رویداد بسیار مهم در تاریخ کشاورزی جهان، فهم بشر از نحوه­ی پرورش گیاهان است. انسان بعد از آزمون و خطاهای بسیار توانست گیاهان وحشی را تحت کنترل خود درآورده و با تولید بذر و نهال به تکثیر آن­ها بپردازد. به تدریج این­کار رونق گرفت و بخشی از نیازهای غذایی  جامعه بدین طریق تامین شد. با گذشت سالیان متمادی مشکلات بسیاری در کشاورزی به وجود آمد. مسائلی چون از بین رفتن خاک، کاهش منابع آب، افزایش جمعیت و آلودگی محیط زیست، تغییر شرایط آب و هوایی و نیاز روزافزون جامعه به غذای تازه و سالم و دردسترس، در صنعت کشاورزی پدیدار گشت. به منظور کاهش این مشکلات و افزایش تولید محصولات غذایی فکر ایجاد گلخانه و محیط­های کنترل شده کشت (CEA)[1] در ذهن انسان نقش بست. با ایجاد چنین محیط­هایی، نیازهای غذایی تا حد زیادی تامین شده و در تمام مدت سال دسترسی کافی به انواع محصولات وجود دارد. همانطور که از اسم محیط­های کنترل شده کشت نیز مشخص است، باید شرایط رشد گیاه در تمام مدت پایش گردد. به همین علت فناوری­های متعددی در محیط­های کنترل شده کشت به­کار گرفته می­شود. یکی از این فناوری­ها که قابلیت کاربرد در چنین محیط­هایی را دارد، فناوری نانو می­باشد. فناوری نانو توانایی­های متعددی به این فضا می­افزاید و با امکاناتی که در اختیار چنین محیط­هایی قرار می­دهد، چه از لحاظ تغذیه­ای و چه از لحاظ کنترل شرایط کشت، باعث افزایش تولید محصولات کشاورزی خواهد شد. در این گزارش به برخی از این قابلیت­ها می­پردازیم.

1          خصوصیات و مزایای محیط­های کنترل شده کشت

محیط­های کنترل شده کشت، معروف به CEA، در حقیقت اصلاح و تغییر محیط طبیعی از جمله کنترل سیستم ریشه و بوته گیاه در تمام فصول است و ترکیب سیستم گلخانه و تکنیک­های هیدروپونیک[2] در آن رخ داده است. این کنترل­ها شامل درجه حرارت هوا و ریشه، میزان روشنایی، آب، رطوبت، دی­اکسید کربن و تغذیه گیاه می­باشد. این محیط یکی از دقیق­ترین فضاهای موجود برای تولید محصولات کشاورزی است. در 20 سال گذشته تحولات شگرفی در آن صورت گرفته است تا رشد گیاه به حداکثر ممکن ارتقا یابد. دستگاه‌های مختلفی در چنین فضاهایی به کار می­روند و فناوری­های به کار رفته در آن‌ها به سرعت در حال تغییر و تحول است. امروزه تولید صیفی­جات، گل­های زینتی و تولید نهال گیاه از طریق کشت دانه و روش­های کشت بافت، در محیط­های کنترل شده کشت صورت می­گیرد.

شکل 1. نمونه­هایی از محیط­های کنترل شده کشت

 

تولید محصولات کشاورزی در گلخانه­ها و محیط­های کنترل شده کشت، روز به روز در حال افزایش است. بر اساس گزارش سازمان خوار و بار جهانی (FAO) در سال 2013، بیش از 405000 هکتار گلخانه در سرار دنیا وجود داشت [1] و تنها در مدت زمان 2 سال مساحت زمین­های گلخانه­ای افزایش یافته و به 414127 هکتار در سال 2015 رسیده است [2]. یکی از دلایل عمده­ی ایجاد چنین محیط­هایی، تولید انبوه مواد غذایی در تمام طول سال است. اگر در چند سال گذشته و در منطقه مدیترانه تولید 100 تن در هکتار گوجه­فرنگی یک عملکرد خوب در نظر گرفته می­شد، امروزه با پیشرفت فناوری و کنترل هرچه بیشتر محیط، میزان تولید گوجه­فرنگی به بیش از 300 تن در هکتار افزایش یافته است [1]. تولید گوجه­فرنگی و خیار در کشور فنلاند (2014) و در محیط­های کنترل شده کشت به ترتیب، 40 و 38 میلیون کیلوگرم بوده است [3]. کشور ایتالیا نیز در بازه­ی زمانی 2006 تا 2014 با استفاده از محیط­های کنترل شده کشت، میزان تولید گوجه­فرنگی را از 50 تن در هکتار به 400 تن در هکتار افزایش داده است [4]. این میزان حجم تولید به علت مزایایی است که محیط­های کنترل شده کشت فراهم می­کنند. این فواید و مزایا به طور خلاصه عبارتند از:

