Sustainable Plant Nutrition: Molecular Interventions and Advancements for Crop Improvement

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Use of nano-fertilizers to improve the nutrient use efficiencies in plants
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· January 2023
DOI: 10.1016/B978-0-443-18675-2.00013-4
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Qurat Ul Ain
National Institute for Biotechnology and Genetic Engineering
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Hafiz Athar Hussain
National Institute for Biotechnology and Genetic Engineering
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Qingwen Zhang
Chinese Academy of Agricultural Sciences
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SEE PROFILE
Ayesha Rasheed
University of Agriculture Faisalabad
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SUSTAINABLE
PLANT NUTRITION

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CHAPTER THIRTEEN
Use of nano-fertilizers to improve
the nutrient use efficiencies in
plants
Qurat ul Ain
a
,
b
, Hafiz Athar Hussain
a
,
b
, Qingwen Zhang
a
,
Ayesha Rasheed
c
, Asma Imran
b
, Saddam Hussain
d
,
Namrah Ahmad
e
, Huzaima Bibi
f
, Komal Shoukat Ali
g
a
Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural
Sciences, Beijing, China
b
Division of Soil and Environmental Biotechnology, National Institute for Biotechnology and Genetic
Engineering (NIBGE), Faisalabad, Pakistan
c
Center of Agricultural Biochemistry and Biotechnology, University of Agriculture, Faisalabad, Pakistan
d
Department of Agronomy, University of Agriculture, Faisalabad, Pakistan
e
Department of Plant Biotechnology, Atta-ur-Rehaman School of Applied Biosciences, National University
of Sciences and Technology, Islamabad, Pakistan
f
Department of Biological Sciences, International Islamic University, Islamabad, Pakistan
g
Department of Botany, Government College Women University Sialkot, Sialkot, Pakistan
1. Introduction
The application of fertilizer in the crop
fields is the common practice for
increasing the crop production to ful
fill the global demand of food (
Chhipa,
2017
). However, the nutrient use ef
ficiency is a significant parameter for eval-
uating the crop production that depends on the fertilizer management. The
need of fertilizers is increasing for better yield as
Mittal et al. (2020)
assessed
that the total consumption of fertilizers is expected to rise 263 Mt in 2050.
Further,
Fatima et al. (2021)
stated that the fertilizer application 13 times
increased from 15 to 194 million tons between 1950 and 2020. Meanwhile,
excess use of mineral fertilizers is unsafe due to increase the pollution issues.
However, conventional fertilizers do not provide the required results because
most nutrients do not reach at the target areas due to the loss by evaporation,
leaching, volatilization, erosion, and runoff or nutrients photolytic deprivation
(
Manjunatha et al., 2016
). Nevertheless, nutrient use ef
ficiency (NUE) has
been considered the serious issue of lower soil fertility and reduction of crops
yield. So, the improvement of NUE is needed for better cropping systems, sup-
porting the sustainable agricultural production systems and increasing soil quality
components (
Mahanta et al., 2019
).
Sustainable Plant Nutrition
ISBN: 978-0-443-18675-2
https://doi.org/10.1016/B978-0-443-18675-2.00013-4
© 2023 Elsevier Inc.
All rights reserved.
299
j

