Nanomatériau et nanocomposite intelligents dotés d'activités agrochimiques avancées

Introduction

À l'échelle mondiale, les gens sont employés dans l'agriculture pour la culture de cultures vivrières fondamentales et diverses formes essentielles de produits tels que les fibres, les carburants, les fourrages et les matières premières. Des ressources limitées et une population en croissance exponentielle, estimée à 9,6 milliards d'ici 2050, renforcent les superficies dérivées exigeant l'élaboration d'une agriculture très durable tout en permettant la baisse de la faim et de la pauvreté dans le monde [1, 2]. Pour répondre à cette demande d'une population en constante expansion, il est urgent d'augmenter la production alimentaire de plus de 50 % [2, 3]. En raison du nombre limité de ressources naturelles (eau, terre, sol, forêt, etc.) et du plafond de productivité des cultures, il existe une forte demande pour des approches agricoles efficaces, viables et responsables économiquement et écologiquement. Pour surmonter ces dilemmes, des produits agrochimiques synthétiques (herbicides, insecticides, fongicides et engrais) ont été développés et utilisés pour augmenter les rendements agricoles [4, 5]. Cependant, l'application de ces produits agrochimiques a joué un rôle déterminant dans l'amélioration de la qualité et de la quantité des aliments au cours des dernières décennies afin d'évaluer les effets néfastes à long terme de ces produits agrochimiques sur la santé des sols et l'écosystème [6]. Cependant, la recherche sur l'application des nanoparticules en tant qu'alternatives chimiques à des fins d'utilité dans le secteur agricole est devenue de plus en plus populaire au cours de la dernière décennie, appelée plus tard nanoagrochimie [7]. La livraison intentionnelle et directionnelle dans l'environnement, les produits nanoagrochimiques peuvent être considérés comme spécifiques en termes de problèmes environnementaux prévisibles, car ils représenteraient la seule cause diffuse des nanoparticules manufacturées (NP) [8, 9]. Compte tenu de cela, l'une de ces initiatives prises est l'avant-garde des nanomatériaux intelligents pour révolutionner les pratiques agricoles actuelles qui contiennent une bonne réactivité en raison de leur rapport surface / volume substantiel et des caractéristiques physico-chimiques exceptionnelles qui offrent le nouvel avantage de la modification en fonction de la demande croissante [2].

L'agriculture moderne se transforme en une agriculture durable avec l'utilisation de ces matériaux de l'ère moderne qui permettent d'atteindre une production maximale à partir de ressources limitées [10]. En général, les produits agrochimiques sont essentiels pour augmenter la productivité des cultures, mais au contraire, leur application diminue la fertilité du sol en entravant l'équilibre minéral du sol [11]. De plus, l'application foliaire directe ou par pulvérisation peut être rentable et très élevée, ce qui nécessite un ruissellement et un contrôle [12]. Les produits chimiques à base de nanomatériaux développés dans l'agriculture régulent le taux d'épuisement des nutriments, la réduction du rendement, le coût des intrants pour la culture, la protection, la production et la minimisation des pertes après récolte [3]. Les nanocomposites sont devenus un élément clé des nanomatériaux pour scruter et stimuler le cycle de vie des plantes en raison de leurs propriétés thermiques, électriques, chimiques et mécaniques intrinsèques uniques. La translocation en fonction de la taille se situe dans la plage de 0,1 à 1 000 nm dans les parties de la plante et est modifiée en fonction des compositions de surface, d'une charge de NP (très chargée négativement montre plus de translocation) et de la limite d'exclusion de la taille de la plante [10, 13]. Ces voies de pénétration sont confirmées via différentes expériences in vitro (papier filtre, culture hydroponique, milieux gélosés, solution Hoagland, milieux Mursashige et Skoog, solution nutritive) et in vivo (absorption foliaire, alimentation des branches, injection dans le tronc et absorption racinaire) utilisant des nanopesticides. , nanoherbicide, nanoherbicides et composés favorisant la nanocroissance [2, 9]. Cependant, dans certains cas, l'exclusion de taille est élevée, il est donc difficile de limiter le passage et la concentration spécifiques qui affectent la phase de croissance des plantes à la fois positivement et négativement (Fig. 1).

Illustration schématique du transport des nanoparticules et de leurs interactions dans les plantes cultivées

De nombreux exemples réussis d'utilisation de nanomatériaux intelligents en agriculture ont été rapportés ces dernières années, notamment les nanotubes de carbone à parois multiples [5, 14], les nanocomposites à base de métal [15], l'argent inhibant la germination des champignons [16], et bien d'autres. Cette nanoformulation nouvelle génération a le potentiel d'affiner la physiologie qui entre juste dans le complexe sol-plante qui peut être uniquement exploitée pour repérer l'effet latéral [17].

Les produits à base de nanoparticules (NM), y compris les systèmes de distribution agrochimiques intelligents ayant des nanocomposites comme ingrédients principaux, sont constamment développés. De nombreuses recherches intensives sont encore nécessaires pour obtenir les avantages pratiques des nanoagrochimies avec une conception de travail améliorée, une réglementation de la commercialisation et une évaluation des risques des nanofertilisants, des nanopesticides et des nanoherbicides [18, 19]. Les nouveaux cultivars, qui peuvent supporter la chaleur, la sécheresse, la salinité et d'autres défis non résolus dans les systèmes agricoles, perturbent tout l'éventail des principales pratiques de culture dans le monde. De plus, on s'attend à ce que la mise en œuvre de NM dans l'environnement naturel diminue le niveau de danger à base de produits chimiques [12]. Nous pensons sûrement que leur application en agriculture réduira l'écart entre les systèmes agricoles durables et ceux basés sur les produits chimiques. En plus de cela, il augmente la production et la qualité des aliments à l'échelle mondiale d'une manière respectueuse de l'environnement en résolvant la contamination de l'eau et du sol [20]. Ainsi, dans la pratique, ils pourraient fournir de nouvelles avenues pour le développement de nouveaux produits basés sur les nanomatériaux [14]. L'agrochimie conventionnelle a offert de nombreux inconvénients concernant le taux d'adsorption non sélective des ingrédients actifs (IA).

