کاربرد فناوری نانو در کشاورزی

1. مقدمه

افزایش تقاضای جهانی غذا و خطرات مربوط به تغییرات آب و هوایی و مواد شیمیایی زراعی نیازمند شیوه های کشاورزی جدید و پایدار برای بهبود عملکرد و کیفیت محصول است. استراتژی های مختلف با استفاده از فناوری نانو به طور گسترده ای برای ارائه راه حل ها مورد بررسی قرار گرفته است [1].فناوری نانو کاربردهای زیادی در تمام مراحل تولید، پردازش، ذخیره سازی، بسته بندی و حمل و نقل محصولات کشاورزی دارد. فناوری نانو کشاورزی و صنایع غذایی را با تکنیک های جدید مانند: تکنیک های دقیق کشاورزی، افزایش توانایی گیاهان در جذب مواد مغذی، تشخیص و کنترل بیماری‎ها، تحمل فشارهای محیطی متحول خواهد کرد.[2]

تلاش برای به کارگیری فناوری نانو در کشاورزی با درک فزاینده ای آغاز شد که فناوری های کشاورزی معمولی نه قادر به افزایش بهره وری خواهند بود و نه می توانند اکوسیستم های آسیب دیده از فناوری های موجود را به حالت اولیه خود بازگردانند. فناوری نانو در کشاورزی در دو دهه گذشته با منابع مالی فراوان شتاب گرفته‎ است، اما سرعت توسعه بسیار اندک است.[3]

2. معرفی

کشاورزی پایدار برای دستیابی به "گرسنگی صفر" که یکی از 17 هدف توسعه پایدار سازمان ملل متحد است، بسیار مهم است. تولید و توزیع مواد غذایی در جهان به دلیل افزایش جمعیت، تغییرات آب و هوایی، آلودگی محیط زیست و تقاضای بیشتر آب و انرژی با فشارهای زیادی روبرو است. کشاورزی کنونی از منابع سرسام آوری استفاده می کند. به عنوان مثال، تولید جهانی محصول سالانه بیش از سه میلیارد تن است که به 187 میلیون تن کود، 4 میلیون تن سموم دفع آفات، 2.7 تریلیون متر مکعب آب (حدود 70 درصد از کل مصرف آب شیرین در سطح جهان) نیاز دارد. به طبق گزارش سازمان غذا و کشاورزی (فائو ، 2017)، جمعیت جهان تا سال 2050 به 10 میلیارد نفر می رسد و نیازهای غذایی را تا 50 درصد به ویژه در کشورهای در حال توسعه افزایش می‎دهد. علاوه بر این، تقریباً 815 میلیون نفر در حال حاضر دچار سوءتغذیه هستند و انتظار می رود 2 میلیارد نفر دیگر تا سال 2050 در این گروه قرار بگیرند. این وضعیت مستلزم تغییرات عمیق در سیستم های تولید غذا در جهان است.[4]

فناوری نانو جایگاه خود را در علوم کشاورزی و صنایع وابسته به عنوان یک فناوری بین رشته ای و پیشگام در حل مشکلات و کمبودها ثابت کرده است. فناوری نانو در همه مراحل تولید، پردازش، ذخیره سازی، بسته بندی و حمل و نقل محصولات کشاورزی کاربردهای زیادی دارد. تا کنون کاربردهای بیشماری از فناوری نانو در کشاورزی، غذا و علوم دامی ارائه شده است. در آینده نزدیک کاتالیزورهای نانوساختاری در دسترس خواهند بود که کارایی آفت کش ها و علف کش ها را افزایش داده و از دوزهای پایین تر استفاده می کنند. فناوری نانو در کشاورزی و تولید مواد غذایی، باعث بازگشت زمین های کشاورزی به وضعیت عادی خود، ساخت گلخانه با عملکرد و بهره وری بالا، جلوگیری از انقراض و نابودی گونه های گیاهی و جانوری و به طور کلی فناوری نانو کارایی کشاورزی را برای جمعیت بیشتر فراهم می کند[2].

