1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • مدیریت بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

    به منظور ارتقا سطح علمی دانش آموزان و دانشجویان و دسترسی ساده تر افراد به منابع علمی، ستاد ویژه ت...

    به منظور ارتقا سطح علمی دانش آموزان و دانشجویان و دسترسی ساده تر افراد به منابع علمی، ستاد ویژه توسعه فناوری نانو اقدام به راه اندازی سیستم آموزشی فناوری نانو نموده است
  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمینه استاندارد سازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • بازار مجازی نانو

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • Nano Proceedings

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

    سایت کارگروه صنعت و بازار به منظور برقراری ارتباط بی واسطه بین فعالان صنعتی در حوزه های مختلف و س...

    سایت کارگروه صنعت و بازار به منظور برقراری ارتباط بی واسطه بین فعالان صنعتی در حوزه های مختلف و ستاد ویژه توسعه فناوری نانو راه اندازی شده است. این سایت علاوه بر ارائه اطلاعات، توانایی ارائه مشاوره به متقاضیان بهره گیری از فناوری نانو را نیز داراست.
  • مرکز بین المللی یونیدو

  • باشگاه نانو

کاربردهای فناوری‌نانو در کشاورزی

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - نیما تقوی نیا , نویسنده دوم - سیدمحمد مهدوی , نویسنده سوم - محمدرضا غلامی

موضوع : کاربردهاي نانو - صنعت و بازار

تاریخ مقاله : 1385/04/31 تعداد بازدید : 5357

جمعیت زیادی از مردم کشورهای‌ در حال توسعه، هر روزه به علت تأثیرات محیطی و یا بی‌ثباتی سیاسی با مشکل مواد غذایی روبه‌رو هستند، در حالی که کشورهای توسعه یافته با مازاد مواد غذایی مواجه‌ هستند. در کشورهای در حال توسعه تلاش می‌شود تا فراورده‌هایی مقاوم در برابر آفات و خشکسالی پرورش داده شود تا برداشت محصول به بالاترین میزان خود برسد و صنایع غذایی در کشورهای‌ توسعه یافته در راستای ارائه مواد خوراکی تازه‌تر و سالم‌تر حرکت می‌کند. در این مقاله به برخی از کاربردهای فناوری نانو در کشاورزی، از جمله کشاورزی دقیق، سیستمهای رهایش هوشمند، تولید نانوذرات از طریق گیاهان و ... اشاره میشود.

