Τι είναι η νανοτεχνολογία και ποιες οι προοπτικές για τη γεωργία;

Η ανωτέρω εφαρμογή της νανοτεχνολογίας μπορεί να πραγματοποιηθεί σε διαφόρους τομείς, όπως η ιατρική, η μηχανική αλλά και η γεωργία. Η νανοτεχνολογία είναι η επιστήμη των μικροσκοπικών πραγμάτων και υλικών (μικρότερα από 100 nm σε μέγεθος). Πρόκειται για την επιστήμη που συνδυάζει τη φυσική στερεών υλικών, χημεία, χημική μηχανική, βιοχημεία και επιστήμη των υλικών.

Γιατί όμως έχει τόση σημασία το μικρό μέγεθος των υλικών;

Ένα νανοσωματίδιο ορίζεται βάσει του μεγέθους του το οποίο είναι βασικός παράγων ο οποίος και ορίζει θεμελιώδη  χαρακτηριστικά αυτού, τα οποία και διαφέρουν από εκείνα του αντίστοιχου συνολικού, χύδην προϊόντος.

Τα νανοσωματίδια αλληλεπικαλύπτονται σε μέγεθος με κολλοειδή, των οποίων το μέγεθος κυμαίνεται από 1nm – 1 mm  και πολύ σημαντικό, οι φυσικές ιδιότητες των νανοσωματιδίων διαφέρουν κατά πολύ από αυτές των υλικών των χύδην προϊόντων.

Συχνά οι ιδιότητες των νανοσωματιδίων (φυσικοχημικές και βιολογικές), επειδή ακριβώς διαφέρουν από αυτές των χύδην αντίστοιχων προϊόντων, αποτελούν πλέον μιανέα προοπτική επίλυσης πολλών προβλημάτων με τη χρήση νανοσωματιδίων.

Στον κόσμο της νανοτεχνολογίας, τα υλικά συμπεριφέρονται τελείως διαφορετικά και υπόκεινται πλέον στους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, οπότε και όλα όσα γνωρίζαμε για τη συμπεριφορά ενός υλικού, ως δια μαγείας αλλάζουν.

Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων

► Υψηλότερη πυκνότητα φορτίου και υψηλότερη αντιδραστικότητα των νανοσωματιδίων λόγω του μικρού τους μεγέθους.

► Καθώς η επιφάνεια αυξάνεται σε σύγκριση με τον όγκο, η δραστηριότητα των ατόμων στην επιφάνεια των σωματιδίων γίνεται περισσότερη σε σχέση με αυτή στο εσωτερικό των σωματιδίων

► Ως αποτέλεσμα της μεγάλης αναλογίας επιφάνειας προς όγκο, τα νανοσωματίδια έχουν μεγαλύτερη ισχύ, αυξημένη αντοχή στη θερμότητα, χαμηλότερο σημείο τήξης και οι νανοσυστάδες έχουν διαφορετικές μαγνητικές ιδιότητες.

► Οι διαφορές στις εκτεθειμένες επιφάνειες των διαφόρων νανοσωματιδίων οδηγούν σε διαφορές στην κατανομή των ατόμων μεταξύ των νανοσωματιδίων, γεγονός που, με τη σειρά του, επηρεάζει την ταχύτητας μεταφοράς ηλεκτρονίων μεταξύ των μεταλλικών νανοσωματιδίων και των αντίστοιχων προσροφημένων ειδών.

► Τα νανοσωματίδια έχουν μεγαλύτερη καταλυτική δράση όταν είναι παρόντα σε τετραεδρικές δομές ακολουθούμενες από κυβικές και σφαιρικές δομές, κάτι που είναι γνωστό για τη βελτίωση της χημικής αντιδραστικότητας στις αιχμηρές άκρες και τη γωνία της πρώτης δομής που αναφέρθηκε.

Ίσως όλα τα παραπάνω να είναι εν μέρη ακατανόητα αλλά μπορούν να μεταφραστούν σε γεωργικό επίπεδο και να γίνουν περισσότερο κατανοητά, όπως:

► Η υψηλότερη διαλυτότητα των νανοσωματιδίων σε ένα εναιώρημα.

