چگونه با فناوری نانو می‌توان از انرژی و آب کمتر مواد غذایی بیشتری تولید کرد؟

مقالات مرتبط:

پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که تا سال ۲۰۲۰ میلادی جمعیت کره‌ی زمین از مرز ۹ میلیارد نفر هم فراتر می‌رود. دانشمندان به دنبال راهکارهایی هستند که بدون ایجاد فشار بر منابع طبیعی، آب، غذا و انرژی مورد نیاز جمعیت پیش رو فراهم شود. سازمان خواروبار و کشاورزی سازمان ملل متحد (فائو) و بانک جهانی از جمله سازمان‌هایی هستند که به دنبال نوعی نوآوری در ارتباط با آب، غذا و انرژی هستند.

نانوتکنولوژی به عنوان علم طراحی مواد در ساختار فوق کوچک اعلام آمادگی کرده است که راه حلی امیدبخش در عرصه‌ی رشد گیاهان در نظر گرفته است. این شاخه از علم که "کشاورزی دقیق" نام دارد کمک می‌کند تا کشاورزان با استفاده از فناوری نانو از آب، کود و دیگر ورودی‌های مورد نیاز به طور بهینه استفاده کنند. ضمن این که کشاورزی دقیق، باعث می‌شود که ضایعات کمتری تولید شود.

در حال حاضر آزمایشات مربوط به نانو در بخش کشاورزی، در مقیاس آزمایشگاهی صورت گرفته است و نانوذراتی سنتز شده‌اند که به صورت کود در رشد گیاه تاثیر گذار هستند. در مطالعه‌ی پیش رو تاثیر موفق نانوذرات روی "ماش" مشاهده شده است. ماش منبعی غنی از پروتئین و کلسیم محسوب می‌شود که در آسیا رشد پیدا می‌کند. استفاده از این رویکرد می‌تواند مصرف کودهای معمولی را کاهش دهد. از آنجا که در تولید کود، انرژی زیادی مصرف می‌شود، با استفاده از فناوری نانو می‌توان در ذخایر طبیعی معدنی و مصرف انرژی صرفه‌جویی کرد. ضمن این که در این شرایط میزان آلایندگی آب هم کاهش پیدا می‌کند و گیاهان می‌توانند از تغذیه‌ی باارزش‌تری برخوردار شوند.

اثرات مصرف کود

کود نوعی ماده‌ی مغذی برای رشد گیاهان است که کشاورزان‌ یا آن را در خاک قرار می‌دهند یا هنگام آبیاری، آن را در آب مخلوط می‌کنند. این روش باعث می‌شود که پروتئین عمده‌ی کود از بین برود ضمن این که اکوسیستم‌های دیگر هم آلوده شود. به عنوان مثال، کودهای نیتروژنی و فسفری در خاک تثبیت می‌شوند و با برقراری پیوندهای شیمیایی با دیگر عناصر، امکان دسترسی آن‌ها به ریشه‌های گیاهان را فراهم می‌کنند. در نهایت آب باران این کودها را از روی خاک شسته و وارد رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و خلیج‌ها می‌کند که این خود یکی از مشکلات جدی آلودگی است.

با رشد جمعیت جهانی، استفاده از کود در کشاورزی با روند رو به افزایش همراه خواهد بود. در حال حاضر ۸۵٪ فسفرهای معدنی به کود کشاورزی تبدیل می‌شوند که تنها ۴۲٪ آن‌ها جذب خاک می‌شوند. چنانچه این شیوه ادامه پیدا کند، ذخایر جهانی فسفر تا ۸۰ سال آینده به اتمام خواهد رسید و بدتر از آن مشکلات مربوط به آلایندگی آن‌ها است.

بر خلاف کودهای معمولی که در ساخت آن‌ها از مواد اولیه در مقیاس بالایی استفاده می‌شود، نانوتکنولوژی کمک می‌کند که مقادیر استفاده از مواد به طور چشم‌گیری کاهش پیدا کند. نانوساختارها به ذراتی گفته می‌شود که در یک بعد، اندازه‌ی آن‌ها بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد. ۱ نانومتر معادل یک میلیاردم متر است. به بیانی واضح‌تر می‌توان گفت که یک قطعه کاغذ به اندازه‌ی ۱۰۰۰۰۰ نانومتر ضخامت دارد.

این ذرات دارای ویژگی‌های منحصر به فرد فیزیکی، شیمیایی و ساختاری هستند و همین موضوع باعث شده است که از لحاظ کاربردی مورد توجه گسترده‌ای واقع شوند. بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی مانند عملکرد سلول‌ها در مقیاس نانو روی می‌دهد و نانوذرات می‌توانند این فعالیت‌ها را تحت تاثیر خود قرار دهند.