1. مقدمه
در حال حاضر جمعیت دنیا در حدود شش میلیارد نفر است که 50 درصد آن در آسیا زندگی می‌کنند. جمعیت زیادی از مردم کشورهای‌ در حال توسعه، هر روزه به علت تأثیرات محیطی و یا بی‌ثباتی سیاسی با مشکل مواد غذایی روبه‌رو هستند، در حالی که در کشورهای توسعه یافته با مازاد مواد غذایی مواجه‌ هستند. در کشورهای در حال توسعه تلاش می‌شود تا فراورده‌هایی مقاوم در برابر آفات و خشکسالی پرورش داده شود تا برداشت محصول به بالاترین میزان خود برسد صنایع غذایی در کشورهای‌ توسعه یافته در راستای تقاضای مشتری - در حال حاضر تلاش در ارائه مواد خوراکی تازه‌تر و سالم‌تر حرکت می‌کند. در چند سال اخیر تقاضا برای مواد غذایی تازه تا 10 درصد افزایش داشته است.
امروزه توانایی فناوری‌نانو در دگرگونی بهداشت، نساجی، فناوری اطلاعات و ارتباطات، علم مواد و انرژی برای همگان واضح است. در حال حاضر بسیاری از محصولات تولید شده با فناوری‌نانو در بازار موجود است که پوشش‌های ضد باکتری، لوسیون‌های شفاف ضد آفتاب، پارچه‌های ضد لک، رنگ‌های ضدخش برای خودرو و شیشه‌های خودپاک‌کن از آن جمله‌اند. کاربرد فناوری‌نانو در کشاورزی و صنایع غذایی، اولین بار در نقشه راه وزارت کشاورزی آمریکا در سپتامبر 2003 مورد بحث قرار گرفت.
2. فناوری‌نانو در کشاورزی
تصور اتحادیه اروپا از اقتصاد مبنی بر دانش، بیشینه کردن پتانسیل فناوری زیستی برای سودبری بیشتر اقتصادی، اجتماعی و زیست‌محیطی این اتحادیه است. چالش‌های جدیدی در این بخش وجود دارد که از آن جمله می‌توان به افزایش تقاضا برای مواد غذایی سالم و مطمئن، تهدیدهای جدی برای محصولات کشاورزی و شیلات، کاهش خطر بیماری و الگوهای متغیر آب و هوایی اشاره کرد.
فناوری‌نانو با کمک ابزارهای جدید، توانایی دگرگون سازی صنایع غذایی و کشاورزی را دارد و می‌تواند از این ابزارها برای تشخیص رفتارهای مولکولی بیماری‌ها، کشف سریع بیماری و افزایش توانایی گیاهان برای جذب مواد غذایی استفاده کند. همچنین در صنایع کشاورزی می‌توان از حسگرها و سیستم‌های رسانش هوشمند برای مبارزه با ویروس‌ها و پاتوژن‌های محصولات کشاورزی بهره‌ جست.
در آینده نزدیک با بهره‌گیری از کاتالیست‌های نانوساختار، افزایش کارایی آفت‌کش‌ها و علف‌کش‌ها، امکان کاهش حجم استفاده از این مواد را خواهیم داشت.
2-1. کشاورزی دقیق
کشاورزی دقیق که همواره آرزویی دیرینه بوده است، کمک می‌کند که بتوان با کمترین ورودی (کودها، آفت‌کش‌ها، علف‌کش‌ها و. . .) بیشترین خروجی (عملکرد محصولات) را به دست آورد؛ این هدف با بررسی متغیرهای‌ محیطی و عملکردهای هدفمند قابل دستیابی است. در کشاورزی دقیق با استفاده از رایانه‌ها، سیستم‌های ماهواره‌ای مکان‌یاب جهانی (GPS) و دستگاه‌های حسگر کنترل از راه دور، می‌توان در مورد کیفیت رشد محصولات کشاورزی، تشخیص دقیق طبیعت منطقه و مشکلات آن، تصمیم صحیح گرفت. می‌توان به گونه‌ای تنظیم کرد که این کار علاوه بر کاهش هزینه، به کاهش ضایعات کشاورزی کمک کرده، آلودگی محیط زیست را به حداقل برساند. حسگرهای کوچک و سیستم‌های کنترل و پایش که با کمک فناوری‌نانوساخته شده‌اند، می‌توانند تأثیر مهمی بر این شیوه جدید کشاورزی داشته باشند.
