Как наногербициды на биоразлагаемых носителях помогают бороться с сорняками

В последнее время нерациональное использование гербицидов в сельском хозяйстве вызывает многочисленные вредные последствия, затрагивающие окружающую среду и живые организмы. Для достижения цели №12 повестки дня ООН «Устойчивое развитие до 2030 года» — «Обеспечение устойчивых моделей потребления и производства» — существует настоятельная необходимость перехода к использованию нетоксичных сельскохозяйственных ресурсов. Для контроля роста и развития сорняков широко применяются различные методы, однако фермеры в основном полагаются на внесение гербицидов. Гербицидные препараты, созданные с использованием нанотехнологий, обеспечивают более устойчивую и эффективную борьбу с сорняками по сравнению с традиционными средствами.

Наногербициды требуют меньшей частоты внесения и меньшего количества препарата, что предотвращает накопление гербицидов в почве и водоемах. В частности, гербициды на биоразлагаемых носителях, созданные с помощью нанотехнологий, обладают свойствами пролонгированного высвобождения, направленного подавления, сниженной подвижностью в почве, лучшей адгезией к поверхности растений и замедляют быструю деградацию действующих веществ, что повышает эффективность гербицидов против сорняков. Материалы биоразлагаемых носителей экономически эффективны и легкодоступны из живых/неживых организмов и минеральных источников, что позволяет использовать их в качестве альтернативы носителям на основе металлов или оксидов металлов. Такие материалы, как хитозан, производные растений, глинистые частицы и синтетические полимеры, являются известными носителями для инкапсуляции или загрузки молекул гербицидов. Применение наногербицидов — это инновационный подход к борьбе с сорняками, учитывающий экологическую безопасность. Данный обзор в первую очередь посвящен последним достижениям в области применения гербицидов на биоразлагаемых носителях в сельском хозяйстве для преодоления кризиса в устойчивом управлении сорной растительностью. Конечная цель этой статьи — служить источником справочного материала для изучения наноразмерных гербицидных составов, их подвижности, судьбы в окружающей среде и перспектив будущего развития.

Ожидается, что к 2033 году численность населения мира возрастет с более чем 7 миллиардов до 8,7 миллиарда, что, как ожидается, напрямую повлияет на потребление продуктов питания на душу населения (OECD/FAO, 2024). Растущий спрос на производство продуктов питания требует более эффективного использования природных и возобновляемых ресурсов (Fraceto и др., 2016). Чтобы обеспечить продовольственный спрос, сельское хозяйство требует применения большего количества ресурсов, включая удобрения и пестициды. Сорняки известны своим конкурентным поведением в сельском хозяйстве, что приводит к потерям урожайности. Поэтому борьба с сорняками является важной агротехнической практикой в ходе производства сельскохозяйственных культур. Сельское хозяйство часто сталкивается с проблемами при управлении использованием химических средств защиты растений. Тем не менее, сорняки обеспечивают самую высокую долю потерь производства среди всех прочих вредителей в сельском хозяйстве, со средними потерями урожайности 34% (Jabran и др., 2015). Конкуренция между культурными растениями и сорняками широко распространена в сельском хозяйстве и снижает урожайность культур (Campos и др., 2023). Главной причиной конкурентоспособности является интерес сорняков к таким ресурсам, как свет, вода и питательные вещества (Singh и др., 2022).

Гербициды — это тип препаратов, относящихся к категории пестицидов (Periakaruppan и др., 2023; Rajput и др., 2021), которые описываются как любые вещества, используемые для предотвращения, уничтожения или подавления роста сорняков, в основном на сельскохозяйственных землях (Paul и др., 2024). В 2023 году мировые показатели потребления сельскохозяйственных пестицидов были следующими: гербициды > фунгициды и бактерициды > инсектициды > прочие, в количестве 1732,3, 816,38, 757,54 и 220,15 тысяч метрических тонн соответственно (FAO, 2023). Гербициды — это химические соединения, полученные из синтетических или природных веществ. Гербициды предназначены для контроля или подавления роста сорняков в условиях выращивания культур, что привело к созданию надежного источника борьбы с сорняками, наряду с антропогенным загрязнением, таким как ухудшение плодородия почвы, качества воды и воздуха (Singh и др., 2023; Verma и др., 2022).

Применение гербицидов в теплицах и открытом поле широко распространено в сельском хозяйстве, что приводит к профессиональному воздействию на работников (Sameeha, 2023; Abdollahdokht и др., 2022). Внесенные гербициды, как листовые, так и почвенные, могут подвергаться выщелачиванию, летучести и смыву, воздействуя на биоразнообразие (Wilms и др., 2020). К сожалению, они накапливаются в почве и водоемах и попадают в пищевую цепь, что может вызывать опасность для жизни человека и окружающей среды в течение нескольких лет (Ghazi и др., 2023). Такие гербициды, как 2,4-Д, оксифлуорфен, глифосат, атразин, диурон, тебутиурон, алахлор, метрибузин, фенурон, монурон, метолахлор, флуометурон и аметрин, указаны в качестве загрязнителей воды в нескольких научных исследованиях (Brillas, 2021). Например, глифосат является одним из наиболее широко используемых гербицидов во всем мире, и он идентифицирован как ключевой фактор, вызывающий различные заболевания, такие как рак, аутизм, бесплодие, депрессия, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и ожирение в человеческом обществе (Anarghou и др., 2024). Было обнаружено, что гербициды вызывают вредные последствия посредством биологического увеличения и долгосрочного остаточного накопления в экосистеме (Ebube и др., 2024). С другой стороны, целевой организм не полностью использует внесенное химическое вещество из-за различных внешних факторов. Более 90% пестицидов, включая гербициды, инсектициды и фунгициды, остаются неиспользованными после внесения (Paul и др., 2024). Чтобы преодолеть эту опасность, Организация Объединенных Наций предусмотрела свою третью цель в повестке дня SDG 2030 по сокращению нарушений, вызванных химическим загрязнением в условиях жизни (Onyeaka и др., 2024).

В недавнем полевом эксперименте исследовали остатки гербицидов в почве после сбора урожая. Когда четыре гербицида (триасульфурон, клопиралид, пироксасульфон и хлорсульфурон) были внесены на посевы пшеницы в фазе середины кущения, количество клубеньков, длина корней, длина побегов и масса целых растений снизились у последующих выращиваемых пастбищных и зернобобовых культур (Yates и др., 2024).

В сельском хозяйстве синтетические гербициды считаются экономически эффективным и действенным методом борьбы с сорняками. Но устойчивость к гербицидам также является одной из проблем, вызванных новым поколением гербицидов (Kumar и др., 2017). Существует 533 случая устойчивости к гербицидам, при этом 273 вида сорняков (156 двудольных и 117 однодольных) проявили устойчивость к 168 различным гербицидам. Согласно HRAC (Комитет по борьбе с устойчивостью к гербицидам), было классифицировано 34 группы гербицидов на основе механизмов действия. В подтверждение этого факта было опубликовано исследование, в котором устойчивость к гербицидам имеет наибольшую долю в 54% в семействе Poaceae, за которым следуют Brassicaceae и Asteraceae с 30% (Oreja и др., 2024). Рисунок 1 показывает последние данные об устойчивости к гербицидам, которая возникает во всем мире из-за чрезмерного использования гербицидов. В более широком смысле, производство гербицидов без нового механизма действия будет способствовать развитию устойчивости к гербицидам у различных видов сорняков (Khan и др., 2024). Устойчивость к месту действия (TSR) и нецелевая устойчивость (NTSR) — это два механизма, ответственных за устойчивость у большинства биотипов сорняков (Sen и др., 2023). На более высоких уровнях оба механизма TSR и NTSR иногда могут объединяться и создавать механизмы выживания на индивидуальном уровне или внутри популяции. Кроме того, устойчивость к гербицидам у признака приобретается благодаря природе опыления вида сорняка. Важно отметить, что различные механизмы устойчивости к одному или нескольким гербицидам могут присутствовать у перекрестноопыляемых групп сорняков; этот процесс происходит быстрее у перекрестноопыляемых групп по сравнению с самоопыляемыми группами (Gaines и др., 2020).

Рисунок 1 Данные об устойчивых к гербицидам видах сорняков, полученные из международного обследования устойчивых к гербицидам сорняков (Источник: Heap I. The International Herbicide-Resistant Weed Database. www.weedscience.org).

Механизм TSR возникает главным образом из-за: 1) генных мутаций, влияющих на сайт связывания гербицида при полиморфизме одного или нескольких белков-мишеней, 2) делеции кодонов и 3) дупликации генов. NTSR является более сложным, чем TSR, с точки зрения механизмов действия, включая сниженный транслокацию, адсорбцию, повышенную секвестрацию и метаболическую деградацию. Как правило, эффективность гербицида зависит от количества гербицида, проникающего в клетку растения, и от того, как долго он взаимодействует с сайтом-мишенью. GSH-трансферазы, цитохромы P450, арилациламидаза, глюкозил и другие ферменты вызывают метаболизм гербицидов (образуя неингибирующие побочные продукты), что приводит к устойчивости к гербицидам (Gaines и др., 2020). Устойчивое высвобождение биоактивных химических веществ и направленное подавление нано-активированных молекул остаются в среде выращивания культур в течение длительного времени. Это позволяет избегать частого внесения гербицидов, что впоследствии снижает устойчивость сорняков. Следовательно, различный механизм устойчивости сорняков может быть смягчен путем применения наногербицидов.

После зеленой революции пестициды стали неизбежным компонентом сельского хозяйства, но сокрытие существенных сложностей в использовании пестицидов должно быть переопределено (Shangguan и др., 2024). Употребление загрязненных продуктов питания и воды с остатками пестицидов воздействует на широкую общественность. Эти ограничения указывают на необходимость создания интеллектуальных, отзывчивых, биоразлагаемых и биосовместимых альтернатив (Abdollahdokht и др., 2022). Нанотехнология признана новой технологией, которая может оживить систему ведения сельского хозяйства и производство продуктов питания. Многочисленные применения нанотехнологий были найдены в различных областях, включая химическое производство, машиностроение, энергетику, текстиль, косметический уход, медицинскую науку, материаловедение, пищевую промышленность и сельское хозяйство (Khan и др., 2022; Paul и др., 2024).

Комбинация молекул гербицидов с наночастицами (НЧ) повышает эффективность до 84% (Rajput и др., 2021). Нанотехнология в сельском хозяйстве становится компонентом «точного земледелия» и «устойчивого сельского хозяйства» благодаря своему приоритету увеличения производства продуктов питания с большим акцентом на экологическую безопасность (He и др., 2019). Чтобы максимизировать урожайность сельскохозяйственных культур, наночастицы и нанокомпозитные агрохимикаты для защиты растений обеспечивают преимущества контролируемого высвобождения и повышенной эффективности использования против вредителей и болезней (Abd-Elsalam, 2024).

Практика ведения сельского хозяйства с использованием нанотехнологий может считаться предстоящей зеленой революцией с уменьшенными угрозами, вызванными современной зеленой революцией (Kumar, 2020). Нанотехнология в сельском хозяйстве включает производство ресурсов наноразмера в диапазоне 1-100 нм для решения проблем сельского хозяйства и глобальной нехватки продовольствия (Campos и др., 2023; Lv и др., 2023). Синоним «нано» — это одна миллиардная часть метра (Nuruzzaman и др., 2019), примерно 1/80000 диаметра человеческого волоса или примерно размер 10 атомов водорода (Paul и др., 2024). Для достижения устойчивости целевая доставка и снижение дозы могут быть эффективным подходом (Khan и др., 2024; Gayathri и др., 2023). Биоразлагаемые гербициды на нанооснове открывают окно для смягчения проблем, связанных с борьбой с сорняками на сельскохозяйственных полях, устойчивым способом. В последнее время несколько преимуществ полимерных носителей были широко изучены в биомедицинской области для разработки систем доставки лекарств (MaChado и др., 2022).

В сельском хозяйстве полимерные наноносители используются недостаточно, а их применение в борьбе с сорняками изучено меньше. Однако коммерческая доступность наногербицидов на носителях менее распространена. Высокая стоимость производства для идеальной инфраструктуры и отсутствие междисциплинарного подхода в лабораторных исследованиях с многочисленными полевыми испытаниями. Таким образом, применение наногербицидов в сельском хозяйстве открыло более широкие исследовательские возможности в текущем десятилетии.

Наногербициды — это специально сконструированные гербициды, в которых молекулы действующего вещества (ДВ) покрыты или загружены в материалы-носители наноразмера (1-100 нм) (Paul и др., 2024). Инновации в области новых сельскохозяйственных методов и технологий являются высокоприоритетной задачей среди мирового сообщества для искоренения голода и недоедания (Food and Agriculture Organization., 2018; Xin и др., 2020). Рисунок 2 представляет хронологическую эволюцию гербицидов на протяжении многих лет. Во многих исследованиях традиционные гербициды демонстрировали низкую растворимость в воде и нестабильную кинетику высвобождения. Это побуждает фермеров вносить больше химикатов на сельскохозяйственные поля, что приводит к высоким затратам на внесение, устойчивости к гербицидам и накоплению токсичности в экосистеме. С другой стороны, доставка гербицидов с помощью нанотехнологий списывает со счетов проблемы загрязнения и минимизирует трудозатраты на внесение гербицидов с меньшим количеством (An и др., 2022).

Рисунок 2 История эволюции гербицидов.

Наногербициды снижают общую потребность в количестве гербицида благодаря пролонгированному высвобождению молекул ДВ без воздействия внешних потерь (de Oliveira и др., 2015; Zargar и др., 2023). Наноинкапсулированные атразин, клодинофоп-пропаргил и феноксапроп-п-этил, использованные в 10-кратно меньшем количестве на сорняках, дают результаты, аналогичные коммерческим препаратам (Khan и др., 2022). Наноинкапсулированные гербициды достигают высокой площади поверхности и, следовательно, требуют значительно меньше активных соединений при их первичном полевом применении (Kremer, 2019). Применение инкапсулированных гербицидных препаратов с использованием нанотехнологий повышает эффективность борьбы с сорняками и снижает угрозы для окружающей среды (Kah and Hofmann, 2014). Более высокое отношение площади поверхности частицы к меньшему объему гарантирует НЧ мощный инструмент-носитель и делает их вектором для биоактивных молекул (Xin и др., 2020).

Наногербициды специально разработаны для решения нескольких ограничений, таких как испарение, летучесть, выщелачивание, смыв, эрозия, фотохимическая деградация, а также микробная и химическая деградация (An и др., 2022; Paul и др., 2024). Смачиваемость и диспергируемость гербицидных препаратов улучшаются, когда гербициды загружены в наноматериалы, содержащие высокую удельную площадь поверхности и мельчайшие гербицидные действующие вещества (ДВ) (Forini и др., 2022; Manisankar и др., 2022). Чтобы оптимизировать гербицидные эффекты наногербицидов по сравнению с традиционными гербицидами, основное внимание при их изготовлении уделяется улучшению их физико-химических характеристик, таких как размер, форма, химия поверхности, концентрация и т.д. Химический состав наноматериалов определяет взаимодействие наногербицидов с листвой, корнями и семенами сорняков (Forini и др., 2022).

