فناوری نانو در کشاورزی پایدار؛ تحولات اخیر، چالش‌ها و دیدگاه‌ها

توسعه کشاورزی به دلیل رشد سریع جمعیت و ایجاد تقاضا برای مواد غذایی، ضروری است. رشد پایدار سیستم کشاورزی با استفاده از تکنیک‌های جدید و نوآورانه مانند فناوری نانو، موجب افزایش مثبت در تولید محصولات کشاورزی می‌شود.

نانوذرات دارای ویژگی‌های منحصربه‌فرد بسیاری هستند، عمدتاً به دلیل اندازه‌شان (نانومواد اندازه کوچک‌تر و مساحت سطح بزرگ‌تری دارند) فعالیت بیشتری دارند. توسعه سیستم کشاورزی با فناوری‌های پیشرفته با استفاده از نانوابزارهای هوشمند مهندسی‌شده می‌تواند یک استراتژی عالی برای کاهش و یا حذف تأثیر مواد شیمیایی زراعی (agrochemical) بر محیط و همچنین افزایش بازده کمی و کیفی محصولات باشد. استفاده از فناوری نانو می‌تواند بزرگ‌ترین تقاضای قرن، یعنی سیستم‌های سریع، قابل‌اعتماد و کم‌هزینه برای کشف، نظارت و تشخیص مولکول‌های زیستی میزبان در بخش‌های کشاورزی را برآورده نماید.

نانوذرات و عملکرد آن‌ها

نانولوله‌های کربنی (CNTs): نانولوله‌های کربنی شکل جدیدی از کربن، مانند ورقه گرافن دوبعدی هستند که درون یک لوله قرار می‌گیرند. دو نوع اصلی از نانولوله‌ها وجود دارد،؛ نانولوله‌های تک دیواره (SWNTs) و نانولوله‌های چند دیواره (MWNTs). نانواسفنج‌های CNT حاوی گوگرد و آهن، بهره‌وری جذب آلاینده‌های آب مانند آفت‌کش‌ها، کود، چربی و دارو را افزایش می‌دهند.

‌نقاط کوانتومی(QDs): نقاط کوانتومی نیمه‌هادی، فلورسانس عالی دارند و دارای انرژی باند قابل تنظیم برای اندازه هستند. ‌نقاط کوانتومی در غلظت‌های کم، هیچ‌گونه سمیت سلولی (cytotoxicity) قابل‌تشخیص برای جوانه‌زنی بذر و رشد گیاهچه را نشان نمی‌دهند. بنابراین می‌توان از ‌نقاط کوانتومی برای تصویربرداری زنده در سیستم‌های ریشه‌ گیاه به منظور مطالعه فرآیندهای فیزیولوژیکی آن استفاده کرد.

نانومیله‌ها: نانومیله‌های طلا قابلیت انتقال تنظیم‌کننده رشد، اکسین (4،2-D) دارند، بااین‌حال، مسمومیت گیاهی (phytotoxicity) را نسبت به گیاه در غلظت‌های زیاد نشان می‌دهند.

میکرو و نانو کپسوله‌سازی: کپسوله‌سازی فرآیندی برای پوشش یک ماده با یک ماتریس همگن یا ناهمگن است که منجر به کپسول‌هایی می‌شود که دارای خواص منحصربه‌فردی هستند.

نانوامولسیون‌ها: نانوامولسیون‌ها توسط قطرات نانومقیاس امولسیون بسیار ریز (سیستم روغن/ آب) با اندازه‌های کم‌تر از ۱۰۰ نانومتر ساخته می‌شوند.

فناوری نانو و توسعه پایدار کشاورزی

فناوری نانو، روشی کارآمد برای مدیریت منابع مزارع کشاورزی، مکانیسم‌های دارورسانی در گیاهان و حفظ حاصلخیزی خاک است. اخیراً، نانوحسگرها به‌طور گسترده برای نظارت بر آلودگی در خاک و آب در کشاورزی به کار گرفته می‌شوند. در زیر برخی از پیشرفت‌های فناوری نانو برای کشاورزی پایدار آورده شده است:

کودهای نانو: اخیراً کودهای نانو برای کاربردهایی مانند تنظیم رشد و تقویت ایمنی گیاه به‌صورت تجاری مورداستفاده قرارگرفته‌اند. آن‌ها حاوی عناصر ضروری (روی، سیلیس، تیتانیوم دی‌اکسید، آهن و غیره) هستند که برای محصولات کشاورزی باکیفیت مرغوب موردنیاز است.

نانوآفت‌کش‌ها: آفات غالباً مزارع کشاورزی را آلوده می‌کنند و باعث خرابی محصولات کشاورزی می‌شوند. فرمولاسیون نانوکپسوله شده آفت‌کش‌ها منجر به کاهش میزان دوز سموم دفع آفات شده است. بنابراین، توسعه سیستم‌های تحویل بالقوه و غیر سمی آفت‌کش‌ها، نه‌تنها تولید جهانی مواد غذای را افزایش داده است بلکه اثرات منفی آفت‌کش‌ها بر روی اکوسیستم را نیز کاهش داده است.

