استفاده از نانوتکنولوژي در کشاورزي

چکیده گزارش پژوهشی:

• بخش کشاورزي و توليد مواد اوليه در کشورهاي در حال توسعه اساس اقتصاد ملي محسوب مي­شود.
• امروزه با استفاده از نانو سنسورها مشخص مي­ شود که هر قسمت کوچک از مزرعه به چه ميزان عناصر غذايي و سم نياز دارد و بدين وسيله از آلودگي محيط زيست جلوگيري کرده، ‌سلامت محصولات و افزايش بازده اقتصادي را ممکن مي­ سازد.
• در آينده به کمک نانوتکنولوژي مي­ توان ويژگي­ هاي مطلوب را از طريق مهندسي ژنتيک در مواد غذايي وارد نمود و از اين طريق طعم غذاها را بهبود بخشيد.
• با کمک نانوتکنولوژي بازار پسندي گياهان را مي ­توان بهبود بخشيد. براي مثال در تايلند با تغييراتي در DNA برنج، قادر به ايجاد تغييراتي در رنگ برنج از ارغواني به سبز شده­اند.
• به کمک نانوتکنولوژي امکان توليد کودها و مواد شيميايي سازگار با محيط زيست که براي تغذيه گياه يا حفظ آن در برابر حشرات کاربرد دارد، وجود دارد.
• سازمان ملل پيش بيني کرده 48 کشور معادل 20 درصد جمعيت جهان در سال 2032 دچار کمبود آب آشاميدني و کشاورزي مي­ شوند، تخليص و نمک زدايي آب به کمک نانوتکنولوژي از زمينه­ هاي مورد توجه در دفاع پيشگيرانه و امنيت زيست محيطي است.

پژوهش خبری صدا وسیما: نانو فناوري در تعريفي بسيار ساده، يعني تکنولوژي­ هايي که در ابعاد نانومتري عمل مي­ کنند. نانومتري واحد اندازه گيري است و برابر يک ميلياردم متر يا 10 به توان 9 متر است. (يک ميکرون برابر است با 1000 نانو) اندازه اتم ها و مولکول­ ها در اين محدوده قرار دارد، بنابراين با ورود به اين فضاي کوچک بشر مي تواند در نحوه چينش و آرايش اتم­ ها و مولکول­ ها دخالت کند و به ساخت مواد جديد و ساختارهايي متفاوت با آنچه تاکنون وجود داشته است بپردازد. براي نانو تکنولوژي کاربردهايي را در حوزه هاي مختلف از جمله : غذا، دارو، پزشکي، بيوتکنولوژي، الکترونيک، کامپيوتر، ارتباطات، حمل و نقل، انرژي، محيط زيست، مواد هوا فضا و امنيت ملي برشمرده ­اند.[1]

نانوتکنولوژي به عنوان انقلابي در شرف وقوع، آينده اقتصادي کشورها و جايگاه آنها در جهان را تحت تاثير جدي قرار خواهد داد و اثرات تحول آفرين و معجزه آساي نانوتکنولوژي باعث شده که کشورهاي بزرگ فناوري نانو را به عنوان يکي از مهمترين اولويت­ هاي تحقيقاتي خويش طي دهه اول قرن بيست و يکم و به عنوان يک چالش اصلي علمي و صنعتي پيش روي جهانيان محسوب نمايند.

هم اکنون در دنيا سرمايه گذاري­ هاي عظيمي در زمينه نانوتکنولوژي و بالاخص در گرايش ­هاي نانو بيوتکنولوژي (استفاده از قابليت ­هاي نانو تکنولوژي در کاربردهاي زيستي) و نانو پزشکي صورت گرفته است، که نشان دهنده اهميت اين فناوري در پيشرفت آني کشورهاي توسعه يافته ­اي چون آمريکا، آلمان، ژاپن و کشورهاي در حال توسعه مانند مالزي، هند و ديگر کشورها مي ­باشد.

 ضرورت و اهميت نانوتکنولوژي در بخش کشاورزي:

در حال حاضر چالش ­هاي جهاني زيادي پيش روي بخش کشاورزي است، تغييرات آب و هوايي، شهرنشيني، مصرف منابع طبيعي و مشکلات زيست محيطي نظير رها شدن آفت کش ­ها و کودها، اگر تقاضاي روزافزون غذا به واسطه افزايش جمعيت از 7 ميليارد کنوني تا 9 ميليارد در سال 2050 را نيز در نظر بگيريم اين مسائل تشديد هم مي­ شوند.