Il a été rapporté que plus de 99,9% des pesticides ne sont pas livrés sur les sites cibles et provoquent un impact dangereux sur la santé du sol, de l'eau et de l'air, augmentant la résistance aux agents pathogènes et la perte de biodiversité [12, 21, 22]. Dans l'ensemble, nous avons cherché à mettre en évidence les informations actuelles sur les faits selon lesquels les nanomatériaux ou les nanocomposites offrent une solution efficace pour améliorer et faire progresser les innovations agricoles, les systèmes alimentaires, la protection durable des cultures et la production. De plus, des informations sur le système libéré contrôlé, le rôle dans l'interaction avec le sol et le microbiome, le rôle prometteur du nanocomposite en tant que nanopesticide, nanoherbicide, nanofertilisant et la limitation des activités agrochimiques sont également discutés dans la présente revue.

Composés de nanostructure avec le système à libération contrôlée (CRS)

En raison de plusieurs avantages par rapport aux approches d'application chimique conventionnelles, de nombreux chercheurs ont proposé le modèle du système de libération contrôlée [15, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29] pour proposer des substituts pour réduire la pollution de l'environnement. La libération contrôlée (CR) permet une livraison efficace d'une IA plus activement dans le sol et la plante pendant l'intervalle de temps souhaité, ce qui entraîne une diminution des quantités de produits agrochimiques utilisés, d'énergie, de main-d'œuvre ou d'autres ressources cruciales pour faire fonctionner les instruments d'application comme ainsi que dans l'amélioration de la sécurité pour les humains qui traitent leur application [26, 29, 30, 31, 32]. De plus, la CR présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes conventionnelles, notamment la diminution de la phytotoxicité, la réduction des pertes agrochimiques dues à la volatilisation, la lixiviation, la dérive, une mauvaise manipulation et la dégradation dans le sol et la livraison contrôlée coïncide avec une concentration appropriée dans la plante pour éviter les pertes imprévisibles sous forme d'évaporation. , lessivage et météo ( Fig. 2) [16, 33].

Types de système de livraison de nanoparticules

Une caractérisation complète est une condition préalable importante pour prédire ou expliquer l'efficacité et le comportement des produits agrochimiques intelligents chargés de nanoparticules. En particulier, la rétention des IA, le comportement, la composition et la phase, le potentiel zêta et la structure interne des nanosupports polymères, et leur libération dans des conditions d'environnement particulaire sont résumés comme des propriétés importantes [30, 34, 35, 36]. Le taux de chargement et de libération des IA à partir de nanosupports joue un rôle central dans la prédiction ou l'évaluation de leur efficacité. Ceux-ci peuvent être évalués par la concentration des ingrédients restant dans la matrice polymère et la quantité d'ingrédients libérés [37, 38]. Le mécanisme de libération peut être réalisé via différents modes tels que :

Diffusion via relaxation/gonflement des NP

Dans les phénomènes de gradient de concentration (ou diffusion fickienne), la libération se produirait à un taux élevé lorsque les nanosupports sont dilués à l'aide de formulations concentrées ou solides, même sous des événements d'irrigation ou de pluie. La diffusion peut être ralentie en augmentant la taille des nanoparticules ou en augmentant la distance dans les milieux dans lesquels la diffusion de l'IA se produit observée dans le métazachlore chargé d'acide polylactique (PLA) [32, 39, 40]. De même, une réticulation améliorée a été suggérée comme une méthode efficace pour retarder la diffusion en augmentant la tortuosité ou en diminuant la porosité via la matrice polymère, comme l'indique le pesticide chitosan (azidobenzaldéhyde-carboxyméthyl) chargé de méthomyl avant et après la réticulation du polymère [40, 41,42,43].

Libération en rafale

La méthode de libération rapide la plus courante dans laquelle l'IA libère de manière indésirable, si une quantité initiale élevée d'IA n'est pas favorable à l'application de la cible. Les phénomènes montreraient que l'augmentation de la concentration d'IA présentes à proximité ou à la surface des NP indique une libération par rafale significative et élevée. Par exemple, une nanocapsule ou un revêtement de surface de métazachlor (herbicides) chargé de PLA a été recommandé pour inhiber l'éclatement rapide initial qui est fréquemment observé pour les nanosphères [35].

Dégradation

La libération de nanoparticules peut être déclenchée ou accélérée par une dégradation physique, chimique et biologique qui peut être obtenue par hydrolyse avec de l'eau, exposition à la lumière, température, pH, stimulus spécifique et activités enzymatiques. Par exemple, les NP PLGA (acide polylactique co-glycolique) présentent une dégradation hydrolytique accrue avec un rapport surface-volume amélioré pour l'eau, et leur taux de diffusion pourrait être affiné avec des nanosupports appropriés [44]. De plus, le mPEG (méthoxy polyéthylène glycol) incorporé dans les PLGA-NPs augmente le taux de dégradation des NPs via une hydrophilie améliorée et finalement l'accessibilité pour l'hydrolyse dans le type de dégradation hydrolytique. Dans la dégradation enzymatique, les événements sont dirigés par les activités des phosphatases, des glycosidases et de la protéase, à savoir :la dégradation de la PCL (poly(ε-caprolactone) augmente avec l'activité de la lipase [44]. De même, la γ-PGA (poly (γ-glutamic) acide) médiée par la γ-GTP (γ-glutamyl transpeptidase) est considérée comme l'enzyme la plus courante qui provoque une dégradation rapide [38]. Dans une autre étude, la nanoparticule de zéine montre une dégradation et une libération rapides et importantes de l'antibiotique ciprofloxacine encapsulé, en présence de trypsine que la collagénase [37].

