کشاورزی و فناوری نانو
کشاورزی به عنوان فرآیند تولید محصولات غذایی با استفاده از کشت گیاه و پرورش دام، شناخته میشود. این صنعت به عنوان یکی از ارکان مهم اقتصادی کشورهای توسعه یافته محسوب می شود و حیات و ممات برخی از این کشورها در گرو کشاورزی است. با افزایش جمعیت جهان، نیاز به غذا و محصولات کشاورزی به شدت در حال افزایش است، به طوریکه سازمان خوار و بار جهانی (FAO) پیش بینی کرده است که با افزایش روزافزون جمعیت در سال 2050، سالانه 200 میلیون تن غذا و محصولات کشاورزی مورد نیاز میباشد [1]. اما در اثر عواملی چون تغییرات آب و هوایی، محدود شدن منابع آب و خاک، افزایش آلودگی محیط زیست و افزایش بیماریهای گیاهی، مشکلاتی در زمینه کشاورزی و تولید غذای کافی و سالم به وجود میآید. لذا کمیت و کیفیت محصولات کشاورزی و امنیت غذایی در این بین به خطر خواهد افتاد. از این رو دانشمندان برای غلبه بر این مشکلات ابزارهای گوناگونی به کار میبرند که از جمله آن میتوان به فناوری نانو اشاره نمود. این فناوری قابلیت متحول ساختن صنعت کشاورزی را از طریق تهیه فرمولاسیونی جدید برای سموم و کود، شناسایی و تشخیص بیماریهای گیاهی، تامین آب مورد نیاز کشاورزی، مدیریت و اصلاح خاک و بهداشت دام واصلاح نژاد دارد. به طور کلی، فناوری نانو با بهینه کردن مصرف نهاده های کشاورزی همچون آب، کود ، سم و کاهش پساب و آلودگیها، میتواند سهم بسزایی در رونق روزافزون این صنعت داشته باشد. این گزارش سعی دارد، مروری اجمالی بر مزیتهای فناوری نانو در بخشهای مختلف کشاورزی داشته باشد.
1- خاک
خاک از منابع اصلی تولیدات کشاورزی محسوب شده، لذا حفظ سلامتی و حاصلخیزی آن به منظور تولید پایدار حائز اهمیت بسیار است. میزان عناصر غذایی و رطوبت موجود در خاک همیشه باید در حد مطلوب بوده و میزان مواد آلاینده (فلزات سنگین، سموم و …) به حداقل ممکن کاهش یابد. فناوری نانو میتواند کمک شایانی به بهبود این روند داشته باشد که در ادامه به آن اشاره خواهد شد.
1-1 تغذیه گیاه و حاصلخیزی خاک
میزان عناصر غذایی خاک باید در حد مناسب باشد و بتواند این عناصر غذایی را به خوبی در اختیار گیاه قرار دهد. یکی از راههای تامین عناصر غذایی خاک، استفاده از کودهای مناسب میباشد. مصرف کودها علاوه بر افزایش تولید، باید کیفیت محصولات کشاورزی را نیز ارتقاء دهد. نکته دیگرعدم ایجاد آلودگی محیط زیست توسط کود است؛ زیرا در غیر این صورت سلامتی انسان، جانوران و گیاهان به خطر خواهد افتاد. فناوری نانو با تغییر و اثر گذاری در فرمولاسیون کودها و تولید موادی با ویژگیهای مناسب و منحصر به فرد (نانو کود شیمیایی، نانو کود آلی و نانو کود بیولوژیک) میتواند نقش مهمی را در این زمینه ایفا کند و استفاده از این فناوری در تولید کود، سبب افزایش کمیت و کیفیت محصولات کشاورزی و کاهش روند تخریب محیط زیست میگردد. مزیتهای استفاده از این نانوکودها عبارتند از:
- با تغییر دادن فرمولاسیون کودها میتوان کودهای هوشمند تولید کرد، به طوریکه سرعت رهاسازی عناصر غذایی کود مطابق با الگوی جذب گیاه باشد.
- تولید کودهایی حاوی عناصر غذایی کم مصرف در اندازه نانومتری، باعث میشود انحلالپذیری و پراکندگی این عناصر غذایی در خاک افزایش یافته و بازده جذب این عناصر توسط گیاه بهبود یابد.
- با استفاده از نانوکودها میزان اتلاف عناصر غذایی از طریق آبشویی کاهش مییابد.
- در برخی موارد میزان مصرف کودهای نیتروژنی و فسفاته به 50 درصد کاهش مییابد که این امر موجب کاهش آلودگیهای ناشی از مصرف بی رویهی کودهای شیمیایی میشود.
- به دلیل برخورداری از تغذیه مناسب و فراهم بودن عناصر غذایی، مقاومت گیاه در برابر تنشهای محیطی و بیماریها افزایش یافته و میزان مصرف سموم شیمیایی و آفتکشها کاهش مییابد.
- استفاده از نانوکودها سبب برهمکنش طولانی مدت با میکروارگانیسمهای موجود در خاک میشود.
- استفاده از نانوکودها به دلیل کاهش مصرف کود از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه میباشد.