بخش کشاورزي و توليد مواد اوليه در کشورهاي در حال توسعه اساس اقتصاد ملي محسوب مي­ شود. در اين نواحي مشکلات عمده ­اي نظير کمبود خاک حاصلخيز، کاهش زمين­ه اي کشاورزي موجود، وابستگي به مواد اوليه، فقر و سوء تغذيه وجود دارد. پيشرفت­ هاي علمي و فني راه حل­ هاي بالقوه­اي در خود براي کشورهاي در حال توسعه جهت نوآوري و ارتقاي توليدشان ارائه مي ­دهند.

اتحاديه اروپا فناوري نانو را يکي از شش فناوري کليدي معرفي نموده است که در پزشکي، بيوتکنولوژي، الکترونيک، علوم، مواد و انرژي کاربرد دارد[2].

تحولات نوين نانوتکنولوژي در کشاورزي:

• کشاورزي دقيق

کشاورزي دقيق يک نوع نگرش جديد در مديريت مزرعه است. امروزه با استفاده از نانو سنسورها مشخص مي­ شود که هر قسمت کوچک از مزرعه به چه ميزان عناصر غذايي و سم نياز دارد و بدين وسيله از آلودگي محيط زيست جلوگيري کرده، ‌سلامت محصولات و افزايش بازده اقتصادي را ممکن مي­ سازد. نانوسنسورها مي­ توانند با کنترل دقيق و گزارش­ دهي به موقع نيازهاي گياهان به مرکز پردازش اطلاعات سيستم را در نگهداري محصولات ياري نمايند.

• بهبود طعم غذاها

در آينده به کمک نانوتکنولوژي مي­توان ويژگي ­هاي مطلوب را از طريق مهندسي ژنتيک در مواد غذايي وارد نمود و از اين طريق طعم غذاها را بهبود بخشيد. 

• کاهش مصرف علف کش ها و آفت کش ها

در سال­ هاي اخير برخي از نانو ذرات به منظور بارگذاري انواع آفت­ کش ­ها مانند حشره کش ­ها، کنه کش­ ها، پاتوژن ­هاي بيماريزاي حشرات، قارچ کش ­ها، و علف کش توليد شده است. در اغلب اين موارد نانو ذرات به عنوان حامل سم، توليد و مورد استفاده قرار مي­ گيرد. در اين حالت ماده موثر آفت کش ­ها به صورت تدريجي رهايش يافته و اين رهايش داراي مزايايي است که از آنها مي­ توان به مقرون به صرفه بودن، ايمني محيط زيست با جلوگيري از استفاده بيش از حد آفت­ کش­ ها و شسته شدن خاک به آبراه ­ها، کاهش خطر گياه سوزي و سميت براي انسان اشاره نمود. 

• افزايش بازارپسندي گياهان مختلف با توليد بذور نانو

با کمک نانوتکنولوژي بازار پسندي گياهان را مي­توان بهبود بخشيد. براي مثال در تايلند با تغييراتي در DNA برنج، قادر به ايجاد تغييراتي در رنگ برنج از ارغواني به سبز شده­ اند. 

• ارتقاي ژنتيکي گياهان و حيوانات

مي ­توان مقاومت گياهان را در برابر بيماري ­ها افزايش داد. پيشرفت ­هاي نانوتکنولوژيکي، به طور خاص مطالعات بنيادي پاتولوژي سلولي را تقويت خواهد کرد و عمر آنها را در محل کشت و مصرف، طولاني ­تر کرد و رشد آنها را سريعتر نمود و حتي در محيط­ هاي نامساعد کاشت تا در شوره زارها با آب کمتر يا آب و هواي سردتر، رشد کنند. امکان سازگار نمودن گياهان با خشکسالي وجود دارد. 

• بهبود بسته بندي محصولات کشاورزي

بدين منظور بعضي شرکت­ هاي خارجي در حال توسعه مواد نانو جديدي هستند که طول دوره سالم باقي ماندن غذا را افزايش مي­ دهند. 

