کاربرد نانوتکنولوژی در کشاورزی
کاربردهای فناوری نانوتکنولوژی در کشاورزی
مقدمه
در دو دهه اخیر، پیشرفتهای وسیعی در زمینه فناوری وسایل و مواد بـا ابعـاد بـسیار کوچک بدست آمده است و بـشر را در آسـتانه تحـولی عظـیم قـرار داده اسـت. بـرای احساس اندازه ای فوقَ ریز، قطر موی سر انسان را که یک دهم میلیمتر اسـت در نظـر بگیرید؛ یک نانومتر، صد هزار برابر کوچکتر است. انجمن ملی نوبنیاد فناوری نانو کـه یـک نهـاد دولتـی در کـشور امریکـا مـیباشـد، فناوری نانو ( نانوتکنولوژی ) را چنین توصیف میکند تحقیق و توسعه هدفمنـد، بـرای درک، دستکاری و اندازه گیریهای مورد نیاز برای موادی با ابعادی در حد اتم، مولکول و سوپر مولکولها را فناوری نانو میگویند. این مفهوم با واحدهایی از یک تا صد نانومتر ، همبستگی دارد . پیشرفت در زمینه علـوم گیـاهی، کـشاورزی و صـنایع غـذایی، رابطـه مـستقیمی بـا پیشرفت در تحقیقات زیست شناسی سلولی و مولکـولی دارد. تولیـد ابزارهـای جدیـد، تحــول شــگرفی در تحقیقــات ســلولی و مولکــولی ایجــاد کــرده اســت. امــروزه میکروسکوپهایی که قابلیت مشاهده در مقیاس نانو را دارند در توسـعه علـوم زیـستی نقش مهمی را ایفا میکنند دامنه و وسعت کاربرد فناوری نانو رو به گسترش است. شـاید کمتـر کـسی تـصور میکرد که این فناوری بتواند در کمتر از یک دهه تا این حد گسترش یابد. امروز کمتـر عرصه ای را میتوان یافت که فناوری نانو با قابلیت و توانمندیهای منحـصر بفـردش، خود را به آن تحمیل نکرده باشد.
در حال حاضر، صدها شرکت در سراسر جهان در زمینه های مرتبط با فناوری نـانو فعال هستند و انتظار میرود که تعداد آنها بـه سـرعت افـزایش یابـد و بـه مـوازات آن، کاربرد های بیشتر، جدیدتر و پیچیده تری از این فناوری پدیدار شود. فناوری نانو هیچ زمینه علمی را به حال خود رها نکرده است. علوم کـشاورزی نیـز از این قاعده جدا نیستند. با توجه به کاربرد مؤثر فناوری نـانو در بخـش کـشاورزی و منابع طبیعی، بسیاری از کشورها سرمایه گذاریهای هنگفتی در زمینه نانوتکنولوژی انجام داده اند. وزارت جهاد کشاورزی نیز در زمینـه فناوری نـانو در سـالهـای اخیـر فعالیتهـای گسترده ای انجام داده است. هدف وزارت جهاد کشاورزی آن است که نانوتکنولوژی در تمام زیر بخشهای کشاورزی به کار گرفته شود. در نشریه حاضر، برخی کاربرد های فناوری نانو در حوزه هـای مختلـف کـشاورزی شامل حفظ نباتات، صنایع غذایی، علوم دامی، آب و آبیاری، کـشاورزی دقیـق ، زراعـت و باغبانی ، ماشین آلات کشاورزی و بازیافت مواد تشریح گردیده اند.
حفظ نباتات
علم گیاه پزشکی از پیشرفتهای فناوری نانو بی بهـره نمانـده اسـت. دسـتاوردهای جدید ناشی از فناوری نانو مانند تیمار مولکولی بیماریها، ردیابی سـریع بیمـاریهـا و افزایش مقاومت گیاهان از طریق جذب مواد غذایی، همگی از عوامل تحولزا در بهبـود کارایی علم گیاه پزشکی میباشند.
روشهای کنترل زیستی (بیولوژیک) آفت که با استفاده از یکی از دشمنان طبیعـی آن آفت صورت میگیرد، در حال حاضر بسیار هزینه بَر هستند. بر همین اساس، برخـی بـر این باورند که از بین روشهای موجود برای مدیریت آفات کشاورزی، اسـتفاده از سـموم و آفتکشها سریعتر و ارزانتر از سایر روشهـا مـیباشـد. امـروزه مـصرف بـیرویـه آفت کشها مشکلات زیادی را ایجاد کرده اند. این مشکلات شامل اثرات سوء برسلامت انسان (ایجاد مسمومیتهای حاد یا بیماری های مزمن)، تأثیر این مواد بر حشرات گـرده افشان و حیوانات اهلی مزارع و همچنین ورود این مواد به آب و خاک و تأثیر مستقیم و غیرمستقیم آن بر محیط زیست میباشد. پسماندهای ناشی از مصرف بیرویه آفتکشها در محصولات کشاورزی را نیز نباید از نظر دور داشت.