1-2 اصلاح خاک
فعالان بخش کشاورزی درصدد افزایش تولید در واحد سطح محصولات کشاورزی هستند تا بدین طریق بتوانند جوابگوی نیازهای غذایی بشر باشند. اما عدم مدیریت صحیح خاک (شخم عمیق، شخم در جهت شیب و …)، استفاده نامتعادل و بیش از حد از کودهای شیمیایی، اضافه نکردن مواد آلی، سوزاندن بقایای گیاهی و آبیاری با آبهای آلوده موجب شده است، خاک به تدریج کیفیت و حاصلخیزی خود را از دست داده و به خاک نامرغوب و آلوده تبدیل شود. بنابراین استفاده از اصلاح کننده های خاص همچون اصلاح کننده های نانویی، که بتواند این شرایط را بهبود بخشیده و از روند تخریب خاک جلوگیری نماید، امری ضروری بهنظر میرسد. در ادامه به برخی از این گروه اصلاح کنندهها اشاره خواهد شد:
1-2-1 نانوزئولیت
نانو زئولیتها مواد با ارزشی هستند که مصارف گستردهای در پالایشگاهها و همچنین در مهندسی کشاورزی و محیط زیست دارند. نانو زئولیت از ساختمان پیچیدهای برخوردار است و در ساختمان بلورین آن کانالهای به هم پیوسته گسترده ای وجود دارد. این کانالها فضای خالی وسیعی را برای جذب و تبادل کاتیونها فراهم میآورند. برخی گزارشات حاکی از آن است که مساحت درونی این کانالهای تهی به چند صد متر مربع در هر گرم از کانی زئولیت میرسد و همین ویژگی زئولیت را به یکی از موثرترین تبادلکنندگان یون بدل ساخته است. مزیتهای استفاده از نانو زئولیت در کشاورزی عبارتند از:
- تخلخل زیاد، قابلیت جذب بالای آب و افزایش ظرفیت نگهداشت آب در خاک
- اصلاح زمینهای شنی و توزیع آب در این قبیل خاکها
- افزایش تهویهپذیری خاک
- قابلیت جذب فلزات سنگین (کروم، نیکل، سرب، کادمیوم و …) و پالایش خاکهای آلوده
- قابلیت ترکیب با عناصر غذایی و عمل کردن آن به عنوان یک کود کُندرَها
1-2-2 نانوبیوچار[1]
از جمله چشم اندازهای نوین در فناوری نانو در زمینه اصلاح کننده های خاک میتوان به ترکیبات زیستی از جمله نانو بیوچارها اشاره نمود. بیوچار به عنوان یک منبع تجدیدپذیر محسوب شده که از بیومس[2] گیاهی و یا هرگونه مواد زائد دیگر (مانند ضایعات کارخانجات نساجی و دباغی و غیره) تولید میشود. در این روش، مواد زائد در حرارتهای زیاد به ذغال زیستی تبدیل میگردد. این ترکیب زیستی دارای ساختار ریز و سطح ویژه بالایی میباشد. اهمیت چند جابنه بیوچار به دلیل ساخته شدن از مواد زائد، قیمت ارزان و همچنین زیستی بودن آن میباشد. بنابراین با استفاده از فناوری نانو در تولید نانو بیوچارها و بهبود خواص شیمیایی، میتوان از ویژگیهای آن در بهبود کیفیت خاک، افزایش عملکرد محصول، افزایش جذب مواد سمی و كاهش تغييرات اقليمي بهره جست. مزیتهای استفاده از نانو بیوچار در صورت تولید و استفاده در خاک عبارتند از:
- ذخیره کربن در خاک و افزایش درصد مواد آلی در خاک
- افزایش تهویه پذیری خاک
- جذب انواع آلاینده های آلی، معدنی و زبالههای صنعتی و در نتیجه کاهش رهاسازی آنها در محیط
- افزایش جذب عناصر غذایی و آب بوسیله گیاه

1-2-3 نانوهیدروژل
هیدروژلها شبکههای پلیمری آب دوست با ظرفیت بالای جذب آب میباشند. از نظر ساختاری هیدروژلها را میتوان به آنیونی، کاتیونی و آمفولیتیک[3] دسته بندی کرد. اکثر این مواد به محرکهای محیطی مانند pH، نور، میدان الکتریکی و … پاسخ میدهند. این ویژگیهای منحصر به فرد طیف وسیعی از کاربردها را در استفاده از هیدروژل به ویژه در کشاورزی، ایجاد کرده است. فراهم کردن محیطی برای رشد گیاه که بتواند برای مدت زمانهای طولانی عناصر غذایی و آب را در خود ذخیره کرده و آن را به تدریج در اختیار گیاه قرار دهد، از وظایف هیدروژلها به ویژه نانو هیدروژل محسوب میشود. قابلیتهای استفاده از این مواد به اختصار عبارتند از:
- قابلیت جذب آب تا چند صد برابر وزن خود برای مدتهای طولانی به دلیل برخورداری از منافذ نانومتری
- افزایش ذخیره آب و ظرفیت نگهداشت آب در خاک و در نتیجه کاهش مصرف آبِ آبیاری در درازمدت
- قابلیت ذخیره مواد غذایی در خود و رهاسازی تدریجی عناصر غذایی برای استفاده گیاه
- قابلیت استفاده در گلخانهها و آپارتمانها
1-3 نانوحسگرها
حسگر ابزاری است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازهگیری کرده و آن را به پیام الکتریکی تبدیل میکند. نانوحسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به دلیل اندازه نانومتری، از دقت و واکنشپذیری بسیار بالایی برخوردارند، به طوری که میتوانند حضور مقادیر بسیار کمی از یک گاز را در محیط نشان دهند. بر همین اساس، نانوحسگر وسیلهای است بسیار ظریف و در عین حال دقیق و حساس که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرکهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی است. از کاربردهای انواع حسگر در خاک میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- پایش میزان درجه حرارت خاک
- کنترل و پایش میزان رطوبت خاک
- مشاهده و پایش شرایط کشت و نمایش دورهای میزان مواد مغذی
- تشخیص میزان آلودگی در خاک
- تشخیص میزان هورمونهای رشد گیاهی
2 آب مورد نیاز کشاورزی
جمعیت جهان با بحران آب روبهرو است. در گزارش وضعیت آینده پروژه میلنیوم سازمان ملل آمده است که بیش از 700 میلیون نفر در سراسر جهان از کمبود آب رنج میبرند و اگر کاری در این زمینه صورت نگیرد، این مقدار تا سال 2025 به 3 میلیارد نفر افزایش پیدا خواهد کرد. افزایش مصرف آب در جهان در هر 20 سال دو برابر برآورد شده است که 70 درصد از آن در بخش کشاورزی مصرف میشود [15]. با اینحال افزایش میزان تولید آب بهاندازهای نیست که این افزایش تقاضا را پاسخ دهد. بنابراین میتوان گفت که تهیه آب پاک و سالم و نیز مقرون به صرفه به منظور رفع نیازهای انسان یکی از چالشهای بزرگ قرن بیست و یکم محسوب میشود. به همین منظور و با گذشت زمان نیاز به یک فناوری نوین برای مدیریت آب بیش از پیش احساس میشود. فناوری نانو از پتانسیل بسیار بالایی در تصفیه آب و فاضلاب، بهبود کارایی تصفیه، ضدعفونیکردن و تامین آب مورد نیاز از منابع غیر متعارف، برخوردار است. ویژگی و مزایای اصلی استفاده از فناوری نانو در تصفیه آب و پساب عبارتند از:
- تصفیه آبهای غیرمتعارف و پسابها؛
- سهولت و ارزانی تأمین غشای مصرفی؛
- افزایش راندمان و کاهش مصرف انرژی نسبت به سامانههای تصفیه کنونی؛
- کاهش تجهیزات جانبی؛
- کاهش تولید پساب و گرفتگی غشاء.