طیف گسترده ای از کاربردهای فناوری نانو در بخش کشاورزی و غذایی نیز وجود دارد که شامل نانوحسگرها، دستگاه های ردیابی، ایمنی غذا، توسعه محصولات جدید، پردازش دقیق، بسته بندی هوشمند و موارد دیگر است.[5]

3. كاربرد‌های‌ فناوري نانو در كشاورزي

3-1- کودهای نانو

در طول پنج دهه گذشته، افزایش عظیم عملکرد محصولات، به ویژه غلات، نقش مهمی در برآوردن نیازهای تغذیه ای جهان ایفا کرد. افزایش استفاده از کودهای شیمیایی یکی از عوامل مهم در افزایش عملکرد محصول در این زمینه است. استفاده از کودهای شیمیایی به دلیل ضعف استفاده از آنها به دلیل از دست دادن کود (با فرار و شستشو) که محیط را آلوده کرده و هزینه تولید را افزایش می دهد ، محدود شده است. به عنوان مثال، 50-70% از ازت مورد استفاده کودهای معمولی در محیط از بین می رود. بنابراین، توسعه استراتژی های جایگزین برای اطمینان از استفاده پایدار از مواد مغذی مورد توجه جامعه علمی قرار گرفته است.

نانو کودها، نانوموادی هستند که یا خود مواد مغذی هستند (ریزمغذی ها یا درشت مغذی ها) یا به عنوان حامل/افزودنی (به عنوان مثال با ترکیب با مواد معدنی) برای مواد مغذی عمل می کنند. نانو کودها را می توان با محصور کردن مواد مغذی درون نانومواد توسعه داد. کودهای نانو عملکرد و کیفیت محصول را با بهره وری بیشتر از مواد مغذی افزایش می دهند در حالی که هزینه تولید را کاهش می دهند و در نتیجه به پایداری کشاورزی کمک می کنند. تجزیه و تحلیل مجموعه داده های نانو کود در سال 2018 میانگین افزایش اثربخشی 18 تا 29  توسط کودهای نانو را در مقایسه با کودهای معمولی نشان داد. نانو کودها همچنین متابولیسم گیاه و جذب مواد مغذی را از طریق منافذ نانومتری که توسط حمل کننده های مولکولی تسهیل می شود، بهبود می بخشد.

فناوری نانو در تغذیه گیاهان، توسعه کودهای با رهایش آهسته/کنترل شده را تسهیل می کند که کارایی مصرف کود را بهبود می‌بخشد و تلفات مواد مغذی را برای محیط زیست کاهش می دهد و آنها را دوستدار محیط زیست می کند. در حالت ایده آل، کودهای نانو باید بتوانند مواد مغذی را در مواقع و مکان‌های مورد نیاز توسط گیاهان که باعث محدود شدن تبدیل کودهای اضافی به اشکال گازی یا شستشو به سمت پایین دست می شوند را آزاد کنند[4].

انواع مختلفی از نانو کودها مانند نقره، آهن، روی، تیتانیوم، نانولوله های کربنی، مولیبدن و سیلیس تولید شده و بر روی سیستم های مختلف زراعی اعمال می شوند. محققان دریافته اند که نانومواد در غلظت های معین تأثیر بیشتری بر طول ریشه، طول ساقه، زیست توده گیاه، محتوای کلروفیل و جوانه زنی بذرها دارند. همچنین کودهای نانو شکل در مقایسه با کودهای معمولی سریعتر حرکت می کنند، آنها از قوانین ترمودینامیک پیروی می کنند و به دلیل حالت تعلیق کلوئیدی در مقایسه با کودهای معمولی دارای آنتروپی بیشتری هستند. آنتروپی مستقیماً متناسب با انرژی گیبس است که به حرکت سریع نانو کودهای حالت کلوئیدی کمک می کند و نفوذ آسان آنها به غشای سلولی گیاهان را تسهیل می کند.[5]

افزایش تجزیه زباله های آلی و تولید کمپوست می تواند جنبه مهمی از فناوری نانو در کشاورزی باشد، با این حال این کار هنوز در مراحل ابتدایی است و هیچ نتیجه قاطعی تا به امروز ارائه نشده است. از اطلاعات موجود آشکار است که نانو کودها می توانند مقدار کودهای مورد استفاده را به دلیل راندمان مصرف بالا کاهش دهند و در نتیجه اثرات زیست محیطی را به دلیل از دست دادن مواد مغذی کاهش دهند. با این وجود، امکان سنجی اقتصادی کودهای نانو هنوز باید برای کشاورزی پایدار و سودآور مورد مطالعه قرار گیرد.[4]

