کاربرد نانو تکنولوژی درکشاورزی

نویسنده: دکتر حمیدرضا لاریجانی

مقدمه:
یکی از بخش های مهم در توسعه اقتصادی یک کشور بخش کشاورزی است. در کشور پهناوری چون ایران توجه ویژه به این بخش ثمرات ارزنده ای را به دنبال خواهد داشت. با توجه به تنوع آب و هوایی موجود در کشور و گونه های گیاهی و دامی موجود می توان ایران را کشوری ثروتمند در زمینه پتانسیل بالقوه کشاورزی دانست. اما به هرحال امروزه داشتن پتانسیل به تنهایی پاسخگوی نیازهای جوامع مختلف نیست، بلکه نبض اقتصادی جهان در دست کشورهایی است که از لحاظ علم و تکنولوژی پیشرفته ترند، کشورهایی که می توانند از منابع موجود حداکثر بهره وری را داشته باشند. نانوتکنولوژی درکنار بیوتکنولوژی ، فناوری هسته ای و فناوری اطلاعات به عنوان تکنولوژی قرن ۲۱ محسوب می شود و توانسته است سایر علوم را تحت تاثیر خود قرار دهد.
نانوتکنولوژی در بخش کشاورزی آمریکا در سال ۲۰۰۴ نسبت به سال ۲۰۰۳ از رشدی ۹۰۰ درصدی برخوردار بوده و از ۳۰ مارس ۲۰۰۶ تاکنون از ۱۶۰ پروژه ارائه شده به بانک اطلاعات آمریکا، ۱۴ مورد آن در ارتباط با فناوری نانو درکشاورزی بوده است. با توجه به این اهمیت ، فناوری نانو توانایی به فعل رساندن پتانسیل های بالقوه کشاورزی در بسیاری از کشورهای درحال توسعه ازجمله ایران را داراست. با این وجود ممکن است درنگاه اول چگونگی به کارگیری این فناوری درکلیه شاخه های کشاورزی تا حدودی مبهم به نظر رسد.
فناوری نانو یا نانوتکنولوژی رشته‌ای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌های در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانو متر است. در واقع نانو تکنولوژی فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی – عمدتا متاثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک – از خود نشان می‌دهند. نانوفناوری یک دانش به شدت میان‌رشته‌ای است و به رشته‌هایی چون پزشکی، دامپزشکی، زیست شناسی، فیزیک کاربردی، مهندسی مواد، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط می‌شود. نانو تکنولوژی می‌تواند به عنوان ادامه دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح‌ریزی دانش کنونی بر پایه‌هایی جدیدتر و امروزی‌تر باشد.
در حال حاضر بهره بردارى از فن آورى نانو در علوم پزشکى، مواد و الکترونیک آغاز شده است و این موجب شده که محققان درحوزه هاى مختلف علوم، از جمله کشاورزى به بررسى پتانسیل هاى کاربردى این علم گرایش پیدا کنند. نانوتکنولوژی به عنوان یک فناوری قدرتمند نوین، توانایی ایجاد انقلاب و تحولات عظیم را در سیستم تامین مواد غذایی و کشاورزی دارا می باشد. چندین دیدگاه مختلف در نانوتکنولوژی وجود دارد که می تواند در علوم کشاورزی و صنایع غذایی، کاربرد داشته باشد. به عنوان مثال امنیت زیستی تولیدات کشاورزی و مواد غذایی، سیستمهای آزاد کننده دارو بر علیه بیماریهای شایع، حفظ سلامتی و حمایت از محیط زیست از جمله کاربردهای این علم می باشد.
در سیستم کشاورزی امروزی، اگر دامی مبتلا به یک بیماری خاص شود، می توان چند روز و حتی چند هفته یا چند ماه قبل علائم نامحسوس بیماری را شناسایی کنند و قبل از انتشار و مرگ و میر کل گله، دامدار را برای اخذ تصمیمات مدیریتی و پیشگیری کننده آگاه کند. نانوتکنولوژی امکان استفاده از سیستمهای آزاد کننده داروئی را که بتواند به طور طولانی مدت فعال باقی بماند، فراهم می کند و این رویای همیشگی محققان برای سیستمهای رها کننده داروها، مواد مغذی و پروبیوتیکها بوده و می باشد.

رابطه میان فناوری نانو و علوم کشاورزی در زمینه های زیر قابل بررسی است:

۱- نیاز به امنیت در کشاورزی و سیستم های تغذیه ای

۲- ایجاد سیستم های هوشمند برای پیشگیری و درمان بیماریهای گیاهی

۳- خلق وسایل جدید برای پیشرفت در تحقیقات بیولوژی و سلولی

۴- بازیافت ضایعات حاصل از محصولات کشاورزی

استفاده از نانوتکنولوژی در صنایع غذایی:

سلامت غذا یک مسئله مهم است، زیرا بیشتر محصولات غذایی محیطی مناسب برای رشد باکتریها و ویروسها هستند. این عوامل می توانند مسبب بیماری و گاهی اوقات مرگ شوند. حسگرهای زیستی با نانو حسگرها که کاربرد آنها در شناسایی آفات گیاهی بیان شد، جهت شناسایی پاتوژن های مواد غذایی نیز به کار برده می شوند.

از کاربردهای دیگر فناوری نانو در صنایع غذایی، ساخت پلاستیک های جدید در صنعت بسته بندی مواد غذایی است. اکسیژن مسئله سازترین عامل در بسته بندی مواد غذایی است زیرا این عنصر باعث فساد چربی مواد غذایی و همچنین تغییر رنگ آنها می شود. یکی از موفقیت ها ساخت پلاستیکهایی است که نانو ذرات به صورت زیگزاگ در آنها قرار گرفته اند و مانند سدی مانع از نفوذ اکسیژن می شوند. به بیان دیگر مسیری که گاز باید برای ورود به بسته طی کند طولانی می شود. به این ترتیب زمان لازم جهت نفوذ کامل این مولکول ها به داخل بسته بندی افزایش می یابد ومواد غذایی برای مدت طولانی تری سالم باقی می مانند. مواد غذایی در این بسته ها تازگی خود را بیشتر حفظ می کنند.