1. در دسترس بودن هر چه بهتر مواد غذایی برای گیاه و بهره مند شدن از یک تغذیه سالم
2. کنترل هر چه بهتر محیط، به طوریکه رطوبت، درجه حرارت و نور مناسب در اختیار گیاه قرار گیرد
3. مصرف بهینه نهاده­های کشاورزی چون آب، کود و سم
4. کاهش مصرف انرژی
5. افزایش تولید در واحد سطح و تولید محصول کشاورزی در طول سال

2           مشکلات محیط­های کنترل شده کشت و راه حل‌های موجود

به دلیل برخورداری محیط­های کنترل شده کشت از فناوری­های متعدد و به روز، هزینه ساخت و تجهیز این چنین محیط­هایی زیاد است. در این فضاها باید محیط مناسبی از لحاظ رطوبت، نور و درجه حرارت فراهم گردد و تغذیه گیاه به طور کامل کنترل شود. کنترل این محیط نیاز به یک سیستم دقیق رایانه­ای دارد. گیاهان به دلیل رشد در شرایط گلخانه، بسیار حساس هستند و با اندک تغییر شرایط محیط، امکان کاهش عملکرد وجود دارد. میزان هدایت الکتریکی (EC)[3] و pH آب و محلول­های غذایی نیز (بسته به نوع گیاه) باید در یک محدوده مشخص قرار گیرد و به طور مداوم کنترل شود. از سوی دیگر، به دلیل مهیا بودن تمامی شرایط، رشد آفات و بیماری­ها نیز افزایش می­یابد که باید با تکنیک­های مختلف با این امراض مقابله کرد و این خود مستلزم صرف هزینه، وقت و انرژی است. به همین دلیل، محققین در پی یافتن راه­حل­هایی هستند که بتواند ضمن کاهش هزینه­ها، مشکلات و پیچیدگی­های کار را به حداقل ممکن کاهش دهد و مصرف انرژی و نهاده­های کشاورزی بهینه­تر گردد. فناوری نانو قابلیت حل این مسائل و ورود به بخش­های مختلف محیط­های کنترل شده کشت را دارد. این موارد عبارتند از:

1. کنترل شرایط محیط و رشد گیاه
2. تغذیه گیاه
3. کیفیت آب
4. کنترل آفات

2-1   کاربرد فناوری نانو در کنترل شرایط محیط و رشد گیاه

کنترل شرایط محیط و رشد گیاه در محیط­های کنترل شده کشت، نیاز به فناوری بالا و گاه پیچیده و گران­ قیمت دارد. فناوری نانو با کاربرد نانوحسگرها در فضاهای یاد شده، قابلیت حل این مسئله را داراست. از مزیت نانوحسگرها می­توان به حجم بسیار کوچک، قابلیت حمل آسان، حساسیت (نسبت به کنترل شرایط) و دقت بالا، قابل اعتماد، مقاوم، قابلیت تکرار پذیری بالا در ثبت اعداد و ارقام اشاره کرد (شکل 2).