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The use of nanotechnology in the agricultural sectors could reduce the
nutrient losses in fertilization and promote yields through the optimized
nutrient management. The
“nano” is the Greek word which means “dwarf”
or one billionth part of a meter and particles with less than 100 nm are
considered as nanoparticles (
Thakkar et al., 2010
). Nano-sized fertilizer
has the potential to upraise the agricultural yield by increased nutrients ab-
sorption, uptake and translocation in plants due to its unique chemical char-
acteristics. Like, it is stated that the nano-fertilizers are consist on
nanoparticles that use nanotechnology for the enhancement of nutrients
use ef
ficiency (
Khalid et al., 2022
). The nano-fertilizers are the nano-
materials which are responsible for providing the one or more type of nu-
trients to the plants, and support their growth and production (
Liu & Lal,
2015
). Moreover,
Fatima et al. (2021)
explain that the nano-fertilizers offers
the unique possibility of development in nutrients use ef
ficiency of plants
with high-absorption rate, and utilization ef
ficacy and consequently have
minimum losses that facilitate the nutrients uptake in plants. Furthermore,
nano-fertilizers might be effective alternative to dissolvable inorganic fertil-
izers due slow release of discharging supplements during crop production
(
El-Saadony et al., 2021
). To absorb the nutrients from the soil, the plants
response depends on the morphology and synthesis characteristics of
different nanoparticles (NPs). However, the modern nano-sized fertilizer
improves the availability of insoluble nutrients and ability to reduce nutrient
losses (
Prasad et al., 2017
). In addition,
Zul
fiqar et al. (2019)
explained that
the synthesis of nano-materials with different engineering approaches encap-
sulated the required nutrients to increase plant uptake ef
ficiency. Compared
with conventional water soluble fertilizers, nano-fertilizers showed excellent
transport characteristics by plant cells and tissues with controlled mobility
(
Al-Mamun et al., 2021
). So, in light of discussed studies, nano-fertilizer is
recommended due to its bene
ficial effects on nutrient use efficiency
(NUE) as well as for crop yield. But the relative economics of nano-
fertilizer vis traditional chemical fertilizers and their integrated systems needs
the detailed study to pass the meaningful suggestions for the farming
communities.
2. Importance of nano-fertilizers in agriculture
The application of nano-sized fertilizer is novel technique toward the
modern agriculture as it
’s novel practice for better crop management and
higher production (
Mittal et al., 2020
). Nano-fertilizers are effective in
300
Qurat ul Ain et al.

---

reduction of the nutrient leaching and volatilization losses, as this formula-
tion may allow selective release linked with time and environmental condi-
tions and may synchronize the release of nutrients with the uptake by crop
plants. Further, nano-nutrient fertilizers exhibit high sorption capacity, sur-
face area and control release of nutrients to targeted sites, hence these can be
considered as smart nutrient delivery system (
Rameshaiah et al., 2015
).
Therefore, these nutrient formulations may act as possible alternatives to
conventional fertilizers ensuring slow and control release of nutrients.
Nano-fertilizers increase the nutrient use ef
ficiency, provide better yield
and may help in reducing the soil pollution due to overapplication of fertil-
izers (
Naderi & Danesh-Shahraki, 2013
). These fertilizer formulations are
anticipated to improve the crop growth and development due to its greater
absorbance, high reactivity and ability to directly enter the cell through cell
wall pores. Previous studies described that the nanofertilizers (NFs) improve
the seed germination and the seedling growth because NFs may penetrate
into the seed easily and enhance availability of nutrients to the seedling
but excessive dose can inhibit the growth of plants (
Sharma et al., 2021
).
Different types of nano-fertilizers can be produced by using different carrier
materials e.g., zeolite, hydroxyapatite NPs, mesoporous silica NPs, nitrogen,
carbon, zinc, copper, silica, and polymeric NPs (
Chaitra et al., 2021
). Over-
all, the nano-fertilizer have been reported in promoted the growth and pro-
ductivity of agricultural
field crops e.g., nano chitosan-based NPK fertilizer
have been reported to increase the total sugar contents of wheat grown on
clay, sandy and clay
esandy soils (
Abdel-Aziz et al., 2016
). Furthermore, it is
reported that ZnO-NPs promoted the germination and its seedling vigor of
peanut plants by improving the leaf chlorophyll contents (
Prasad et al.,
2012
). Similarly (
Salama, 2012
), stated that the Ag-NPs signi
ficantly
improve the shoot and root growth, leaf surface area, chlorophyll contents,
protein and carbohydrates. Nevertheless, different NPs e.g., Ag-NPs,
TiO
2
NPs, Si-NPS, Fe
₃O₄ have found to increase the plant growth by regu-
lating various responses in wheat, spinach, soybean and maize plants (
Hong
et al., 2005
;
Iannone et al., 2016
;
Suriyaprabha et al., 2012
;
Yang et al.,
2006
). Additionally, the foliar spray of nano-fertilizer may lead to increase
nutrients use ef
ficiency (NUE) and gives rapid response to the growth of
the plants (
Mahil & Kumar, 2019
). The nano-sized fertilizers could have
substantial effects on the soil as toxicity and accumulation and they are
extremely resilient to degradation, decomposability in soil and potential to
accumulate in soil owing to their biochemical compositions (
Rajput et al.,
2019
). In short, the nano sized fertilizers are getting signi
ficance for
Use of nano-fertilizers to improve the nutrient use ef
ficiencies in plants
301