فناوری نانو قابلیت تشخیص و جداسازی و حذف بسیاری از آلاینده های آلی و معدنی و مواد سمی و مضر را از آب دارد که این موارد به شرح زیر میباشد:
- جداسازی و یا از بین بردن انواع ویروسها و باکتریها و پاتوژنها (ضدعفونی کردن آب)
- جداسازی و حذف فلزات سنگین (سرب، کادمیوم، نیکل، پالادیوم و …)
- جداسازی و حذف انواع آلاینده های آلی و مواد سمی (نیترات، DDT، علفکشها، آفتکشها، مواد آلی و …)
- شیرین سازی آب
2-1 ضدعفونی کردن و کنترل میکروبی آب
در روشهای مرسوم، جهت ضد عفونی نمودن آب از موادی چون کلر، کلرآمین، دیاکسید کلر، گاز کلر و ازون استفاده میشود. استفاده از این ترکیبات در آب، منجر به تولید مواد سمی و سرطانزا نظیر هالومتانها، نیتروزآمین، برومات و … میشود که یکی از معضلات صنعت آب محسوب میگردد. تابش اشعه فرابنفش تولید این قبیل مواد را به حداقل میرساند اما این روش فقط برای ویروسهای خاصی کاربرد دارد. ضدعفونی کردن آب با کمک فناوری نانو به دو طریق صورت میگیرد:
- از بین بردن ویروسها و باکتری های موجود در آب: در این روش مواد نانویی با اتصال به پروتئینهای حیاتی و تخریب آنزیمی ویروس و باکتری و یا با جلوگیری از تکثیر مواد ژنتیکی (RNA و DNA) و تغییر ساختار آنها، موجب از بین رفتن و یا غیرفعال شدن ویروسها و باکتریها در محیط آبی میشوند. نانوموادی چون نانو نقره، نانو دیاکسید روی، نانو اکسید کلسیم، نانو اکسید منیزیم، کیتوزان، نانو ذرات آهن صفرظرفیتی، نانو دیاکسید آلومینیوم، نانو دیاکسید تیتانیوم و نانو لوله های کربنی تاکنون بدین منظور مورد استفاده قرار گرفتهاند که خاصیت ضد میکروبی و اکسید کنندگی قوی از خود نشان میدهند.
- جداسازی ویروسها و باکتریها از آب با استفاده از فیلترها و مواد نانویی چون غشاهای نانو فیلتراسیون، نانو لوله های کربی، نانو زئولیتها، نانوکامپوزیتها، سرامیکهای نانومتری که قابلیت به دام انداختن ویروسها و باکتریها را دارند. این فیلترها میتوانند اندوتوکسین های میکروبی، مواد ژنتیکی و ذرات کوچک تا ابعاد میکرو را از آب جدا کنند.
مزایا و ویژگیهای استفاده از فناوری نانو در ضدعفونی کردن و کنترل میکروبی آب شامل موارد زیر است:
- توانایی ضدمیکروبی گسترده در دمای محیط و زمان کوتاه
- عدم تولید ترکیبات مضر و سمی در حین استفاده و بعد از آن
- بی خطر بودن آن برای سلامتی انسان
- کاربرد آسان و مقرون به صرفه
- عدم خاصیت خورندگی سطوح
2-2 جداسازی و حذف انواع آلاینده های آلی و معدنی
تصفیه آب با به کار گیری فناوری نانو برای کشاورزان به ویژه در کشورهای در حال توسعه بسیار مقرون به صرفه میباشد. خالصسازی و تصفیه آب با این فناوری براساس استفاده از فیلترهای غشایی (نانو لوله های کربنی و سرامیکهای متخلخل نانویی) و نانو ذرات مغناطیسی است. فیلترهایی که با نانولوله کربنی ساخته شدهاند، قابلیت به کارگیری در حذف آلاینده ها و مواد سمی از آب قابل شرب را دارا میباشند. همچنین این مواد قدرت بالایی در حذف فلزات سنگین از قبیل سرب، کادمیوم، اورانیوم و آرسنیک دارند. نانو بلورهایی چون مگنتیت[4] ضمن حفظ خصوصیات مغناطیسی خود، قابلیت ایجاد یک پیوند قوی و غیر قابل برگشت با آلاینده هایی نظیر آرسنیک دارند. حذف آرسنیک و ارگانسیمهای موجود در آب با به کارگیری نانو کانی رس مصنوعی و بدون استفاده از تجهیزات گران قیمت امکان پذیر میباشد، بدین ترتیب که تنها با عبور دادن آب از ستونهای حاوی این کانی، آلاینده های موجود درآب حذف میشود. از دیگر مواد نانومتری مورد استفاده در حذف آلاینده های فلزی و آلی از منابع آب میتوان به نانو ذرات آهن صفر ظرفیتی اشاره نمود. نانو زئولیت، اکسیدهای فلزی، فیبرها، آنزیمها و دیاکسید تیتانیوم نیز برای از بین بردن آلودگی در آّب مورد استفاده قرار گرفتهاند. این فناوری کارایی بالایی در حذف ذرات آلی و آفتکشهایی از قبیل DDT، اندوسولفانها و مالاتیون از محیطهای آبی دارد.
