كاربرد نانو تكنولوژي دركشاورزي

نویسنده: دکتر حمیدرضا لاریجانی

مقدمه:
يكي از بخش هاي مهم در توسعه اقتصادي يك كشور بخش كشاورزي است. در كشور پهناوري چون ايران توجه ويژه به اين بخش ثمرات ارزنده اي را به دنبال خواهد داشت. با توجه به تنوع آب و هوايي موجود در كشور و گونه هاي گياهي و دامي موجود مي توان ايران را كشوري ثروتمند در زمينه پتانسيل بالقوه كشاورزي دانست. اما به هرحال امروزه داشتن پتانسيل به تنهايي پاسخگوي نيازهاي جوامع مختلف نيست، بلكه نبض اقتصادي جهان در دست كشورهايي است كه از لحاظ علم و تكنولوژي پيشرفته ترند، كشورهايي كه مي توانند از منابع موجود حداكثر بهره وري را داشته باشند. نانوتكنولوژي دركنار بيوتكنولوژي ، فناوري هسته اي و فناوري اطلاعات به عنوان تكنولوژي قرن 21 محسوب مي شود و توانسته است ساير علوم را تحت تاثير خود قرار دهد.
نانوتكنولوژي در بخش كشاورزي آمريكا در سال 2004 نسبت به سال 2003 از رشدي 900 درصدي برخوردار بوده و از 30 مارس 2006 تاكنون از 160 پروژه ارائه شده به بانك اطلاعات آمريكا، 14 مورد آن در ارتباط با فناوري نانو دركشاورزي بوده است. با توجه به اين اهميت ، فناوري نانو توانايي به فعل رساندن پتانسيل هاي بالقوه كشاورزي در بسياري از كشورهاي درحال توسعه ازجمله ايران را داراست. با اين وجود ممكن است درنگاه اول چگونگي به كارگيري اين فناوري دركليه شاخه هاي كشاورزي تا حدودي 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 پزشكى، مواد و الكترونيك آغاز شده است و اين موجب شده كه محققان درحوزه هاى مختلف علوم، از جمله كشاورزى به بررسى پتانسيل هاى كاربردى اين علم گرايش پيدا كنند. نانوتكنولوژي به عنوان يك فناوري قدرتمند نوين، توانايي ايجاد انقلاب و تحولات عظيم را در سيستم تامين مواد غذايي و كشاورزي دارا مي باشد. چندين ديدگاه مختلف در نانوتكنولوژي وجود دارد كه مي تواند در علوم كشاورزي و صنايع غذايي، كاربرد داشته باشد. به عنوان مثال امنيت زيستي توليدات كشاورزي و مواد غذايي، سيستمهاي آزاد كننده دارو بر عليه بيماريهاي شايع، حفظ سلامتي و حمايت از محيط زيست از جمله كاربردهاي اين علم مي باشد.
در سيستم كشاورزي امروزي، اگر دامي مبتلا به يك بيماري خاص شود، مي توان چند روز و حتي چند هفته يا چند ماه قبل علائم نامحسوس بيماري را شناسايي كنند و قبل از انتشار و مرگ و مير كل گله، دامدار را براي اخذ تصميمات مديريتي و پيشگيري كننده آگاه كند. نانوتكنولوژي امكان استفاده از سيستمهاي آزاد كننده داروئي را كه بتواند به طور طولاني مدت فعال باقي بماند، فراهم مي كند و اين روياي هميشگي محققان براي سيستمهاي رها كننده داروها، مواد مغذي و پروبيوتيكها بوده و مي باشد.

رابطه ميان فناوري نانو و علوم کشاورزي در زمينه هاي زير قابل بررسي است:

1- نياز به امنيت در کشاورزي و سيستم هاي تغذيه اي

2- ايجاد سيستم هاي هوشمند براي پيشگيري و درمان بيماريهاي گياهي

3- خلق وسايل جديد براي پيشرفت در تحقيقات بيولوژي و سلولي

4- بازيافت ضايعات حاصل از محصولات کشاورزي

استفاده از نانوتكنولوژي در صنایع غذایی:

سلامت غذا يك مسئله مهم است، زيرا بيشتر محصولات غذايي محيطي مناسب براي رشد باكتريها و ويروسها هستند. اين عوامل مي توانند مسبب بيماري و گاهي اوقات مرگ شوند. حسگرهاي زيستي با نانو حسگرها كه كاربرد آنها در شناسايي آفات گياهي بيان شد، جهت شناسايي پاتوژن هاي مواد غذايي نيز به كار برده مي شوند.

از کاربردهاي ديگر فناوري نانو در صنايع غذايي، ساخت پلاستيک هاي جديد در صنعت بسته بندي مواد غذايي است. اکسيژن مسئله سازترين عامل در بسته بندي مواد غذايي است زيرا اين عنصر باعث فساد چربي مواد غذايي و همچنين تغيير رنگ آنها مي شود. يكي از موفقيت ها ساخت پلاستيکهايي است كه نانو ذرات به صورت زيگزاگ در آنها قرار گرفته اند و مانند سدي مانع از نفوذ اکسيژن مي شوند. به بيان ديگر مسيري که گاز بايد براي ورود به بسته طي کند طولاني مي شود. به اين ترتيب زمان لازم جهت نفوذ كامل اين مولكول ها به داخل بسته بندي افزايش مي يابد ومواد غذايي براي مدت طولاني تري سالم باقي مي مانند. مواد غذايي در اين بسته ها تازگي خود را بيشتر حفظ مي کنند.