---

sustainable agriculture in improvement of crop production, increasing high
in
filtration rate, nutrient use efficiency (NUE), stress resistance and decrease
the wastage of inorganic or chemical fertilizers as well as the cost of cultiva-
tion practices.
3. Nano-fertilizers: a better alternative to
conventional fertilizers
The development of novel nano-agrochemicals might be interested
among the possible nanotechnology applications in agriculture (
El-
Saadony et al., 2021
). However, to increasing the food production with
minimum adverse environmental effects, it
’s essential to developed the
new type fertilizers that release the nutrients according to the plant demand.
For this, nano-fertilizers could be effective choice that improve the nutrients
use ef
ficiency of plants (
Mahanta et al., 2019
). Moreover, several studies
showed that the nano-materials based fertilizer can be more effective than
the conventional forms of the fertilizers (as shown in
Table 13.1
) because
controlled release of the nutrients not only enhance the ef
ficiency of plants
Table 13.1 General comparison of Conventional/Chemical fertilizer and nano-
fertilizer.
Quality parameters
Nano-fertilizer
Conventional/Chemical
fertilizer
Nutrient
’s solubility
Higher
Lower
Time duration of release
Extended effective
duration for release
Used at time of
application and
remaining changed to
insoluble form
Nutrient
’s losses
Less nutrients losses rate
High nutrients losses
rate
Releasing type
Controlled release
Excess release leading to
toxicity and soil
imbalance
Nutrients use ef
ficiency
Higher
Lower
Nutrient
’s
bioavailability
Higher
Lower
Soil
fixation
Less
High
Dispersal of nutrients
Uptake insoluble
nutrients as in nano-
sized
Low solubility due to
bulk sized
Affected surface area
Higher
Lower
302
Qurat ul Ain et al.

---

nutrients uptake but also potentially decrease the adverse environmental af-
fects related with the loss of nutrients (
Al-Mamun et al., 2021
). Neverthe-
less, nano-fertilizers are valuable over the conventional fertilizers as they can
improve the soil fertility, yield and the quality parameters of the crop. In
addition, optimum dose of nano-fertilizer is bene
ficial for crops but the
extensive usage in agricultural
fields may cause toxicity and biocompati-
bility. Furthermore, Replacement of conventional fertilizers by nano-
fertilizers might be in
fluential attempt toward the sustainable agriculture
due to its higher in
filtration capacity, nano-size, and very high surface area.
In addition, conventional fertilizers are not advantageous in some ways
i.e., the organic matters that collected from different plants and animals
are not similar that cannot deliver
the same nutrients and organic matter as fertilizer (
Toksha et al., 2021
).
However, N, P and K based chemical fertilizer can reach to groundwater
and increase the toxicity, also cause soil and air pollution (
Savci, 2012
).
Moreover, the chemical fertilizers (nitrogen, phosphate and potassium-
based) are type of a synthetic compound substance which produced for
maximizing the crop yield. Under the effect of continuous use of chemical
fertilizers, reduced soil fertility and crops productivity is reported which may
be due to lower nutrients use ef
ficiency (
Li & Wu, 2008
;
Sharma et al.,
2014
). Over dose of P normally
fixed in soil and becomes unavailable for
plants uptake by forming the chemical bonds with other the nutrients. Pre-
vious studies reported that the key mineral nutrients applied to the soil often
lost by various ways e.g., N 40%
e70%, P 80%e90% and K 50%e90%
respectively (
Raliya et al., 2017
;
Zul
fiqar et al., 2019
).
Furthermore, nano-fertilizers are considered as slow-release fertilizer to
overcome the
fluctuations i.e., soil acidity, moisture and temperature to
enhance plant growth (
Vega-V

