کاربرد فناوری نانو در کشاورزی

    مقدمه:

     فناوری نانو (Nano Technology) واژه ای است کلی که به تمام فناوری های پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می شود. معمولاً منظور از مقیاس نانو ابعادی در حدود nm 1 تا nm 100 می باشد. (1 نانومتر، یک میلیاردیم متر است). تحقیق و توسعه هدفمند، برای درک و دستکاری و اندازه گیری ها مورد نیاز در سطح موادی با ابعاد در حد اتم، مولکول و سوپرمولکول ها را فناوری نانو می گویند. این مفهوم با واحدهایی از یک تا صد نانومتر، همبستگی دارد. 

  

    کاربردهای فناوری نانو در شاخه های مختلف کشاورزی
    فناوری نانو هیچ زمینه علمی را به حال خود رها نکرده است. علوم کشاورزی نیز از این قاعده جدا نیستند. تا به حال کاربردهای متعددی از فناوری نانو در کشاورزی، صنایع غذایی و علوم دامی مطرح شده است. رابطه میان فناوری نانو و علوم کشاورزی در زمینه های زیر قابل بررسی است:
    - نیاز به امنیت در کشاورزی و سیستم های تغذیه ای
    - ایجاد سیستم های هوشمند برای پیشگیری و درمان بیماری های گیاهی
    -خلق وسایل جدید برای پیشرفت در تحقیقات بیولوژی و سلولی
    - بازیافت ضایعات حاصل از محصولات کشاورزی
    کاربردهای نانو در گیاه پزشکی :
    بیماری های گیاهی از روی علائمی مانند تغییر رنگ یا تغییر شکل اندام ها شناسایی می شوند ولی مسئله اینجاست که این علائم مدت ها پس از ورود عامل بیماری به بافت گیاه بروز پیدا می کنند به همین خاطر با سریع ترین اقدام ها برای جلوگیری از شیوع بیماری باز هم مقداری از محصول از بین می رود. در نتیجه نیاز به ابزاری که به کمک آن بتوان در همان مراحل ابتدایی ورود عامل بیماری، آن را کنترل و مهار کرد بسیار ضروری به نظر می رسد. 
    حسگرهای هوشمند و سیستم های حمل هوشمند به منظور ردیابی و مبارزه سریع و مفید با ویروس ها و سایر عوامل بیماریزا گیاهی به کار می روند. نانو حسگرهای زیستی، ابزارهایی هستند که از تلفیق ابزارهای شیمیایی، فیزیکی و زیستی بدست آمده اند. این حسگرها شامل ترکیبات زیستی مانند یک سلول، آنزیم و یا آنتی بادی متصل به یک مبدل انرژی هستند و قادرند که تغییرات ایجاد شده در مولکول های اطراف خود را گزارش دهند. این گزارش ها توسط سیگنال هایی که مبدل انرژی به تناسب با مقدار آلودگی تولید می کند دریافت می شوند. بنابراین اگر تجمع زیادی از عامل بیماری در اطراف این حسگرها وجود داشته باشد سیگنال های قوی فرستاده می شوند. همچنین تیمار مولکولی بیماری ها، ردیابی سریع بیماری ها، افزایش توانمندی گیاهان برای جذب مواد مورد نیاز با استفاده از این فناوری قابل دسترسی است.
    
    کاربردهای نانو در تولید سموم موثر و کم خطر: 
    ذرات سموم کشاورزی به وسیله عواملی از قبیل باد، وارد هوا شده و با ورود به سیستم تنفسی انسان، آن را در معرض انواع بیماری های استنشاقی قرار می دهد، تحولات نانوفناوری، با افزایش میزان سوددهی و کاهش عوارض سموم کشاورزی، معضلات این سموم را رفع می کند و آنها را به محصولاتی مفید تبدیل می کند.
    تولید سموم با استفاده از نانوذرات و نانوکپسول ها: این نسل از سموم قابلیت رهایش کنترل شده یا تاخیری، جذب و تاثیرگذاری بیشتر و سازگاری با محیط زیست را دارا هستند.
    -تولید کریستال های نانویی جهت افزایش کارایی استفاده از آفت کش ها: استفاده از کریستال های نانویی امکان کاربرد آفتک ش ها با دزهای کمتر را فراهم می آورد و این یعنی به حداقل رساندن ورود این ترکیبات خطرناک به طبیعت.
    