Согласно свойствам и химическим компонентам материалов-носителей, наногербициды делятся на три типа: органические, неорганические и гибридные (Forini и др., 2022). Органические доступные материалы-носители, такие как белки, липиды, лигноцеллюлозные материалы, глины и т.д. (Su и др., 2019), обладают легкой разлагаемостью, лучшей стабильностью, биологической эффективностью, легкодоступностью и осуществимостью. Метод инкапсуляции с использованием биоразлагаемых полимеров предлагает различные преимущества, включая повышенную эффективность, устойчивое высвобождение биологических соединений, защиту от факторов окружающей среды (Sahoo и др., 2022) и увеличенный срок хранения материалов (An и др., 2022; Campos и др., 2023).

С другой стороны, наночастицы металлов и оксидов металлов выступают в качестве материалов-носителей для доставки молекул ДВ благодаря своей высокой площади поверхности, более высокой реакционной способности, а также оптическим и электронным свойствам (Xin и др., 2020). Однако чистые металлические НЧ вызывают негативные последствия, такие как нерешенные проблемы опасности для окружающей среды и риска для здоровья организмов (Lead и др., 2018). Хотя металлические НЧ имеют потенциал выступать в качестве материалов-носителей, они проявляют широкий спектр токсикологических угроз в экосистеме. Например, листовое внесение суспензии металлических НЧ (от 10 до 1000 ppm) привело к накоплению содержания металлических НЧ в частях растений (корнях и побегах) в диапазоне от 10 до 70 мг/кг сухого веса (Su и др., 2019). В традиционных агрохимикатах современные доступные материалы-носители получают из нефти, такие как полимочевина и полиолефины, проявляя заметную устойчивость к деградации. Следовательно, эта характеристика приводит к накоплению вредных веществ в биогеохимическом цикле (MaChado и др., 2022).

Гибридные наногербициды — это разные наноматериалы в одной структуре с молекулами гербицидов. Гибридные наноматериалы содержат агрохимикаты с двумя или более материалами-носителями, такими как природные полимеры, синтезированные полимеры и неорганические НЧ (Khan и др., 2022). Сочетание потенциального химического взаимодействия различных наноматериалов превращает их в выдающиеся материалы-носители. Гибридные наноматериалы способствуют прослеживаемости, направленности к цели и стимул-чувствительным свойствам, подобно органическим и неорганическим типам. Таким образом, гибридные наноматериалы представляют собой отличный источник материалов-носителей для лучшего сродства и растекаемости по поверхностям растений и обеспечивают устойчивое высвобождение со сниженной вероятностью деградации под воздействием УФ-излучения (Forini и др., 2022). Полностью биомассные гибридные материалы включают ксилан, крахмал, целлюлозу, лигнин и т.д. Например, исследование показало, что гибридные наноматериалы ксилан-лигнин имеют структуру ядро-оболочка и амфифильные свойства (Jiang и др., 2020). Природная глина (неорганический минерал) и биополимеры совместимы после химических модификаций и выступают в качестве носителей для молекул гербицидов (Granetto и др., 2022). Далее, кинетика высвобождения и способность к борьбе с сорняками кратко обсуждаются в следующем разделе обзора.

Поскольку биоразлагаемость материала-носителя является высоким приоритетом среди доступных источников, мы рассмотрели недавно опубликованные применения наногербицидов на биоразлагаемых носителях для борьбы с сорняками в сельском хозяйстве в следующих разделах. Природные или синтетические биоразлагаемые полимеры, такие как хитозан и альгинаты, синтезируются путем сборки сополимеров, которые научно признаны экологически чистыми биополимерами (Muthukrishnan и др., 2019).

Управление флорой сорняков с помощью наногербицидов полностью совместимо с их механизмом контролируемого высвобождения (КРВ) (Kumar и др., 2017; Paul и др., 2024) и снижает фитотоксичность в экосистеме сельскохозяйственных культур. Например, сшивающие вещества, такие как глутаральдегид или генипин, могут усилить структурную целостность и стабильность наночастиц хитозана, обеспечивая контролируемое высвобождение молекул гербицидов (Thambiliyagodage и др., 2023). Механизм КРВ обеспечивается адсорбцией, присоединением, удержанием или инкапсулированием ДВ с органическими и неорганическими материалами-носителями на нанооснове (Paul и др., 2024). Кроме того, оптимизированная наноформула диурона (ОДНФ) была синтезирована с использованием лигнина стебля субабул (Leucaena leucocephala) в качестве матрицы для контролируемого высвобождения гербицидов. Полимерная матрица значительно влияет на кинетику высвобождения и биоэффективность (борьба с сорняками) молекул ДВ. Важно отметить, что высвобождение диурона наблюдалось с помощью ВЭЖХ при всех уровнях pH (кислом-5,0, нейтральном-7,0 и основном-9,0). ОДНФ приводит к нелинейному двухфазному высвобождению ДВ из матрицы, что указывает на то, что начальное взрывное высвобождение следует за контролируемым высвобождением до 120-го дня. На скорость высвобождения сильно влиял pH, где кислотный pH был медленнее, чем нейтральный и основной pH, высвобождая 53%, 62,2% и 67% соответственно. Начальное быстрое высвобождение связано с диффузией молекул гербицида с периферии внешней матрицы. Напротив, последующее медленное высвобождение через некоторое время связано с увеличением расстояния диффузии к внутреннему ядру матрицы (наличие диффундированной молекулы гербицида в обедненной зоне). Этот результат дает представление о возникновении КРВ в нано-активированных молекулах гербицидов без ущерба для борьбы с сорняками (Yearla and Padmashree, 2016). Например, традиционные гербициды менее эффективны в засушливых условиях (Sahoo и др., 2022) из-за банка покоящихся семян сорняков в подповерхностном слое почвы. Если семя сорняка получит оптимальную влажность для прорастания, недеградированные наноинкапсулированные молекулы гербицидов в почве могут ограничить его рост и развитие.

Наноформулы, такие как наноинкапсуляция, наногели, наноэмульсии и т.д., обладают лучшей эффективностью молекул ДВ и обеспечивают экологическую безопасность (Abdollahdokht и др., 2022). Основными целями наноинкапсуляции являются контролируемое высвобождение и стимул-чувствительное высвобождение (Ananikov, 2019; Xin и др., 2020). Наноинкапсулированные пестициды разрабатываются для содействия интеллектуальному высвобождению (Gomollón-Bel, 2019) молекул ДВ при биотических (фитопатогены, насекомые и сорняки) и абиотических (засуха, текстура почвы, затопление, солнечный свет, температура и соленость) стрессах. Например, паракват (ПК) — широко используемый гербицид, который связывается с сайтом фотосистемы I (ФС I) и ингибирует транспорт электронов к никотинамидадениндинуклеотидфосфату (НАДФ+). Воздействие ПК на человека высокотоксично и вызывает острое отравление, а хроническое воздействие приводит к серьезным проблемам со здоровьем. Совместимая, удобная для пользователя, фоточувствительная формула ПК была загружена в супрамолекулярные везикулы. Супрамолекулярные везикулы были сформулированы с использованием гидрофобного ПК в качестве внутреннего ядра, покрытого двумя гидрофильными слоями производного азобензола, а куркурбит[8]урил образует тройной комплекс 1:1:1. Под воздействием солнечного света и УФ-излучения производное азобензола меняет свою транс-форму на цис-форму, что приводит к диссоциации тройного комплекса. Кроме того, формула обеспечивает медленное высвобождение молекул ДВ и подавляет инвазивные виды сорняков (Estuca arundinaceae), аналогично свободному ПК. Кроме того, исследование in vivo на модели зебрафиш и мыши обеспечивает повышенный профиль безопасности гербицидной формулы (Gao и др., 2018).

Гербициды теряются несколькими способами, такими как летучесть, дрейф паров и выщелачивание ДВ. В большинстве случаев гербициды подвергаются летучести после непосредственного внесения на целевой участок. Впоследствии дрейф происходит из-за ветра, а низкая адсорбция почвы вызывает выщелачивание молекул гербицидов. Наногели — это особый тип формул, который предлагает разнообразные применения для агрохимикатов с более высокой эффективностью использования и экологической устойчивостью. Высокая стабильность и низкая растворимость формулы обеспечивают устойчивое высвобождение ДВ и подавляют целевого вредителя, не влияя на другие организмы (Kashyap и др., 2015; Ghaderpoori и др., 2020; Artusio и др., 2021). Мини-эмульсионный шаблон был сформулирован с использованием подсолнечного масла, где гидрофильный гербицид дикамба был загружен/инкапсулирован в наночастицы альгината для образования наногелей. Присутствие биосовместимого подсолнечного масла и наночастиц альгината предотвращает преждевременную деградацию ДВ. Кроме того, он действует как нетоксичное поверхностно-активное вещество для снижения поверхностного натяжения и как адъювант для улучшения поглощения растениями (Artusio и др., 2021). Аналогично, с использованием метода ионной гелефикации были получены наногели хитозан-паракват (ПК), инкапсулированные с использованием сшивателей триполифосфата натрия и ксантана. Вышеупомянутые исследования привели к медленному высвобождению молекул гербицидов и повышенной гербицидной эффективности (Ghaderpoori и др., 2020).

Наноэмульсия — это коллоидная система, содержащая непрерывную (внешняя фаза) и дисперсную (внутренняя фаза) фазы двух несмешивающихся жидкостей, в основном масла и воды. Эти неполярные жидкости не могут смешиваться, поэтому наноразмерные капли одной жидкости диспергируются в другой жидкости (например, масло в воде). Исследования показали, что формула масло-в-воде (М/В) демонстрирует лучшую стабильность и срок хранения. Наноразмерные капли в формуле обеспечивают высокое отношение поверхности к объему, что повышает полезность формулы. Поверхностно-активные вещества или эмульгаторы используются в качестве защитного покрытия для масляных капель, которое предотвращает сливки и осаждение или седиментацию с течением времени. Гидрофобность поверхностно-активных веществ увеличивает электростатическую силу отталкивания между нанокаплями, чтобы избежать коалесценции. Стабильность зависит от количества поверхностно-активного вещества, используемого в наноэмульсии (увеличение количества дает большую стабильность). Важно иметь поверхностно-активное вещество как с гидрофобными, так и с гидрофильными структурными группами для лучшего взаимодействия с водой и маслом (Bamisaye и др., 2023). Исследование показало, что наноэмульсия, содержащая пальмовое масло и сырой экстракт Parthenium hysterophorus L. (CrEPhL), для довсходового применения против сорняка Diodia ocimifolia в малайзийском пальмовомасличном хозяйстве. Оптимальное количество экстракта Parthenium hysterophorus L., пальмового масла и поверхностно-активных веществ было смешано с использованием высокосдвигового гомогенизатора. Наноэмульсия показала лучшую борьбу с сорняками с меньшей концентрацией (5 г L⁻¹), чем сырой экстракт отдельно (10 г L⁻¹). Причиной может быть лучшая адгезия формулы с поверхностью растения, что впоследствии увеличивает поглощение. После 60 дней хранения наноэмульсия показывает увеличение размера частиц (капель), что может быть связано с явлением Оствальдовского созревания (Zainuddin и др., 2019).

Кроме того, наноразмерные структуры биополимеров действуют как щит для молекул гербицидов. Следовательно, биополимеры являются биосовместимыми и биоразлагаемыми материалами-носителями пестицидов (Abdollahdokht и др., 2022). Контролируемое и направленное высвобождение гербицидов может быть спроектировано с использованием биоразлагаемых материалов-носителей, таких как хитозан (Khan и др., 2023; Li и др., 2023), наночастицы на растительной основе (Carvalho и др., 2023; Rodríguez и др., 2022), органоглины (Granetto и др., 2022; Zha и др., 2022) и биоразлагаемые полимеры (Schnoor и др., 2018; Mahmoudian и др., 2020; Moore и др., 2022). Этот обзор фокусируется в основном на исследованиях, связанных с гербицидами на биоразлагаемых носителях для лучшей борьбы с сорняками, уделяя больше внимания экологической безопасности. Неизбежность использования биоразлагаемых материалов-носителей в различных приложениях имеет большое значение и открывает широкие возможности для разработки наногербицидных препаратов. В данном обзоре представлен анализ ключевой роли применения устойчивых наногербицидов на носителях в области сельского хозяйства.

Эта часть обзора выделяет характеристики и совместимость биоразлагаемых материалов-носителей. Концепция наноинкапсуляции заключается в снижении использования высоких концентраций химикатов без ущерба для эффективности и экологической безопасности (He и др., 2019). Преимущества инкапсулированных наногербицидов включают свойства сниженной подвижности в почве, генотоксичности и фитотоксичности, что благоприятствует экологическому балансу (Liu и др., 2021; Bratovcic и др., 2023). Наномасштабные материалы состоят из органических и неорганических веществ для защиты молекул ДВ. ДВ защищены от неконтролируемой деградации, такой как гидролиз, фотолиз, летучесть, выщелачивание и микробное разложение агрохимикатов (Nuruzzaman и др., 2016; Xin и др., 2020). В последнее время доступность глинистых минералов, полимеров, металлов и оксидов металлов широко используется для производства материалов-носителей для загрузки действующего вещества для механизма медленного высвобождения (Paul и др., 2024).

Полимерная наноинкапсуляция была востребована из-за более длительного времени хранения и простоты обращения, что приводит к длительной биологической жизнеспособности формулы (Chang и др., 2022). Кроме того, полимерные наночастицы проявляют повышенную эффективность по сравнению с традиционными гербицидами, обеспечивая целевую доставку, длительное высвобождение и лучшее поглощение (Machodo и др., 2022). Рисунок 3 иллюстрирует разницу между традиционными гербицидами и наноинкапсулированными гербицидами. Контролируемое высвобождение наногербицидов в почвенной системе и системе растений обеспечивает экологическую совместимость, избавляя от таких проблем, как смыв и выщелачивание опасных веществ в экосистему (MaChado и др., 2022). Инкапсулирование молекул ДВ в материалы-носители, а не в виде чистых действующих веществ, повышает гербицидную активность (Forini и др., 2022). Например, наноинкапсуляция эфирного масла показала превосходную способность подавлять рост и длительное высвобождение гербицидных соединений против видов сорняков (Campos и др., 2023).

Рисунок 3 Схематическое представление использования традиционных гербицидов и наногербицидов.

Гербициды, наноинкапсулированные биоразлагаемыми полимерами, имеют биологически активную поверхность, которая способствует лучшей адсорбции и проникновению в растительную систему (Pan и др., 2023). Биополимеры, такие как хитозан, зеин, альгинаты, а также синтетические или природные полимеры, могут быть получены либо по подходу «снизу вверх», либо «сверху вниз». Подход «сверху вниз» использует меньше растворителей и других токсичных химикатов и доставляет как гидрофобные, так и гидрофильные биоактивные соединения, облегчая производство в больших масштабах. Методы синтеза делятся на две категории, а именно: 1) гидрофобные (эмульсионное испарение и нанопреципитация или замещение растворителя) и 2) гидрофильные (ионная гелефикация и метод двойной эмульсии), а также другие, такие как фотосшивание. Гидрофобная поверхность полимерных наночастиц высоко предпочтительна для использования в сельском хозяйстве. Метод синтеза полимерной наноформулы зависит от типа полимера, ДВ и поверхностно-активного вещества, выбранных для производства. Для сельскохозяйственных целей высоко предпочтительны методы нанопреципитации или эмульсии. Оба метода методологически используют органические растворители, такие как спирт, этилацетат и ацетон (Shakiba и др., 2020). С другой стороны, методы ионной гелефикации, двойной эмульсии и фотосшивания часто применялись реже из-за стабильности и сложностей в синтезе. Кроме того, Shakiba и др., 2020 кратко объяснили каждый метод. Наноинкапсуляция использует различные материалы-носители для создания гербицидных препаратов. Такие препараты обладают высокой емкостью загрузки, эффективной диспергируемостью в воде, улучшенными адгезивными свойствами с площадью поверхности листьев и длительным высвобождением (Hao и др., 2020). Органоглинистые минералы представляют собой альтернативный выбор материалов-носителей, предлагая новые перспективы для точных механизмов высвобождения и длительной долговечности в почве (Paul и др., 2019).

Аналогично, гибридные наноматериалы являются отличным источником материалов-носителей. Стоит упомянуть, что гибридные НЧ представляют собой композиты органоглина и растительных НЧ (например, K10 Na-монтмориллонит/карбоксиметилцеллюлоза) (Granetto и др., 2022) и биополимера и растительных НЧ (например, хитозан/пектин/триполифосфат натрия) (Rashidipour и др., 2019). Это также включает комбинацию двух различных биополимеров (например, PLGA/PVA) (Chen and Wang, 2019) и углеродных НЧ и растительных НЧ (углеродные нанотрубки (УНТ)/камедь) (Ke и др., 2021). Эта способность к комбинированию открывает многомерные характеристики НЧ и предоставляет возможность разрабатывать инкапсулированные наногербициды для длительного высвобождения, целенаправленной доставки и повышенного сродства к частям растений (Takeshita и др., 2023; MaChado и др., 2022).

Взаимодействие между молекулами ДВ и материалами-носителями является важным аспектом производства наногербицидов. Силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и гидрофобное взаимодействие определяют сродство между биоактивными молекулами и материалами-носителями (Nuruzzaman и др., 2019). Инкапсуляция молекул ДВ с использованием диверсифицированных наноматериалов предоставляет контроль над высвобождением пестицидов, предотвращает накопление химикатов в окружающей среде и способствует лучшей борьбе с сорняками (Liu и др., 2021). Молекулы ДВ средств защиты растений могут быть загружены в наномасштабные материалы. Разработанные структуры имеют внутренний материал ядра (пестициды) и внешний материал-носитель (Singh и др., 2023; Wu и др., 2021).

Считается, что на ускоренное или замедленное высвобождение биоактивных соединений влияет физическая, химическая и биологическая деградация, такая как гидролиз, термолиз, фотоответ и т.д. (Shakiba и др., 2020). Носитель высвобождает ДВ на стимул-чувствительной основе, реагируя на различные факторы, такие как pH, температура, фермент, окислительно-восстановительная реакция, интенсивность света, относительная влажность и осмотическое давление (Huang и др., 2018; Camara и др., 2019; Gao и др., 2020; Xin и др., 2020). Общая гербицидная эффективность ДВ зависит от профиля высвобождения материала-носителя.

Дисперсия ДВ из матрицы носителя может происходить в результате любого из следующих видов высвобождения: фиковская диффузия, набухание или релаксация, а также поверхностная или объемная деградация могут вызвать начальное «взрывное высвобождение» ДВ (Kamaly и др., 2016). В эксперименте in vitro было подтверждено pH-чувствительное высвобождение молекул ДВ с деградацией наночастиц-носителей в условиях высокого pH в клетках флоэмы (Xin и др., 2018, 2020). Рисунок 4 показывает доступные источники наноосновных материалов-носителей для производства различных сельскохозяйственных ресурсов наноразмера. Наномасштабные материалы-носители могут использоваться в качестве транспортного средства для полезных компонентов в растительных, человеческих или животных системах (Patra и др., 2018). Типичный «умный» механизм доставки материалов-носителей, который доставляет эффективные компоненты сайт-специфично или направленно в растительных системах, высоко ценен (Liu и др., 2016).

Рисунок 4 (A) Различные источники наноактивированных материалов-носителей, разработанных в последние годы (Forini и др., 2022). (B) Показывает источники биоразлагаемых носителей для производства наногербицидов.

Амфифильная природа материалов-носителей приводит к высокому сродству с поверхностью растений, тем самым увеличивая осаждение за счет снижения поверхностного натяжения частиц (Shangguan и др., 2024). Таким образом, биоразлагаемые материалы-носители воспринимаются как надежный источник для производства наноформул для сельскохозяйственных систем путем закрепления экологической стабильности. Информация предполагает, что полимерные наночастицы обладают нулевой токсичностью в растительных системах и не оказывают негативного воздействия на микробиоту почвы (Shakiba и др., 2020).

Кроме того, инкапсулированные биополимерами формулы менее растворимы, более стабильны и нелетучи (An и др., 2022). По сравнению с системой доставки пролекарств в медицинской области, доставка наноосновных агрохимикатов очень сложна из-за их способности к осаждению в экосистеме, что высоко неконтролируемо (Shangguan и др., 2024). Следовательно, этот обзор фокусируется на текущем применении и последних разработках наногербицидных препаратов на биоразлагаемых носителях. Инкапсуляция обеспечивает лучшее поглощение и повышенную эффективность агрохимикатов против сорняков устойчивым способом. Следующий раздел обзора предоставляет важные открытия, представленные в недавних научных публикациях, связанных с препаратами гербицидов на биоразлагаемых носителях. Разлагаемые наноматериалы-носители обсуждаются в следующей последовательности: 1) на основе хитозана, 2) на основе растений, 3) на основе глинистых композитов и 4) на основе синтетических полимеров. Таблица 1 обсуждает ключевые свойства, такие как источник, разлагаемость, термостабильность, применимость, а также преимущества и недостатки материалов-носителей, которые были изучены в различных исследованиях.

Таблица 1 Список биоразлагаемых материалов-носителей и их ключевые свойства.

3.1 Наногербицид на основе хитозана

Хитозан — это легкодоступный, широко изученный биоразлагаемый, биосовместимый материал-носитель, полученный из хитина в живых организмах. Большинство западных и восточных стран приняли использование хитозана в качестве пищевой добавки и съедобного ингредиента в пищевой промышленности (MaChado и др., 2022). Кроме того, хитозан имеет разнообразные применения, включая покрытие удобрений и семян, а также защиту от заморозков (Khan и др., 2023).

Хитозан — это природный источник, получаемый из деацетилирования хитина, и имеет свободные аминогруппы, которые действуют как хелатирующий агент (Itodo, 2019). Хитозан является экономически эффективным и высокопроницаемым НЧ, который может использоваться для разработки материалов-носителей для различных пестицидов, удобрений и генетических материалов в сельском хозяйстве (Choudhary и др., 2019; Xin и др., 2020). Кроме того, хитозан обладает свойствами стимулирования защитных систем и роста при внесении в растения (Xin и др., 2020).

В недавнем исследовании гербициды на основе хитозана: мезосульфурон-метил и мезосульфуран-метил + флорасулам + МСРА изооктил были успешно покрыты. Для оптимизации дозы наноформулы вносили в фазе 3-4 листьев в полностью рандомизированном блочном дизайне, включающем 7 обработок с размером горшка 20 см x 16,5 см, и в горшке поддерживали 12 проростков сорняков. Гербицидную формулу распыляли на популяцию сорняков в соответствии с каждой обработкой. Через две недели результаты показывают, что 100% борьба с сорняками была зарегистрирована в обработке D2 (наногербициды в рекомендованной дозе обычного гербицида). Кроме того, в обработке D3 (доза в 5 раз ниже) было зарегистрировано минимальное содержание хлорофилла (5,57%), высота растений (2,35 см), сырая биомасса (1,08 г) и сухая биомасса (0,33 г) (Khan и др., 2023).

В другом исследовании in vitro комплекс L-карвон-производного 4-метил-1,2,4-триазол-тиоэфира с нанохитозаном. Производное хитозана на основе L-карвона было разработано с высокой емкостью загрузки лекарства и устойчивым высвобождением химических соединений. Введение жесткой, объемной и гидрофобной группы L-карвона с хитозаном улучшает совместимость и диспергируемость соединения 5a и обеспечивает многостадийный механизм высвобождения. Было заявлено, что соединения направлены на ингибирование транскетолазы (ТК) — фермента, присутствующего только у растений и участвующего в окислительном пентозофосфатном пути и цикле Кальвина. Изначально соединения 5a-5u были протестированы на видах сорняков Echinochloa crusgulli L. и Brassica campestris в концентрациях 10 мкг/мл и 100 мкг/мл соответственно. Напротив, все соединения (5a-5u) значительно подавляют рост двудольных (Brassica campestris), но уступают в борьбе с однодольными сорняками (Echinochloa crusgulli L.). Нанохитозан на основе L-карвона способствует адсорбции соединений 5a через свою рыхлую и пористую микроструктуру. Высвобождение 5a из комплекса хитозана постепенно увеличивалось после воздействия водной среды, с медленным растворением и дезинтеграцией носителей. Соединение 5a (R = C₆H₅), полученное из L-карвон-производного 4-метил-1,2,4-триазол-тиоэфира, показывает лучшее подавление сорняков в предварительном исследовании, чем коммерческий гербицид флумиоксазин. Соединение 5a было потенциально скомплексировано с соединениями хитозана, такими как 7b/5a, 7c/5a и 7d/5a. Горшечный эксперимент показал, что 7b/5a и 7d/5a в концентрации 100 мкг/мл значительно подавляли появление сорняков, что соответствует результату одного соединения 5a. Кроме того, структура транскетолазы Arabidopsis thaliana (AtTK) была создана с помощью гомологичного моделирования и использована в качестве рецептора для молекулярного докинга. Модуль Surflex-Dock SYBYL X-2.1 был использован для идентификации ингибирования сайта-мишени с помощью моделирования молекулярного докинга. Наконец, соединение 5a было выбрано в качестве представителя, и оно взаимодействует с рецепторами и встраивается в активный сайт-мишень AtTK, комплекс белок-лиганд указывает на сродство связывания (Li и др., 2023).

Далее, Ghaderpoori и др. и Rashidipour и др. приготовили различные композитные наногербицидные формулы на основе хитозана в своих соответствующих исследованиях, которые содержали молекулы ДВ параквата (ПК), и протестировали их на растениях горчицы (Brassica spp.) и кукурузы (Zea mays). Ghaderpoori и др. показали, что свободный ПК и ПК, загруженный в хитозан, вызывают некроз и увядание листьев у обоих растений в течение 48 часов. Кроме того, сухая масса растений кукурузы, подвергшихся воздействию композита хитозана (триполифосфат натрия/ксантан/ПК), была выше, чем у свободного ПК и коммерческого ПК. В отличие от растений кукурузы, растение горчицы дало меньшую сухую массу при воздействии ПК, загруженного в хитозан, по сравнению с двумя другими формулами (Ghaderpoori и др., 2020). Это подразумевает, что инкапсулированная формула эффективно борется с видами сорняков, а не с нецелевыми культурами.

Rashidipour и др. сообщили, что композитная наноформула ПК (пектин/хитозан/триполифосфат) значительно повысила гербицидную активность на растениях горчицы и меньшее воздействие на растения кукурузы из-за наличия фермента P-450S глутатион-S-трансферазы. Кинетика высвобождения была протестирована в лабораторных условиях, где приблизительно 75% молекул ПК были высвобождены через 360 минут. Нанокомпозитная формула показывает сниженную цитотоксичность в клетках легких человека (клетки A549 и KB) и мутагенное воздействие на Salmonella typhimurium и A. nidulans (Rashidipour и др., 2019). Еще несколько исследований также успешно использовали наночастицы хитозана и молекулы гербицидов, которые представлены для лучшего понимания в Таблице 2.

Таблица 2 Примеры наногербицидной формулы на основе хитозана и их последние результаты по борьбе с сорняками.

3.2 Наногербицид на растительной основе

Природные полимеры на растительной основе, такие как зеин, пектин и лигнин, которые нетоксичны и биоразлагаемы, могут успешно инкапсулировать гербициды (Qu и др., 2021). Лигнин является обильно доступным биополимером и легко превращается в гумус после разложения в природных условиях (Rahman и др., 2013). Циклодекстрины идентифицированы как материалы-носители для молекул ДВ-хозяев в сельском хозяйстве. Физико-химические свойства, более низкая стоимость, легкая доступность и нетоксичность для нецелевых организмов следуют из его использования в качестве материала-носителя (Rodríguez и др., 2022; Shangguan и др., 2024).

Carvalho и др. успешно покрыли атразин (ATZ) наночастицами зеина (НЧЗ) и продемонстрировали тепличное исследование для анализа довсходовой гербицидной активности синтезированной наноформулы. Эксперимент был разработан на основе 7 обработок и 5 повторностей, которые оценивали гербицидную активность, удержание и подвижность в почве с B. juncea в качестве целевого растения и Zea mays в качестве нецелевого растения. Результаты показали, что довсходовое применение в 80 раз меньшей дозы НЧЗ-ATZ привело к 100% гибели B. junceae, тогда как НЧЗ-ATZ не показал никакой гибели или гербицидной активности на неселективных растениях кукурузы. Кроме того, (93,34 ± 3,42%) свободного ATZ и (94,02 ± 1,77%) НЧЗ-ATZ удерживались в верхнем слое почвы на глубине 0-4 см. Результаты конфокальной микроскопии подтвердили накопление НЧЗ-ATZ на B. junceae через поверхность корней, а не листьев (Carvalho и др., 2023). Результаты повторяют значимость НЧЗ-ATZ с точки зрения гербицидной активности, избирательности, удержания и накопления.

Инкапсулированное эфирное масло (ЭМ) с полимерными матрицами действует как гербицидный препарат для борьбы с видами сорняков (Campos и др., 2023). В одном исследовании щирица запрокинутая (Amaranthus retroflexus) и редька (Rhaphanus sativus) были обработаны инкапсулированным крахмалом эфирным маслом розмарина (Rosmarinus officinalis L.) в качестве довсходового гербицида в контролируемых условиях. Когда инкапсулированную формулу вносили в норме 5 г/кг почвы, она резко снизила процент прорастания у амаранта и редьки на 91,2% и 84% соответственно. Кроме того, у обоих сорняков площадь листьев была снижена на 51% и 45%, а длина корней — на 46% и 54%. Кроме того, Alipour и др. (2019) наблюдали незначительное влияние на содержание хлорофилла на 33% у амаранта и 36% у редьки.

Аналогичное исследование охватило наноформулированное эфирное масло (НЭМ) с природными углеводными и белковыми полимерами (гуммиарабик-желатин, яблочный пектин и желатин). Применение НЭМ (3 мл/л) сравнивали с традиционным химическим метрибузином (1,75 г/л). Результаты доказали, что довсходовое применение НЭМ значительно подавляло рост сорняков в условиях in vitro в обстоятельствах выращивания томатов (Taban и др., 2021). Позже, в 2020 году, Taban и др. далее исследовали инкапсуляцию эфирного масла Satureja hortensis с персидской камедью в качестве материала стенки. Формула обеспечила лучшую стабильность после 42 дней и подавляла рост сорняка Amaranthus retroflexus при оптимизированной концентрации 15 мл/л воды. Кроме того, НЭМ ограничивает физиологическую и физико-химическую активность (включая фотосинтетические пигменты, фенол, флавоноиды, крахмал, сырой вес, утечку электролитов и перекисное окисление липидов) в растении амаранта (Taban и др., 2020).

Зеин — это природный растительный белок, полученный из Zea mays, обладающий различными свойствами, такими как биосовместимость, биоразлагаемость и гидрофобная поверхность, которые высоко ценятся для использования зеина в качестве биополимера. Например, Heydari и др. успешно загрузили молекулы гербицида трибенурон-метила (ТБМ) в наночастицы зеина (НЧЗ) и протестировали их эффективность против C. arvensis — широко распространенного широколистного сорняка в экосистеме пшеницы. По сравнению с коммерческой формулой ТБМ, результаты подтвердили, что половина дозы формулы ТБМ-НЧЗ значительно снижает процент высоты растений (77%), сухой массы (53%), активности ферментов (82%) и активности фермента ацетолактатсинтазы (АЛС) (82%) по сравнению с необработанным участком (Heydari и др., 2021). Кроме того, многие другие исследования используют наночастицы на растительной основе в качестве материалов-носителей, и мы представили в табличной форме некоторые из таких результатов исследований в Таблице 3.

Таблица 3 Примеры наногербицидной формулы на растительной основе и их последние результаты по борьбе с сорняками.

3.3 Наногербицид на основе глинистого композита

Природные глины могут функционировать как материалы-носители для доставки пестицидов. Конечно, глины могут использоваться для производства коммерческих наногербицидных формул, поскольку глины обладают различными характеристиками (включая экологичность, нетоксичность, широкую доступность и экономическую целесообразность). Исследование показало, что глинистые минералы монтмориллонит-смектит могут переносить молекулы гербицидов в своей слоистой структуре. Смектитовая глина обладает потенциалом набухания, что регулирует характер высвобождения молекул гербицидов. Наноформула 2,4-Д на основе монтмориллонита обеспечила лучшие десорбционные и адсорбционные способности при низком pH в контролируемых условиях (Paul и др., 2019).

Например, термодинамический и кинетический методы модифицируют гербицид 2,4-Д наноглиной монтмориллонита. Результаты предоставляют возможность использования модифицированной наноформулы 2,4-Д в качестве предпочтительного гербицида замедленного высвобождения против роста сорняков (Natarelli и др., 2019). Модификация глины в органоглину достигается заменой неорганических обменных катионов органическими четвертичным аммонием в межслоевых пространствах. Следовательно, изменение действия с гидрофильной поверхности на гидрофобную повышает емкость загрузки гербицида ДВ между слоистыми структурами глин (Paul и др., 2019). Кроме того, глинополимерные композиты обеспечивают контролируемое высвобождение молекул гербицидов, выступая в качестве экологически чистого источника материала-носителя (Nuruzzaman и др., 2019).

Jia и др. сообщили о загрузке глюфосината аммония (Глю) в просвет галлуазитовых нанотрубок (ГНТ) и включении в биоразлагаемые мульчирующие пленки из поли(бутиленадипат-ко-терефталата) (ПБАТ) и поли(молочной кислоты) (ПМК) методами выдувного формования и смешения в расплаве. Изготовленные композитные пленки были продемонстрированы в горшечном эксперименте с щетинником в качестве модельного сорняка. Общий результат показывает, что пленки PPHG (ПБАТ/ПМК/ГНТ/Глю) значительно контролировали растрескивание композитных пленок до 51%, снижали водяной пар до 68% и снижали частоту появления сорняков за счет медленного высвобождения и более длительного срока хранения мульчирующих пленок (Jia и др., 2023).

Granetto и др. сообщили, что K10-монтмориллонит был загружен коммерческим гербицидом дикамба и покрыт карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ), биоразлагаемым полимером. Гербицидная формула на основе K10-КМЦ была применена к Solanum nigrum и Amaranthus retroflexus в горшечной культуре в тепличных условиях. Результат показал, что наноформула значительно ограничивает потери от летучести и подвижность гербицидов в нижних слоях почвы. Кроме того, гербицидная формула K10-КМЦ обеспечила меньшую биомассу как для S. nigrum, так и для A. retroflexus с минимальной потребностью 100 г ДВ/га и 50 г ДВ/га соответственно (Granetto и др., 2022).

В сравнительном исследовании слоистый двойной гидроксид (СДГ) анионная глина и Cloisite10A (Clo 10A) катионная органоглина были использованы в качестве носителей для гербицида имазамокса (ИМЗ). Молекулы гербицида частично вставлены между внутренними слоями и накоплены на поверхности глинистых наночастиц. Обе формулы привели к максимальному высвобождению воды от 73 до 98%, после немедленного высвобождения от 67 до 93%, что значительно ниже, чем высвобождение свободного ИМЗ (>98%) гербицида. Кроме того, выщелачивание почвы было снижено на 10-35% по сравнению с коммерческими формулами. Молекулы наноИМЗ гербицида присутствуют в верхнем слое почвы в диапазоне 5-15 см, что может быть принято за ризосферную зону. Кроме того, глиняная наноформула значительно подавляла рост надземных и корневых систем вида сорняка B. nigra (Khatem и др., 2019). Таблица 4 отображает некоторые недавно опубликованные результаты исследований в отношении наногербицидов на основе синтетических полимеров.

Таблица 4 Примеры наногербицидной формулы на основе глины и их последние результаты по борьбе с сорняками.

3.4 Наногербицид на основе синтетических полимеров

FDA одобрило синтетические полимеры, такие как PLGA и PLA, для доставки лекарств человеку, что указывает на их минимальные экологические риски (Shakiba и др., 2020). Поверхностная модификация молекул ДВ полимерными НЧ замедляет смывание, агрегацию и осаждение НЧ, что впоследствии увеличивает поглощение и транспортную способность НЧ. Полимерное покрытие НЧ обладает лучшей адгезией к поверхности растений из-за его гидрофобной поверхности (Su и др., 2019). Более того, модифицированные поверхностью НЧ продемонстрировали больший потенциал проникновения на восковую поверхность листьев (Yang и др., 2015).

Moore и др. сообщили, что покрытый PCL наноатразин (ATZ) был высоко реактивным и вредным для клеток человека. Чтобы обосновать результат, Moore и др. провели эксперимент с нано-ATZ, капсулами PCL и ATZ отдельно на клетках легких человека (иммортализованная альвеолярная эпителиальная клеточная модель типа 1: клетки TT1). Нано-ATZ значительно повлиял на лактатдегидрогеназу и цитоплазматическое накопление и колокализовался в аппарате Гольджи, что было подтверждено с помощью конфокального микроскопа с флуоресцентной меткой в гербицидных формулах (Moore и др., 2022). Большинство исследований указывают на то, что применение наноформулированных гербицидов может снизить экологическую токсичность и повысить гербицидную активность. Таким образом, умеренность в дозировке наноформулы высоко желательна в сельском хозяйстве.

De Sousa и др. инкапсулировали атразин с помощью НЧ PCL, что было протестировано в качестве послевсходового гербицида на Alternanthera tenella (растения Colla) при различных дозах (200, 500, 1000 и 2000 г д.в. га⁻¹). Согласно мета-анализу предыдущих результатов исследований с изучением A. tenella, наноформула ATZ ингибирует фотосистему II более эффективно, чем коммерческая формула. Кроме того, при применении PCL-ATZ реакция A. tenella отличается от реакции других видов сорняков, где нано-ATZ показал большую эффективность контроля, чем коммерческая формула, в течение 48 часов после внесения. Мета-анализ показывает, что результат с A. tenella отличается от других типов сорняков с точки зрения того, как они реагируют на наноформулу ATZ (de Sousa и др., 2022).

В аналогичном исследовании Wu и др. сравнили покрытый PCL наноатразин с коммерческим атразином. Они протестировали обе формулы в течение краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного воздействия при различных концентрациях. Салат широко используется для наблюдения за токсичностью. В этом исследовании растения были подвергнуты воздействию ATZ и нано-ATZ в номинальных концентрациях 0,3, 1,5 и 3 мг на кг почвы. Показания спектрофотометра наблюдались для всех образцов, что указывает на значительное влияние нано-ATZ по сравнению с ATZ с точки зрения содержания хлорофилла a и b, каротиноидов, продукции пероксида водорода, перекисного окисления липидов, общего белка и активности антиоксидантных ферментов. В целом, формула ATZ контролирует рост сорняков на начальном этапе, но нано-ATZ показывает потенциал на долгосрочной основе. Наконец, участие обеих формул в соответствующих обработках подтвердило вытеснение питательных веществ в почве (Wu и др., 2021).

Takeshita и др. разработали гербицидную формулу на основе комбинации PCL-метрибузин (МТЗ). МТЗ может легко накапливаться из-за быстрой десорбции молекул ДВ в воде. Однако покрытый полимером МТЗ не показал большей подвижности, что впоследствии снижает опасность для окружающей среды. Кроме того, нано-МТЗ подавляет вид сорняка Ipomoea grandifolia, ингибируя активность ФС II с меньшим количеством гербицидной формулы (48 г д.в. га⁻¹) (Takeshita и др., 2022b).

В другом исследовании Schnoor и др. успешно загрузили молекулы атразина в поли(молочную-ко-гликолевую кислоту) (PLGA). PLGA является надежным источником полимерных наночастиц с биоразлагаемыми свойствами, в частности, потому что он будет подвергаться деградации после высвобождения ДВ из полимерной матрицы. ДВ высвобождались до 50% через 72 часа после внесения в почву. Кроме того, Schnoor и др. обнаружили, что химическое взаимодействие атразина и наночастиц PLGA было обосновано образованием водородных связей на расстоянии 1,9 Å. Лабораторное исследование на растениях картофеля с наноформулой продемонстрировало значительное замедление роста длины корней, длины побегов, сырой массы, сухой массы, длины стебля и уменьшение количества листьев (Schnoor и др., 2018). Кроме того, несколько применений гербицидов на основе синтетических полимеров и их значимость перечислены в Таблице 5.

Таблица 5 Примеры наногербицидной формулы на основе синтетических полимеров и их последние результаты по борьбе с сорняками.

4 Поглощение, транспорт и судьба наногербицида в растительных системах

Научные публикации сообщают о нескольких экспериментальных результатах относительно абсорбции наночастиц, подвижности и модификаций на клеточном уровне в растительной системе. Кроме того, степень поглощения и подвижности НЧ определяется условиями полога растений и свойствами НЧ, включая размер, форму и заряд, а также морфологией растения (Singh и др., 2023). Сосудистая структура транспортирует НЧ в другие части после того, как они проникают в определенную область через поверхность листа или корня (Judy и др., 2012; Lead и др., 2018). Рисунок 5 иллюстрирует движение молекул гербицида от поверхности листа к сосудистой ткани.

Рисунок 5 Транспорт наногербицида от поверхности листа к сосудистой ткани (Модифицированный источник: Forini и др., 2022).

Согласно Rajput и др. (2020) и Tripathi и др. (2017), наночастицы могут транспортироваться от корня к надземным частям через ксилему (при почвенном внесении) и от надземных частей к корню через флоэму (при листовом внесении). Листовое внесение показало лучшую эффективность поглощения, чем почвенное внесение в растительной системе. Поглощение НЧ растениями происходит в три этапа, а именно: 1) осаждение НЧ на поверхности корня, листа или стебля, 2) проникновение НЧ через эпидермис и кутикулу и 3) транслокация НЧ внутри растительной системы. Виды растений имеют сходные фенотипические особенности в своих листьях, с различным расположением в эпидермисе, имеющем устьица, мезофилл и сосудистую ткань, в зависимости от среды обитания и эволюции вида растений с течением времени. Кроме того, кутикулярный путь действует как вторичный барьер, устойчивый к пропусканию любых частиц размером более 5 нм (Su и др., 2019; Ali и др., 2021).

Диапазон размера устьичного отверстия находится на микрометровом уровне, что является еще одним способом проникновения НЧ через поверхность листа; оно занимает более 5% от общей площади поверхности листа. Но открытие устьиц различается у каждого растения в ответ на внешние факторы, такие как концентрация углекислого газа, относительная влажность, интенсивность света и температура (Su и др., 2019). Микроскопические незакрытые части в листе растения, такие как устьица, гидатоды, кутикулы и трихомы, облегчают вход НЧ в растительную клетку (Singh и др., 2023). С другой стороны, растворенные НЧ в воде могут достигать корня косвенно с помощью капиллярного движения и проникать в корневую ткань через осмотическое давление (Chen, 2018). Корни — это еще один способ проникновения НЧ внутрь растительной системы, где большая площадь поверхности корня приводит к лучшему потенциалу поглощения НЧ. Кроме того, микроморфология корневой системы состоит из эндодермиса, перицикла, коры (сплошной и лакунарной) и сосудистого пучка в центре. Однако сплошная кора и эндодермальные пояски Каспари затрудняют движение НЧ по апопласту из-за их уплотненных межклеточных пространств (Su и др., 2019).

Стоит отметить, что вариации в структурной морфологии листьев и корней определяют проникновение и ограничение НЧ. НЧ могут попадать в сосуды ксилемы через симпластный или апопластный путь, а затем накапливаться в клеточных и субклеточных органеллах (Tripathi и др., 2017) через последующий транспорт (ткани корня, эндоцитоз, белковый носитель, плазмодесмы или через образование пор) (Pérez-de-Luque, 2017). Как только НЧ достигают ксилемы, происходит восходящее движение НЧ, тогда как нисходящее движение НЧ происходит через клетки флоэмы соответственно (Su и др., 2019). Чрезвычайно маленькие НЧ могут проникать в клеточные органеллы или мембраны растений и поглощаться непосредственно с их диффузионной способностью (Xin и др., 2020).

Влияние наногербицидов на перекисное окисление липидов, содержание хлорофилла, содержание белка (Pontes и др., 2021; Wu и др., 2021; Oliveira-Pinto и др., 2022), утечку электролитов, хромосомные аберрации (Diyanat и др., 2019), продукцию активных форм кислорода (АФК) (Pontes и др., 2021), скорость ассимиляции углекислого газа (Takeshita и др., 2021) и выходы фотосистемы I и II (Pontes и др., 2021) было исследовано (Forini и др., 2022). Свойство обменного проникновения через липидную оболочку (LEEP) наночастиц хитозана облегчает проникновение в клеточные органеллы благодаря наноразмеру и поверхностному заряду НЧ (MaChado и др., 2022). Подчеркивается, что гидрофобно-гидрофобное взаимодействие неполярных молекул, обнаруженных на поверхностях растений, и композитной наноформулы способствует эффективной адгезии нанопестицидов к листве растений (Hao и др., 2020; Forini и др., 2022).

Почвенное внесение НЧ транспортирует молекулы ДВ в другие части растения с помощью сосудистых тканей (MaChado и др., 2022). Выделение отрицательно заряженных веществ с поверхности корня, таких как слизь или органические кислоты, приводит к абсорбции положительно заряженных химических ресурсов (НЧ) из почвы (Lv и др., 2019). Внутриклеточное движение, или протопластный путь, является основным движением НЧ и находится под влиянием плазмодесм, которые имеют диаметр 2-20 нм (Kaphle и др., 2018). Чтобы устранить барьеры для понимания подвижности и поглощения нанопестицидов, маркировка полимерных НЧ флуоресцентными метками может действовать как система отслеживания для указания пути транслокации (Proença и др., 2022; Shakiba и др., 2020; Takeshita и др., 2023).