asquez et al., 2020
). Nevertheless,
Chhipa
and Joshi (2016)
stated that the nano-fertilizer has great potential to improve
nutrients use ef
ficiency, minimize the cost and reduce environmental dete-
rioration. As compared with Chemical fertilizers, nano-fertilizer have been
found to signi
ficantly improve the plants growth i.e., plant height, leaf area,
number of leaves and biomass by increasing the photosynthetic pigments
and translocation photosynthetic products to different parts of the plant
(
Yomso & Menon, 2021
).
Nevertheless, eco-friendly approaches like green or biological synthesis
of NPs are good alternatives to the chemical fertilizers. The biological syn-
thesis of NPs can be from fungi, bacteria and the plants which open the new
opportunities for the synthesis of inorganic nanoparticles as eco-friendly
Use of nano-fertilizers to improve the nutrient use ef
ficiencies in plants
303

---

fertilizers. So, the nano-fertilizers considered as the vital tool in the new age
agriculture sector for better crop growth and enhance the nutrients use
ef
ficiency.
4. Properties of nano fertilizers
The nano-sized fertilizer is a signi
ficant scientific material applied in
agricultural
fields that is considered as a bridge for gap between molecular
structure and bulk material. The advantages of nano-fertilizer are due to
nano-sized particles that can easily penetrate to plant cells and reach to the
soil (
Fatima et al., 2021
). The eco-friendly, higher in
filtration capacity,
slow and controlled release, higher surface area, nutrient use ef
ficiency, stress
resistance ability are the unique properties of the nano-fertilizers (as shown
in
Fig. 13.1
) which are helpful for better nutrients management. But some
studies revealed that the NPs could cause phytotoxicity through overpro-
duction of reactive oxygen species to lead oxidative stress, protein, cell
and DNA damage in the plants (
Naderi & Danesh-Shahraki, 2013
). So,
the optimum level of nano sized fertilizer should be recommended for agri-
cultural sustainability. Nano-fertilizers are effective agricultural inputs that
release the nutrients into soils with controlled manner (
Singh et al., 2017
).
The formulation of nano-fertilizer through slow or controlled delivery
and conditional release mechanism may have active ingredients to accurately
Fig. 13.1 The properties of nano-fertilizer for better nutrients management.
304
Qurat ul Ain et al.

---

respond the biological demands and environmental triggers (
Subramanian
et al., 2015
). Furthermore, nano-fertilizers act as slow-release to overcome
the
fluctuations such as temperature, moisture, and soil acidity and to boost
the plant growth more ef
ficiently (
Vega-V

asquez et al., 2020
). Moreover,
Cui et al. (2010)
stated that the nano-fertilizer could enhance the duration
of nutrient release due to its small size particles. The size of the engineered or
naturally occurring nano-material range typically between 1 and 100 nm.
The nano-fertilizer has property of solubility which supports the insoluble
nutrients to increase its dispersion and bioavailability. Another property of
nano-fertilizer is high surface area that regulate the various metabolic pro-
cesses in plants and assist in higher production of photosynthates (
Shukla,
2019
). So, nano-fertilizer has the unique properties due to minute size
which are being explored for new opportunities in the agriculture. More-
over, molecular properties of the nano-fertilizers are totally diverse from
the bulk materials due higher surface-to-volume ratio and small size.
Thus, nano-fertilizer must be prepared that can retain the essential proper-
ties, such as controlled release, higher solubility and stability, increase tar-
geted activities with actual dose for lower eco-toxicity due to safe and
easy delivery.
5. Nano-fertilizers for better plant growth and
nutrition use efficiency (NUE)
The nano-fertilizer is the vital tools in agriculture to increase the crop
growth and production with increasing nutrients use ef
ficiency (NUE) and
decrease the nutrients losses and cost of cultivation (
Singh, 2017
). However,
Cui et al. (2010)
speci
fied that the nano-fertilizers enhance the efficiency
and uptake capacity of the nutrients from soil and reduce the nutrients
loss to boost the crop productivity. Furthermore, the higher surface area in-
creases the reactivity of nano-fertilizer with some other compounds, and
improve the nutrients uptake and nutrient use ef
ficiency (NUE) in plants
(
Shukla, 2019
). The precision nano fertilizers might have been a very valu-
able feature for accurate nutrient management with better crop growth as
shown in
Fig. 13.2
. This feature of preciseness may provide nutrient
throughout the crop growth period as and when in required quantity. As
discussed above, the nano-fertilizer due to
‘nano’ nature have higher surface
area, sophisticated absorption capacity, and controlled-release to the targeted
sites resulting in increased uptake in plant cells and by minimizing nutrient
loss. Notably, the proper usage to certain optimum concentrations may
Use of nano-fertilizers to improve the nutrient use ef
ficiencies in plants
305

