کاربردهای نانوفناوری درحوزه های مختلف کشاورزی

مقدمه

بیش از هفت میلیارد نفر بر روی سیاره زمین در مساحتی به وسعت 13 میلیارد هکتار ساکن هستند که 7/99٪ از مواد غذایی آنها از اکوسیستم‌های زمینی تأمین می‌شود. بر طبق اطلاعات سازمان خواربار و کشاورزی [FAO] (2017) ، بیش از 4.9 میلیون هکتار از اراضی که 37.6 درصد از اکوسیستم خشکی را تشکیل می‌دهند، برای اهداف کشاورزی محصور شده‌اند. این واقعیت که توده‌های خشکی تنها ارائه دهنده ضروریات اساسی زندگی هستند، هر اینچ از توده‌ زمین را به بخش مهمی برای منبع غذا تبدیل می‌کند. در سطح جهان، 30٪ از کارگران در کشاورزی مشارکت دارند، اما این رقم در کشورهای کم درآمد تا حدود 60٪ بالا می‌رود (FAO 2017). در سال 2016، 54.5٪ از جمعیت جهان در مناطق شهری زندگی می‌کردند اما برآورد شده است که 60٪ از جمعیت جهان تا سال 2030 به مناطق شهری تغییر مکان می‌دهد. این تغییر مکان ممکن است یک تهدید غیرمستقیم اما دائمی را دربر داشته باشد چرا که مناطق روستایی یا زمین‌های زراعی و کشاورزان تنها تأمین کننده مواد غذایی برای نسل کنونی و نیز برای نسل آینده هستند که انتظار می‌رود تا سال 2100 به 11 میلیارد نفر برسد. بر اساس گزارش‌های سالیانه با اینکه زارعین ستون فقرات کشورهای گوناگون، در هند و بسیاری از کشورهای در حال توسعه هستند، کشاورزان با سوء تغذیه و نیز چندین مسئله اقتصادی دیگر مانند خشکی، قیمت بالای کود ، بارندگی کم ، باروری کم، و غیره روبرو هستند که حتی منجر به خودکشی می‌شود.

آمارها نشان می‌دهند که در حال حاضر 78٪ از افراد کم‌برخوردار (تنگدست) در سراسر جهان ساکن مناطق روستایی هستند و حدود 800 میلیون نفر از گرسنگی رنج می‌برند. اگر شرایط فعلی تا سال 2030 بدون تغییر بماند، آنگاه 653 میلیون نفر فقر تغذیه‌ای خواهند داشت. اگرچه سازمان‌های دولتی در صدد بهبود و توسعه کشاورزان از طریق طرح‌های مختلف هستند و در صورتی که وضعیت فعلی همچنان ادامه یابد، در نتیجه منجر به عدم توازن ناپایدار و برگشت‌ناپذیر در عرضه محصولات کشاورزی یا دامی خواهد شد. تکنیک‌ها یا اقدامات مرسوم انجام شده توسط نهادهای مختلف دولتی در سراسر جهان بیشتر به تأمین وام، کود، برق برای آبیاری، اصلاح بذور محصولات زراعی و غیره محدود شده‌اند. با این وجود، تمام این اقدامات در صورت ناباروری خاک، بیماریهای گیاهی و عملکرد ضعیف محصول، نامرتبط و ناکارآمد هستند. چنین شرایطی همچنان ادامه دارد و لازم است دانش و فن‌آوری‌های مناسب علمی برای فعالیت‌های کشاورزی ایجاد شوند. همچنین کاربرد تک‌کشتی یا کاشت تک محصولی نیز به عنوان یکی از دلایل مهم برای ناباروری خاک و کمبود تولید کشاورزی محسوب شده است. از این رو، استفاده از ابزارها و تکنیک‌های پیشرفته، دانش برای کاشت موفق، دانش مناسب در مورد خاک‌، توسعه محصولات مقاوم به بیماری‌ها و تولید محصولات زراعی یا غلات حاوی مواد مغذی از زمینه‌هایی هستند که باید با اولویت فوری مورد بررسی قرار گیرند.

در دریای این فرصت‌ها، جابجایی موفق بار کشتی بدون کشیدن لنگر فقر امکان‌پذیر نیست. با وجود انعطاف‌پذیری و اجرای فناوری در زمینه‌های مختلف از جمله صنعتی شدن، تحقیقات زیست‌پزشکی، سرامیک‌، سنجش از دور و فناوری فضایی، کاربرد علم و فناوری مهمترین عامل برای توسعه پایدار کشاورزی است زیرا مهمترین منبع موفق و مطمئن برای تولید هر نوع ماده غذایی برای انسان و حیوان به شمار می‌رود. بنابراین، کانون توجه هر ملتی از طریق کشف فنآوری‌های چند رشته‌ای و بین رشته‌ای مانند زیست‌فناوری، نانوفناوری، نانوزیست‌فناوری و غیره باید در جهت یافتن روش‌های متنوع و بدیع برای بهبود کشاورزی و تولید محصولات زراعی باشد. فنآوری ادغامی مانند نانوفناوری از طریق نانوفرمول‌های زراعی-شیمیایی، از قبیل آفت‌کش‌ها، حشره‌کش‌ها، علف‌کش‌ها، نانوکودهای زیستی و غیره، تشکیل نانو حسگرها/نانوزیست‌حسگرها، راهبردهای بهبود محصول، حفاظت و شناسایی بیماری‌ها، دستکاری ژنتیکی گیاهان زراعی، بهبود تکنیک‌های بهداشتی و پرورشی دام و طیور، و مدیریت پس از برداشت با تکنیک‌های هوشمندتر، قوی‌تر و مقرون به صرفه نتایج نویدبخشی را در جنبه‌های مختلف کشاورزی دربر دارد (شکل 1 ؛ جدول 1)