همچنين يك ظرف پلاستيكي كه در آن از نانوذرات نقره استفاده شده است، مواد غذايي را در طولاني مدت كاملاً تازه نگه مي دارد. اين كار ماحصل همكاري فناوري نانو با صنعت بسته بندي است. از زماني كه محققان وعده حل معضل اصلي صنعت مواد غذايي را داده اند، فناوري نانو بسيار مورد توجه اين صنعت قرار گرفته است. تحقيق و توسعه در اين صنعت شامل مواردي از قبيل سيستم هاي توزيع مواد غذايي، روش هاي بهينه سازي ظاهر مواد غذايي مانند رنگ، بو، مزه و… مي باشد. در بخش بسته بندي غذا، خواص ويژه حرارتي و مكانيكي نانو مواد مورد مطالعه قرار دارند تا با استفاده از آنها محافظت بهتر مواد غذايي از گزند عوامل خارجي، مانند اثرات ميكروبيولوژيكي، شيميايي، گرمايي و مكانيكي، صورت گيرد. ظروف جديد توليد شده در شركت  Sharper Image در آمريكا، داراي نانو ذرات نقره اي با خاصيت ضد باكتري است. به ادعاي اين شركت، ظروف توليدي آنها مواد غذايي را سه تا چهار برابر تازه تر نسبت به حالت معمولي نگه مي دارد. اين ظروف قادر هستند ميوه ها، سبزيجات، داروها، نان، پنير، سوپ، سس، و گوشت را در طولاني مدت بدون تغيير رنگ، مزه و خواص غذايي شان نگهداري كنند. نقره ذاتا خاصيت آنتي باكتريال، ضدكپك، و ضد قارچ دارد. لذا با استفاده از اين ظروف، در مقايسه با ظروف معمولي، در 24 ساعت اوليه ميزان رشد باكتري ها 98 درصد كاهش مي يابد.

هر چند كه نگراني دانشمندان و افكار عمومي در مورد اثرات اين فناوري بر سلامتي و عدم شناخت طبيعت آن باعث توسعه كند اين فناوري در صنايع غذايي شده است. اما مطابق مطالعه شركت آلماني Helmut Kaiser ، فروش جهاني محصولات فناوري نانو در صنعت بسته بندي مواد غذايي و نوشيدني از رقم 150 ميليون دلار در سال 2002 به 860 ميليون دلار در سال 2004 رسيده است. اين شركت آلماني پيش بيني كرده است كه فناوري نانو 25 درصد تجارت بسته بندي مواد غذايي در دهه آينده را تغيير خواهد داد و بازار آن به 30 ميليارد دلار در سال خواهد رسيد.

کاربردهای نانو در گیاه پزشکی:

يكي از راه هاي اصلي مبارزه با آفات گياهي استفاده از آفت كش ها و سموم است. اما امروزه استفاده از اين مواد به دليل معايب بسيار آنها همچون تاثير بر حشرات گرده افشان، آثار سوء بر سلامت انسان، آسيب رسانيدن به نظام هاي زيستي و غيره دربسياري از نقاط دنيا محدود شده است.

• سموم هوشمند در ابعاد نانو يكي از راه هاي رفع اين مشكلات است. سموم گیاهی که به روش نانو تهیه می گردد وقابليت حرکت در گياه را دارند، در بسته هايي که حاوي نشاني خاصي هستند قرار مي گيرند. برچسب نشاني يک کد مولکولي است که بر روي بسته نصب شده و به بسته اجازه مي دهد که به بخشي از گياه که مورد حمله عامل بيماري يا آفت قرار گرفته تحويل داده شود. اين ناقلين در ابعاد نانو همچنين داراي خود تنظيمي نيز مي باشند به اين معني که دارو فقط به ميزان لازم به بافت گياهي تحويل داده مي شود.  دقت در رديابي بافت هدف و ميزان اندک اما موثر دارو باعث مي شود استفاده از سموم در کشاورزي به حداقل برسد. اين سموم داراي يك كد مولكولي هستند كه اين اجازه را به آنها مي دهد تا در گياه حركت كرده و به قسمتي كه مورد حمله آفت يا گياه قرارگرفته است، بروند. سپس آنجا آزاد شده و آفت را از بين مي برند. از طرفي اين سموم قادر به خود تنظيمي هستند.
• حسگرهاي هوشمند و سيستم‌هاي حمل هوشمند به منظور رديابي و مبارزه سريع و مفيد با ويروس‌ها و ساير عوامل بيماری زا گياهي به کار می روند. استفاده ازسموم عمدتاً در زماني صورت مي گيرد كه علائم آفت همچون تغيير رنگ برگ ها و اندام گياهي قابل مشاهده باشند، در نتيجه با سريعترين اقدامات هم مقداري از محصول از بين مي رود. نانو حسگرهاي زيستي ابزارهايي هستند كه به كمك آنها مي توان در همان مراحل ابتدايي ورود بيماري آنها را شناسايي و در نتيجه براي كنترل آنها اقدام نمود. نانو حسگرها شامل تركيبات زيستي همچون يك سلول، آنزيم و يا آنتي بادي متصل به يك مبدل انرژي هستند و قادرند تغييرات ايجاد شده در محيط اطراف خود را گزارش كنند. اين گزارش توسط سيگنال هايي كه مبدل انرژي متناسب با مقدار آلودگي توليد مي كند، توسط گيرنده ها دريافت مي شوند. بنابراين در صورت تجمع زيادي عامل بيماري در اطراف اين حسگرها سيگنال هايي قوي فرستاده شده و حضور آلاينده ها درمحيط در ظرف چند دقيقه قابل تشخيص است. اين در حالي است كه تشخيص بيماري با استفاده از روش هاي رايج به حداقل 48 ساعت زمان نياز دارد.
• تيمار مولكولي بيماري ها، رديابي سريع بيماري ها، افزايش توانمندي گياهان براي جذب مواد مورد نياز