    نانوسم ها :
    از بین تدابیر موجود در مدیریت آفات کشاورزی استفاده از آفت کش ها و سموم سریع ترین و ارزان ترین روش برای واکنش به یک وضعیت اضطراری است. روش های کنترل زیستی در حال حاضر بسیار هزینه بر هستند. در این روش ها کنترل آفت از طریق یکی از دشمنان طبیعی آن آفت صورت می گیرد .امروزه مصرف بی رویه آفت کش ها مشکلات زیادی را ایجاد کرده اند این مشکلات شامل اثرات سوء برسلامت انسان (ایجاد مسمومیت های حاد یا بیماری های مزمن)، تاثیر این مواد بر حشرات گرده افشان و حیوانات اهلی مزارع و همچنین ورود این مواد به آب و خاک و تاثیر مستقیم وغیرمستقیم آن در این نظام های زیستی می باشد. استفاده از داروهای (سموم) هوشمند در ابعاد نانو می تواند راه حل مناسبی باشد. این داروها که قابلیت حرکت در گیاه را دارند در بسته هایی که حاوی نشانی خاصی هستند قرار می گیرند .برچسب نشانی یک کد مولکولی است که بر روی بسته نصب شده و به بسته اجازه می دهد که به بخشی از گیاه که مورد حمله عامل بیماری یا آفت قرار گرفته تحویل داده شود. این ناقلین در ابعاد نانو همچنین دارای خود تنظیمی نیز می باشند به این معنی که دارو فقط به میزان لازم به بافت گیاهی تحویل داده می شود. 
    
    آفت کش های نانو به شکل امولسیون :
    امروزه آفت کش هایی با ماده مؤثر نانومقیاس به بازار راه یافته اند، برای مثال شرکت BASF آلمان، توان بالقوه و مفید فناوری نانو را در تولید فرمولاسیون آفت کش ها مورد تایید قرار داده و در این رابطه دست به انجام تحقیقات پایه ای زده است. این شرکت پتنتی را تحت عنوان« نانوذرات به عنوان عامل محافظت از محصولات کشاورزی “ارائه کرده، که در آن از جزء فعال با اندازه ایده آل بین ده تا 150 نانومتر استفاده شده است. این ترکیب دارای مزایایی چون حلالیت آسان تر در آب ، پایداری بیشتر و قدرت آفت کشی بهینه است. 
    یکی دیگر از شرکت های پیشرو در این زمینه، شرکت Bayer Crop Scienceآلمان است که این شرکت نیز پتنتی را ارائه نموده که در آن از شکل امولسیون با پایداری ترمودینامیکی و دارای جزء فعال نانو مقیاس در حدود ده تا 400 نانومتر استفاده شده است. این شرکت پتنت خود را تحت عنوان میکروامولسیون غلیظ نام نهاده و مزیت هایی نظیر کاهش مقدار استفاده، تاثیرگذاری سریع تر، قابل اعتمادتر، طولانی تر و گسترده تر را برای آن مدعی شده است. شرکت سینجنتا محصولات، تنظیم کننده رشد Primo MAXXو قارچ کش Banner MAXX و Subdue MAXX را تولید کرده که مدعی است این محصولات ذراتی به کوچکی حدود صد نانومتر دارند و به همین دلیل باعث گرفتگی فیلترهای مخازن اسپری نشده و با آب کاملاً مخلوط می شوند؛ به طوری که داخل مخزن اسپری ته نشین نمی گردند.
     قارچ کش Banner MAXXحتی بعد از گذشت یک سال از آب جدا نمی شود، در حالی که قارچ کش های دارای ذرات فعال با اندازه بزرگ تر، نوعاً جهت جلوگیری از کلوخه شدن هر دو ساعت یک بار نیاز به هم زدن دارند. سینجنتا اعلام داشته که اندازه ذرات این فرمولاسیون حدود 250 مرتبه کوچک تر از ذرات آفت کش معمولی است .براساس ادعای شرکت مذکور، ماده مؤثره این فرمولاسیون به داخل سیستم گیاه جذب و به وسیله باران یا آبیاری نیز شسته نمی شود و بازدارنده بیوسنتز استرول است لذا مانع از رشد قارچ ها می شود. این ماده با طیف اثر وسیع قارچ کشی برای کنترل بیماری ها در چمن و گیاهان زینتی است. ترکیب Subdue MAXX هم قارچ کشی سیستمیک است که برای کنترل قارچ های فیتوفتورا Phytophtora و پیتیوم Pythium تولید شده است. 
    
