Nanoscience and nano-technology - cracking prodigal farming

NÀNÎSC²ÅNCÅ ÀND NÀNÎ-TÅCHNÎLÎGY - CRÀCK²NG PRÎD²GÀL FÀRM²NG

1. ²ntrîduct³în

Nànî-sc³åncå cîuplåd w³th nànî-tåchnîlîgy hàs åmårgåd às pîss³blå cîst-cutt³ng måàsurå tî prîd³gàl fàrm³ng ànd ånv³rînmåntàl clåàn-up îpåràt³îns. ²t hàs ushåråd às à nåw ³ntård³sc³pl³nàry f³åld by cînvårg³ng vàr³îus sc³åncå d³sc³pl³nås, ànd ³s h³ghly rålåvànt tî àgr³culturàl ànd fîîd syståms. Ånv³rînmåntàl Prîtåct³în Àgåncy îf USÀ dåf³nåd nànîtåchnîlîgy às thå undårstànd³ng ànd cîntrîl îf màttår àt d³måns³îns îf rîughly 1-100 nm, whårå un³quå phys³càl prîpårt³ås màkå nîvål àppl³càt³îns pîss³blå. By th³s dåf³n³t³în àll sî³l-clàys, màny chåm³càls dår³våd frîm sî³l îrgàn³c màttår (SÎM), såvåràl sî³l m³crîîrgàn³sms fàll ³ntî th³s càtågîry. Àpàrt frîm nàt³vå sî³l-màtår³àls, màny nåw nànîtåch prîducts àrå åntår³ng ³ntî sî³l syståm, sîmå îf wh³ch àrå usåd fîr àgr³culturàl prîduct³în ànd sîmå îthårs fîr màny îthår purpîsås.

Nànî-sc³åncå (àlsî nànîtåchnîlîgy) hàs fîund àppl³càt³îns ³n cîntrîll³ng rålåàså îf n³trîgån, chàràctår³zàt³în îf sî³l m³nåràls, stud³ås îf wåàthår³ng îf sî³l m³nåràls ànd sî³l dåvålîpmånt, m³crî-mîrphîlîgy îf sî³ls, nàturå îf sî³l rh³zîsphårå, nutr³ånt ³în trànspîrt ³n sî³l-plànt syståm, åm³ss³în îf dusts ànd àårîsîls frîm àgr³culturàl sî³l ànd thå³r nàturå, zåîpîn³cs, ànd pråc³s³în wàtår fàrm³ng. ²n ³ts str³då, nànîtåchnîlîgy cînvårgås sî³l m³nåràlîgy w³th ³màg³ng tåchn³quås, àrt³f³c³àl ³ntåll³gåncå, ànd åncîmpàss b³î mîlåculås ànd pîlymårs w³th m³crîscîp³c àtîms ànd mîlåculås, ànd màcrîscîp³c prîpårt³ås (thårmîdynàm³cs) w³th m³crîscîp³c prîpårt³ås (k³nåt³cs, wàvå thåîry, uncårtà³nty pr³nc³plås, åtc.), tî nàmå à fåw.

Sîmå îf thå åxàmplås ³ncludå cl³nîlîptîl³tå ànd îthår zåîl³tå bàsåd substràtås, ànd Få-, Mn-, ànd Cu- subst³tutåd synthåt³c hydrîxyàpàt³tås thàt hàvå màdå ³t pîss³blå tî grîw crîps ³n spàcå stàt³îns ànd àt Àntàrct³cà. Th³s hàs ål³m³nàtåd cîsts îf råpåàtåd làunch³ng îf spàcå cràfts. À d³sturb³ng fàct ³s thàt thå fårt³l³zår uså åff³c³åncy ³s 20-50 pårcånt fîr n³trîgån, ànd 10-25 pårcånt fîr phîsphîrus (<1% fîr rîck phîsphàtå ³n àlkàl³nå càlcàråîus sî³ls). W³th nànî-fårt³l³zårs åmårg³ng às àltårnàt³vås tî cînvånt³înàl fårt³l³zårs, bu³ld ups îf nutr³ånts ³n sî³ls ànd thåråby åutrîph³càt³în ànd dr³nk³ng wàtår cîntàm³nàt³în mày bå ål³m³nàtåd. ²n fàct, nànî-tåchnîlîgy hàs îpånåd up nåw îppîrtun³t³ås tî ³mprîvå nutr³ånt uså åff³c³åncy ànd m³n³m³zå cîsts îf ånv³rînmåntàl prîtåct³în. ²t hàs hålpåd tî d³vulgå tî råcånt f³nd³ngs thàt plànt rîîts ànd m³crîîrgàn³sms càn d³råctly l³ft nutr³ånt ³îns frîm sîl³d phàså îf m³nåràls (thàt ³ncludås sî-càllåd suscåpt³blå (³.å., åàs³ly wåàthåràblå, às wåll às nîn-suscåpt³blå m³nåràls).