2-3 شیرین سازی آب
از فناوریهای مرسوم در زمینه شیرین سازی آب استفاده از اسمز معکوس (RO[5]) میباشد که مقرون به صرفه نبوده و هزینه نگهداری بالایی دارد. به همین دلیل امروزه سعی براین است از روشهایی استفاده گردد که این مشکلات را نداشته و به کارگیری آن نیز بسیار ساده و آسان باشد. از فناوری نانو میتوان برای شیرین سازی و نمکزدایی آب نیز استفاده کرد. نانوساختارهای به کار گرفته شده در این زمینه عبارتند از:
- غشاهای نانوفیلتر
از غشاهای نانوفیلتر برای نرمسازی آب استفاده میشود که در آن سختی آب کم شده و موادآلی، رنگها، باکتریها و ناخالصیهای دیگر از آب خام جدا میشوند. در این فرایند بخشی از مواد معدنی از آب جداشده و بین 10 تا 90 درصد نمکهای نامحلول نیز از آب حذف میشوند.
- غشاهای اولترافیلتر
در اولترافیلتراسیون از یک غشای نیمه تراوا برای فیلتر کردن یک محلول که حاوی عناصر مطلوب و نامطلوب است، استفاده میشود. این غشاها داری حفراتی به قطر 1 تا 100 نانومتری میباشند و میتوانند اجزایی با وزن ملکولی 300 تا 100000 دالتون را از آب جدا کنند. نمکها و اجزای دارای وزن ملکولی پایین از این غشاها عبور کرده و جامدات معلق بزرگتر در سمت دیگر باقیمانده و امکان عبور ندارند.
- غشاهای نانوکامپوزیتی آلی/معدنی
در این روش نمکزدایی از آب با استفاده از بستر پلیمری حاوی نانو ذرات (زئولیت) و یا با بهرهگیری از فیلمهای نازک غشاهای نانوکامپوزیتی (TFN)، صورت میگیرد. استفاده از این غشاها موجب کاهش مصرف انرژی تا حدود 40 درصد میشود. همچنین میزان دفع نمک و دبی جریان عبوری از غشا افزایش یافته و میزان کثیف شدگی و گرفتگی غشا نیز کاهش مییابد.
- غشاهای نانولوله کربنی
سطح بسیار صاف و آبگریز داخلی این نانو لولهها امکان جریان سریع سیالات در آنها را فراهم میکند. اما سایر آلاینده ها و به ویژه نمکها، به دلیل باری که در انتهای نانولولهها وجود دارد، قابلیت عبور از این منافذ را نداشته و دفع میگردند (شکل 1). این مواد را میتوان به گونهای طراحی کرد که دارای خاصیت گزینشپذیری در عبور مواد از خود باشند و یونها و نمکهای نامطلوب را از آب حذف نمایند. ویژگیهایی چون مصرف کم انرژی (کاهش مصرف انرژی به میزان 75 درصد)، خاصیت ضد رسوب و خود تمیزشوندگی این نانولولهها، از دیگر برتریهای آن نسبت به دیگر روشها محسوب میشود.
شکل 1- مکانیسم عملکرد نانولوله کربنی در شیرین سازی آب
- غشاهای نانولوله نیتریدبور
این غشاها میتوانند با دارا بودن جریان آب معادل چهار برابر جریان آب غشاهای موجود، نمک موجود در آبی با شوری دو برابر آب دریا را صد در صد تصفیه کنند.
2-4 نانوحسگرها
نانوحسگرها قادر به تشخیص تغییرات فیزیکی و شیمیایی در آب بوده و به دلیل اندازه بسیار کوچک و ساختار نانومتری از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی برخوردارند. کاربردها و قابلیتهای این نانوحسگرها در آب عبارتند از:
- تشخیص نوع و میزان آلودگی در آب
- تشخیص آلایندگی قبل از شیوع آلودگی در کل آب
- حساسیت بسیار بالا به میزان تغییرات pH آب
3 زراعت و اصلاح نباتات
زراعت و اصلاح نباتات علمی است که در آن به مطالعه و بررسی در زمینه کاشت و پرورش گیاهان زراعی، انتخاب گیاهان مناسب و برداشت صحیح محصولات پرداخته میشود. بشر امروزی میتواند به کمک این علم رفتار و فعالیت گیاه را تحت کنترل خود درآورد به طوری که پیشرفت این علم کمک شایانی به تولید پایدار محصولات کشاورزی خواهد کرد. توسعه فناوری نانو در علم زراعت و اصلاح نباتات موجب بروز تکنیکهای جدید و تولید گیاهانی با ویژگیهای مناسب خواهد شد. برخی از این تکنیکها و روشها به شرح زیر میباشد.
3-1 انتقال ژن به گیاه
محققان با دستکاری ژنی و بیان ژنی خاص در گیاه درصدد تولید گیاهانی با و ویژگیهای منحصر به فرد هستند که اصطلاحا به آنها تراریخت میگویند. با این فناوری میتوان گیاهانی با ویژگیهای گوناگون تولید کرد که عبارتند از:
- تولید گیاهان مقاوم به سرما
- تولید گیاهان مقاوم به شرایط شوری و خشکی
- تولید گیاهان مقاوم به انواع آفتها
- تولید گیاهانی کارا در جذب آب و عناصر غذایی
- تولید گیاهانی که میزان تولید محصول در واحد سطح افزایش یابد
فناوری نانو با بهبود تکنیک انتقال ژن به داخل گیاه، میتواند در فرآیند تولید گیاهان تراریخت نقش آفرینی کند. مزیتهای ایجاد شده به کمک فناوری نانو شامل موارد زیر میگردد:
- استفاده از سیستمهای نانومتری برای انتقال ژن
- انتقال ژن از طریق دیواره سلولی به داخل سلولها با کمک ابزارهایی از قبیل AFM، بدون آسیب رساندن به دیواره سلولی
3-2 کنترل فعالیت سلولهای گیاهی
در سالهای اخیر در عرصه مهندسی کشاورزی و زراعت، از نانو کپسولهایی استفاده میکنند که این کپسولها میتوانند بلافاصله توسط تارهای کشنده ریشه جذب شده و وارد گیاه شوند. این نانو کپسولها دارای صدها نانو ذره هستند که در بدنه و شیره گیاهی آزاد شده و لحظه به لحظه از سیستم شیرههای خام و پرورده و وضعیت داخلی گیاه گزارش میدهند. در این حالت گیاه کاملاً در معرض دید و مشاهده کشاورز و مهندسین کشاورزی قرا میگیرد و از این طریق اطلاعاتی از وضعیت درونی گیاه اعم از کمبودها و تغییرات دیگر در اختیار کشاورز قرار میگیرد. همچنین میتوان روکشهایی از جنس مواد مغذّی و مفید با نانو ذره حسگر همراه کرد تا بدین طریق نیازهای غذایی گیاه نیز تامین گردد.