استفاده از داروهای (سموم) هوشمند در ابعاد نانو مـیتوانـد راه حـل مناسـبی بـرای مشکلات ناشی از مصرف سموم شیمیایی باشد. این داروها که قابلیت حرکت در گیاه را دارند در بسته هایی که حاوی نشانی خاص هستند قرار میگیرند. برچسب نـشانی، یـک کد مولکولی است که بر روی بسته نصب شده و به بسته اجازه میدهد که به بخـشی از گیاه که مورد حمله عامل بیماری یا آفت قرار گرفته تحویـل داده شـود. ایـن نـاقلین در ابعاد نانو همچنین دارای خود تنظیمی نیز میباشند به این معنی که دارو فقـط بـه میـزان لازم به بافت گیاهی تحویل داده میشود دقت. در ردیابی بافتَ هدف و میزان اندک امـا مؤثر دارو باعث میشود استفاده از سموم در کشاورزی به حداقل برسد.
بیماری های گیاهی نیز بر اساس علائمی مانند تغییر رنـگ یـا تغییـر شـکل انـدامهـا شناسایی میشوند؛ اما مسئله اینجاست که این علائم مدتها پـس از ورود عامـل بیمـاری به بافت گیاه بروز پیدا میکنند؛ بـه همـین خـاطر، حتـی بـا سـریعترین اقـدامات بـرای جلوگیری از شیوع بیماری، باز هم مقداری از محـصول از بـین مـیرود. بـا توضـیحات اخیر، نیاز به ابزاری که به کمک آن بتوان در همان مراحل ابتدایی ورود عامـل بیمـاری، آن را شناسایی، کنترل و مهار کرد بسیار ضروری بـه نظـر مـیرسـد.
نـانو حـسگرها از قابلیتهایی برخوردارند که میتوانند این وظیفه را انجام دهند. نانو حسگرهای زیستی ابزارهایی هستند که که از تلفیق ابزارهای شیمیایی، فیزیکـی و زیستی بدست آمده اند. این حسگرها شامل ترکیبات زیستی مانند یک سلول، آنـزیم و یا آنتی بادی متصل به یک مبدل انـرژی هـستند و قادرنـد کـه تغییـرات ایجـاد شـده در مولکول های اطراف خود را گزارش دهند. این گزارشها توسط سـیگنالهایی کـه مبـدّل انرژی به تناسب با مقدار آلودگی تولید میکند دریافت مـیشـوند بنـابراین. اگـر تجمّـع زیادی از عامل بیماری در اطراف این حسگرها وجود داشـته باشـد سـیگنالهـای قـوی فرستاده میشوند. ارزیابی حضور آلاینده ها در محیط توسـط حـسگرها در چنـد دقیقـه میسّر است اما با استفاده از روشهای رایج حـداقل ۴۸ سـاعت زمـان بـرای تـشخیص، مورد نیاز است.
میتوان از حسگرها و سیستم های رسانش هوشـمند بـرای مبـارزه بـا ویـروس هـا و عوامل بیماریزای گیاهی بهره جست. یکـی از راههـای دسـتیابی بـه رسـانش هوشـمند، نانوکپسوله کردن است. در این روش، ماده مؤثره نانومقیاس در داخـل یـک محفظـه یـا پوسته کوچک بسته بندی می شود و با توجه به جنس پوسته، ماده مؤثره با شرایط خـاص و کنترل شده ای آزاد می شود ؛ فرموله کردن آفت کش ها در کپـسول هـا باعـث تغییـرات انقلاب گونه ای می گردد که از جمله ویژگی های آن می توان به توانـایی کنتـرل رهـایش آفتکش در شرایط مختلف مثل رهایش تدریجی، رهایش سریع، رهـایش بـا رطوبـت، رهایش با حرارت و رهایش با PH اشاره کرد.
یکی از روش های دیگر برای دستیابی به رسانش هوشـمند ، نانوامولـسیون اسـت. در این روش سوسپانسیون ذرات، فعّال نانومقیاس (نانوامولسیونها) با پایه آبی یا روغنـی و شامل سوسپانسیون یکنواختی از نانوذرّاتَ علف کش و نـانوذراتَ آفـت کـش در انـدازه ۲۰۰ تا ۴۰۰ نانومتر استفاده می شود که به راحتی در قالـب مـواد مختلفـی ماننـد ژل هـا، کرمها و مایعات با هم ترکیب می شوند و برای محافظت و نگهداری از محصول به کـار میروند.