Dans certains cas, la libération de stimuli-réponse peut être observée à l'aide de polymères photosensibles tels que les NPs core-shell labiles micellaires ou UV (ultraviolets) ont été produites en PEG et nitrobenzyl en carboxyméthyl chitosane. Ainsi, le nanocomposite basé sur des stimuli peut réagir intelligemment au stimulus produit par la cible ou l'environnement adjacent qui déclenche finalement la libération d'IA pour réguler efficacement le ravageur [45, 46]. Cependant, la stabilité physique de certaines NP est altérée par le pH, lorsque le polymère est faiblement basique ou acide, de sorte que l'électrostatique et la charge seront fiables au pH [40, 41, 47]. Par exemple, la carboxyméthylcellulose et la kératine de plumes étaient chargées d'avermectine. Le taux de diffusion s'est avéré plus rapide à faible pH (transport fickien) et à pH plus élevé (non fickien) [46].

Les nanoformulations comme outil prometteur dans un système agricole

Les produits agrochimiques comprennent les pesticides, les herbicides, les fongicides, les bactéricides, les nématicides, les rodenticides qui sont utilisés pour cibler les ravageurs, les mauvaises herbes, les champignons pathogènes, les bactéries, les nématodes et les rongeurs (Fig. 3) [48,49,50]. À l'échelle mondiale, le marché des herbicides est en expansion et est estimé entre 27,21 et 39,15 milliards de dollars à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 6,25 % au cours de la période attendue 2016-2022. En plus de cela, le marché mondial des pesticides devrait atteindre 70,57 milliards de dollars d'ici 2021 à un TCAC de 5,15 % estimé entre 2016 et 2021. TCAC de 11,8 % au cours de la période 2019-2025 [18, 19, 48, 49].

Applications de différentes nanoparticules pour la régulation de la croissance des plantes, la gestion des agents pathogènes et l'absorption des nutriments dans l'agriculture durable

Les familles représentées par les produits chimiques inorganiques sont les triazines, les phénoxy et les chloroacétanilides de l'acide benzoïque représentant les herbicides, le phénylpyrrole, les benzimidazoles, les dithiocarbamates et les nitriales pour les fongicides, les carbamates, les organophosphates, les organochlorés relatifs aux insecticides. Les nanoagrochimies intelligentes avec des nanoformulations doivent offrir une grande variété d'avantages, notamment une durabilité, une efficacité, une mouillabilité améliorées, une bonne dispersion, moins de toxicité, une bonne capacité biodégradable dans le sol et l'environnement, et une nature photogénérative avec le moins de résidus par rapport aux produits chimiques conventionnels [51,52,53 ]. Au cours du passé, des études approfondies ont été menées sur les nano-produits agrochimiques pour accéder à leur rôle important et à leur plage de contamination dans l'incidence des cycles des éléments nutritifs des sols et des plantes [19].

Nanopesticide

L'utilité potentielle des nanochimies dans la lutte antiparasitaire intégrée (IPM) dépend de la livraison ciblée d'IA avec une activité accrue au moins une concentration de médicament et une surveillance efficace des interactions des pesticides avec l'environnement. Dans des conditions difficiles, la stabilité chimique peut être obtenue par des nanosupports efficaces ayant une plage de dispersion améliorée, une mouillabilité et une plus grande protection contre les pesticides sans risque de ruissellement [54,55,56,57]. D'autres caractéristiques remarquables des nanocompositions pesticides peuvent être observées dans la stabilité thermique, la grande surface, l'affinité cible accrue et la nature biodégradable après une livraison réussie. Ces systèmes de livraison peuvent être régulés pour des objectifs uniques ou des combinaisons multiples, à savoir; libération de cible spatiale, libération contrôlée dans le temps, libération à distance ou auto-régulée pour surmonter les barrières biologiques dans la cible réussie [21, 58, 59, 60]. Cependant, l'efficacité de la nanoencapsulation ou des nanosupports est (1) d'empêcher la pré-dégradation de l'IA dans le support avant leur libération dans la cible (2) pour améliorer la pénétration et faciliter la solubilité des IA dans le site cible (3) pour surveiller ou réguler la dégradation des IA dans le site recherché [61, 62].

Selon Kremer et al. [63] l'interaction d'adsorption entre les pesticides et les NP montrant une dynamique moléculaire discrète. De telles interactions devraient avoir un impact positif sur les sites d'adsorption via la morphologie physiologique, la capacité de liaison, les systèmes antioxydants et la transportabilité des pesticides dans les plantes [64]. Dans Arabidopsis thaliana , l'effet antagoniste entre les NP d'argent et le Diclofop-méthyl (herbicide de post-levée) dans lequel la présence d'herbicides diminue ou affecte l'Ag ⁺ à partir des NP d'argent. De plus, une diminution de la concentration des pesticides est impérative pour éviter leur toxicité sur les organismes non sélectionnés et réduire le risque de contamination [65,66,67]. Plusieurs nanocompositions de pesticides ont été développées telles que les nanoémulsions, les nanosuspensions et les nanocapsulations. Ces nanomatériaux sont préparés spécifiquement pour maintenir la libération régulée des IA de plusieurs manières, notamment la libération magnétique, la libération par ultrasons, la libération de pH, la libération de chaleur, la libération d'humidité, la libération à base d'ADN, la libération spécifique, la libération rapide et lente [19].

Dans certains cas, l'administration de nanoparticules dans des nanoparticules de silice creuses est utilisée pour empêcher l'avermectine des rayons UV et fournir une photostabilité aux nanopesticides, ce qui provoque des effets à long terme sur l'organisme cible. Plusieurs NP ont utilisé diverses formes d'encapsulation, notamment (1) l'encapsulation à base de nanomatériaux lipidiques. (2) Encapsulation à base de métal-organique. (3) Encapsulation 6 à base de polymère. (4) Encapsulation à base de nanomatériaux d'argile. (4) Encapsulation plus verte [9, 42, 43, 45, 47, 68, 69, 70].