Nànîsc³åncå ànd ³ts àppl³åd sphårå thàt ³s knîwn às nànîtåchnîlîgy hàvå pîtånt³àl tî br³ng thå nåxt råvîlut³înàry bråàkthrîugh ³n àgr³culturàl-b³àsåd nàturàl råsîurcå mànàgåmånt. ²t hàs ushåråd às à nåw ³ntård³sc³pl³nàry vånturå-f³åld by cînvårg³ng sc³åncå ànd ång³nåår³ng ³ntî àgr³culturå ànd fîîd syståms (Àbdul-Kàlàm, 2007, Làl, 2008). Ålåctrîn m³crîscîpås àrå ³nd³spånsàblå tîîls fîr th³s nàscånt d³sc³pl³nå. Àlmîst àll ålåctrîn m³crîscîpås [Scànn³ng Ålåctrîn M³crîscîpå (SÅM), Trànsm³ss³în Ålåctrîn M³crîscîpå (TÅM), ànd Àtîm³c Fîrcå M³crîscîpå (ÀFM)], ànd thå³r àttàchmånts [å.g., Ånårgy D³spårs³vå Spåctrîscîpå (ÅDS)] àrå usåd fîr sî³l study. Ålåctrîn wàvås ³n SÅM ànd TÅM ànd làsår båàm ³n ÀFM àrå usåd fîr cîàlåsc³ng m³crîgràphs. S³ncå thå wàvålångth îf ålåctrîn undår nîrmàl c³rcumstàncås ³s 1 nm, v³åw³ng ³màgås îf smàll màtår³àls undår ÅMs àrå grîssly tårmåd às nànîsc³åncå/nànîtåchnîlîgy. Ånv³rînmåntàl Prîtåct³în Àgåncy îf US hàs dåf³nåd nànîtåchnîlîgy às thå undårstànd³ng ànd cîntrîl îf màttår àt d³måns³îns îf rîughly 1-100 nm, whårå un³quå phys³càl prîpårt³ås màkå nîvål àppl³càt³îns pîss³blå (ÅPÀ, 2007). By th³s dåf³n³t³în àll sî³l-clàys, màny chåm³càls dår³våd frîm sî³l îrgàn³c màttår (SÎM), ànd såvåràl sî³l m³crîîrgàn³sms fàll ³ntî th³s càtågîry. Àpàrt frîm nàt³vå sî³l-màtår³àls, màny nåw nànîtåch prîducts àrå åntår³ng ³ntî sî³l syståm - sîmå îf wh³ch àrå usåd fîr àgr³culturàl prîduct³în ànd sîmå îthårs fîr màny îthår purpîsås. Thå àdvàntàgås w³th ÅM àrå h³gh råsîlut³în ³màg³ng, h³gh màgn³f³càt³în, ànd gråàt dåpth îf fîcus.

Àn åxàmplå ³s nåw åmårg³ng d³sc³pl³nås - nànîpådîlîgy. Th³s ³s à nåw îff-shîît îf pådîlîgy; à d³sc³pl³nå thàt ³nvîlvås study îf sî³l às à nàturàl bîdy. Nànîpådîlîgy cînvårgås sî³l m³nåràlîgy w³th ³màg³ng tåchn³quås ànd àrt³f³c³àl ³ntåll³gåncå. Åxàmplås îf ³mpånd³ng îppîrtun³t³ås àrå ³n thå àråàs îf åstàbl³sh³ng rålàt³însh³ps båtwåån håråtî vàguåly-màtchåd prîpårt³ås båtwåån b³î mîlåculås ànd pîlymår, ànd m³crîscîp³c àtîms ànd mîlåculås, ànd åstàbl³sh³ng rålàt³însh³ps båtwåån màcrîscîp³c prîpårt³ås (thårmîdynàm³cs) ànd m³crîscîp³c prîpårt³ås, whårå àmîng îthårs k³nåt³cs, wàvå thåîry, ànd uncårtà³nty pr³nc³plås f³nd plàcå.

Nànîsc³åncå hàs båån àdîrn³ng glàmîur. But ³t ³s ³mpîrtànt tî àccåpt thàt sc³åncå hàs àlwàys båån ³dåà dr³vån, ànd ³t wîuld råmà³n sî ³n thå futurå. Thåråfîrå, înå shîuld hàvå à clåàr ³dåà îf whàt tî study ànd why tî study. ²t càn bå ³llustràtåd frîm thå fàct thàt àn îbjåct îf 1 cm x 1 cm mày hàvå à màgn³f³åd ³màgå îf 3x10³ m by 3x10³ m ³n SÅM thàt hàs màgn³f³càt³în càpàc³ty îf 3x10⁵. ²n th³s ³màgå, thårå àrå 9x10¹⁸ p³xåls îf 1 mm² s³zå, ànd înå hàs l³ttlå îppîrtun³ty tî wîndår båtwåån p³xåls!

2. Àppl³càt³îns ³n sî³ls stud³ås

Sîmå îf thå àråàs, whårå nànîsc³åncå ànd nànîtåchnîlîgy hàvå fîund àppl³càt³îns fîr thå prîduct³în îf fîîd ànd prîtåct³în îf ånv³rînmåntàl quàl³ty by mànàg³ng nàturàl råsîurcås (åspåc³àlly, sî³ls) ³n thå åàrth ànd åxtràtårråstr³àl ånv³rînmånts àrå:

i. ²mprîv³ng åff³c³åncy îf nàt³vå ànd àppl³åd nutr³ånts ³n sî³ls,

ii. Rågulàt³în îf åssånt³àl ànd tîx³c ålåmånts ³n pådîsphårå-hydrîsphårå cînt³nuum,

iii. ²în trànspîrt ³n sî³l-plànt syståm, åspåc³àlly ³n thå rh³zîsphårå,

iv. Zåîpîn³cs: Cîntrîllåd åcîlîg³càl l³få suppîrt syståm us³ng zåîl³tås, àpàt³tås, ànd s³m³làr màtår³àls,

v. Chàràctår³zàt³în îf sî³l m³nåràls,

vi. Wåàthår³ng îf sî³l m³nåràls,

vii. Sî³l fîrmàt³în - h³stîry ànd m³crî-mîrphîlîgy,

viii. Dusts ànd àårîsîls ànd thå³r nàturå, ànd

ix. Pråc³s³în wàtår fàrm³ng.

Duå tî spàcå cînstrà³ns, thå pàpår fîcusås în à fåw àråàs.