شکل 2. شماتیک یک نانوحسگر با قطعات همراه و ابعاد آن [5] لطفا موارد زیر توسط صفحه آرا در تصویر جایگزین کلمات انگلیسی شوند. Nanosensors: نانوحسگر Nanoactuator: فعال­کننده نانویی Nano-Memory: حافظه نانویی Nano-Antenna: آنتن نانویی Nano-EM Transceiver: فرستنده و گیرنده نانویی Nano-Processor: پردازنده نانویی Nano-Power Unit: واحد نیرو نانویی

 

نانوحسگرها را می‌توان در قسمت­های مختلف محیط­های کنترل شده کشت (محیط ریشه و در خاک یا محلول غذایی، فضای گلخانه، منبع آب) نصب کرد. بدین طریق، نانوحسگرها اطلاعات و داده­های گوناگون را از فضاهای مختلف جمع آوری کرده و در زمان­های مشخص به رایانه ارسال می­کنند. کشاورزان و تولید­کنندگان با توجه به اطلاعات دقیق دریافتی از نانوحسگرها، تصمیمات لازم را اتخاذ می­کنند. همچنین نانو حسگرهای هوشمند با اتصال به GPS کارکرد بهتری می­یابند و از این طریق می­توان به روند پرورش و رشد محصول نظارت داشت (شکل3). بخشی از اطلاعات ارسال شده از طریق نانوحسگرها شامل موارد زیر است.

1. درجه حرارت و رطوبت فضای موجود و محیط ریشه،
2. تعیین میزان آب مصرفی و دور آبیاری در طول دوره­ی رشد گیاه
3. تشخیص میزان عناصر غذایی موجود در محیط کشت
4. میزان گاز CO₂ محیط
5. پایش میزان رشد گیاه و تعیین زمان برداشت محصول
6. تعیین آلودگی­های میکروبی و شیمیایی در محیط کشت و آب
7. تشخیص بیماری­های گیاهی
8. تشخیص هورمون­های گیاهی

شکل3. جمع آوری اطلاعات توسط نانوحسگرها از مناطق مختلف محیط کشت و ارسال آن به رایانه لطفا اعداد داخل تصویر توسط صفحه آرا حذف گردند.

 

نانوحسگرهای بی­سیم با قرارگرفتن در منطقه ریشه و محیط اطراف گیاه میزان رطوبت را کنترل می­کنند. در این فناوری از سیستم­های میکروالکترومکانیکی (MEMS)[4] استفاده می­شود. میله­های انتهایی این سیستم که در منطقه مورد نظر قرار دارد، با استفاده از نانوپلیمرهای حساس به رطوبت پوشش داده می­شوند. در نتیجه با تغییر میزان رطوبت محیط، این حسگر به سرعت و با دقت زیادی به آن واکنش نشان می‌دهد و بنابراین میزان تغییرات رطوبت به طور دقیق ثبت می­گردد. همچنین در همین ناحیه مجموعه‌ای از نانوتراشه­های حساس به دما نصب می­شود تا کمترین میزان تغییرات دمایی را ثبت کند. بر روی نانوحسگرها با توجه به نوع مولکول و ماده­ی هدف، گیرنده­های خاصی قرار می­گیرد. این گیرنده­های نانویی به مقادیر بسیار کم ماده­ی مورد نظر حساس بوده و در اثر دریافت و برخورد با ماده­ی هدف، سیگنال متفاوتی را از خود ارسال می­کند. به این ترتیب این حسگرها قادر به تشخیص و شناسایی مقادیر جزئی از مواد هستند (شکل 4).

 

شکل4. قرار گرفتن ماده­ی هدف روی گیرنده­های نانوحسگر و تشخیص نوع و مقدار آن

 

به این ترتیب می­توان میزان اکسیژن، گاز دی اکسید کربن، انواع هورمون­­ها، اوره، گلوکز، ویروس­ها، باکتری­ها، قارچ­ها و پاتوژن­ها و غیره را در محیط کشت و اطراف گیاه شناسایی کرد. با این روش، حتی از طریق میزان اکسیژن مصرف شده در محیط کشت، قادر به تشخیص انواع بیماری­های ویروسی، باکتریایی و قارچی گیاه خواهیم بود.

