تطبيقات النانوتكنولوجي في الزراعة

إعداد: أ.د.عطية الجيار

أستاذ بمعهد بحوث الأراضي والمياه والبيئة بمركز البحوث الزراعية

تقنية النانو هى علم معالجة المواد على نطاق النانو. فهو يعمل بأصغر الجزيئات الممكنة مما يبعث الآمال في تحسين الإنتاجية الزراعية من خلال مواجهة المشاكل التي لم يتم حلها تقليديا. وفي الجوانب الإدارية يتم بذل الجهود لزيادة كفاءة الأسمدة المطبقة بمساعدة الطين النانوي والزيوليت واستعادة خصوبة التربة عن طريق إطلاق العناصر الغذائية الثابتة.

تابعونا على قناة الفلاح اليوم

تابعونا على صفحة الفلاح اليوم على فيس بوك

في البيئة الخاضعة للرقابة، يتم تشخيص متطلبات مدخلات الزراعة والزراعة الدقيقة للمحاصيل بناءً على الاحتياجات ويتم تسليم الكميات المطلوبة في الوقت المناسب وفي المكان المناسب بمساعدة مستشعر النانو الحيوي ونظام الأقمار الصناعية. ويجري تطوير مبيدات الأعشاب النانوية لمعالجة المشاكل في إدارة الحشائش المعمرة واستنفاد بنك بذور الحشائش. يمكن لتركيبة النانو المنظمة من خلال آليات مثل التسليم المستهدف أو آليات الإطلاق البطيئة/المنضبطة والإفراج المشروط، أن تطلق مكوناتها النشطة استجابةً للمحفزات البيئية والمتطلبات البيولوجية بشكل أكثر دقة.

تشير الدراسات إلى أن استخدام الأسمدة النانوية يؤدي إلى زيادة كفاءة استخدام العناصر الغذائية، ويقلل من سمية التربة، ويقلل من الآثار السلبية المحتملة المرتبطة بالجرعة الزائدة ويقلل من تكرار التطبيق. ومن ثم، فإن تكنولوجيا النانو لديها إمكانات كبيرة لتحقيق الزراعة المستدامة، وخاصة في البلدان النامية.

مقدمة

تعتبر الزراعة العمود الفقري لمعظم البلدان النامية حيث يأتي جزء كبير من دخلها من قطاع الزراعة ويعتمد عليه أكثر من نصف السكان في معيشتهم. ويبلغ عدد سكان العالم الحالي ما يقرب من 6 مليارات نسمة، يعيش 50٪ منهم في آسيا. وتواجه نسبة كبيرة من الذين يعيشون في البلدان النامية نقصا يوميا في الغذاء نتيجة للتأثيرات البيئية أو عدم الاستقرار السياسي، بينما يوجد في العالم المتقدم فائض غذائي. بالنسبة للبلدان النامية، يتمثل الدافع في تطوير محاصيل مقاومة للجفاف والآفات والتي تعمل أيضا على زيادة الإنتاجية.

في البلدان المتقدمة، تعتمد صناعة الأغذية على طلب المستهلكين الذي يتجه حاليا إلى المواد الغذائية الطازجة والصحية. تساعد تقنية النانو العلوم الزراعية والحد من التلوث البيئي عن طريق إنتاج المبيدات والأسمدة الكيماوية باستخدام جزيئات النانو والكبسولات النانوية مع القدرة على التحكم أو تأخير التسليم والامتصاص وأكثر فعالية وصديقة للبيئة وإنتاج بلورات النانو لزيادة كفاءة المبيدات لتطبيق المبيدات الحشرية بجرعات أقل.

النانو تعني واحد من المليار، وبالتالي فإن تكنولوجيا النانو تتعامل مع المواد التي تقاس بجزء من المليار من المتر. يبلغ طول النانومتر 1/80000 قطر شعرة الإنسان أو ما يقرب من عشر ذرات هيدروجين. تكنولوجيا النانو هي علم الأشياء الصغيرة جدا. لكن تكنولوجيا النانو لا تقتصر على الأشياء الصغيرة.

تكنولوجيا النانو هي علم متعدد التخصصات. ويشمل المعرفة من علم الأحياء والكيمياء والفيزياء وغيرها من التخصصات. ان تقنية النانو بأنها المعالجة أو التجميع الذاتي للذرات الفردية أو الجزيئات أو التجمعات الجزيئية في هياكل لإنشاء أجهزة مواد ذات خصائص جديدة أو مختلفة إلى حد كبير.

لقد كانت الزراعة دائما العمود الفقري لمعظم البلدان النامية ومع الاهتمام بتوفير الغذاء للسكان، لابد من وجود تكنولوجيا جديدة تعطي المزيد من العائد في فترة قصيرة. وبهذه الطريقة، تكون الطبيعة معقدة، وسيكون لها اختلالات تؤثر بشكل مباشر على النباتات والمحاصيل، وبشكل غير مباشر على الحيوانات والإنسان.

وفقا لهذا، فإن العوامل الأخرى التي تؤثر على الزراعة هي النقص في محتوى المغذيات الكبرى والجزئية، والانفجار السكاني، والتصنيع، واستنزاف مصدر المياه، والاختلاف في حالة التربة، وتآكل التربة السطحية.

في الزراعة، السبب الرئيسي لاستخدام الأسمدة هو توفير العناصر الغذائية الكلية والجزئية الكاملة التي تفتقر إليها التربة عادة، ويعتمد 35-40% من إنتاجية المحصول على الأسمدة، ولكن بعض الأسمدة يؤثر على نمو النبات بشكل مباشر. للتغلب على كل هذه العيوب بطريقة أكثر ذكاءً، أي يمكن أن تكون تقنية النانو أحد المصادر. وبما أن الأسمدة هي الاهتمام الرئيسي، فقد تم تطوير تقنية النانو وستكون الأسمدة تقنية جديدة في هذا المجال.

يتم رش الأسمدة بعدة طرق إما على التربة أو من خلال الأوراق، وحتى إلى البيئات المائية. يتم توفير هذه الأسمدة غير العضوية من أجل توفير ثلاثة مكونات رئيسية، النيتروجين والفوسفور والبوتاسيوم بنسب متساوية. تعمل الأسمدة النانوية على زيادة كفاءة استخدام المغذيات (NUE) بمقدار 3 مرات كما أنها توفر القدرة على تحمل الإجهاد. وبغض النظر عن نوع تكنولوجيا محصول النانو التي يمكن استخدامها، فإن تكنولوجيا النانو تزيد من استخدام المصادر الحيوية وصديقة للبيئة بطبيعتها، وتبني امتصاص الكربون وتحسن تجميع التربة.

بما أن هذه الأسمدة النانوية تحتوي على مواد مغذية ومحفزات نمو مغلفة في بوليمرات ذات حجم نانوي، فسيكون لها أيضًا إطلاق فعال بطيء ومستهدف. تقوم تقنية النانو بجمع معلومات الذرة في نطاق مقياس النانو، مع الأخذ في الاعتبار الخصائص الفيزيائية والتحفيزية والمغناطيسية والبصرية.

مع ذلك، فإن تركيز الاستخدام يعرض بشكل مزمن ميكروبات التربة والحيوانات الدقيقة، وكذلك النباتات نفسها، إلى مستوى من التفاعل الكيميائي الذي قد يكون ساما. عند مقارنتها بمتطلبات الأسمدة الكيماوية وتكلفتها، فإن الأسمدة النانوية أرخص اقتصاديًا ومطلوبة بكمية أقل. لسنوات عديدة وجد المزارعون أن امتصاص النيتروجين هو السبب الرئيسي لعدم إنتاجية جيدة. في الأيام الماضية، شهد تطوير أجهزة الاستشعار ازدهارا.