کاربرد های نانو در تولید سموم و کودهای مؤثر و کم خطر نیز حـائز اهمیـت اسـت. ذرات سموم کشاورزی به وسیله عواملی از قبیل باد، وارد هوا شده و با ورود به سیـستم تنفسی انسان، او را در معرض انواع بیمـاریهـای استنـشاقی قـرار مـیدهـد. تحـولات نانوتکنولوژی ، با افزایش میزان سودمندی و کاهش عوارض سموم کـشاورزی، معـضلات ناشی از این سموم را رفع میکند و آنها را به محصولاتی مفید تبدیل میکند. امروزه برخی سموم و کودهای شیمیایی با اسـتفاده از نـانوذرات و نانوکپـسولهـا تولید میشوند. این نسل از سموم و کودها از قابلیت رهایش کنترل شده یا تأخیری و جذب و تأثیرگذاری بیشتر برخوردار هستند و سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند. امروزه تولید بلورهای نانویی جهت افـزایش کـارآیی اسـتفاده از آفـتکـشهـا نیـز امکانپذیر شده است. استفاده ازبلورهای نانویی امکان کاربرد آفتکـشهـا بـادُزهـای کمتر را فراهم میآورد و امکان ورود این ترکیبات خطرناک به طبیعت را بـه حـداقل میرساند. نانوکودها نیز ترکیبات نانویی خاصی هستند که به سرعت و به صورت کامل جذب گیاه شده و به خوبی نیازها و کمبودهای غذایی آن را مرتفع میسازند.
صنایع غذایی
فناوری نانو در فرآیند تولید، فرآوری و بسته بندی مواد غذایی نقش مهمی ایفا میکنـد. با این وجود، کاربرد های فناوری نانو در صنعت غذایی و کـشاورزی هنـوز در مراحـل آغازین قرار دارد و پیشبینی میشود که دهه آینده، شـاهد افـزایش اسـتفاده از فنـون و ابزارهای پیشرفته مبتنی بر فنآوری نانو بـرای شناسـایی و حـذف عوامـل سـرطانزا از غذاها باشد. بازار جهانی فناوری نانو در صنعت غـذا و نوشـیدنی در سـال ۲۰۰۷ بـالغ بـر ۱۰۵ میلیون دلار بوده که عمدتاً مربوط به بخش بسته بندی بوده اسـت. انتظـار مـیرود بـازار تولیدات و فرآیندهای مبتنی بر نانو، ارزشی بالغ بـر ۲٫۱۳۵ میلیـارد دلار در سـال ۲۰۱۵ داشته باشند. همچنین انتظار میرود که %۲۹ فعالیتهای صورت گرفته در صنعت غذا و نوشیدنی از فرآوری تا تولید نهایی، در سال ۲۰۱۵ از فنـاوری مـرتبط بـا نـانو اسـتفاده نماید. شروع کاربرد های بر پایه فناوری نانو از سال ۲۰۱۲ بـا کـاهش هزینـه هـای مـواد بسته بندی تأثیر خود را میگذارد.
مهمترین پتانسیلهای کاربرد نانو در غذا و صنایع غذایی عبارتند از:
- تولید غذاهایی با امکان تغییر رنگ، مزه یا مواد مغذی مطابق درخواست مـشتری یـا نیازهای سلامت
- ایجاد فیلتر یا صافیهایی برای زدودن سموم
- بهبود عطر و طعم غـذا بـه وسـیله عبـور از مولکـولهـای خـاص بـر پایـه شـکل مخصوص مواد به جای اندازه آنها
- بسته بندی هوشمند که با تغییر رنگ غذا فساد غذایی را به مشتریان هشدار میدهد.
فناوری نانو کاربرد های مختلفی در صنایع غذایی دارد و به نگهداری بیشتر غذا، بهبود طعم و رنگ و سلامت غذا و افزایش کیفیت بسته بنـدی کمک نموده است . نانو ذرات، اولین و مهمترین عناصر پایه هستند. متداولترین نـانو ذرات، نـانو ذرات نیمه رسانا، نانو ذرات سرامیکی و نانو ذرات فلزی میباشند. نـانو ذرات در بسته بندی مواد غذایی، ظروف نگهداری مواد غذایی، از بین بـردن ریزسـاختارهای زنـده و تولیـد روغــنهــایی کــه ســریعتــر داغ مــیشــوند کــاربرد دارنــد. بــا اســتفاده از نــانو ذرات و نانوساختارها میتوان بطور موثری باکتریهای مـضر موجـود در غـذا را از بـین بـرد و سلامت غذا را افزایش داد.
امکان نگهداری غذا با استفاده از نانوتکنولوژی افزایش یافته است. یـک راه افـزایش نگهداری مواد غذایی، ضدعفونی و ضد میکروب نمودن سـطوح غـذا مـی باشـد. نـانو میتواند با جابه جا کردن سطح پوشش مواد، از ورود هر نـوع ریزسـاختارهای زنـده یـا میکروب به غذا جلوگیری کرده و سبب ضدعفونی شدن سطوح غذاها شود. عـلاوه بـر این، با استفاده از نانوحفره ها میتوان از خراب شدن مواد بی ثباتی مثل آنتی اکسیدانهای حساس از جمله ویتامینهای A ، ِD ، E و امگا ۳ جلـوگیری نمـود. دسـتکاری و کنتـرل فعالیت آنزیمها نیز در راستای افزایش قابلیت نگهداری غذا مهم می باشد؛ لذا مـیتـوان از نانو حفره ها در شناسایی و طراحی ساختمان آنزیمها و کنترل سوخت و ساز آنهـا بـا تغییر در ساختار و افزودن ذرات فعال به مواد غذایی استفاده نمود . طعم و رنگ غذا را میتوان با اسـتفاده از نانوتکنولوژی بهبـود بخـشید. بـه کمـک فناوری نانو در مواد غذایی مختلف خواصی ایجاد می کنند که احـساس طعـم و بـوی خاص در مصرف کننده ایجاد میکند نمونه. بارز آن، تولید سُس کم چربی است که مـزّه چربی میدهد اما چربی ندارد.