کنترل و نظارت بر تغیرات pH و EC محلول­های غذایی محیط کشت بسیار مهم می­باشد. pH عاملی بسیار تاثیرگذار بر میزان فراهمی عناصر غذایی است. به طور مثال، به منظور پرورش کاهو در محیط­های کنترل شده کشت، باید pH محلول در دامنه 6/5 تا6 ثابت بماند تا حداکثر جذب عناصر غذایی توسط گیاه صورت پذیرد. در بالا یا پایین­تر از این محدوده، به دلیل حساس بودن گیاه و محیط، احتمال کمبود عناصر غذایی و افت عملکرد محصول وجود دارد. EC یا همان هدایت الکتریکی محلول، بیان کننده میزان و غلظت عناصر در محلول است. کاهش میزان EC نشان دهنده­ی جذب عنصر توسط گیاه است. افزایش میزان EC در محلول غذایی نیز می­تواند نشان­دهنده­ی کاهش سطح آب در اثر تبخیر و تعرق باشد. در اثر افزایش EC باید مقداری آب خالص اضافه کرد و در اثر کاهش EC نیز باید به میزان مورد نیاز غلظت عنصر غذایی در محلول را افزایش داد تا به محدوده­ی مورد نظر برسد. کوچکترین تغییرات حاصل شده در میزان pH و EC محلول­های غذایی توسط نانوحسگرها قابل ردیابی و کنترل است. بنابراین توسط این نانوحسگرها میزان خطا به شدت کاهش و میزان دقت افزایش می­یابد. بدین ترتیب، می­توان کنترل و نظارتی جامع بر شرایط رشد گیاه و محیط پیرامون آن داشت.

2-2   کاربرد فناوری نانو در تغذیه گیاه

یکی از مهمترین اهداف استفاده از محیط‌های کنترل شده کشت، ایجاد بستری مناسب جهت جذب هر چه بهتر عناصر غذایی توسط گیاه مورد نظر است. بنابراین باید راهکارهایی اندیشیده شود که عناصر غذایی به راحتی در اختیار گیاه قرار گیرد و این موجود با ارزش به خوبی رشد کرده و تولید محصول نماید. همچنین، باید از اتلاف عناصر غذایی به موجب رخدادها و واکنش­هایی چون آب‌شویی، تبخیر، تصعید، رسوب، واکنش با سایر اجزاء و غیره جلوگیری به عمل آورد. مجموع این عوامل و راهکارها موجب افزایش کارایی مصرف کود و رشد گیاه می­شود.

یکی از راه­کار­های ارائه شده، استفاده از نانوکودها می­باشد. از لحاظ تئوری، عناصر غذایی نانو سایز شده به دلیل حلالیت بالا، بیش­تر در اختیار گیاه قرار می­گیرند و به همین دلیل میزان کارایی مصرف کود افزایش می­یابد. استفاده از نانوکودها با چالش‌هایی نیز رو به رو است. این ذرات نانومتری دارای حلالیت بیشتری هستند و بنابراین بیشتر در معرض آبشویی قرار می‌گیرند. از طرفی ممکن است این ذرات توسط میکروارگانیسم­های موجود جذب شوند. این رویدادها منجر به کاهش کارایی کود خواهد شد. فناوری نانو قادر به حل این مسئله نیز می­باشد. این فناوری قادر به تولید کودهای هوشمندی است که دارای سیستم رهایش آهسته مواد هستند. به موجب این امر، گیاه قادر به جذب عناصر غذایی مورد نیاز خود در تمام دوره­ی رشد است. از این کودهای هوشمند می­توان به نانو کپسول­ها اشاره کرد. نانوکپسول­ها به گونه­ای طراحی شده­اند که دارای حلالیت بالا، پایداری و اثر بخشی زیاد هستند. عناصر غذایی در داخل این محفظه­ها، که می­تواند از جنس پلیمر باشد، قرار می­گیرد. این کپسول­ها قادر هستند که مواد غذایی را به تدریج و آهسته آزاد کرده و در اختیار گیاه قرار دهند. همچنین قادر هستند نسبت به شرایط محیط از خود واکنش نشان دهند. به طور مثال این کپسول‌ها را می‌توان به گونه­ای طراحی کرد که به pH و یا محرک­های دیگر حساس بوده و در آن شرایط خاص، مواد غذایی را در نزدیکی ریشه گیاه منتشر کنند.