همچنین نانوفناوری در شناسایی ژن‌های برگزیده و استفاده از آنها در بهبود محصول برای بهره‌وری بالا و مقاومت در برابر بیماری به کار رفته است. به همین ترتیب، از فناوری نانو در بهبود بهداشت و پرورش دام نیز استفاده می‌شود. علاوه بر این، کاربردهای نانوزیست‌فناوری شامل نانوحسگرها برای گزارش دقیق شرایط فیزیولوژیکی خاک و نانوحامل‌های کربن‌بنیان برای دارورسانی هدفمند، برای افزایش جذب مواد مغذی، القاء تولید بهتر و غیره می‌شود. از آنجا که فناوری نانو یک زمینه‌ی علمی میان رشته‌ای است، دارای انواع کاربردهای گسترده‌ در زمینه توسعه پایدار کشاورزی است. در ادامه، فصل حاضر بیشتر به تشریح اهمیت فناوری نانو در عصر حاضر کاربردهای کشاورزی و آینده‌نگری آن می‌پردازد.

نانوفرمول‌ها

نانوفرمول‌ها را به تنهایی نمی‌توان به عنوان یک ترکیب واحد در نظر گرفت زیرا آنها ترکیبی از چندین سورفکتانت، پلیمر (ترکیبات آلی طبیعی و مصنوعی) ، و نانوذرات فلزی در محدوده اندازه نانو هستند. آفت‌کش‌های ساخته شده از ایمیداکلوپرید (1- (6 کلرو-3-پیریدینیل متیل) -N-نیترو ایمیدازولیدین-2-یلیدنامید) ، قارچ‌کش‌های مرکب از هگزاکنازول با پوشینه‌ی نانوکپسول کیتوزان، علف‌کش‌های تشکیل شده از دیورون بهینه‌سازی شده، حشره‌کش‌های حاصل از پلی کاپرولاکتون و پلی (لاکتیک) اسید نانو-کره‌ها از جمله نانوفرمول‌هایی هستند که به راحتی در توسعه بهره‌وری کشاورزی به کار می‌روند.

کودهای نانو

برخلاف کودهای شیمیایی رایج، کودهای نانو تقاضای فزاینده‌ای دارند. کود نانو شامل کاربرد ترکیبات معدنی مختلف مانند، نانوذرات اکسید آهن برای کمبود آهن، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم، و نانوذرات دی اکسید سیلیکون برای رشد و تغذیه گیاه می‌شود. کودهای نانو به دلیل اندازه کوچک، فضای سطحی زیاد برای عمل و نفوذ آسان در خاک از طریق منافذ خاک مزایای بسیاری نسبت به کودهای شیمیایی معمولی دارند.

نانوحسگرها

نانوحسگرها/نانو زیست‌حسگرها به عنوان ابزارهایی با مزایای فزاینده برای کاربرد در زمینه تحقیقات و تولیدات کشاورزی رو به رشد هستند که ساختارهای عادی مانند حسگرهای معمولی دارند اما فقط اندازه آنها در سطح نانومقیاس متفاوت است. نانوحسگرها به دلیل حساسیت بالا، انتخاب‌پذیری، محدوده‌های تشخیص پایین، پاسخ سریع و اندازه کوچک، جایگزینی برای روش‌های مرسوم هستند. نانوحسگرها بیشتر برای شناسایی بقایای آفت‌کش‌ها و سایر مواد باقیمانده از مواد شیمیایی زراعی بکار می‌روند که باز هم توسط برخی از خواص ریختی و اقتصادی نظیر سهولت کوچک‌سازی و خواص الکتروشیمیایی و نوری حمایت می‌شوند که ساده‌تر و مقرون به صرفه هستند.

نانومواد

بهبود محصولات زراعی نیز با استفاده از نانومواد مانند نانولوله‌های کربن و غیره در نانوذرات آلی از قبیل طلا، SiO2، TiO2 ، و ZnO امکان‌پذیر شده است که به طور مستقیم یا غیرمستقیم به جذب مواد مغذی (عناصر) توسط گیاه کمک می‌کنند. برخی دیگر از نانوذرات فلزی خاص مانند نقره و مس خواص ضد میکروبی نشان داده‌اند، و نانوترکیب مس با بنیان پلیمر و نانوذرات سیلیس-نقره با خاصیت ضد قارچی برای کنترل بیماری‌های گیاهی خاصی مانند بیماری کدو تنبل مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

