حدود 800 میلیون نفر در سراسر جهان با کمبود مواد غذایی مواجه هستند و استفاده بیش از حد از نهاده های کشاورزی سنتی منجر به تخریب محیط زیست و کاهش کیفیت خاک شده است .نانوتکنولوژی فرصتی برای متحول کردن کشاورزی از طریق افزایش بهره وری منابع، افزایش بازده محصولات و به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی از طریق نوآوری در پوشش بذر، کشاورزی دقیق و فرآوری مواد غذایی است.
نانوتکنولوژی علم مهندسی دستکاری ماده در مقیاس نانو (1 تا 100 نانومتر) است. در این مقیاس، مواد خواص شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیکی منحصر به فردی از خود نشان می دهند که به طور قابل توجهی با حالت اولیه خود متفاوت است.
تاثیر نانوتکنولوژی بر صنعت کشاورزی
نانوتکنولوژی فواید زیادی برای کشاورزی به ویژه در تقویت حفاظت از محصولات، تغذیه و مدیریت خاک دارد. نانوتکنولوژی چالش‌های کلیدی مانند تخریب خاک و کمبود مواد غذایی را با استفاده از نانوذرات برطرف می‌کند.
کاربردها در کشاورزی
افزایش رشد و حفاظت از گیاهان
نانوتکنولوژی رشد و حفاظت گیاه را از طریق تقویت زیستی نانو افزایش می‌دهد، جایی که نانوذراتی مانند فولرول اندازه میوه و عملکرد را بهبود می‌بخشد. این رویکرد گیاهان را با مواد مغذی ضروری برای مقابله با سوء تغذیه و افزایش انعطاف پذیری غنی می کند. این روش‌ها را می‌توان با حسگرهای مستقل و سیستم‌های GPS برای نظارت مؤثر بر رشد محصول و شرایط خاک ادغام کرد و امکان استفاده دقیق از نانو مواد مغذی را برای بهبود بهینه محصول فراهم کرد.
مدیریت بیماری و آفات
نانوتکنولوژی مدیریت آفات و بیماری ها را در کشاورزی از طریق توسعه نانو مواد شیمیایی کشاورزی مانند علف کش های نانو و نانو قارچ کش ها (مانند نانوذرات مس) و نانوامولسیون ها تغییر می دهد. این نوآوری ها انتشار هدفمند و افزایش کارایی را ارائه می کنند و در عین حال اثرات زیست محیطی را به حداقل می رساند. علاوه بر این، نانو حسگرهای زیستی با استفاده از نانوذرات طلا، نقاط کوانتومی و نانولوله‌های کربنی تشخیص دقیق پاتوژن را امکان‌پذیر می‌سازند. فناوری نانو بارکد شناسایی پاتوژن های چندگانه ، تشخیص زودهنگام بیماری و شیوه های کشاورزی پایدار را تسهیل می کند.
نانو پرایمینگ بذر
نانو پرایمینگ بذر از نانوذرات برای افزایش جوانه‌زنی و رشد بذر استفاده می‌کند وجانشین روش‌های سنتی می باشد. به عنوان مثال، دانه‌های نخود تیمار شده با نانوذرات آهن، روی و کلسیم وزن و عملکرد بیشتری را نشان می‌دهند و رویکرد امیدوارکننده‌ای را برای بهبود بهره‌وری کشاورزی ارائه می‌دهند.
مهندسی ژنتیک و ویرایش ژن
نانوتکنولوژی تکنیک های سنتی انتقال ژن مانند الکتروپوراسیون و انتقال با واسطه آگروباکتریوم را بهبود بخشیده است. نانوذرات طلا و نانولوله‌های کربنی در حال حاضر به طور موثر برای انتقال ژن در محصولاتی مانند تنباکو و برنج استفاده می‌شوند.
علاوه بر این، ادغام فناوری نانو با سیستم‌های CRISPR/Cas9، ویرایش ژنوم را با ایجاد تغییرات ژنتیکی دقیق، مانند افزایش مقاومت در برابر بیماری‌ها در گندم، که منجر به نتایج کشاورزی قوی‌تر و پربارتر می‌شود، پیشرفته‌تر کرده است.
کودهای هوشمند
کودهای نانو یا هوشمند، مواد مغذی را در نانومواد برای رهاسازی کنترل شده و هدفمند محصور می کنند، در مقایسه با کودهای سنتی، کارایی را بهبود می بخشند و اثرات زیست محیطی را کاهش می دهند.
اینها شامل فرمولاسیون هایی با کیتوزان، دی اکسید سیلیکون و نانولوله های کربنی است که سرعت جوانه زنی، جذب مواد مغذی و عملکرد محصول را بهبود می بخشد. این فناوری همچنین در کشاورزی فضایی و زیر آب مورد استفاده قرار می گیرد، جایی که کودهای مبتنی بر زئولیت از رشد گیاه در محیط های میکروگرانشی و کنترل شده پشتیبانی می کنند.