عندما يتعلق الأمر باختبار مادة تحليلية معينة من التربة مما يسبب اضطرابا في المجال، هناك فحوصات تعطي نتيجة دقيقة ولكن لها عيبًا في استهلاك الوقت وأيضًا تكلفة الأداء العالية. أجهزة الاستشعار هي تلك التي تعطي نتائج أفضل مع البث المباشر صور وأحوال الميدان. تقوم المستشعرات بمراقبة التغيرات أو التأثيرات الناجمة عن المبيدات الحشرية والأسمدة ومبيدات الأعشاب المختلفة، وكذلك الظروف الفيزيائية للتربة مثل الرقم الهيدروجيني ومستوى الرطوبة وظروف نمو المحاصيل والسيقان والفواكه أو حتى الجذور، ودراسات السمية، ويمكنها مراقبة السمية باستمرار السمية المنتجة في هذا المجال.

نظرا لأنه جهاز استشعار صديق للإنسان، فإنه يبدأ في الكشف عن المزارع وإنذاره للإشارة إلى أي إجراءات صحيحة يجب اتخاذها قبل ذلك بدلاً من التصرف وفقا لعواقب لاحقة. عندما يتعلق الأمر بالتكنولوجيا اللاسلكية، يتم إجراء تثبيت معين للعقد مما يسمح للشخص بمراقبة الأحداث في الميدان ويمكن التحكم في جميع العقد في نفس الوقت من خلال الحوسبة السحابية أو حتى من خلال البرمجة الجوية. ولذلك، تتم مراجعة أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار الجديدة وأنواع الأسمدة في لمحة سريعة لوضع تكنولوجيا النانو على أعلى مستوى.

خصائص الجسيمات النانوية

هناك عاملان رئيسيان يتسببان في اختلاف خصائص المواد النانوية بشكل كبير عن المواد الأخرى، وهما زيادة مساحة السطح النسبية والتأثيرات الكمية. نسبة / الحجم المورفولوجي، الكارهة للماء، الذوبان في إطلاق الأنواع السامة، مساحة السطح / الخشونة، تلوث / امتزاز الأنواع السطحية، أثناء التخليق / التاريخ، أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS ( O2 / H2O (Reactive Oxygen Species)، القدرة على إنتاج ROS، الهيكل / التركيب تعد مواقع الارتباط التنافسية ذات المستقبلات والتشتت / التجميع من الخصائص المهمة للجسيمات النانوية.

تطبيقات تكنولوجيا النانو في الزراعة وإنتاج الغذاء

ستعمل تقنية النانو على إحداث تحول في صناعة الأغذية بأكملها، حيث ستغير طريقة إنتاج الأغذية ومعالجتها وتعبئتها ونقلها واستهلاكها. الجوانب الرئيسية لهذه التحولات، مع تسليط الضوء على الأبحاث الحالية في صناعة الأغذية الزراعية وما هي التأثيرات المستقبلية التي قد تحدثها.

1ـ زراعة النانو

ستعمل التكنولوجيا الحيوية النانوية على زيادة قدرة الزراعة على حصاد المواد الأولية للعمليات الصناعية. في حين أن السلع الزراعية الاستوائية مثل المطاط والكاكاو والبن والقطن ، سوف تجد نفسها غريبة وغير ذات صلة في اقتصاد النانو الجديد من “المادة المرنة” التي يمكن من خلالها تعديل خصائص الجسيمات النانوية الصناعية. لإنشاء بدائل أرخص و”أكثر ذكاءً”.

كما أدت الزراعة المعدلة وراثيا إلى مستويات جديدة من تركيز الشركات على طول السلسلة الغذائية، فإن تكنولوجيا النانو المسجلة الملكية، والتي يتم نشرها من البذرة إلى المعدة، ومن الجينوم إلى المريء، ستعزز قبضة الأعمال التجارية الزراعية على الأغذية والزراعة العالمية في كل مرحلة. ــ كل ذلك، ظاهرياً، لإطعام الجياع، وحماية البيئة، وتزويد المستهلكين بالمزيد من الخيارات.

على مدار جيلين، تلاعب العلماء بالأغذية والزراعة على المستوى الجزيئي. ومع التقنيات النانوية الجديدة لخلط الجينات وتسخيرها، تصبح النباتات المعدلة وراثيًا نباتات معدلة ذريا. يمكن تعبئة المبيدات الحشرية بدقة أكبر للقضاء على الآفات غير المرغوب فيها وإضافة نكهات صناعية ومغذيات طبيعية مصممة لإرضاء الذوق.

يمكن الآن تنفيذ رؤى الزراعة الصناعية الآلية التي يتم التحكم فيها مركزيا باستخدام أجهزة الاستشعار الجزيئية، وأنظمة التوصيل الجزيئي، والعمالة المنخفضة التكلفة.

تتمثل رؤية الاتحاد الأوروبي في “الاقتصاد القائم على المعرفة”؛ وتخطط لتعظيم إمكانات التكنولوجيا الحيوية لصالح اقتصاد الاتحاد الأوروبي والمجتمع والبيئة. هناك تحديات جديدة في هذا القطاع بما في ذلك الطلب المتزايد على الغذاء الصحي والآمن، وزيادة خطر الإصابة بالأمراض والتهديدات التي يتعرض لها الإنتاج الزراعي والسمكي من أنماط الطقس المتغيرة. ومع ذلك، فإن إنشاء اقتصاد حيوي يعد عملية صعبة ومعقدة تنطوي على التقارب بين فروع العلوم المختلفة.

تتمتع تقنية النانو بالقدرة على إحداث ثورة في الصناعة الزراعية والغذائية بأدوات جديدة للمعالجة الجزيئية للأمراض، والكشف السريع عن الأمراض، وتعزيز قدرة النباتات على امتصاص العناصر الغذائية وما إلى ذلك.

2ـ الزراعة الدقيقة

لقد كانت الزراعة الدقيقة هدفًا مرغوبًا فيه منذ فترة طويلة لتعظيم الإنتاج (غلات المحاصيل) مع تقليل المدخلات (أي الأسمدة والمبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب وما إلى ذلك) من خلال مراقبة المتغيرات البيئية وتطبيق الإجراءات المستهدفة. تستخدم الزراعة الدقيقة أجهزة الكمبيوتر وأنظمة تحديد المواقع العالمية عبر الأقمار الصناعية وأجهزة الاستشعار عن بعد لقياس الظروف البيئية المحلية للغاية وبالتالي تحديد ما إذا كانت المحاصيل تنمو بأقصى قدر من الكفاءة أو تحديد طبيعة المشاكل وموقعها بدقة.

من خلال استخدام البيانات المركزية لتحديد ظروف التربة وتنمية النباتات، يمكن ضبط استخدام البذار والأسمدة والمواد الكيميائية والمياه بشكل دقيق لخفض تكاليف الإنتاج وربما زيادة الإنتاج، وكل ذلك يعود بالنفع على المزارع. في مجموعة التآكل والتكنولوجيا والتركيز (ETC) وصولاً إلى المزرعة، تم وصف أن الزراعة الدقيقة يمكن أن تساعد أيضًا في تقليل النفايات الزراعية وبالتالي الحفاظ على التلوث البيئي إلى الحد الأدنى.

على الرغم من عدم تنفيذها بالكامل بعد، إلا أن أجهزة الاستشعار وأنظمة المراقبة الصغيرة التي تتيحها تكنولوجيا النانو سيكون لها تأثير كبير على منهجيات الزراعة الدقيقة في المستقبل. سيكون أحد الأدوار الرئيسية للأجهزة التي تدعم تقنية النانو هو زيادة استخدام أجهزة الاستشعار المستقلة المرتبطة بنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) للمراقبة في الوقت الفعلي. يمكن توزيع أجهزة الاستشعار النانوية هذه في جميع أنحاء الحقل حيث يمكنها مراقبة ظروف التربة ونمو المحاصيل.