روش‌های پیشرفته‌ی اجرا شده برای توسعه در کشاورزی

توسعه و بهسازی درازمدت کشاورزی به اجزای زنده و غیر زنده مرتبط با آن وابسته است که تاثیر زیادی بر روی بهره‌وری کشاورزی می‌گذارند. برخی از این اجزای مرتبط به دلیل انواع رویه‌های تحمیلی زراعت ناپایدار مانند کیفیت خاک (بافت، ظرفیت نگهداری آب، موجودی مواد مغذی و غیره) ، کیفیت محصول (محصولات زراعی بیمار) ، توانایی دسترسی به آب و کیفیت آن رو به زوال هستند. چنین تأثیراتی حاصل مستقیم شیوه‌های کشاورزی حفاظت نشده و ناامن برای معاش خودخواهانه هستند و می‌توان با استفاده از روش‌های پیشرفته بر آنها غلبه کرد. برخی از این تکنیک‌ها مشتمل بر استفاده از علوم و تحقیقات بین رشته‌ای هستند. در حال حاضر، فناوری نانو زمینه‌ای پررونق از علوم مانند "سنگ فیلسوف" است یعنی یک ماده افسانه‌ای که می‌تواند هر فلز ارزان قیمت را در صورت ترکیب یا لمس به طلا تبدیل کند. به طور مشابه، در زمینه تحقیق و توسعه، وقتی فناوری نانو با هر زمینه علمی یا فناوری ترکیب شود، نتایج دیدنی و نویدبخشی را ارائه می‌دهد یعنی از استاندارد طلایی برخوردار است. به علاوه در بخش کشاورزی، فناوری نانو استانداردهای کشاورزی را با توسعه کیفیت خاک، کیفیت محصول، سنجش زباله‌های زراعی غیر ضروری، حفظ بهره‌وری و نرخ پیشرفت بیماری در گیاهان و همچنین طیور، دام، و پرندگان، دستکاری ژن هدفمند و مؤثر در گیاهان و جانوران مهم کشاورزی، و در نهایت مدیریت پس از برداشت با بسته‌بندی هوشمندانه‌تر، قدرتمندتر، و مقرون به صرفه این محصولات کشاورزی/دامی دگرگون ساخته است. بسیاری از کاربردهای بالقوه فناوری نانو در بخش کشاورزی وجود دارند (جداول 1 و 2؛ شکل 2) که متعاقباً در این فصل مورد بحث قرار گرفته است.

فناوری نانو در آفت‌کش‌ها

در حال حاضر، آفت‌کش‌های مس‌بنیان در مقایسه با آفت‌کش‌های معمولی کاربرد گسترده‌ای در کشاورزی به ویژه در کشاورزی ارگانیک دارند. Zhao و همکاران (2016) کاربرد متابولومیک نانوذرات مس Cu (OH) 2 را بر روی ارزش غذایی Lactuca sativa را با کاربرد ابزار دقیق پیشرفته و فناوری و عملکرد بالا مانند رویکرد متابولومیک مبتنی بر کروماتوگرافی گازی و طیف‌سنجی جرمی زمان پرواز (GC-TOF-MS) و حداقل مربعات جزئی-تجزیه و تحلیل تفکیکی (PLS-DA) مطالعه کردند. همچنین آنها بر رسوب مس در بسته عروقی برگ‌ها برای کاربرد برگی تأکید کردند. این سطوح از رسوب مس موجب شد تا دستورالعمل‌هایی توصیه شوند، از جمله افزایش غلظت مواد معدنی خاص به ویژه پتاسیم و همچنین تنظیم افزایشی پروتئین‌ها، ویتامین‌ها و فیتوهورمون‌های مهم از نظر فیزیولوژیکی. فرمولاسیون بهینه‌سازی شده Diuron Nano (ODNF) یک نانوعلف‌کش پایدار است که از دیورون ( (41,1-dimethyl) , 3- (3′,4′-dichlorophenyl اوره و لیگنین ساقه ساخته می‌شود و به عنوان ماتریس Leucaena leucocephala برای انتشار مهارشده‌ی این نانوفرمولاسیون کاربرد دارد. دیورون ( (41,1-dimethyl) , 3- (3′,4′-dichlorophenyl اوره علف‌کشی است که فتوسنتز و رشد گیاه را مهار می‌کند. فعالیت دیورون را با کمک فناوری نانو می‌توان باز هم بهبود بخشید. به دلیل اندازه کوچک آن، مهار اعمال متابولیک نهال‌ها تا 16 هفته بدون از دست رفتن فعالیت آن با موفقیت منجر به کلروز و مرگ و میر می‌شود.

