinement, estimating the percentage of each component. The size of the crystallite was determined by the XRD spectrum and the Scherrer Equation, with a diameter ranging from 14.14 to 26.18 nm, for the eucalyptus citriodora samples, and 23.77 to 28.69 nm, for the eucalyptus robusta samples. The factorial design showed that the robusta eucalyptus extract in the highest concentration favored the reduction in the crystallite size, while for the eucalyptus citriodora samples, the smaller diameters occurred in the lowest concentration of extract and the longest process time. In the FTIR analysis, the characteristic bands presented collaborated with the XRD results, showing O-Mn-O binding bands at 526 to 544 cm-1 . Through the TEM, it was possible to verify the morphology of the nanoparticles, revealing nanoneedles for the eucalyptus citriodora samples and rounded shape nanoparticles for the robusta samples. For the eucalyptus robusta samples the average diameter ranged from 16.61 to 23.68 nm and for the citriodora 21.77 to 28.63 nm. The yield of the synthesis was also evaluated through factorial design, showing only the variation of the extract concentration was significant for both eucalyptuses. To evaluate the performance of nanoparticles as fertilizers, two commercial compounds and a control group for comparison were used. The germination analysis did not show statistical differences, however when evaluating the quality of the root and leaf system, the nanoparticles were statistically superior to the control group. The best result in the growth of the root system was the nanoparticle synthesized with 40 g.L-1 of the robust eucalyptus extract at a concentration of 0.25 mg.mL-1 , furthermore this sample showed a higher average than the commercial compounds.