• توليد ترکيبات شيميايي سازگار با محيط زيست

به کمک نانوتکنولوژي امکان توليد کودها و مواد شيميايي سازگار با محيط زيست که براي تغذيه گياه يا حفظ آن در برابر حشرات کاربرد دارد، وجود دارد.

• افزايش عملکرد گياهان گلخانه ­اي و مزرعه ­اي

با کمک نانوتکنولوژي مي­توان سنسورهايي در ابعاد کوچک براي اندازه گيري،‌ گزارش ­دهي به موقع و کنترل هوشمند نيازهاي گياهان جهت افزايش عملکرد، ذخيره آب، ظرفيت نگهداري آب در محل، توزيع آب نزديک ريشه، بازده جذب آب توسط گياهان و ارتباط با سيستم هوشمند به واسطه ابزارهاي نانوسنسور انجام داد.

• نمک زدايي و تصفيه اقتصادي­ تر آبها جهت شرب و کشاورزي

فناوري جديد امکان بازيافت و استفاده مجدد از مواد، انرژي و آب را فراهم خواهد نمود. سازمان ملل پيش بيني کرده 48 کشور معادل 20 درصد جمعيت جهان در سال 2032 دچار کمبود آب آشاميدني و کشاورزي مي­ شوند، تخليص و نمک زدايي آب به کمک نانوتکنولوژي از زمينه­ هاي مورد توجه در دفاع پيشگيرانه و امنيت زيست محيطي است. به طور مثال دستگاه ­هايي به کمک نانوتکنولوژي طراحي شده ­اند، که آب دريا را با صرف انرژي 10 برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس و 100 برابر کمتر از دستگاه تقطير، نمک­ زدايي مي­ کنند. 

• کاهش آلودگي و پس آبها

نانوتکنولوژي منجر به تغييرات شگرف در استفاده از منابع طبيعي، انرژي و آب خواهد شد و پس آب­ ها و آلودگي را کاهش خواهد داد. نانوتکنولوژي توان حذف آلودگي ­هاي کوچک از منابع آبي (کمتر از 200 نانومتر) و هوا (زير 20 نانومتر) و اندازه گيري و تخفيف مواد هم آلودگي در مناطق بزرگ را دارد. 

• افزايش توان درماني داروها براي احشام

نانوتکنولوژي مي­تواند فرمولاسيون و مسيرهايي براي انتقال دارو تهيه کند که به نحو حيرت انگيزي توان درماني داروها را براي احشام افزايش مي­دهد. 

• کاربرد نانوتکنولوژي در مرغداري ­ها (نانو ويتامين k3)

در اين طرح، پس از تهيه ويتامين k3 به شکل ميکرو ذرات آن با روش تلفيقي به ذراتي با اندازه­ هايي کوچکتر در حد مقياس نانو تبديل مي­شوند. استفاده از اين ذرات به عنوان منبع تامين کننده ويتامين k3 در خوراک جوجه ­هاي گوشتي، موجب افزايش زيست فراهمي 145 درصدي ويتامين، کاهش معني ­دار زمان پروترومبين خون و افزايش معني­دار استحکام استخوان در جوجه­ هاي گوشتي گرديد. 

• نانوآفت کش هاي تخريب پذير و زيست سازگار

در سراسر جهان تعداد زيادي آفت­کش سنتز و به طور گسترده در کشاورزي با هدف کنترل آفت، مورد استفاده قرار مي ­گيرد. شيوه ­هاي کاربرد برخي از آفت ­کش ­ها مي­تواند موجب ايجاد آلودگي در محيط زيست شود. در اين طرح با بکارگيري فناوري نانو در فرمولاسيون آفت­ کش ­ها، افزايش عملکرد و کاهش مصرف آفت­ کش­ ها مورد نظر است. همچنين اين ترکيبات پس از رهاسازي، بدون اثر منفي يا با اثرات منفي کمتر براي محيط زيست است. 

• استفاده از سيليس استخراج شده از پوسته برنج در سنتز نانو حفرات سيليکاتي مغناطيسي

در اين طرح سنتز مواد نانو حفره سيليکاتي 41- MCM و 41- Mag MCM با استفاده منبع سيليس طبيعي استخراج شده از پوسته برنج انجام شده است. پوسته برنج داراي بيش از 25 درصد سيليس در ساختار خود است که استخراج آن با روش کليسنه [3] کردن منبع به محصول با خلوص بيش از 95 درصد مي­شود. با توجه به آناليزهاي انجام شده مشخص گرديد نانو حفرات سنتز شده از منبع سيليس گياهي داراي نظم و کيفيت و کارايي مناسب است. 