آشنایی با چند آفتکش نانو مقیاس:

پيشرفت روزافزون در زمينه فناوري نانو و کاربردهاي گوناگون و گسترده آن در گرايش‌هاي مختلف علمي و صنعتي ، باعث شده است که شرکت‌هاي توليدکننده سموم دفع آفات نيز براي بهبود مشخصات محصولات خود، به دنبال بهره‌گيري از اين فناوري باشند. تحقيقات نشان داده است که مي‌توان با استفاده از فناوري نانو مزاياي فراواني در آفت‌کش‌ها ايجاد نمود که مواردي مانند کاهش مصرف سموم، افزايش کارايي، سازگاري بيشتر با محيط زيست، بهبود کيفيت و کاهش خطرات تماسي از آن جمله است. در اين مقاله فعاليت‌هايي كه شركت‌هاي بزرگ توليد كننده سموم دفع آفات در اين مسير انجام داده‌اند و محصولات جديد آنها معرفي شده اند. شرکت سينجنتا (Syngenta) نيز که اداره مركزي آن در سوئيس واقع است، در شمار بزرگ‌ترين شرکت‌هاي شيمي كشاورزي قرار دارد. اين شركت سومين شرکت توليد بذر دنيا است و از گذشته به فروش محصولات آفت‌كش فرموله شده به‌صورت امولسيون با جزء فعال نانو مقياس مبادرت مي‌نموده، كه تنظيم‌کننده رشد Primo MAXX و قارچ‌کش Banner MAXX از آن جمله است. اين شرکت مدعي است که اين محصولات ذراتي به کوچکي حدود صد نانو متر دارند، و به همين دليل باعث گرفتگي فيلترهاي مخازن اسپري نشده و با آب کاملاً مخلوط مي‌شوند؛ به طوري که داخل مخزن اسپري ته‌نشين نمي‌گردند قارچ‌کش Banner MAXX حتي بعد از گذشت يک سال از آب جدا نمي‌شود.

يك روش پيشرفته جهت فرمولاسيون آفت‌كش‌ها در مقياس نانو، کپسوله کردن آنهاست: در اين روش ماده موثره نانومقياس در داخل يك محفظه يا پوسته کوچک بسته‌بندي مي‌گردد. طبق اطلاعات صنعتي، فرموله كردن آفت‌كش‌ها در کپسول‌ها باعث تغييرات انقلاب گونه‌اي مي‌گردد كه توانايي کنترل رهايش آفت‌کش در شرايط مختلف را فراهم مي‌آورد. همچنين اين اقدام باعث بالا رفتن حلاليت، كاهش تماس مواد فعال با کاربران و حفاظت از محيط زيست مي گردد. شرکت مونسانتو، بزرگ‌ترين توليدکننده بذر GM و علف‌كش پرمصرف رانداپ، در آمريكا، تاکنون تعدادي از آفت‌كش‌هاي ميكروكپسوله شده را به فروش رسانده است. در سال 1998 مونسانتو تفاهم‌نامه‌اي را با شرکت فناوري نانو فلامل جهت گسترش نانوكپسول‌هاي حاوي رانداپ منعقد نمود ، كه از نظر شيميايي بايد مؤثرتر از فرمولاسيون هاي معمول باشد.

همچنين شرکت سينجنتا که خود را رهبر جهاني در فناوري ميكروكپسوله کردن معرفي نموده و ادعاي پيشرو بودن در به‌کارگيري اين فناوري در آفت‌کش‌ها را دارد، محصولي به نام تجاري Zeon توليد مي‌کند که هر ليتر از فرمولاسيون ميكروكپسوله آن حاوي حدود 50 تريليون کپسول است. طراحي اين فراورده به‌صورتي است كه در تماس با برگ سريعاً آزاد مي شود. با توجه به اين كه اين كپسول‌ها به سختي به برگ‌ها مي‌چسبند، حتي در اثر بارش باران ، از برگ جدا نمي شوند. محصول ديگر سينجنتا که مشابه اين مورد است، در مورد بذرها و به منظور کنترل آفت‌هاي خاكي دانه‌هاي جوانه زده بكار مي‌رود.

دانشمندان سينجنتا در حال تحقيق بر روي كپسول‌هايي هستند كه با سازوكار ماشه‌اي آزاد مي‌شوند و در آنها ديواره بيروني کپسول فقط در شرايط خاصي باز مي‌گردد. براي مثال سينجنتا پتنتي را در اختيار دارد كه به آن ميكروكپسول gutbuster  گفته مي‌شود و مزيت آن اين است که تنها در محيط قليايي، نظير معده انواع خاصي از حشرات مي‌تواند باز شود. به گفته سينجنتا، ميكروكپسوله کردن روشي است كه اثرات جديد و اعجاب‌آوري از مواد مؤثره شناخته شده کنوني را توليد كند؛ اين عمل فروش را به گونه‌اي افزايش مي دهد كه گويي يک ماده موثر جديد اختراع شده است.  به عبارت ديگر اندازه كوچك، تأثيرات يك آفت‌كش را بهينه مي‌سازد و طراحي كپسول نيز مي‌تواند به‌ صورتي باشد آزاد شدن جزء فعال فقط در شرايط ويژه‌اي اتفاق افتد.