3-2- نانو آفت‎کش‎ها

استفاده از آفت‎کش ها یک عمل معمول در کشاورزی تجاری است و توسعه سموم دفع آفات جدید، کارآمد و مخصوص یک فرآیند مستمر است. بنابراین، تعداد زیادی از سموم دفع آفات هر سال (بیش از 1 میلیون مطابق برآورد در سال 2009) غربالگری می‎شوند. تنها مقدار بسیار کمی از آفت کش های کاربردی (0.1٪) به آفات مورد نظر می رسد، در حالی که بقیه (99.9٪) محیط را آلوده می کند که پیامدهای جدی بر زنجیره غذایی و سلامت انسان دارد. علاوه بر تأثیر بر گونه های غیر هدف، حضور همه جا آفت‎کش ها در محیط زیست منجر به ایجاد مقاومت در برابر آفت‎کش ها در علف های هرز، حشرات و عوامل بیماری زا شده است.[4] در سطح جهان، محصولات سالیانه معادل 220 میلیون دلار به علت بیماری های گیاهی از بین می‎روند. بیماریهای گیاهی در اثر عوامل بیماری زای مختلف مانند باکتری، قارچ، ویروس،  انگل، حشرات و تک یاخته ها ایجاد می شوند. برای کنترل آنها، سموم شیمیایی و بیولوژیکی مختلفی استفاده شده است اما استفاده نامناسب از سموم شیمیایی باعث از بین رفتن تعادل محیطی و افزایش مقاومت در برابر آفات شده است. برای کاهش تأثیر شدید بر افزایش مقاومت در برابر عوامل بیماری زا در کشاورزی، نیاز به ابداع روشهای جدید برای کنترل وجود دارد و فناوری نانو این امید را برآورده می‎سازد.[5] با این حال، توجه به این نکته ضروری است که اگر سموم دفع آفات در جهان وجود نداشت، تلفات جان به ازای هر نفر در اثر آفت‎کش ها 1000 برابر می شد. بنابراین، نانو آفت‎کش ها برای مدیریت موثر و پایدار آفات مختلف مهم هستند و می توانند استفاده از مواد شیمیایی مصنوعی و خطرات زیست محیطی مرتبط را به حداقل برسانند. رفتار نانو آفت‎کش ها متفاوت از سموم معمولی است تا کارایی آنها افزایش یابد. ذرات با اندازه نانو را می توان در حالت‎های محلول و کلوئیدی منتقل کرد و این نوع مکانیسم رفتار متفاوتی را نسبت به املاح معمولی ایجاد می کند. به طور کلی، نانو آفت کش ها انرژی و آب را ذخیره می کنند زیرا در مقادیرکمتر از آفت‎کش‎های معمولی استفاده می شوند. آنها همچنین با کاهش بازده و هزینه نیروی کار، بازده سموم دفع آفات و بهره وری محصول را افزایش می دهند. با این حال، نانو آفت‎کش ها ممکن است باعث مشکلات سلامتی شوند (به دلایل مختلف که توسط آژانس حفاظت از محیط زیست شرح داده شده است، ازجمله اینکه جذب نانو آفت‎کش ها از پوست به دلیل اندازه بسیار کوچک آنها و عبور آنها از غشای سلولی.) [4]

3-3- سنسورهای نانو

حسگرهای زیستی نشان دهنده سیستم ترکیبی گیرنده-مبدل است که برای تشخیص خواص فیزیکی و شیمیایی یک محیط در حضور عناصر مختلف برای تشخیص تجزیه و تحلیل خاص عناصر استفاده می‎شود. نانوحسگرها نسل بعدی حسگرهای زیستی هستند که فشرده تر هستند و بیشتر به عنصر مورد نظرحساس هستند تا آنالیز انتخابی را در غلظت بسیار کم از طریق یک مبدل فیزیکی-شیمیایی تشخیص دهند. فناوری نانوحسگرهای زیستی می تواند در تشخیص زودهنگام و تصمیم گیری سریع برای افزایش عملکرد محصول با مدیریت مناسب آب، زمین، کودها و آفت‎کش ها کمک کند.[4] توسعه حسگرهای نانو نقش بسزایی در پیشرفت کشاورزی داشته و دارد. نظارت بر زمان واقعی استفاده، از استفاده بیش از حد سموم دفع آفات و کود جلوگیری می‎کند، که در کاهش آلودگی محیط زیست و هزینه محصول مفید است. کاربردهای نانوحسگرها شیوه های کشاورزی معمولی را به کشاورزی هوشمند تبدیل می کند، که روش‌های کارآمدتر و سازگار با محیط زیست برای شیوه های کشاورزی پایدار هستند. شیوه های کشاورزی هوشمند شامل :

(الف) کودهای مبتنی بر نانوساختار یا سیستم های انتقال آفت‎کش ها است که پراکندگی و مرطوب شدن مواد مغذی را افزایش می دهد.