Проницаемость биоактивных НЧ через клеточные стенки растений не была охарактеризована, она также зависит от размера и гидрофобности НЧ (Avellan и др., 2019). НЧ с амфифильными свойствами и размером около 40 нм могут легче перемещаться через клетки, чем НЧ, которые являются гидрофильными и большого размера (Santana и др., 2020). Чтобы подтвердить способность к транслокации и целевую доставку НЧ в растительные органеллы, гидрофильные квантовые точки (КТ), покрытые амфифильными β-циклодекстриновыми НЧ, были использованы для облегчения транслокации через поры клеточных стенок листьев. Модифицированные КТ были введены в лист Arabidopsis thaliana в возрасте 3-4 недель, успешно доставлены с помощью пептид-направленной целевой доставки в клетки хлоропластов. Интенсивность флуоресценции КТ в клетках хлоропластов была визуализирована с помощью конфокальной микроскопии (Santana и др., 2020). И снова, флуоресцентная маркировка НЧ показывает успешное отслеживание путей поглощения и транслокации, что подтверждается результатами НЧ PCL, нанесенных на листья (Bombo и др., 2019), и НЧ зеина, нанесенных на корни (Prasad и др., 2017). Изотиоцианат и родамин широко используются в качестве флуоресцентных зондов для сконструированных полимерных НЧ (Proença и др., 2022). Нанокапсулы поли(ε-капролактона) (PCL), содержащие гербицид атразин (ATZ), были успешно покрыты полимером хитозана (ХТ). Наноформула PCL/ХТ+ATZ ингибирует систему ФС II, и относительная скорость транспорта электронов значительно контролирует рост растения Bidens pilosa. Кроме того, количество эндогенного атразина в тканях растений (листьях, стеблях и корнях) было оценено с использованием методологии Carvalho et al. с незначительными изменениями (Carvalho и др., 2023). Количество PCL/ХТ+ATZ и коммерческого ATZ в тканях растений колебалась в зависимости от продолжительности воздействия, а именно: 2, 4, 8, 12, 24, 36, 48 и 72 часа. Корни содержат одинаковое количество свободного ATZ и PCL/ХТ+ATZ через 72 часа @ 17 ± 2 мкг/г корневой ткани. В то время как PCL/ХТ+ATZ показал наивысшее количество через 24 часа @ 14 ± 2 мкг/г ткани стебля, что было значительно меньше, чем количество свободного ATZ. Зарегистрировано, что ткани листьев имеют наибольшее накопление обеих формул по сравнению с количеством тканей стебля и корней. Через 72 часа ткани листьев содержали 25 ± 2 мкг/г ATZ, высвобожденного из формулы PCL/ХТ+ATZ (Sousa и др., 2024).

Чтобы сбалансировать продовольственный кризис в контексте растущего населения, колебаний климата, нехватки воды и сокращения пахотных земель, существует острая потребность в передовых технологиях для обеспечения глобальной продовольственной безопасности (Xin и др., 2020). Использование НЧ в сельском хозяйстве неизбежно, хотя оно имеет несколько преимуществ и недостатков. Предполагалось, что НЧ могут снизить количество химикатов, снижающих продуктивность, которые представляют серьезную угрозу для здоровья человека и системы почва-растение (Rajput и др., 2020). Наноинкапсулированные гербициды являются хорошим выбором для достижения устойчивого сельского хозяйства, снижения зависимости от традиционных гербицидов и токсичности. Свойства традиционных пестицидов должны быть замаскированы путем синтеза полимерных наноформул с повышенной коллоидной стабильностью и меньшей полидисперсностью, наряду с успешным удерживанием или инкапсулированием биологически активных химических соединений (Shakiba и др., 2020). Однако в некоторых случаях наблюдалась дезинтеграция молекул ДВ из полимерной матрицы. Наноинкапсуляция с органическими полимерами столкнулась с трудностями, включая нестабильность формулы и образование кислотных мономеров из-за деградации полимера (Abdollahdokht и др., 2022). Таким образом, наноформула должна быть высоко стабильной: 1) пока не достигнет места назначения (целевое ингибирование), 2) по сравнению с коммерческими формулами и 3) без ущерба для экологической безопасности.

Традиционные пестицидные формулы представляют собой смеси инертных веществ, таких как спирты, кетоны и бензолы, с активными химическими соединениями. Из-за их чрезвычайной токсичности и потенциала для серьезного отравления все эти вещества являются диполярными растворителями и высоко опасны для здоровья человека (Paul и др., 2024). Чтобы решить эту проблему, производство наноинкапсулированных биоразлагаемых гербицидных формул должно быть первоочередной задачей. Производителям необходимо обратить внимание на выбор полимеров и поверхностно-активных веществ, доступных с высоким поверхностным зарядом, который создает высокую электростатическую силу отталкивания между частицами, что может быть подтверждено значением дзета-потенциала (выше или ниже 30 и -30 мВ) (Hans and Lowman, 2002; Shakiba и др., 2020). Например, цвиттерионные поверхностно-активные вещества менее опасны и являются отличным выбором для экологически чистых поверхностно-активных веществ, поскольку они обладают катионными и анионными характеристиками (Paul и др., 2024). Интегрирование цвиттерионных поверхностно-активных веществ может также повысить стабильность формулы, обеспечивая более длительный срок хранения.

Инженерные по поверхности биоразлагаемые НЧ могут изменять свой поверхностный потенциал и электростатическое взаимодействие из-за адгезии НЧ внутри растительной системы. Мы можем четко понять, что стабильность НЧ внутри растительных систем высоко зависит от состава растворенных веществ в растительной системе (Rodrigues и др., 2017). Это может привести к агрегации НЧ, что вызывает плохую транспортировку НЧ в растительной системе. Важность поверхностных покрытий привлекает все больше внимания, и необходимы дополнительные усилия для создания стабильной стеновой матрицы, пока она не достигнет целевого участка.

Анализ недавних статей о наноинкапсулированных биоразлагаемых гербицидах показывает, что размер НЧ колеблется в диапазоне более 100-1000 нм. Поглощение НЧ растениями хорошо документировано; оно указывает на то, что превосходная транслокация происходит, когда частицы находятся в наноразмере 1-100 нм. Наноразмерные частицы известны лучшим поглощением и транспортом в растительной системе. Таким образом, будущие исследования наноматериалов должны больше сосредоточиться на размерах частиц, которые попадают в нанодиапазон.

Немногочисленные исследования сообщили о наноинкапсуляции эфирных масел (ЭМ), но были предоставлены впечатляющие результаты по борьбе с сорняками. Инкапсуляция улучшила гербицидные способности с улучшением жизнеспособности, стойкости и целенаправленной доставки против видов сорняков (Campos и др., 2023). Эфирные масла являются производными растительных материалов, что дает возможность производить биоактивные гербициды. Инкапсуляция ЭМ с материалом-носителем является лучшей стратегией для расширения производства гербицидных формул на основе ЭМ. Однако нанотехнология считается новой технологией в различных областях. Тем не менее, методы оценки риска должны быть разработаны для будущих начинаний, основанных на нанотехнологиях. Таким образом, будущие исследования должны быть проведены на малоизученных материалах для производства легкобиоразлагаемых и нетоксичных продуктов.

Немногие исследования исследовали количественную оценку и транслокацию молекул гербицидов в анатомии растений. Таким образом, больше внимания следует уделять разработке методологии количественной оценки для оценки накопления биоактивных соединений в тканях растений. Однако неблагоразумное использование наногербицидов также вызывает смертельные экологические и человеческие опасности. Исследователи должны сосредоточиться на оптимизации доз и стойкости молекул гербицидов. Когортное исследование вовлеченных организмов может помочь получить больше знаний о судьбе и воздействии НЧ.

Хотя инкапсуляция гербицидов показывает огромные преимущества, медленное высвобождение является главным приоритетом. В борьбе с сорняками своевременное ингибирование прорастания и ограничение роста должны быть выполнены безотказно; в противном случае конкуренция между культурой и сорняком приведет к потере урожайности. Инкапсулированная формула может ограничивать высвобождение ДВ из матрицы ядро-оболочка в критический период роста сорняков. Аналогично, вместо решения одной проблемы мы не должны создавать другую проблему с помощью инкапсуляции или загрузки биоактивных соединений. Исследования, в которых экспериментировали с кинетикой высвобождения, основывались на условиях in vitro, где такие факторы, как относительная влажность, температура, влажность и солнечная радиация, неконтролируемы в полевых условиях. Таким образом, наноинкапсулированные гербициды должны быть протестированы в различных экологических условиях, что может направлять оптимизацию формулы в соответствии с неблагоприятными условиями.

Текущие тенденции в сельском хозяйстве направлены на устойчивое сельское хозяйство. «Зеленые гербициды» с нулевой токсичностью высоко желательны в современном сельском хозяйстве. В этом контексте научное сообщество настоятельно рекомендует наноактивированные биоразлагаемые гербициды для обеспечения глобальной продовольственной безопасности. Кроме того, исследование подчеркивает значимость применения наногербицидов для борьбы с сорняками. Этот обзор донесет преимущества и ограничения применения наноинкапсулированных гербицидов. Следовательно, мы сформулировали настоятельную необходимость внимания к применению наногербицидов. Непостижимые преимущества использования наногербицидов повышают интерес к открытию новых горизонтов нанотехнологии. Исследования должны сосредоточиться на механизме действия гербицидных формул. Исследования должны учитывать следующие предложения: 1) коммерческое производство устарело из-за необходимости полевых испытаний, а не лабораторных или контролируемых условий; 2) исследования по оценке риска и отслеживанию НЧ были подвергнуты более низкому, чем ожидалось, количеству; 3) выбор совместимых материалов-носителей; 4) больше внимания различным экосистемам культур для анализа нецелевых эффектов. Законодатели, научное сообщество и производственные отрасли должны больше сосредоточиться на вышеупомянутых ограничениях. Этот обзор принесет ясность и уверенность в отношении производства и применения нетоксичных гербицидов в сельскохозяйственной экосистеме. Кроме того, ключевым моментом этого обзора являются наногербициды на биоразлагаемых носителях, что дает представление исследователям, производителям и студентам о том, как продвинуть эту тему к дальнейшему развитию.

УФ-видимая, Ультрафиолетовая-видимая спектроскопия; ATZ, Атразин; ДВ, Действующее вещество; ДРС, Динамическое рассеяние света; АТНЧ, Анализ отслеживания наночастиц; ACM, Атомно-силовая микроскопия; СВЭЖХ, Сверхвысокоэффективная жидкостная хроматография; ВЭЖХ, Высокоэффективная жидкостная хроматография; НЧ, Наночастицы; РФА, Рентгенофазовый анализ; ПЭМ, Просвечивающая электронная микроскопия; РЭМ, Растровая электронная microscopy; ЭДС, Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия; ПБАТ, Поли(бутиленадипат-ко-терефталат); PCL, Поли(эпсилон-капролактон); ПАГХ, Полиаллиламин гидрохлорид; PLGA, Поли(молочная-ко-гликолевая кислота); ПМК, Полимолочная кислота; ПВС, Поливиниловый спирт; PMMA, Поли(метилметакрилат); РФЭС, Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия; ПЭГ, Полиэтиленгликоль; АФК, Активные формы кислорода; СДГ, Слоистый двойной гидроксид; ЯМР, Ядерный магнитный резонанс

Abd-Elsalam K. A. (2024). Agricultural nanotechnology. Plants 13, 489. doi: 10.3390/plants13040489. CrossRef Google Scholar

Abdollahdokht D., Gao Y., Faramarz S., Poustforoosh A., Abbasi M., Asadikaram G., et al. (2022). Conventional agrochemicals towards nano-biopesticides: an overview on recent advances. Chem. Biol. Technol. Agric. 9, 13. doi: 10.1186/s40538-021-00281-0. CrossRef Google Scholar

Ali M., Mir S., Atanase L. I., Kazi M. (2024). Chitosan--PVA--PVP/nano-clay composite: A promising tool for controlled drug delivery. RSC Adv. 14, 15777–15790. doi: 10.1039/D4RA02959C. CrossRef Google Scholar

Ali S., Mehmood A., Khan N. (2021). Uptake, translocation, and consequences of nanomaterials on plant growth and stress adaptation. J. Nanomater. 2021, 6677616. doi: 10.1155/2021/6677616. CrossRef Google Scholar

Alipour M., Saharkhiz M. J., Niakousari M., Damyeh M. S. (2019). Phytotoxicity of encapsulated essential oil of rosemary on germination and morphophysiological features of amaranth and radish seedlings. Sci. Hortic. 243, 131–139. doi: 10.1016/j.scienta.2018.08.023. CrossRef Google Scholar

An C., Sun C., Li N., Huang B., Jiang J., Shen Y., et al. (2022). Nanomaterials and nanotechnology for the delivery of agrochemicals: strategies towards sustainable agriculture. J. Nanobiotechnol. 20, 11. doi: 10.1186/s12951-021-01214-7. CrossRef Google Scholar

Ananikov V. P. (2019). Organic--inorganic hybrid nanomaterials. Nanomaterials 9 (9), 1197. doi: 10.3390/nano9091197. CrossRef Google Scholar

Anarghou H., Malqui H., Ihbour S., Laaroussi M., Essaidi O., Fetoui H., et al. (2024). Impact of glyphosate-based herbicide exposure through maternal milk on offspring's antioxidant status, neurodevelopment, and behavior. Naunyn-Schmiedeberg's Arch. Pharmacol., 1–19. doi: 10.1007/s00210-024-03035-5. CrossRef Google Scholar

Artusio F., Casà D., Granetto M., Tosco T., Pisano R. (2021). Alginate nanohydrogels as a biocompatible platform for the controlled release of a hydrophilic herbicide. Processes 9 (9), 1641. doi: 10.3390/pr9091641. CrossRef Google Scholar

Atta S., Bera M., Chattopadhyay T., Paul A., Ikbal M., Maiti M. K., et al. (2015). Nano-pesticide formulation based on fluorescent organic photoresponsive nanoparticles: for controlled release of 2, 4-D and real time monitoring of morphological changes induced by 2, 4-D in plant systems. RSC Adv. 5, 86990–86996. doi: 10.1039/C5RA17121K. CrossRef Google Scholar

Avellan A., Yun J., Zhang Y., Spielman-Sun E., Unrine J. M., Thieme J., et al. (2019). Nanoparticle size and coating chemistry control foliar uptake pathways, translocation, and leaf-to-rhizosphere transport in wheat. ACS Nano 13, 5291–5305. doi: 10.1021/acsnano.8b09781. CrossRef Google Scholar

Bamisaye A., Adegoke K. A., Alli Y. A., Bamidele M. O., Idowu M. A., Ogunjinmi O. E. (2023). Recent advances in nanoemulsion for sustainable development of farm-to-fork systems. J. Clean. Prod. 429, 139226. doi: 10.1016/j.jclepro.2023.139226. CrossRef Google Scholar

Bombo A. B., Pereira A. E. S., Lusa M. G., De Medeiros Oliveira E., De Oliveira J. L., Campos E. V. R., et al. (2019). A mechanistic view of interactions of a nanoherbicide with target organism. J. Agric. Food Chem. 67, 4453–4462. doi: 10.1021/acs.jafc.9b00806. CrossRef Google Scholar

Bratovcic A., Hikal W. M., Mehdizadeh M., Al Ahl H. A., Omidi A., Adetunji C. O., et al. (2023). Application of nanotechnology in agroecosystems: nanoparticles for improving agricultural production. Rev. Agric. Sci. 11, 291–309. doi: 10.7831/ras.11.0_291. CrossRef Google Scholar