یکی از نقش‌های اصلی ابزارهای مبتنی بر فناوری‌نانو، افزایش استفاده از حسگرهای خودکاری است که برای کنترل‌ بلادرنگ به دستگاه‌های GPS متصل می‌شوند. این نانوحسگرها می‌توانند در سراسر کشتزار پخش شده و شرایط خاک و رویش محصول را کنترل و تنظیم کنند. در حال حاضر از حسگرهای بی‌سیم در بخش‌های خاصی از آمریکا و استرالیا استفاده می‌شود. استفاده از این نوع شبکه‌های بی سیم تنها به مزارع مربوط نمی‌شود، به عنوان مثال مجله Forbes گزارش داده است که شرکتHoneywell (شرکت تحقیق و توسعه فناوری) برای کنترل فروشگاه‌های مواد خوراکی در مینسوتا نانوحسگرهایی را به کار گرفته است. استفاده از این فناوری، مغازه‌داران را قادر به تشخیص مواد غذایی تاریخ گذشته می‌کند. پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی حسگرهای بی سیم تا سال 2010 به هفت میلیارد دلار برسد. اجتماع فناوری‌های نانو و بیو در حسگرها، ابزاری را خواهد ساخت که قادر به عکس العمل سریع در مقابل تغییرات محیطی باشد. به عنوان مثال:
با به کارگیری نانولوله‌ها یا نانوحامل‌ها می‌توان نانوحسگرهایی ساخت که آنقدر کوچک هستند که می‌توانند اندازه یک پروتئین و یا حتی مولکول‌های کوچک‌تر را محاسبه کنند.
می‌توان نانوسطوح یا نانوذره‌هایی ساخت که قادرند در مقابل آلوده‌کننده‌هایی مثل باکتری‌ها، سیگنال الکتریکی و شیمیایی تولید کنند.
دیگر نانوحسگرها با واکنش‌های آنزیمی یا به کمک درخت‌سان‌هایی که به مواد شیمیایی و پروتئین‌های هدف متصل می‌شوند، کار می‌کنند.
با به‌کارگیری حسگرهای هوشمند در این شیوه کشاوزی، می‌توان میزان تولید را بالا برده، به کشاورزان در تصمیم گیری بهتر کمک کرد.
2-2. سیستم‌های رسانش هوشمند
استفاده از آفت‌کش‌های حاوی د. د. ت به عنوان یکی از مؤثرترین و رایج‌ترین روش‌ها در نیمه دوم قرن بیستم افزایش یافت. بعدها مشخص شد که بسیاری از این آفت‌کش‌ها به شدت سمی هستند و سلامت انسان و حیوان و در نتیجه کل اکوسیستم را به مخاطره می‌اندازند، بنابراین استفاده از آنها ممنوع شد. برای محافظت از عملکرد محصولات، سیستم‌های مدیریتی یکپارچه مبارزه با آفات، توانست روش‌های سنتی چرخه محصول را با روش‌های کنترل بیولوژیکی آفات ترکیب کند. این روش به سرعت رایج شد و در بسیاری از کشورها از جمله هند و تونس به کار رفت.
در آینده می‌توان برای هوشمند کردن کشاورزی، از ابزارهای نانومقیاس استفاده کرد. برای مثال این ابزارها می‌توانند در بحث سلامت گیاه و تشخیص زودهنگام بیماری حتی پیش از رؤیت کشاورز مورد استفاده قرار گیرند. شاید این ابزارها روزی قادر به واکنش صحیح در شرایط متفاوت بوده و عملکرد درمانی مناسبی ارائه دهند. این دسته از ابزارها می‌توانند در شرایطی کنترل شده، مواد شیمیایی را به بافت مورد نظر برسانند؛ درست به همان روشی که نانولوله‌ها در رسانش داروها در بدن انسان عمل می‌کنند. پیشرفت نانوداروها موجب می‌شود بتوانیم با دقتی بالا با انواع بیماری‌های حیوانات از قبیل سرطان مقابله کنیم، و با رسانش هدفمند به بافت‌های مشخص، موفقیت را تا حد زیادی افزایش دهیم.