ODNF نه تنها به عنوان علف‌کش عمل می‌کند بلکه جزء فعال آن در برابر تخریب میکروبی و آسیب UV محافظت می‌کند. کودهای ازته مبتنی بر هگزاکونازول (CRNF) با انتشار مهارشده نانوفرمولاسیونی هستند که برای انتشار مهار شده هگزاکونازول بکار می‌روند. این نانوفرمولاسیون از قارچ‌کشی به نام هگزاکونازول تشکیل می‌شود که توسط نانوکپسول کیتوزان محصور شده است، و ترکیبی از کیتوزان است که از کیتین طبیعی به وسیله‌ی N-استیلاسیون جزئی با آلژینات و تری پلی‌فسفات سنتز می‌شود. این ماده یک قارچ‌کش برای مهار عوامل بیماری‌زای قارچی در محصولات مختلف و به طور عمده در برابر Rhizoctonia solani کاربرد گسترده‌ای دارد. علاوه بر فعالیت قارچی، هگزاکونازول دارای فعالیت علف‌کشى است و نیز اثرات عمده‌ای شامل کاهش طول شاخه، سطح برگ و وزن خشک کل در مورد برخی از گونه‌های Plectranthus spp. بر جای می‌گذارد (Chauhan et al. 2016). حاملین نانوساختار لیپید (NLC) نوعی فرمولاسیون نانو است که برای پوشینه‌سازی مولکول‌های طبیعی با فعالیت ضد میکروبی از قبیل پلمبین، هیدروکینون، اوژنول، آلفاآسارون، و آلفاتوکوفرول شناخته شده است. NLC که به روش ذوب و اولتراسونیک تهیه شد، با استفاده از Cryo-TEM برای مورفولوژی و SdFFF برای توزیع ابعادی و بازده فعال پوشینه‌سازی مورد شناسایی قرار گرفت. کارایی سیستم را می‌توان به طور عمده توسط بازده آن در مهار فیتوپاتوژن تبیین کرد. NLC که با کمک مخلوطی از لیپیدهای جامد (مثل تری‌گلیسیرید) و مایع (مانند تریکاپریلین) در دمای محیط تولید شد انحلال‌پذیری را افزایش می‌دهد و کارآیی مولکول‌های ضد میکروبی طبیعی را بهبود می‌بخشد. این ماده فقط پوشینه‌سازی محافظتی را برای تحویل دارو ارائه می‌دهد و حلالیت را بالا می‌برد که منجر به نفوذ سریع می‌شود.

نتایج امیدبخش‌تر برای این نانو آگروفرمول‌ها در مقایسه با فرمول‌های سنتی یا معمولی قبلاً تصدیق شده است. Bifenthrin، یک حشره‌کش پیرتیروئید نیز توسعه یافته است که نسبت به حشرات و پستانداران نوروتوکسیک است ولی فعالیت آن به شکل نانوفرموله به طور پویا تعدیل شده است. یک مطالعه موردی توسط Kah و همکاران (2016) نشان داد که نانوفرموله‌ها اثر بهسازی در جذب خاک و تخریب آن داشتند. اما توانایی انتشار مهار شده آن روشن نشده است. بنابراین، تحقیقات بیشتری لازم است تا کارآیی این نانوفرمولاسیون‌ها بر روی اجزای زنده و غیر زنده پارامترهای مؤثر بر شیوه‌های کشاورزی مورد ارزیابی قرار گیرد.

فناوری نانو در کودها

در حال حاضر، سنتز و کاربرد نانوذرات سبب دگرگونی اندیشمندانه‌ای در زمینه‌های مختلف علوم کشاورزی شده است. اما هنگامی که به ویژه طبیعت پویای خاک و حاصلخیزی آن در نظر گرفته شود، ذرات نانو قطعا توانایی خود را به اثبات رسانده‌اند. کودهای مبتنی بر نانوذرات یا در اصطلاح واحد، نانوکودهایی مبتنی بر فسفات، نیتروژن، آهن، روی، تیتانیوم، آلومینیوم، مس و نقره، هدف کشاورزی پایدار را به طرز چشمگیری به سطح بالاتری تغییر داده‌اند (Malik and Kumar 2014). برخی از این کودهای نانو به طور موثری برای بهبود تولیدات کشاورزی همراه با حفظ عوامل زنده و غیر زنده مرتبط با کشت و زرع استفاده شده‌اند. اخیراً یک آزمایش گلخانه‌ای جهت ارزیابی تأثیر این کودهای نانو بر تولید کل محتوای فنلی و فعالیت آنتی‌اکسیدانی برنج انجام شده است. در یک مطالعه خاص، اثربخشی کودهای نانو (FRR-CF + FRR-NF) بر گیاه در مراحل مختلف با شروع از نهال، پنجه زنی و تا شروع مرحله خوشه‌دهی ارزیابی شد. نتایج نشان داد که FRR-CF + FRR-NF به طور معنی‌داری ارتفاع گیاه، محتوای کلروفیل و تعداد پنجه‌های تولید مثلی، خوشه‌ها و سنبلچه ها را افزایش داد (Benzon et al. 2015). نانوآهن نمونه دیگری از کودهای نانو و نانوفرمولاسیون مهمی در برابر کمبود آهن است که اثر کوددهی با آهن را در کاربردهای کشاورزی نشان می‌دهد.