راه حل دیگر به منظور ایجاد کودهای کندرها[5]، ترکیب عناصر غذایی نانومتری با موادی آلی و معدنی چون نانوپلیمر، نانوکامپوزیت، نانو زئولیت، نانو آپاتیت، [6]EDTA، [7]EDDHA و غیره می­باشد. این ترکیبات از ساختمان­های پیچیده­ای برخوردار هستند و در ساختمان آن­ها کانال‌های به هم پیوسته و/یا گروه­های عاملی گسترده ای وجود دارد. این کانال‌ها و گروه­های عاملی فضاهایی را برای جذب و تبادل کاتیون‌ها فراهم می‌آورند. اما چگونگی افزایش رشد گیاه با کاربرد نانو کودها در محیط­های کشت به شرح زیر می­باشد:

1. افزایش حلالیت و پایداری عناصر غذایی
2. افزایش غلظت عنصر غذایی در سطح ریشه گیاه: به موجب نانو شدن کود و افزایش حلالیت، غلظت عنصر در واحد سطح افزایش یافته و میزان عنصر بیشتری در واحد سطح یا طول ریشه وارد گیاه می­شود.
3. به موجب نانو بودن، عناصر غذایی قادر هستند حتی از منافذ دیواره سلولی گیاه نیز عبور کرده و میزان جذب و غلظت عنصر غذایی در گیاه افزایش یابد.

در نتیجه کاربرد این نانو کودها در محیط­های کنترل شده کشت و یا هر محیط کشت دیگر، باعث کاهش مصرف کود شده و نوسانات غلظت عناصر غذایی در محلول­های کشت کاهش می­یابد. بنابراین به بهینه شدن سیستم، کمک شایانی خواهد کرد.

2-3   کاربرد فناوری نانو در بهبود کیفیت آب

در محیط­های کنترل شده کشت، از سیستم­های متنوع کشت هیدروپونیک استفاده می­شود. پایه و اساس تمامی این روش­ها، منبع آب حاوی عناصر غذایی است. این محلول غذایی یا در تماس مستقیم با ریشه گیاه است و یا توسط پمپی به منطقه ریشه گیاه ارسال می­شود (شکل 5).

 

غشاء نازک[8]	جزر و مد[9]	فتیله[10]
هوا کشت[11]	قطره­ای[12]	آب­کشت[13]
شکل 5. سیستم­های مختلف کشت هیدروپونیک

 

در اثر مصرف عناصر غذایی توسط گیاه و همچنین تبخیر و تعرق و تنفس گیاه، میزان pH، EC، اکسیژن محلول (DO)[14] و غلظت عناصر غذایی تغییر می­کند. این تغییرات ایجاد شده باید به نحوی کنترل گردد. یکی از راه­های تنظیم EC، غلظت عناصر غذایی و pH، ثابت نگه داشتن حجم آب و تجدید آب منبع می­باشد. اما آب اضافه شده به منبع عناصر غذایی باید از کیفیت مناسب برخوردار باشد. بدین­ معنی­که 1) میزان مواد محلول یا EC آن بسیار کم باشد و 2) عاری از هرگونه مواد مضر و عوامل بیماری­زای گیاهی باشد.

در محیط­های کنترل شده کشت به منظور کاهش EC آب، از فناوری‌هایی چون اسمز معکوس (RO)[15] استفاده می­شود. اما استفاده از این فناوری زیاد مقرون به صرفه نبوده و هزینه نگه­داری بالایی دارد. به همین خاطر می­توان از روش­های بسیار ساده­تر و با هزینه کمتر برای کاهش EC و نمک زدایی از آب استفاده کرد. یک روش ساده تر، استفاده از فناوری نانو می­باشد. با استفاده از فناوری نانو می‌توان نانوفیلترهایی با قابلیت حذف انواع مواد محلول در آب را به کار برد. با قراردادن نانو­فیلترها در مسیر جریان آب (قبل از ورود به منبع محلول­ غذایی)، مواد محلول و مضر به خوبی حذف شده و EC آب تا حد مطلوب کاهش می­یابد. نانوفیلترهای مورد استفاده عبارتند از:

1. غشاهای نانوفیلتر

از غشاهای نانوفیلتر برای نرم­سازی یا کاهش سختی آب استفاده می­شود. در این فرایند بخشی از مواد معدنی از آب جداشده و بین 10 تا 90 درصد نمک­های نامحلول نیز از آب حذف می­شوند.

2. 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 نانومتر می­باشند و می­توانند اجزایی با وزن مولکولی 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.

3. 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.