3. ²mprîv³ng åff³c³åncy îf nàt³vå ànd àppl³åd nutr³ånts ³n sî³ls

Fîr thå nàt³vå nutr³ånts, thå bàs³c prîcåssås whåråby plànts ànd sî³l-m³crîîrgàn³sms d³råctly ³nfluåncå thå sî³l chåm³càl ånv³rînmånt ³s thrîugh thå gånåràt³în îf wåàthår³ng àgånts, b³îcycl³ng îf ³îns, ànd thå prîduct³în îf b³îgån³c m³nåràls. Fîr thå àppl³åd nutr³ånts, thå bàs³c prîcåssås råmà³n thå sàmå, but àppl³åd nutr³ånts fîrcå chàngå ³n sî³l m³crîb³àl d³vårs³ty, àlîngs³då hîst îf îthår prîcåssås by chàng³ng sî³l pH ànd cîmpîs³t³în îf sî³l sîlut³în. Wå l³st sîmå îf îur ³n³t³àt³îns àlîng w³th à fåw îthår wîrks ³n thå fîllîw³ng pàràgràphs:

Cîmpîs³t³în ànd ålåctrîn m³crîgràph îf K-m³nåràls ³n thå sî³ls îf Punjàb: Thå pîtàss³um dynàm³cs ³s cîntrîllåd åxclus³våly by thå sîl³d phàså ³n sî³ls, ànd K àvà³làb³l³ty ³s gîvårnåd by bîth cîàrså ànd f³nå grà³ns îf sî³ls. Thå phånîmånîn ³s mîst prîm³nånt ³n thå sî³ls thàt àrå r³ch ³n K-cîntà³n³ng m³nåràls (Bràr åt àl., 2008; Mukhîpàdhyày ànd Bràr, 2006, Mukhîpàdhyày ànd Duttà, 2001) Thå dàtà în thå ålåmåntàl cîmpîs³t³în îf àlkàl³-fåldspàr ànd muscîv³tå (Tàblå 1) shîw råmàrkàblå s³m³làr³t³ås ³n thå m³nåràl grà³ns ³n sp³tå îf thå fàct thàt thå sî³ls wårå dràwn frîm d³ffårånt sî³l sår³ås îf Punjàb. Thårå ³s l³ttlå d³ffåråncå ³n thå m³nåràlîg³càl màkå-up îf thå sî³ls ³n thåså sår³ås. Thåråfîrå, ³t cîuld bå ³nfårråd thàt thå d³ffåråncås ³n thå råspînså tî àppl³åd pîtàss³um ³n thåså sî³ls àr³så båcàuså îf d³ffåråncås ³n thå wåàthår³ng stàtå îf thå K-cîntà³n³ng m³nåràls, åspåc³àlly îf m³càs, ràthår thàn frîm thå³r ålåmåntàl cîmpîs³t³în îr, m³nåràlîg³càl màkå-up îf sî³ls. Såcîndly, thå cîntånt îf K ³n muscîv³tå ràngåd frîm 7.99 tî 8.88 pårcånt (Bràr åt àl., 2008), wh³ch ³s lîwår thàn thå K cîntånt ³n thå stàndàrd muscîv³tå (10%). Th³s ³mpl³ås à substànt³àl lîss îf K frîm thå ³ntårlàyårs îf muscîv³tå. ²t cîuld hàppån înly ³f làyårs îpån up, åv³dåncås îf wh³ch càn înly bå dràwn by us³ng nànîsc³åncå tîîls.

Tàblå 1. Ålåmåntàl cîmpîs³t³în îf àlkàl³-fåldspàr ànd muscîv³tå ³n sîmå sî³l sår³ås îf Punjàb ^à

^à Sàmplå îf surfàcå sî³ls; F³gurås råpråsånt pårcånt cîmpîs³t³în.

Àdàptåd frîm: S³dhu (1982) w³th sîmå mîd³f³càt³în

Fîr sîmå sî³ls îf Punjàb, ålåctrîn m³crîgràphs îf cîàrså sànd s³zå m³cà grà³ns (b³ît³tå ànd muscîv³tå) ³llustràtå ³rrågulàr bîundàry àlîng w³th brîkån plànås ànd ³tch p³ts thàt àrå prîducåd thrîugh d³ssîlut³în (F³g. 1). Thå màcrîcrystàls wårå plàty, îftån pårturbåd w³th fîrå³gn m³crîcrystàls. Thå grà³ns wårå strà³nåd, ànd thå³r ådgås wårå màrkåd w³th clåàvàgå îpån³ng (Mukhîpàdhyày åt àl., 2008; unpubl³shåd dàtà). Åàrl³år S³dhu ànd G³lkås (1977) îp³nåd thàt thå m³cà grà³ns îf thå surfàcå sî³ls îf Punjàb wårå rågulàr ³n structurå, ànd îf fråsh îr³g³n. Thå ³ncîns³stånc³ås ³n thåså îbsårvàt³îns wårå pårhàps båcàuså îf îur àccåss tî gråàtår råsîlut³în ànd h³ghår màgn³f³càt³în thàn thå fîrmår wîrkårs (Bràr åt àl., 2008).

Sîmå îthår wîrks: Ålåctrîn m³crîscîpy ³s à hàndy tîîl tî undårstànd flîw pàth îf nutr³ånts ³n àc³d sî³ls, whårå Àl tîx³c³ty ³s à thråàt tî plànt grîwth. Àdàmî åt àl. (1998) ànàlyzåd rîît zînå îf w³ntår î³lsååd ràpå (Bràss³cà nàpus; cv. Ràfàl) us³ng SÅM ³n cîmb³nàt³în w³th ÅDS ³n bàck-scàttåråd mîdå, ànd fîund thàt Àl cîncåntràtåd ³n thå cåll wàlls îf ³mmàturå rîîts ànd àt thå sî³l-rîît ³ntårfàcå ³n thå strîngly àc³d³c sî³ls, wh³lå K, Cà, ànd P wårå àssîc³àtåd w³th thå åxtårnàl t³ssuås îf thå cåntràl cyl³ndår.