تیمار خاک با غلظت‌های متفاوت نانوذرات اکسید آهن (Fe2O3 NPs) منجر به تغییرات فیزیولوژیکی معنی‌داری در محتوای قند محلول و پروتئین، موجودی کلروفیل و مالون‌دی‌آلدئید (MDA) و فعالیت آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی در برگ هندوانه گردید. غلظت مناسب نانوذرات Fe2O3 می‌تواند کلروز کمبود آهن را بهبود دهد و رشد گیاه هندوانه را تقویت کند. مطالعات نشان می‌دهند که میزان کلروفیل در اثر قرار گرفتن در معرض نانوذرات آهن افزایش می‌یابد و در نتیجه می‌تواند رشد برخی گیاهان مانند Lactuca sativa را به طور معنی‌داری افزایش دهد (Wang et al. 2016). امروزه پلیمرهای مبتنی بر نانوذرات پلی (γ-گلوتامیک اسید (γ-PGA) و کیتوزان (CS) برای ارتقای آنها در سیستم تحویل دارو به عنوان حامل فیتوهورمون (اسید جیبرلیک) که رشد گیاه را تنظیم می‌کند، بهره‌برداری می‌شوند. به طور کلی، اسید جیبرلیک در این زمینه دارای کاربردهای مختلفی از قبیل بهبود جوانه‌زنی و نمو گیاهان همراه با تقویت تولید و کیفیت آنها است. اما پس از پوشینه‌سازی، همان فیتوهورمون نسبت به فیتو هورمون‌های معمولی کارایی بالاتری دارد و باعث افزایش سطح برگ و القای توسعه ریشه می‌شود. این پدیده در Phaseolus vulgaris مطالعه شده است که در آن نانوپوشینه‌سازی هورمون جیبرلیک با γPGA/CS به عنوان نانوذرات از جوانه‌زنی گیاه پشتیبانی کرد (Pereira et al. 2016).

در مطالعه‌ای دیگر، نانوکود مخلوط فسفر (P) و پتاسیم (K) آماده شدند و ویژگی آنها توسط پراش پرتو ایکس (XRD) تعیین گردید و کارآیی آن در یک آزمایش گلدانی با Ipomoea aquatic مورد بررسی قرار گرفت.

زئولیت که یک ماده معدنی آلومینوسیلیکات با تخلخل ریز است برای سنتز کودهای نانو از طریق اصلاح با سورفکتانت‌های خاص استفاده شد. همچنین مطالعه فوق نتیجه‌گیری کرد که کودهای نانو به طور موثری در رشد گیاه و همچنین تجمع P و K نقش داشتند. تأثیر بعدی کاربرد نانوکودها در خاک حاکی از بهبود pH، رطوبت، ظرفیت تبادل کاتیونی، و ظرفیت نگهداری ریزمغذی‌ها بود ( (Rajonee et al. 2017). فرض بر این است که نانوکودها می‌توانند نقش موثر ضروری در افزایش بهره‌وری زراعی ایفا کنند بدون این که مانع از طول عمر عوامل مرتبط با زراعت شوند.

نانوکامپوزیت‌ها/نانو زیست‌کامپوزیت‌ها در توسعه کشاورزی

نانوکامپوزیت یک ماده جامد چند فازی با ابعادی کمتر از 100 نانومتر و مرکب از سرامیک‌های با اندازه نانو یا سایر مواد آلی یا معدنی است. این ماده دارای ظرفیت بهبود چشمگیر خاصیت کامپوزیت ماده حاوی این نانوکامپوزیت‌ها است. برخلاف نانوکامپوزیت‌ها، نانوکامپوزیت‌های پلیمری کاملاً متصل به هم هستند که سبب خواص دلپسند اختصاصی از نظر سختی، استحکام، خزش، مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی و تحمل درجه حرارت بالا می‌گردد. به علاوه، خاصیت نانوکامپوزیت پلیمر به پارامترهای متنوعی مانند شکل، طبیعت چسبنده، و مرحله پراکندگی بستگی دارد. پلیمرها وقتی که منشأ زیستی دارند خواص زیست‌سازگاری بهتری را نشان می‌دهند مانند پروتئین‌ها/آنزیم‌هایی که فعالیت الکتروکاتالیستی عالی دارند. این فعالیت نتیجه توزیع بار در بقایای بین یا درون مولکولی پروتئین‌ است و به همراه ماتریس منتهی به شکلی همه‌کاره از نانوکامپوزیت‌های زیست‌سازگار با امکانات نامحدود می‌گردد.

اکنون این نانوکامپوزیت‌ها/نانوبیوکامپوزیت‌ها برای توسعه در فعالیت‌های کشاورزی به روشی متنوع به طور مستقیم یا غیر مستقیم مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. اگرچه هنوز مطالعه مستقیمی در مورد چگونگی تأثیر نانوکامپوزیت‌ها یا همکنش آنها با محصولات زراعی انجام نشده است، اما می‌توان فرض کرد که اثر جانبی آنها ناچیز است زیرا هر خطری در دانش گامی به جلو در مسیر روشنگری کمی به دانش درک پدیده علمی نزدیکتر است. در حال حاضر، کاربرد نانوکامپوزیت‌ها متمرکز شده است یا به عبارتی می‌توان گفت که فقط به موارد خاصی مانند بسته‌بندی مواد غذایی‌، حفاظت‌، بازسازی خاصیت پویای خاک و/یا نانوکودهای زیستی، و زیست‌سنسورها/نانوحسگرهای زیستی محدود است. در گزارشی اثبات شده است که توسعه بسته‌بندی زیست‌فعال کارآمد توسط مواد مغذی، الهام‌بخش نانوکامپوزیت‌های پکتین-منیزیم هیدروکسید (Mg (OH) 2) بوده است. در اینجا، یک فیلم خوراکی زیست‌فعال مبتنی بر پکتین به صورت داربست غذایی و نانوصفحات Mg (OH) 2 به عنوان پرکننده تقویت‌گر توسعه داده شد. تعیین ویژگی مورفولوژیکی نانوکامپوزیت با کمک بررسی میکروسکوپی نیروی اتمی و طیف‌سنجی مادون قرمز فوریه انجام شد. حفظ مواد غذایی را می‌توان به طور موثر توسط نانوکامپوزیت سنتز شده از کیتوزان، فیبر نانو سلولز و روغن‌های آویشن بهبود بخشید.