---

contribute to the crop growth and bring positive desired effects. Improper
concentration of nano-fertilizer i.e., low or over concentration causes the
various physiological changes like it can increase various enzyme activities
which not needed. Likewise, foliar spray at improper concentration or
over dose affect the seedling growth, oxidative stress and exhibited toxicity
(
Chinnamuthu & Boopathi, 2009
). The shoot and root length were regu-
lated with dosage concentrations, and fruit traits like diameter, weight, num-
ber of fruits also affected (
Fern

andez-Luque~no et al., 2014
).
Nano-fertilizer has greater opportunities to improve inputs use ef
fi-
ciency, minimize costs and also reduce environmental deterioration
(
Chhipa, 2017
). The advantageous effects of various nano-fertilizers on
crops are presented in
Table 13.2
. Nano-fertilizers affect seed germination,
chlorophyll content degradation, fresh and dry weight and relative growth
rate of plants. Foliar application has ability to improve the ef
ficiency and
also rapidity of utilization of nutrients urgently required by the plants and
it can increase the growth and yield. Also, this foliar application can cause
some effects because of immediate uptake by leaves; it can cause changes
in their structure and can cause phytotoxicity which also affects human
(
Davarpanah et al., 2016
). Proper concentration of nano fertilizer can
improve the number of
flowers and can improve the number of grains
which directly can improve yield.
Also, a reduction in nitrogen
fixation also can decrease yield. Nano fer-
tilizers applied by foliar can adversely affect seedling growth (
Jyothi & Heb-
sur, 2017
). Additionally, nano-fertilizers are mainly synthesized and
Fig. 13.2 Schematic representation of nano-fertilizer application for nutrients use effi-
ciency and growth improvement in plants.
306
Qurat ul Ain et al.

---

Table 13.2 Role of different nano-fertilizer for better nutrients use efficiency (NUE) and growth in plants.
Nano-fertilizer
Dose/concentration
Application
method
Plant species Effect on plants
References
Nano chitosan-NPK
400
e500 mg/kg
Spray
Wheat
Increase yield and yield
attributes
(
Abdel-Aziz
et al., 2016
)
Synthetic apatite NPs (as P)
100 mg/L
Growing
media
Soybean
Increase above ground and
below ground biomass and
yield
(
Liu & Lal, 2014
)
Nano-CuO
75
600 mg/kg
Soil
Onion
Increase NUE
(
Wang et al.,
2020
)
Nano-Cu
75, 150, 300 and
600 mg/kg
Soil
Brassica rapa
Improve Cu uptake
(
Deng et al.,
2020
)
ZnO nanomaterial
0
e500 mg/kg
Soil
Phaseolus
vulgaris
Increase NUE and plant
growth
(
Medina-Velo
et al., 2017
)
Fe
2
O
3
NPs
2
e1000 mg/kg
Soil
Peanut
Enhance Fe uptake, biomass,
and SPAD values, plant
hormones and
antioxidant
’s enzyme
activity
(
Rui et al., 2016
)
Fe, P, K
N/A
Soil
Crocus sativus
L.
Improve
flowering traits e.g.,
dry saffron yield,
flower
number, stigma length etc.
(
Amirnia et al.,
2014
)
Fe-NFs
35, 75, and
150
mmol
57
Fe pot
1
Soil
Soybean
Increase Fe uptake and plant
growth
(
Cieschi et al.,
2019
)
Nano-FeO
0.25, 0.5, 0.75, and
1 g/L
Spray
Glycine max
Yield, leaf, and pod dry
weight increased.
(
Sheykhbaglou
et al., 2010
)
IO-NPs
1, 2, 4, and 6 g/L
Seed treatment Maize
(
Continued)
Use
of
nano-fe
rtilizers
to
improve
the
nutrient
use
ef
fi
ciencies
in
plants
307