استفاده از نانوتكنولوژي در علوم دامي:

سلامتي دامهاي اهلي از جمله مسائلي است كه با اقتصاد دامداري ها در ارتباط مي باشد. يك دامپزشك مي نويسد كه “علم نانوتكنولوژي توانايي و نقش مهمي در رهيافتهاي آتي دامپزشكي و درمان دام هاي اهلي خواهد داشت”. تامين اقلام غذايي براي دامهاي اهلي همواره با افزايش هزينه و نياز به مراقبتهاي خاص دامپزشكي و تجويز دارو و واكسن همراه بوده است و نانوتكنولوژي توانايي ارائه راهكارهاي مناسب براي حل اين معضلات را دارد.

• سيستمهاي سنتيتيك آزاد كننده مواد داروئي

امروزه مصرف آنتي بيوتيكها، واكسنها، پروبيوتيكها و عمده داروها از طريق وارد كردن آنها از راه غذا يا آب دام ها و يا از راه تزريق عضلاني صورت مي گيرد. رها سازي يك مرحله اي دارو در برابر يك ميكروارگانيزم علي رغم تاثيرات درماني و اثرات بازدارنده پيشرفت يك بيماري معمولا با بازگشت مجدد علائم بيماري وتخفيف اثرات دارويي مصرفي همراه است. روش هاي موجود در سطح نانو، قابليت تشخيص و درمان عفونت، اختلالات تغذيه اي و متابوليكي را دارا مي باشد. سيستمهاي سنتتيك رها سازي دارو مي تواند خواص چند جانبه براي حذف موانع بيولوژيكي در افزايش بازده درماني داروي مورد استفاده و رسيدن آن به بافت هدف داشته باشد كه از جمله اين خواص مي توان به موارد ذيل اشاره كرد.

1- تنظيم زماني مناسب براي آزاد سازي دارو

2- قابليت خود تنظيمي

3- توانايي برنامه ريزي قبلي

بنابراين درآينده نزديك پيشرفتهاي بيشتر نانوتكنولوژي امكانات زير را فراهم مي كند:

1- توسعه سيستمهاي سنتيتيك رها سازي داروها، پروبيوتيكها، مواد مغذي

2- افزايش سرعت شناسايي علائم بيماري و كاربرد روشهاي درماني سريع

3- توسعه سيستمهاي رها سازي اسيدهاي نوكلئيك و مولكول هاي DNA

4- كاربرد نانومولكولها در توليد واكسنهاي دامي

5- تشخيص بيماري و درمان دامها

تصور امكان تزريق نانوپارتيكلها به دام ها و فعال شدن تدريجي ماده موثر همراه با اين نانوذرات در بدن حيوان براي از بين بردن و تخريب سلولهاي سرطاني، افق تحقيقاتي جديدي را به روي محققان بازكرده است. محققان دانشگاه رايس مراحل مقدماتي كاربرد نانوشلها را براي تزريق به جريان خون ارزيابي كردند. اين ذرات نانو به گيرنده هاي غشاسلولهاي سرطاني متصل مي شوند و با ايجاد امواج مادون قرمز باعث بالا رفتن دماي سلول هاي مذكور به 55 درجه و تركيدن و از بين رفتن تومورهاي موجود مي گردند. همچنين نانو پارتيكهايي كه از اكسيدهاي آهن ساخته مي شوند، با ايجاد امواج مگنتيك در محل استقرار سلول هاي سرطاني باعث از بين بردن اين سلولها مي شوند. يكي از اساسي ترين محورهاي تحقيقاتي كنوني، توسعه سيستم هاي رها سازي DNA غيرزنده، با بازدهي مناسب و با حداقل هزينه و عوارض جانبي و سمي مي باشد، كه در ژن درماني مورد استفاده قرار مي گيرند.

• اصلاح نژاد دام

مديريت تلاقي و زمان مناسب جفت گيري دامها، از جمله مواردي است كه در مزارع پرورش گاوشيرده به هزينه و زمان طولاني نياز دارد. از راهكارهايي كه اخير مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از نانوتيوپها خاص در داخل پوست مي باشد كه زمان واقعي پيك هورمون استروژن و وقوع فحلي را دار دامها نشان مي دهد و لذا با علائمي كه سنسورهاي موجود به دستگاه مونيتور مي فرستد، زمان دقيق و واقعي تلقيح را به دامدار نشان مي دهد.