این نانوکامپوزیت روی میزان رطوبت میوه‌های حفظ شده تأثیر گذاشت و به دنبال آن، کاهش وزن و میزان قند کل رخ داد، در حالی که اسیدیته بدون تغییر بود. به طور کلی، می‌توان گفت که پوشش‌دهی با نانوکامپوزیت منجر به افزایش ماندگاری و کاهش رشد قارچ‌ها می‌شود. خاک حیاتی‌ترین مؤلفه کشاورزی پایدار است و بنابراین حفظ ماهیت پویای آن به خودی خود یک وظیفه بزرگ است. هر چند که امروزه از کودها برای حفظ ثبات آن استفاده می‌شود، اثرات منفی آنها اجتناب‌ناپذیر است. بنابراین، نانوکودها روش‌های کاربردی فعلی برای کاهش اثرات منفی کودها هستند. یکی از این مطالعات با استفاده از نانوکامپوزیت برای بهبود جذب فسفات و اوره از خاک صورت گرفت. نانوکامپوزیت از اوره یا آمیخته‌های نشاسته/اوره ترموپلاستیک اکسترود شده و اوره به عنوان ماتریس با هیدروکسی آپاتیت تهیه شد. بسیاری از کاربردهای دیگر مانند نانورس، بیوکار-نانوذرات به شکل نانوکامپوزیت وجود دارند و بسیاری دیگر از نانوکامپوزیت‌های پلیمربنیان وجود دارند که هم‌اکنون برای توسعه کشاورزی اما فقط در سطح آزمایشی در حال استفاده هستند. تلاش فعلی باید این باشد که این فنآوری‌های باشکوه همه‌کاره در سطح مزرعه برای هر زارعی به کار گرفته شوند تا بهره‌وری هرگز متوقف نشود.

کاربرد فناوری نانو در هیدروپونیک

هیدروپونیک یک فناوری اولیه است که در آن گیاهان به طور مصنوعی در محلول مایع حاوی تمام مواد مغذی مورد نیاز پرورش داده می‌شدند. این فناوری شگفت‌انگیز با نام سیستم هیدروپونیک در دهه گذشته برای مطالعه و درک پاسخ گیاه به استرس زنده و غیر زنده مورد استفاده گسترده قرار داشته است. امروزه میوه‌ها و سبزیجات به نمایش درآمده در سوپر مارکت‌ها با کمک هیدروپونیک پرورش می‌یابند که بیشترین محصولات آن عبارتند از گوجه فرنگی، خیار، فلفل شیرین، خربزه، کاهو، توت فرنگی، گیاهان دارویی، بادمجان، و دارفلفل. این روش در واقع توانست به سینتیک رشد در گیاه از لحاظ زمان مورد نیاز برای رشد عادی گیاه سرعت ببخشد. این پدیده در سیستم پرورش الکتروهیدروپونیک با موفقیت مورد مطالعه قرار گرفت که در آن میدان الکتریکی با شدت جریان مستقیم متغیر در رژیم گالوانواستاتیک (50-12.5 میلی‌آمپر) به همراه محلول مغذی مورد نیاز برای روش برداشت مؤثر، جایگزین و جالب برای رشد Lactuca sativa بکار برده شد. این تکنیک را با کمک فناوری نانو با کاربرد نانوآفت‌کش‌ها که بعضا ضروری است، نانوفیلترها و مواد نگهدارنده نانو برای حفظ رطوبت کافی بذور می‌توان بیشتر گسترش داد. در زمان حاضر، حباب‌های نانو نقش مهمی در روند جوانه زنی بذر دارند که باز هم یک گام اساسی برای رشد گیاهان است. این حباب‌های نانو در نهایت به آبرسانی به نهال کمک می‌کنند و سوخت و ساز آن و در نهایت پیشرفت رشد آنها را بهبود می‌دهند. این موضوع زمینه وسیع‌تری را برای رشد گیاهان هیدروپونیک فراهم می‌کند و از این رو، زیست‌بوم زراعی را بهبود می‌بخشد. کل این روند با افزایش غلظت OH− در آب انجام می‌گیرد که پوسته‌ها را می‌سازد، و در نتیجه هیچ فضایی برای انحلال بیشتر گاز وجود ندارد. این نانوحباب‌ها باز هم غلظت اکسیژن را در راکتور حباب نانوهوا افزایش می‌دهند. در یک مطالعه که به مدت زمان 4 هفته بر روی رشد هیدروپونیک Brassica campestris انجام شد نشان داد که نانوحباب تأثیر زیادی بر جانداران با پرورش توأم مانند ماهیان دارد. راکتور حباب نانو-هوا که به طور مداوم نانوحباب‌های هوا را آزاد می‌کند، رشد ماهی‌های شیرین و قزل‌آلای رنگین‌کمان را بهبود می‌بخشد. حباب‌های هوای نانو به مدت 3 هفته در مورد ماهی‌های شیرین و 4 هفته در مورد قزل‌آلای رنگین‌کمان رشد بهتری نشان می‌دهند. تأثیر نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2 NPs) بر رشد و بقای باکتری تثبیت‌کننده نیتروژن Rhizobium trifolii در گره ریشه همزیست گیاه Trifolium pretense به همراه رشد گیاه در سیستم هیدروپونیک از طریق آزمایشات سم‌شناسی محیطی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که در حدود 21٪ از گیاهان تحت تیمار با TiO2 NPs فاقد گره‌زایی بودند و غلظت زیاد نانوذرات منجر به اختلال رشد در R. trifolii و همچنین T. pretense شد. فناوری نانو از این طریق می‌تواند نیازهای انرژی، زمان و هزینه کلی و بهره‌برداری از خاک را کاهش دهد و مسیری را برای کشاورزی پایدار هموار کند.