Brillas E. (2021). Recent development of electrochemical advanced oxidation of herbicides: A review on its application to wastewater treatment and soil remediation. J. Clean. Prod. 290, 125841. doi: 10.1016/j.jclepro.2021.125841. CrossRef Google Scholar

Camara M. C., Campos E. V. R., Monteiro R. A., do Espirito Santo Pereira A., de Freitas Proença P. L., Fraceto L. F. (2019). Development of stimuli-responsive nano-based pesticides: emerging opportunities for agriculture. J. Nanobiotechnol. 17, 1–19. doi: 10.1186/s12951-019-0533-8. CrossRef Google Scholar

Campos E. V., Ratko J., Bidyarani N., Takeshita V., Fraceto L. F. (2023). Nature-based herbicides and micro-/nanotechnology fostering sustainable agriculture. ACS Sustain. Chem. Eng. 11, 9900–9917. doi: 10.1021/acssuschemeng.3c02282. CrossRef Google Scholar

Carvalho L. B., Godoy I. S., Preisler A. C., de Freitas Proença P. L., Saraiva-Santos T., Verri W. A., et al. (2023). Pre-emergence herbicidal efficiency and uptake of atrazine-loaded zein nanoparticles: a sustainable alternative to weed control. Environ. Sci. Nano 10, 1629–1643. doi: 10.1039/d2EN01064J. CrossRef Google Scholar

Céspedes F. F., García S. P., Sánchez M. V., Pérez M. F. (2013). Bentonite and anthracite in alginate-based controlled release formulations to reduce leaching of chloridazon and metribuzin in a calcareous soil. Chemosphere 92, 918–924. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.03.001. CrossRef Google Scholar

Chang Y., Harmon P. F., Treadwell D. D., Carrillo D., Sarkhosh A., Brecht J. K. (2022). Biocontrol potential of essential oils in organic horticulture systems: From farm to fork. Front. Nutr. 8. doi: 10.3389/fnut.2021.805138. CrossRef Google Scholar

Chen X. T., Wang T. (2019). Preparation and characterization of atrazine-loaded biodegradable PLGA nanospheres. J. Integr. Agric. 18, 1035–1041. doi: 10.1016/S2095-3119(19)62613-4. CrossRef Google Scholar

Chen H. (2018). Metal based nanoparticles in agricultural system: behavior, transport, and interaction with plants. Chem. Speciat. Bioavailab 30(1), 123–134. doi: 10.1080/09542299.2018.1520050. CrossRef Google Scholar

Choudhary R. C., Kumari S., Kumaraswamy R. V., Sharma G., Kumar A., Budhwar S., et al. (2019). Chitosan nanomaterials for smart delivery of bioactive compounds in agriculture. Nanoscale Eng. Agric. Manage., 124–139. Google Scholar

Cortes G. K. D. R., Vieira E. F., Oliveira D. M., Cestari A. R., Maria de Lara P. D. M. (2017). A new environmentally safe formulation and of low cost for prolonged release system of atrazine and diuron. Orbital Electron. J. Chem., 181–187. doi: 10.17807/orbital.v9i3.994. CrossRef Google Scholar

de Oliveira J. L., Campos E. V. R., Goncalves da Silva C. M., Pasquoto T., Lima R., Fraceto L. F. (2015). Solid lipid nanoparticles co-loaded with simazine and atrazine: preparation, characterization, and evaluation of herbicidal activity. J. Agric. Food Chem. 63, 422–432. doi: 10.1021/jf5059045. CrossRef Google Scholar

de Sousa B. T., Santo Pereira A. D. E., Fraceto L. F., Oliveira H. C., Dalazen G. (2022). Post-emergence herbicidal activity of nanoatrazine against Alternanthera tenella Colla plants compared to other weed species. Heliyon 8 (7). doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e09902. CrossRef Google Scholar

Diyanat M., Saeidian H. (2019). The metribuzin herbicide in polycaprolactone nanocapsules shows less plant chromosome aberration than non-encapsulated metribuzin. Environ. Chem. Lett. 17, 1881–1888. doi: 10.1007/s10311-019-00912-x. CrossRef Google Scholar

Diyanat M., Saeidian H., Baziar S., Mirjafary Z. (2019). Preparation and characterization of polycaprolactone nanocapsules containing pretilachlor as a herbicide nanocarrier. Environ. Sci. pollut. Res. 26, 21579–21588. doi: 10.1007/s11356-019-05257-0. CrossRef Google Scholar

Ebube O. C., Amira G., Ngozi-Cynthia C. (2024). Future prospect in nano technology for herbicides production. Direct Res. J. Agric. Food Sci. 12 (1). doi: 10.26765/DRJAFS342006782. CrossRef Google Scholar

FAO. (2023). "Pesticides use and trade 1990–2021," in FAOSTAT Analytical Briefs Series no. 70. Rome, Italy: Food and Agriculture Organization of the United Nations. Google Scholar

Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) (2018). Food outlook. Google Scholar

Forini M. M., Pontes M. S., Antunes D. R., de Lima P. H., Santos J. S., Santiago E. F., et al. (2022). Nano-enabled weed management in agriculture: From strategic design to enhanced herbicidal activity. Plant Nano Biol. 1, 100008. doi: 10.1016/j.plana.2022.100008. CrossRef Google Scholar

Fraceto L. F., Grillo R., de Medeiros G. A., Scognamiglio V., Rea G., Bartolucci C. (2016). Nanotechnology in agriculture: which innovation potential does it have? Front. Environ. Sci. 4. doi: 10.3389/fenvs.2016.00020. CrossRef Google Scholar

Gaines T. A., Duke S. O., Morran S., Rigon C. A., Tranel P. J., Küpper A., et al. (2020). Mechanisms of evolved herbicide resistance. J. Biol. Chem. 295, 10307–10330. doi: 10.1074/jbc.REV120.013572. CrossRef Google Scholar

Gao C., Huang Q., Lan Q., Feng Y., Tang F., Hoi M. P. (2018). A user-friendly herbicide derived from photo-responsive supramolecular vesicles. Nat. Commun. 9 (1), 2967. doi: 10.1038/s41467-018-05437-5. CrossRef Google Scholar

Gao Y., Xiao Y., Mao K., Qin X., Zhang Y., Li D., et al. (2020). Thermoresponsive polymer-encapsulated hollow mesoporous silica nanoparticles and their application in insecticide delivery. Chem. Eng. J. 383, 123169. doi: 10.1016/j.cej.2019.123169. CrossRef Google Scholar

Gayathri K., Bhaskaran M., Selvam C., Thilagavathi R. (2023). Nano formulation approaches for curcumin delivery—a review. J. Drug Deliv. Sci. Technol. 82, 104326. doi: 10.1016/j.jddst.2023.104326. CrossRef Google Scholar

Ghaderpoori M., Jafari A., Nazari E., Rashidipour M., Nazari A., Chehelcheraghi F., et al. (2020). Preparation and characterization of loaded paraquat-polymeric chitosan/xantan/tripolyphosphate nanocapsules and evaluation for controlled release. J. Environ. Health Sci. Eng. 18, 1057–1066. doi: 10.1007/s40201-020-00527-3. CrossRef Google Scholar

Ghazi R. M., Yusoff N. R. N., Halim N. S. A., Wahab I. R. A., Ab Latif N., Hasmoni S. H., et al. (2023). Health effects of herbicides and its current removal strategies. Bioengineered 14, 2259526. doi: 10.1080/21655979.2023.2259526. CrossRef Google Scholar

Giroto A. S., de Campos A., Pereira E. I., Cruz C. C., Marconcini J. M., Ribeiro C. (2014). Study of a nanocomposite starch–clay for slow-release of herbicides: Evidence of synergistic effects between the biodegradable matrix and exfoliated clay on herbicide release control. J. Appl. Polym. Sci. 131 (23). doi: 10.1002/app.41188. CrossRef Google Scholar

Gomollón-Bel F. (2019). Ten chemical innovations that will change our world: IUPAC identifies emerging technologies in chemistry with potential to make our planet more sustainable. Chem. Int. 41, 12–17. doi: 10.1515/ci-2019-0203. CrossRef Google Scholar

Granetto M., Serpella L., Fogliatto S., Re L., Bianco C., Vidotto F., et al. (2022). Natural clay and biopolymer-based nanopesticides to control the environmental spread of a soluble herbicide. Sci. Total Environ. 806, 151199. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.151199. CrossRef Google Scholar

Grillo R., dos Santos N. Z. P., Maruyama C. R., Rosa A. H., de Lima R., Fraceto L. F. (2012). Poly (ε-caprolactone) nanocapsules as carrier systems for herbicides: physico-chemical characterization and genotoxicity evaluation. J. Hazard. Mater. 231, 1–9. doi: 10.1016/j.jhazmat.2012.06.019. CrossRef Google Scholar

Grillo R., Pereira A. E., Nishisaka C. S., de Lima R., Oehlke K., Greiner R., et al. (2014a). Chitosan/tripolyphosphate nanoparticles loaded with paraquat herbicide: an environmentally safer alternative for weed control. J. Hazard. Mater. 278, 163–171. doi: 10.1016/j.jhazmat.2014.05.079. CrossRef Google Scholar

Grillo R., Rosa A. H., Fraceto L. F. (2014b). Poly (ϵ-caprolactone) nanocapsules carrying the herbicide atrazine: effect of chitosan-coating agent on physico-chemical stability and herbicide release profile. Int. J. Environ. Sci. Technol. 11, 1691–1700. doi: 10.1007/s13762-013-0358-1. CrossRef Google Scholar

Hans M. L., Lowman A. M. (2002). Biodegradable nanoparticles for drug delivery and targeting. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 6, 319–327. doi: 10.5650/jos.ess18209. CrossRef Google Scholar

Hao L., Gong L., Chen L., Guan M., Zhou H., Qiu S., et al. (2020). Composite pesticide nanocarriers involving functionalized boron nitride nanoplatelets for pH-responsive release and enhanced UV stability. Chem. Eng. J. 396, 125233. doi: 10.1016/j.cej.2020.125233. CrossRef Google Scholar

Hashim N., Misuan N. S., Isa I. M., Bakar S. A., Mustafar S., Mamat M., et al. (2020). Carboxymethylcellulose-coated magnesium-layered hydroxide nanocomposite for controlled release of 3-(4-methoxyphenyl) propionic acid. Arab. J. Chem. 13, 3974–3987. doi: 10.1016/j.arabjc.2019.04.004. CrossRef Google Scholar

Hazrati H., Saharkhiz M. J., Niakousari M., Moein M. (2017). Natural herbicide activity of Satureja hortensis L. essential oil nanoemulsion on the seed germination and morphophysiological features of two important weed species. Ecotoxicol. Environ. Saf. 142, 423–430. doi: 10.1016/j.ecoenv.2017.04.041. CrossRef Google Scholar

He X., Deng H., Hwang H. M. (2019). The current application of nanotechnology in food and agriculture. J. Food Drug Anal. 27, 1–21. doi: 10.1016/j.jfda.2018.12.002. CrossRef Google Scholar

Heap I. The international survey of herbicide resistant weeds. Google Scholar

Heydari M., Yousefi A. R., Nikfarjam N., Rahdar A., Kyzas G. Z., Bilal M. (2021). Plant-based nanoparticles prepared from protein containing tribenuron-methyl: fabrication, characterization, and application. Chem. Biol. Technol. Agric. 8, 1–11. doi: 10.1186/s40538-021-00254-3. CrossRef Google Scholar

Hosseini S. F., Zandi M., Rezaei M., Farahmandghavi F. (2013). Two-step method for encapsulation of oregano essential oil in chitosan nanoparticles: preparation, characterization and in vitro release study. Carbohydr. Polym. 95, 50–56. doi: 10.1016/j.carbpol.2013.02.031. CrossRef Google Scholar

Huang B., Chen F., Shen Y., Qian K., Wang Y., Sun C., et al. (2018). Advances in targeted pesticides with environmentally responsive controlled release by nanotechnology. Nanomaterials 8, 102. doi: 10.3390/nano8020102. CrossRef Google Scholar

Itodo H. U. (2019). Controlled release of herbicides using nano-formulation: A review. J. Chem. Rev. 1, 130–138. doi: 10.33945/SAMI/JCR.2019.2.4. CrossRef Google Scholar

Itodo H. U., Nnamonu L. A., Wuana R. A. (2017). Green synthesis of copper chitosan nanoparticles for controlled release of pendimethalin. Asian J. Chem. Sci. 2, 1–10. doi: 10.9734/ajocs/2017/32937. CrossRef Google Scholar

Jabran K., Mahajan G., Sardana V., Chauhan B. S. (2015). Allelopathy for weed control in agricultural systems. Crop Prot. 72, 57–65. doi: 10.1016/j.cropro.2015.03.004. CrossRef Google Scholar

Jia X., Yan Y., Zhang K., Wang C., You X., Yang S., et al. (2023). Glufosinate ammonium-loaded halloysite nanotubes for slow-release weeding polymer mulch films. ACS Appl. Nano Mater. 6, 6186–6196. doi: 10.1021/acsanm.3c00436. CrossRef Google Scholar

Jiang Y., Chen Y., Tian D., Shen F., Wan X., Xu L., et al. (2020). Fabrication and characterization of lignin–xylan hybrid nanospheres as pesticide carriers with enzyme-mediated release property. Soft Matter 16, 9083–9093. doi: 10.1039/d0sm01402h. CrossRef Google Scholar

Judy J. D., Unrine J. M., Rao W., Wirick S., Bertsch P. M. (2012). Bioavailability of gold nanomaterials to plants: importance of particle size and surface coating. Environ. Sci. Technol. 46, 8467–8474. doi: 10.1021/es3019397. CrossRef Google Scholar

Kah M., Hofmann T. (2014). Nanopesticide research: current trends and future priorities. Environ. Int. 63, 224–235. doi: 10.1016/j.envint.2013.11.015. CrossRef Google Scholar

Kah M., Machinski P., Koerner P., Tiede K., Grillo R., Fraceto L. F., et al. (2014). Analysing the fate of nanopesticides in soil and the applicability of regulatory protocols using a polymer-based nanoformulation of atrazine. Environ. Sci. pollut. Res. 21, 11699–11707. doi: 10.1007/s11356-014-2523-6. CrossRef Google Scholar

Kamaly N., Yameen B., Wu J., Farokhzad O. (2016). Degradable controlled-release polymers and polymeric nanoparticles: Mechanisms of controlling drug release. Chem. Rev. 116, 2602–2663. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00346. CrossRef Google Scholar

Kaphle A., Navya P. N., Umapathi A., Daima H. K. (2018). Nanomaterials for agriculture, food and environment: applications, toxicity and regulation. Environ. Chem. Lett. 16, 43–58. doi: 10.1007/s10311-017-0662-y. CrossRef Google Scholar

Kashyap P. L., Xiang X., Heiden P. (2015). Chitosan nanoparticle-based delivery systems for sustainable agriculture. Int. J. Biol. Macromol. 77, 36–51. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2015.02.039. CrossRef Google Scholar

Ke M., Ye Y., Zhang Z., Gillings M., Qu Q., Xu N., et al. (2021). Synergistic effects of glyphosate and multiwall carbon nanotubes on Arabidopsis thaliana physiology and metabolism. Sci. Total Environ. 769, 145156. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.145156. CrossRef Google Scholar