► Το υψηλότερο εμβαδόν επιφανείας και το μέγεθος των νανοσωματιδίων, το οποίο διευκολύνει τη διείσδυση τους μέσω των επικαλύψεων των σπόρων και στη συνέχεια στις αναδυόμενες ρίζες.

► Η μεγαλύτερη και αποτελεσματικότερη βιοδιαθεσιμότητα των νανοσωματιδίων.

► H επιφάνεια, η ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων, η προσρόφηση ιόντων, η συμπλοκοποίηση και πολλές άλλες λειτουργίες πολλαπλασιάζονται σε επίπεδο νανοκλίμακας.

► Σε σύγκριση με τα σωματίδια μακροσκόπησης, τα νανοσωματίδια μπορεί να έχουν διαφορετικές επιφανειακές συνθέσεις, διαφορετικούς τύπους και πυκνότητες των θέσεων και διαφορετική αντιδραστικότητα σε σχέση με μεθόδους όπως η προσρόφηση και οι αντιδράσεις οξειδοαναγωγής.

Τα άμεσα αποτελέσματα των ιδιοτήτων των νανοσωματιδίων στον γεωργικό τομέα, δίνουν αυτομάτως τα εξής αποτελέσματα:

1. Παροχή πραγματικής συγκέντρωσης και ελεγχόμενης απελευθέρωσης λιπασμάτων ή φυτοφαρμάκων
2. Βελτιωμένη και στοχευμένη δράση
3. Λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις και πιο εύκολη μεταφορά προϊόντων, με ένα ερωτηματικό οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις οι οποίες και θα συζητηθούν παρακάτω.

Τα νανοϋλικά έχουν πολλές χρήσεις σε όλα τα στάδια της γεωργικής παραγωγής, σε διάφορες μορφές και σε διάφορες διαδικασίες όπως:

► Νάνο-λιπάσματα για ισορροπημένη θρέψη

► Νάνο-φυτοπροστατευτικά σκευάσματα

► Βελτίωση εδαφικών ιδιοτήτων

► Νάνο-αισθητήρες

► Έξυπνη γεωργία

► Βελτίωση εδαφικών ιδιοτήτων

► Διαχείριση εδαφών και υδάτων καθώς και άλλα.

Βιοσύνθεση των νανοσωματιδίων

Υπάρχουν πολλές χημικές μέθοδοι για τη σύνθεση των νανοσωματιδίων, κάποιες από τις οποίες χρησιμοποιούν τοξικές χημικές ουσίες. Τέτοιες χαρακτηριστικές ουσίες είναι νανοσωματίδια αργύρου, νανοσωματίδια οξειδίου ψευδαργύρου, νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου.

Είναι λοιπόν επιτακτική ανάγκη να ορισθούν νέοι τρόποι σύνθεσης των νανοσωματιδίων, φιλικότερων προς το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Τέτοιες περιπτώσεις είναι βιολογικές οντότητες, όπως βακτήρια, μύκητες, ανώτερα φυτά, καθώς και ιοί.

Νάνο-λιπάσματα

Στο εμπόριο διατίθενται πλέον προϊόντα  θρέψης νανοτεχνολογίας.

Τρεις είναι οι κατηγορίες νάνο-λιπασμάτων:

1. Λιπάσματα νάνο κλίμακας (νανοσωματίδια τα οποία περιέχουν θρεπτικά στοιχεία)
2. Πρόσθετα νάνο κλίμακας. Πρόκειται για τα παραδοσιακά προϊόντα θρέψης τα οποία περιέχουν πρόσθετα σε επίπεδο νάνο-κλίμακας.
3. Επιστρώσεις νάνο κλίμακας, νάνο μεμβράνες. Πρόκειται για παραδοσιακά προϊόντα θρέψης των οποίων η επιφάνειες είναι επικαλυμμένες ή περιέχουν νανοσωματίδια των κατάλληλων ουσιών. Μία νάνο μεμβράνη έχει την ικανότητα να επιβραδύνει την απελευθέρωση των θρεπτικών ουσιών από το λίπασμα ή ακόμη, ένα πορώδες νάνο λίπασμα μπορεί να περιέχει ένα είδος δικτύου καναλιών τα οποία επιβραδύνουν αντίστοιχα τη διαλυτοποίηση των θρεπτικών ουσιών.