یکی از کاربرد های نانوتکنولوژی برای جلب اطمینـان از سلامت غـذایی مـی باشـد. پژوهشگران از نانوحسگرهای قابل حمل برای یافتن مواد شـیمیایی مـضر، پـاتوژنهـا و سموم در مواد غذایی استفاده کرده اند. با این کار، دیگر نیازی به فرستادن نمونه های مواد غــذایی بــه آزمایــشگاه بــرای تــشخیص ســلامت و کیفیــت محــصولات کــشتزارها و کشتارگاهها نیست. این روش میتواند در تشخیص باکتریهای مضر و متفاوت موجود در گوشت یا ماهی و یا قارچهای میوه نیز مؤثر باشد.
با توجه بـه اینکـه سـالانه بخـش قابـل توجهی از محصولات کـشاورزی بـه دلیـل عدم بسته بندی مناسـب از بـین مـیرونـد، بهره گیری از فناوری نانو مـیتوانـد مـؤثر باشد. بیشترین کاربرد نانو در صـنعت غـذایی ، مربــوط بـه بسته بندی اســت چراکــه بسته بندی نــانویی محــصول را از آسیبهای فیزیکی و آلودگیها حفظ میکنند ؛ و با کارآیی وسیع و مؤثر در برابـر انـواع ریزساختارهای زنده، باعـث افـزایش عمـر مفیـد و مانـدگاری دراز مـدت محـصولات میشوند. خاصیت ضد میکروبی و ممانعتی بسته بندیهـای نـانویی موجبـات بهداشـت بهتر، کنترل بیشتر، ممانعت از بیرنگی و خسارت کمتر به ساختار آن را باعث میشـود. بسته بندیهای نانویی مقاوم، به دلیل استحکام در مقابل حـرارت از فـساد و پلاسـیدگی میوه ها و سبزیجات در دمای بالا جلوگیری مـیکننـد. زمـان مانـدگاری محـصولات در بسته بندیهای نانو از سه یا چهار روز به دو تا سه هفته در شرایط دمای محیط بیـرون از یخچال افزایش مییابد.
فناوری نانو میتواند نقاط ضعف صنعت بسته بندی را برطرف کند. کاربرد نانو مواد مرکّب، میتواند کیفیت بسته بندی را با افزایش خاصـیت مـانع بـودن آن، قیمـت کمتـر، نمایش بهتر و مواد سازگار با محیط زیست، بهبـود دهـد. بسته بندی غـذا بـا طراحـی قابهای مختلـف، مزیـتهـای عملـی ماننـد مقاومـت در برابـر آتـش، جـاذب گـاز و مقاومتهای حرارتی و مکانیکی، زمینه را برای افزایش توانایی مـصرف و غیـره فـراهم میکند.
فیلمهایی که با ساختار نانویی و نیز با افـزودن برخـی مـواد در سـاخت آنهـا تولیـد میشوند به بسته بندیهایی ختم مـیشـود کـه مـیتوانـد از تهـاجم عوامـل میکروبـی و بیماریزا که بهداشت و سلامت غذا را به خطر میاندازد، جلوگیری کنند.
امروزه اهمیت تولید بسته های نـانویی کـه بتواننـد عـلاوه بـر افـزایش طـول مـدت نگهداری محصولات غذایی، از آلودگی آنها نیز جلوگیری کننـد و مـصرف کننـده را از آلوده بودن محصول آگاه نمایند، افزایش یافته است. بر همین اساس، بسته بندی هوشمند با استفاده از نانو حسگرهای زیستی مد نظر قرار گرفته است.
سیستمهای هوشمند بسته بندی قادر خواهند بود پارگی و سوراخهـای کوچـک را بـا توجه به شرایط محیطی (مانند تغییرات دما و رطوبت) ترمیم نموده و مـصرف کننـده را از فساد مواد غذایی آگاه سازند. در این نوع بسته بندی ، نانوحسگرهایی وجود دارنـد کـه نسبت به گازهایی که از مواد غذایی آزاد و موجب فساد میشوند به شدت حسّاس بوده و تغییر رنگ میدهند. این تغییر رنگ، نشانهای آشکار از سلامت یا فـساد مـواد غـذایی است. این سیستم به مراتب دقیقتر و مطمئنتر از سیستم فروش با درج تـاریخ مـصرف میباشد.