Khan B. A., Nadeem M. A., Iqbal M., Yaqoob N., Javaid M. M., Maqbool R., et al. (2023). Chitosan nanoparticles loaded with mesosulfuron methyl and mesosulfuron methyl+ florasulam+ MCPA isooctyl to manage weeds of wheat (Triticum aestivum L.). Green Process. Synth. 12, 20228152. doi: 10.1515/gps-2022-8152. CrossRef Google Scholar

Khan B., Nadeem M., Javaid M., Maqbool R., Ikram M., Oraby H. (2022). Chemical synthesis, characterization, and dose optimization of chitosan-based nanoparticles of clodinofop propargyl and fenoxaprop-p-ethyl for management of Phalaris minor (little seed canary grass): First report. Green Process. Synth. 11, 1118–1127. doi: 10.1515/gps-2022-0096. CrossRef Google Scholar

Khan B. A., Nadeem M. A., Najeeb Alawadi H. F., Ayub M. A., Mahmood A., Abbas T., et al. (2024). An overview of the role of nanoherbicides in tackling challenges of weed management in wheat: A novel approach. Green Process. Synth. 13, 20240021. doi: 10.1515/gps-2024-0021. CrossRef Google Scholar

Khan Y., Sadia H., Ali Shah S. Z., Khan M. N., Shah A. A., Ullah N., et al. (2022). Classification, synthetic, and characterization approaches to nanoparticles, and their applications in various fields of nanotechnology: A review. Catalysts 12 (11), 1386. doi: 10.3390/catal12111386. CrossRef Google Scholar

Khatem R., Celis R., Hermosín M. C. (2019). Cationic and anionic clay nanoformulations of imazamox for minimizing environmental risk. Appl. Clay Sci. 168, 106–115. doi: 10.1016/j.clay.2018.10.014. CrossRef Google Scholar

Kremer R. J. (2019). Bioherbicides and nanotechnology: Current status and future trends. Nano-Biopesticides Today Future Perspect., 353–366. doi: 10.1016/B978-0-12-815829-6.00015-2. CrossRef Google Scholar

Kumar P. (2020). Role of nanotechnology in slow release of herbicide and season long weed control: A review. J. Pharmacogn. Phytochem. 9, 1882–1887. Google Scholar

Kumar S., Bhanjana G., Sharma A., Dilbaghi N., Sidhu M. C., Kim K. H. (2017). Development of nanoformulation approaches for the control of weeds. Sci. Total Environ. 586, 1272–1278. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.02.138. CrossRef Google Scholar

Kumar N., Kumar R., Shakil N. A., Das T. K. (2016). Nanoformulations of pretilachlor herbicide: preparation, characterization and activity. J. Sci. Ind. Res. 75, 676–680. Google Scholar

Lead J. R., Batley G. E., Alvarez P. J. J., Croteau M. N., Handy R. D., McLaughlin M. J., et al. (2018). Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects—an updated review. Environ. Toxicol. Chem. 37, 2029–2063. doi: 10.1002/etc.4147. CrossRef Google Scholar

Li B., Duan W., Lin G., Cui Y., Wen R., Liu C., et al. (2023). Rational design and synthesis of L-carvone-derived 4-methyl-1, 2, 4-triazole-thioether/nanochitosan complexes as potent nanopesticides for sustainable and efficient herbicidal application. Environ. Sci.: Nano 10, 3317–3328. doi: 10.1039/d3EN00573A. CrossRef Google Scholar

Liu D., Yang F., Xiong F., Gu N. (2016). The smart drug delivery system and its clinical potential. Theranostics 6, 1306. doi: 10.7150/thno.14858. CrossRef Google Scholar

Liu C., Zhou H., Zhou J. (2021). The applications of nanotechnology in crop production. Molecules 26 (23), 7070. doi: 10.3390/molecules26237070. CrossRef Google Scholar

López-Cabeza R., Poiger T., Cornejo J., Celis R. (2019). A clay-based formulation of the herbicide imazaquin containing exclusively the biologically active enantiomer. Pest Manage. Sci. 75, 1894–1901. doi: 10.1002/ps.5296. CrossRef Google Scholar

Lv J., Christie P., Zhang S. (2019). Uptake, translocation, and transformation of metal-based nanoparticles in plants: recent advances and methodological challenges. Environ. Sci.: Nano 6, 41–59. doi: 10.1039/C8EN00645H. CrossRef Google Scholar

Lv X., Sha H., Ye Z., Wang Y., Mao B. (2023). Nanomaterials in plant management: functions, mechanisms and prospects. Environ. Sci.: Nano 10, 3232–3252. doi: 10.1039/D3EN00014A. CrossRef Google Scholar

MaChado T. O., Grabow J., Sayer C., de Araújo P. H., Ehrenhard M. L., Wurm F. R. (2022). Biopolymer-based nanocarriers for sustained release of agrochemicals: A review on materials and social science perspectives for a sustainable future of agri-and horticulture. Adv. Colloid Interface Sci. 303, 102645. doi: 10.1016/j.cis.2022.102645. CrossRef Google Scholar

Mahmoudian M., Torbati S., AliMirzayi N., Nozad E., Kochameshki M. G., Shokri A. (2020). Preparation and investigation of poly (methylmethacrylate) nano-capsules containing haloxyfop-R-methyl and their release behavior. J. Environ. Sci. Health B 55, 301–309. doi: 10.1080/03601234.2019.1692614. CrossRef Google Scholar

Maliki S., Sharma G., Kumar A., Moral-Zamorano M., Moradi O., Baselga J., et al. (2022). Chitosan as a tool for sustainable development: A mini review. Polymers 14, 1475. doi: 10.3390/polym14071475. CrossRef Google Scholar

Manisankar G., Ghosh P., Malik G. C., Banerjee M. (2022). Recent trends in chemical weed management: A review. Pharma Innov. 11, 745–753. Google Scholar

Marco-Brown J. L., Undabeytia T., Torres Sanchez R. M., dos Santos Afonso M. (2017). Slow-release formulations of the herbicide picloram by using Fe–Al pillared montmorillonite. Environ. Sci. pollut. Res. 24, 10410–10420. doi: 10.1007/s11356-017-8699-9. CrossRef Google Scholar

Maruyama C. R., Guilger M., Pascoli M., Bileshy-José N., Abhilash P. C., Fraceto L. F., et al. (2016). Nanoparticles based on chitosan as carriers for the combined herbicides imazapic and imazapyr. Sci. Rep. 6, 19768. doi: 10.1038/srep19768. CrossRef Google Scholar

Moore A. J., Dean L. S., Yam A. N., de Lima R., Fraceto L. F., Tetley T. D. (2022). Bioreactivity of a novel poly (epsilon-caprolactone) nanocapsule containing atrazine with human lung alveolar epithelial cells. Environ. Sci.: Nano 9, 2134–2148. doi: 10.1039/d1en01068a. CrossRef Google Scholar

Muthukrishnan S., Murugan I., Selvaraj M. (2019). Chitosan nanoparticles loaded with thiamine stimulate growth and enhances protection against wilt disease in Chickpea. Carbohydr. Polym. 212, 169–177. doi: 10.1016/j.carbpol.2019.02.037. CrossRef Google Scholar

Namasivayam S. K. R., Tony B. R. U. C. E., Bharani R. A., Raj F. R. (2015). Herbicidal activity of soil isolate of Fusarium oxysporum free and chitosan nanoparticles coated metabolites against economic important weedninidam theenjan. Asian J. Microbiol. Biotechnol. Environ. Sci. 17, 1015–1020. Google Scholar

Natarelli C. V. L., Claro P. I. C., Miranda K. W. E., Ferreira G. M. D., de Oliveira J. E. (2019). 2, 4-Dichlorophenoxyacetic acid adsorption on montmorillonite organoclay for controlled release applications. SN Appl. Sci. 1, 1–13. doi: 10.1007/s42452-019-1235-4. CrossRef Google Scholar

Nuruzzaman M., Liu Y., Rahman M. M., Dharmarajan R., Duan L., Uddin A. F. M. J., et al. (2019). Nanobiopesticides: Composition and preparation methods. Nano-biopesticides Today Future Perspectives., 69–131. doi: 10.1016/B978-0-12-815829-6.00004-8. CrossRef Google Scholar

Nuruzzaman M. D., Rahman M. M., Liu Y., Naidu R. (2016). Nanoencapsulation, nano-guard for pesticides: a new window for safe application. J. Agric. Food Chem 64(7), 1447–1483. doi: 10.1021/acs.jafc.5b05214. CrossRef Google Scholar

OECD/FAO. (2024). *OECD-FAO agricultural outlook 2024-2033* (Paris and Rome: Organisation for Economic Co-operation and Development). doi: 10.1787/4c5d2cfb-en. CrossRef Google Scholar

Oliveira H. C., Stolf-Moreira R., Martinez C. B. R., Grillo R., de Jesus M. B., Fraceto L. F. (2015a). Nanoencapsulation enhances the post-emergence herbicidal activity of atrazine against mustard plants. PloS One 10, e0132971. doi: 10.1371/journal.pone.0132971. CrossRef Google Scholar

Oliveira H. C., Stolf-Moreira R., Martinez C. B., Sousa G. F., Grillo R., De Jesus M. B., et al. (2015b). Evaluation of the side effects of poly (epsilon-caprolactone) nanocapsules containing atrazine toward maize plants. Front. Chem. 3. doi: 10.3389/fchem.2015.00061. CrossRef Google Scholar

Oliveira-Pinto P. R., Mariz-Ponte N., Gil R. L., Cunha E., Amorim C. G., Montenegro M. C. B. S. M., et al. (2022). Montmorillonite nanoclay and formulation with Satureja montana essential oil as a tool to alleviate Xanthomonas euvesicatoria load on Solanum lycopersicum. Appl. Nano 3, 126–142. doi: 10.3390/applnano3030009. CrossRef Google Scholar

Onyeaka H., Ghosh S., Obileke K., Miri T., Odeyemi O. A., Nwaiwu O., et al. (2024). Preventing chemical contaminants in food: Challenges and prospects for safe and sustainable food production. Food Control 155, 110040. doi: 10.1016/j.foodcont.2023.110040. CrossRef Google Scholar

Oreja F. H., Moreno N., Gundel P. E., Vercellino R. B., Pandolfo C. E., Presotto A., et al. (2024). Herbicide-resistant weeds from dryland agriculture in Argentina. Weed Res. 64, 89–106. doi: 10.1111/wre.12613. CrossRef Google Scholar

Pan X., Guo X., Zhai T., Zhang D., Rao W., Cao F., et al. (2023). Nanobiopesticides in sustainable agriculture: developments, challenges, and perspectives. Environ. Sci.: Nano 10, 41–61. doi: 10.1039/d2en00605g. CrossRef Google Scholar

Patra J. K., Das G., Fraceto L. F., Campos E. V. R., Rodriguez-Torres M. D. P., Acosta-Torres L. S., et al. (2018). Nano based drug delivery systems: recent developments and future prospects. J. Nanobiotechnol. 16, 1–33. doi: 10.1186/s12951-018-0392-8. CrossRef Google Scholar

Paul S. K., Mazumder S., Naidu R. (2024). Herbicidal weed management practices: History and future prospects of nanotechnology in an eco-friendly crop production system. Heliyon 10 (5). doi: 10.1016/j.heliyon.2024.e26527. CrossRef Google Scholar

Paul S. K., Nuruzzaman M., Correa T. C., Naidu R. (2019). Aluminosilicate nano-skeleton to firm the structure and properties of nano-herbicide formulations. Proceedings of the 8th International Contaminated Site Remediation Conference, CRC CARE Pty. Ltd., CleanUp Conference 2019, Adelaide, Australia. Google Scholar

Pereira A. E., Grillo R., Mello N. F., Rosa A. H., Fraceto L. F. (2014). Application of poly (epsilon-caprolactone) nanoparticles containing atrazine herbicide as an alternative technique to control weeds and reduce damage to the environment. J. Hazard. Mater. 268, 207–215. doi: 10.1016/j.jhazmat.2014.01.025. CrossRef Google Scholar

Pérez-de-Luque A. (2017). Interaction of nanomaterials with plants: what do we need for real applications in agriculture? Front. Environ. Sci. 5. doi: 10.3389/fenvs.2017.00012. CrossRef Google Scholar

Periakaruppan R., Romanovski V., Thirumalaisamy S. K., Palanimuthu V., Sampath M. P., Anilkumar A., et al. (2023). Innovations in modern nanotechnology for the sustainable production of agriculture. ChemEngineering 7, 61. doi: 10.3390/chemengineering7040061. CrossRef Google Scholar

Pontes M. S., Antunes D. R., Oliveira I. P., Forini M. M. L., Santos J. S., Arruda G. J., et al. (2021). Chitosan/tripolyphosphate nanoformulation carrying paraquat: insights on its enhanced herbicidal activity. Environ. Sci. Nano 8, 1336–1351. doi: 10.1039/D0EN01128B. CrossRef Google Scholar

Prasad A., Astete C. E., Bodoki A. E., Windham M., Bodoki E., Sabliov C. M. (2017). Zein nanoparticles uptake and translocation in hydroponically grown sugar cane plants. J. Agric. Food Chem. 66, 6544–6551. doi: 10.1021/acs.jafc.7b02487. CrossRef Google Scholar

Proença P. L., Carvalho L. B., Campos E. V., Fraceto L. F. (2022). Fluorescent labeling as a strategy to evaluate uptake and transport of polymeric nanoparticles in plants. Adv. Colloid Interface Sci. 305, 102695. doi: 10.1016/j.cis.2022.102695. CrossRef Google Scholar

Qu R. Y., He B., Yang J. F., Lin H. Y., Yang W. C., Wu Q. Y., et al. (2021). Where are the new herbicides? Pest Manage. Sci. 77, 2620–2625. doi: 10.1002/ps.6285. CrossRef Google Scholar

Rahman M. M., Tsukamoto J., Rahman M. M., Yoneyama A., Mostafa K. M. (2013). Lignin and its effects on litter decomposition in forest ecosystems. Chem. Ecol. 29, 540–553. doi: 10.1080/02757540.2013.790380. CrossRef Google Scholar

Rajput V., Minkina T., Mazarji M., Shende S., Sushkova S., Mandzhieva S., et al. (2020). Accumulation of nanoparticles in the soil-plant systems and their effects on human health. Ann. Agric. Sci. 65, 137–143. doi: 10.1016/j.aoas.2020.08.001. CrossRef Google Scholar

Rajput V. D., Singh A., Minkina T. M., Shende S. S., Kumar P., Verma K. K., et al. (2021). Potential applications of nanobiotechnology in plant nutrition and protection for sustainable agriculture. Nanotechnology Plant Growth Promotion Protection: Recent Adv. Impacts, 79–92. doi: 10.1002/9781119745884.ch5. CrossRef Google Scholar

Rashidipour M., Maleki A., Kordi S., Birjandi M., Pajouhi N., Mohammadi E., et al. (2019). Pectin/chitosan/tripolyphosphate nanoparticles: efficient carriers for reducing soil sorption, cytotoxicity, and mutagenicity of paraquat and enhancing its herbicide activity. J. Agric. Food Chem. 67, 5736–5745. doi: 10.1021/acs.jafc.9b01106. CrossRef Google Scholar