Κάποια πολύ χαρακτηριστικά παραδείγματα νάνο λιπασμάτων, είναι τα παρακάτω:

✔ Λιπάσματα βραδείας απελευθέρωσης, όπου η νανοκάψουλα απελευθερώνει σιγά-σιγά τις θρεπτικές ουσίες για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο.

✔ Λιπάσματα ταχείας απελευθέρωσης, όπου το κέλυφος των νανοσωματιδίων σπάει κατά την επαφή με μια επιφάνεια (όπως το χτύπημα ενός φύλλου).

✔ Λιπάσματα συγκεκριμένης απελευθέρωσης, όπου το κέλυφος των νανοσωματιδίων σπάει όταν συναντήσει την κατάλληλη χημική ουσία ή ένζυμο.

✔ Απελευθέρωση λόγω υγρασίας, όπου το νανοσωματίδιο απελευθερώνει τα θρεπτικά συστατικά υπό την παρουσία των κατάλληλων υγρασιακών συνθηκών.

✔ Απελευθέρωση λόγω θερμότητας, όπου το νανοσωματίδιο απελευθερώνει θρεπτικά συστατικά όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει μια καθορισμένη τιμή.

Νάνο φυτοπροστατευτικά σκευάσματα

► Νανοκάψουλες, πρόκειται για ετερογενείς δομές τύπου δεξαμενής οι οποίες περιέχουν τη δραστική ουσία

► Νανοσφαιρίδια, πρόκειται για ομοιογενή μονολιθικά συστήματα στα οποία το βιοδραστικό συστατικό διασκορπίζεται ομοιόμορφα σε όλη τη μήτρα του πολυμερούς

► Νανοτζέλ, πρόκειται για πολύ μικρές μορφές γέλης, οι οποίες έχουν την ιδιότητα να διογκώνονται αλλά να μη διαλύονται στο νερό.

► Νανοΐνες

► Νανολιποσώματα

► Στερεάς μορφής νανοσωματίδια

► Νανοσωματίδια μετάλλων και οξειδίων μετάλλων

► Πορώδη νάνο-υλικά πυριτίου

► Αργιλικά νάνο-υλικά τα οποία ερευνώνται για να χρησιμοποιηθούν περιβαλλοντικά φιλικά συστήματα

► Νάνο-γαλακτώματα. Πρόκειται για γαλακτώματα με μέγεθος σταγονιδίων στην περιοχή νανομέτρων.

► Νάνο-εναιωρήματα, πρόκειται για εναιωρήματα που σχηματίζονται με διασπορά κρυσταλλικών ή άμορφων νανοσωματιδίων του ΑΙ σε υγρά μέσα.

Νανοαισθητήρες

Πολύ μικρού μεγέθους αισθητήρες μας δίνουν πολύτιμα δεδομένα για την ύπαρξη φυτοπαθογόνων οργανισμών. Αυτοί οι αισθητήρες, είτε χρησιμοποιούν τη βιολογία ως μέρος του ίδιου του αισθητήρα, είτε χρησιμοποιούνται οι ίδιοι ως βιολογικά δείγματα. Για παράδειγμα, έχουν κατασκευασθεί αισθητήρες οι οποίοι δείχνουν την πιθανή υποβάθμιση σπόρων κατά την αποθήκευση. Πως μπορεί και γίνεται αυτό; Ο αυτόνομος αισθητήρας μπορεί και ανιχνεύει σε ppm, τα επίπεδα του διοξειδίου του άνθρακα αλλά και άλλων χημικών τα οποία και καθορίζουν το βαθμό της υποβάθμισης των σπόρων.

