هنگامی که کشاورزان سموم دفع آفات را برای محصولات خود اعمال می کنند ، 30 تا 50 درصد از مواد شیمیایی خود را به جای گیاهان در هوا یا خاک پیدا می کنند. اکنون تیمی از محققان MIT و سنگاپور روشی بسیار دقیق تر برای تحویل مواد به گیاهان ایجاد کرده اند: سوزن های کوچک ساخته شده از ابریشم.
در مطالعه ای که امروز در نانوتکنولوژی طبیعتمحققان راهی برای تولید مقادیر زیادی از این میکروئیدلهای ابریشمی توخالی ایجاد کرده اند. آنها برای تزریق آگروشیمیایی و مواد مغذی به گیاهان و نظارت بر سلامت آنها استفاده شدند.
بندتو مارلی ، نویسنده ارشد مطالعه و دانشیار مهندسی عمران و محیط زیست در MIT می گوید: “نیاز به کارآمدتر کردن کشاورزی وجود دارد.” “Agrochemicals برای کمک به سیستم غذایی ما مهم است ، اما آنها نیز گران هستند و عوارض جانبی محیط زیست دارند ، بنابراین نیاز به ارائه دقیق آنها وجود دارد.”
دکتری Yunteng Cao ’22 ، در حال حاضر دانشگاه Posto Yale ، و Doyoon Kim ، یک پست سابق در آزمایشگاه مارلی ، این مطالعه را رهبری کرد که شامل همکاری با فناوری مخرب و پایدار برای دقت و فناوری هوشمند کشاورزی (DIST) است.
در تظاهرات ، این تیم از این تکنیک استفاده می کند تا به گیاهان آهن برای درمان بیماری معروف به کلروز و اضافه کردن ویتامین B12 به گیاهان گوجه فرنگی اضافه شود تا آنها را مشتاق کند. محققان همچنین نشان داده اند که از میکروئید می توان برای نظارت بر کیفیت مایعات موجود در گیاهان و تشخیص اینکه خاک اطراف آن حاوی فلزات سنگین است ، استفاده شود.
به طور کلی ، محققان بر این باورند که خردهای خرد می توانند به عنوان نوع جدیدی از رابط گیاهی برای نظارت بر سلامت زمان واقعی و سوخت های زیستی عمل کنند.
مارلی می گوید: “این میکروئیدها می توانند ابزاری برای دانشمندان گیاه باشند تا بتوانند درباره سلامت گیاهان و چگونگی رشد آنها اطلاعات بیشتری کسب کنند.” “اما از آنها همچنین می توان برای اضافه کردن مقدار محصول استفاده کرد ، که باعث می شود آنها از دوام بیشتری و احتمالاً حتی در حال افزایش بازده استفاده کنند.”
کار داخلی گیاهان
دسترسی به بافتهای داخلی گیاهان زنده ، دانشمندان را ملزم می کند که بدون ایجاد استرس زیاد ، از پوست موم گیاهان عبور کنند. در کار قبلی ، محققان از دنباله مبتنی بر ابریشم برای ارائه شیمیایی کشاورزی به گیاهان در محیط های آزمایشگاهی و تشخیص تغییرات در pH در گیاهان زنده استفاده کردند. اما این تلاشهای اولیه شامل بارهای مفید کوچک بود که کاربردهای آنها در کشاورزی تجارت را محدود می کرد.
مارلی توضیح می دهد: “Microidiels در ابتدا برای تحویل واکسن یا داروهای دیگر به انسان طراحی شده است.” “ما اکنون آن را تطبیق داده ایم تا این فناوری بتواند با گیاهان کار کند ، اما در ابتدا ما نتوانستیم دوز کافی از مواد شیمیایی و مواد مغذی را برای کاهش استرس زا یا تقویت مقادیر غذایی محصولات زراعی تحویل دهیم.”
ساختارهای توخالی می توانند میزان میکرو شیمیایی را افزایش دهند ، اما مارلی می گوید که ایجاد این سازه ها در مقیاس دارای اتاق های تمیز و امکانات گران قیمت مانند موارد موجود در ساختمان MIT.NANO بوده است.
برای این مطالعه ، CAO و KIM روش جدیدی برای تولید میکرویدیل ابریشمی توخالی ایجاد کرده اند و پروتئین فیبرین ابریشم را با محلول شور در داخل شکل های کوچک و مخروطی ترکیب می کنند. همانطور که آب از محلول تبخیر می شود ، ابریشم در شکل جامد می شود تا زمانی که نمک ساختارهای کریستالی را در اشکال تشکیل دهد. هنگامی که نمک برداشته می شود ، بسته به غلظت نمک و آزاد شدن مراحل آلی و معدنی ، در هر سوزن یک ساختار توخالی یا منافذ کوچک باقی می ماند.
کیم می گوید: “این یک فرآیند بسیار ساده برای تولید است. می توان آن را در خارج از یک اتاق تمیز انجام داد – در صورت تمایل می توانید این کار را در آشپزخانه خود انجام دهید.” “این به ماشین های گران قیمت احتیاج ندارد.”