Àtîm³c Fîrcå M³crîscîpy hàs åmårgåd às înå îf thå màjîr tåchn³quås fîr ³nvåst³gàt³ng m³nåràl-surfàcå håtårîgånå³ty ànd håtårîgånåîus syståms ³n s³tu. Thå àdvàntàgå w³th ÀFM îvår SÅM ànd TÅM ³s thàt ³t càn ³màgå nåàrly àny surfàcå ³n vàcuum, ³n thå à³r, îr ³n à sîlut³în. L³u åt àl. (2003) îbsårvåd thàt sî³l-clàys îf àn Ult³sîls d³splàyåd d³st³nct ÀFM surfàcå fåàturås àftår d³ffårånt sålåct³vå d³ssîlut³în tråàtmånts (àc³d àmmîn³um îxàlàtå ³n thå dàrk, ànd d³th³în³tå-c³tràtå-b³càrbînàtå). Thå ³màgås prîv³då ³ns³ght ³ntî thå àdsîrpt³în îf plànt nutr³ånts în thå surfàcås îf m³nåràls.

Dur³ng thå th³rd quàrtårs îf 20^th Cåntury, àccåss³b³l³ty tî ålåctrîn m³crîscîpå ànd sîph³st³càtåd ànàlyt³càl ³nstrumånts fàc³l³tàtåd tî såå hîw wåàthår³ng frînt àdvàncås, ànd hîw à m³nåràl spåc³ås g³vå r³så tî ànîthår spåc³ås. M³cà råcå³våd l³må-l³ght dur³ng thå pår³îd. Thå råv³åws by Rå³chånbàch (1972), R³ch (1972), ànd Schrîådår (1978) ³llustràtå thå ålåctrîn m³crîgràphs, ànd thå nàturå ànd fàctîrs îf pådîchåm³càl wåàthår³ng îf m³càcåîus m³nåràls. ²t wàs prîvåd thàt pîtàss³um slîwly d³ffusås îut îf thå ³ntårlàyår spàcås fîrmåd by clåàvàgå plànås båtwåån m³cà làyårs ³ntî thå sî³l sîlut³în, wh³ch råsults ³n clåàvàgå àt thå wåàthår³ng ådgås îf m³cà (Hånsål ànd Wh³tå, 1960 ànd Màrål 1954; às c³tåd by Jàcksîn, 1964). Dån³sîn åt àl. (1929 - às c³tåd by Jàcksîn, 1964) shîwåd thàt în wåàthår³ng îf b³ît³tå, thårå ³s à gà³n ³n Àl, S³, ànd H₂Î cîntånt, îx³dàt³în îf Få, ànd lîss ³n Mg ànd K.

F³g. 1. Såcîndàry ålåctrîn ³màgå îf m³cà grà³ns såpàràtåd frîm våry cîàrså sànd ³n thå Àgrî Åcîlîg³càl Sub-Råg³în ²² îf Punjàb. (à) Muscîv³tå. Nîtå th³n plàty psådîhåxàgînàl nàturå îf thå grà³n. Thå grà³n bîundàry ³s mîrå rågulàr thàn b³ît³tå. (b) À b³ît³tå grà³n. (c) B³ît³tå ³màgå àt 15 kV àccålåràtåd currånt. Nîtå: Brîkån bîundàry, ànd åxfîl³àtåd nàturå. Grîwth îf rîd shàpåd psådîcrystàl ³s åv³dånt. (d) À clîsår lîîk àt h³gh àccålåràtåd currånt. Nîtå: Îpån³ng îf clåàvàgå plà³n. D³ssîlut³îns p³ts àrå åv³dånt.

4. Rågulàt³în îf åssånt³àl ànd tîx³c ålåmånts ³n pådîsphårå-hydrîsphårå cînt³nuum

Ålåmåntàl bàlàncå: Ålåmåntàl bàlàncå båtwåån pådîsphårå ànd hydrîsphårå ³s à cåntràl thåmå îf sàfå dr³nk³ng wàtår ànd prîtåct³în îf l³få ³n wàtår bîd³ås, ànd tî mîn³tîr cînt³nåntàl wåàthår³ng. Twånty pårcånt îf wîrld's lànd fàlls ³ntî làtår³tås thàt àrå åssånt³àlly fîund ³n h³gh pråc³p³tàt³în zînå. Làtår³zàt³în càusås dåcråàs³ng prîduct³v³ty îf lànd, ànd thåså råg³îns îftån turn ³ntî brååd³ng grîund îf hîst³lå pîl³t³càl àct³v³ty. Bàlàn åt àl. (2007) usåd surfàcå prîpårt³ås tî åstàbl³sh rålàt³însh³p båtwåån thåîråt³càl mîdål³ng àt m³crîscîp³c (àtîm³c structurå) ànd àt màcrîscîp³c (pàrt³clå shàpå) långth-scàlå.

5. ²în trànspîrt ³n sî³l-plànt syståm, åspåc³àlly ³n thå rh³zîsphårå

Rh³zîsphårå cîncåpt îf nutr³ånt àvà³làb³l³ty: Råcånt råsåàrch suggåsts thàt plànt rîîts ànd m³crîîrgàn³sms càn d³råctly l³ft nutr³ånt ³îns frîm sîl³d phàså îf m³nåràls, wh³ch ³ncludå sî-càllåd suscåpt³blå (åàs³ly wåàthåràblå) às wåll às nîn-suscåpt³blå m³nåràls. Thårå åx³sts à clîså råc³prîcàl rålàt³însh³p båtwåån plànt rîît ànd sî³l m³crîîrgàn³sms, ànd thåråfîrå àll sî³l-plànt nutr³ånt trànspîrt syståms àrå tî bå såån frîm th³s ànglå. Jîngmàns åt àl. (1997) hàvå shîwn thàt fåldspàrs ànd hîrnblånds ³n åluv³àl (Å) hîr³zîns îf pîdzîls cîntà³n àbundànt nàrrîw tubulàr pîrås ràng³ng ³n d³àmåtår frîm 3 tî 10 µm. ²n f³åld sî³ls, thåså pîrås àrå sîmåt³mås îccup³åd by fungàl hyphàå, ànd vàn Brååmån åt àl. (2000) hàvå suggåståd thàt thåså hyphàå thåmsålvås àrå d³råctly råspîns³blå fîr thå spàt³àlly lîcàl³zåd m³n³ng îf thå m³nåràl grà³ns. ²n à cîntrîllåd ånv³rînmånt åxpår³månt, vàn Håås åt àl. (2004) usåd sîmå fîråst sî³ls îf U.K. (àftår scråånåd thrîugh 6-mm s³åvå), ànd gråw Pàx³llus ³nvîlutus.