 

4. غشاهای نانولوله کربنی

سطح بسیار صاف و آبگریز داخلی این نانو لوله­ها امکان جریان سریع سیالات در آن‌ها را فراهم می­کند. اما سایر آلاینده­ها و به ویژه نمک­ها، به دلیل باری که در انتهای نانولوله­ها وجود دارد، قابلیت عبور از این منافذ را نداشته و دفع می­گردند (شکل 6). 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.

شکل6. فیلتر حاوی نانولوله کربنی و مکانیسم آن در نمک­زدایی ازآب

 

5. 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.

برای اینکه آب مورد استفاده در محیط­های کنترل شده کشت، عاری از هرگونه مواد مضر و عوامل بیماری­زا باشد، می­توان فیلترهایی تعبیه کرد که به مانند قبل در مسیر جریان آب قرار گرفته و انواع ویروس­ها و باکتری­ها را جدا کند. برای این منظور از فیلترها و مواد نانویی چون غشاهای نانو فیلتراسیون، نانو لوله­های کربی، نانو زئولیت­ها، نانوکامپوزیت­ها، سرامیک­های نانومتری که قابلیت به دام انداختن ویروس­ها و باکتری­ها را دارند، استفاده می­شود. علاوه بر این نانو ذراتی چون نانو نقره، نانو دی­اکسید روی، نانو اکسید کلسیم، نانو اکسید منیزیم، کیتوزان، نانو ذرات آهن صفرظرفیتی، نانو دی­اکسید آلومینیوم، نانو دی­اکسید تیتانیوم و غیره، خاصیت ضد میکروبی و اکسید کنندگی قوی دارند و موجب از بین رفتن عوامل بیماری­زا در آب می­شوند.

2-4   کاربرد فناوری نانو در کنترل آفات

در محیط­های کنترل شده کشت، به دلیل نظارت جامع و کامل بر کل محیط و پیشگیری­های لازم، امکان آلودگی گیاهان به بیماری خاص و یا رشد و تکثیر آفات کمتر از کشاورزی مزرعه­ای و سنتی می­باشد. اما به دلیل مناسب بودن شرایط (درجه حرارت، رطوبت، نور، تغذیه و…) امکان رشد و تکثیر آفات و بیماری­ها دور از ذهن نیست. در اثر شیوع آفات نیز، اثرات جبران ناپذیری به محصولات کشاورزی وارد خواهد شد. در محیط­های CEA به منظور کنترل آفات و تولید محصولی بسیار سالم و عاری از هرگونه سموم مضر برای انسان، از روش­های مختلفی استفاده می­شود. سعی بر این است که میزان مصرف سم به حداقل ممکن کاهش یابد و از سمومی استفاده گردد که سازگاری بیشتری با محیط زیست داشته باشد (مانند سموم گیاهی). همچنین استفاده از روش­های کنترل بیولوژیکی آفات ( استفاده از حشرات، آنتی بیوتیک­ها و …) نیز در دستور کار قرار می­گیرد. اما امکان به کار­گیری فناوری نانو به منظور کنترل آفات در محیط­های CEA وجود دارد. فناوری نانو با تولید نانوآفت­کش­ها با فرمولاسیون­های مختلف، مواد و محلول­هایی با ویژگی­های منحصر به فرد تولید می­کند. از این فرمولاسیون­­ها می­توان به نانوذرات، نانو امولسیون، نانوکپسول، نانو کره­ها، نانوسوسپانسیون و نانومیسل اشاره کرد (شکل 7).