إن اتحاد التكنولوجيا الحيوية وتكنولوجيا النانو في أجهزة الاستشعار سيخلق معدات ذات حساسية متزايدة، مما يسمح بالاستجابة المبكرة للتغيرات البيئية.

على سبيل المثال:

– أجهزة الاستشعار النانوية التي تستخدم أنابيب الكربون النانوية 12 أو الكابولي النانوية 13 صغيرة بما يكفي لاحتجاز وقياس البروتينات الفردية أو حتى الجزيئات الصغيرة.

– يمكن تصميم الجسيمات النانوية أو الأسطح النانوية لإثارة تيار كهربائي أو كيميائي. إشارة في وجود مادة ملوثة مثل البكتيريا.

– تعمل مستشعرات النانو الأخرى عن طريق إثارة تفاعل إنزيمي أو باستخدام جزيئات متفرعة مُهندسة نانوية تسمى المتشعبات كمسبارات للارتباط بالمواد الكيميائية والبروتينات المستهدفة. وفي نهاية المطاف، ستسمح الزراعة الدقيقة، بمساعدة أجهزة الاستشعار الذكية، بتعزيز الإنتاجية في الزراعة من خلال توفير معلومات دقيقة، وبالتالي مساعدة المزارعين على اتخاذ قرارات أفضل.

3ـ التحكم المغلف

تمكن تقنية النانو الشركات من التعامل مع خصائص الغلاف الخارجي للكبسولة من أجل التحكم في إطلاق المادة التي سيتم تسليمها. تحظى استراتيجيات “الإطلاق المتحكم فيه” بتقدير كبير في الطب لأنها يمكن أن تسمح بامتصاص الأدوية بشكل أبطأ، في مكان محدد في الجسم أو بناءً على محفز خارجي.

مبيدات الآفات المغلفة في مواد نانوية من أجل إطلاقها بشكل خاضع للرقابة، وتثبيت المبيدات الحيوية باستخدام مواد نانوية، وإطلاق بطيء للأسمدة المدعومة بالمواد النانوية، والأسمدة الحيوية والمغذيات الدقيقة للاستخدام الفعال والتطبيقات الميدانية للمواد الكيميائية الزراعية، وساعدت المواد النانوية في توصيل المواد الوراثية لتحسين المحاصيل. مع التطبيقات المحتملة عبر السلسلة الغذائية (في المبيدات الحشرية واللقاحات والطب البيطري والأغذية المعززة من الناحية التغذوية).

ومن أمثلة تصميمات النانو والكبسولات الدقيقة ما يلي:

ـ الإطلاق البطيء: تطلق الكبسولة حمولتها ببطء على مدى فترة زمنية أطول (على سبيل المثال، للتوصيل البطيء لمادة ما في الجسم).

ـ التحرير السريع: تنكسر غلاف الكبسولة عند ملامستها للسطح (على سبيل المثال، عندما يضرب المبيد الحشري ورقة).

ـ إطلاق محدد: تم تصميم القشرة بحيث تنفتح عندما يرتبط المستقبل الجزيئي بمادة كيميائية معينة (على سبيل المثال، عند مواجهة ورم أو بروتين في الجسم).

ـ إطلاق الرطوبة: تتحلل القشرة وتطلق محتوياتها في وجود الماء (على سبيل المثال، في التربة).

ـ إطلاق الحرارة: تطلق القشرة المكونات فقط عندما ترتفع درجة حرارة البيئة فوق درجة حرارة معينة.

ـ تحرير الرقم الهيدروجيني: تتكسر كبسولة النانو فقط في بيئة حمضية أو قلوية معينة (على سبيل المثال، في المعدة أو داخل الخلية).

ـ إطلاق الموجات فوق الصوتية: يتم تمزق الكبسولة بواسطة تردد الموجات فوق الصوتية الخارجية.

ـ الإطلاق المغناطيسي: يمزق الجسيم المغناطيسي الموجود في الكبسولة القشرة عند تعرضها لمجال مغناطيسي.

ـ كبسولة الحمض النووي النانوية: تقوم الكبسولة بتهريب خيط قصير من الحمض النووي الغريب إلى خلية حية، والذي بمجرد إطلاقه، يختطف آلية الخلية للتعبير عن بروتين معين (يستخدم في لقاحات الحمض النووي).

4ـ مجسات النانو

يجري أيضا تطوير تطبيقات تكنولوجيا النانو لتحسين خصوبة التربة وإنتاج المحاصيل. يمكن لأجهزة الاستشعار النانوية أيضا مراقبة صحة المحاصيل والحيوانات، كما يمكن للجسيمات النانوية المغناطيسية إزالة ملوثات التربة. ومن الممكن أيضًا أن يكون لتكنولوجيا “مختبر على شريحة” تأثيرات كبيرة على الدول النامية. تعد أجهزة الاستشعار النانوية للكشف عن مسببات الأمراض النباتية والمبيدات الحشرية، والجسيمات النانوية لحفظ التربة أو معالجتها من المجالات الأخرى في الزراعة التي يمكن أن تستفيد من تكنولوجيا النانو. يتضمن تثبيت الإنزيم لمستشعرات النانو الحيوية باستخدام المواد النانوية تطبيقًا عالي القيمة ومنخفض الحجم للإنزيمات.

5ـ تكنولوجيا النانو والأنظمة الغذائية

بما أن النظم الغذائية تشمل توافر الغذاء والحصول عليه واستخدامه، فإن نطاق تطبيقات تكنولوجيا النانو لتعزيز الأمن الغذائي يجب أن يشمل الإنتاج الزراعي وأنظمة الاستهلاك بأكملها. علاوة على ذلك، وفي اقتصاد يتجه نحو العولمة بسرعة، فإن زيادة فرص الحصول على الغذاء واستخدامه في المناطق الريفية ستتحدد في المقام الأول من خلال زيادة الدخل في المناطق الريفية. وقد تم الاعتراف بأن المصدر الرئيسي لزيادة الدخل في المناطق الريفية هو القيمة المضافة عبر مختلف الروابط في سلسلة استهلاك الإنتاج الزراعي.

تشمل هذه الروابط المدخلات الزراعية، ونظم الإنتاج الزراعي، وإدارة ما بعد الحصاد والتجهيز، وأخيرا الأسواق والمستهلكين. ومن منظور الأمن الغذائي، من الضروري ألا يقتصر تطبيق تكنولوجيا النانو على مستوى الإنتاج الزراعي، بل يجب أن يمتد ليشمل جميع حلقات سلسلة القيمة الزراعية لزيادة الإنتاجية الزراعية، وجودة المنتج، وقبول المستهلك، وكفاءة استخدام الموارد. سيساعد ذلك على تقليل تكاليف المزرعة، ورفع قيمة الإنتاج، وزيادة الدخل الريفي، وتحسين جودة قاعدة الموارد الطبيعية لأنظمة الإنتاج الزراعي. ومن خلال القيام بذلك، من المهم النظر إلى تكنولوجيا النانو باعتبارها تكنولوجيا تمكينية يمكن أن تكمل التقنيات التقليدية والتكنولوجيا الحيوية.

بالنظر إلى المخاوف المتعلقة بالسلامة البيولوجية وقبول المستهلك التي ظهرت بعد دخول المنتجات القائمة على التكنولوجيا الزراعية إلى السوق خلال العقدين الماضيين، فمن الضروري أيضا أن يتم دمج ونشر التكنولوجيات الجديدة مثل تكنولوجيا النانو في النظم الزراعية والغذائية بعد فهم الآثار الاجتماعية والبيئية المختلفة.

تقييم تكنولوجيا النانو لتعزيز الأمن الغذائي

إن تقييم التكنولوجيات الناشئة مثل تكنولوجيا النانو أمر صعب لأن البيانات التاريخية غير متاحة لتقييم الأثر والكثير من العمل لا يزال في مرحلة البحث الأساسي مع وعد مستقبلي بمجموعة من التطبيقات. في مثل هذه المواقف، يمكن استخدام القياسات الببليومترية وتحليل براءات الاختراع لتقييم الوضع الحالي والاتجاهات في تطوير التكنولوجيا وتصنيفها ورسم خريطة لها في مجالات التطبيق ذات الصلة بالتخطيط.

