نانو و کشاورزی

نانو و علوم کشاورزی

طبق آخرین گزارش سازمان ملل متحد، حدود 800 میلیون نفر از جمعیت جهان دچار فقر غذایی هستند، شمار افراد قرار گرفته در زیر خط فقر (از نظر تأمین انرژی مورد نیاز روزانه بدن) روز به روز در حال افزایش است. جدیدترین پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که این آمار تا سال 2020 میلادی به رقمی بالغ بر یک میلیارد نفر خواهد رسید و این بدان معناست که حفظ نوع بشر در بلند مدت و نجات خیل عظیم انسان‌ها از خطر گرسنگی، نیازمند توجه ویژه متخصصان و سیاست‌مداران امروز جهان به توسعه پایدار و همه جانبه صنعت کشاورزی است. در این مقاله، به بررسی کاربردهای فناوری نانو در علوم کشاورزی و صنایع غذایی پرداخته می‌شود تا به گوشه‌ای از کاربری فناوری نانو در شاخه‌های زراعت، اصلاح نباتات، گیاه‌پزشکی و آبیاری اشاره شود و در ادامه، ضمن بررسی کاربرد فناوری نانو در حوزه‌های علوم دامی، صنایع غذایی و ماشین‌آلات کشاورزی، نگاهی اجمالی به وضعیت این علوم در کشورمان خواهیم داشت.

1- مواد و ابزارهای نانومقیاس در خدمت علوم کشاورزی

فناوری نانو هیچ زمینه علمی را به حال خود رها نکرده است. علوم کشاورزی نیز از این قاعده جدا نیستند. تا به حال کاربردهای متعددی از فناوری نانو در کشاورزی، صنایع غذایی و علوم دامی مطرح شده است.

رابطه میان فناوری نانو و علوم کشاورزی در زمینه‌های زیر قابل بررسی است.

1- نیاز به امنیت در کشاورزی و سیستم‌های تغذیه‌ای

2- ایجاد سیستم‌های هوشمند برای پیشگیری و درمان بیماری‌های گیاهی

3- خلق وسایل جدید برای پیشرفت در تحقیقات بیولوژی و سلولی

4- بازیافت ضایعات حاصل از محصولات کشاورزی

از بین تدابیر موجود در مدیریت آفات کشاورزی استفاده از آفت‌کش‌ها و سموم، سریع‌ترین و ارزان‌ترین روش برای واکنش به یک وضیت اضطراری است.

روش‌های کنترل زیستی در حال حاضر بسیار هزینه‌بر هستند. در این روش‌ها کنترل آفت از طریق یکی از دشمنان طبیعی آن آفت صورت می‌گیرد. امروزه مصرف بی‌رویه آفت‌کش‌ها مشکلات زیادی را ایجاد کرده‌اند. این مشکلات شامل اثرات سوء بر سلامت انسان (ایجاد مسمومیت‌های حاد یا بیماری‌های مزمن)، تأثیر بر حشرات گرده‌افشان و حیوانات اهلی مزارع و همچنین ورود این مواد به آب و خاک و تأثیر مستقیم و غیرمستقیم در این نظام‌های زیستی است.

مصرف بی‌رویه آفت‌کش‌ها، محصولات کشاورزی را نیز به منبع ذخیره سم تبدیل می‌کند.

مهم‌ترین سوال در زمینه استفاده از آفت‌کش‌ها این است که چقدر از این سموم استفاده کنیم؟

استفاده از داروهای (سموم) هوشمند در ابعاد نانو می‌تواند راه حل مناسبی باشد. این داروها که قابلیت حرکت در گیاه را دارند، در بسته‌هایی که حاوی نشانی خاصی هستند قرار می‌گیرند. برچسب نشانی، یک کد مولکولی است که روی بسته نصب شده و به بسته اجازه می‌دهد که به بخشی از گیاه که مورد حمله عامل بیماری یا آفت قرار گرفته، تحویل داده شود. این ناقلین در ابعاد نانو دارای خودتنظیمی نیز هستند، به این معنی که دارو فقط به میزان لازم به بافت گیاهی تحویل داده می‌شود.