از دیگر کاربرد های نانوتکنولوژی در صنایع غـذایی ایجـاد پلاسـتیکهـای جدیـد در صنعت بسته بندی مواد غذایی است. در تولید این پلاسـتیکهـا از فناوری نـانو ذرات استفاده شده است. اکسیژن مسئله سازترین عامل در بسته بندی مواد غـذایی اسـت زیـرا این عنصر باعث فساد چربیهای موجود در مواد غـذایی و همچنـین تغییـر رنـگ آنهـا میشود. در این نوع پلاستیکهای جدید، نانوذرات به صورت زیگزاگ قرار گرفته انـد و مانند سدّی در مقابل اکسیژن عمل نموده و مانع از نفوذ آن میشوند. بـه عبـارت دیگـر، مسیری که گاز اکسیژن باید برای ورود به بسته طی کند طـولانی مـیشـود و بـه همـین خاطر، مواد غذایی موجود در این گونه بسته ها تازگی خود را بیشتر حفظ میکنند.
علوم دامی
در علوم دامی، فناوری نانو، یک رویکرد جدید و تکمیل کننـده اسـت. نانوتکنولوژی میتواند در راستای افزایش بهره وری از طریق مواد خوراکی و تغذیه، بهداشت و اصلاح نژاد انواع دام و طیور و آبزیان بسیار مؤثر باشـد. کـاربرد نانوتکنولوژی در افـزایش بهداشت دام و جایگاههای پرورش دام و طیور، فرآوری محصولات لبنـی و پوشـشدار کردن آنزیمها و داروهای خوراکی نیز حائز اهمیت است.
از جمله کاربرد های فناوری نانو در علوم دامی میتوان به کاربرد نانوتکنولوژی برای تشخیص و درمان بیماری دام اشاره کرد. تصور امکان تزریـق نانوپارتیکهـا بـه دامهـا و فعال شدن تدریجی ماده مؤثر همراه با این نانوذرات در بدن حیوان برای از بین بـردن و تخریب سلولهای سرطانی، افق تحقیقاتی جدیـدی را بـه روی محققـان گـشوده اسـت. محققان مراحل مقدماتی کاربرد نانو شلها را برای تزریق به جریان خون ارزیابی کرده انـد.
این ذرات نانو به گیرنده های غشای سلولهای سرطانی متصل میشوند و با ایجاد امـواج مادون قرمز باعث بالارفتن دمای سلولهای مذکور به ۵۵ درجه و ترکیدن و از بین رفـتن تومورهای موجود میگردند. همچنـین نانوپارتیکهـایی کـه از اکـسیدهای آهـن سـاخته میشوند، با ایجاد امواج مغناطیسی در محل استقرار سلولهای سرطانی باعث از بین بردن این سلولها میشوند. یکی از اساسیترین محورهای تحقیقات کنونی، توسعه سیستمهای رهاسازی غیرزنده، با بازدهی مناسب و با حداقل هزینه و عوارض جانبی و سمّی میباشد، که در ژن درمانی مورد استفاده قرار میگیرند. استفاده از نانو ذرات نقره (نانوسیلورها) نیز در افزایش بهداشت دام و جایگاههـای پرورش دام و طیور مد نظر قرار گرفته اند. نانو ذرات نقره، ضدعفونی کننده قوی (ضـد باکتری و ضد میکروب) هستند و با توجه به پایـداری آنهـا و عـدم مـصرف ایـن ذرات (عدم نیاز به تهیه مجدد) استفاده از آنها در ضدعفونی کردن جایگاههای نگهداری دام و طیور، کاربرد گسترده ای یافته است. امروزه، استفاده از نانوفیلترها در فرآوری محصولات لبنـی رواج پیـدا کـرده اسـت. نانوفیلترها، امکان عبور انتخابی ذرات خاص را فراهم آورده و از این رو فرآوری مورد نظر را ممکن میسازند.
از نانوکپسولها بعنـوان پوششی برای آنزیمهای خوراکی و داروهای دامـی اسـتفاده می شود. با توجه به کاربرد برخی آنزیمها و پـروتئینهـای خـاص در جیـره هـای دام و طیور که به منظور افزایش عملکرد و تأثیر در بافتی مشخص استفاده میشوند و معمـولاً در دستگاه گوارش بخوبی جذب نمیشوند، لذا استفاده از نانوکپسولها بـرای پوشـشدار کردن و محافظت از آنها تا رسیدن به بافت هدف، مؤثر خواهد بود. به کمک نانوذرات هوشمند میتوان داروها و نیز مواد غذایی یا تنظیمی مورد نیاز دام را با انتقال هوشمند و دقت بالا فقط به بافت ها و اندام های مورد نظـر هـدایت نمـوده و بدون اینکه سلول ها و بافت های دیگر از اثرات سوء آنها متأثر شـوند، فقـط بافـت هـای هدف را در معرض این مواد قرار میدهند.