الفرضية العامة هي أن الأبحاث الأساسية موجودة إلى حد كبير في المجلات؛ حيث توجد تطبيقات تجارية محتملة في براءات الاختراع. كما أن وثائق البراءات منظمة بشكل جيد لتوفير معلومات موحدة حول الاستشهاد وتاريخ الإصدار والمخترعين والمؤسسات ومواقعهم وتصنيف مجالات التكنولوجيا وما إلى ذلك. وهذه الوثائق المنظمة تجعلها مناسبة لتقييم تطورات التكنولوجيا في مختلف المجالات.

من ناحية أخرى، فإن البيانات الببليومترية أقل تنظيماً بدقة ولكنها قابلة للبحث الرسمي عن الكلمات الرئيسية وأساليب التنقيب عن النصوص الأكثر كثافة لتقييم التكنولوجيا. تم تطوير إطار أنظمة شامل لبراءات الاختراع والتحليل الببليومتري لتقييم إمكانات تكنولوجيا النانو لتعزيز أمن النظم الغذائية.

تم تطوير الإطار على مرحلتين:

اولا. رسم خرائط تكنولوجيا النانو للمجالات المواضيعية للأغذية الزراعية عبر جميع روابط سلسلة القيمة الزراعية (المدخلات الزراعية، وأنظمة الإنتاج، وإدارة ما بعد الحصاد بما في ذلك التخزين والمعالجة، والأسواق والاستهلاك).

ثانيا. ربط تكنولوجيا النانو بمحددات الأمن الغذائي (الإنتاجية، صحة التربة، الأمن المائي، جودة الغذاء).

6ـ أنظمة التوصيل الذكية القائمة على الجسيمات النانوية

تتمتع الأجهزة النانوية بالقدرة على اكتشاف وعلاج العدوى أو نقص المغذيات أو أي مشكلة صحية أخرى، قبل وقت طويل من ظهور الأعراض على المستوى الكلي. تتمتع أنظمة التوصيل الذكية بالقدرة على مراقبة آثار توصيل الأدوية والمغذيات والمواد المغذية والمكملات الغذائية والمركبات النشطة بيولوجيا والبروبيوتيك والمواد الكيميائية والمبيدات الحشرية ومبيدات الفطريات واللقاحات.

تعتبر أنظمة التسليم في الزراعة مهمة لتطبيق المبيدات والأسمدة وكذلك أثناء تحسين النباتات بوساطة المواد الوراثية. تحتاج أنظمة تطبيق مبيدات الآفات إلى التركيز على تعزيز الفعالية وإدارة انحراف الرش بينما تواجه الأسمدة مشاكل التوافر البيولوجي بسبب إزالة معدن ثقيل من التربة والإفراط في التطبيق والجريان السطحي.

يتم توفير بديل قابل للتطبيق لهذه المشاكل من خلال أنظمة التوصيل الخاضعة للرقابة لتطبيق المبيدات والأسمدة. تهدف تقنية التسليم المتحكم به إلى إطلاق كميات ضرورية وكافية من المواد الكيميائية الزراعية على مدى فترة من الزمن، للحصول على أقصى قدر من الفعالية البيولوجية وتقليل الآثار الضارة. ولهذا الغرض، تم استكشاف الجزيئات الميكرونية ودون الميكرونية كوسيلة لتوصيل الكيماويات الزراعية.

بالمقارنة مع الجسيمات الدقيقة (1000 نانومتر)، توفر الجسيمات النانوية (100 نانومتر) ميزة التحميل الفعال نظرا لمساحة السطح الأكبر وسهولة الالتصاق والنقل السريع للكتلة. يتم تحقيق الإطلاق المتحكم فيه للعنصر النشط بسبب خصائص الإطلاق البطيء للمادة النانوية، وربط المكونات بالمادة والظروف البيئية.

في حالة المادة الوراثية، تواجه أنظمة التوصيل تحديات مثل النطاق المضيف المحدود، والنقل عبر غشاء الخلية، والانتقال إلى النواة. ومع ذلك، تتم دراسة استخدام NPs في توصيل المواد الوراثية لتطوير أصناف نباتية مقاومة للحشرات. على سبيل المثال، يتم استخدام NPs الذهبية المطلية بالحمض النووي كرصاصات في نظام “بندقية الجينات”، لقصف الخلايا والأنسجة النباتية لتحقيق نقل الجينات.

أ. تسليم المبيدات الحشرية/المبيدات الحيوية

تمتلك تقنية النانو القدرة على التوصيل الفعال للمبيدات الحشرية الكيميائية والبيولوجية باستخدام المستحضرات النانوية أو التركيبات الكيميائية الزراعية القائمة على المواد النانوية. تتمثل فوائد التركيبات المعتمدة على مادة النانو في تحسين الفعالية بسبب ارتفاع مساحة السطح، وارتفاع القابلية للذوبان، وتحفيز النشاط الجهازي بسبب صغر حجم الجسيمات وزيادة القدرة على الحركة وانخفاض السمية بسبب التخلص من المذيبات العضوية مقارنة بالمبيدات الحشرية المستخدمة تقليديًا ومكوناتها.

في الميدان، يواجه تطبيق NPs لتوصيل المبيدات الحشرية والمبيدات الحيوية العديد من التحديات مثل الاضطرابات البيئية المتعددة والمساحات الكبيرة تحت تغطية الرش وأخيرا فعالية التكلفة. في نظام الرش المعتاد، يتم رش المحصول بأكمله بالمادة الكيميائية لسهولة التطبيق الذي يتضمن تحضيرا عالي الحجم ومنخفض القيمة.

في حين أنه من المتوقع أن تشتمل الاستعدادات المعتمدة على المواد النانوية على تطبيقات ذات حجم منخفض وعالية القيمة. وستتطلب أنظمة تسليم الجسيمات النانوية الخاضعة للرقابة نهجًا مستهدفًا للتسليم يركز على استخدام معرفة دورة الحياة وسلوك العامل الممرض أو الآفة.

ب. تسليم الأسمدة

أن استخدام كميات كبيرة من الأسمدة، على شكل أملاح الأمونيوم، واليوريا، ومركبات النترات أو الفوسفات ضارة. إلى جانب ذلك، فإن الكثير من الأسمدة غير متاحة للنباتات لأنها تُفقد بسبب ترشيح الجريان السطحي مما يسبب التلوث. للمواد النانوية مساهمات محتملة في الإطلاق البطيء للأسمدة. الطلاءات النانوية أو الطلاءات السطحية للمواد النانوية، الموجودة على جزيئات الأسمدة، تحافظ على المادة بقوة أكبر من النبات بسبب ارتفاع التوتر السطحي مقارنة بالأسطح التقليدية. علاوة على ذلك، توفر الطلاءات النانوية حماية سطحية للجزيئات الأكبر حجما.

تعتبر الأسمدة ذات الطلاء الكبريتي النانوي (طبقة 100 نانومتر) مفيدة للأسمدة بطيئة الإطلاق حيث أن محتويات الكبريت مفيدة خاصة للتربة التي تعاني من نقص الكبريت. أدى ثبات الطلاء إلى تقليل معدل ذوبان الأسمدة وسمح بإطلاق بطيء ومستدام للأسمدة المطلية بالكبريت.

بالإضافة إلى الطلاءات النانوية الكبريتية أو تغليف اليوريا والفوسفات وإطلاقها سيكون مفيدًا لتلبية متطلبات التربة والمحاصيل. تشمل المواد النانوية الأخرى ذات التطبيقات المحتملة الكاولين والجسيمات النانوية البوليمرية المتوافقة حيويًا والتي تستخدم جسيمات الشيتوزان النانوية البوليمرية القابلة للتحلل الحيوي (حوالي 78 نانومتر) للإطلاق المتحكم فيه لمصادر سماد NPK مثل اليوريا وفوسفات الكالسيوم وكلوريد البوتاسيوم .