Nanofertilisant

Outre la protection des plantes, ces NP intelligentes sont largement utilisées pour réguler le processus physiologique. Par exemple, SiO₂ Les NPs (NPs de dioxyde de silicium) élèvent le taux de germination des graines dans Lycopersicon esculentum [71, 72], le chitosan-polyméthacrylique-NPK augmente la biomasse, l'absorption des nutriments et les enzymes antioxydantes dans Phaseolus vulgaris [73, 74], Au-NPs (or NPs) favorise la germination des graines, la croissance des plantules, l'activité enzymatique et l'absorption des nutriments chez Zea mays [75, 76], SiO₂ -Les NP améliorent l'absorption de NPK, augmentent l'activité enzymatique et le taux de germination des graines chez Hyssopus officinalis et Z. mai [77,78,79], les chitosan-CuNPs (NPs de cuivre) améliorent la germination des graines, l'activation de l'α-amylase, la protéase et l'activité de diverses enzymes antioxydantes dans Z. mai [2, 80, 81], les chitosan-ZnNPs (NPs de zinc) augmentent l'accumulation de zinc et d'enzymes de défense dans le Triticum durum [82, 83], les NPs chitosane-acide γ-polyglutamique-acide gibbérellique favorisent la germination des graines, le développement des racines, la surface foliaire, l'efficacité hormonale, les enzymes extracellulaires et l'efficacité des nutriments [83, 84], les NPs chitosane-acide polyméthacrylique-NPK favorisent la teneur en protéines et l'absorption des nutriments [74, 85], les ZnO-NPs (NPs d'oxyde de zinc) augmentent l'activité de la catalase (60,7%), la superoxyde dismutase (22,8%) et l'acquisition des nutriments [86, 87], CeO₂ -Les NP (oxyde de cérium NP) améliorent la germination et la vigueur des graines, l'activité enzymatique et l'absorption des nutriments chez Spinacia oleracea et Z. mai [88,89,90,91], les AuNP augmentent la teneur en chlorophylle et les activités enzymatiques antioxydantes chez Brassica juncea [92] et TiO₂ Les NP (oxyde de titane NP) améliorent la teneur en chlorophylle, l'absorption des nutriments, l'activité de Rubisco et les enzymes antioxydantes dans S. oléracée et Cicer arietinum [89, 93] (Tableau 1).

Nanoinsecticides

Alors que les tendances et la demande de NP encapsulées augmentaient de façon exponentielle, la pression réglementaire pour leur gestion s'est également renforcée simultanément. Les insecticides encapsulés se partagent plus de 42 % des revenus totaux des pesticides jusqu'en 2017 [60, 94, 95]. Récemment, en 2019, les insecticides encapsulés classés dans le manuel des pesticides en ligne contiennent des IA toxiques dangereux comme la pendiméthaline, l'acétochlore, le dichlobénil, la téfluthrine, l'étofenprox, le chlorpyrifos, le carbosulfan et le furathiocarbe au niveau commercial [19]. Le niveau de toxicité des IA dépend non seulement du matériau d'encapsulation, mais il aide à ajuster la dynamique de l'exposition des espèces cibles aux IA dans des conditions in vivo [21, 25, 96]. L'utilisation de styrène et de méthacrylate de méthyle comme matériau de paroi d'encapsulation a augmenté l'activité nématicide pour supprimer la croissance de l'agent pathogène responsable de la rouille du blé, Puccinia reconditea . De même, Zhang et al. [97]. Dans une autre étude, une efficacité améliorée contre les ravageurs et une faible cytotoxicité de l'encapsulation d'imidachloropride d'alginate de sodium ont été observées, ce qui a favorisé l'application directe d'imidachloroprid [68].

Une autre étude montre une diminution de la toxicité du piclorame pour le microbiote du sol avec l'encapsulation de gel de silice par rapport au picloforme sous forme libre. La biodisponibilité des NP de silice pour l'organisme non sélectionné peut être améliorée en ajustant les propriétés de la paroi de la coque de silice [98]. Dans une étude, Jacques et al. [99] ont rapporté la toxicité de l'atrazine dans des nanocompositions polymères et lipidiques encapsulées contre les nématodes, Caenorhabditis elegans , mais de manière comparable, aucune toxicité n'a été observée dans l'encapsulation à base de tripolyphosphate/chitosane qui elle-même peut être attribuée à une faible toxicité. De plus, la nanoencapsulation PCL dérivée du neem encapsulée dans l'huile n'a présenté aucun effet indésirable de la conductance stomatique, la capacité photosynthétique du maïs après une exposition jusqu'à 300 jours. Ces résultats suggèrent la sélection minutieuse du matériau de paroi/encapsulation et des propriétés physico-chimiques des IA et de leur composition et sites d'application [19, 100].

Les Si-NPs (NPs de silicium) ont été efficacement signalées pour protéger l'infestation par le coléoptère stocké Callosobruchus maculatus dans les légumineuses comme Vigna unguiculata, V. mungo, V. radiate, Macrotyloma uniflorum, C. arietinum, et Cajanus cajan [101]. Malgré leurs excellentes performances, les nanopesticides présentent une commercialisation et une stabilité médiocres. Le pH, la température, l'humidité, le rayonnement UV influencent la disponibilité des IA et influencent les caractéristiques physicochimiques. Outre ces problèmes de quantité, de qualité, de législation stricte, de coût et de durée de dégradation des IA sont des problèmes émergents lors de l'utilisation de nanopesticides [19, 54, 79].

Nanofongicides

Au-delà de l'application des nanosupports, les nanomatériaux en tant qu'IA pour la protection des cultures sont un aspect majeur de la recherche. Le large spectre de propriétés antifongiques des nanofongicides peut améliorer leur efficacité en tant que pesticide. Par exemple, les NP de cuivre, d'argent et de zinc résolvent les inconvénients des IA chimiques pour la résistance pathogène avec une forte activité antimicrobienne et une non-toxicité [19]. De plus, les NP à base de chitosane (Ch-NP) ont montré une activité antifongique efficace et ont restreint la croissance signalée par de nombreux chercheurs au cours de la dernière décennie. Par exemple, Ch-NP contre Alternaria alternata, Macrophomina phaseolina , Rhizoctonia solani [102], Pyricularia grisea, Alternaria solani , Fusarium oxysporum [102, 103], Pyricularia grisea, NPs cuivre–chitosane contre Fusarium solani [104], Cu-chitosan NPs- contre R. solani et Sclerotium rolfsii [105], NPs chitosan-saponine [102], NPs oléoyl-chitosan contre Verticillium dahaliae [106], NPs de chitosane chargées d'acide salicylique contre Fusarium verticillioides [107], les NP d'Ag-chitosan contre R. solani, Aspergillus flavus et A. alternative [108], NPs silice-chitosan contre Phomopsis asparagi [109] poivrier chitosan (Schinus molle ) NP d'huiles essentielles (CS-EO) contre Aspergillus parasiticus [110], films de nanocomposites d'alumine boehmite chitosan et huile de thym contre Monilinia laxa [111] fongicide zineb (Zb) et chitosan-Ag NPs contre Neoscytalidium dimidiatum [112], mélanges HE chitosan-Thym-origan, thym-arbre à thé et thym-menthe poivrée contre Aspergillus niger, A. flavus, A. parasiticus , et Penicillium chrysogenum, [113], NPs chitosan-thymol contre Botrytis cinerea [39], chitosan-Cymbopogon martinii huile essentielle contre Fusarium graminearum [114].