همچنین یک ظرف پلاستیکی که در آن از نانوذرات نقره استفاده شده است، مواد غذایی را در طولانی مدت کاملاً تازه نگه می دارد. این کار ماحصل همکاری فناوری نانو با صنعت بسته بندی است. از زمانی که محققان وعده حل معضل اصلی صنعت مواد غذایی را داده اند، فناوری نانو بسیار مورد توجه این صنعت قرار گرفته است. تحقیق و توسعه در این صنعت شامل مواردی از قبیل سیستم های توزیع مواد غذایی، روش های بهینه سازی ظاهر مواد غذایی مانند رنگ، بو، مزه و… می باشد. در بخش بسته بندی غذا، خواص ویژه حرارتی و مکانیکی نانو مواد مورد مطالعه قرار دارند تا با استفاده از آنها محافظت بهتر مواد غذایی از گزند عوامل خارجی، مانند اثرات میکروبیولوژیکی، شیمیایی، گرمایی و مکانیکی، صورت گیرد. ظروف جدید تولید شده در شرکت  Sharper Image در آمریکا، دارای نانو ذرات نقره ای با خاصیت ضد باکتری است. به ادعای این شرکت، ظروف تولیدی آنها مواد غذایی را سه تا چهار برابر تازه تر نسبت به حالت معمولی نگه می دارد. این ظروف قادر هستند میوه ها، سبزیجات، داروها، نان، پنیر، سوپ، سس، و گوشت را در طولانی مدت بدون تغییر رنگ، مزه و خواص غذایی شان نگهداری کنند. نقره ذاتا خاصیت آنتی باکتریال، ضدکپک، و ضد قارچ دارد. لذا با استفاده از این ظروف، در مقایسه با ظروف معمولی، در ۲۴ ساعت اولیه میزان رشد باکتری ها ۹۸ درصد کاهش می یابد.

هر چند که نگرانی دانشمندان و افکار عمومی در مورد اثرات این فناوری بر سلامتی و عدم شناخت طبیعت آن باعث توسعه کند این فناوری در صنایع غذایی شده است. اما مطابق مطالعه شرکت آلمانی Helmut Kaiser ، فروش جهانی محصولات فناوری نانو در صنعت بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی از رقم ۱۵۰ میلیون دلار در سال ۲۰۰۲ به ۸۶۰ میلیون دلار در سال ۲۰۰۴ رسیده است. این شرکت آلمانی پیش بینی کرده است که فناوری نانو ۲۵ درصد تجارت بسته بندی مواد غذایی در دهه آینده را تغییر خواهد داد و بازار آن به ۳۰ میلیارد دلار در سال خواهد رسید.

کاربردهای نانو در گیاه پزشکی:

یکی از راه های اصلی مبارزه با آفات گیاهی استفاده از آفت کش ها و سموم است. اما امروزه استفاده از این مواد به دلیل معایب بسیار آنها همچون تاثیر بر حشرات گرده افشان، آثار سوء بر سلامت انسان، آسیب رسانیدن به نظام های زیستی و غیره دربسیاری از نقاط دنیا محدود شده است.

• سموم هوشمند در ابعاد نانو یکی از راه های رفع این مشکلات است. سموم گیاهی که به روش نانو تهیه می گردد وقابلیت 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.  دقت در ردیابی بافت هدف و میزان اندک اما موثر دارو باعث می شود استفاده از سموم در کشاورزی به حداقل برسد. این سموم دارای یک کد مولکولی هستند که این اجازه را به آنها می دهد تا در گیاه حرکت کرده و به قسمتی که مورد حمله آفت یا گیاه قرارگرفته است، بروند. سپس آنجا آزاد شده و آفت را از بین می برند. از طرفی این سموم قادر به خود تنظیمی هستند.
• حسگرهای هوشمند و سیستم‌های حمل هوشمند به منظور ردیابی و مبارزه سریع و مفید با ویروس‌ها و سایر عوامل بیماری زا گیاهی به کار می روند. استفاده ازسموم عمدتاً در زمانی صورت می گیرد که علائم آفت همچون تغییر رنگ برگ ها و اندام گیاهی قابل مشاهده باشند، در نتیجه با سریعترین اقدامات هم مقداری از محصول از بین می رود. نانو حسگرهای زیستی ابزارهایی هستند که به کمک آنها می توان در همان مراحل ابتدایی ورود بیماری آنها را شناسایی و در نتیجه برای کنترل آنها اقدام نمود. نانو حسگرها شامل ترکیبات زیستی همچون یک سلول، آنزیم و یا آنتی بادی متصل به یک مبدل انرژی هستند و قادرند تغییرات ایجاد شده در محیط اطراف خود را گزارش کنند. این گزارش توسط سیگنال هایی که مبدل انرژی متناسب با مقدار آلودگی تولید می کند، توسط گیرنده ها دریافت می شوند. بنابراین در صورت تجمع زیادی عامل بیماری در اطراف این حسگرها سیگنال هایی قوی فرستاده شده و حضور آلاینده ها درمحیط در ظرف چند دقیقه قابل تشخیص است. این در حالی است که تشخیص بیماری با استفاده از روش های رایج به حداقل ۴۸ ساعت زمان نیاز دارد.
• تیمار مولکولی بیماری ها، ردیابی سریع بیماری ها، افزایش توانمندی گیاهان برای جذب مواد مورد نیاز

آشنایی با چند آفتکش نانو مقیاس:

پیشرفت روزافزون در زمینه فناوری نانو و کاربردهای گوناگون و گسترده آن در گرایش‌های مختلف علمی و صنعتی ، باعث شده است که شرکت‌های تولیدکننده سموم دفع آفات نیز برای بهبود مشخصات محصولات خود، به دنبال بهره‌گیری از این فناوری باشند. تحقیقات نشان داده است که می‌توان با استفاده از فناوری نانو مزایای فراوانی در آفت‌کش‌ها ایجاد نمود که مواردی مانند کاهش مصرف سموم، افزایش کارایی، سازگاری بیشتر با محیط زیست، بهبود کیفیت و کاهش خطرات تماسی از آن جمله است. در این مقاله فعالیت‌هایی که شرکت‌های بزرگ تولید کننده سموم دفع آفات در این مسیر انجام داده‌اند و محصولات جدید آنها معرفی شده اند. شرکت سینجنتا (Syngenta) نیز که اداره مرکزی آن در سوئیس واقع است، در شمار بزرگ‌ترین شرکت‌های شیمی کشاورزی قرار دارد. این شرکت سومین شرکت تولید بذر دنیا است و از گذشته به فروش محصولات آفت‌کش فرموله شده به‌صورت امولسیون با جزء فعال نانو مقیاس مبادرت می‌نموده، که تنظیم‌کننده رشد Primo MAXX و قارچ‌کش Banner MAXX از آن جمله است. این شرکت مدعی است که این محصولات ذراتی به کوچکی حدود صد نانو متر دارند، و به همین دلیل باعث گرفتگی فیلترهای مخازن اسپری نشده و با آب کاملاً مخلوط می‌شوند؛ به طوری که داخل مخزن اسپری ته‌نشین نمی‌گردند قارچ‌کش Banner MAXX حتی بعد از گذشت یک سال از آب جدا نمی‌شود.

یک روش پیشرفته جهت فرمولاسیون آفت‌کش‌ها در مقیاس نانو، کپسوله کردن آنهاست: در این روش ماده موثره نانومقیاس در داخل یک محفظه یا پوسته کوچک بسته‌بندی می‌گردد. طبق اطلاعات صنعتی، فرموله کردن آفت‌کش‌ها در کپسول‌ها باعث تغییرات انقلاب گونه‌ای می‌گردد که توانایی کنترل رهایش آفت‌کش در شرایط مختلف را فراهم می‌آورد. همچنین این اقدام باعث بالا رفتن حلالیت، کاهش تماس مواد فعال با کاربران و حفاظت از محیط زیست می گردد. شرکت مونسانتو، بزرگ‌ترین تولیدکننده بذر GM و علف‌کش پرمصرف رانداپ، در آمریکا، تاکنون تعدادی از آفت‌کش‌های میکروکپسوله شده را به فروش رسانده است. در سال ۱۹۹۸ مونسانتو تفاهم‌نامه‌ای را با شرکت فناوری نانو فلامل جهت گسترش نانوکپسول‌های حاوی رانداپ منعقد نمود ، که از نظر شیمیایی باید مؤثرتر از فرمولاسیون های معمول باشد.

همچنین شرکت سینجنتا که خود را رهبر جهانی در فناوری میکروکپسوله کردن معرفی نموده و ادعای پیشرو بودن در به‌کارگیری این فناوری در آفت‌کش‌ها را دارد، محصولی به نام تجاری Zeon تولید می‌کند که هر لیتر از فرمولاسیون میکروکپسوله آن حاوی حدود ۵۰ تریلیون کپسول است. طراحی این فراورده به‌صورتی است که در تماس با برگ سریعاً آزاد می شود. با توجه به این که این کپسول‌ها به سختی به برگ‌ها می‌چسبند، حتی در اثر بارش باران ، از برگ جدا نمی شوند. محصول دیگر سینجنتا که مشابه این مورد است، در مورد بذرها و به منظور کنترل آفت‌های خاکی دانه‌های جوانه زده بکار می‌رود.

دانشمندان سینجنتا در حال تحقیق بر روی کپسول‌هایی هستند که با سازوکار ماشه‌ای آزاد می‌شوند و در آنها دیواره بیرونی کپسول فقط در شرایط خاصی باز می‌گردد. برای مثال سینجنتا پتنتی را در اختیار دارد که به آن میکروکپسول gutbuster  گفته می‌شود و مزیت آن این است که تنها در محیط قلیایی، نظیر معده انواع خاصی از حشرات می‌تواند باز شود. به گفته سینجنتا، میکروکپسوله کردن روشی است که اثرات جدید و اعجاب‌آوری از مواد مؤثره شناخته شده کنونی را تولید کند؛ این عمل فروش را به گونه‌ای افزایش می دهد که گویی یک ماده موثر جدید اختراع شده است.  به عبارت دیگر اندازه کوچک، تأثیرات یک آفت‌کش را بهینه می‌سازد و طراحی کپسول نیز می‌تواند به‌ صورتی باشد آزاد شدن جزء فعال فقط در شرایط ویژه‌ای اتفاق افتد.

استفاده از نانوتکنولوژی در علوم دامی:

سلامتی دامهای اهلی از جمله مسائلی است که با اقتصاد دامداری ها در ارتباط می باشد. یک دامپزشک می نویسد که “علم نانوتکنولوژی توانایی و نقش مهمی در رهیافتهای آتی دامپزشکی و درمان دام های اهلی خواهد داشت”. تامین اقلام غذایی برای دامهای اهلی همواره با افزایش هزینه و نیاز به مراقبتهای خاص دامپزشکی و تجویز دارو و واکسن همراه بوده است و نانوتکنولوژی توانایی ارائه راهکارهای مناسب برای حل این معضلات را دارد.