Κάποιες από τις σημαντικότερες ίσως χρήσεις αυτών των νανοσυσκευών, είναι αυτή των αυτόνομων αισθητήρων, συνδεδεμένων σε ένα σύστημα GPS, για παρακολούθηση των καλλιεργειών σε πραγματικό χρόνο. Τέτοιοι νάνο αισθητήρες μπορούν να τοποθετηθούν σε ολόκληρη την έκταση ενός χωραφιού και έτσι με αυτόν τον τρόπο να είναι εφικτή η παρακολούθηση των συνθηκών ανάπτυξης της καλλιέργειας και των εδαφικών συνθηκών επί παραδείγματος.

Τοξικότητα των νανοσωματιδίων

Η νανοτεχνολογία όπως έχει ήδη αναφερθεί, βρίσκει πολλές εφαρμογές. Η νανοτεχνολογία και η νανοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται στη γεωργία ακριβείς, ίσως είναι η ασφαλής περίπτωση αυτή της νέας τεχνολογίας.

Από την άλλη πλευρά, η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας σε επίπεδο φυτοφαρμάκων, προβληματίζει όσον αφορά τους κινδύνους τοξικότητας που ενέχει.

Το τρέχον προφίλ φυτοτοξικότητας των νανοσωματίδιων βρίσκεται σε προκαταρκτικό επίπεδο. Οι επιπτώσεις των μοναδικών χαρακτηριστικών των νανοσωματιδίων δεν είναι πλήρως κατανοητές,  συνεπώς, απαιτούνται περισσότερες μελέτες. Ωστόσο, οι εφαρμογές νανοσωματιδίων δεν είναι πάντα επιβλαβείς για τα φυτά, υπάρχουν και θετικά αποτελέσματα.

Η πιθανή τοξικότητα των νανοσωματιδίων άνθρακα έχει μελετηθεί και τα αποτελέσματα είναι τόσο αρνητικά όσο και θετικά. Για παράδειγμα έχει παρατηρηθεί ενισχυμένο ριζικό σύστημα μετά 10 ήμερη έκθεση αυτού σε 10 ημέρες σε 150 mg / L (200 μl) υδατοδιαλυτού νανοάνθρακα.

Η τοξικότητα όμως των νανοσωματιδίων του άνθρακα βρέθηκε να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τους τις συνθήκες ανάπτυξης / έκθεσης και τα φυτικά είδη.

Επίσης, μεταξύ των ανεπιθύμητων αποτελεσμάτων της επίδρασης των νανοσωματιδίων, στα φυτά αυτή τη φορά, μελετήθηκε η φυτοτοξικότητα του οξειδίου του ψευδαργύρου και διοξειδίου του τιτανίου σε φυτά ρυζιού.

Βρέθηκε ότι:

Δεν υπήρξε μείωση της εκατοστιαίας βλάστησης των σπόρων από τον ψευδάργυρο και το διοξείδιο του τιτανίου. Ωστόσο, τα νανοσωματίδια οξειδίου ψευδαργύρου έδειξαν επιζήμιες επιπτώσεις στις ρίζες του ρυζιού σε αρχικά στάδια ανάπτυξης του φυτού. Τα νανοσωματίδια οξειδίου του ψευδαργύρου βρέθηκαν να καταστρέφουν το μήκος των ριζών και να μειώνουν τον αριθμό των ριζών. Ενώ τα νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου δεν είχαν καμία επίδραση στο μήκος της ρίζας.

Αυτή η μελέτη έδειξε ότι η άμεση έκθεση σε συγκεκριμένους τύπους νανοσωματιδίων θα μπορούσε να προκαλέσει σημαντική επίδραση φυτοτοξικότητας και υπογράμμισε την αναγκαιότητα για οικολογική υπεύθυνη διάθεση των αποβλήτων που περιέχουν νανοσωματίδια και περαιτέρω χρήση στα γεωργικά και περιβαλλοντικά συστήματα.