    آفت کش های نانو کپسوله شده :
    یک روش پیشرفته جهت فرمولاسیون آفت کش ها در مقیاس نانو، کپسوله کردن آنهاست، دراین روش ماده موثره نانومقیاس در داخل یک محفظه یا پوسته کوچک بسته بندی می گردد. طبق اطلاعات صنعتی، فرموله کردن آفت کش ها در کپسول ها باعث تغییرات انقلاب گونه ای می گردد که توانایی کنترل رهایش آفت کش در شرایط مختلف را فراهم می آورد. همچنین این اقدام باعث بالا رفتن حلالیت، کاهش تماس مواد فعال با کاربران و حفاظت از محیط زیست می گردد.
    شرکت مونسانتو، بزرگ ترین تولیدکننده بذرGM و علف کش پرمصرف رانداپ، در آمریکا، نانوکپسول های Agsome حاوی رانداپ تولید کرد که از نظر شیمیایی مؤثرتر از فرمولاسیون های معمول است. حشره کش KARATE با فرمولاسیون میکروکپسوله با رهایش سریع که حشرات مکنده و جونده در بسیاری از گیاهان زراعی (بیشتر از 100 محصول نظیر پنبه، ذرت، غلات و سبزیجات و...) را کنترل می کند. ماده موثره این ترکیب لامبدا-سایهالوترین است که سریعا به داخل کوتیکول حشره نفوذ می کند و باعث تخریب سیستم عصبی حشره می گردد. سایر ترکیبات حشره کشی شرکت سینجنتا شامل ICON، DEMAND، COMMODORE، WARRIOR و KUNG FU را می توان نام برد.
    دانشمندان سینجنتا در حال تحقیق بر روی کپسول هایی هستند که با سازوکار ماشه ای آزاد می شوند و در آنها دیواره بیرونی کپسول فقط در شرایط خاصی بازمی گردد. به طوری که سینجنتا پتنتی را در اختیار دارد که به آن میکروکپسول gutbuster گفته می شود و مزیت آن این است که تنها در محیط قلیایی، نظیر معده انواع خاصی از حشرات می تواند باز شود. این شرکت همچنین در حال تحقیق و بررسی روی آفت کش های نانو کپسوله شده است، به هر حال این واضح است که استفاده از مقیاس نانو باعث تغییرات شگرفی در رفتار محصول فرموله شده می شود، از آن جمله می توان به افزایش تاثیر ماده مؤثره و فعالیت بیولوژیکی طولانی تر آن و در خصوص آفت کش های کپسوله شده به رهایش کنترل شده ماده مؤثره اشاره نمود. مزیت بزرگ فناوری کپسوله کردن سموم، ایجاد توانایی رهایش کنترل شده آنهاست که در این مسیر فناوری نانو شرکت ها را قادر به دستکاری کردن خواص قشر بیرونی کپسول به منظور کنترل رهایش ماده می سازد. رهایش کنترل شده علاوه بر صنایع شیمی- کشاورزی در صنایع دیگر همچون داروسازی نیز بسیار با اهمیت است. فرایند رهایش ماشه ای ماده قرار گرفته در نانو یا میکرو کپسول را می توان با روش های مختلف انجام داد، مثال هایی از انواع آنها در ادامه آورده شده است:
    رهایش تدریجی: در این شیوه کپسول محتویات خود را به آهستگی و در زمان بیشتری آزاد می کند، برای مثال رسانش تدریجی یک ماده به بدن.
     رهایش سریع: در این فرایند پوسته کپسول در تماس با یک سطح می شکند، برای مثال هنگامی که آفت کش به برگ برخورد می کند.
    رهایش با رطوبت: در این شیوه پوسته کپسول در تماس با آب می شکند و محتویاتش را خالی می کند، برای مثال رهایش آفت کش در خاک مرطوب.
    رهایش با حرارت: هنگامی که دمای محیط از یک درجه حرارت به خصوص بیشتر شود پوسته کپسول می شکند و محتویاتش را آزاد می کند. 
    رهایش با: pH عمل شکستن نانو کپسول فقط در یک محیط اسیدی یا قلیایی اتفاق می افتد، برای مثال در داخل شکم یک حشره یا یک سلول.
    
    نانو علف کش ها:
    دانشمندان مشغول ساخت نانو علف کشی هستند که این امکان را برای کشاورز فراهم می کند که بدون استفاده از مواد شیمیایی، علف های هرز مزرعه خود را از بین ببرد. تولید این علف کش نتیجه تلاش مشترک دانشمندان مکزیکی و هندی است. در این روش علف کش به پوسته بذر گیاهان هرز حمله کرده و مانع جوانه زنی آنها می شود. این ماده بذر گیاهان هرز را حتی هنگامی که در زیر خاک قرار دارند از بین می برد و از رشد آنها حتی در بهترین شرایط محیطی جلوگیری می کند. نانو علف کش ها به راحتی با خاک مخلوط می شوند و بذر علف های هرز موجود در خاک را هدف قرار می دهند.
    این روش بر شخم زدن زمین و برداشت دستی گیاهان هرز برتری داشته و هزینه های کنترل را کاهش می دهد. استفاده از این محصول، نیاز به سموم علف کش را کاهش داده و بنابراین تا حد زیادی، مشکل مقاومت علف های هرز به علف کش ها را حل می نماید. طرح نانو علف کش ها در 5 سال اخیر در دست اقدام بوده و تاکنون بودجه ای نزدیک به 240 هزار دلار برای آن هزینه شده است.
    
    کاربردهای نانو در خاک شناسی :
    تولید نانوکودها (Nanofertilizers) این ترکیبات نانویی به سرعت و به صورت کامل جذب گیاه شده و به خوبی نیازها و کمبودهای غذایی آن را مرتفع می سازد. 
    کودهای نانو کپسوله: با استفاده از نانو ذرات و نانوکپسول ها می توان کودهایی با رهایش کنترل شده یا تاخیری تولید نمود. همچنین جذب کودهایی که با این ابعاد تولید می گردند، راحت تر شده و نسبت به کودهای رایج تاثیر بیشتری دارند. علاوه بر آن می توان کودهای شیمیایی زیست سازگار ایجاد کرده و از آلودگی محیط زیست و شوری بیش از حد خاک پرهیز نمود.
    
    منابع:
    1.ماهنامه دام کشت و صنعت، شماره 103.