---

Table 13.2 Role of different nano-fertilizer for better nutrients use efficiency (NUE) and growth in plants.dcont'd
Nano-fertilizer
Dose/concentration
Application
method
Plant species Effect on plants
References
Improve growth and
chlorophyll content
(
Pariona et al.,
2017
)
Nano-Fe2O3
500 and 4000 ppm
Seed treatment Peanut
Increase protein content
(
Suresh et al.,
2016
)
NPK
N/A
Ultra
sonication
method
Vigna raidata
L.
Improve enzyme activity and
seed vigor index
(
Celsia & Mala,
2014
)
Nano-size calcite product of
CaCO
3
, SiO
2
, MgO and
Fe
2
O
3
0.5 g/L
Spray
Grapevine
Improve the vine growth,
yield, the nutrient
contents
(
Sabir et al.,
2014
)
Nano-Fe2O3
2, 20, and 50 mg/L
Seed treatment Watermelon
Increase germination,
seedling growth and
activities of antioxidant
enzymes
(
Li et al., 2013
)
gFe2O3
50, 100, 250, 500,
1000 and 2000 mg/
L
Spray and soil
amendment
Soybean
Increase root and shoot
growth, and
photosynthetic ef
ficiency
(
Alidoust &
Isoda, 2013
)
Zn-Nps
50
e2000 mg/L
Spray
Maize
Enhancing growth, yield,
and yield attributes.
(
Subbaiah et al.,
2016
)
ZnO
250
e1000 mg/kg
Soil
Green pea
Increase Zn uptake and
photosynthetic pigments
(
Mukherjee
et al., 2016)
0.25, 0.50, and 0.75 g/
L
Seed treatment Capsicum
annuum L.
Enhanced the length of root
and shoot, seed
(
Afrayeem &
Chaurasia,
2017
)
308
Qurat
ul
Ain
et
al.

---

germination, and seedling
growth
2, 4, 8 & 16 mg/L
Soil
Lycopersicum
esculentum
Increased growth,
photosynthetic ef
ficiency,
antioxidant enzymes, and
proline accumulation
(
Faizan et al.,
2018
)
2 g/L
Spray
Sun
flower
Increased leaf area, shoot dry
weight, chlorophyll
content, net carbon
dioxide assimilation rate,
and Zn content
(
Torabian et al.,
2016
)
Nano-Cu
80 mg/kg
Soil
Coriandrum
sativum
Increased Cu accumulation. (
Zuverza-Mena
et al., 2015
)
CeO2
400 mg/L
Hydroponic
Cucumber
Increase the scratch and
globulins content
(
Zhao et al.,
2014
)
C-NTs
0.05
e0.1 mg/L
Soil
Date palm
Increase morphological
growth
(
Taha et al.,
2016
)
TiO
2
0.25, 0.5, 1, 2 g/L
Soil
Wheat
Increase seed germination
and shoot
eroot growth
(
Ramesh et al.,
2014
)
Use
of
nano-fe
rtilizers
to
improve
the
nutrient
use
ef
fi
ciencies
in
plants
309