ج. التطبيق الميداني للمبيدات والأسمدة النانوية

يؤثر أسلوب استخدام المبيدات والأسمدة على كفاءتها وتأثيرها على البيئة. يشتمل رش المبيدات الحشرية حاليا إما على حقائب تحمل على الظهر توزع قطرات كبيرة (9-66 ميكرومتر) مرتبطة بفقدان الرذاذ أو رشاشات خفيفة الحجم للغاية لتطبيق القطرات بشكل متحكم به مع قطرات أصغر (3-28 ميكرومتر) تسبب انحراف الرش.

يمكن التغلب على القيود الناجمة عن حجم القطرات باستخدام مبيدات حشرية مغلفة بـ NP أو مبيدات نانوية من شأنها أن تساهم في الرش الفعال وتقليل انحراف الرش وفقدان الرذاذ. هناك مشكلة عملية أخرى يتم مواجهتها أثناء استخدام المبيدات الحشرية في الحقل وهي تراكم مكونات التركيبة في خزان الرش وانسداد فوهات الرش.

منع مبيد الفطريات النانوي الحجم الحديث (~ 100 نانومتر) مرشحات خزان الرش من الانسداد، ولم يتطلب الخلط ولم يستقر في خزان الرش بسبب صغر حجم الجزيئات. علاوة على ذلك، لم ينفصل مبيد الفطريات هذا عن الماء لمدة تصل إلى عام بسبب حجمه النانوي، في حين أن مبيدات الفطريات التي تحتوي على مكونات ذات حجم جسيمات أكبر تتطلب عادة تقليبها كل ساعتين لمنع انسداد الخزان.

إن الطريقة الصحيحة للتطبيق بالكميات المثلى من الأسمدة تزيد من امتصاص العناصر الغذائية وتقلل من التلوث. يعتمد اختيار طريقة استخدام الأسمدة بشكل أساسي على: التربة والمحصول ونوع الري والمغذيات المستخدمة. تواجه الممارسات الحالية التي تتضمن البث والربط والضمادات الجانبية والغبار مشاكل الجريان السطحي بسبب الذوبان في رطوبة التربة والترشيح. تسبب وضع كميات كبيرة من الأسمدة بالقرب من البذور وانخفاض رطوبة التربة في تلف الملح.

تمت دراسة تأثير الطرق المختلفة لإضافة الأسمدة النيتروجينية على النباتات الطحالب والتثبيت البيولوجي للنيتروجين في تربة الأرز في الأراضي الرطبة في تجارب الأصيص والحقل. في طريقة البث لتطبيق اليوريا، تم تثبيط تثبيت النيتروجين في حين كان يفضل نمو الطحالب الخضراء. في المقابل، فإن الوضع العميق لحبيبات اليوريا (1-2 جم) لم يمنع نمو الطحالب الخضراء المزرقة المثبتة للنيتروجين. قد تساهم الأسمدة المغلفة بـ NP في إبطاء إطلاق الأسمدة مما يمنع الذوبان السريع وبالتالي الإضرار بالبيئة.

د. الأسمدة التقليدية مقابل الأسمدة النانوية

يتم تطبيق الأسمدة التقليدية بشكل عام على المحاصيل إما عن طريق الرش أو البث. ومع ذلك، فإن أحد العوامل الرئيسية التي تحدد طريقة التطبيق هو التركيز النهائي للأسمدة التي تصل إلى النبات. في السيناريو العملي، يكون التركيز أقل جدا في الموقع المستهدف بسبب ترشيح المواد الكيميائية، والانجراف، والجريان السطحي، والتبخر، والتحلل المائي بواسطة رطوبة التربة والتحلل الضوئي والميكروبي.

تشير التقديرات إلى أن حوالي 40-70% من النيتروجين، و80-90% من الفوسفور، و50-90% من محتوى البوتاسيوم في الأسمدة المستخدمة يتم فقدها في البيئة ولا يمكن أن تصل إلى النبات مما يسبب خسائر مستدامة واقتصادية. وقد أدت هذه المشاكل إلى الاستخدام المتكرر للأسمدة والمبيدات الحشرية مما يؤثر سلبا على توازن العناصر الغذائية الكامنة في التربة.

أدى الاستخدام الواسع النطاق للمواد الكيميائية مثل الأسمدة والمبيدات الحشرية إلى التلوث البيئي الذي يؤثر على النباتات والحيوانات الطبيعية. أن الاستخدام الزائد للأسمدة والمبيدات الحشرية يزيد من مقاومة مسببات الأمراض والآفات، ويقلل من النباتات الدقيقة في التربة، ويقلل من تثبيت النيتروجين، ويساهم في التراكم الحيوي للمبيدات الحشرية، ويدمر موطن الطيور. ومن ثم، فمن المهم للغاية تحسين استخدام الأسمدة الكيميائية لتلبية متطلبات المغذيات للمحاصيل وتقليل مخاطر التلوث البيئي. وبناءً على ذلك، قد يكون من المفيد أيضا اختبار طرق أخرى للتخصيب واستخدامها لتوفير العناصر الغذائية الضرورية لنمو النبات وإنتاج الغلة، مع الحفاظ على بنية التربة في حالة جيدة والبيئة نظيفة.

لقد أتاحت تقنية النانو إمكانية استكشاف المواد النانوية أو ذات البنية النانوية كحامل للأسمدة أو ناقلات إطلاق متحكم فيها لبناء ما يسمى بالأسمدة الذكية كمرافق جديدة لتعزيز كفاءة استخدام المغذيات وتقليل تكلفة التلوث البيئي. أن الأسمدة النانوية تشير إلى منتج في نظام نانومتر يوفر العناصر الغذائية للمحاصيل.

على سبيل المثال، التغليف داخل مواد نانوية مغلفة بطبقة رقيقة من البوليمر الواقي أو على شكل جزيئات أو مستحلبات ذات أبعاد نانوية. إن الطلاءات السطحية للمواد النانوية الموجودة على جزيئات الأسمدة تحمل المادة بقوة أكبر بسبب التوتر السطحي العالي مقارنة بالأسطح التقليدية، وبالتالي تساعد في الإطلاق المتحكم فيه. يعد توصيل المواد الكيماوية الزراعية مثل الأسمدة التي تزود النباتات بالمغذيات الدقيقة والكبيرة جانبًا مهمًا لتطبيق تكنولوجيا النانو في الزراعة.

7ـ تكنولوجيا النانو في تغذية المحاصيل

لعبت الأسمدة دورا محوريا في تعزيز إنتاج الحبوب الغذائية في الهند خاصة بعد إدخال أصناف المحاصيل عالية الإنتاجية والمستجيبة للأسمدة خلال عصر الثورة الخضراء. على الرغم من النجاح الباهر في إنتاج الحبوب، فقد لوحظ أن إنتاجية العديد من المحاصيل بدأت في الركود نتيجة عدم توازن التسميد وانخفاض محتوى التربة من المواد العضوية.

يؤثر الاستخدام المفرط للأسمدة النيتروجينية على المياه الجوفية ويسبب أيضا التخثث في النظم البيئية المائية. والحقيقة المثيرة للقلق هي أن كفاءة استخدام الأسمدة تبلغ 20-50 في المائة للنيتروجين و10-25% للفوسفور. ومع ظهور الأسمدة النانوية كبدائل للأسمدة التقليدية، قد يتم القضاء على تراكم العناصر الغذائية في التربة وبالتالي التخثث وتلوث مياه الشرب. وفي الواقع، فتحت تكنولوجيا النانو فرصا جديدة لتحسين كفاءة استخدام المغذيات وتقليل تكاليف حماية البيئة.

