کاربرد فناوری نانو در صنعت کشاورزی
دانشگاه شاهد
دانشکده کشاورزی
موضوع سمینار:
کاربرد فناوری نانو در صنعت کشاورزی
ارائه دهنده: مهندس زهرا چگینی(دانشجوی کارشناسی ارشد)
استاد راهنما: دکتر امینی دهقی
پاییز 90
مقدمه
در حال حاضر جمعيت دنيا در حدود هفت ميليارد نفر است که 50 درصد آن در آسيا زندگي مي‌کنند. جمعيت زيادي از مردم کشورهاي‌در حال توسعه، هر روزه به علت تأثيرات محيطي و يا بي‌ثباتي سياسي با مشکل مواد غذايي روبه‌رو هستند، در حالي که در کشورهاي توسعه يافته با مازاد مواد غذايي مواجه‌هستند. در کشورهاي در حال توسعه تلاش مي‌شود تا فراورده‌هايي مقاوم در برابر آفات و خشکسالي پرورش داده شود تا برداشت محصول به بالاترين ميزان خود برسد. صنايع غذايي در کشورهاي‌توسعه يافته در راستاي تقاضاي مشتري - در حال حاضر تلاش در ارائه مواد خوراکي تازه‌تر و سالم‌تر حرکت مي‌کند. در چند سال اخير تقاضا براي مواد غذايي تازه تا 10 درصد افزايش داشته است. جديدترين پيش بيني ها حاكي از آن است كه تا سال 2020 ميلادي تعداد افراد دچار فقر غذایی به حدود يك ميليارد نفر خواهد رسيد و اين بدان معناست كه حفظ نوع بشر در بلندمدت و نجات خيل عظيم انسان ها از خطر گرسنگي، نيازمند توجه ويژه ي متخصصان و سياست مداران امروز جهان به توسعه ي پايدار و همه جانبه ي صنعت كشاورزي است. ورود نسل اول فناوري ها به عرصه ي كشاورزي، در چند دهه ي گذشته منجر به وقوع انقلاب سبز و گذر از كشاورزي سنتي به كشاورزي صنعتي گرديد، در اين دوره افزايش چشمگيري در كيفيت و كميت محصولات كشاورزي صورت گرفت كه البته در كنار آن استفاده ي بي رويه از منابع، مشكلاتي را نيز در پي داشت. اكنون با گذشت سال ها از وقوع انقلاب سبز و كاهش مجدد نسبت رشد توليدات كشاورزي به جمعيت جهان، لزوم به كارگيري فناوري هاي جديد در صنعت كشاورزي پيش از هر زمان ديگري آشكار است. در اين بين فناوري نانو به عنوان يك فناوري بين رشته اي و پيشتاز، رفع مشكلات و كمبود ها در بسياري از عرصه هاي علمي و صنعتي، به خوبي جايگاه خود را در علوم كشاورزي و صنايع وابسته آن به اثبات رسانيده است. فناوري نانو كاربردهاي وسيعي در همه مراحل توليد، فرآوري، نگهداري، بسته بندي و انتقال توليدات كشاورزي دارد. کاربرد فناوري‌نانو در کشاورزي و صنايع غذايي، اولين بار در نقشه راه وزارت کشاورزي آمريکا در سپتامبر 2003 مورد بحث قرار گرفت. بخش کشاورزی آمریکا در سال 2004 نسبت به سال 2003 از رشدي 900 درصدی برخوردار بوده است. بخش کشاورزی از جمله مهمترین عرصه هاست که با استفاده از فناوری نانو، منافع زیادی را متوجه این بخش خواهد نمود. توسعه روش ها، محصولات و ابزارهای مختلفی که به کمک دستاوردهای فناوری نانو هر روز بر تنوع و کارایی آنها افزوده می شود، از نکات امیدبخشی است که نشان دهنده آینده پرجاذبه ای برای بازار محصولات فناوری نانو در زمینه های مختلف کشاورزی می باشد. به جرات می توان گفت که تمام جنبه ها و زمینه های علوم کشاورزی از دستاوردهای فناوری نانو به طور جدی متاثر خواهند شد.
نانوتکنولوژي چيست ؟
در حالي که تعاريف زيادي براي فناوري نانو وجود دارد ، NNI تعريفي را براي فناوري نانو ارائه مي دهد که در برگيرنده هر سه تعريف ذيل باشد.
1- توسعه فناوري و تحقيقات در سطوح اتمي ، مولکولي و يا ماکرومولکولي در مقياس اندازه اي 1 تا 100 نانومتر.