3-3 افزایش جوانه زنی بذر و رشد گیاه
یکی از عوامل مهم در زراعت، به کارگیری روشهایی است که از طریق آن درصد جوانه زنی بذر و به طبع آن رشد گیاه افزایش یابد. این امر موجب افزایش تولید محصولات کشاورزی خواهد شد. در سالهای اخیر تحقیقات متعددی، اثرات نانوذرات را بر جوانه زنی و رشد گیاه به منظور کاربرد آن در تولید محصولات کشاورزی مورد مطالعه قرار گرفته است که در این میان میتوان به استفاده از نانوذرات مختلفی چون نانو دیاکسید تیتانیم، نانو لوله کربنی، نانو ذرات فلزی/اکسید فلزی (آلومینیوم، روی، سیلیکون، پالادیوم، مس و طلا) اشاره نمود. نکته کلیدی در افزایش جوانه زنی، نفوذ نانو ذرات به درون بذر است که بر اساس گزارشات موجود، در این حالت میزان جذب آب توسط بذر افزایش مییابد. برخی از مزایای استفاده از این ذرات عبارتند از:
- افزایش میزان فعالیت فتوسنتزی گیاه
- افزایش درصد و سرعت جوانه زنی بذر
- افزایش ارتفاع ساقه و ریشه
- افزایش میزان بیومس تولید شده توسط گیاه
- افزایش توانایی تحمل شرایط کم آبی
با این حال آینده مصرف نانوذرات برای افزایش جوانه زنی و رشد گیاه با چالش هایی مواجه است که از این میان میتوان به غیرقابل پیش بینی بودن اثرات نانوذرات بر گیاهان مختلف، سمیت در غلظت های بالا و کاهش جذب نور و فتوسنتز در حضور نانوذرات با اندازههای بزرگتر اشاره کرد.
3-4 هیدروپونیک[6]
هیدروپونیک (آبکشت) فناوری رشد و کشت گیاهان بدون خاک میباشد که امروزه به طور گسترده برای رشد محصولات زراعی در جهان استفاده میشود. علیرغم آنکه بسیاری از میوهها و سبزیجات در سوپرمارکتها، محصولات هیدروپونیک میباشند؛ اما این تکنولوژی در تولید محصولات غذایی کمتر شناخته شده است. از عمدهترین محصولات هیدروپونیکی میتوان به گوجهفرنگی، خیار، فلفل، کدو، کاهو، توت فرنگی و بادمجان اشاره نمود. دیگر کاربردهای هیدروپونیک تولید گیاهان علوفهای و محصولات سوختهای زیستی میباشد. فناوری نانو در رابطه با هیدروپونیک به استفاده از نانوذرات فلزی رشد دهنده گیاهان معطوف شده است. این فناوری منجر به کاهش مصرف انرژی و افزایش میزان فتوسنتز در گیاه هنگام کشت هیدروپونیک میشود.
4 مدیریت پس از برداشت
پس از برداشت محصول موادی از قبیل اکسیژن، دیاکسید کربن، رطوبت، اتیلن، اتانول و آنتی اکسیدانها با محصولات کشاورزی واکنش میدهند. این ترکیبات شرایط مناسبی برای رشد و تکثیر میکروارگانیسمهایی نظیر بوتریتیس[7]، مونیلا[8]، پنیسیلیوم[9] و … ایجاد میکند. با آلوده شدن یک میوه سایر میوهها نیز در معرض این میکروبها قرار گرفته و باعث تغییر رنگ، طعم، بو، نسج و ارزش غذایی آن میشوند. در نتیجه میزان ضایعات انبارداری افزایش مییابد. لذا نحوه نگهداری محصول و شرایط انبارداری، نقش مهمی در کاهش ضایعات محصولات کشاورزی داشته و طول مدت انبارمانی را افزایش میدهد.
بر اساس آمار حدود ۳۰ درصد محصولات کشاورزی به ویژه پس از برداشت و در مرحله انبارداری به ضایعات تبدیل میشود که حدود ۶۰ میلیارد متر مکعب هدر رفت آبی را به همراه دارد [28]. همچنین طبق آمار سازمان خوار و بار جهانی (FAO)، یک چهارم از غذای تولید شده در کشورهای در حال توسعه به دلیل فساد و گندیدگی در فرآیندهای پس از برداشت هدر میرود. این آمار در مورد برخی میوهها و سبزیها تا %50 تخمین زده شده است. متوسط تولید سالانه میوه و سبزی در ایران 25 میلیون تن است و میزان ضایعات این حجم از تولید به صورت سالانه 6/7 میلیون تن، معادل بیش از %30 تولید محاسبه میشود. این در حالی است که میزان این ضایعات در کشورهای توسعه یافته 7 الی 10 درصد تولید میباشد [29]. فناوری نانو با تولید سامانه ها و موادی از قبیل:
- سامانه های حذف اتیلن از محیط
- پوششهای نانویی قابل اعمال روی میوه ها
- بسته بندیهای نانوکامپوزیتی
میتواند کمک بسیار موثری در مدیریت پس از برداشت داشته و با حذف ترکیبات و مواد شیمیایی مضر از محیط پیرامون محصولات کشاورزی، مدت زمان انبارداری محصول را افزایش دهد.