• سیستمهای سنتیتیک آزاد کننده مواد داروئی

امروزه مصرف آنتی بیوتیکها، واکسنها، پروبیوتیکها و عمده داروها از طریق وارد کردن آنها از راه غذا یا آب دام ها و یا از راه تزریق عضلانی صورت می گیرد. رها سازی یک مرحله ای دارو در برابر یک میکروارگانیزم علی رغم تاثیرات درمانی و اثرات بازدارنده پیشرفت یک بیماری معمولا با بازگشت مجدد علائم بیماری وتخفیف اثرات دارویی مصرفی همراه است. روش های موجود در سطح نانو، قابلیت تشخیص و درمان عفونت، اختلالات تغذیه ای و متابولیکی را دارا می باشد. سیستمهای سنتتیک رها سازی دارو می تواند خواص چند جانبه برای حذف موانع بیولوژیکی در افزایش بازده درمانی داروی مورد استفاده و رسیدن آن به بافت هدف داشته باشد که از جمله این خواص می توان به موارد ذیل اشاره کرد.

۱- تنظیم زمانی مناسب برای آزاد سازی دارو

۲- قابلیت خود تنظیمی

۳- توانایی برنامه ریزی قبلی

بنابراین درآینده نزدیک پیشرفتهای بیشتر نانوتکنولوژی امکانات زیر را فراهم می کند:

۱- توسعه سیستمهای سنتیتیک رها سازی داروها، پروبیوتیکها، مواد مغذی

۲- افزایش سرعت شناسایی علائم بیماری و کاربرد روشهای درمانی سریع

۳- توسعه سیستمهای رها سازی اسیدهای نوکلئیک و مولکول های DNA

۴- کاربرد نانومولکولها در تولید واکسنهای دامی

۵- تشخیص بیماری و درمان دامها

تصور امکان تزریق نانوپارتیکلها به دام ها و فعال شدن تدریجی ماده موثر همراه با این نانوذرات در بدن حیوان برای از بین بردن و تخریب سلولهای سرطانی، افق تحقیقاتی جدیدی را به روی محققان بازکرده است. محققان دانشگاه رایس مراحل مقدماتی کاربرد نانوشلها را برای تزریق به جریان خون ارزیابی کردند. این ذرات نانو به گیرنده های غشاسلولهای سرطانی متصل می شوند و با ایجاد امواج مادون قرمز باعث بالا رفتن دمای سلول های مذکور به ۵۵ درجه و ترکیدن و از بین رفتن تومورهای موجود می گردند. همچنین نانو پارتیکهایی که از اکسیدهای آهن ساخته می شوند، با ایجاد امواج مگنتیک در محل استقرار سلول های سرطانی باعث از بین بردن این سلولها می شوند. یکی از اساسی ترین محورهای تحقیقاتی کنونی، توسعه سیستم های رها سازی DNA غیرزنده، با بازدهی مناسب و با حداقل هزینه و عوارض جانبی و سمی می باشد، که در ژن درمانی مورد استفاده قرار می گیرند.

• اصلاح نژاد دام

مدیریت تلاقی و زمان مناسب جفت گیری دامها، از جمله مواردی است که در مزارع پرورش گاوشیرده به هزینه و زمان طولانی نیاز دارد. از راهکارهایی که اخیر مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از نانوتیوپها خاص در داخل پوست می باشد که زمان واقعی پیک هورمون استروژن و وقوع فحلی را دار دامها نشان می دهد و لذا با علائمی که سنسورهای موجود به دستگاه مونیتور می فرستد، زمان دقیق و واقعی تلقیح را به دامدار نشان می دهد.

کاربرد فناورى نانو در ساخت ماشین هاى کشاورزى:

بدون شک امروزه کشاورزى یکى از عرصه هاى تعیین کننده قدرت یک کشور است، لذا توجه به این امر اجتناب ناپذیر است. ماشین هاى کشاورزى نیز به عنوان بخش مهمى از این عرصه جایگاه ویژه اى دارند. با ورود فناورى هاى نوین و از جمله فناورى نانو به بازار ساخت ماشین هاى کشاورزى و ساخت ادوات کاربردى تر، صاحبان این صنعت درصدد برآمدند تا گوى سبقت را از سایر رقبا بربایند. صنعت ماشین هاى کشاورزى    مى تواند توسط فناورى نانو از یک پتانسیل جدید براى توسعه خود بهره مند شود. بسیارى از پیش بینى هاى کنونى نشان مى دهد که تا ۱۰ سال آینده طراحى و تولید خودروها به میزان ۶۰ درصد تحت تأثیر فناورى نانو و زیر شاخه هاى آن قرار خواهد گرفت. به عنوان مثال کاربرد انرژى هاى نوین، کاهش وزن خودروها، افزایش کارکرد مواد، افزایش راحتى، افزایش بهره ورى در برابر هزینه هاى تمام شده از جمله مزایاى قابل تعریف براى صنعت خودرو و ماشین هاى کشاورزى است. امروزه کارخانجات تولید ماشین هاى کشاورزى از فناورى نانو در زمینه هاى فراوانى همچون ساخت شاسى و بدنه سبک و مستحکم، موتور و سیستم هاى انتقال نیرو با راندمان بالا و استهلاک کمتر، رنگ و لایه گذارى هاى مقاوم، روغن کارى و روان سازها، تایرهاى مقاوم در مقابل سطوح سخت و ناهموار مزرعه، سیستم تخلیه و مبدل هاى کاتالیستى در جهت کاهش آلایندگى محیط و تجهیزات الکتریکى و الکترونیکى با مقاومت کمتر و رسانایى بالاتر سود مى برند. همچنین استفاده بهینه از مواد باقیمانده از محصولات نیز ویژِگى برتر دیگرى در جهت رشد کشاورزى است که با بهره گیرى از فناورى نانو در ساخت ماشین آلات کشاورزى مى توان به آن رسید. به عنوان مثال در صنعت نساجى، در پنبه از زمان برداشت تا پایان مرحله خالص سازى و تولید پارچه بیش از ۲۵ درصد الیاف به ضایعات تبدیل مى شود. در دانشگاه کرنل در آمریکا، تکنیکى تحت عنوان ریسندگى الکتریکى ابداع شده است که با استفاده از آن از ضایعات موجود، محصولاتى مانند کلا فهاى پنبه و نخ، البته با کیفیت کمتر تولید مى شود. دانشمندان علوم پلیمر در این دانشگاه، از این تکنیک براى ساخت نانوفیبرها از سلولز، که ۹۰ درصد آنرا الیاف پنبه تشکیل مى دهند، نیز استفاده کرده اند.