Par rapport aux produits agrochimiques conventionnels, la nanoparticule s'est avérée très efficace pour la protection des cultures, même à une concentration infime, à savoir :0,43 et 0,75 mg/plaque de concentration d'oxyde de titane creux dopé à l'Ag (TiO₂ ) nanoformulation contre les agents pathogènes de la pomme de terre tels que Venturia inaequalis et F. solani [115] (Tableau 2). De plus, plusieurs exemples réussis de NP ont été largement étudiés pour la tolérance au stress abiotique ces dernières années [116,117,118]. Pour faire face à la tolérance à la sécheresse, plusieurs rapports publiés au cours des dernières décennies sur l'application de NP telles que TiO₂ application dans Linum usitatissimum en augmentant la pigmentation et en réduisant l'activité du malondialdéhyde (MDA) et du peroxyde d'hydrogène (H₂ O₂ ) [119], le ZnO favorise une germination efficace des graines dans Glycine max [120], les CuNPs améliorent la pigmentation, la biomasse et le rendement en grains dans Z. mai [121]. En cas de stress salin, le trempage des graines, les solutions nutritives et les méthodes d'amorçage des graines sont utilisés pour l'évaluation dans G. max, S. lycopersicum et Gossypium hirsutum respectivement [122,123,124].

L'application améliore la tolérance au stress en améliorant la teneur en chlorophylle, le nombre de biomasse, la teneur en sucres solubles, la germination des graines [125,126,127]. Selon Shoemaker [128] application d'AgNPs (NPs d'argent) dans Triticum aestivum augmente la croissance des plantules et la surface foliaire tandis que l'application foliaire de SeNPs (NPs de sélénium) améliore l'activité des enzymes antioxydantes et la stabilité de la membrane thylakoïde dans Sorghum bicolor sous stress thermique [129] (Tableau 3).

Nanoherbicide

Ces NP inhibent les processus physiologiques et les phases de croissance de plusieurs espèces de mauvaises herbes. Par exemple, les Ch-NP retardent les phases de germination et de croissance dans Bidens pilosa [130, 131] NPs atrazine perturbe l'activité PSII dans Amaranthus viridus [132], Fe₃ O₄ Les NP (oxyde de fer NP) + diatomite purifiée + glyphosate diminuent le pH dans Cynodon dactylon [133], les NP Fe à valence zéro (NPs de fer) retardent la germination chez Lolium perenne [32]. L'efficacité du métribuzan (un herbicide commercial) a été améliorée grâce à l'utilisation de NP pour maintenir la croissance de la population de mauvaises herbes, notamment Melilotus album, T. aestivum, Agrostis stolonifera, et Setaria macrocheata [19][i>.

Les nanoporteurs chargés d'atrazine sont utilisés pour pénétrer dans la région stomatique, les hydathodes et assurer leur entrée directe dans les tissus vasculaires. Il assure le ciblage, les absorptions cellulaires et surmonte le trafic intracellulaire en raison de certaines propriétés des NP :(1) affinité d'interaction. (2) Effet mécanique de la forme et de la taille. (3) effet catalytique. (4) Charges de surface/hydrophobie. Frato et al. [19] décrivant une diminution du niveau de toxicité du paraquat dans des plantes non ciblées préférant l'application de nanotransporteurs de triphosphate/chitosan au système de pulvérisation conventionnel dans le Brassica sp. De même, dans B. pilosité et C. dactylon Le taux de mortalité des plantules a été augmenté à l'aide de nanosupports magnétiques encapsulés au glyphosate [19, 131]. La nanoencapsulation utilise de faibles doses d'herbicide et pourrait réduire efficacement l'effet résiduel à long terme des herbicides sur les espèces cibles ainsi que sur les terres agricoles. En conclusion, le nanoherbicide peut améliorer l'administration d'IA dans les tissus végétaux et réduire comparativement le risque de toxicité environnementale [60, 94, 95].

Impact sur le microbiome plantes-sol

Les NP sont confrontées à de nombreuses expériences de transformation, d'agrégation de dissolution dans le microbiote du sol, d'adsorption avec des régulateurs clés qui interviennent dans le devenir de la dégradation du contenu organique, du pH, des cations divalents et de l'argile (le plus important pour la rétention des NP). Selon Asadishad et al. [134], la toxicité des AgNPs dépend de la respiration microbienne dépendante du substrat envers les bactéries oxydant l'ammoniac diminuée avec l'élévation de la teneur en pH et de la teneur en argile. Un pH bas provoque la dissolution des AgNPs tandis qu'un pH élevé du sol augmente le nombre de sites de charge négative et conduit à une augmentation de la sorption d'Ag [19]. Dans une étude, des résultats similaires ont été rapportés au sujet des CuONPs (NPs d'oxyde de cuivre) sur une faible teneur en argile et en matière organique avec une texture de sol grossière. Un tel sol acide favorise la dissolution d'Ag et de CuNPs avec une libération ionique libre, ce qui peut augmenter l'impact de courte durée des NPs [9]. Zhai et al. [135] ont également conclu que les nanoformulations de pesticides ioniques peuvent montrer l'impact variable, plus communément associé à la libération fractionnée d'ions. Other authors noted the difference and similarities of ionic and nanoforms of AgNPs with variation in antibacterial activity or the effect on a soil-borne microbial community and their response in in-vitro conditions [19, 136, 137].