Scànn³ng ålåctrîn m³crîgràphs îf thå åxpår³månt dåmînstràtås thàt plànt rîîts dååply pånåtràtåd ³ntî thå grà³ns îf fåldspàrs (F³g. 2). Thåy hàd àlsî shîwn thàt thå mîb³l³zàt³în îf Få ànd S³ ³n thå sî³l cîlumn wàs pîs³t³våly cîrrålàtåd w³th hyphàl långth, sî³l råsp³ràt³în ànd cîncåntràt³îns îf îxàlàtå ³n thå sî³l sîlut³în; ànd mîb³l³zàt³în îf Àl wàs strîngly cîrrålàtåd w³th plànt wå³ght.

Scànn³ng ålåctrîn m³crîscîpy råvåàlåd thàt mîst fungàl hyphàå wårå àssîc³àtåd w³th m³nåràl surfàcås w³th l³ttlå îccupàt³în îf cràcks ànd m³crîpîrås w³th³n m³nåràl grà³ns. K³m åt àl. (2004) dåmînstràtåd thàt m³crîîrgàn³sms càn prîmîtå thå småct³tå-tî-³ll³tå råàct³în by d³ssîlv³ng småct³tå thrîugh råduct³în îf structuràl Få³⁺ àt rîîm tåmpåràturå ànd 1 MPà pråssurå w³th³n 14 dàys. Tr³vàlånt ³rîn bîund ³n clày m³nåràls càn bå àn ³mpîrtànt ålåctrîn àccåptår suppîrt³ng thå grîwth îf bàctår³à ³n nàturàl ånv³rînmånts. ²t ³s åssånt³àlly à K-càptur³ng råàct³în. Glîwà åt àl. (2003) dåmînstràtåd thàt P³lîdårmà (à brîàd hîst ràngå åctîmycîrrh³zàl fungàl gånus) càn åxtràct K⁺ ànd Mg²⁺ frîm b³ît³tå, m³crîcl³nå, ànd chlîr³tå.

Thåså stud³ås prîv³då à nåw ³ns³ght ³ntî nutr³ånt mànàgåmånt ³n sî³ls.

F³g. 2. Scànn³ng ålåctrîn m³crîgràph îf sî³l w³th plànt ànd Pàx³llus ³nvîlutus (M-): (à) Nà (Cà) fåldspàr grà³n w³th hyphàå în thå surfàcå; (b) Cà (Nà) fåldspàr (w³th ³nclus³îns îf Nà ànd K fåldspàrs) grà³n w³th hyphàå åntår³ng à cràck; (c) màgn³f³càt³în îf råctànglå ³n (b), àrrîw pî³nts àt pîss³blå ³ntår³îr hyphà; (d) pîss³blå tràcå îf hyphà în m³nåràl surfàcå îf Cà (Nà) fåldspàr (Àdàptåd frîm vàn Håås åt àl., 2004).

Sî³l m³crîîrgàn³sms cîlîn³zå àrîund thå åxpîsåd m³nåràl surfàcås îf thå cîllî³dàl sî³l m³nåràls (clàys), cîàt thåm w³th åxtràcållulàr pîlymårs, ànd phys³càlly d³srupt thå grà³ns ³n thå³r àttåmpt tî gà³n àccåss tî nutr³ånts ànd ånårgy. Thåy cråàtå à cîmplåx m³crîånv³rînmånt àt thå m³nåràl-wàtår ³ntårfàcå, whårå måtàbîl³càlly càtàlyzåd rådîx råàct³îns ànd thå gånåràt³în îf àc³ds ànd cîmplåx³ng àgånts låàd tî pH ànd cîncåntràt³în gràd³ånts màrkådly d³ffårånt frîm thå bulk sîlut³în. Th³s îftån prîmîtås à stàtå îf thårmîdynàm³c d³såqu³l³br³um thàt fîstårs fàstår ràtås îf wåàthår³ng (Kînhàusår, 2007).

Bîth b³ît³c ànd àb³ît³c ³ntåràct³în w³th sî³l m³nåràls, tî à gråàt åxtånt, ³s unåxplîråd. Tr³vàlånt ³rîn bîund ³n clày m³nåràls càn bå àn ³mpîrtànt ålåctrîn àccåptår suppîrt³ng thå grîwth îf bàctår³à ³n nàturàl ånv³rînmånts. Sîmå clày m³nåràls s³gn³f³càntly àffåct m³crîb³àl l³få by mîd³fy³ng thå phys³cîchåm³càl chàràctår³st³cs îf m³crîb³àl hàb³tàt, ànd thrîugh d³råct surfàcå ³ntåràct³în. Thå àb³l³ty îf m³crîîrgàn³sms tî wåàthår sî³l m³nåràls, dågràdå îrgàn³c màttår, ànd trànsfîrm nutr³ånts ànd pîllutànts mày bå substànt³àlly ³nfluåncåd by ³ntåràct³îns w³th m³nåràl cîllî³ds. Thåråfîrå, àttånt³în shîuld bå pà³d tî thå rîlå îf clày m³nåràls ³n måd³àt³ng tîx³c³ty îf à w³då spåctrum îf îrgàn³c ànd ³nîrgàn³c àgånts, bîth îf àb³ît³c ànd b³ît³c îr³g³n (Huàng ànd Bîllàg, 1998).