از کاربردهاى فناورى نانو در ماشین هاى کشاورزى مى توان به موارد زیر اشاره کرد:

– تولید قطعات مکانیکى مستحکم تر و افزایش عمر لاستیکها با استفاده از نانو روکش ها

– استفاده از زیست حسگرها در ماشین آلات هوشمند جهت مبارزه مکانیکى با علف هاى هرز

– استفاده از حسگرها و زیست حسگرها (نانو سنسورها) درماشین هاى شیر دوشى

– استفاده از سیستم‌های میکروالکترومکانیکی(MEMS) و سیستم‌های کنترل از راه دور، سیستم‌های اندازه گیری، سیستمهای مونیتورینگ و غیره جهت توسعه کشاورزی موضعی

– تولید خشک کن هاى خورشیدى با دوام و راندمان بالا

– افزایش مقاومت پوشش‌های بدنه ادوات و ماشین‌ها و ابزارهای کشاورزی و حتی شیشه ها در برابر خوردگی و سائیدگی و انعکاس امواج ماورای بنفش؛

– بهینه سازی میزان و شکل سموم مصرفی توسط بیوحسگرها؛

– تصفیه و کاهش آلودگی محیط زیست توسط نانومبدل‌های کاتالیزوری؛

– تولید سوخت‌های جایگزین و آلودگی کمتر محیط زیست.

خاک و آب:

– بی خطر ساختن مواد آلاینده آب و خاک و قابلیت بازیافت آنها؛

– ساخت فیلترهای هوشمند تصفیه آب با کارآیی بالا؛

– شوری زدایی از آب‌های شور؛

– ساخت سوپرجاذب‌های آب از پلیمرها و مواد کامپوزیت به منظور ذخیره و حفظ رطوبت بیشتر در خاک برای مناطق خشک و کم آب؛

– ساخت مواد پوششی جدید و کارا برای پوشش درون لوله های فلزی به منظور جلوگیری از خوردگی ناشی از سیالات و کاهش زبری جداره لوله‌ها؛

– به کارگیری پلیمرها و مواد کامپوزیت برای تولید انواع قطره چکان‌های تنظیم کننده فشار و مقاوم به نفوذ ریشه به قطره چکان؛

– استفاده از نانو کودها در تغذیه گیاه

– جلوگیری از فرسایش، تصفیه خاک از آلاینده ها و همچنین غنی سازی خاک نمونه هایی از کاربرد فناوری نانو در خاکشناسی است.

مدیریت باقیمانده محصولات کشاورزی:

یکی از اهداف صنایع مرتبط با کشاورزی استفاده هر چه بیشتر از مواد باقیمانده محصولات است.  طراحی و توسعه نانو کاتالیزورها جهت تبدیل روغن های نباتی به سوخت های زیستی و هضم حلال های صنعتی یکی دیگر از کاربردهای فناوری نانو در کشاورزی است که برای عملی شدن نیاز به تحقیقات بیشتری دارد. فناوری نانو با استفاده از فرایندهای طبیعی زیستی، شیمیایی و فیزیکی در بازیافت مواد باقیمانده از محصولات کشاورزی و تبدیل آنها به انرژی و یا مواد شیمیایی صنعتی نیز نقش دارد. به طور مثال از زمان برداشت پنبه تا تولید پارچه بیش از ۲۵ درصد الیاف به ضایعات تبدیل می شوند. در دانشگاه کرنل در آمریکا روشی تحت عنوان “ریسندگی الکتریکی ” ابداع شد.

با استفاده از این روش از ضایعات پنبه محصولاتی مانند کلافهای پنبه و نخ البته با کیفیت پایین تر تولید می کنند . دانشمندان علوم پلیمر از این روش برای تولید نانو فیبرها از سلولز که %۹۰ الیاف پنبه را تشکیل می دهد استفاده کرده اند و الیافی کمتر از ۱۰۰ نانومتر تولید کرده اند که ۱۰۰۰ بار کوچکتر از الیاف فعلی است. یکی از کاربردهایی که برای این الیاف ریز سلولزی بیان شده جذب آفت کش ها و کودهای شیمیایی از محیط برای جلوگیری از ورود آنها به اکوسیستم و رها کردن مجدد این مواد در محیط در مواقع مورد نیاز است

اصلاح نباتات :

انتقال ژن های مورد نظر به سلول های گیاهی با استفاده از نانومواد در این روش از سامانه رسانش نانو ذرات طلای پوشیده با   DNDیا  RNA به داخل سلول استفاده می شود.

ساخت ابزارهای جدید برای بیولوژی سلولی و مولکولی این ابزار ها جهت تعیین مولکول‌های خاص ، شناسایی و جداسازی آن ها استفاده می شوند و کاربری بسیاری دارند که از این بین می توان به موارد زیر اشاره کرد؛ تکنولوژی و علم تولید مثل، اصلاح نژاد حیوانات و گیاهان ، تبدیل ضایعات به انرژی و محصولات جانبی مفید و علم و تکنولوژی کودسازی و اصلاح بذور به شیوه اتمی

استفاده از بذرهایی با عملکرد بیشتر وهزینه تولید کمتر همواره یکی از خواسته های زارعین بوده است و محققین این رشته تلاش کرده اند با در نظر گرفتن سایر جنبه ها در دستیابی به این هدف گام بردارند. یکی از راههای دستیابی به این هدف انتقال ژن های خارجی مطلوب به گیاهان است.