5 گیاهپزشکی
بسیاری از گیاهان و محصولات کشاورزی در اثر حمله آفات و بیماریها در طول دوره رشد خود، یا به طور کلی از بین میروند و یا میزان تولید محصول آنها به شدت کاهش مییابد. گیاهپزشکی علمی است که در آن به تشخیص، کنترل و از بین بردن آفات و بیماریها در گیاهان پرداخته میشود. ظهور فناوری نانو در این علم موجب گسترش هرچه بیشتر آن شده است که در زیر به مواردی از آن اشاره خواهد شد.
5-1 کنترل آفات
حفاظت از محصولات کشاورزی در مقابل هجوم آفات مورد توجه دولت، کشاورزان و افراد متخصص در این زمینه است. از دیرباز تا کنون، آفتکشهای مصنوعی برای کنترل آفات مورد استفاده قرار میگیرند. با این حال خطرات زیست محیطی آفتکشها، مانند مقاومت آفات به سموم مصنوعی و سمیت آنها برای انسان، پستانداران و حشرات مفید، تمایل به استفاده از سموم کم خطر را افزایش داده است. سموم مبتنی بر میکرو و نانومواد از فرمولاسیونهای جدیدی بهرهمند هستند که به تازگی به عنوان یک جایگزین مناسب برای سموم شیمیایی مصنوعی در نظر گرفته شدهاند. فرموله کردن آفتکشها در مقیاس میکرو و نانومتری برای دستیابی به اهداف زیر انجام میشود:
- کنترل رهایش ماده موثر آفتکش
- حفاظت از اثرات نامطلوب زیست محیطی آفتکشها
- افزایش پایداری در شرایط انبارداری
- افزایش ثبات شیمیایی در محیط
- کاهش سمیت آفت کشها برای پستانداران، گونههای غیرهدف، حشرات مفید و غیره
روشهای فیزیکی و شیمیایی توسعه یافته مختلفی برای تهیه آفتکشها با ابعاد نانو وجود دارد که به آن اشاره خواهد شد.
5-1-1 استفاده از نانوذرات برای مدیریت آفات
برخی از نانو ذرات فلزی، غیر فلزی و اکسید فلزی دارای اثر حشره کشی هستند. از این ذرات میتوان به آلومینای نانو ساختار، نانو نقره، نانو کادمیوم سولفید، نانو تیتانیوم دی اکسید، نانو ذرات سیلیس و نانو ذرات گوگرد اشاره داشت. نانوذرات مزبور به طور موثری به سلولهای میکروبی لارو حشره هجوم آورده و باعث تغییر شکل و سپس مرگ لاروها میشوند. علاوه بر این نانوذراتی چون نقره و گوگرد در کنترل قارچهای بیماریزای گیاهی نقش داشته و باعث مهار تولید هاگ و رشد این قبیل قارچها میشوند.
5-1-2 کنترل آفات و علفهای هرز توسط نانوذرات بارگذاری شده با آفتکشها و علف کشها
در سالهای اخیر برخی از نانو ذرات به منظور بارگذاری انواع آفتکشها مانند حشره کشها، کنه کشها، پاتوژنهای بیماریزای حشرات، قارچ کشها و علفکش تولید شده است. در اغلب این موارد نانوذرات به عنوان حامل سم، تولید و مورد استفاده قرار میگیرد. در این حالت ماده موثر آفتکشها به صورت تدریجی رهایش یافته و این رهایش دارای مزایایی است که از آنها میتوان به مقرون به صرفه بودن، ایمنی محیط زیست با جلوگیری از استفاده بیش از حد از آفتکشها و شسته شدن خاک به آبراههها، کاهش خطر گیاهسوزی و سمیت برای انسان اشاره نمود.
5-1-3 کنترل آفات و علفهای هرز توسط نانوکپسولها
نانوساختارهایی که بیشترین استفاده را در فرمولاسیونهای رهایش تدریجی آفتکشها دارند شامل نانوکرهها[10]، نانوکپسولها، نانوژلها و میسلها هستند که متداولترین فرم این نانوساختارها، نانو کپسولها میباشند. امروزه مونومرهای مختلفی به عنوان لایه پوششی نانو کپسولها مورد بررسی و مطالعه قرار میگیرند. این مونومرها پس از استقرار در اطراف ذرات ترکیب مورد نظر، با ایجاد اتصال به یکدیگر به صورت پلیمر در آمده و نانو کپسول را تشکیل میدهند و ماده درون این کپسول (شامل دارو، آفتکش، علفکش، کود و …) پس از رسیدن به هدف مورد نظر و تحت شرایط پیش بینی شده قبلی (شامل شرایط محیطی معین یا محرکهای اعمال شده از محیط)، از هم گسیخته شده و ماده حمل شده را در نزدیکترین فاصله ی ممکن به هدف، آزاد میسازد. این فرآیند به منظور ارسال ماده ژنتیکی (DNA) به گیاه به منظور ایجاد مقاومت در برابر آفات و بیماری ها نیز قابل انجام است. استفاده از این نانو کپسولها مزایای متعددی دارد که میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- افزایش زمان فعالیت زیستی سم
- کاهش میزان چسبندگی ذرات سم به ذرات خاک و درنتیجه افزایش کارایی سم در کنترل آفات خاکزی
- کاهش خطرات ناشی از در معرض سم قرارگرفتن کارگران سمپاش
- افزایش ایمنی حمل و مصرف آفتکشها به دلیل حذف حلالهای آتشزا از فرمولاسیون سموم
- کاهش خاصیت گیاهسوزی آفتکشها
- کاهش تبخیر سم به دلیل کپسوله شدن آن
- کاهش اثرات سوء جانبی روی موجودات غیر هدف و محیط زیست
- حذف تخریب ماده موثره سم در اثر نور آفتاب
- سهولت حمل و مصرف سموم به دلیل تغلیظ آنها
مکانیسم رهاسازی یک نانوکپسول شامل: انتشار، انحلال، تجزیه زیستی و فشار اسمزی در یک pH منحصر به فرد است.