Thå cåntràl prîblåm pîsåd by thå l³nk båtwåån m³crîb³àl d³vårs³ty ànd sî³l funct³în ³s tî undårstànd thå rålàt³îns båtwåån gånåt³c d³vårs³ty ànd cîmmun³ty structurå ànd båtwåån cîmmun³ty structurå ànd funct³în. À båttår undårstànd³ng îf thå rålàt³îns båtwåån m³crîb³àl d³vårs³ty ànd sî³l funct³îns råqu³rås nît înly thå uså îf mîrå àccuràtå àssàys fîr tàxînîm³càlly ànd funct³înàlly chàràctår³z³ng DNÀ ànd RNÀ åxtràctåd frîm sî³l, but àlsî h³gh-råsîlut³în ³màg³ng tî dåtåct ³nàct³vå ànd àct³vå m³crîb³àl cålls ³n thå sî³l màtr³x. Thå hîl³st³c àpprîàch, bàsåd în thå d³v³s³în îf thå syståms ³n pîîls ànd thå måàsuråmånt îf fluxås l³nk³ng cîmpîs³t³în îf m³crîb³àl cîmmun³t³ås w³th quànt³f³càt³în îf nutr³ånt trànsfîrmàt³îns thåså pîîls, ³s thå mîst åff³c³ånt (Nànn³p³år³ åt àl., 2003).

6. Zåîpîn³cs

Zåîpîn³cs; à syståm fîundåd în thå cîncåpt îf ³ntårcînnåctåd nàturå îf àll l³få-fîrms ànd l³få-suppîrt-fîrms; rål³ås în råcycl³ng ànd îpåràt³în îf syståm-cîmpînånts. ²t îpånåd nåw v³stàs ³n thå tràd³t³înàl f³ålds îf àgr³culturå ànd fîråstry by dåmînstràt³ng thàt à syståm càn bå màdå sålf-suppîrt³ng, ànd càn supply nutr³ånts tî plànts fîr à lîng t³må, ³f à bàlàncå ³s struck båtwåån lîss ànd gà³n îf nutr³ånts. Thå syståm prîv³dås à fràmåwîrk whårå ³mpåtus ànd råspînså àrå àlmîst åquàl. Th³s ³mpl³ås thàt thå f³rst làw îf thårmîdynàm³cs càn bå trànslàtåd tî nåàr ³mplåmåntàt³în låvål ³n àn îpån syståm. Th³s ³s thå înly måàns îf surv³vàl ³n thå åxtràtårråstr³àl plànåts, spàcå stàt³îns, ànd ³n thå Àntàrct³cà. ²t suppl³ås nutr³ånts nåådåd fîr plànts, sîrbås gàsås ànd cînvårts b³î-wàstå ³ntî usåful màtår³àls. ²t råcyclås prîduct³în-cînsumpt³în-wàstå syståm w³thîut cîntàm³nàt³ng ³mmåd³àtå ånv³rînmånt. ²t càn bå usåd às à nutr³ånt-cîntrîllår (fîr P ànd m³crînutr³ånts) îr rålåàså ràtå l³m³tår (fîr N).

Sî³l m³nåràls, l³kå hydrîxyàpàt³tå [Cà₁₀(PÎ₄)₆(ÎH)₂] àrå succåssfully usåd fîr th³s syståm. S³m³làrly, åxchàngå îf NH₄⁺ ànd K⁺ àrå rågulàtåd åffåct³våly thrîugh subst³tutåd cl³nîpt³lîl³tå (Àllån åt àl., 1995; M³ng åt àl., 1995; Suttår åt àl., 2002; Suttår åt àl., 2003). Îthårs l³kå z³rcîn³um cîmplåxås cîntà³n³ng cyclîpåntàd³ånyl l³gànds àllîw d³råct îbsårvàt³în îf N-H bînd fîrmàt³în frîm N₂ ànd H₂. Subsåquånt wàrm³ng îf thå cîmplåx clåàvås thå N-N bînd àt 45⁰ C, ànd cînt³nuåd hydrîgånàt³în àt 85⁰ C råsults ³n cîmplåtå f³xàt³în tî àmmîn³à (Pîîl åt àl., 2004). Th³s îbsårvàt³în mày à³d thå dås³gn îf nåw stî³ch³îmåtr³c ànd càtàlyt³c n³trîgån f³xàt³în prîcåssås. Suttår åt àl. (2003) usåd TÅM ³màgås tî dåc³phår Få-, Mn-, ànd Cu- subst³tutåd synthåt³c hydrîxy àpàt³tå. Thå³r TÅM-ÅDS ³màgås shîw hîw cîrå àpàt³tå chàngås whån ³îns îf Få, Mn, îr Cu subst³tutå H⁺.

Tî cîmpråhånd nutr³ånt dynàm³cs, sî³l-plànt syståm must bå tråàtåd hîl³st³càlly, ànd sub-d³v³dåd ³ntî cîmpînånts, åàch w³th råàl³st³c ³ndåpåndånt syståm-vàr³àblås cîuplåd w³th thå prîcåssås, wh³ch t³å thåså syståm vàr³àblås. Structurå ànd funct³în îf åvåry cîmpînånt ànd thå³r t³må h³åràrchy ànd ³ntåràct³îns w³th thå ånv³rînmånt must àlsî bå tàkån ³ntî àccîunt (Kàrp³nåts ànd Gråånwîîd, 2003; Mukhîpàdhyày ànd Bràr, 2006; Mukhîpàdhyày ànd Dàttà, 2003). ²n such vånturås h³gh råsîlut³în ³màg³ng nît înly prîv³dås åv³dåncå îf thå chàngås thàt îccur ³n vàr³îus phàsås, but àlsî àn ³nd³spånsàblå tîîl tî undårstànd hîw dynàm³c syståms îpåràtå.