در ایران برای اولین بار درسال ۱۳۸۳  نوعی برنج تراریخته حاصل فناوری نانو زیر کشت قرار گرفت. در این واریته برنج از ذرات نانومتری طلا برای انتقال ژن های مورد نظر استفاده شده است. میزان محصولات این واریته ۲۰-۱۰ درصد بیشتر از واریته های معمولی بوده و هزینه تولید آن نیز کمتر است. از نظر کیفیت نیز این واریته در سطح بهترین واریته های جهان بوده و در طی کشت نیاز به هیچگونه سم حشره کشی ندارد. بنابراین بهبود عملکرد ، محیط زیست سالمتری را نیز به ارمغان می آورد. استفاده از فناوری نانو برای بهبود کشت سایر محصولات کشاورزی نیز مورد توجه قرار گرفته است.

(Precision farming) کنترل شرایط بحرانى به کمک کشاورزى دقیق:

بسیارى از بیمارى هاى فیزیولوژیکى، ناشى از عوامل محیطى نامساعد مى باشد. براى کاهش خسارت ناشى از این عوامل ضرورت دارد تا شرایط دقیق محیطى در سطح مزرعه یا باغ مورد ارزیابى دائمى قرار گیرد. در کشاورزى دقیق استفاده از رایانه ها، سیستم هاى ردیابى ماهواره اى و ابزارهاى سنجش از راه دور، شرایط محیطى بسیار ریز و موضعى مورد اندازه گیرى قرار گرفته و در صورت وجود برخى نارسایى ها و کمبود یا مسمومیت ها، محل وقوع این مشکلات بطور دقیق مشخص مى گردد. با استفاده از این سیستم و اطلاعات حاصل از آن، مى توان با تنظیم دقیق مصرف آفت کش ها و کودها هزینه تولید را کاهش داده و منجر به سود بیشتر براى کشاورزان شد. به علاوه با کاهش مصرف آفت کش ها و کودها، آلودگى محیط زیست نیز به حداقل خود مى رسد. اگرچه حسگرها و سیستم هاى پایشى ارائه شده توسط فناورى نانو در آغاز راه خود براى ورود و به کارگیرى در کشاورزى نوین مى باشند، اما در چند سال آینده با بکارگیرى آنها، تاثیرات شگرفى در روش هاى کشاورزى نوین وافزایش بهره ورى آن بوجود خواهد آمد. از جمله مواردى که در مرحله تحقیق است، تولید و استفاده از نانو حسگرهایى است که از طریق ارتباط با سیستم ماهواره اى GPS مى توانند اطلاعات کاملى از وضعیت مزرعه را به طور لحظه به لحظه و بویژه از نظر ظهور عوامل بیماریزا مانند قارچ ها ارسال نمایند. این حسگرها بدلیل کوچکى اندازه براحتى در سطح مزرعه قابل پخش مى باشند. در حال حاضر چنین سیستم هاى پایش حساس از طریق ارتباط بى سیم (نه ماهواره اى) در چندین باغ انگور واقع در ایالت کالیفرنیاى آمریکا، با موفقیت نصب و مورد بهره بردارى قرار گرفته است.

کاربردهای فناوری نانو در بیوتکنولوژی کشاورزی:

فناوری نانو اجازه می‌دهد تا اجزا و ترکیبات دلخواه را داخل سلول دستوری نمود و مواد و محصولات جدیدی با استفاده از روش‌های جدید اتو اسمبلی (سرهم کردن خود) و تغییر ژن ساخت.

 کاربرد فناوری نانو در آبیاری مزارع کشاورزی:

استفاده از فناوری نانو برای تولید قطره چکان‌های تنظیم‌کننده فشار و مقاوم به نفوذ ریشه، لوله‌های پلاستیکی تراوا و لوله‌های رسی، از مهمترین دستاوردهای فناوری نانو در علم آبیاری می‌باشند که با استفاده از آنها راندمان آبیاری از ۳۰-40درصد به ۹۲-۹۳ درصد افزایش می‌یابد. با توجه به اینکه درصدی از منابع آبی کشور در بخش کشاورزی مصرف می‌شود و با وجود خشکسالی‌های پی در پی، دستیابی به این میزان افزایش در راندمان مصرف آب می تواند کمک انکار ناپذیری برای خروج از بحران آب در پی داشته باشد. در این زمینه استفاده از یک هسته نانویی برای آمیخته شدن پلاستیک و علف کش هنگام ساخت لوله‌های پلاستیکی سبب شده است که از تجمیع ریشه و شکسته شدن لوله هنگام استفاده از آن در آبیاری زیرزمینی جلوگیری شود.

امروزه فناوری نانو علاوه بر اصلاح انواع محصولات کشاورزی در مقابل تنش‌ها ی گرمایی، بیماری‌ها و آفات، می‌تواند آنها را در مقابل خشکسالی نیز مقاوم سازد. از آنجاییکه ۹۵ درصد از آب‌های موجود در جهان را آب‌های نامتعارف تشکیل می‌دهد، فیلترهای نانو در کشاورزی و برای استفاده در آبیاری مزارع نیز می‌تواند به کار برده شود.

وعده های فناوری نانو در کشاورزی و صنایع وابسته:

مولکول های پروتئین نوعی مولکول هستند که در مواد خوراکی مانند سیب زمینی وجود دارند، درعصر فناورى نانو این مولکول ها برای تولید مولکول های شبیه به خود اتم های موجود در خاک، آب و هوا را جذب می کنند و سیب زمینی سازند، تولید غذاهای مولکولی و خاتمه دادن به خشکسالی و قحطی، بطور نمایی ، همراه با دقت اتمی ، غذا می تواند از اتم های خام در همان نانو عمومی سنتز شود . استیک جوجه و یا بره نیم پز را خود ما به کمک مولکول ها و اتم ها بوجود می آوریم، بدون آنکه حیوانی را ذبح کنیم . بوجود آوردن گیاهان و حیواناتی که نسل آنها منقرض شده اند، همه نمونه هایی از وعده های فناورى نانو می باشد. در آینده می توان ویژگی های مطلوب را از طریق مهندسی ژنتیک در مورد خوراکی جاسازی کرده و از این طریق طعم غذاها را بهبود بخشید، هم چنین می توان مقاومت گیاهان را دربرابربیماری افزایش داد و عمر آن ها را درمحل کشت ومصرف ، طولانی ترکرد و رشد آن ها را سریعتر نمود و حتی درمحیط های نامساعد کاشت. تا در شوره زارها، با آب کمتر یا آب و هوای سردتر رشد کنند. ما حتی توانایی تغییر شرایط آب وهوایی را خواهیم داشت و شاهد ابداع درختانی خواهیم بود که رشد آن ها بهینه و ساختارشان برای کاربردهای ویژه ای همچون الوار، خمیر کاغذ، میوه یا جداکننده های کربن (برای کاهش پدیده گرم شدن کره زمین) مناسب باشد. درنتیجه موادغذایی اصلاح شده به روش ژنتیک ، تغذیه را بهبود بخشیده و درعین حال مصرف آفت کش ها و آب را کاهش می دهند. غذاهایی که مصرف می کنیم روز به روز از حالت طبیعی خارج شده و مهندسی تر می شوند. فناورى نانو بهروری کشاورزی را برای جمعیت های بالاتر میسر می کند. بازگرداندن ۹۰ درصد از زمین های زراعی به وضعیت طبیعی خود و به  کارگیری گلخانه ها با کارکرد بالا که تقریباً ۱۰ درصد زمین های زراعی فعلی رامی پوشانند و جمعیت جهان را تغذیه می کنند ، فیزیکی دیگر از وعده های فناورى نانو می باشد . درعصر نانو میلیون ها کیلومتر مربع زمین به ساکنین بومی جهان برگردانده می شود و از انقراض و نابودی بیشتر جانوران و گونه های گیاهی جلوگیری می شود. فناورى نانو علمی جدید است که می خواهد مضراتی که علوم مصنوعی در عالم کنونی گذاشته را از بین برده واز راه طبیعی جهان را تبدیل به بهشت کند، بطوری که زندگی برای تمام مردم ازکودک تا بزرگ لذت بخش و راحت شود. انقلاب صنعتی برای اشخاص ساکن روی این سیاره این توانایی را ایجاد می کند . که از این پس نیازی به بریدن درختان جنگل ها و فرستادن دودشان به هوا نباشد و این پیمان فناورى نانو است . آیا شما چوب می خواهید ؟ کدام یک را ترجیح می دهید : چوب درخت ماهون ، ساج ، آلبالو ، چوب سخت و راه راه یا هرچیز خارجی دیگر هیچ مشکلی نیست ، فقط نرم افزار خود را برای چوب مورد دلخواه پاک کنید و مواد خام تغذیه ای را روشن کنید و دکمه  GO را فشار دهید.

موانع موجود:

اینکه چه زمانی به همه این اهداف می توان دست یافت موضوع دیگری است. طبق محاسبات علمی، تا یک آینده روشن برای نانوتکنولوژی ۲۰-۱۰ سال راه است و موانع مهم موجود باید برطرف شوند. اولین مشکل کمبود تولید انبوه اقتصادی است. برخی ابزار پیچیده تر نیازمند استقرار دقیق میلیون ها اتم هستند. به گفته جرج بارباستاتیس، استادیار مهندسی مکانیک در MIT ، ساخت چنین ابزاری شاید به اندازه عمر جهان طول بکشد. دیگر چالش موجود برقراری ارتباط بین مقیاس نانو و مقیاس ماکروسکپی است. به عبارت دیگر کوچکی یک ابزار نانو هنگامی که باید به سیم های بزرگ متصل شود، آن را بی استفاده می کند. مشخص نیست چگونه دانشمندان این مشکلات را برطرف خواهند کرد.
فرانچسکو استلاسی، استادیار علم مواد در  MIT می گوید امید زیادی درباره ساختن ابزار ریز وجود دارد، بدون آن نیاز به ارایه تلاش دلایل منطقی در این مورد وجود داشته باشد. و نگرانی ناشی از خیال پردازی علمی، نانوتکنولوژی را به «از رده خارج شدن» تهدید می کند درست مانند نگرانی عمومی از غذاهای اصلاح شده ژنتیکی که مانع حرکت و پیشرفت بیوتکنولوژی در کشاورزی شده و نیز هراس از کودکان طراحی شده ژنتیکی که تحقیقات سلولهای تمایز نیافته جنینی  (stem cell) را پس زده است. از طرفی نگرانی ها در رابطه با سمیت نانو ذرات بسیار ناشناخته بوده و نیاز به تحقیقات فراوان دارد. با این وجود تحقیقات اولیه سم شناسی نشان داده سمیت نانو ذرات به طور معنی داری با خصوصیات نوظهور فیزیکوشیمیایی این مواد ارتباط دارد. این تغییرات حتی می تواند منجر به عملکرد متفاوت بیولوژیکی این مواد در طبیعت شود. از اینرو گروه های محیطی خواستار یک مهلت قانونی برای تحقیقات نانوتکنولوژی شده‌اند تا زمانی که عدم وجود هر گونه خطر تهدیدکننده اجتماعی، محیطی و بهداشتی تایید شود. و تحقق این امر با توجه به حمایت سیاسی از تکنولوژی های بسیار پیشرفته در سراسر جهان، بعید به نظر می رسد. ایالات متحده طی سال های گذشته میلیون ها دلار را به  برنامه های تحقیقاتی نانوتکنولوژی تخصیص داده است. اتحادیه اروپا و ژاپن نیز بشدت در زمینه این تکنولوژی جدید سرمایه گذاری کرده اند.