فناوری‌هایی مانند کپسوله کردن و روش‌های آزادسازی کنترل شده، کاربرد علف‌‌کش‌ها و آفت‌‌کش‌ها را متحول کرده‌ است. بسیاری از شرکت‌ها فرمول‌هایی ساخته‌اند که در آن از نانوذراتی با اندازه 100 تا250 نانومتر استفاده ‌می‌کنند که در آب حل می‌شوند و مؤثرتر از نمونه‌های موجود هستند. شرکت‌های دیگر از سوسپانسیون ذرات نانومقیاس (نانوامولسیون‌ها) با پایه آبی یا روغنی و شامل سوسپانسیون یکنواختی از نانوذره‌های علف‌کش و آفت‌کش در اندازه 200 تا 400 نانومتر استفاده می‌کنند. این مواد می‌توانند به راحتی در قالب مواد مختلفی مانند ژل‌ها، کرم‌ها، مایع‌ها و. . . با هم ترکیب و برای محافظت و نگهداری از محصولات به کار گرفته شوند.
یکی از بزرگ‌ترین شرکت‌های فعال در مواد شیمیایی کشاورزی، Syngenta است که از نانو امولسیون‌ها در محصولات آفت‌‌کش خود استفاده می‌کند. یکی از محصولات موفق این شرکت که تنظیم‌کننده رشد گیاهان است، Primo MAXX نام دارد که اگر پیش از شروع تنش‌هایی مانند گرما، خشکسالی و بیماری استفاده شود، می‌تواند ساختار فیزیکی چمن‌ها را قوی‌تر ساخته، در نتیجه گیاه را در مقابل تغییرات محیطی در فصل رشد مقاوم ‌کند. محصول کپسوله دیگر این شرکت، کنترل مهمی بر روی آفات اولیه و ثانویه کتان، برنج، بادام زمینی و دانه‌های سویا اعمال می‌کند. محصولی که تحت نام تجاری Karate ZEON در بازار موجود است، محصول میکروکپسو‌له‌ای است که دارای ترکیبات فعالی از lambda-cyhalothrine (یک حشره‌کش شیمیایی مبتنی برساختار پیریترین طبیعی) است و در برخورد با برگ گیاهان، شکسته و باز می‌شود؛ بر خلاف محصولات کپسوله gutbuster که فقط هنگامی شکسته شده و محتویات آنها بیرون می‌ریزد که در تماس با محیطی قلیایی مانند معده حشراتی خاص قرار بگیرند.
دانشمندان حوزه‌های دیگر، در حال کار بر روی فناوری‌های مختلفی هستند تا کودها و آفت‌‌کش‌هایی را با سیستمی رسانشی تولید کنند که بتوانند به تغییرات محیطی پاسخ دهند. هدف اصلی، سازگارکردن این محصولات با محیط است به نحوی که بتوانند مواد خود را تحت شرایطی کنترل شده (آرام یا سریع) در پاسخ به سیگنال‌هایی متفاوت مانند میدان‌های مغناطیسی، گرما، امواج ماوراء صوت، رطوبت و. . . آزاد کنند.
همچنین هدف از تحقیقات جدید، ایجاد شرایطی است که گیاهان بتوانند از آب، آفت‌کش‌ها و کودها بیشترین استفاده را برده، با کاهش مصرف آفت‌کش‌ها، و کمتر شدن آلودگی به کشاورزی پایدار دست یابیم. شرکت‌های کوچک در حال تشکیل اتحادیه‌ای هستند که از مهم‌ترین آنها می‌توان بهLG, BASF, Honeywell, BayerMitsubishi و Dupont اشاره کرد؛ آنها درصددند تا 10 سال آینده دستگاه‌های کاملی برای کنترل و تنظیم سلامت گیاه با استفاده از فناوری‌نانو تولید کنند.
2-3. پیشرفت‌های دیگر در حوزه کشاورزی با به‌کارگیری فناوری‌نانو
به موازات پیشرفت سیستم‌های کنترل، تنظیم شرایط محیطی، رسانش مواد غذایی و استفاده از آفت‌‌کش‌های مناسب، فناوری‌نانو توانسته درک ما را نسبت به بیولوژی محصولات کشاورزی و به تبع آن نسبت به ارزش مواد غذایی و محصولات کشاورزی افزایش دهد. همچنین این فناوری می‌تواند راه‌هایی برای بالا بردن ارزش محصولات کشاورزی و رفع مشکلات محیطی ارئه دهد.