وقد ساعد في الكشف عن النتائج الحديثة التي تفيد بأن جذور النباتات والكائنات الحية الدقيقة يمكنها رفع الأيونات المغذية مباشرة من الطور الصلب للمعادن. يعد الإطلاق البطيء للأسمدة النانوية والمركبات النانوية بدائل ممتازة للأسمدة القابلة للذوبان. يتم إطلاق العناصر الغذائية بمعدل أبطأ خلال نمو المحصول؛ النباتات قادرة على تناول معظم العناصر الغذائية دون أي نفايات. يمكن تحقيق الإطلاق البطيء للعناصر الغذائية في البيئات باستخدام الزيوليت، وهي مجموعة من المعادن التي تحدث بشكل طبيعي ولها بنية بلورية ذات طبقات تشبه قرص العسل.

يمكن تحميل شبكتها من الأنفاق والأقفاص المترابطة بالنيتروجين والبوتاسيوم، بالإضافة إلى المكونات الأخرى التي تذوب ببطء والتي تحتوي على الفوسفور والكالسيوم ومجموعة كاملة من العناصر الغذائية البسيطة والنادرة. يعمل الزيوليت كمستودع للمواد الغذائية التي يتم إطلاقها ببطء عند الطلب. يمكن تغليف جزيئات الأسمدة بأغشية نانوية تسهل الإطلاق البطيء والثابت للعناصر الغذائية.

أن تكنولوجيا الأسمدة النانوية هي مجال مبتكر للغاية وواسع لتركيب الأسمدة النانوية. وقد لوحظت زيادة كبيرة في الغلة بسبب الاستخدام الورقي لجزيئات النانو كسماد. وقد تبين أن التطبيق الورقي بجرعة 640 ملجم هكتار-1 (تركيز 40 جزء في المليون) من النانوفوسفور أعطى 80 كجم هكتار-1 محصول مكافئ للفوسفور من الفاصوليا العنقودية والدخن اللؤلؤي في بيئة قاحلة.

تجري حاليا الأبحاث لتطوير مركبات النانو لتزويد جميع العناصر الغذائية الأساسية المطلوبة بنسب مناسبة من خلال نظام التوصيل الذكي. يمكن تحقيق الإخصاب المتوازن من خلال تكنولوجيا النانو. إن المركبات النانوية التي يتم التفكير فيها لتزويد جميع العناصر الغذائية بالنسب الصحيحة من خلال أنظمة التوصيل “الذكية” تحتاج أيضا إلى فحصها عن كثب. كفاءة استخدام المغذيات منخفضة بسبب فقدان 50-70% من النيتروجين المتوفر في الأسمدة التقليدية.

يمكن لأنظمة توصيل المغذيات الجديدة التي تستغل الأجزاء النانوية المسامية للنباتات أن تقلل من فقدان النيتروجين عن طريق زيادة امتصاص النبات. الأسمدة المغلفة في الجسيمات النانوية ستزيد من امتصاص العناصر الغذائية. يمكن أن يتم إطلاق العناصر الغذائية بسبب حالة بيئية أو ببساطة يتم إطلاقها في وقت محدد مرغوب.

إن طلاء وتدعيم مركبات النانو ومركبات تحت النانو قادر على تنظيم إطلاق العناصر الغذائية من كبسولة الأسمدة. يتكون مركب النانو الحاصل على براءة اختراع من N وP وK والمغذيات الدقيقة والمانوز والأحماض الأمينية التي تزيد من امتصاص واستخدام العناصر الغذائية بواسطة محاصيل الحبوب.

أن الأسمدة النانوية ذات الإطلاق البطيء والاستخدام الفعال للمياه والأسمدة من قبل النباتات هي التطبيق المحتمل الرئيسي لهذه التكنولوجيا. يعد تغليف الأسمدة داخل الجسيمات النانوية أحد هذه التسهيلات الجديدة التي تتم بثلاث طرق أ) يمكن تغليف المادة المغذية داخل مواد مسامية نانوية، ب) تغليفها بطبقة رقيقة من البوليمر، أو ج) تسليمها كجسيمات أو مستحلبات ذات أبعاد نانوية.

بالإضافة إلى ذلك، ستجمع أسمدة النانو بين أجهزة النانو من أجل مزامنة إطلاق الأسمدة-N و-P مع امتصاصها من قبل المحاصيل، وبالتالي منع فقدان المغذيات غير المرغوب فيه في التربة والماء والهواء من خلال الاستيعاب المباشر بواسطة المحاصيل، وتجنب تفاعل العناصر الغذائية بالتربة والكائنات الحية الدقيقة والماء والهواء.

8ـ تعمل التركيبة ذات البنية النانوية على تقليل فقدان العناصر الغذائية إلى التربة عن طريق الترشيح

تم تحسين قابلية ذوبان وتشتت المغذيات الدقيقة المعدنية غير القابلة للذوبان والأسمدة الفوسفاتية بشكل كبير من خلال المعالجة النانوية أو ذات البنية النانوية. يمكن تحقيق الإطلاق البطيء للعناصر الغذائية في البيئات باستخدام الزيوليت، وهي مجموعة من المعادن التي تحدث بشكل طبيعي ولها بنية بلورية ذات طبقات تشبه قرص العسل.

يمكن تحميل شبكتها من الأنفاق والأقفاص المترابطة بالنيتروجين والبوتاسيوم، جنبا إلى جنب مع المكونات الأخرى التي تذوب ببطء والتي تحتوي على الفوسفور والكالسيوم ومجموعة كاملة من العناصر الغذائية البسيطة والنزرة. يعمل الزيوليت كمستودع للمواد الغذائية التي يتم إطلاقها ببطء “عند الطلب”.

يمكن تغليف جزيئات الأسمدة بأغشية نانوية تسهل الإطلاق البطيء والثابت للعناصر الغذائية .أن تناول العناصر الغذائية بواسطة المحصول إلى حد 72% باستخدام الأسمدة النانوية و42% فقط من اليوريا وإطلاق الأسمدة النانوية حيث تم استخدام الزيوليت استمر لمدة 50 يوما تقريبا في حين أن توقفت اليوريا بعد 12 يوما، حيث تم استخدام الزيوليت كحامل. إحدى مزايا مركبات التوصيل النانوية في التطبيقات الزراعية هي تحسين استقرار الحمولات ضد التدهور في البيئة، وبالتالي زيادة فعاليتها مع تقليل الكمية المطبقة. أن جزيئات الطين النانوية مثل المواد المستخدمة ستقلل من مسامية البوليمر، أو تعيق انتشار المادة الفعالة التي يتم إطلاقها، وبالتالي زيادة طول مسار الانتشار عبر البوليمر المضيف.

9ـ تطبيق تكنولوجيا النانو في علم البذور

البذور هي كيان بيولوجي دائم ذاتيا قادر على البقاء في بيئة قاسية بمفرده. ويمكن استخدام تكنولوجيا النانو لتسخير الإمكانات الكاملة للبذور. يعد إنتاج البذور عملية شاقة خاصة في المحاصيل الملوثة بالرياح. يعد اكتشاف حمل حبوب اللقاح الذي يسبب التلوث طريقة أكيدة لضمان النقاء الجيني. يتم تحديد رحلة حبوب اللقاح من خلال درجة حرارة الهواء والرطوبة وسرعة الرياح وإنتاج حبوب اللقاح للمحصول.

يمكن أن يساعد استخدام أجهزة الاستشعار الحيوية الخاصة بتلويث حبوب اللقاح في تنبيه التلوث المحتمل وبالتالي تقليل التلوث. ويمكن أيضا استخدام نفس الطريقة لمنع حبوب اللقاح من المحاصيل المعدلة وراثيا من تلويث المحاصيل الحقلية. ويتم دمج جينات جديدة في البذور وبيعها في الأسواق.