دقت در ردیابی بافت هدف و میزان اندک اما مؤثر دارو باعث می‌شود استفاده از سموم در کشاورزی به حداقل برسد. همه ما می‌دانیم که پیشگیری بر درمان مقدم است. بیماری‌های گیاهی نیز از روی علائمی مانند تغییر رنگ یا تغییرشکل اندام‌ها شناسایی می‌شوند، ولی مسئله اینجاست که این علائم مدت‌ها پس از ورود عامل بیماری به بافت گیاه بروز پیدا می‌کنند، به همین خاطر با سریع‌ترین اقدام‌ها برای جلوگیری از شیوع بیماری باز هم مقداری از محصول از بین می‌رود. در نتیجه نیاز به ابزاری که به کمک آن بتوان در همان مراحل ابتدایی ورود عامل بیماری، آن را کنترل و مهار کرد، بسیار ضروری به نظر می‌رسد.

نانوحسگرهای زیستی ابزارهایی هستند که که از تلفیق ابزارهای شیمیایی، فیزیکی و زیستی به‌دست آمده‌اند. این حسگرها شامل ترکیبات زیستی مانند یک سلول، آنزیم یا آنتی‌بادی متصل به یک مبدل انرژی هستند و قادرند که تغییرات ایجاد شده در مولکول‌های اطراف خود را گزارش دهند. این گزارش‌ها توسط سیگنال‌هایی که مبدل انرژی به تناسب با مقدار آلودگی تولید می‌کند، دریافت می‌شوند. بنابراین اگر تجمع زیادی از عامل بیماری در اطراف این حسگرها وجود داشته باشد، سیگنال‌های قوی فرستاده می‌شوند. ارزیابی حضور آلاینده‌ها در محیط توسط حسگرها در چند دقیقه میسر است اما با استفاده از روش‌های رایج حداقل 48 ساعت زمان برای تشخیص نیاز است.

استفاده از نانوحسگرهای زیستی در بسته‌های غذایی نیز است که در صورت شروع فساد مواد غذایی می‌توانند هشداردهنده باشند.

از دیگر کاربردهای فناوری نانو در صنایع غذایی ایجاد پلاستیک‌های جدید در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی است. در تولید این پلاستیک‌ها از فناوری نانوذرات استفاده شده است. اکسیژن مسئله‌سازترین عامل در بسته‌بندی مواد غذایی است، زیرا این عنصر باعث فساد چربی مواد غذایی و همچنین تغییر رنگ آن‌ها می‌شود. در این پلاستیک جدید نانوذرات به صورت زیگزاگ قرار گرفته اند و مانند سدی مانع از نفوذ اکسیژن می‌شوند. به بیان دیگر، مسیری که گاز باید برای ورود به بسته طی کند طولانی می‌شود. به همین خاطر مواد غذایی در این بسته‌ها تازگی خود را بیشتر حفظ می‌کنند.

فناوری نانو با استفاده از فرایندهای طبیعی زیستی، شیمیایی و فیزیکی در بازیافت مواد باقیمانده از محصولات کشاورزی و تبدیل آن‌ها به انرژی و یا مواد شیمیایی صنعتی نیز نقش دارد. به طور مثال، از زمان برداشت پنبه تا تولید پارچه بیش از 25% الیاف به ضایعات تبدیل می‌شوند. در دانشگاه کرنل در آمریکا روشی تحت عنوان «ریسندگی الکتریکی» ابداع شده که با استفاده از این روش از ضایعات پنبه محصولاتی مانند کلاف‌های پنبه و نخ، البته با کیفیت پایین‌تر تولید می‌کنند. دانشمندان علوم پلیمر از این روش برای تولید نانوفیبرها از سلولز که 90% الیاف پنبه را تشکیل می‌دهد، استفاده کرده‌اند و الیافی کمتر از 100 نانومتر تولید کرده‌اند که 1000 بار کوچک‌تر از الیاف فعلی است.

یکی از کاربردهایی که برای این الیاف ریز سلولزی بیان شده، جذب آفت‌کش‌ها و کودهای شیمیایی از محیط برای جلوگیری از ورود آن‌ها به اکوسیستم و رها کردن مجدد این مواد در محیط در مواقع مورد نیاز است.