کاربرد نانوتکنولوژی در کشاورزی آلی

کشاورزی زیستی یا زیست‌محیطی در ترکیب با روش‌های کشت و زرع عملی کلاسیک با فناوری پیشرفته کشاورزی پایدار که معمولاً به عنوان کشاورزی ارگانیک شناخته می‌شود، یکی از منابع ترجیحی مواد مغذی است. تمرکز آن عمدتا بر محصولات زراعی در حال تناوب، مدیریت طبیعی آفات، تنوع در محصولات زراعی، تنوع در دام، و حفظ و نگهداری کیفیت خاک به موازات افزودن کمپوست و کودهای سبز است. کشاورزی ارگانیک سلامتی زیست‌بوم‌های زراعی را با روش‌ها و ابزارهای متنوع تقویت می‌کند. امروزه، ادغام فناوری نانو با آن نه تنها باعث بهبود کیفیت محصولات زراعی بلکه تقویت دام می‌شود. چندین شرکت پیش‌بینی می‌کنند که کاربرد فناوری نانو باعث پیشبرد اقتصاد صنایع غذایی می‌شود و از این رو، به نام "فناوری نانوی زراعی-غذایی" خوانده می‌شود. در مرحله اول، فناوری نانو در مورد مواد غذایی و حوراک دام به صورت مواد رنگی، ویتامین‌ها یا طعم دهنده‌های درون نانوکپسول‌ها استفاده می‌شود. ثانیا، کاربردهای فناوری نانو در کودها کاربرد آنها را در محصولات زراعی کاهش می‌دهد. در حال حاضر، نانوذرات در خوراک دام به عنوان مواد رنگی، طعم دهنده‌ها و ویتامین‌ها به شکل نانوکپسول استفاده می‌شوند که به دلیل اندازه نانو می‌توانند به راحتی و به طور موثر در نوشیدنی‌ها حل شوند. علاوه بر این، نانوفرمولاسیون‌های کودهای با منشأ زیستی کارایی بیشتری در مقایسه با کودهای معمولی دربر دارند. در نهایت، بیوپلیمرها همراه با نانوذرات یکپارچه، کامپوست‌پذیر هستند و از نظر جنبشی پایداری بیشتری از دیگر بیوپلیمرها دارند. از آنجا که فدراسیون بین‌المللی جنبش کشاورزی ارگانیک (IFOAM) استفاده از فناوری نانو و نانومواد را در کشاورزی ارگانیک رد کرده بود، بنابراین تحقیقات در مورد استفاده از نانوذرات در کشاورزی ارگانیک تا اندازه‌ای محدود هستند.

کاربرد فناوری نانو در مدیریت پس از برداشت کالاهای کشاورزی

میوه‌ها و سبزیجات تازه (FFV) منبع ضروری ویتامین‌های حیاتی از جمله ویتامین A و C به همراه مواد معدنی مانند پتاسیم و یون‌های دیگر برای خوش‌روانی هستند. مشکل این است که اینها محصولات زنده فسادپذیر هستند که به توجه هماهنگ بیشتر توسط تولیدکنندگان پس از برداشت نیاز دارند. اما عدم آگاهی از توجه مناسب به شرایط ضروری به طور غیر منتظره منجر به از بین رفتن محصول FFV می‌شود. مدیریت پس از برداشت به کاهش از بین رفتن غیر منتظره و سنجش‌پذیر کیفیت و کمیت محصولات غذایی برداشت شده در انبار، بسته‌بندی، حمل و نقل، فرآوری و آماده‌سازی مناسب قبل از مصرف اشاره دارد. کمبود مهارت و فناوری مناسب مدیریت پس از برداشت مانند حفظ دمای مطلوب برای مدت‌زمان طولانی‌تر بدون از بین رفتن ارزش‌های مهم غذایی و روش‌های مناسب بسته‌بندی جهت پیشگیری از چندین کمبود غیرمنتظره که می‌توانند امنیت غذایی را مختل کنند، تا به حال تهدید نگران‌کننده‌ای را از سطح بالای فقر در میان کشورهای در حال توسعه ایجاد کرده است. سیستم مدیریت کلاسیک در حفظ تمام شرایط کافی به طور همزمان ناکارآمد است که دلیل آن هزینه بالای انرژی نیروی کار و تجهیزات و مقیاس‌گذاری محصولات، کمبود مواد خوراکی با خواص مورد نیاز، سرمایه‌گذاری متمرکز، نظارت قضایی یا قوانین هماهنگ و مستقل، پذیرش بطئی مصرف‌کننده به خاطر توجه به رابطه با رادیواکتیویته، مشکل در رسیدن به نقاط غیر قابل دستیابی برای تیمار کاسه گل محصولات تازه با موم و غلظت بالای مواد شیمیایی استفاده شده است و ممکن است خطرات سلامتی را ایجاد کنند.