پیامدهای بوم‌آلاینده‌شناسی نانوذرات: نانوذرات فلزی بسته به میزان بار در سطح غشا، سمیت سلولی ایجاد می‌کنند. نانوذرات در گیاهان وارد سیستم سلولی می‌شوند و از طریق سیستم جوانه‌زنی انتقال می‌یابند.. این‌ها در قسمت‌های مختلف هوازی گیاه جمع می‌شوند و از طریق سطوح مختلف غذایی (trophic) در اکوسیستم باقی می‌مانند. پس از تجمع نانوذرات در سیستم گیاهی، تغییر در میزان تعرق (transpiration)، تنفس، فتوسنتز و انتقال مواد غذایی رخ می‌دهد.

رشد گیاهان زراعی و پایداری بوم‌آلاینده‌شناسی آن: گیاهانی نظیر شاهی (Lepidium sativum) و نخودفرنگی (Pisum sativum) به‌طور طبیعی چندین نانوذره آهن را از سنگ معدن آن جمع می‌کنند. این مشاهده منجر به آغاز استفاده از نانوذرات پلیمری خصوصاً حشره‌کش‌هایی با منشأ گیاهانی در مزارع کشاورزی شده است.

نانوحسگرها

بسیاری از ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی مواد نانومقیاس در ساخت حسگر زیستی مورداستفاده قرار می‌گیرند. حسگر زیستی وسیله‌ای است که یک عنصر تشخیص زیستی را با اصول فیزیکی یا شیمیایی ترکیب می‌کند. تحقیقات قبلی نشان داده است که حساسیت و عملکرد حسگر زیستی می‌تواند با استفاده از نانومواد از طریق فناوری‌های نوین انتقال سیگنال بهبود یابد. اخیراً زیست‌گیرنده‌های طبیعی و مصنوعی مختلف توسعه‌یافته و با موفقیت به کار گرفته‌شده‌اند.

فناوری نانو در صنایع غذایی

فناوری نانو می‌تواند مواد زیستی فعال را به مواد غذایی اضافه کرده و کیفیت آن را حفظ نماید.

فرآوری مواد غذایی: به‌تازگی فناوری نانو به‌طور گسترده در فرآوری مواد غذایی مورداستفاده قرارگرفته است، مانند استفاده از سیستم‌های نانوحامل برای تحویل مواد غذایی و مکمل‌ها، افزودنی‌های نانومقیاس آلی برای مواد غذایی، مکمل‌ها و خوراک دام. بسیاری از محصولات غذایی به‌طور طبیعی حاوی نانوذات هستند، به‌عنوان‌مثال شیر حاوی کازئین (casein) است. نوعی پروتئین موجود در شیر در مقیاس نانو یا گوشت تشکیل‌شده از رشته‌های پروتئینی نیز در گروه‌ نانومواد طبقه‌بندی می‌شوند. به‌صورت تجاری، شرکت KD Pharma BEXBACH GMBH در کشور آلمان اسیدهای چرب امگا ۳ کپسوله شده را به دو شکل مختلف سوسپانسیون و پودر تهیه می‌کند.

بسته‌بندی و برچسب‌زنی مواد غذایی: اخیراً برخی از مواد بسته‌بندی با “نانوحسگرها” ترکیب‌شده‌اند تا روند اکسیداسیون در مواد غذایی را تشخیص دهند. این روش بسیار ساده است؛ وقتی اکسیداسیون در بسته مواد غذایی رخ می‌دهد، حسگرها مبتنی بر نانوذرات نشان‌دهنده تغییر رنگ هستند و می‌توان اطلاعات مربوط به ماهیت غذاهای بسته‌بندی‌شده را مشاهده کرد. نانوحسگرها به برچسب‌زنی مواد غذایی کمک می‌کنند و در ترکیب با جوهرهای هوشمند مبتنی بر نانوذرات یا نانولایه‌های واکنش‌پذیر ممکن است به شناسایی هوشمند محصولات غذایی مرتبط کمک کنند.

چشم‌انداز آینده

فناوری نانو آینده‌ای روشن است. این فناوری جایگاهی منحصربه‌فرد در زنجیره تأمین غذا دارد؛ (از مزرعه تا میز غذاخوری: تولید محصولات با استفاده از مواد شیمیایی زراعی مثل کودهای نانو، نانوآفت‌کش‌ها و غیره، تکنیک‌های کشاورزی دقیق، بسته‌بندی، برچسب‌زنی و غیره). این فناوری در طولانی‌مدت مسیرهای توسعه اقتصادی و مبتکرانه‌ای برای تغذیه انسان در سراسر جهان فراهم می‌کند.

بهبود سیستم کشاورزی می‌تواند با استفاده از فناوری نانو انجام شود. باوجود در دسترس بودن اطلاعات زیادی در مورد نانو مواد خاص، سطح سمیت بسیاری از نانوذرات هنوز مشخص نیست. بنابراین کاربرد این نانوذرات به دلیل عدم آگاهی از ارزیابی‌های خطر و اثرات آن بر سلامت انسان محدود است. تدوین یک پایگاه‌داده جامع، یک سیستم هشداردهنده و همچنین همکاری بین‌المللی برای تنظیم مقررات و قانون‌گذاری، برای استفاده کامل از این فناوری ضروری است.