---

incorporated to improve productivity and quality of the crops along with an
increase in nutritional value. The macronutrients and micronutrients pro-
vided by the nano-fertilizers can improve organic matter and microorgan-
isms (
Achari & Kowshik, 2018
). The increase in antioxidant activity,
concentration difference, inhibited photorespiration, reduce inorganic ni-
trogen
fixation, chlorophyll degradation all these affect the nutritional value
(
Kumar et al., 2021
). This positive result of nano-fertilizers might be due to
structure,
fixation, concentration, biochemical and physical properties.
Furthermore, nano-fertilizers are effective overcome damage and effects
of salinity, stress, drought,
flooding, temperature fluctuations, heat stress,
oxidative stress, and excessive light on crops. Like, biosynthesis of ZnO
nanoparticles were reported to helpful for the enhancement of phosphorus
mobilization in Mung bean rhizosphere (
Raliya et al., 2016
). The bio-safety
considerations with toxicity at higher concentrations of nano fertilizers and
multiple turns of NPK nano fertilizer usage in Pisum sativum plants is exam-
ined (
Khalifa & Hasaneen, 2018
). The development of environmentally
friendly biodegradable bio-polymer Chitosan nanostructures supplying sal-
icylic acid and Copper to plants in a slow and sustained manner for an
extended period of time is reported (
Sharma et al., 2020
).
The dosage of Chitosan-based nano-
fiber was reportedly resulted in
enhancement of plant height, and antioxidant activity (
Mirheidari et al.,
2022
). Sweet basil (Ocimum basilicum L.) is used to regulate blood pressure
cholesterol and triglyceride levels. There are reports about improving phar-
maceutical results of sweet basil plant with a green route produced zinc
nano-complex and iron containing nanoliposome (
Farshchi et al., 2021
;
Tavallali et al., 2018
). The usage of these nano materials could effectively
replace the traditional fertilizer and increase the oil content in the plant.
The combined dose of chemical fertilizer and nano chelated fertilizer
when supplemented to peppermint plant, resulted in enhanced essential
oil quality and quantity (
Ostadi et al., 2020
).
6. Formulation of nano-fertilizer for smart nutrients
delivery
Nanofertilizers is a nano-sized fertilizer that might be used as slow-
release fertilizer to increase the nutrients use ef
ficiency in crop plants and
avoid the losses of the nutrients to environment. By absorption or adsorption
in a matrix, nanostructured components in nano-fertilizer are frequently
included in a carrier complex (
Khan et al., 2021
). Farmers throughout the
310
Qurat ul Ain et al.

---

world are faced with the onerous job of feeding more mouths each year
from agricultural lands that are decreasing as a result of global population
growth and rising urbanization (
Kumar et al., 2021
). Satellite photographs
suggest that the world
’s fertile land is fast running out, whereas the produc-
tion of food may soon be enough to keep pace along the world
’s increasing
human food consumption. Food grain output has been declining for the past
decade, causing concern. Nanotechnology can boost agricultural output by
improving plant and animal genetics and delivering molecules to particular
places to living cells (
Chhipa, 2017
). Because there are limited arable lands
and water supplies, the agricultural industry can only expand by increasing
resource usage ef
ficiency while causing the least amount of harm to the pro-
duction bed through the proper application of contemporary technology.
Nanotechnology, for example, has in
fluenced farming practices, biomedical,
geotechnical engineering, safety and wellbeing, water management, ther-
modynamic ef
ficiency, and a range of certain other sectors (
Manjunatha
et al., 2016
). Nanostructured formulations might release their active compo-
nents more quickly in response to environmental cues and biological needs,
thanks to methods including targeted delivery, sustained and transitive
release. According to studies, using nano-fertilizers increases nutrient utiliza-
tion ef
ficiency decreases soil toxicity, reduces the possible negative conse-
quences of overdosing, and reduces the frequency of application. As a
result, nanotechnology holds a lot of promise for attaining sustainable agri-
culture, particularly in underdeveloped nations (
Sabourin, 2015
).
7. Macronutrients based nano-fertilizers
Macronutrients are essential for soil fertility and to increase the plant
growth e.g., nitrogen, phosphorus, potassium, silicon, calcium have major
role in plant metabolic processes. Nitrogen is included in a range of struc-
tural, genetic, and metabolic components in plant cells. It
’s an important