تولید نانوذرات برای مصارف صنعتی از طریق پرورش گیاهان در خاک‌های مشخص، یکی از این نمونه‌هاست؛ به عنوان مثال، تحقیقات نشان داده‌ است که گیاه یونجه در خاک غنی از طلا، نانوذرات طلا را از طریق ریشه‌هایش جذب کرده و در بافت‌هایش جمع آوری می‌کند. نانوذرات طلا را می‌توان به روشی مکانیکی در زمان برداشت از گیاه جدا کرد.
همچنین از فناوری‌نانو می‌توان در تصفیه آب‌های زیرزمینی بهره گرفت. شرکت آمریکایی Argonide در حال استفاده از نانوفیبرهای اکسید آلومینیوم با اندازه 2 نانومتر برای تصفیه آب است. فیلترهایی که از این فیبرها ساخته شده‌اند، می‌توانند ویروس‌ها، باکتری‌ها و کیست‌‌ها را از بین ببرند. پروژه‌‌هایی مشابه در مناطق دیگر دنیا مانند هند و آفریقای جنوبی در حال انجام است و گروه شیمیایی آلمانی BASF، مبلغ 105 میلیون دلار از بودجه خود در تحقیقات فناوری‌نانو را به تصفیه آب اختصاص داده است. شرکت فرانسوی خدمات شهری Generale des Eaux در حال توسعه فناوری‌ نانوفیلتراسیون، با همکاری شرکت Dow Chemical است. همزمان شرکت آب فرانسه، در حال نصب و راه اندازی سیستم اولترافیلتراسیون، با سوراخ‌هایی به اندازه 0.1 میکرون در یکی از کارخانجات خود در خارج از پاریس است.
در حالی که بعضی شرکت‌ها مشغول کار بر روی فیلتراسیون آب هستند، بقیه مانند Altairnano، به دنبال روش‌هایی برای پاکسازی آب می‌باشند. تولیدات این شرکت شامل نانوذرات لانتانیوم است که فسفات را از محیط‌های آبی جذب می‌کند. به‌کارگیری این نانوذرات در حوضچه‌ها و استخرهای شنا می‌تواند به طور مؤثری فسفات موجود را از بین برده و در نتیجه از رشد جلبکها جلوگیری کند. این شرکت انتظار دارد این محصول بتواند سود تجاری را برای حوضچه‌های پرورش ماهی که هزینه زیادی برای از بین بردن جلبک‌ها صرف می‌کنند دربر داشته باشد.
تحقیقات دانشگاه Lehigh آمریکا نشان می‌دهد که نانوپودرها می‌توانند به عنوان ابزاری مناسب برای پاک‌سازی خاک‌های آلوده و آب‌های زیرزمینی مورد استفاده واقع شوند. شاید مشکل هزار میلیارد دلاری آب‌های زیرزمینی آمریکا که دارای 150 هزار مخزن زیرزمینی (این منابع در منطقه ممنوعه‌ای واقع شده‌اند که دارای ضایعات خطرناک است) و تعداد زیاد گورستان‌های زباله، معدن‌های ممنوعه و مناطق صنعتی است، با کمک این نانوذرات حل شود. نانوذرات آهن موجب اکسیده و درهم شکستگی ترکیبات آلوده کننده - مانند تری‌کلرواتن، تتراکلرید کربن، دیوکسین‌ها و PCB‌ها- شده و آنها رابه ترکیبات کربنی با درجه سمیت بسیار پایین‌تر تبدیل می‌کند. تحقیقات دیگری در مرکز فناوری‌ نانوبیولوژیکی و زیست محیطی (CBEN) نشان داده است که ذرات نانومقیاس اکسید آهن در پاکسازی آب‌های زیرزمینی از آرسنیک (چیزی که بر آب مصرفی بسیاری از کشورهای در حال توسعه تأثیر دارد و برای آن راه حلی کاراتر از این وجود ندارد) مؤثر هستند.
در شماره آینده به بیان تأثیرات فنی و اقتصادی فناوری‌نانو بر صنایع غذایی خواهیم پرداخت.