5-2 ردیابی پاتوژنهای بیماریزای گیاهی
وجود سیستم های ردیابی هوشمند، موقعیتیابی و گزارش پاتوژن در مزرعه و به دنبال آن بکارگیری سموم و کود پیش از بروز علایم بیماری در محیطهای کشت محصول، لازم و ضروری است. به همین منظور نانو بارکدهایی تولید شدهاند که میتوانند به عنوان شاخصی جهت شناسایی عوامل بیماریزای گیاهی از قبیل ویروس ها، باکتری ها، قارچ ها و… عمل نمایند. این نانو بارکدها میتوانند تعداد زیادی از پاتوژنها را برچسب بزنند و در نتیجه پاتوژنها از طریق تابش فلورسانس به راحتی قابل شناسایی میباشند. به کمک این روش میتوان چندین پاتوژن را در یک مزرعه، به سادگی شناسایی کرد. از جمله مثال های موجود میتوان به کاربرد نانو ذرات سیلیکای فلورسنتدار در ردیابی باکتری بیماریزای گیاهی Xanthomonas axonopodis pv. vesicatoriae عامل شانکر درختان اشاره کرد.
6 ماشینهای کشاورزی
از کاربردهای فناوری نانو در این حوزه میتوان به طور مختصر به موارد زیر اشاره نمود:
- کاربرد در پوششهای بدنه ادوات و ماشینها و ابزارهای کشاورزی و حتی شیشهها برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی و ساییدگی و انعکاس امواج ماوراء بنفش
- تولید قطعات مکانیکی مستحکمتر با استفاده از نانو روکشها و استفاده از حسگرهای زیستی در ماشین آلات هوشمند جهت مبارزه مکانیکی و شیمیایی با علفهای هرز
- بهینهسازی میزان و شکل سموم مصرفی و وسایل سمپاشی
- تولید روکشهای نانویی یاتاقانها برای کاهش اصطکاک
- تولید قطعات مختلف موتور ماشینهای کشاورزی جهت افزایش مقاومت به سایش، خوردگی، حرارت و نیز کاهش اصطکاک
- استفاده از فناوری نانو در تولید سوختهای جایگزین و آلودگی کمتر محیط زیست
7 علوم دام
برخی از این کاربردهای فناوری نانو در این حوزه به طور مختصر عبارتند از:
- نانوذرات نقره: ضدعفوني کردن جايگاه هاي نگهداري دام و طيور و جلوگيري از رشد باکتري ها
- نانوفيلترها: فيلتر نمودن محصولات لبني از ميکروب ها و ويروس ها
- تهویه نمودن هوا
- استفاده از حسگرهاي تشخيص دهنده بيماري در بدن دام
8 نتیجه گیری
همانگونه که در این گزارش به طور مختصر بیان شد، فناوری نانو برای ارتقاء بخشهای مختلف در حوزه کشاورزی و دامداری، توانمندیهای بینظیری از خود نشان داده است. امکان افزایش تولید، کاهش ضایعات، کاهش مصرف کودهای شیمیایی، افزودن خواص بهتر به محصولات کشاورزی، سهولت در فرآوری و ایمنی بالاتر محصولات غذایی، تامین آب و تضمین کیفیت و سلامت آن و افزایش عمر ماشینالات از خدمات فناوری نانو به این حوزه وسیع از فعالیتهای بشری است. با توجه به مزایای استفاده از فناوری نانو در این حوزه، به نظر میرسد در آینده نزدیک حجم بازار قابل توجهی در این حوزه نصیب محصولات و خدمات مبتنی بر فناوری نانو شود. گرچه علیرغم تنوع محصولات وارد شده به بازار این فناوری و البته مانند هر فناوری جدید دیگری، علنی شدن نقش فناوری نانو در توسعه کشاورزی و پذیرش آن در بین مصرف کنندگان و همچنین مشخص شدن اثرات جانبی استفاده از آن، نیاز به تکمیل بررسیهای علمی و صنعتی بیشتر دارد. در ایران نیز شرکتها و مراکز تحقیقاتی بسیاری بر استفاده از فناوری نانو برای تولید یا توسعه محصولات مختلف مرتبط با این حوزه تمرکز کردهاند و دستآوردهای مناسبی در این زمینه داشتهاند.
——————————————————
منابع
- Bhupindar Singh Sekhon. (2014). Nanothechnology in agri-food production: an overview. Nanothechnology, Science and Applications. India. dovepress.com. 23 p.
- ستاد ویژه توسعه فناوری نانو. مروری بر کاربردهای فناوری نانو در کشاورزی و صنایع غذایی. ماهنامه فناوری نانو، سال دوازدهم. مهر 92. شماره 7. پیاپی 192. 2 صفحه.
- Prasad, R., Kumar W. and K. S. Prasad (2014). Nanotechnology in sustainable agriculture: Present concerns and future aspects, African Journal of Biotechnology, Vol. 13(6): 705-713
- . Sekhon, B. S. (2010). Food nanotechnology – an overview.Nanotechnology, Science and Applications. 3: 1–15
- ملکوتی م ج. 1393. توصیه بهینه مصرف کود برای محصولات کشاورزی در ایران. انتشارات مبلغان به سفارش خانه کشاورز. 344 صفحه. تهران، ایران.
- نادری م، دانش شهرکی ع. 1390. کاربرد فناوری نانو در بهینه سازی فرمولاسیون کودهای شیمیایی. معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری، ماهنامه فناوری نانو. سال دهم، شماره4. پیاپی 165. تهران، ایران.
- Kulasekaran Ramesh, Dendi Damodar Reddy, Chapter Four – Zeolites and Their Potential Uses in Agriculture, In: Donald L. Sparks, Editor(s), Advances in Agronomy, Academic Press, 2011, Volume 113, Pages 219-241
- Park, B., et al., (2013). In Advances in Applied Nanotechnology for Agriculture; Chapter 11: Biochar: Sustainable and Versatile. Oxford University Press. ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC. 257 pages.
- . Gu, X., Wang, Y., Lai, L., Qiu, J., Li, S., Hou, Y., Martens, W., Mahmood, N. and Sh. Zhang (2015). Microporous bamboo biochar for lithium−sulfur battery.