محققان سپس توانایی میکروئیدل های خود را برای ارائه آهن به کمبود گوجه فرنگی با کمبود آهن آزمایش کردند که می تواند باعث بیماری شناخته شده به عنوان کلروز شود. کلروز می تواند بازده را کاهش دهد ، اما درمان آن با پاشیدن محصولات زراعی بی اثر است و ممکن است عوارض جانبی محیط زیست داشته باشد. محققان نشان داده اند كه از میكروئیدهای توخالی آنها می توان برای تحویل طولانی مدت آهن بدون آسیب رساندن به گیاهان استفاده كرد.
محققان همچنین نشان داده اند که از میکروئیدهای آنها می توان برای تقویت محصولات زراعی هنگام رشد استفاده کرد. از نظر تاریخی ، تلاش برای تقویت محصولات زراعی روی مواد معدنی مانند روی یا آهن متمرکز شده است که ویتامین ها فقط پس از جمع آوری مواد غذایی اضافه می شوند.
در هر صورت ، محققان میکروئید را به صورت دستی در ساقه گیاهان اعمال می کنند ، اما مارلی پیش بینی می کند تا وسایل نقلیه خودمختار و سایر تجهیزات را که قبلاً در مزارع برای اتوماسیون و مقیاس گذاری فرآیند استفاده می شود ، تجهیز کند.
به عنوان بخشی از این مطالعه ، محققان از میکروئید برای تحویل ویتامین B12 ، که عمدتا در محصولات حیوانی یافت می شود ، در ساقه های در حال رشد گوجه فرنگی استفاده کردند و نشان می دهد که ویتامین B12 قبل از برداشت به میوه های گوجه فرنگی منتقل شده است. محققان پیشنهاد می کنند که از روش آنها برای تقویت گیاهان ویتامین بیشتر استفاده می شود.
همتای Daisuke Urano ، یک دانشمند گیاهان Distap ، توضیح می دهد که “با ارزیابی جامع ، ما حداقل اثرات جانبی تزریق میکرونل را به گیاهان بدون اثرات منفی کوتاه مدت یا طولانی مدت مشاهده کرده ایم.”
مارلی توضیح می دهد: “این مکانیسم تحویل جدید بسیاری از برنامه های بالقوه را باز می کند ، بنابراین ما می خواستیم کاری را انجام دهیم که قبلاً هیچ کس انجام نداده بود.”
سرانجام ، محققان استفاده از میكروئیدهای خود را برای نظارت بر سلامت گیاهان با مطالعه گوجه فرنگی در حال رشد در محلول های هیدروپونیک ، آلوده به کادمیوم ، فلز سمی ، رایج در مزارع نزدیک به اشیاء صنعتی و معدن بررسی کردند. آنها نشان داده اند که میکروئیدل های آنها در مدت 15 دقیقه پس از تزریق به ساقه های گوجه فرنگی ، سموم را جذب کرده و راهی برای تشخیص سریع ارائه می دهد.
در حال حاضر تکنیک های پیشرفته برای نظارت بر سلامت گیاهان ، مانند تجزیه و تحلیل رنگ سنجی و بیش از حد -مشخص از سرب ، فقط می توانند مشکلات را پس از پاره شدن رشد گیاه تشخیص دهند. روشهای دیگر ، مانند نمونه های SAP ، می توانند خیلی طولانی شوند.
در مقابل ، از میکروئید می توان برای جمع آوری آسانتر SAP برای تجزیه و تحلیل شیمیایی فعلی استفاده کرد. به عنوان مثال ، محققان نشان داده اند که می توانند به مدت 18 ساعت سطح کادمیوم را در گوجه فرنگی کنترل کنند.
یک سکوی جدید برای کشاورزی
محققان بر این باورند که می توان از خردهای خرد برای تکمیل شیوه های کشاورزی موجود مانند پاشش استفاده کرد. محققان همچنین خاطرنشان می کنند که فناوری دارای کاربردهای خارج از کشاورزی ، مانند مهندسی زیست پزشکی است.
CAO می گوید: “این روش جدید برای تولید میکروئیدهای پلیمری همچنین می تواند برای مطالعه داروهای ترانس ددرمی و داخل بدن و نظارت بر سلامت مفید باشد.”
با این حال ، در حال حاضر ، مارلی معتقد است که میکروید راهی برای شیوه های دقیق تر و پایدار کشاورزی ارائه می دهد.
مارلی می گوید: “ما می خواهیم رشد گیاهان را به حداکثر برسانیم بدون اینکه تأثیر منفی بر سلامت مزرعه یا تنوع زیستی اکوسیستم های اطراف داشته باشیم.” “نباید بین صنعت کشاورزی و محیط زیست سازش وجود داشته باشد. آنها باید با هم کار کنند.”
این کار تا حدودی توسط سرویس نیروی دریایی ایالات متحده ، بنیاد ملی علمی ایالات متحده ، SMART ، بنیاد بررسی سنگاپور و دفتر نخست وزیر در سنگاپور پشتیبانی می شود.