در وضعیت حاضر، برخی از این اشکالات را می‌توان با کاربرد فناوری نانو کاهش داد. در حال حاضر، تعدیل رشد و نمو میکروارگانیسم‌ها با استفاده از نانومواد مانند اکسید گرافن به شکل نانوورق، تولید پوشش‌های بسته‌بندی یا فیلم‌های کارآمد ساخته شده از نانواشیاء مانند نانومیله‌ها، نانولوله‌ها و نانوسیم‌هایی که می‌توان آنها را نانوالیاف نیز نامید به آرامی در حال تجاری شدن هستند چرا که می‌توانند ورود گازها و پرتوهای مضر را مهار کنند. قدرت، کیفیت و زیبایی مورفولوژیکی مواد بسته‌بندی نیز با کاربرد فناوری نانو پیشرفت بیشتری کرده است. افزون بر این، نانوحسگرهای زیستی برای برچسب‌زنی محصولات به کار می‌روند و به عنوان اولین قدم در ذخیره‌سازی مهار شده خودکار محسوب می‌شوند. به این ترتیب، فناوری نانو در فرآیندهای تغییر مهارت‌هایی که قبلاً محدودکننده تحولات در زمینه مدیریت موثر پس از برداشت بودند، کاربرد دارد.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز آینده

برخی از روش‌های آینده که ممکن است یک پوشش نقره‌ای برای توسعه کشاورزی باشند شامل موارد زیر هستند:

خاک یکی از اجزای ضروری غیر زنده و در عین حال پویای کشاورزی است که به آرامی خصوصیات پویای خود را از دست می‌دهد، اما می‌توان آن را با کاربرد فناوری نانو به طور مؤثری بازسازی کرد. اکنون نانوحسگرهای زیستی یک روش ساده اما مؤثر برای تشخیص کمبود خاک از روی رنگ، نور و گرما هستند. بعد از تشخیص، کار بعدی خنثی‌سازی مشکل است که با کمک فناوری نانو نیز امکان‌پذیر است. بر اساس نوع خاص کمبود خاک، نانوحامل‌هایی را می‌توان ایجاد کرد که بتوانند مکمل مورد نیاز خاک را به طور مؤثر تحویل دهند. پس از غنی‌سازی خاک، گیاهان جزء حیاتی هستند که توجه به آنها معطوف می‌شود. مشکلات مربوط به آن شامل حشرات و انگل‌ها هستند که با کاربرد نانوآفت‌کش‌ها، حشره‌کش‌های نانو، نانو قارچ‌کش‌ها و غیره می‌توان با آنها به طور مؤثری مقابله کرد. علاوه بر این، گیاهان زراعی با مهندسی ژنتیک را می‌توان از طریق زیست‌شناسی مولکولی ایجادکرد که در ترکیب با نانوذرات می‌تواند منجر به ایجاد گیاهان مقاوم به بیماری و گیاهانی با ویتامین‌های ضروری‌، پروتئین‌ها ، هورمون‌ها و غیره شود. در نهایت، وضعیت اثرگذار مدیریت محصولات کشاورزی تا رسیدن به بهره‌بردار نهایی یک کار بسیار مهم است. از این رو، برای مدیریت این محصولات که برای آنها شیوه‌ی مناسب نگهداری، بسته‌بندی، حمل و نقل و تحویل مورد نیاز است، باید اقدامات امیدوارکننده‌ای انجام شود. فناوری نانو را می‌توان باز هم برای بهبود مدیریت پس از برداشت محصولات کشاورزی استفاده کرد. جدا از این کاربردها، فناوری نانو به همه جنبه‌های توسعه کشاورزی پایدار در زمان حال و آینده دست یافته است. زمانی که فناوری نانو به عنوان محور اصلی در براندازی فقر از طریق کاربردهای آن در توسعه پایدار کشاورزی در قرن حاضر قلمداد شود، چندان دور نیست.

منبع

Kerry, R. G, Gouda, S, Das, G, Vishnuprasad, C. N, & Patra, J. K, “Agricultural nanotechnologies: Current applications and future prospects”, In Microbial Biotechnology, (2017) , 3-28.