يمكن تتبع البذور المباعة بمساعدة الرموز الشريطية النانوية القابلة للتشفير والقابلة للقراءة آليا والمتينة وذات حجم أقل من الميكرون. ينتشر المرض من خلال البذور، وفي كثير من الأحيان يتم قتل البذور المخزنة بواسطة مسببات الأمراض. إن الطلاء النانوي للبذور باستخدام أشكال عناصر Zn وMn وPt وAu وAg لن يحمي البذور فحسب، بل يستخدم بكميات أقل بكثير. طورت تقنية تُعرف باسم النقاط الكمومية (QDs) كعلامة مضان مقترنة بالفصل المغناطيسي المناعي لـ E coli 0157: H7، والتي ستكون مفيدة لفصل البذور غير القابلة للحياة والمصابة.

أن تقنيات مثل التغليف وطرق الإطلاق الخاضعة للرقابة قد أحدثت ثورة في استخدام المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب. يمكن أيضا تشريب البذور باستخدام مغلفات نانوية تحتوي على سلالة بكتيرية معينة تسمى البذور الذكية. وبالتالي فإنه سوف يقلل من معدل البذور، ويضمن الموقف الميداني الصحيح وتحسين أداء المحاصيل.

يمكن برمجة البذرة الذكية لتنبت عندما تتوفر رطوبة كافية ويمكن نثرها على سلسلة جبال لإعادة التشجير. طلاء البذور بغشاء النانو، الذي يستشعر توفر الماء ويسمح للبذور بالتشرب فقط عندما يحين الوقت المناسب للإنبات، والتوزيع الجوي للبذور المضمنة بالجسيمات المغناطيسية، والكشف عن محتوى الرطوبة أثناء التخزين لاتخاذ الإجراء المناسب لتقليل الضرر والاستخدام أجهزة الاستشعار النانوية التحليلية الحيوية لتحديد شيخوخة البذور.

استخدام أنابيب الكربون النانوية لتحسين إنبات بذور الطماطم من خلال نفاذ أفضل للرطوبة. تعمل الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) كمسام جديدة لنفاذ الماء عن طريق اختراق غلاف البذور وتكون بمثابة ممر لتوجيه الماء من الركيزة إلى البذور. وتسهل هذه العمليات عملية الإنبات.

10ـ مبيدات الأعشاب النانوية لمكافحة الحشائش بشكل فعال

أن النهج المتعدد الأنواع مع مبيدات الأعشاب الفردية في البيئة المزروعة أدى إلى ضعف السيطرة ومقاومة مبيدات الأعشاب. التعرض المستمر للمجتمع النباتي ذو القابلية الخفيفة للمبيدات في موسم واحد ومختلف مبيدات الأعشاب في المواسم الأخرى تطور مقاومة في الوقت المناسب وتصبح غير قابلة للسيطرة عليها من خلال المواد الكيميائية.

يهدف تطوير جزيء مبيد أعشاب محدد ومغلف بالجسيمات النانوية إلى مستقبلات محددة في جذور الحشائش المستهدفة، والتي تدخل في نظام الجذور وتنتقل إلى أجزاء تمنع تحلل السكر في احتياطي الغذاء في نظام الجذر. سيؤدي هذا إلى جعل نبات الحشائش يتضور جوعا من أجل الطعام ويقتل. في المناطق البعلية، قد يؤدي استخدام مبيدات الأعشاب مع عدم كفاية رطوبة التربة إلى فقدانها كبخار. ما زلنا غير قادرين على التنبؤ بهطول الأمطار بشكل ثمين للغاية، ولا يمكن استخدام مبيدات الأعشاب مسبقًا لتوقع هطول الأمطار.

من المتوقع أن يؤدي الإطلاق المتحكم فيه لمبيدات الأعشاب المغلفة إلى رعاية الأعشاب الضارة المتنافسة مع المحاصيل. المواد المساعدة لتطبيق مبيدات الأعشاب متاحة حاليًا والتي تشمل مواد نانوية.

أ. إزالة السموم من بقايا مبيدات الأعشاب

الاستخدام المفرط لمبيدات الأعشاب يترك بقايا في التربة ويسبب ضررا للمحاصيل اللاحقة. يؤدي الاستخدام المستمر لمبيدات الأعشاب الفردية إلى تطور أنواع الحشائش المقاومة لمبيدات الأعشاب وتحول في نباتات الحشائش. يستخدم الأترازين، وهو مبيد أعشاب من نوع s-triazine-ring، عالميا لمكافحة الحشائش عريضة الأوراق والحشائش العشبية قبل وبعد ظهورها، والتي تتميز بثباتها العالي (نصف العمر – 125 يوما) وقدرتها على الحركة في بعض أنواع التربة. تشكل المشاكل المتبقية الناجمة عن استخدام مبيدات الأعشاب الأترازين تهديدًا للاستخدام الواسع النطاق لمبيدات الأعشاب وتحد من اختيار المحاصيل بالتناوب. أن تطبيق الفضة المعدلة باستخدام جسيمات نانوية من المغنتيت المستقرة مع جسيمات كربوكسي ميثيل السليلوز (CMC) النانوية سجلت تدهورًا بنسبة 88٪ لبقايا أترازين مبيدات الأعشاب تحت بيئة خاضعة للرقابة.

11ـ مبيد النانو

إن استمرار استخدام المبيدات الحشرية في المرحلة الأولى من نمو المحاصيل يساعد في خفض عدد الآفات إلى ما دون مستوى العتبة الاقتصادية والحصول على سيطرة فعالة لفترة أطول. ومن ثم، يظل استخدام المكونات النشطة على السطح المطبق أحد أكثر الوسائل فعالية من حيث التكلفة وتنوعا لمكافحة الآفات الحشرية.

من أجل حماية العنصر النشط من الظروف البيئية المعاكسة وتعزيز الثبات، يمكن استخدام نهج تكنولوجيا النانو، أي “التغليف النانوي” لتحسين قيمة المبيدات الحشرية. تشتمل التغليف النانوي على جزيئات بحجم النانو من المكونات النشطة التي يتم إغلاقها بواسطة كيس أو غلاف رقيق الجدران (طبقة واقية).

سيساعد التغليف النانوي للمبيدات الحشرية أو مبيدات الفطريات أو مبيدات النيماتودا في إنتاج تركيبة توفر مكافحة فعالة للآفات مع منع تراكم المخلفات في التربة. من أجل حماية العنصر النشط من التحلل وزيادة الثبات، يمكن استخدام نهج تكنولوجيا النانو المتمثل في “الإطلاق المتحكم فيه للمكون النشط” لتحسين فعالية التركيبة التي قد تقلل بشكل كبير من كمية مدخلات مبيدات الآفات والمخاطر البيئية المرتبطة بها.

ستعمل المبيدات النانوية على تقليل معدل الاستخدام لأن كمية المنتج الفعالة فعليًا تكون على الأقل 10-15 مرة أقل من تلك المطبقة مع التركيبات الكلاسيكية، وبالتالي قد تكون هناك حاجة إلى كمية أقل بكثير من الكمية العادية للحصول على إدارة أفضل وأطول أمدا.

يقوم العديد من مصنعي المبيدات الحشرية بتطوير مبيدات حشرية مغلفة بالجسيمات النانوية. قد يتم إطلاق هذه المبيدات الحشرية بمرور الوقت أو إطلاقها عند حدوث محفز بيئي (على سبيل المثال، درجة الحرارة والرطوبة والضوء). تم تطوير الأنابيب النانوية الطينية (الهالوسيت) كحاملات للمبيدات الحشرية بتكلفة منخفضة، من أجل إطلاق ممتد واتصال أفضل بالنباتات، وسوف تقلل من كمية المبيدات الحشرية بنسبة 70-80٪، وبالتالي تقليل تكلفة المبيدات الحشرية بأقل تأثير على المياه.