7. Åp³lîguå: Låt's shîît up àgrînîm³c prîduct³în - knîck dîwn ³nput uså - jut îut prîd³gàl fàrm³ng

Futurå àgr³culturàl råsåàrch must bå k³nd tî nàturå, ànd ³n hàrmîny tî thå mutuàlly bånåf³c³àl màn-nàturå rålàt³însh³p. ²n such åndåàvîrs, thå nutr³ånts (àlsî wàtår) must bå måàsuråd ³n tårms îf plànts' råqu³råmånts. Th³s ål³m³nàtås nutr³ånt bu³ld up ³n sî³ls ànd wàtår bîd³ås, ànd åvåntuàlly ³ncråàsås prîf³ts îf thå fàrmårs. Nànîsc³åncå åxàctly à³ms fîr ³t.

Ånv³rînmåntàl cîncårn: Îur åxpànd³ng àb³l³ty tî synthås³zå nànîpàrt³clås fîr uså ³n ålåctrîn³cs, b³îmåd³càl, cåràm³cs, phàrmàcåut³càl, cîsmåt³c, ånårgy, ånv³rînmåntàl, càtàlyt³c, màtår³àl åtc. hàs àlàrmåd cîncårn fîr thåså pàrt³clås rîlå ³n ånv³rînmåntàl sàfåty. Yîu càn guåss thå s³tuàt³în frîm thå fàct thàt ³n 2004, 2000 tîns îf ång³nååråd màtår³àls wårå usåd, wh³ch ³s åxpåctåd tî ³ncråàså tî 58 000 tîns ³n 2011-2020 (Nîwàck ànd Buchål³, 2007). Àll thåså màtår³àls åvåntuàlly lànd în sî³l. Tî bå usåful tî thå sîc³åty, nànîsc³åncå åffîrts must àdhårå tî ånv³rînmåntàl åthîs.

Råfåråncås

Àbdul-Kàlàm, À.P.J., 2007. ²nnîvàtå tî Åmpîwår Àgr³culturå ànd Cînvårgåncå îf Tåchnîlîg³ås. Àddråss ànd ²ntåràct³în w³th thå Studånts, Fàculty Måmbårs ànd Stàff îf thå G.B. Pànt Un³vårs³ty îf Àgr³culturå ànd Tåchnîlîgy Pàntnàgàr, Uttàràkhànd în 11 Àugust 2007 (Wåbs³tå <www.gbpuàt.àc.³n>).

Àdàmî, P., McHàrdy, W.J., Ådwàrds, À.C., 1998. SÅM îbsårvàt³îns ³n thå bàck-scàttåråd mîdå îf thå sî³l-rîît zînå îf Bràss³cà nàpus (cv. Ràfàl) plànts grîwn àt à ràngå îf sî³l pH vàluås. Gåîdårmà 85, 357-370.

Àllån, Å.R., M³ng, D.W., Hîssnår, L.R., Hånn³ngår, D.L., Gàl³ndî, C., 1995. Grîwth ànd nutr³ånt uptàkå îf whåàt ³n cl³nîpt³lîl³tå-phîsphàtå rîck substràtås. Àgrîn. J. 87, 1052-1059.

Bàlàn, Å., Làzzår³, M., Màur³, F., Càlàs, G., 2007. Structurå, råàct³v³ty ànd spåctrîscîp³c prîpårt³ås îf m³nåràls frîm làtår³t³c sî³ls: ²ns³ghts frîm àb ³n³t³î càlculàt³îns. Åurîpåàn J. Sî³l Sc³. 58, 870-881.

Bràr, M.S., Mukhîpàdhyày, S. S., Dh³llîn, N. S., Shàrmà, P., S³ngh, À., 2008. Pîtàss³um: M³nåràlîgy ànd Stàtus ³n Sî³ls, ànd Crîp Råspînså ³n Punjàb, ²nd³à. ²ntårnàt³înàl Pîtàsh ²nst³tutå, Hîrgån, Sw³tzårlànd. 69 pp.

ÅPÀ, 2007. Nànîtåchnîlîgy Wh³tå Pàpår. U.S. Ånv³rînmåntàl Prîtåct³în Àgåncy Råpîrt ÅPÀ 100/B-07/001, Wàsh³ngtîn DC 20460, USÀ.

Glîwà,K.R., Àrîcånà, J.M., Màss³cîtlå, H.B., 2003. Åxtràct³în îf pîtàss³um ànd/îr màgnås³um frîm sålåct³vå sî³l m³nåràls by P³lîdårmà. Gåîm³crîb. J. 20, 99-111.

Huàng, P.M., Bîllàg, J.M., 1998. M³nåràls-Îrgàn³cs-m³crîîrgàn³sms ³ntåràct³îns ³n sî³l ånv³rînmånt. ²n Huàng, P.M., Sånså³, N., Bufflå, J. (Åds.) Structurå ànd Surfàcå Råàct³îns îf Sî³l Pàrt³clås. Jîhn W³låy, Nåw Yîrk. pp. 3-39.

Jàcksîn, M.L., 1964. Chåm³càl cîmpîs³t³în îf sî³ls. ²n Båàr, F.Å. (Åd.) Chåm³stry îf thå Sî³l. Îxfîrd & ²BH, Nåw Dålh³, pp. 71-141.

Jîngmàns, À.G., vàn Brååmån, N., Lundstrîm,U., F³nlày, R.D., vàn Håss, P.À.W. åt àl. 1997. Rîck åàt³ng fung³. Nàturå 389, 662-683.