(ب) آشکارسازهای نانو برای بقایای سموم دفع آفات یا کود

(ج) سیستم های نظارت از راه دور برای وقوع بیماری و رشد محصول است.[5]

تشخیص زودهنگام آلاینده های خاک ممکن است به جلوگیری از اثرات مخرب آنها کمک کند. تجمع یون‎های فلزی سمی بالقوه در خاک‎های زراعی و گیاهان بالاتر از سطح آستانه یک مشکل جهانی با خطرات جدی برای سلامتی است. آنها با استفاده از حسگرهای نوری که دارای ماهیت شیمیایی هستند و از تشعشعات الکترومغناطیسی برای تشخیص استفاده می کنند، تشخیص داده می شوند. کارایی این نانوحسگرهای زیستی ممکن است با توجه به محدودیت تشخیص و هزینه بالای تولید آنتی بادی هایی که تنها در حدود 10 درصد از 800 ماده فعال آفت‎کش ها وجود دارد، کاربرد تجاری آنها را محدود کند.

اگرچه، استفاده از فناوری نانو انقلاب جدیدی در کشاورزی هوشمند ایجاد کرده و خطرات مربوط به آن را کاهش داده است، اما استفاده گسترده از محصولات کشاورزی و غذایی بر پایه نانومواد و حسگرهای نانو نگرانی هایی را در مورد سلامت انسان و محیط زیست ایجاد کرده است. مقامات نظارتی و قوانین می توانند نقشه ها و دستورالعمل هایی را برای استفاده پایدار از مواد نانو برای شناسایی، اعتبارسنجی و کاهش اثرات سمی آنها در کل اکوسیستم ارائه دهند.[4]

4. نتیجه گیری

فناوری نانو یک ابزار مفید در کشاورزی مدرن است و پیش بینی می شود که نانوتکنولوژی کشاورزی در آینده ای نزدیک به یک نیروی اقتصادی محرک برای مقابله با چالش های نوظهور کشاورزی و زیست محیطی که عمدتاً مربوط به نیازهای افزایش بهره‎وری، پایداری و امنیت محصولات کشاورزی است، تبدیل شود.[6]

فناوری نانو در کشاورزی به عنوان نانو کود، نانو آفت کش و نانوحسگر کاربردهای آنها را در رشد گیاهان و تولید محصول به طور قابل توجهی ثابت کرد. نانوذرات مختلف فلز و اکسید فلز به طور مثبت سرعت جوانه زنی بذر، افزایش ریشه و اندام هوایی و زیست توده گیاه و رشد گیاه را در سطوح خاصی از غلظت افزایش می دهد. در مقابل، برخی از نانوذرات فلز یا اکسید فلز تأثیر منفی بر رشد گیاه نشان دادند. نانوکپسوله سازی و کاربرد نانومواد در بسته بندی مواد غذایی عمر مفید محصولات غذایی را بهبود بخشیده و راه حل‎های پایداری برای تخریب و خرابی مواد غذایی در حین حمل و نقل ارائه کرده است. ارزیابی بلند مدت هر سیستم نانوذرات گیاهی برای درک سرنوشت نانومواد در محیط مورد نیاز است.[5]

منابع

 [1]: Mujumdar, Sanghamitra, and Arturo A. Keller. "Omics to address the opportunities and challenges of nanotechnology in agriculture." Critical Reviews In Environmental Science And Technology (2020): 1-42. ‏

[2]: Mousavi, Sayed Roholla, and Maryam Rezaei. "Nanotechnology in agriculture and food production." J Appl Environ Biol Sci 1.10 (2011): 414-419. ‏

[3]: Mukhopadhyay, Siddhartha S. "Nanotechnology in agriculture: prospects and constraints." Nanotechnology, science and applications 7 (2014): 63. ‏

[4]: Usman, Muhammad, et al. "Nanotechnology in agriculture: Current status, challenges and future opportunities." Science of the Total Environment 721 (2020): 137778. ‏

[5]: Dasgupta, Nandita, Shivendu Ranjan, and Chidambaram Ramalingam. "Applications of nanotechnology in agriculture and water quality management." Environmental Chemistry Letters 15.4 (2017): 591-605.

[6]: Iavicoli, Ivo, et al. "Nanotechnology in agriculture: Opportunities, toxicological implications, and occupational risks." Toxicology and applied pharmacology 329 (2017): 96-111.