از نانوحسگرها در بخشهای مختلـف سیـستمهای پـرورش دام و طیـور و شناسـایی انفرادی دامها استفاده میشود. استفاده از نانوحسگرها و نانو بیو حسگرها در ماشینهای شیردوشی نیز رایج شده است.
مدیریت تلاقی و زمان مناسب جفتگیری دامها، در واحدهای پرورش گاو شیرده بـه هزینه و زمان طولانی نیاز دارد. یکی از راهکارهای جدید، استفاده از نانوتیوپهـا خـاص در داخل پوست میباشد که زمان واقعی شدت ترشح هورمون استروژن و وقوع فحلـی را در دامها نشان میدهد و لذا با علائمی کـه حـسگرهای موجـود بـه دسـتگاه مـانیتور می فرستند، زمان دقیق و واقعی تلقیح را به دامدار نشان میدهند
آب و آبیاری
استفاده از نانوتکنولوژی برای تولید قطره چکان های تنظیم کننده فـشار و مقـاوم بـه نفوذ ریشه و همچنین برای تولید لوله های پلاستیکی تراوا و لوله های رسی، از مهمتـرین دستاوردهای فناوری نانو در علم آبیاری میباشد، که با استفاده از آنها رانـدمان آبیـاری از ۴۰ـ۳۰ درصد به ۹۳ـ۹۲ درصد افزایش مییابد. با توجه به اینکه ۹۴ درصد از منـابع آبی کشور در بخش کشاورزی مصرف میشود و با وجود خشکسالیهـای پـی در پـی، این میزان افزایش در راندمان مصرف آب میتواند کمک زیادی به خروج از بحـران آب نماید. در این زمینـه، اسـتفاده از یـک هـسته نـانویی بـرای آمیختـه شـدن پلاسـتیک و علفکش در هنگام ساخت لوله های پلاستیکی سبب شده است کـه از تجمیـع ریـشه و شکسته شدن لوله هنگام استفاده از آن در آبیاری زیرزمینی جلوگیری شود.
با استفاده از نانوتکنولوژی ، امکان ساخت مواد پوششی جدید و کارآمد برای پوشـش درون لوله های فلزی فراهم گردیده است. این مـواد پوشـشی بـه منظـور جلـوگیری از خوردگی ناشی از سیّالات و کاهش زبری جداره لوله ها به کار میروند.
از آنجاییکه ۹۵ درصد از آبهای موجـود در جهـان را آبهـای نامتعـارف تـشکیل میدهد لذا میتوان با استفاده از نانو ذرات و نانوفیلترها امکان تصفیه و به سازی آب را با سرعت و دقت بیشتر فراهم کرد. نانو فیبرهای اکسید آلومینیم با اندازه های ۲ نانومتر ، قادرند ویروس، باکتری و کیستهای درون آب را از بین ببرند. کشورهایی چون هنـد و آفریقای جنوبی با همکاران آلمانی خود و با تخصیص منابع مالی هنگفـت چنـد میلیـون دلاری از بودجه تحقیقاتی خود، توانستهاند گامهای مؤثری را در این مسیر بردارند.
نمک زدایی و تصفیه اقتـصادیتـر آبهـا جهـت شُـرب و کـشاورزی بـا اسـتفاده از نانوتکنولوژی نیز مدنظر قرار گرفته است. سازمان ملل پیشبینی کرده که در سـال ۲۰۲۵ میلادی، ۴۸ کشور جهان (معادل ۳۲ درصد جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی و کشاورزی میشوند؛ لذا تخلیص و نمک زدایی آب به کمک نانوتکنولوژی اهمیت زیادی دارد. سامانه های نانویی طراحی شده میتوانند آب دریا را با صرف انرژی ۱۰ برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس، و ۱۰۰ برابر کمتر از دستگاه تقطیر، نمک زدایی کنند.
بیخطر ساختن مواد آلاینده آب و خاک و قابلیت بازیافت آنها با استفاده از نانوتکنولوژی امکانپــذیر اســت. عــلاوه بــر ایــن مــیتــوان بــا اســتفاده از پلیمرهــا و مــواد کامپوزیت، سوپرجاذب های آب را ساخت و از آنها به منظور ذخیره و حفظ رطوبت بیشتر در خاک، به ویژه در مناطق خشک و کم آب، استفاده نمود.
کشاورزی دقیق
کشاورزی دقیق کمک می کند تا با کمترین نهاده (کودها، آفت کشهـا، علـفکـشهـا و …)، بیشترین عملکرد را به دست آورد، این هـدف بـا بررسـی متغیرهـای محیطـی و عملکردهای هدفمند قابل دستیابی است. در کـشاورزی دقیـق بـا اسـتفاده از رایانـه هـا، سیستم های ماهواره ای مکان یاب جهـانی ( GPS ) و دستگاه هـای حـسگر کنتـرل از راه دور، می توان در مـورد کیفیـت رشـد محصولات کـشاورزی، تـشخیص دقیـق طبیعــت منطقــه و مــشکلات آن، تــصمیم صحیح گرفت. میتوان با این کار شـرایط را به گونه ای تنظیم کرد که علاوه بر کاهش هزینه، کاهش ضایعات کشاورزی، آلـودگی محیط زیست نیز به حداقل برسد.