كاربرد فناورى نانو در ساخت ماشين هاى كشاورزى:

بدون شك امروزه كشاورزى يكى از عرصه هاى تعيين كننده قدرت يك كشور است، لذا توجه به اين امر اجتناب ناپذير است. ماشين هاى كشاورزى نيز به عنوان بخش مهمى از اين عرصه جايگاه ويژه اى دارند. با ورود فناورى هاى نوين و از جمله فناورى نانو به بازار ساخت ماشين هاى كشاورزى و ساخت ادوات كاربردى تر، صاحبان اين صنعت درصدد برآمدند تا گوى سبقت را از ساير رقبا بربايند. صنعت ماشين هاى كشاورزى    مى تواند توسط فناورى نانو از يك پتانسيل جديد براى توسعه خود بهره مند شود. بسيارى از پيش بينى هاى كنونى نشان مى دهد كه تا 10 سال آينده طراحى و توليد خودروها به ميزان 60 درصد تحت تأثير فناورى نانو و زير شاخه هاى آن قرار خواهد گرفت. به عنوان مثال كاربرد انرژى هاى نوين، كاهش وزن خودروها، افزايش كاركرد مواد، افزايش راحتى، افزايش بهره ورى در برابر هزينه هاى تمام شده از جمله مزاياى قابل تعريف براى صنعت خودرو و ماشين هاى كشاورزى است. امروزه كارخانجات توليد ماشين هاى كشاورزى از فناورى نانو در زمينه هاى فراوانى همچون ساخت شاسى و بدنه سبك و مستحكم، موتور و سيستم هاى انتقال نيرو با راندمان بالا و استهلاك كمتر، رنگ و لايه گذارى هاى مقاوم، روغن كارى و روان سازها، تايرهاى مقاوم در مقابل سطوح سخت و ناهموار مزرعه، سيستم تخليه و مبدل هاى كاتاليستى در جهت كاهش آلايندگى محيط و تجهيزات الكتريكى و الكترونيكى با مقاومت كمتر و رسانايى بالاتر سود مى برند. همچنين استفاده بهينه از مواد باقيمانده از محصولات نيز ويژِگى برتر ديگرى در جهت رشد كشاورزى است كه با بهره گيرى از فناورى نانو در ساخت ماشين آلات كشاورزى مى توان به آن رسيد. به عنوان مثال در صنعت نساجى، در پنبه از زمان برداشت تا پايان مرحله خالص سازى و توليد پارچه بيش از 25 درصد الياف به ضايعات تبديل مى شود. در دانشگاه كرنل در آمريكا، تكنيكى تحت عنوان ريسندگى الكتريكى ابداع شده است كه با استفاده از آن از ضايعات موجود، محصولاتى مانند كلا فهاى پنبه و نخ، البته با كيفيت كمتر توليد مى شود. دانشمندان علوم پليمر در اين دانشگاه، از اين تكنيك براى ساخت نانوفيبرها از سلولز، كه 90 درصد آنرا الياف پنبه تشكيل مى دهند، نيز استفاده كرده اند.

از كاربردهاى فناورى نانو در ماشين هاى كشاورزى مى توان به موارد زير اشاره كرد:

– توليد قطعات مكانيكى مستحكم تر و افزايش عمر لاستيكها با استفاده از نانو روكش ها

– استفاده از زيست حسگرها در ماشين آلات هوشمند جهت مبارزه مكانيكى با علف هاى هرز

– استفاده از حسگرها و زيست حسگرها (نانو سنسورها) درماشين هاى شير دوشى

– استفاده از سيستم‌های ميکروالکترومکانيکی(MEMS) و سيستم‌های کنترل از راه دور، سيستم‌های اندازه گيری، سيستمهای مونيتورينگ و غيره جهت توسعه کشاورزی موضعی

– توليد خشك كن هاى خورشيدى با دوام و راندمان بالا

– افزايش مقاومت پوشش‌های بدنه ادوات و ماشين‌ها و ابزارهای کشاورزی و حتی شيشه ها در برابر خوردگی و سائيدگی و انعکاس امواج ماورای بنفش؛

– بهينه سازی ميزان و شکل سموم مصرفی توسط بيوحسگرها؛

– تصفيه و کاهش آلودگی محيط زيست توسط نانومبدل‌های کاتاليزوری؛

– توليد سوخت‌های جايگزين و آلودگی کمتر محيط زيست.

خاک و آب:

– بی خطر ساختن مواد آلاينده آب و خاک و قابليت بازيافت آنها؛

– ساخت فيلترهای هوشمند تصفيه آب با کارآيی بالا؛

– شوری زدايی از آب‌های شور؛

– ساخت سوپرجاذب‌های آب از پليمرها و مواد کامپوزيت به منظور ذخيره و حفظ رطوبت بيشتر در خاک برای مناطق خشک و کم آب؛

– ساخت مواد پوششی جديد و کارا برای پوشش درون لوله های فلزی به منظور جلوگيری از خوردگی ناشی از سيالات و کاهش زبری جداره لوله‌ها؛

– به کارگيری پليمرها و مواد کامپوزيت برای توليد انواع قطره چکان‌های تنظيم کننده فشار و مقاوم به نفوذ ريشه به قطره چکان؛

– استفاده از نانو کودها در تغذيه گياه

– جلوگيري از فرسايش، تصفيه خاك از آلاينده ها و همچنين غني سازي خاك نمونه هايي از كاربرد فناوري نانو در خاكشناسي است.

مديريت باقيمانده محصولات كشاورزي:

يكي از اهداف صنايع مرتبط با كشاورزي استفاده هر چه بيشتر از مواد باقيمانده محصولات است.  طراحي و توسعه نانو كاتاليزورها جهت تبديل روغن هاي نباتي به سوخت هاي زيستي و هضم حلال هاي صنعتي يكي ديگر از كاربردهاي فناوري نانو در كشاورزي است كه براي عملي شدن نياز به تحقيقات بيشتري دارد. فناوري نانو با استفاده از فرايندهاي طبيعي زيستي، شيميايي و فيزيكي در بازيافت مواد باقيمانده از محصولات كشاورزي و تبديل آنها به انرژي و يا مواد شيميايي صنعتي نيز نقش دارد. به طور مثال از زمان برداشت پنبه تا توليد پارچه بيش از 25 درصد الياف به ضايعات تبديل مي شوند. در دانشگاه كرنل در آمريكا روشي تحت عنوان “ريسندگي الكتريكي ” ابداع شد.