Rashidzadeh A., Olad A., Hejazi M. J. (2017). Controlled release systems based on intercalated paraquat onto montmorillonite and clinoptilolite clays encapsulated with sodium alginate. Adv. Polym. Technol. 36, 177–185. doi: 10.1002/adv.21597. CrossRef Google Scholar

Rebitski E. P., Darder M., Aranda P. (2019). Layered double hydroxide/sepiolite hybrid nanoarchitectures for the controlled release of herbicides. Beilstein J. Nanotechnol 10(1), 1679–1690. doi: 10.3762/bjnano.10.163. CrossRef Google Scholar

Rodrigues S. M., Demokritou P., Dokoozlian N., Hendren C. O., Karn B., Mauter M. S., et al. (2017). Nanotechnology for sustainable food production: promising opportunities and scientific challenges. Environ. Sci. Nano 4, 767–781. doi: 10.1039/c6en00573j. CrossRef Google Scholar

Rodríguez Mejías F. J., Carrasco Á., García Durán A., González Molinillo J. M., Macías Domínguez F. A., Chinchilla Salcedo N. (2022). On the formulation of disulfide herbicides based on aminophenoxazinones: polymeric nanoparticle formulation and cyclodextrin complexation to combat crop yield losses. doi: 10.1002/ps.7327. CrossRef Google Scholar

Sahoo U., Malik G. C., Banerjee M., Sahoo B., Maitra S. (2022). Application of nanotechnology in agriculture in India. Environ. Nanotechnol. 4, 317–348. Google Scholar

Sameeha M. S. (2023). Herbicides And Human Health - An Overview. iCliniq. Google Scholar

Santana I., Wu H., Hu P., Giraldo J. P. (2020). Targeted delivery of nanomaterials with chemical cargoes in plants enabled by a biorecognition motif. Nat. Commun. 11, 2045. doi: 10.1038/s41467-020-15731-w. CrossRef Google Scholar

Schnoor B., Elhendawy A., Joseph S., Putman M., Chacón-Cerdas R., Flores-Mora D., et al. (2018). Engineering atrazine loaded poly (lactic-co-glycolic acid) nanoparticles to ameliorate environmental challenges. J. Agric. Food Chem. 66, 7889–7898. doi: 10.1021/acs.jafc.8b01911. CrossRef Google Scholar

Sen M. K., Bhattacharya S., Bharati R., Hamouzová K., Soukup J. (2023). Comprehensive insights into herbicide resistance mechanisms in weeds: A synergistic integration of transcriptomic and metabolomic analyses. Front. Plant Sci. 14. doi: 10.3389/fpls.2023.1280118. CrossRef Google Scholar

Shakiba S., Astete C. E., Paudel S., Sabliov C. M., Rodrigues D. F. (2020). Emerging investigator series: polymeric nanocarriers for agricultural applications: synthesis, characterization, and environmental and biological interactions. Environ. Sci. Nano 7, 37–67. doi: 10.1039/C9EN01127G. CrossRef Google Scholar

Shangguan W., Huang Q., Chen H., Zheng Y., Zhao P., Cao C., et al. (2024). Making the complicated simple: A minimizing carrier strategy on innovative nanopesticides. Nano-Micro Lett. 16, 1–16. doi: 10.1007/s40820-024-01413-5. CrossRef Google Scholar

Singh M., Kukal M. S., Irmak S., Jhala A. J. (2022). Water use characteristics of weeds: A global review, best practices, and future directions. Front. Plant Sci. 12. doi: 10.3389/fpls.2021.794090. CrossRef Google Scholar

Singh A., Rajput V. D., Varshney A., Ghazaryan K., Minkina T. (2023). Small tech, big impact: Agri-nanotechnology journey to optimize crop protection and production for sustainable agriculture. Plant Stress, 100253. doi: 10.1016/j.stress.2023.100253. CrossRef Google Scholar

Sousa B. T., Carvalho L. B., Preisler A. C., Saraiva-Santos T., Oliveira J. L., Verri W. A. Jr., et al. (2024). Chitosan coating as a strategy to increase postemergent herbicidal efficiency and alter the interaction of nanoatrazine with Bidens pilosa plants. ACS Appl. Mater. Interfaces. doi: 10.1021/acsami.4c03800. CrossRef Google Scholar

Sousa G. F., Gomes D. G., Campos E. V., Oliveira J. L., Fraceto L. F., Stolf-Moreira R., et al. (2018). Post-emergence herbicidal activity of nanoatrazine against susceptible weeds. Front. Environ. Sci. 6. doi: 10.3389/fenvs.2018.00012. CrossRef Google Scholar

Sousa B. T., Pereira S., do Espírito A., Fraceto L. F., de Oliveira H. C., Dalazen G. (2020). Effectiveness of nanoatrazine in post-emergent control of the tolerant weed Digitaria insularis. J. Plant Protect. Res., 185–192. doi: 10.24425/jppr.2020.133311. CrossRef Google Scholar

Srimathi T. K., Chinnamuthu C. R., Marimuthu S., Senthil A. (2021). Optimizing time and dose of newly synthesised Nano encapsulated sulfentrazone herbicide formulation for weed management in irrigated groundnut (Arachis hypogaea). Pharma Innov. J. 10, 546–549. Google Scholar

Su Y., Ashworth V., Kim C., Adeleye A. S., Rolshausen P., Roper C., et al. (2019). Delivery, uptake, fate, and transport of engineered nanoparticles in plants: a critical review and data analysis. Environ. Sci. Nano 6, 2311–2331. doi: 10.1039/c9en00461k. CrossRef Google Scholar

Swetha S., Chinnamuthu C. R., Arthanari P. M., Marimuthu S., Senthil A. (2022). Novel method to manage weeds in the rainfed groundnut (var. VRI 8 and TMV 14) using nano encapsulated herbicide formulations. J. Appl. Nat. Sci. 14, 1341–1350. doi: 10.31018/jans.v14i4.3920. CrossRef Google Scholar

Taban A., Saharkhiz M. J., Kavoosi G. (2021). Development of pre-emergence herbicide based on Arabic gum-gelatin, apple pectin and savory essential oil nano-particles: A potential green alternative to metribuzin. Int. J. Biol. Macromol. 167, 756–765. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.12.007. CrossRef Google Scholar

Taban A., Saharkhiz M. J., Khorram M. (2020). Formulation and assessment of nano-encapsulated bioherbicides based on biopolymers and essential oil. Ind. Crops Prod. 149, 112348. doi: 10.1016/j.indcrop.2020.112348. CrossRef Google Scholar

Takeshita V., Campos E. V., Rodrigues J. S., Fraceto L. F. (2023). Opinion: Hybrid nanoparticle systems--Two-way delivery approach for agriculture. Plant Nano Biol. 6, 100053. doi: 10.1016/j.plana.2023.100053. CrossRef Google Scholar

Takeshita V., Carvalho L. B., Galhardi J. A., Munhoz-Garcia G. V., Pimpinato R. F., Oliveira H. C., et al. (2022a). Development of a preemergent nanoherbicide: From efficiency evaluation to the assessment of environmental fate and risks to soil microorganisms. ACS Nanoscience Au 2, 307–323. doi: 10.1021/acsnanoscienceau.1c00055. CrossRef Google Scholar

Takeshita V., de Sousa B. T., Preisler A. C., Carvalho L. B., Pereira A., do E. S., et al. (2021). Foliar absorption and field herbicidal studies of atrazine-loaded polymeric nanoparticles. J. Hazard. Mater. 418, 126350. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126350. CrossRef Google Scholar

Takeshita V., Munhoz-Garcia G. V., Werk Pinácio C., Cardoso B. C., Nalin D., Tornisielo V. L., et al. (2022b). Availability of metribuzin-loaded polymeric nanoparticles in different soil systems: an important study on the development of safe nanoherbicides. Plants 11 (23). doi: 10.3390/plants11233366. CrossRef Google Scholar

Tan D., Yuan P., Annabi-Bergaya F., Dong F., Liu D., He H. (2015a). A comparative study of tubular halloysite and platy kaolinite as carriers for the loading and release of the herbicide amitrole. Appl. Clay Sci. 114, 190–196. doi: 10.1016/j.clay.2015.05.024. CrossRef Google Scholar

Tan D., Yuan P., Annabi-Bergaya F., Liu D., He H. (2015b). Methoxy-modified kaolinite as a novel carrier for high-capacity loading and controlled-release of the herbicide amitrole. Sci. Rep. 5, 8870. doi: 10.1038/srep08870. CrossRef Google Scholar

Thambiliyagodage C., Jayanetti M., Mendis A., Ekanayake G., Liyanaarachchi H., Vigneswaran S. (2023). Recent advances in chitosan-based applications—a review. Materials 16, 2073. doi: 10.3390/ma16052073. CrossRef Google Scholar

Torbati S., Mahmoudian M., Alimirzaei N. (2018). Nanocapsulation of herbicide Haloxyfop-R-methyl in poly (methyl methacrylate): phytosociological effects of pure herbicide and its nanocapsule form on duckweed as a model macrophyte. Turk. J. Chem. 42, 132–145. doi: 10.3906/kim-1705-70. CrossRef Google Scholar

Tripathi D. K., Singh S., Singh S., Pandey R., Singh V. P., Sharma N. C., et al. (2017). An overview on manufactured nanoparticles in plants: uptake, translocation, accumulation and phytotoxicity. Plant Physiol. Biochem. 110, 2–12. doi: 10.1016/j.plaphy.2016.07.030. CrossRef Google Scholar

Undabeytia López T., Galán Jiménez C., Gómez-Pantoja E., Vázquez Cabello J., Casal B., Annaby-Bergaya F., et al. (2013). Fe-pillared clay mineral-based formulations of imazaquin for reduced leaching in soil. Appl. Clay Sci. 80, 382–389. doi: 10.1016/j.clay.2013.07.001. CrossRef Google Scholar

Verma K. K., Song X. P., Joshi A., Rajput V. D., Singh M., Sharma A., et al. (2022). Nanofertilizer possibilities for healthy soil, water, and food in future: An overview. Front. Plant Sci. 13. doi: 10.3389/fpls.2022.865048. CrossRef Google Scholar

Wilms W., Woźniak-Karczewska M., Syguda A., Niemczak M., Ławniczak Ł., Pernak J., et al. (2020). Herbicidal ionic liquids: A promising future for old herbicides? Review on synthesis, toxicity, biodegradation, and efficacy studies. J. Agric. Food Chem. 68, 10456–10488. doi: 10.1021/acs.jafc.0c02894. CrossRef Google Scholar

Wu J., Zhai Y., Monikh F. A., Arenas-Lago D., Grillo R., Vijver M. G., et al. (2021). The differences between the effects of a nanoformulation and a conventional form of atrazine to lettuce: physiological responses, defense mechanisms, and nutrient displacement. J. Agric. Food Chem. 69, 12527–12540. doi: 10.1021/acs.jafc.1c01382. CrossRef Google Scholar

Xin X., He Z., Hill M. R., Niedz R. P., Jiang X., Sumerlin B. S. (2018). Efficiency of biodegradable and pH-responsive polysuccinimide nanoparticles (PSI-NPs) as smart nanodelivery systems in grapefruit: in vitro cellular investigation. Macromol. Biosci. 18, 1800159. doi: 10.1002/mabi.201800159. CrossRef Google Scholar

Xin X., Judy J. D., Sumerlin B. B., He Z. (2020). Nano-enabled agriculture: from nanoparticles to smart nanodelivery systems. Environ. Chem. 17, 413–425. doi: 10.1071/EN19254. CrossRef Google Scholar

Yang C., Powell C. A., Duan Y., Shatters R., Zhang M. (2015). Antimicrobial nanoemulsion formulation with improved penetration of foliar spray through citrus leaf cuticles to control citrus huanglongbing. PloS One 10 (7). doi: 10.1371/journal.pone.0133826. CrossRef Google Scholar

Yates R. J., Steel E. J., Edwards T. J., Harrison R. J., Hackney B. F., Howieson J. G. (2024). Adverse consequences of herbicide residues on legumes in dryland agriculture. Field Crops Res. 308, 109271. doi: 10.1016/j.fcr.2024.109271. CrossRef Google Scholar

Yearla S. R., Padmasree K. (2016). Exploitation of subabul stem lignin as a matrix in controlled release agrochemical nanoformulations: A case study with herbicide diuron. Environ. Sci. pollut. Res. Int. 23, 18085–18098. doi: 10.1007/s11356-016-6983-8. CrossRef Google Scholar

Yu Z., Sun X., Song H., Wang W., Ye Z., Shi L., et al. (2015). Glutathione-responsive carboxymethyl chitosan nanoparticles for controlled release of herbicides. Mater. Sci. Appl. 6, 591–604. doi: 10.4236/msa.2015.66062. CrossRef Google Scholar

Zaaba N. F., Jaafar M. (2020). A review on degradation mechanisms of polylactic acid: Hydrolytic, photodegradative, microbial, and enzymatic degradation. Polym. Eng. Sci. 60, 2061–2075. doi: 10.1002/pen.25511. CrossRef Google Scholar

Zainuddin N. J., Ashari S. E., Salim N., Asib N., Omar D., Lian G. E. C. (2019). Optimization and characterization of palm oil-based nanoemulsion loaded with Parthenium hysterophorus crude extract for natural herbicide formulation. J. Oleo Sci. 68, 747–757. doi: 10.5650/jos.ess18209. CrossRef Google Scholar

Zargar M., Bayat M., Saquee F. S., Diakite S., Ramzanovich N. M., Akhmadovich K. A. (2023). New advances in nano-enabled weed management using poly(epsilon-caprolactone)-based nanoherbicides: A review. Agriculture 13, 2031. doi: 10.3390/agriculture13102031. CrossRef Google Scholar

Zha X., Hou X., Li Q., Nan H., Ge F., Liu Y., et al. (2022). Loading glyphosate in attapulgite and sodium alginate hydrogels to construct pH-responsive controlled release microsphere for enhanced soil sustained release. ACS Agric. Sci. Technol. 2, 1090–1100. doi: 10.1021/acsagscitech.2c00195. CrossRef Google Scholar

Zhai Y., Abdolahpur Monikh F., Wu J., Grillo R., Arenas-Lago D., Darbha G. K., et al. (2020). Interaction between a nano-formulation of atrazine and rhizosphere bacterial communities: atrazine degradation and bacterial community alterations. Environ. Sci. Nano 7, 3372–3384. doi: 10.1039/d0en00638f. CrossRef Google Scholar

Zhang L., Chen C., Zhang G., Liu B., Wu Z., Cai D. (2020). Electrical-driven release and migration of herbicide using a gel-based nanocomposite. J. Agric. Food Chem 68(6), 1536–1545. doi: 10.1021/acs.jafc.9b07166. CrossRef Google Scholar

Zhong B., Wang S., Dong H., Luo Y., Jia Z., Zhou X., et al. (2017). Halloysite tubes as nanocontainers for herbicide and its controlled release in biodegradable poly (vinyl alcohol)/starch film. J. Agric. Food Chem. 65, 10445–10451. doi: 10.1021/acs.jafc.7b04220. CrossRef Google Scholar

Jayasoorya R and Kumar P (2024) Utilization of biodegradable carrier-based nano herbicide formulations for sustainable weed management in agriculture. Front. Agron. 6:1497041. doi: 10.3389/fagro.2024.1497041

Перевод статьи «Utilization of biodegradable carrier-based nano herbicide formulations for sustainable weed management in agriculture» авторов Jayasoorya R and Kumar P., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: magnific