یکی از مصادیق کاربرد نانوتکنولوژی در کـشاورزی دقیـق، اسـتفاده از نانوحـسگرها میباشد. حسگرهای کوچک و سیستم های کنترل و پایش کـه بـا کمـک فناوری نـانو ساخته شده اند، می توانند تأثیر مهمی بر کشاورزی دقیق داشـته باشـند و لـذا پـیشبینـی میشود بازار جهانی حسگرهای بیسیم تا سال ۲۰۱۰ به هفت میلیارد دلار برسد.
یکی از نقـش هـای اصـلی ابزارهـای مبتنـی بـر نانوتکنولوژی ، افـزایش اسـتفاده از حسگرهای خودکاری است که برای کنترل مستقیم به دستگاه های متصل می شوند. این نانوحسگرها حتی می توانند در سراسـر کـشتزارها پخـش شـده و شـرایط خـاک و رویش محصول را کنتـرل و تنظـیم کننـد. در حـال حاضـر از حـسگرهای بـی سـیم در بخشهای خاصی از آمریکا و استرالیا استفاده میشود.
امروزه با استفاده از نانو حسگرها مشخص میشود که هر قسمت کوچـک از مزرعـه به چه میزان به عناصر غذایی و سم نیاز دارد و بدین وسـیله از آلـودگی محـیط زیـست جلوگیری کرده، سلامت محصولات و افزایش بازده اقتصادی را ممکن مـیسـازد. نـانو حسگرها میتوانند با کنترل دقیق و گزارش دهی بـه موقـع نیازهـای گیاهـان بـه مرکـز پردازش اطلاعات، سیستم را در نگهداری محصولات یاری نماید.
زراعت و باغبانی
با استفاده از نانوتکنولوژی ، ایجاد گلخانه های کم هزینه تـر بـا هـدف صـرفه جـویی در مصرف انرژی و دوام بیشتر در برابـر رطوبـت امکـانپـذیر اسـت. سـاختارهای نـانویی میتوانند گلخانه هایی در حجم کم اما انبوه پدید آورند که تقریبا با ۱۰ درصد کل مزارع زیر کشت موجود، جمعیـت کنـونی جهـان را تغذیـه کـرد. در ایـن صـورت مـیتـوان میلیونها هکتار از زمینهای کشاورزی سراسر جهـان را بـه محـیطهـای طبیعـی بـرای سکونت حیوانات، فضای سبز و گردشگری تبدیل کرد.
کاربرد های فناوری نانو در اصلاح نباتات حائز اهمیت میباشد. انتقال ژنهای مورد نظر به سلولهای گیاهی با استفاده از نـانومواد امکـانپـذیر مـیباشـد. در ایـن روش از سامانه رسانش نانوذرات طلای پوشـیده بـا DNA یـا RNA بـه داخـل سـلول اسـتفاده میشود.
در فنآوری زیـستی (بیوتکنولـوژی) کشاورزی، فناوری نانو اجازه مـیدهـد تا اجزا و ترکیبـات دلخـواه را در داخـل ســلول دســت ورزی نمــود و مــواد و محصولات جدیدی بـا اسـتفاده از روش های جدید اتو اسمبلی (سرهم کـردن خود) و تغییر ژن، به وجود آورد. با ایـن کار میتوان گیاه ، دام و بطـور کلـی موجـوداتی بـا ویژگـیهـای برتـر تولیـد کـرد کـه مزیتهای مختلفی برای کشاورزی و صنایع غذایی دارند.
ماشین آلات کشاورزی
نانوتکنولوژی ، قابلیتهای جدیدی برای صنعت ماشینهای کشاورزی فـراهم نمـوده است. پیش بینیها نشان میدهند که تا ۱۰ سال آینده، طراحی و تولید خودروها به میـزان ۶۰ درصد تحت تاثیر نانوتکنولوژی و زیر شاخه های آن قرار خواهد گرفـت. بـه عنـوان مثال کاربرد های انرژی نوین، کاهش وزن خودرو، افزایش کارکرد مواد، افـزایش راحتـی و افزایش بهره وری در برابر هزینه های تمام شده از جملـه مزایـای قابـل تعریـف بـرای صنعت خودرو و ماشینهای کشاورزی است.
ساخت و تولید ماشینهای کشاورزی میتواند از فناوری نانو در زمینه های فراوانـی همچون شاسی و بدنه ، موتور و سیستمهای انتقال نیرو، رنگ و لایـه گـذاریهـا، روغـن کاری و روانسازها، تایرها، سیستم تخلیه و مبدّلهای کاتالیستی و تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی سود برد.