بسته بندی و نگهداری مواد غذایی
نانوکامپوزیت های پلیمری (PNCs) حاوی خاک رس، سیلیس و نقره، تازگی، ماندگاری و ایمنی مواد غذایی را افزایش می دهند. علاوه بر این، سیستم‌های بسته‌بندی هوشمند مجهز به نانوحسگرها، فساد و آلودگی را تشخیص می‌دهند، در حالی که مواد محصور شده در نانو، کیفیت و تغذیه غذا را بهبود می‌بخشند.
تحولات و نوآوری های اخیر
نانوذرات مبتنی بر ویروس گیاهی برای کنترل هدفمند نماتد
محققان دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو نانوذرات مبتنی بر ویروس گیاهی را برای کنترل هدفمند آفت کش ها در عمق خاک توسعه دادند و رویکرد جدیدی را برای کنترل نماتدهای آسیب رسان به محصولات کشاورزی ارائه کردند.
این نوآوری، نماتدهای انگلی را در مناطق ریشه محصولات با استفاده از نانوذرات آفت‌کش‌های بارگذاری شده از یک ویروس موزاییک سبز ملایم اصلاح‌شده و غیرعفونی تنباکو مورد هدف قرار می‌دهد. استفاده از آفت‌کش‌ها و اثرات زیست‌محیطی را با رساندن مؤثر آفت‌کش‌ها به عمق 10 سانتی‌متر در خاک و در عین حال حفظ ساختار شیمیایی آفت‌کش‌ها کاهش می‌دهد. این رویکرد جمعیت نماتد را حداقل تا 50 درصد کاهش می دهد.
افزایش رشد محصول با نانوذرات اکسید آهن
آهن (Fe) برای رشد و نمو گیاهان ضروری است، اما در دسترس بودن آن اغلب در خاک‌های با pH بالا و هوازی محدود است که منجر به کمبود در بسیاری از محصولات می‌شود. کودهای سنتی غنی از آهن – اعم از کلات، آلی یا معدنی دارای محدودیت هایی مانند هزینه بالا، حساسیت به جذب، یا بی اثر بودن در خاک های قلیایی هستند.
استفاده از نانوذرات اکسید آهن (Fe2O3 NPs) محتوای کلروفیل و کارایی آهن را در گیاهان بهبود می‌بخشد و به طور بالقوه بهتر از منابع سنتی آهن مانند EDTA-Fe عمل می‌کند. علاوه بر این، این نانوذرات همچنین با تعدیل گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) و سطوح هورمون‌های گیاهی، ضمن چسبیدن به ذرات خاک، تنش اکسیداتیو را کاهش دادند تا از دست دادن مواد مغذی به حداقل برسد و کارایی کود در خاک‌های شنی و فقیر از مواد مغذی افزایش یابد.
نظارت بر استرس و هورمون گیاهی در زمان واقعی با سنسورهای نانولوله
نانوحسگرهای جدید ارائه شده قادر به تشخیص وردیابی جیبرلین ها (GAs)و هورمون های گیاهی حیاتی هستند. این حسگرهای غیر مخرب از نانولوله‌های کربنی فلورسنت مادون قرمز نزدیک برای نظارت بر سطوح GA در گیاهان زنده استفاده می‌کنند که نشان‌دهنده اولیه استرس گیاه، مانند شوری است.
برخلاف روش‌های مخرب سنتی مانند طیف‌سنجی جرمی، این نانوحسگرها کارآمدتر و انتخابی‌تر هستند و می‌توانند در گونه‌های مختلف گیاهی به کار روند. این پیشرفت می تواند کشاورزی دقیق را متحول کند و مداخله زودهنگام و مدیریت بهینه محصول را ممکن کند.
چالش های بالقوه و نیاز به مقررات دقیق
در حالی که نانوتکنولوژی پیشرفت‌های امیدوارکننده‌ای را در کشاورزی ارائه می‌کند، خطرات بالقوه‌ای را نیز به همراه دارد که نیاز به بررسی دقیق دارد.
به عنوان مثال، آفت‌کش‌های فعال‌شده با نانو ممکن است حجم آفت‌کش‌ها را کاهش دهند، اما به دلیل افزایش جذب و حضور طولانی مدت در محیط، می‌توانند برایموجودات زنده غیرهدف از جمله گرده‌افشان ها و آبزیان مضر باشند. علاوه بر این، رفتار غیرقابل پیش‌بینی نانومواد جدید در محیط، نظارت را پیچیده می‌کند و نگرانی‌هایی را در مورد تأثیر آنها بر ایمنی مواد غذایی و اکوسیستم ایجاد می‌کند.
بنابراین، آزمایشات و مقررات کامل برای اطمینان از اینکه مزایای فناوری نانو در کشاورزی بیشتر از خطرات آن است و برای جلوگیری از عواقب ناخواسته آن بسیار مهم است.
منبع: