Bicontinuous interfacially jammed emulsion gels for long-term release in agricultural applications: crop yield and pest management

Fertilizers and pesticides efficient management has become essential over the past few years. The role of fertilizers in increasing crop yields, together with the protection against pests provided by pesticides, is of utmost importance to support the population growth and the increasing demand. Moreover, the abuse of these substances has caused significant damages to underground waters and water body. As such, this thesis aims to study and monitor the performances of a novel co-release structure for an effective use of both fertilizers and pesticides. Bicontinuous interfacially jammed emulsion gels (bijels) are here presented as an opportunity to supply nutrients to the plants in a long-term time frame, supporting the plant nutrients uptake alongside its growth and not only in the initial stages. In the first instance, the co-release of the substances has been analyzed with a in-soil release test using a drip apparatus, and then the collected fluids underwent a phase separation procedure to separate the fertilizer from the pesticide, in order to analyze the samples through UV-Vis analysis and gas chromatography, developing the release curves over time. Afterwards, an adapt soil was selected and the structure degradation was investigated. Then, the plant nutrients absorption was tested with pot experiments using different molar concentrations of the fertilizer and the leaves length, roots length, wet and dry weights were considered as indexes. At last, the pesticide activity was studied with another pot experiment using a pesticide sensitive and non-sensitive species to compare the possible herbicidal effects.

Negli ultimi anni il corretto utilizzo di fertilizzanti e di pesticidi, soprattutto in termini di gestione dei quantitativi, ha riscontrato un crescente interesse. Il ruolo dei fertilizzanti nell’incremento della resa del raccolto e l’importanza dei pesticidi nella gestione dei parassiti risulta vitale per supportare la crescita demografica mondiale e l’aumento nella domanda. Inoltre, si è riscontrato che l’abuso di tali sostanze abbia un effetto dannoso sia sulle falde acquifere che sulle riserve d’acqua. Pertanto, questa tesi si pone lo scopo di studiare e monitorare le prestazioni di una nuova struttura di corilascio per provvedere efficacemente alla fornitura sia di fertilizzanti che di pesticidi. I gel emulsificati bicontinui ad interfacce attigue (bijels) sono qui presentati in quanto si dimostrano un’opportunità per fornire, su lunga durata, nutrienti alla pianta e supportare l’assorbimento di tali sostanze non solo nella fase germinativa ma anche durante tutto il suo periodo di crescita. In prima battuta, il corilascio delle sostanze è stato analizzato attraverso l’impiego di un apparato di gocciolamento, dal quale sono stati recuperati i liquidi in uscita e processati con una tecnica di separazione delle fasi solide per permettere l’analisi del fertilizzante con una spettroscopia UV separatamente dal rilevamento di pesticida attraverso gas cromatografia. Dopodichè, è stato selezionato un terreno adatto per effettuare test in serra e si è verificata la degradazione dei bijels con un esperimento di degradazione. In seguito, attraverso un esperimento in serra si è verificato l’assorbimento dell’urea da parte delle piante controllando la lunghezza di foglie e radici, nonchè il peso umido e secco dellepiante, facendo variare la molarità di urea all’interno dei vasi. Infine, il comportamento del pesticida è stato studiato con un ulteriore esperimento in serra impiegando una specie sensibile al pesticida selezionato e una non sensibile come paragone.