In long-term studies, Guilger et al. [66], ensuring routes predictably depend on biogenic NPs, that show the least effect on human cells and denitrification process but are likely to show more impact on plant fungus relationship. At the microscale level, denitrification is a prime microbial activity that gets affected by AgNPs by modulating hydric conditions, pH and creating a devoid zone for fundamental accessories (carbon, nitrate, and oxygen). However, by high soil redox potential value and sandy texture soil favored denitrification, whereas textured clay soils provided offers low redox potential and lies in range for biological transformation [19]. Such impact is correlated by the affinity of AgNPs to denitrification and physicochemical properties ex:surface charge, coating, size, sedimentation rate, dispersibility, and solubility [138]. The biogenic AgNPs are derived from the green process and have no effect on N-cycle reported by Kumar et al. [67]. While the effect of nanocapsules, nanogels, nanometal, and nonmetal particles on soil microbiota as non-selected microbes has been documented. Li et al. [139] evidenced the negative impact of nanopesticide CM-β-CD-MNPs-Diuron complex (carboxymethyl-hdroxypropyl-β-cyclodextrin magnetic NPs) on the activity of the urease enzyme.

The Diuron NPs complex causes declined in the population status of soil bacteria except for actinobacteria with an increase in reactive oxygen species. All these indicate toxicity of CM-β-CD-MNPs-Diuron exert stress on soil microbes and did not reduce even by using Diuron nanoencapsulation [12, 19]. The bionanopesticides treatment was confirmed to improve soil microbiome including weight gain and survival percentages in beneficial earthworm Eudrilus eugeniae . It also shows excellent larvicidal, antifeedant, and pupicidal activities against Helicoverpa armigera and Spodoptera sp. at 100 ppm nanoformulation dose [19, 50, 55].

Drawbacks using nanoagrochemicals on plants

The nanopesticides are also showing some adverse effects on crop plants directly or indirectly. The most favorable and used AgNPs and their complex nanoparticle have been attributed to their diverse range in each class of pesticides due to low toxicity but still many reported published that explained the drawback of these smart nanoagrochemicals [61, 140, 141] (Table 4). For example, In Vicia faba , the AgNPs internalization in leaves can abrupt the stomatal conductance CO₂ assimilation rate and photosystem II [142]. Furthermore, the binding of AgNPs attaches with Chlorophyll forming a hybrid, that excites electrons 10 times due to fast electron–hole separation and plasmon resonance effect. In another study, AgNPs and AgNPs-graphene oxide GO (Ag@dsDNA GO) effect also observed in L. esculentum exhibit antibacterial activity toward Xanthomonas perforans [143]. Various reports were submitted in recent years such as ZnO NPs reduced root growth in Allium cepa [89], Ch-NPs + paraquat biomass reduction, lipid peroxidation, genotoxicity and leaf necrosis in Brassica sp. [144], SiO2NPs affect biomass, germination, protein content, photosynthetic pigment in Taraxacum officinale and Amaranthus retroflexus [76], AgNPs cause lipid peroxidation, leaf damages and alters catalase activity in G. max [145], NPP ATZ + AMZ Raphanus raphanistrum suppresses plant growth [146].

Besides these, NPs show an adverse impact on plant physiology, soil microbiota, and declined enzymatic population. For instance; Al₂ O₃ (Aluminium oxide) reduces bacterial growth and reduces seedling growth [147, 148], C60 fullerene restricts bacterial growth up to 20–30% [149], ZnNPs decrease enzymatic activities in soil and reduces transpiration rate and photosynthetic rate in Z. mays [150]. Conclusively, NPs are very reactive and variable in nature, so always a concerning risk for workers who may come across during their application.

Limitation and challenges at commercial scale implementation

As with documentation, the lack of finding on behavior and fate in the environment of nanoagrochemicals and their impact on faunal diversity may put challenges on their incorporation in agriculture. Instead of the benefits of using nanoencapsulation systems, their implementation requires caution, since it is mandatory to calculate their behavior in the environment and non-targeted communities to develop safer product development policies [54]. Although, it needs to develop smart nanoagrochemicals that are focused on biological nanoformulation and that offer a simple handling process, low cost, more AIs persistence with a sharp release system, and high degradation rate without leaving any residue [148]. Besides these, poor demonstrations at field conditions, cost-effectiveness, consumer acceptance, and feasibility of technology are major constraints on commercial implementation [152].

The limited management guidelines, inconsistence legislative framework, and regulatory models, and lack of public awareness campaign creates inconsistent marketing of such incipient nanoagricultural products. The national and international arrangement that fits at ground level is the only way that supports Nanotechnological development [49]. However, the community seeking approval for nanoagrochemicals must demonstrate the precautionary uses of these new products by proposing unjustifiable safety risks to the user and environment. Thus regulatory guidelines and frameworks are becoming primarily important to resolve the emerging issues of nanoagrochemicals [153]. Moreover, the need for collaboration, discussion, and information exchange forums among countries to ensure threat mitigating strategies should be considered as a milestone in nanoagrochemicals. So consolidates efforts of governmental organizations, scientists, and social communities are needed to preventing the adverse effect of nanoagrochemicals on humans and the environment [59].

In this scenario, the toxicity measuring instrumental setup is used in the characterization of toxicity type and their level to access the potential intrinsic hazards [59]. Currently, the main focus of experimental investigation on nanomaterial translocation in biotic/abiotic systems, monitoring and revealing interaction Among nanotoxicity and nanomaterial in the physical and chemical environment [48, 54, 151,152,153].

Transformation

Due to high reactivity, the interaction of nanocomponents with organic and inorganic components in the soil as well as for plants is undetermined and unregulated. The changing in physiochemical properties and transformation behavior after implementation creates chances of heavy metal toxicity. Biotransformation was demonstrated in Cucumis sativa, using CeO₂ bioavailability cause 20% to Ce(III) in the shoots and 15% of Ce(IV) being reduced to Ce(III) in the roots [154]. In another study, AgNPs were oxidized and forming the Ag-glutathione complex in the lettuce plant [154].