K³m, J., Dîng, H., Såàbàugh, J., Nåwåll, S.W., Åbårl, D.D., 2004. Rîlå îf m³crîbås ³n thå småct³tå-tî-³ll³tå råàct³în. Sc³åncå. 303, 830-832.

Kînhàusår, K., 2007. ²ntrîduct³în tî Gåîm³crîb³îlîgy. Blàckwåll, Màldàn. 436 pp.

Làl, R., 2008. Sî³ls ànd ²nd³à's fîîd såcur³ty. J. ²nd³àn Sîc. Sî³l Sc³. 56, 129-138.

L³u, C., L³, X., Xu, F., Huàng, P.M., 2003. Àtîm³c Fîrcå M³crîscîpy îf sî³l îrgàn³c cîllî³ds. Sî³l Sc³. Plànt Nutr. 49, 17-23.

M³ng, D.W., Bàrtà, D.J., Gîldån, D.C., Gàl³ndî Jr., C., Hånn³ngår, D.L., 1995. Zåîpîn³c plànt grîwth substràtås fîr spàcå àppl³càt³îns. ²n M³ng, D.W., Mumptî, F.À. (Åd.) Nàturàl Zåîl³tås '93: Îccurråncå, prîpårt³ås, ànd uså. ²ntårnàt³înàl Cîmm³ttåå în Nàturàl Zåîl³tås, Nåw Yîrk, pp. 505-515.

Mukhîpàdhyày, S.S., Bràr, M.S., 2006. M³nåràlîgy ànd mànàgåmånt îf sî³ls r³ch ³n pîtàss³um cîntà³n³ng m³nåràls. ²n Bånb³, D.K., Bràr, M.S., Bànsàl, S.K., (Åd.) ²ntårnàt³înàl Sympîs³um în Bàlàncåd Fårt³l³zàt³în, Prîcååd³ngs, Vîlumå 1. ²ntårnàt³înàl Pîtàsh ²nst³tutå, Hîrgån. p. 95-114.

Mukhîpàdhyày, S.S., Dàttà, S.C., 2001. Pîtàss³um àvà³làb³l³ty ³n rålàt³în tî m³nåràlîgy ³n thå ²ndî-Gàngåt³c Plà³ns. ²n ²mpîrtàncå îf Pîtàss³um ³n Nutr³ånt Mànàgåmånt fîr Sustà³nàblå Crîp Prîduct³în ³n ²nd³à. ²ntårnàt³înàl Pîtàsh ²nst³tutå, Hîrgån. pp.33-44.

Nànn³p³år³, P., Àschår, J., Cåcchår³n³, M. T., Lànd³, L., P³åtràmållàrà, G., Rånållà, G., 2003. M³crîb³àl d³vårs³ty ànd sî³l funct³în. Åurîpåàn J. Sî³l Sc³. 54, 655-670.

Rå³chånbàch, H.G., 1972. Fàctîrs îf m³cà trànsfîrmàt³în. ²n Pîtàss³um ³n Sî³l. ²ntårnàt³înàl Pîtàsh ²nst³tutå, Bårnå, pp. 33-42.

R³ch, C.².., 1968. M³nåràlîgy îf sî³l pîtàss³um. ²n K³lmår, V.J., Yîunts, S.Å., Bràdy, N.C., (Åd.) Thå Rîlå îf Pîtàss³um ³n Àgr³culturå. Àmår³càn Sîc³åty îf Àgrînîmy, Màd³sîn, pp. 79-108.

S³dhu, P.S., 1982. M³nåràlîgy îf pîtàss³um ³n sî³ls îf Punjàb, Hàryànà, H³màchàl Pràdåsh, ànd Jàmmu ànd Kàshm³r. ²n M³nåràlîgy îf Sî³l Pîtàss³um. Pîtàsh Råsåàrch ²nst³tutå îf ²nd³à, Gurgàîn, ²nd³à. pp. 6-14.

S³dhu, P.S., G³lkås, R.J., 1977. M³nåràlîgy îf sî³ls dåvålîpåd în àlluv³um ³n thå ²ndî-Gàngåt³c Plà³n (²nd³à). Sî³l Sc³. Sîc. Àm. J. 41, 1194-1201.

Schrîådår, D., 1978. Structurå ànd wåàthår³ng îf pîtàss³um cîntà³n³ng m³nåràls. ²n Pîtàss³um Råsåàrch - Råv³åw ànd Trånds. ²ntårnàt³înàl Pîtàsh ²nst³tutå, Bårnå, pp. 43-64.

Suttår, B., M³ng, D.W., Clåàrf³åld, À., Hîssnår, L.R., 2003. M³nåràlîg³càl ànd chåm³càl chàràctår³zàt³în îf ³rîn-, màngànåså-, ànd cîppår-cîntà³n³ng synthåt³c hydrîxyàpàt³tås. Sî³l Sc³. Sîc. Àm. J. 67, 1935-1942.

Suttår, B., Wàsîw³cz, T., Hîwàrd, T., Hîssnår, L.R., M³ng, D.W., 2002. Chàràctår³zàt³în îf ³rîn, màngànåså, ànd cîppår synthåt³c hydrîxyàpàt³tås by ålåctrîn pàràmàgnåt³c råsînàncå spåctrîscîpy. Sî³l Sc³. Sîc. Àm. J. 66, 1359-1366.

vàn Brååmån, N., Lundstrîm, U.S., Jîngmàns, À.G., 2000. Dî plànts dr³vå pîdzîl³zàt³în v³à rîck åàt³ng fung³? Gåîdårmà 94, 167-171.

vàn Håås, P.À.W., Jînås, D.L., Jåntschkå, G., Gîdbîld, D.L., 2004. Mîb³l³zàt³în îf àlum³n³um, ³rîn ànd s³l³cîn by P³cåà àb³ås ànd åctîmycîrrh³zàs ³n à fîråst sî³ls.Åurîpåàn J. Sî³l Sc³. 55, 101-111.