با استفاده از اين روش از ضايعات پنبه محصولاتي مانند كلافهاي پنبه و نخ البته با كيفيت پايين تر توليد مي كنند . دانشمندان علوم پليمر از اين روش براي توليد نانو فيبرها از سلولز كه %90 الياف پنبه را تشكيل مي دهد استفاده كرده اند و اليافي كمتر از 100 نانومتر توليد كرده اند كه 1000 بار كوچكتر از الياف فعلي است. يكي از كاربردهايي كه براي اين الياف ريز سلولزي بيان شده جذب آفت كش ها و كودهاي شيميايي از محيط براي جلوگيري از ورود آنها به اكوسيستم و رها كردن مجدد اين مواد در محيط در مواقع مورد نياز است

اصلاح نباتات :

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

ساخت ابزارهاي جديد براي بيولوژي سلولي و مولكولي اين ابزار ها جهت تعيين مولكول‌هاي خاص ، شناسايي و جداسازی آن ها استفاده می شوند و کاربری بسياری دارند که از این بين می توان به موارد زير اشاره کرد؛ تكنولوژي و علم توليد مثل، اصلاح نژاد حيوانات و گياهان ، تبديل ضايعات به انرژي و محصولات جانبي مفيد و علم و تكنولوژي كودسازي و اصلاح بذور به شيوه اتمی

استفاده از بذرهايي با عملكرد بيشتر وهزينه توليد كمتر همواره يكي از خواسته هاي زارعين بوده است و محققين اين رشته تلاش كرده اند با در نظر گرفتن ساير جنبه ها در دستيابي به اين هدف گام بردارند. يكي از راههاي دستيابي به اين هدف انتقال ژن هاي خارجي مطلوب به گياهان است.

در ايران براي اولين بار درسال 1383  نوعي برنج تراريخته حاصل فناوري نانو زير كشت قرار گرفت. در اين واريته برنج از ذرات نانومتري طلا براي انتقال ژن هاي مورد نظر استفاده شده است. ميزان محصولات اين واريته 20-10 درصد بيشتر از واريته هاي معمولي بوده و هزينه توليد آن نيز كمتر است. از نظر كيفيت نيز اين واريته در سطح بهترين واريته هاي جهان بوده و در طي كشت نياز به هيچگونه سم حشره كشي ندارد. بنابراين بهبود عملكرد ، محيط زيست سالمتري را نيز به ارمغان مي آورد. استفاده از فناوري نانو براي بهبود كشت ساير محصولات كشاورزي نيز مورد توجه قرار گرفته است.

(Precision farming) كنترل شرايط بحرانى به كمك كشاورزى دقيق:

بسيارى از بيمارى هاى فيزيولوژيكى، ناشى از عوامل محيطى نامساعد مى باشد. براى كاهش خسارت ناشى از اين عوامل ضرورت دارد تا شرايط دقيق محيطى در سطح مزرعه يا باغ مورد ارزيابى دائمى قرار گيرد. در كشاورزى دقيق استفاده از رايانه ها، سيستم هاى رديابى ماهواره اى و ابزارهاى سنجش از راه دور، شرايط محيطى بسيار ريز و موضعى مورد اندازه گيرى قرار گرفته و در صورت وجود برخى نارسايى ها و كمبود يا مسموميت ها، محل وقوع اين مشكلات بطور دقيق مشخص مى گردد. با استفاده از اين سيستم و اطلاعات حاصل از آن، مى توان با تنظيم دقيق مصرف آفت كش ها و كودها هزينه توليد را كاهش داده و منجر به سود بيشتر براى كشاورزان شد. به علاوه با كاهش مصرف آفت كش ها و كودها، آلودگى محيط زيست نيز به حداقل خود مى رسد. اگرچه حسگرها و سيستم هاى پايشى ارائه شده توسط فناورى نانو در آغاز راه خود براى ورود و به كارگيرى در كشاورزى نوين مى باشند، اما در چند سال آينده با بكارگيرى آنها، تاثيرات شگرفى در روش هاى كشاورزى نوين وافزايش بهره ورى آن بوجود خواهد آمد. از جمله مواردى كه در مرحله تحقيق است، توليد و استفاده از نانو حسگرهايى است كه از طريق ارتباط با سيستم ماهواره اى GPS مى توانند اطلاعات كاملى از وضعيت مزرعه را به طور لحظه به لحظه و بويژه از نظر ظهور عوامل بيماريزا مانند قارچ ها ارسال نمايند. اين حسگرها بدليل كوچكى اندازه براحتى در سطح مزرعه قابل پخش مى باشند. در حال حاضر چنين سيستم هاى پايش حساس از طريق ارتباط بى سيم (نه ماهواره اى) در چندين باغ انگور واقع در ايالت كاليفرنياى آمريكا، با موفقيت 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 30-40درصد به 92-93 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 95 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:

مولكول هاي پروتئين نوعي مولكول هستند كه در مواد خوراكي مانند سيب زميني وجود دارند، درعصر فناورى نانو اين مولكول ها براي توليد مولكول هاي شبيه به خود اتم هاي موجود در خاك، آب و هوا را جذب مي كنند و سيب زميني سازند، توليد غذاهاي مولكولي و خاتمه دادن به خشكسالي و قحطي، بطور نمايي ، همراه با دقت اتمي ، غذا مي تواند از اتم هاي خام در همان نانو عمومي سنتز شود . استيك جوجه و يا بره نيم پز را خود ما به كمك مولكول ها و اتم ها بوجود مي آوريم، بدون آنكه حيواني را ذبح كنيم . بوجود آوردن گياهان و حيواناتي كه نسل آنها منقرض شده اند، همه نمونه هايي از وعده هاي فناورى نانو مي باشد. در آينده مي توان ويژگي هاي مطلوب را از طريق مهندسي ژنتيك در مورد خوراكي جاسازي كرده و از اين طريق طعم غذاها را بهبود بخشيد، هم چنين مي توان مقاومت گياهان را دربرابربيماري افزايش داد و عمر آن ها را درمحل كشت ومصرف ، طولاني تركرد و رشد آن ها را سريعتر نمود و حتي درمحيط هاي نامساعد كاشت. تا در شوره زارها، با آب كمتر يا آب و هواي سردتر رشد كنند. ما حتي توانايي تغيير شرايط آب وهوايي را خواهيم داشت و شاهد ابداع درختاني خواهيم بود كه رشد آن ها بهينه و ساختارشان براي كاربردهاي ويژه اي همچون الوار، خمير كاغذ، ميوه يا جداكننده هاي كربن (براي كاهش پديده گرم شدن كره زمين) مناسب باشد. درنتيجه موادغذايي اصلاح شده به روش ژنتيك ، تغذيه را بهبود بخشيده و درعين حال مصرف آفت كش ها و آب را كاهش مي دهند. غذاهايي كه مصرف مي كنيم روز به روز از حالت طبيعي خارج شده و مهندسي تر مي شوند. فناورى نانو بهروري كشاورزي را براي جمعيت هاي بالاتر ميسر مي كند. بازگرداندن 90 درصد از زمين هاي زراعي به وضعيت طبيعي خود و به  كارگيري گلخانه ها با كاركرد بالا كه تقريباً 10 درصد زمين هاي زراعي فعلي رامي پوشانند و جمعيت جهان را تغذيه مي كنند ، فيزيكي ديگر از وعده هاي فناورى نانو مي باشد . درعصر نانو ميليون ها كيلومتر مربع زمين به ساكنين بومي جهان برگردانده مي شود و از انقراض و نابودي بيشتر جانوران و گونه هاي گياهي جلوگيري مي شود. فناورى نانو علمي جديد است كه مي خواهد مضراتي كه علوم مصنوعي در عالم كنوني گذاشته را از بين برده واز راه طبيعي جهان را تبديل به بهشت كند، بطوري كه زندگي براي تمام مردم ازكودك تا بزرگ لذت بخش و راحت شود. انقلاب صنعتي براي اشخاص ساكن روي اين سياره اين توانايي را ايجاد مي كند . كه از اين پس نيازي به بريدن درختان جنگل ها و فرستادن دودشان به هوا نباشد و اين پيمان فناورى نانو است . آيا شما چوب مي خواهيد ؟ كدام يك را ترجيح مي دهيد : چوب درخت ماهون ، ساج ، آلبالو ، چوب سخت و راه راه يا هرچيز خارجي ديگر هيچ مشكلي نيست ، فقط نرم افزار خود را براي چوب مورد دلخواه پاك كنيد و مواد خام تغذيه اي را روشن كنيد و دكمه  GO را فشار دهيد.

موانع موجود:

اينكه چه زماني به همه اين اهداف مي توان دست يافت موضوع ديگري است. طبق محاسبات علمي، تا يك آينده روشن براي نانوتكنولوژي 20-10 سال راه است و موانع مهم موجود بايد برطرف شوند. اولين مشكل كمبود توليد انبوه اقتصادي است. برخي ابزار پيچيده تر نيازمند استقرار دقيق ميليون ها اتم هستند. به گفته جرج بارباستاتيس، استاديار مهندسي مكانيك در MIT ، ساخت چنين ابزاري شايد به اندازه عمر جهان طول بكشد. ديگر چالش موجود برقراري ارتباط بين مقياس نانو و مقياس ماكروسكپي است. به عبارت ديگر كوچكي يك ابزار نانو هنگامي كه بايد به سيم هاي بزرگ متصل شود، آن را بي استفاده مي كند. مشخص نيست چگونه دانشمندان اين مشكلات را برطرف خواهند كرد.
فرانچسكو استلاسي، استاديار علم مواد در  MIT مي گويد اميد زيادي درباره ساختن ابزار ريز وجود دارد، بدون آن نياز به ارايه تلاش دلايل منطقي در اين مورد وجود داشته باشد. و نگراني ناشي از خيال پردازي علمي، نانوتكنولوژي را به «از رده خارج شدن» تهديد مي كند درست مانند نگراني عمومي از غذاهاي اصلاح شده ژنتيكي كه مانع حركت و پيشرفت بيوتكنولوژي در كشاورزي شده و نيز هراس از كودكان طراحي شده ژنتيكي كه تحقيقات سلولهاي تمايز نيافته جنيني  (stem cell) را پس زده است. از طرفي نگراني ها در رابطه با سميت نانو ذرات بسيار ناشناخته بوده و نياز به تحقيقات فراوان دارد. با اين وجود تحقيقات اوليه سم شناسي نشان داده سميت نانو ذرات به طور معني داري با خصوصيات نوظهور فيزيكوشيميايي اين مواد ارتباط دارد. اين تغييرات حتي مي تواند منجر به عملكرد متفاوت بيولوژيكي اين مواد در طبيعت شود. از اينرو گروه هاي محيطي خواستار يك مهلت قانوني براي تحقيقات نانوتكنولوژي شده‌اند تا زماني كه عدم وجود هر گونه خطر تهديدكننده اجتماعي، محيطي و بهداشتي تاييد شود. و تحقق اين امر با توجه به حمايت سياسي از تكنولوژي هاي بسيار پيشرفته در سراسر جهان، بعيد به نظر مي رسد. ايالات متحده طي سال هاي گذشته ميليون ها دلار را به  برنامه هاي تحقيقاتي نانوتكنولوژي تخصيص داده است. اتحاديه اروپا و ژاپن نيز بشدت در زمينه اين تكنولوژي جديد سرمايه گذاري كرده اند.