- Zhang, M., Gao, B., Ying, Y., Xue Y., and I. Mandu (2012). Synthesis of porous MgO-biochar nanocomposite for removal of phosphate and nitrate from aqueous solutions. Chemical Engineering Journal,.
- حسنی، م. مقصودلو، م. نمازی، ح. 1393. هیدروژلهای نانو کامپوزیتی، خصوصیات و موارد استفاده آنها. سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو. nano.ir.
- Rai, V., Acharya, S. and Dey, N.(2012). Implications of nanobiosensors in agriculture. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 3: 315-324
- Rana, J. S., Jindal, J., Beniwal, V., & Chhokar, V. (2010). Utility biosensors for applications in agriculture–A Review.Journal of American Science,6(9), 353-375.
- http://www.aist.go.jp/aiste/latestresearch/2004/20040402_1/20040402_1.html
- ستاد ویژه توسعه فناوری نانو. گزارشی از فعالیتهای ستاد ویژه توسعه فناوری نانو درزمینه بهکارگیری فناوری نانو در صنعت تصفیه آب و پساب. بهمنماه 1393.
- Qu, X., Alvarez, P.J.J., Li, Q., (2013). Applications of Nanotechnology in Water and Wastewater Treatment, Water Research. doi: 10.1016/j.watres.2012.09.058.
- Fahim H., Perales-Perez, O.J., Hwang, S. and F. Román, (2014). Antimicrobial nanomaterials as water disinfectant: Applications, limitations and future perspectives, Science of The Total Environment. 466–467: 1047-1059.
- Das, R., Ali, M.E., Bee Abd Hamid, S., Ramakrishna, S. and Z. Chowdhury (2013). Carbon nanotube membranes for water purification: A bright future in water desalination, Desalination 336: 97-109
- عباسی، ع. 1391. کاربرد فناوری نانو در تصفیه آب، مجموعه گزارشهای رصد فناوری نانو. سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو. nano.ir.
- Mahdi Fathizadeh, Abdolreza Aroujalian, Ahmadreza Raisi, Effect of added NaX nano-zeolite into polyamide as a top thin layer of membrane on water flux and salt rejection in a reverse osmosis process, Journal of Membrane Science, Volume 375, Issues 1–2, 15 June 2011, Pages 88-95.
- Hang Dong, Lin Zhao, Lin Zhang, Huanlin Chen, Congjie Gao, W.S. Winston Ho, High-flux reverse osmosis membranes incorporated with NaY zeolite nanoparticles for brackish water desalination, Journal of Membrane Science, Volume 476, 15 February 2015, Pages 373-383.
- Chieh-Jui Tsou, Yann Hung, Chung-Yuan Mou, Hollow mesoporous silica nanoparticles with tunable shell thickness and pore size distribution for application as broad-ranging pH nanosensor, Microporous and Mesoporous Materials, Volume 190, 15 May 2014, Pages 181-188.
- خیام نکویی، م. بیآزار، ا. صالحی جوزانی، غ. 1389. فناوری نانو در علوم کشاورزی. انتشارات پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی به سفارش کمیته فناوری نانو وزارت جهاد کشاورزی. 241 صفحه. تهران، ایران.
- Chinnamuthu C.R. and Murugesa Boopathi P. (2009). Nanotechnology and Agroecosystem, Madras Agric. J., 96 (1-6): 17-31.
- Ali MA, Rehman I, Iqbal A, Din S, Rao AQ, Latif A, Samiullah TR, Azam S, Husnain T. (2014). Nanotechnology, a new frontier in Agriculture. Adv. life sci., 1(3), pp. 129-138.
- Khodakovskaya et al., (2009). Carbon Nanotubes Are Able To Penetrate Plant Seed Coat and Dramatically Affect Seed Germination and Plant Growth. ACS Nano. 3(10):3221–3227
- Khot L.R, Sankaran, S., Maja, M., Ehsani, R. and E.W. Schuster (2012). Applications of nanomaterials in agricultural production and crop protection: A review. Crop Protection; 35: 64-70
- سایت ir– خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا).
- کریدور- ماهنامه خدمات فناوری تا بازار/ سال اول/ شماره 3/ مهر و آبان 1390.
- حسين ميرزايي مقدم، محمدهادي خوش تقاضا، محسن برزگر بفروئي ، علي سليمي، “بررسي اثر نانو زئوليت پتاسيم پرمنگنات و زمان نگهداري بر خواص فيزيكوشيميايي ميوه كيوي(رقم هيوارد)”، نشريه ماشين هاي كشاورزي، جلد 4، شماره 1، نيمسال اول 1393 ، ص 49-37.
- معاونت برنامه ریزی و اقتصادی، وزارت جهاد کشاورزی، ” مدیریت کاهش ضایعات محصولات کشاورزی”، طرح مطالعات جامع کاهش ضایعات محصولات کشاورزی.
- ضیایی، م. حمزهوی، ف. 1393. کاربردهای نانو ذرات در جلوگیری و کنترل آفات. ماهنامه فناوری نانو. سال سیزدهم. دیماه 93. شماره 10. پیاپی 207. صفحات 18-23.
- پوررحیم، ر. فرزادفر، ش. گلنراقی، ع.ر. فناوری نانو و کشاورزی. انتشارات سپهر. چاپ اول 1387. 263 صفحه.
- Dura´n, N. and P. D. Marcato (2013). Nanobiotechnology perspectives. Role of nanotechnology in the food industry: a review. International Journal of Food Science and Technology. 48: 1127–1134
———————————————————–
شناسنامه
تهیه کننده: گروه ترویج صنعتی فناوری نانو در حوزه کشاورزی، صنایع غذایی، محیط زیست و صنایع وابسته
نویسندگان: احسان خوشکلام، ملیحه طالبی اتوئی، میثم بخشی گنجه، فتح الله احمدی گل، محمد مفتاحی
———————————————————–
[1]Biochar
[2] Biomass
[3] Ampholytic
[4] Magnetite
[5] Reverse Osmosis
[6] Hydroponic
[7] Botrytis
[8] Monilinia
[9] Penicillium
[10] استفاده از پوششهای پلیمری چون Gelyceryl ester of fatty acids
———————————————————-
برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.