از دیگر محصولات فناوری نانو، نانوکاتالیزورها هستند که قابلیت تبدیل روغن‌های گیاهی به سوخت را جهت ایجاد منابع جدید انرژی دارند.

پیشرفت در زمینه علوم گیاهی، کشاورزی و صنایع غذایی رابطه مستقیمی با پیشرفت در تحقیقات زیست‌شناسی سلولی و مولکولی دارد. تولید ابزارهای جدید تحول شگرفی در تحقیقات سلولی و مولکولی ایجاد کرده است. امروزه میکروسکوپ‌هایی که قابلیت ایجاد مشاهده در مقیاس نانو را دارند، در توسعه علوم زیستی نقش مهمی را ایفا می‌کنند.

2- گیاهان و فناوری نانو

1-2- کاربردهای فناوری نانو در علوم کشاورزی

جدیدترین پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که این آمار تا سال 2020 میلادی به رقمی بالغ بر یک میلیارد نفر خواهد رسید و این بدان معناست که حفظ نوع بشر در بلندمدت و نجات خیل عظیم انسان‌ها از خطر گرسنگی، نیازمند توجه ویژه متخصصان و سیاست‌مداران امروز جهان به توسعه پایدار و همه جانبه صنعت کشاورزی است.

همان‌طور که می‌دانید ورود نسل اول فناوری‌ها به عرصه کشاورزی، در چند دهه گذشته منجر به وقوع انقلاب سبز و گذر از کشاورزی سنتی به کشاورزی صنعتی شد، در این دوره افزایش چشمگیری در کیفیت و کمیت محصولات کشاورزی صورت گرفت که البته در کنار آن استفاده بی‌رویه از منابع مشکلاتی را نیز در پی داشت.

اکنون با گذشت سال‌ها از وقوع انقلاب سبز و کاهش مجدد نسبت رشد تولیدات کشاورزی به جمعیت جهان، لزوم به کارگیری فناوری‌های جدید در صنعت کشاورزی پیش از هر زمان دیگری آشکار است.

در این بین، فناوری نانو به عنوان یک فناوری بین رشته‌ای و پیشتاز در رفع مشکلات و کمبودها در بسیاری از عرصه‌های علمی و صنعتی، به خوبی جایگاه خود را در علوم کشاورزی و صنایع وابسته آن به اثبات رسانیده است. فناوری نانو کاربردهای وسیعی در همه مراحل تولید، فراوری، نگهداری، بسته‌بندی و انتقال تولیدات کشاورزی دارد.

ورود فناوری نانو به صنعت کشاورزی و صنایع غذایی متضمن افزایش میزان تولیدات و کیفیت آن‌ها، در کنار حفظ محیط زیست و منابع کره زمین است.

در ادامه نگاهی دقیق‌تر به کاربردهای گسترده فناوری نانو در هریک از زیرشاخه‌های صنعت کشاورزی داریم.

1-1-2- کاربردهای نانو در زراعت

– کشاورزی دقیق (خاص مکانی)

به‌طور کلی کشاورزی‌ دقیق یک نوع نگرش جدید در مدیریت مزرعه است. امروزه با استفاده از نانوحسگرها مشخص می‌شود که هر قسمت کوچک از مزرعه به چه میزان عناصر غذایی و سم نیاز دارد و بدین وسیله از آلودگی‌ محیط زیست جلوگیری‌ کرده، سلامت محصولات و افزایش بازده اقتصادی‌ را ممکن می‌سازد.

نانوحسگرها می‌توانند با کنترل دقیق و گزارش‌دهی به موقع نیازهای گیاهان به مرکز پردازش اطلاعات، سیستم را در نگهداری محصولات یاری کنند.

– ایجاد گلخانه‌های کم‌هزینه‌تر با هدف صرفه‌جویی در مصرف انرژی و دوام بیشتر در برابر رطوبت

ساختارهای نانویی می‌توانند گلخانه‌هایی در حجم کم اما انبوه پدید آورند که تقریباً با اندازه‌ای برابر 10 درصد کل مزارع زیر کشت در حال حاضر، می‌توانند جمعیت کنونی جهان را تغذیه کنند. در این صورت میلیون‌ها هکتار از زمین‌های کشاورزی به محیط‌های طبیعی برای سکونت حیوانات در سراسر جهان باز گردانده می‌شوند.