Accumulation of NPs

Because of variability in binding, the accumulation of NPs causes toxicity in plants, humans, and animals. In soybean, CeO₂ application shut down the Nitrogen fixation cycles and causes toxicity. However, ROS production, growth inhibition, cellular toxicity, and other phytotoxic effect were reported in Amaranthus tricolor . The application of C60 fullerene enhanced DDT accumulation in soybean, tomato, and zucchini plants [155].

Time to switch toward more sustainability

Most agrochemicals are not fully utilized by plants or seep off into the soil, air and water unintendedly causes toxic ill effects and accumulated through biomagnification. Moreover, global pesticide rise threatened biodiversity and led to the adverse effect on human intelligence quotient and fecundity in recent years. Still, it’s also enhancement the resistance in weeds and plant pathogen against agrochemical turn them to super pathogen/weed. New doses after the changing in strategies of pathogens or new strain resurgence enhance cost-effectiveness and put the question on existing regulatory recommendations. [14, 106, 156,157,158].

The chemicals persist in soil particles, agricultural residues, irrigation water and migrates into the different layers of soils turns into a serious threat to the ecosystem. Leaching of synthetic pesticides, abrupting soil-pest, soil-microbe activities, algal blooms formation, eutrophication, altering soil physiochemical properties [159], and salt toxicity via creating salt buildup in soil [160].

Low-cost oxides of Mg, Al, Fe, Ti, Ce, and Zn (Magnesium, Aluminium, Iron, Titanium, Cerium, Zinc) are ideal candidates and provides greater affinity, a large number of active sites, minimum intraparticle diffusion distance, and maximum specific surface area [160]. NP implementation help to successfully chase down the inorganic residues of various chemicals such as permethrin, 2–4 Dichlorophenoxy acetic acid (2–4-D), Dichlorodiphenyltrichloroethane (DCPT), Diuron (Adsorption), Chlorpyrifos, Chloridazon, Methomyl (Photocatalysis) from the soil. Some nanocomposites are used for complete degradation of lethal agrochemicals for example silver- doped TiO₂ and gold doped TiO₂ , Zerovalent Fe (nZVI), endosulfan, TiO₂ , nZVI for atrazine, Ag for chlorpyrifos, Pd–Mg, Ni–Fe bimetallic system, nZVI for DDT, nZVI, nitrogen-doped TiO₂ , Fe–Pd (iron–palladium), Fe–S (Iron-sulfur) for Lindane [161] (Table 5).

Smart agrochemical:a step ahead toward more sustainability

Al-Barly et al. reported the slow release of nanocomposite fertilizers to depend upon phosphate and nitrogen content availability in soil [162]. TiO₂ NPs derived from Moringa oleifera leaf extract are used to control the red palm weevil (Rhynchophorus ferrugineus) and exhibits antioxidant and larvicidal activities. In the case of Zanthoxylum rhoifolium , nano-encapsulated essential oil was reported to maintain the population of Bemisia tabaci [19, 163]. Nanopesticides derived from pyrethrum insecticides cause an impact on the population status of honey bees. Except for these studies, agrochemical degradation can also be accomplished using adsorption, membrane filtration, catalytic degradation, oxidation, and biological treatment. Since, adsorption using smart Nanosorbents also relies on environmental factors including pH, temperature, and competitive adsorbing molecules [19]. At low pH, the protonated charged active site of NPs disturbs the binding ability of positively charge agrochemical whereas, high temperature creates hinders the electrochemical interactions between active sites and agrochemicals due to elevated vibrate energy of active site of adsorbent and kinetic energy of agrochemicals [79]. Moreover, chitosan-coated and cross-linked chitosan-Ag NPs used as composite microbeads that incorporated into reverse osmosis filters help in the effective removal of atrazine content from the water. According to Aseri et al. [164] integration of membrane filters and magnetic NPs-based beads enhances microbial elimination and resonance activation of water, respectively.

Secondly, targeting a not selected species with possible adverse effect is a key issue emerging that put a loophole of criticism for these smart nanoagrochemicals. For example; 1–10 mg L ⁻¹ of Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate (PBHA) encapsulation for atrazine in lactuca sativa for 24 h reduced genotoxicity in plants [165], PCL atrazine nanocapsules ill effect on Daphnia similis and Pseudokirchneriella subcapitata, after exposure up to 24 h [166], Solid lipid NPs encapsulating simazine 0.025–0.25 mg mL ⁻¹ exhibits Caenorhabditis elegans Induction of mortality and decrease in the body length after exposure of 48 h [167]. The uncontrolled non-targeted release of AIs in plant cells causes lysosomal damage with increasing pH. After the cellular compartment, nanoagrochemicals may bind or channelization into cell organelles and causes damage to protein, pigments, and DNA [98].

The binding ability of nanocompositions with selected and non-selected binding helps to recognize its distribution, bioavailability, toxicity level, and exclusion from the plant cell. Several proteins acquire a wide range of functional and structural properties including ligand boding, metabolite production, catalysis, cellular and molecular reorganization [19]. The protein- nanopesticide complex can cause minor structural configuration and denaturation of proteins. Similarly, conformational changes and movement of the genomic DNA mediated through NPs also induced cytogenetic abnormalities. These nanopesticide toxicity are solely dependent upon the balance between key factors like biodegradability, concentration, and size of incorporated AIs. In Prochilodus lineatus 20 μg L ⁻¹ concentration using PCL nanocapsules containing atrazine up to 24–48 h declined toxicity, as they did not induce carbonic anhydrase activity, alterations in glycemia and antioxidant response [168], in Enchytraeus crypticus causes a decrease in hatching due to the delayed number of adults and juveniles [19, 158, 169].

No doubt, intervention of nanoagrochemicals, resolve many threats mitigation put forward by the implementation of agrochemical but still more validation is required to lowering the agroecological risks. The persistent use of novel monitoring applications always knocks down the door of improvement of sustainable crop production and protection without creating the threats of NPs as a new contaminant.