شکل7. نانوآفت­کش­ها با فرمولاسیون­های مختلف

فرموله کردن آفت­کش­ها در مقیاس نانو منجر به دستیابی به اهدافی چون کنترل رهایش ماده­ی موثر آفت­کش، حفاظت از اثرات نامطلوب زیست محیطی آفت­کش­ها، افزایش پایداری در شرایط انبارداری، افزایش ثبات شیمیایی در محیط و کاهش سمیت آفت کش‌ها برای پستانداران، گونه­های غیرهدف، حشرات مفید و غیره خواهد شد. به دلیل نانو بودن و حلالیت زیاد نانوآفت­کش­ها، میزان بسیار بیشتری از سم مورد نظر جذب آفت شده و با استفاده از آن می­توان طیف وسیعی از آفات را از بین برد. همچنین قابلیت از بین بردن تخم، لارو، شفیره و حشره کامل آفت را دارد. تمامی این ویژگی­ها در حالی رخ می­دهد که میزان مصرف سم نیز به حداقل ممکن کاهش می­یابد. درضمن نانوآفت­کش­ها با فرمولاسیون­­­­های مختلف منشاء گیاهی نیز دارند که به مزیت­های فناوری نانو افزوده و درصد سازگاری با محیط زیست، بسیار افزایش می­یابد. بنابراین با کاربرد نانوآفت­کش­ها در محیط­های کنترل شده کشت، انتظار می­رود که محصولات تولیده شده از سلامتی بیشتری برخوردار باشند و کنترل آفات به خوبی صورت گیرد.

3          شرکت­ها و موسسات تحقیقاتی فعال در CEA و جنبه­های اقتصادی

توسعه شهرها و افزایش جمعیت و نیاز روزافزون به غذا، موجب شده تا کشاورزی به سمت وسویی پیش رود که بتوان در محیط­های شهری نیز به کشاورزی و تولید هرچه بیشتر محصولات غذایی پرداخت. لازمه این امر توسعه­ی محیط­هایی چون CEA است. در همین راستا و به منظور پاسخگویی به نیاز غذایی جامعه، شرکت­ها و موسسات تحقیقاتی گوناگونی به طور تخصصی در زمینه پروش گیاه در محیط CEA مشغول به کار هستند. این موسسات در تلاشند تا میزان تولید محصول را روز به روز و با استفاده از فناوری‌های پیشرفته افزایش دهند. اهمیت محیط­های ذکر شده به قدری است که دانشگاه آریزونا یک محیط CEA مدرن را در نمایشگاه Chicago expo سال 2013 به نمایش گذاشت. این دانشگاه با انجام چنین محیط­هایی قصد دارد به پروژه زندگی انسان در فضا کمک کند (شکل 8). در جدول 1 برخی از این شرکت­ها و موسسات تحقیقاتی معرفی شده­اند.

شکل8. پروژه CEA دانشگاه آریزونا آمریکا برای تولید محصول کشاورزی در فضا

 

جدول1. شرکت­ها و مراکز تحقیقاتی فعال در زمینه­ی CEA

نام شرکت/موسسه تحقیقاتی	کشور
دانشگاه Arizona [17]	آمریکا
دانشگاه Cornell [18]	آمریکا
دانشگاه Wageningen [19]	هلند
شرکت Biodynamics center [20]	آمریکا
شرکتHolding  CEA [21]	آمریکا

 

به منظور ایجاد چنین محیط­های پیشرفته­ و کسب درآمد، استفاده از فناوری‌های روز حرف اول را می­زند. امروزه کشورهای مختلفی با استفاده از فناوری و تولید محصول کشاورزی در محیط­های کنترل شده کشت، حجم قابل توجهی از بازارهای جهانی را به خود اختصاص داده­اند. کشور هلند که از پیشگامان صنعت کشاورزی محسوب می­شود، توانسته در زمینه­ی تولید صیفی­جات و شاخه گل بریده به ترتیب 2/4 و 4 بیلیون یورو در سال 2010، درآمد کسب کند [22]. همین امر به خوبی نشان می­دهد که ورود فناوری نانو به این عرصه و تولید محصولات کشاورزی، می­تواند میزان سودآوری را بیش از پیش افزایش دهد. طبق پیش­بینی­های انجام شده حجم سرمایه­گذاری در صنعت کشاورزی تا سال 2030 به بالغ بر 9/2 تریلیون دلار خواهد رسید و فناوری نانو قابلیت افزایش این میزان به مقدار 30 درصد (9/0 تریلیون دلار) را دارا است [23].