نتیجه گیرى:

ورود نسل اول فناورى ها به عرصه کشاورزى، در چند دهه گذشته منجر به وقوع انقلاب سبز و گذر از کشاورزى سنتى به کشاورزى صنعتى گردید، در آن دوره افزایش چشمگیرى در کیفیت و کمیت محصولات کشاورزى صورت گرفت که البته در کنار آن استفاده بى رویه از منابع مشکلاتى را نیز در پى داشته است. اکنون با گذشت سال ها از وقوع انقلاب سبز و کاهش مجدد نسبت رشد تولیدات کشاورزى به جمعیت جهان، لزوم به کارگیرى فناورى هاى جدید در صنعت کشاورزى بیش از هر زمان دیگر آشکار است. طبق آخرین گزارش سازمان ملل متحد، حدود ۸۰۰ میلیون نفر از جمعیت جهان دچار فقر غذایى هستند و پیش بینى ها حاکى از آن است که این آمار تا سال ۲۰۲۰ میلادى به رقم بالغ بر یک میلیارد نفر خواهد رسید و این بدان معناست که صنعت کشاورزى نیازمند توجه ویژه اى از سوى متخصصان و سیاست مداران است. بدین منظور باید با توجه به شناخت دقیق شرایط بیولوژیکى محیط و توجه به روش هاى نوین نانوتکنولوژى و توسعه آن در ادوات کشاورزى و همچنین تأثیر آن بر روش هاى بهره گیرى از زمین کشاورزى و بهبود آنها مى توان به سرعت در جهت افزایش کمى وکیفى محصولات غذایى و تولیدات کشاورزى گام برداشت. به گونه اى که این افزایش در بازده اى سبب از بین رفتن محیط زیست و منابع نسل بعدى نگردد، بلکه این هدف با استفاده هرچه بهینه تر از مواد صورت پذیرد.

( فراموش نکنید فناورى نانو در علوم کشاورزى یک عرصه در حال ظهور است )

– نانوتکنولوژی ما را قادربه ساختن هر چیزی با کوچکترین مقیاس طولی ممکن ( اتم به اتم ، مولکول به مولکول ) با دقت وظرافت هرچه تمام تر می کند .

– نانوتکنولوژی صدمات بوجود آمده از انقلاب صنعتی را جبران می کند .

– نانوتکنولوژی پایان آلودگی ، بریدن جنگل ها ، گرسنگی وقحطی را ترسیم می نماید .

– نانوتکنولوژی نوید کالاهای مصرفی بادوام ، جدید ، پرثمر ، ایمن تر ، ارزان ، فراوان ، انعطاف پذیر ، محیطی قابل تحمل ، آرامشی ثابت ، پیشرفتی سالم ، بهبودی مواد قبل از تبدیل شدن به مواد زائد ، سلامتی ، ثروت ودانش را می دهد .

–  نانوتکنولوژی بهره وری کشاورزی را برای جمعیت های بالاتر میسر می سازد .

– تولید غذاهای مولکولی

– بوجود آوردن گیاهان وحیواناتی که نسل آنها منقرض شده اند .

– بهبود طعم غذاها ، افزایش عمر مصرف آنها ومهندسی شدن غذاهای مصرفی

– بازگرداندن ۹۰ % از زمین های کشاورزی به وضعیت طبیعی واستفاده از ۱۰ % از زمین های کشاورزی در قالب گلخانه هایی با عملکرد بالا وتغذیه جمعیت جهان

– تغییر شرایط آب وهوایی جهان

– نانوتکنولوژی روش زندگی مردم را بطور اساسی عوض می کند و رفتارهای مردم را به شدت تحت تاثیر این سیستم جدید قرار می دهد .

– نانوتکنولوژی مضراتی که علوم مصنوعی در عالم کنونی گذاشته را از بین برده واز راه طبیعی جهان را تبدیل به بهشت می کند .

– پایان قحطی وگرسنگی را نانوتکنولوژی با ترسیم سیاره ای  با درخت های مو سبز وزیبا ومیوه های کشاورزی که خاک طبیعی وکامل ندارند ، ارائه می دهد.

– در نانوتکنولوژی کامپیوتر های بسیار بزرگ وپیچیده می توانند به اندازه سلول بدن انسان ها ساخته شوند.

– قراردادن اطلاعات انبوه در یک فضای بسیار کوچک مانند اطلاعات بزرگترین کتابخانه های دنیا در یک حبه قند .

– جایگزین شدن نانوتکنولوژی با کارگر، مدیریت وحتی خود کارخانه .

– نانوتکنولوژی مهمترین کلید پتانسیل اقتصادی در قرن بیست ویکم است .

– هرچیزی می تواند به شکل هر شئی قابل تصور دیگری شکل بگیرد .

منابع:

• رنجبر، م. و غ. ع. شمس. ۱۳۸۶. بررسى کاربردهاى فناورى نانو به تفکیک رشته هاى تحصیلى مهندسى کشاورزى. نشریه سبززیست، سال دوم، شماره چهارم، مهر و آبان: ۵۳-۵۰
• حدادی، ش و م. قربانی جاوید. ۱۳۸۶. نانوتکنولوژى و کاربردهاى آن در علوم کشاورزى. کشاورزی و غذا. شماره ۳۴: ۳۷-۳۴
• باکند، ش. و ع. ا. فرشاد. ۱۳۸۶. مروری بر فناوری نانو و سم شناسی نانو ذرات. سلامت کار در ایران. دوره ۴. شماره ۱ و ۲.
• Kahn, J. 2006. Nanotechnology. National Geographic. 98-119

Thayer, A. M. 2002. Nanotechnology meets market realities. Chem & Eng News 80(29).17-19

• Joseph, T. and Morrison, M. 2006. Nanoforum Report: Nanotechnology in Agriculture and Food. Nanoforum. org. Available at http://nanoforum.org/
• Roach, S. 2006. Nano-herbicide in the works. Nutraingredients.com. Available at http://www.nutraingredients.com
• Baruah, S. and Dutta, J. 2009. Nanotechnology applications in pollution sensing and degradation in agriculture: a review, Environ Chem Lett () 7:191–204