دانشمندان در زمینه‌ی علوم گیاهی و کشاورزی از نانوذرات فلزی و اکسید فلزی استفاده کرده‌اند تا آن‌ها را به صورت "نانوکود" ارایه دهند. این مواد می‌توانند از طریق آبیاری خاک یا اسپری روی برگ گیاهان به آن‌ها منتقل شوند. این مطالعات پیشنهاد می‌کنند که نانوکودها از طریق برگ گیاهان منتقل شوند تا دیگر با خاک تماسی نداشته باشند. از آنجا که ذرات نانوکودها بسیار ریز هستند، در حالت تماس مستقیم با برگ به شکل موثرتری جذب گیاه می‌شوند. در نمونه‌ی آزمایشگاهی، نانوکودها از طریق نازل در یک غلظت دقیق بر روی گیاهان اسپری شده‌اند.

این مواد ریزمغذی در مقداری بسیار کمتر از کودهای فسفری قابل استفاده هستند. پس از ۱۴ روز از جوانه زنی بذر ماش، نانوروی به برگ‌های آن اسپری شد و پس از آن فعالیت سه آنزیم مهم نظیر آلکالن فسفاتاز، اسید فسفاتاز و فیتاز در گیاه مشاهده شد. این آنزیم‌ها با ترکیبات پیچیده‌ی فسفر در خاک واکنش داده و آن‌ها را به شکلی که توسط گیاه قابل جذب باشد درمی‌آورند.

وقتی که این آنزیم‌ها در آزمایشگاه فعال‌تر شدند، گیاه ۱۱٪ فسفر بیشتری به خود جذب کرد. بررسی‌ها نشان داد برای گیاهانی که نانوذرات روی برگ آن‌ها استفاده شد، ۲۷٪ رشد بیشتری نسبت به حالت بدون کود و معمولی داشتند، ضمن این که تعداد ماش‌ها ۶٪ افزایش پیدا کرد.

علاوه بر این‌ها، نانوکودها کمک می‌کنند که ارزش غذایی گیاهان بالاتر رود. نتایج یک بررسی نشان داد که افزودن نانوذرات تیتانیوم اکسید و روی اکسید باعث شد که میزان لیکوپن گوجه‌فرنگی بین ۸۰ تا ۱۱۳٪ افزایش پیدا کند که این مقدار به غلظت نانوساختارها بستگی داشت. چرا که نانوذرات به افزایش نرخ فتوسنتز در گیاهان کمک می‌کنند و همین امر باعث می‌شود که مواد مغذی بیشتری در آن‌ها تولید شود.

لیکوپن یک رنگدانه‌ی قرمز طبیعی است که به عنوان یک آنتی اکسیدان عمل می‌کند و باعث جلوگیری از آسیب سلول‌های انسان می‌شود. بنابراین استفاده از مغذی‌های گیاهی می‌تواند در کاهش سوء تغذیه اقدام موثری واقع شود.

اثرات نانوذرات در بهداشت و محیط زیست

تحقیقات فناوری نانو در کشاورزی هنوز مراحل اولیه را طی می‌کند. قبل از این که نانوکودها وارد عرصه‌ی کشاورزی شوند مطالعات و بررسی‌های مربوط به اثرات نانو در حوزه‌ی بهداشت و محیط زیست صورت پذیرفته بود. حتی سازمان غذا و داروی آمریکا به تازگی دستورالعملی در رابطه با مواد نانوساختار موجود در خوراک دام منتشر کرده است.

تولید‌کنندگان دیگر هم از نانوذرات در تولید مواد غذایی و دیگر محصولات مراقبت شخصی استفاده کرده‌اند. برای مثال از نانوذرات سلیکا در شیر خشک کودک و از نانوذرات تیتانیوم اکسید در پودر کیک‌های دونات استفاده می‌شود. دیگر نانوساختارها در رنگ، پلاستیک، فیبرهای کاغذی، داروسازی و خمیردندان استفاده می‌شود.

مواردی مانند اندازه، شکل، نوع بلور، حلالیت، نوع ماده و غلظت نانو مواد خطرات یا سلامت آن را مشخص می‌کند. کارشناسان بر این عقیده هستند که وجود نانوذرات در محصولات غذایی هیچ خطر سلامتی در پی ندارد.

با این حال هنوز هم جای دارد تا در مورد نانوذرات بررسی‌های بیشتری صورت گیرد و نقش آن در چرخه‌ی زندگی زیستی بشر ارزیابی شود.