• کاربرد غشاهاي سراميکي نانو ساختار براي توليد کنسانتره آب پنير

در اين طرح از غشاهاي نانو ساختار سراميکي با اندازه حفرات در محدوده 100 نانومتر (محدوده مشترک فرآيندهاي ميکروواولترا فيلتراسيون) براي حذف ترکيباتي از قبيل چربي ­ها و کازئين­ ها استفاده شده است و محلولي از پروتئين ­هاي سرمي آب پنير عادي از هرگونه چربي و کازئين به دست مي ­آيد. براي حذف يون­ها، کوچک مولکول­ ها و ترکيبات قندي از قبيل لاکتوز از محصول حاصل از مرحله قبل. از غشاهاي سراميکي نانو ساختار با اندازه حفراتي در محدوده 2 نانومتر استفاده شده است.

 جمع بندي:

در دهه ­های گذشته، بازارهای جهانی فناوری نانو در بخش کشاورزی، باتوجه به افزایش جمعیت و در پی آن افزایش تقاضای بخش کشاورزی به میزان قابل توجهی رشد یافته است. بخش وسیعی از مردم جهان به دلیل اثرات زیست محیطی با کمبود مواد غذایی روزانه خود مواجه هستند، درحالی که در کشورهای توسعه یافته مازاد مواد غذایی وجود دارد. بنابراین توسعه محصولات مقاوم به خشکسالی و آفات در این بین ضروری به نظر می­ رسد.

بخش کشاورزي و توليد مواد اوليه در کشورهاي در حال توسعه اساس اقتصاد ملي محسوب مي­شود. در اين کشورها مشکلات عمده متعددي نظير ضعف خاک حاصلخيز، کمبود زمين ­هاي کشاورزي موجود، وابستگي به مواد اوليه، فقر و سوء تغذيه وجود دارد. در دهه­ هاي قبل توسعه صنعتي موجب تغييرات ساختاري عميقي در بخش کشاورزي شد. مثلا : تبديل کشتزارهاي کوچک به سيستم ­هاي صنعتي توليد تخصصي، گسترش عرضه و تقاضا به لحاظ جغرافيايي به سمت جهان در حال توسعه و اهميت روز افزون منابع جهاني و بازاريابي چالش ­هايي را در پيش روي بخش کشاورزي مي ­گذارد. لذا بايد در حد ممکن توسعه پايدار توليد ارتقا داده شود به گونه ­اي که سلامت غذايي افزايش، فقر کاهش و سلامت عمومي بهتر شود.

پيشرفت­ هاي علمي و فني راه حل بالقوه­اي را براي کشورهاي در حال توسعه جهت نوآوري و ارتقاء دستگاه­ هاي فعلي توليدي­شان ارائه مي ­دهند. خيلي از فناوري­ هاي جديد نه تنها قابليت افزايش بهره وري کشاورزي را دارند بلکه همچنين مي­توانند براي کاهش هزينه­ هاي زيست محيطي و تامين منابع توليد کشاورزي به کار آيند.

پژوهش خبری // علی قنبری شیرسوار

----------------------------------------------------

[1]- سالاري، م و همکاران، 1387، نانوتکنولوژي و کاربرد آن در گياه پزشکي، ترويج گياه پزشکي (گياه پزشکي و غذا)، دوره 2، شماره 3

[2] - عبدالهي، علي اصغر، مقدمه اي درباره نانو تکنولوژي و استفاده آن در کشاورزي، وزارت جهاد کشاورزي، موسسه پژوهش هاي برنامه ريزي، اقتصاد کشاورزي و توسعه روستايي، 1395

[3]-  (calcination) اصطلاحي در علم مواد و شيمي است که به حرارت دادن مواد براي پيروليز، حذف رطوبت تشکيل ترکيبات واسط، انجام واکنش در حالت جامد گفته مي­شود. به زبان عاميانه کليسنه کردن يعني ماده را براي مدت زمان مشخصي در دماي مشخص در کوزه بگذاريم تا يک سري مواد داخل آن پرت شود.