آفاق المستقبل

تمتلك تطبيقات تكنولوجيا النانو إمكانات هائلة لتغيير الإنتاج الزراعي من خلال السماح بإدارة علمية أفضل وجهود الحفاظ على الإنتاج النباتي. يمكن للعلماء في مجال تكنولوجيا النانو تقديم مساهمات لا حصر لها لتحسين المجتمع من خلال تطبيق هذه التكنولوجيا في أنظمة الزراعة وإنتاج الغذاء. توفر تقنية النانو طريقة فعالة أفضل بكثير لاكتشاف البيئة واستشعارها والمعالجة البيولوجية. يمكن تعزيز الإنتاجية الزراعية باستخدام:

اولا: الزيوليتات النانوية للإطلاق المتحكم فيه وكمية فعالة من الماء والأسمدة وما إلى ذلك.

ثانيا: كبسولات نانوية لتوصيل مبيدات الأعشاب وناقلات الأمراض وإدارة الآفات.

ثالثا: أجهزة الاستشعار النانوية للكشف عن السموم والآفات المائية.

رابعا: يمكن استخدام البوليمرات الحيوية النانوية (البروتينات والكربوهيدرات) القائمة على الجسيمات النانوية ذات الخصائص القليلة مثل التأثير المنخفض على صحة الإنسان والبيئة في تطهير وإعادة تدوير المعادن الثقيلة.

خامسا: يمكن استكشاف المعادن ذات البنية النانوية من خلال تحلل المواد العضوية الضارة في درجة حرارة الغرفة.

سادسا: يمكن أن تكون الجسيمات الذكية مفيدة في عمليات المراقبة والتنقية البيئية الفعالة.

سابعا: الجسيمات النانوية كمحفز ضوئي جديد.

بالتالي، فإن تكنولوجيا النانو سوف تغير الممارسات الزراعية بما في ذلك الإدارة المتقدمة للآفات في المستقبل. وعلى مدى السنوات العشرين المقبلة، سيتم تسريع الثورة الخضراء عن طريق علوم النانو. وستكون المواد النانوية مفيدة في تطوير وصياغة الجيل القادم من المبيدات الحشرية وطاردات الحشرات. وبالتالي، تعتبر تكنولوجيا النانو واحدة من أفضل الحلول الممكنة للمشاكل الموجودة في قطاع الأغذية والزراعة.

خاتمة

في السيناريو الزراعي الحالي، لم يؤدي الاستخدام المكثف للكيماويات الزراعية لتعزيز الإنتاج الزراعي إلى تلويث التربة السطحية والمياه الجوفية والغذاء فحسب. لكن زيادة الإنتاجية الزراعية أمر ضروري، ولكن مع الأخذ في الاعتبار الضرر الذي يلحق بالنظام البيئي، يجب أخذ النهج الجديد في الاعتبار.

أصبحت تكنولوجيا النانو ذات أهمية متزايدة بالنسبة للقطاع الزراعي. ويجري بالفعل تطوير نتائج وتطبيقات واعدة في مجالات توصيل المبيدات الحشرية والمبيدات الحيوية والأسمدة والمواد الوراثية لتحويل النباتات. ومن المتوقع أن يؤدي استخدام المواد النانوية لتوصيل المبيدات والأسمدة إلى تقليل الجرعة وضمان التسليم البطيء المتحكم فيه.

من المتوقع أن تكون المساهمة الرئيسية هي تطبيق الجسيمات النانوية لتثبيت مستحضرات المكافحة الحيوية التي ستقطع شوطا طويلا في الحد من المخاطر البيئية. وقد نجحت تكنولوجيا النانو، من خلال استغلال الخصائص الفريدة للمواد النانوية، في تطوير أجهزة استشعار نانوية قادرة على اكتشاف مسببات الأمراض بمستويات منخفضة تصل إلى أجزاء في المليار.

بصرف النظر عن الكشف، فإن تكنولوجيا النانو لديها أيضًا حلول لتحليل المواد الكيميائية الثابتة إلى مكونات غير ضارة ومفيدة في بعض الأحيان. يمكن استخدام أدوات تكنولوجيا النانو لمعالجة القضايا الملحة المتعلقة بحماية البيئة والتلوث. يمكن لتقنية النانو أن تسعى إلى توفير وتبسيط التقنيات المستخدمة حاليًا في الكشف البيئي والاستشعار والمعالجة.

 المراجع

• Adhikari T, Biswas AK, Kundu S. Nano- fertilizer- A new dimension in agriculture. Indian Journal of Fertilizers. 2010; 6(8):22-24.
• Nanotechnology and Nanoscience applications: Revolution in India and beyond. Strategic Applications Integrating Nano Science. 2009.
• Corradini E, Moura MR, Mattoso LHC. A preliminary study of the incorporation of NPK fertilizer into chitosan nanoparticles express. Polymer Letter, 2010; 4:509-515.
• Cui HX, Sun CJ, Liu Q, Jiang J, Gu W. Applications of nanotechnology in agrochemical formulation, perspectives, challenges and strategies. International conference on Nanoagri, Sao pedro, Brazil, 2010; 20-25.
• Gan N, Yang X, Xie D, Wu Y, Wen WA. Disposable organophosphorus pesticides enzyme biosensor based onmagnetic composite nanoparticles modified screen printed carbon electrode. Sensors, 2010; 210:625-638.
• Hoffmann WC, Walker TW, Smith VI, Martin DE, Fritz BK. Droplet-size characterization of handheld atomization equipment typically used in vector control. Journal of American Mosquito Control Association, 2007; 23:315-320.
• Ihsan M, Mahmood A, Mian MA, Cheema NM. Effect of different methods of fertilizer application to wheatafter germination under rainfed conditions. Journal of Agricultural Research. 2007; 45:277-281.
• Miransari M. Soil microbes and plant fertilization. Applied Microbiology and Biotechnology, 2011; 92:875-885.
• Robinson DKR, Zadrazilova GS. Nanotechnologies for nutrient and biocide delivery in agricultural production. Working Paper Version, 2010; p.285-297.
• Sadik OA, Zhou AL, Kikandi SN, Du Q, Varner K. Sensors As Tools For Quantitation, Nanotoxicity And Nano Monitoring Assessment of Engineered Nanomaterials. Journal of Environment Monitoring. 2009; 287-294.
• Salerno M, Landoni P, Verganti R. Designing foresight studies for nanoscience and nanotechnology (NST) future developments. Technology Forecasting Society Change 2008; 75:1202-1223.
• Sasson Y, Levy G, Toledano O, Ishaaya I. Nanosuspensions: emerging novel agrochemical formulations, In: Ishaaya I, Nauen R, Horowitz AR, editors. Insecticides design using advanced technologies Netherlands: Springer-Verlag. Schaad NW, Opgenn, 2007, 1-32.
• Silva MS, Cocenza DS, Grillo R, Melo NFS, Tonello PS, Oliveira LC, et al. Paraquat-loaded alginate/chitosan nanoparticles: Preparation, characterization and soil sorption studies. Journal of Hazardous Materials. 2011; 190(3):366-374.
• Tarafdar JC, Agrawal A, Raliya R, Kumar P, Burman U, Kaul RK. ZnO nanoparticles induced synthesis of polysaccharides and phosphatases by Aspergillus fungi. Advanced Science Engineering and Medicine. 2012a; 4:1-5.
• Torney F, Trewyn BG, Lin VS, Wang K. Mesoporous silica nanoparticles deliver DNA and chemicals into plants. Nature Nanotechnol. 2007; 2:295-300.
• Vandana MV, Deshpande H, Kishore MP. Perspectives for nano-biotechnology enabled protection and nutrition of plants. Biotechnological Advances. 2011; 29:792-803.
• Zhang X, Zhang J, Zhu KY. Chitosan/double-stranded RNA nanoparticle-mediated RNA interference to silence chitin synthase genes through larval feeding in the African malaria mosquito (Anopheles gambiae). Insect Molecular Biology, 2010; 19:683-693 .