دستیابی به روغن های روان کننده بسیار پایدار (با بیش از ۵۰ هزار کیلـومتر کـارکرد)، شیشه هایی که هیچوقت کثیف نمی شوند و شفافیت آنهـا بـا شـدت نـور محـیط تنظـیم میشوند، افزایش استحکام قطعات سایشی در ادوات کشاورزی بُرنـده ماننـد تیغـه هـای دستگاه های کمباین به کمک روکش های نانویی بسیار مقاوم، تولید رنگ و پوشـش هـای حفاظتی ضد خِش و بسیار مقاوم، تولید لاستیک های بسیار مقاوم به سایش و اسـتهلاک در شرایط سخت کار در اراضی سفت و سنگلاخی و امکان استفاده از رایانه های مجهـز به سیستم های پردازش گر مناسب برای دریافت اطلاعات ارسالی از حـسگرهای مـستقر در پایگاه های زمینی در سطح مزرعه یا باغ یا ارسالی از ماهواره، همگی از دستاوردهـای ارزشمند فناوری نـانو مـی باشـند کـه موجـب افـزایش کـارآیی و رانـدمان اسـتفاده از ماشین آلات کشاورزی میگردد.
اخیراً حسگرهایی طراحی و ساخته شده اند که در قسمتهـای مختلـف ماشـین آلات کشاورزی نصب شده و اطلاعات مربوط به نحوه کارکرد قطعات مختلف ماشـین را بـه یک سامانه مرکزی در داخل ماشـین ارسـال مـی نماینـد. بـدین ترتیـب قبـل از بـروز و گسترش تخریب، می توان از آن پـیشگیـری نمـوده و بـا هزینـه هـای کـم، تنظیمـات و تعمیرات لازم را انجام داد.
در ادوات و ماشین آلات کشاورزی هوشمند نسل جدید، انجام عملیات سـم پاشـی و کنترل ردیف های تیمار شده و نشده، تعیین دقیق مسیر حرکـت ماشـین آلات سـم پـاش، هدایت و تنظیم ماشین آلات مربوط به تهیه و آماده سـازی بـستر کـشت، تنظـیم صـحیح دستگاه های سم پاش، کود پاش، بذرکار و نـشاکار و نیـز هـدایت و تنظـیم دقیـق ادوات برداشت محصول، همگی به کمک حسگرهایی که محـصول نانوتکنولوژی و مهندسـی دقیق میباشند، انجام میگردد.
بازیافت مواد
نانوتکنولوژی با استفاده از فرآیندهای طبیعی زیستی، شیمیایی و فیزیکی بـه بازیافـت ضایعات محصولات کشاورزی و تبدیل آنها به انرژی و یـا مـواد شـیمیایی صـنعتی نیـز نقش دارد. به طور مثال از زمان برداشت پنبه تا تولید پارچه بیش از ۲۵ درصد الیاف بـه ضایعات تبدیل میشوند. در دانشگاه کرنل در آمریکا روشـی تحـت عنـوان »ریـسندگی الکتریکی« ابداع شده که بـا اسـتفاده از ایـن روش از ضـایعات پنبـه محـصولاتی ماننـد کلافهای پنبه و نخ البته با کیفیت پایین تر تولید میکنند. دانشمندان علوم پلیمر از ایـن روش برای تولید نانو فیبرها از سلولز که ۹۰ درصد الیاف پنبه را تشکیل میدهد استفاده کرده اند و الیافی کمتر از ۱۰۰ نانومتر تولید کرده اند که ۱۰۰۰ بار کوچکتر از الیاف فعلی است. یکی از کاربرد های این الیاف ریز سلولزی، جذب آفتکشها و کودهای شـیمیایی از محیط برای جلوگیری از ورود آنها به زیست بوم و رها کردن مجدد این مواد در محـیط در مواقع مورد نیاز است. از دیگـر محـصولات فناوری نـانو، نـانو کاتالیزورهـا هـستند کـه قابلیـت تبـدیل روغنهای گیاهی به سوخت را جهت ایجاد منابع جدید انرژی دارند.
منابع و مآخذ:
- پور رحیم، رضا. .(۱۳۹۰) فناوری نانو ابزاری قدرتمند برای توسعه کشاورزی پایدار.
- خیام نکوئی، سید مجتبـی. . (۱۳۸۹ ) مـصاحبه در حاشـیه اولـین نمایـشگاه توانمنـدی هـای ملـی فنآوری نانو، ۲۲ لغایت ۲۴ مهر، تهران: سالن حجاب
- خیام نکویی، سید مجتبی، بی آزار، اسماعیل و صالحی جوزانی، غلامرضا. .(۱۳۸۹) فنآوری نانو در علوم کشاورزی. کرج: پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی
- قاسم زاده، علی و گلستانی، جهان. .(۱۳۹۰) مروری بر برخی از کاربرد های فنآوری نانو در صنایع غذایی و نوشیدنی؛ با رویکرد بازار جهان