4          منابع

1. (2013). Good Agricultural Practices for greenhouse vegetable crops, Principles for Mediterranean climate areas. 640p. www.fao.org/publications

2.      International Greenhouse Vegetable Production-Statistics. (2015). www.cuestaroble.com/statistics.htm

3.      Luke Natural Resources Institute Finland. (2014). Horticultural Statistics 2014 (final statistics) and Energy Consumption in Greenhouse Enterprises. www.stat.luke.fi

 

4. cropscience.bayer.com/Magazine/Tomato.aspx

 

5. Broadband Wireless Networking Lab. School of Electrical and computer Engineering Goeorgia Institute of Technology.

www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/projects/granet/projectdescription.html

 

 

6. Cees Sonneveld and Wim Voogt. (2009). Plant Nutrition of Greenhouse Crops, Springer Netherlands, Book, 432p.

 

7. Shweta Agrawal and Pragya Rathore. (2014). Nanotechnology Pros and Cons to Agriculture: A Review. International journal of current microbiology and applied science, 3(3):43-55.

 

8. farmersindia.blogspot.nl/2011/05/sci-tech-farming.html

 

9. Hongda Chen, Rickey Yada. (2011). Nanotechnologies in agriculture: New tools for sustainable development, Trends in Food Science & Technology, Volume 22, Issue 11, Pages 585-594

 

 

 

10. Chieh-Jui Tsou, Yann Hung, Chung-Yuan Mou. (2014). 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, Pages 181-188.

 

11. Melissa Brechner and A.J. Both. Hydroponic Lettuce Handbook. Cornell Controlled

Environment Agriculture. 48p. www.cornellcea.com

 

12. Melissa Brechner and David de Villiers. Hydroponic Spinach Production Handbook. Cornell Controlled Environment Agriculture. 26p. cornellcea.com

 

13. Bhupindar Singh Sekhon. (2014). Nanothechnology in agri-food production: an overview. Nanothechnology, Science and Applications. India. dovepress.com. 23 p.
14. Kulasekaran Ramesh, Dendi Damodar Reddy. (2013). Chapter Four – Zeolites and Their Potential Uses in Agriculture, In: Donald L. Sparks, Editor(s), Advances in Agronomy, Academic Press, Volume 113, Pages 219-241

 

15. 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
16. خوش­کلام، ا. طالبی اتوئی، م. بخشی گنجی، م. احمدی گل، ف و مفتاحی، م. 1394. فناوری نانو و توسعه آن در کشاورزی. مجموعه گزارش­های صنعتی فناوری نانو. گزارش شماره 45. nano.ir
17. Haixian Cui. (2014). Nano-pesticide research. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture. Chinese Academy of Agricultural Science (CAAS).
18. ag.arizona.edu/ceac/
19. cornellcea.com
20. wageningenur.nl/en/show/smartcea.htm
21. biodynamicshydroponics.com/controlled-environment-agriculture-cea-ezp-43.html
22. ceacapitalholdings.com
23. hollandtrade.com
24. Vincent Sabourin and Alpha Ayande. (2015). Commercial Opportunities and Market Demand for Nanotechnologies in Agribusiness Sector. Journal of Technology management and Innovation. Volume 10, Issue 1, 12p.

 

شناسنامه

تهیه کننده:

گروه ترویج صنعتی فناوری نانو در حوزه کشاورزی، صنایع غذایی، محیط زیست و صنایع وابسته – agrofood@nano.ir

ناظر:

داود قرایلو – report@nano.ir

نویسنده:

احسان خوش کلام

طراحی گرافیکی و اجرا:

توسعه فناوری مهرویژن

تلفن: 63100-021

نمابر: 63106310-021

صندوق پستی: 344-14565

 

 

 

 

[1] Controlled Environment Agriculture

[2] به روش­های مختلف پرورش گیاه در آب و محلول غذایی کشت هیدروپونیک اطلاق می­گردد (Hydroponic techniques)

[3] Electrical Conductivity

[4] Micro Electro Mechanical Systems

[5] Slow release fertilizer

[6] Ethylenediaminetetraacetic acid

[7] Ethylenediamine-N,N’-bis(2-hydroxyphenylacetic acid)

[8] Nutrient Film Technique (NFT)

[9] Ebb and Flow

[10] Wick

[11] Aeroponic

[12] Drip

[13] Water culture

[14] Dissolved oxygen

[15] Reverse Osmosis

 

———————————————————————

مدیر طرح و تهیه کننده گزارش : گروه ترویج صنعتی فناوری نانو در حوزه کشاورزی، صنایع غذایی، محیط زیست و صنایع وابسته

نگارش : دکتر احسان خوش­کلام

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]

[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]

 ====================================================================================