Conclusion and future perspectives

During the entire course of million years of evolution, the green plants had evolved without any interference from other eukaryotes. However, for the last fifty years, continuous human activities have introduced many contaminants in the environment that altered the ecological balance and raised the eye-brows of researchers towards combating the new pathovars and pathotypes. These thrusting biological stresses have severely damaged global crop production. Concerning, the environmental penalty of conventional agrochemicals at present, nanoformulations seem to be a potential applicant for plant protection. The use of controlled biodegradable polymers especially polyhydroxyalkanoates shows significant and attractive properties of biocompatibility, biosorption rate, low-cost synthesis, thermoplastic nature, and ease in biodegradation rate that have popular advantages conventional chemical delivery systems. However, sustainable and efficient utilization with promising target delivery and low toxic effects are prerequisites of commercial implementation. Although, the studies on the soil–plant microbiome and nanoscale characterization highlight the impact of chemical agrochemical on the environment.

The use of nanocoated AIs biopesticides is expected to surpass the challenges of chemical residual management gap and premature degradation of AIs. Instead, these, applying new nanocomponents along with existing chemicals should follow regular checks on resistance strategies of targeted organisms, new resistance pathways, and revolutionized pest strains. Although, smart agrochemicals or nanoagrochemicals resolve so many issues and gives an instant solution.

To ensure these, it is essential to develop more international and national risk assessment, management, and mitigating strategies. Beyond these challenges, social acceptance with reduced environmental cost chiefly soil deterioration, microbiome disruption, depleted water resources need keen monitoring. Ecologically, the continuum uses of agrochemical put the question on survival challenges result in more resistance races creating a vicious loop in which pesticides concentration help to revolutionizing the organism more toward superiority.

For this, alternative strategies with strong monitoring are required, together recommendations of IPM practices help to eliminate shortcomings in individual practices. Despite the advancement in studies on nanoformulation and plant response more extensions in genomic, proteomics, physiological, and metabolic studies help to understand the interaction in the mechanism.

Disponibilité des données et des matériaux

Not applicable.

Abréviations

NPs:

Nanoparticles

NMs:

Nanomaterils-based products

AIs:

Active ingreadents

CRS:

Controlled release system

CR:

Controlled release

PLA:

Poly lactic acid

PLGA:

Poly(lactic-co-glycolic acid)

mPEG:

Methoxy polyethylene glycol

PCL:

Poly(ε-caprolactone

γ-PGA:

(Poly (γ-glutamic acid)

γ-GTP:

(γ-Glutamyl transpeptidase)

UV:

Ultraviolet

PEG:

Polyethylene glycol

CAGR:

Compound annual growth rate

IPM:

Integrated pest management

Ag ⁺ :

Silver

SiO₂ NPs:

Silicon dioxide nanoparticles

Ch-polymethacrylic NPK:

Chitosan polymethacrylic nitrogen phosphorus potassium

Au-NPs:

Gold nanoparticles

ZnO NPs:

Zinc oxide nanoparticles

CeO₂ -NPs:

Cerium dioxide nanoparticles

TiO₂ NPs:

Titanium oxide nanoparticles

S. oleracea :

Spinacia oleracea

Si NPs:

Silicon nanoparticles

V. mungo :

Vigna mungo

V. radiate :

Vigna radiate

C. arietinum :

Cicer arietinum

Ch-NPs:

Chitosan nanoparticles

CS-EO:

Chitosan essential oil

MDA :

Malondialdehyde

H₂ O₂ :

Hydrogen peroxide

PS II:

Photosystem II

Fe₃ O₄ NPs:

Iron oxide nanoparticles

Fe NPs:

Iron nanoparticles

T. aesitivum :

Triticum aestivum

B. pilosa :

Bidens pilosa

C. dactylon :

Cynodon dactylon

AgNPs:

Silver nanoparticles

CM-β-CD-MNPs-Diuron complex:

Carboxymethyl-hdroxypropyl-β-cyclodextrin magnetic nanoparticles diuron complex

Ag@dsDNA GO:

Ag@dsDNA-graphene oxide

L. esculemtum :

Lycopersicon esculentum

Z. mays :

Zea mays

CeO₂ :

Cerium dioxide

ROS:

Reactive oxygen species

Mg:

Magnesium

Al:

Aluminium

Fe:

Iron

Ti:

Titanium

Ce:

Cerium

Zn:

Zinc

2-4-D:

2-4 Dichlorophenoxy acetic acid

DCPT:

DDT- Dichlorodiphenyltrichloroethane

nZVI:

Zerovalent iron

Fe-Pd:

Iron-palladium

Fe-S:

Iron-Sulphur

PBHA:

Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate

P. vulgaris :

Phaseolus vulgaris

C. annum :

Capsicum annum

S. oleracea :

Spinacia oleracea

B. juncea :

Brassica juncea

CNTs:

Carbon nanotubes

Cu₃ (PO₄ )₂ :

Copper(II) phosphate

X. perforans :

Xanthomonas perforans

B. sorokiniana :

Bipolaris sorokiniana

X. alfalfa :

Xanthomonas alfalfa

C. riparius :

Chironomus riparius

CrBR2.2:

Balbiani ring protein gene

CrGnRH1:

Gonadotrophin-releasing hormone gene

D. melanogaster :

Drosophila melanogaster

L. usitatissimum :

Linum usitatissimum

G. max :

Glycine max

SLN:

Solid lipid nanoparticles

G. hirusutum :

Gossypium hirusutum

PVA:

Poly vinyl alcohol

S. lycopersicum :

Solanum lycopersicum

S. bicolor :

Sorghum bicolor

PVC:

Polyvinyl chloride

PHSN:

Polystyrene nanoparticles

O. sativa :

Oryza sativa

SnO₂ :

Stannic oxide

H. vulgare:

Hordeum vulgare

A. cepa :

Allium cepa

T. repens :

Trifolium repens

H. vulgare :

Hordeum vulgare

S. tuberosum :

Solanum tuberosum

MSN:

Mesoporous silica nanoparticles

C. sativus :

Cucumis sativus

B. cinerea :

Botrytis cinerea