نتيجه گيرى:

ورود نسل اول فناورى ها به عرصه كشاورزى، در چند دهه گذشته منجر به وقوع انقلاب سبز و گذر از كشاورزى سنتى به كشاورزى صنعتى گرديد، در آن دوره افزايش چشمگيرى در كيفيت و كميت محصولات كشاورزى صورت گرفت كه البته در كنار آن استفاده بى رويه از منابع مشكلاتى را نيز در پى داشته است. اكنون با گذشت سال ها از وقوع انقلاب سبز و كاهش مجدد نسبت رشد توليدات كشاورزى به جمعيت جهان، لزوم به كارگيرى فناورى هاى جديد در صنعت كشاورزى بيش از هر زمان ديگر آشكار است. طبق آخرين گزارش سازمان ملل متحد، حدود 800 ميليون نفر از جمعيت جهان دچار فقر غذايى هستند و پيش بينى ها حاكى از آن است كه اين آمار تا سال 2020 ميلادى به رقم بالغ بر يك ميليارد نفر خواهد رسيد و اين بدان معناست كه صنعت كشاورزى نيازمند توجه ويژه اى از سوى متخصصان و سياست مداران است. بدين منظور بايد با توجه به شناخت دقيق شرايط بيولوژيكى محيط و توجه به روش هاى نوين نانوتكنولوژى و توسعه آن در ادوات كشاورزى و همچنين تأثير آن بر روش هاى بهره گيرى از زمين كشاورزى و بهبود آنها مى توان به سرعت در جهت افزايش كمى وكيفى محصولات غذايى و توليدات كشاورزى گام برداشت. به گونه اى كه اين افزايش در بازده اى سبب از بين رفتن محيط زيست و منابع نسل بعدى نگردد، بلكه اين هدف با استفاده هرچه بهينه تر از مواد صورت پذيرد.

( فراموش نكنيد فناورى نانو در علوم كشاورزى يك عرصه در حال ظهور است )

– نانوتكنولوژی ما را قادربه ساختن هر چیزی با كوچكترین مقیاس طولی ممكن ( اتم به اتم ، مولكول به مولكول ) با دقت وظرافت هرچه تمام تر می كند .

– نانوتكنولوژی صدمات بوجود آمده از انقلاب صنعتی را جبران می كند .

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

– نانوتكنولوژی نوید كالاهای 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 .

–  نانوتكنولوژی بهره وری كشاورزی را برای جمعیت های بالاتر میسر می سازد .

– تولید غذاهای مولكولی

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

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

– بازگرداندن 90 % از زمین های كشاورزی به وضعیت طبیعی واستفاده از 10 % از زمین های كشاورزی در قالب گلخانه هایی با عملكرد بالا وتغذیه جمعیت جهان

– تغییر شرایط آب وهوایی جهان

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

– نانوتكنولوژی مضراتی كه علوم مصنوعی در عالم كنونی گذاشته را از بین برده واز راه طبیعی جهان را تبدیل به بهشت می كند .

– پایان قحطی وگرسنگی را نانوتكنولوژی با ترسیم سیاره ای  با درخت های مو سبز وزیبا ومیوه های كشاورزی كه خاك طبیعی وكامل ندارند ، ارائه می دهد.

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

– قراردادن اطلاعات انبوه در یك فضای بسیار كوچك مانند اطلاعات بزرگترین كتابخانه های دنیا در یك حبه قند .

– جایگزین شدن نانوتكنولوژی با كارگر، مدیریت وحتی خود كارخانه .

– نانوتكنولوژی مهمترین كلید پتانسیل اقتصادی در قرن بیست ویكم است .

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

منابع:

• رنجبر، م. و غ. ع. شمس. 1386. بررسى كاربردهاى فناورى نانو به تفكيك رشته هاى تحصيلى مهندسى كشاورزى. نشريه سبززيست، سال دوم، شماره چهارم، مهر و آبان: 53-50
• حدادي، ش و م. قرباني جاويد. 1386. نانوتكنولوژى و كاربردهاى آن در علوم كشاورزى. كشاورزي و غذا. شماره 34: 37-34
• باكند، ش. و ع. ا. فرشاد. 1386. مروري بر فناوري نانو و سم شناسي نانو ذرات. سلامت كار در ايران. دوره 4. شماره 1 و 2.
• 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