2-1-2- کاربردهای نانو در اصلاح نباتات

– انتقال ژن‌های مورد نظر به سلول‌های گیاهی با استفاده از نانومواد

در این روش از سامانه رسانش نانوذرات طلای پوشیده با DNA یا RNA به داخل سلول استفاده می‌شود.

– ساخت ابزارهای جدید برای بیولوژی سلولی و مولکولی

این ابزارها جهت تعیین مولکول‌های خاص، شناسایی و جداسازی آن‌ها استفاده می‌شوند و کاربری بسیاری دارند که از این بین می‌توان به مواردی مانند فناوری و علم تولیدمثل، اصلاح نژاد حیوانات و گیاهان، تبدیل ضایعات به انرژی و محصولات جانبی مفید و علم و فناوری کودسازی اشاره کرد.

3-1-2- کاربردهای نانو در تولید سموم و کودهای مؤثر و کم خطر

ذرات سموم کشاورزی به وسیله عواملی از قبیل باد، وارد هوا شده و با ورود به سیستم تنفسی انسان، آن را در معرض انواع بیماری‌های استنشاقی قرار می‌دهد، تحولات فناوری نانو، با افزایش میزان سوددهی و کاهش عوارض سموم کشاورزی، معضلات ناشی از این سموم را رفع می‌کند و آن‌ها را به محصولاتی کاملاً مفید تبدیل می‌کند.

– تولید سموم و کودهای شیمیایی با استفاده از نانوذرات و نانوکپسول‌ها

این نسل از سموم و کودها، با قابلیت رهایش کنترل شده یا تأخیری، جذب و تأثیرگذاری بیشتر و سازگاری با محیط زیست را دارند.

– تولید کریستال‌های نانویی جهت افزایش کارایی استفاده از آفت‌کش‌ها

استفاده از کریستال‌های نانویی امکان کاربرد آفت‌کش‌ها با دُزهای کمتر را فراهم می‌آورد و این یعنی به حداقل رساندن ورود این ترکیبات خطرناک به طبیعت.

– تولید نانوکودها

این ترکیبات نانویی به سرعت و به صورت کامل جذب گیاه شده و به خوبی نیازها و کمبودهای غذایی آن را مرتفع می‌سازد.

4-1-2- کاربردهای نانو در گیاه پزشکی

شیوه‌های کنونی برای بررسی سلول‌ها، بسیار ابتدایی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در سلول اتفاق می‌افتد ناگریزند سلول‌ها را از هم بشکافند و در این حال، بسیاری از اطلاعات مهم مربوط به سیال‌های درون سلول یا ارگان‌های موجود در آن از بین می‌رود. پیشرفت‌های فناوری نانو به‌طور خاص مطالعات بنیادی زیست‌شناسی را تقویت خواهد کرد.

محققان امیدوارند در آینده‌ای نه چندان دور، با استفاده از فناوری نانو موفق شوند فعالیت اجزای هر سلول را تحت کنترل خود درآورند.

هم‌اکنون گام‌های بلندی در این زمینه برداشته شده، به عنوان نمونه دانشمندان می‌توانند فعالیت پروتئین‌ها و مولکول DNA را در درون سلول کنترل کنند.

به کمک فناوری نانو، روش جدیدی برای بررسی بیان ژن و آنالیز mRNA سلول‌های زنده بدون مرگ یا تخریب آن‌ها با استفاده از میکروسکوب نیروی اتمی AFM ارائه شده است.

حسگرهای هوشمند و سیستم‌های حمل هوشمند به منظور ردیابی و مبارزه سریع و مفید با ویروس‌ها و سایر عوامل بیماری‌زای گیاهی به کار می‌روند.

همچنین فناوری نانو در تیمار مولکولی بیماری‌ها، ردیابی سریع بیماری‌ها و افزایش توانمندی گیاهان برای جذب مواد مورد نیاز کاربرد دارد.