Συμπεράσματα

Μεταξύ των πολυάριθμων προτεινόμενων εφαρμογών, η νανοτεχνολογία έχει τη δυνατότητα να φέρει σε επανάσταση τις γεωργικές πρακτικές και τα συστήματα διατροφής. Η έρευνα είναι εξαιρετικά δραστήρια τα τελευταία χρόνια για την ανάπτυξη νέων προϊόντων φυτοφαρμάκων που βασίζονται στη νανοτεχνολογία. " 
Τα νανο-παρασιτοκτόνα περιλαμβάνουν μεγάλη ποικιλία προϊόντων, μερικά από τα οποία είναι ήδη στην αγορά. Η εφαρμογή νανο-παρασιτοκτόνων θα είναι η μόνη σκόπιμη διάχυτη εισαγωγή μεγάλων ποσοτήτων κατασκευασμένων νανοσωματιδίων στο περιβάλλον. Η καινοτομία έχει πάντα ως αποτέλεσμα τόσο τα μειονεκτήματα όσο και τα οφέλη για την υγεία του ανθρώπου και του περιβάλλοντος. Τα νανο-παρασιτοκτόνα μπορούν να μειώσουν την περιβαλλοντική μόλυνση μέσω της μείωσης των ποσοστών εφαρμογής των φυτοφαρμάκων και των μειωμένων απωλειών. Εντούτοις, τα νανο-παρασιτοκτόνα ενδέχεται επίσης να δημιουργήσουν νέα είδη μόλυνσης των εδαφών και των υδάτινων οδών λόγω της αυξημένης μεταφοράς, της υψηλότερης εμμονής και της υψηλότερης τοξικότητας.

Το σημερινό επίπεδο γνώσεων δεν επιτρέπει την ορθή εκτίμηση των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων που θα προκύψουν από τη χρήση νανο-παρασιτοκτόνων. Ως προϋπόθεση για την εκτίμηση αυτή απαιτείται καλύτερη κατανόηση της τύχης και της επίδρασης των νανο-παρασιτοκτόνων μετά την εφαρμογή τους. Θα πρέπει επίσης να αναλυθεί η καταλληλότητα των ισχυόντων κανονισμών, ώστε να μπορούν να υλοποιηθούν βελτιώσεις εάν χρειαστεί. Επομένως, η έρευνα σχετικά με τα νανο-παρασιτοκτόνα αποτελεί προτεραιότητα για τη διατήρηση της ποιότητας τόσο της αλυσίδας τροφίμων όσο και του περιβάλλοντος

blog.farmacon.gr

Βιβλιογραφία:

Duhan, J. S., Kumar, R., Kumar, N., Kaur, P., Nehra, K., & Duhan, S. (2017). Nanotechnology: The new perspective in precision agriculture. Biotechnology Reports, 15, 11-23.

Abobatta, W. F. (2018). Nanotechnology Application in Agriculture. Acta Scientific Agriculture (ISSN: 2581-365X), 2(6).

Mukhopadhyay, S. S. (2014). Nanotechnology in agriculture: prospects and constraints. Nanotechnology, science and applications, 7, 63

Iavicoli, I., Leso, V., Beezhold, D. H., & Shvedova, A. A. (2017). Nanotechnology in agriculture: Opportunities, toxicological implications, and occupational risks. Toxicology and applied pharmacology, 329, 96-111.

Fraceto, L. F., Grillo, R., de Medeiros, G. A., Scognamiglio, V., Rea, G., & Bartolucci, C. (2016). Nanotechnology in agriculture: which innovation potential does it have?. Frontiers in Environmental Science, 4, 20.

Sharon, M., Choudhary, A. K., & Kumar, R. (2010). Nanotechnology in agricultural diseases and food safety. Journal of Phytology.

Prasad, R., Bhattacharyya, A., & Nguyen, Q. D. (2017). Nanotechnology in sustainable agriculture: recent developments, challenges, and perspectives. Frontiers in microbiology, 8, 1014.