2 – خلق و استفاده از ساختارها و ابزار و سيستمهايي که به خاطر اندازه کوچک يا حد ميانه آنها، خواص و عملکرد نويني دارند .
3 – توانايي کنترل يا دستکاري در سطوح اتمي
رابطه ميان فناوري نانو وعلوم 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
کاربردهای نانو در زراعت :
-کشاورزی دقيق (خاص مکانی)
بطور كلی كشاورزی‌دقيق يك نوع نگرش جديد در مديريت مزرعه است. امروزه با استفاده از نانو سنسورها مشخص می شود كه هر قسمت كوچك از مزرعه به چه ميزان عناصر غذائی و سم نياز دارد و بدين وسيله از آلودگی‌محيط زيست جلوگيری‌کرده ،سلامت محصولات و افزايش بازده اقتصادی‌راممكن می سازد.
نانو سنسور ها می توانند با کنترل دقيق وگزارش دهی به موقع نياز های گياهان به مرکز پردازش اطلاعات سيستم را در نگهداری محصولات ياری نمايد
- ايجاد گلخانه‌هاي كم‌هزينه‌تر با هدف صرفه‌جويي در مصرف انرژي و دوام بيشتر در برابر رطوبت
ساختارهاي نانويي مي توانند گلخانه هايي در حجم كم اما انبوه پديد آورند كه تقريباً با اندازه ای برابر 10 درصد كل مزارع زير كشت در حال حاضر ، مي توانند جمعيت كنوني جهان را تغذيه نمايند. در اين صورت ميليونها هكتار از زمين هاي كشاورزي به محيط هاي طبيعي براي سكونت حيوانات در سراسر جهان باز گردانده مي شوند .
کاربردهای نانو در اصلاح نباتات :
- انتقال ژن های مورد نظر به سلول های گياهی با استفاده از نانومواد
در اين روش از سامانه ی رسانش نانوذرات طلای پوشيده با DNA يا RNA بداخل 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
- اصلاح بذور به شيوه اتمی
کاربردهای نانو در توليد سموم و کود های موثر و کم خطر : ذرات سموم کشاورزی به وسیله عواملی از قبیل باد ، وارد هوا شده و با ورود به سیستم تنفسی انسان ، آن را در معرض انواع بیماری های استنشاقی قرار می دهد ، تحولات نانوفناوری ، با افزایش میزان سوددهی و کاهش عوارض سموم کشاورزی ، معضلات ناشی از این سموم را رفع می کند و آنها را به محصولاتی کاملاً مفید تبدیل میکند.
- توليد سموم و كودهاي شيميایي با استفاده از نانوذرات و نانوكپسول ها اين نسل از سموم و کود ها قابليت رهايش كنترل شده يا تاخيري ، جذب و تاثيرگذاري بيشتر و سازگاری با محيط زيست را دارا هستند. - تولید كريستالهاي نانویی جهت افزایش كارايي استفاده از آفت‌كش‌ها استفاده از كريستالهاي نانویی امکان كاربرد آفت‌كش‌ها با دُز هاي كمتر را فراهم می آورد و اين یعنی به حداقل رساندن ورود این ترکيبات خطرناک به طبيعت.
-توليد نانوکودها (Nanofertilizers)
اين ترکيبات نانويی به سرعت و به صورت کامل جذب گياه شده و به خوبی نيازها و کمبود های غذايی آن را مرتفع می سازد.
کاربردهای نانو در گیاه پزشکی :
-کنترل فعاليت های اجزای سلولی گياهان بدون آسيب رسانی به آنها شيوه های کنونی برای بررسی سلول ها بسيار ابتدايی است و دانشمندان برای شناخت آنچه که در سلول اتفاق می افتد ناگريزند سلول ها را از هم بشکافند و در اين حال بسياری از اطلاعات مهم مربوط به سيالهای درون سلول یا ارگانهای موجود در آن از بين می رود. پيشرفت های نانوفناوری بطور خاص مطالعات بنيادی زيست شناسی را تقويت خواهد کرد. محققان اميدوارند در آينده ای نه چندان دور با استفاده از نانوفناوری موفق شوند فعالیت اجزای هر سلول را تحت کنترل خود در آورند.
هم اکنون گام های بلندی در اين زمینه برداشته شده ، به عنوان نمونه دانشمندان میتوانند فعالیت پروتئین ها و مولکول D.N.A را در درون سلول کنترل کنند. به کمک نانوفناوری روش جدیدی برای بررسی بیان ژن و آنالیز mR.N.A سلولهای زنده بدون مرگ یا تخریب آنها با استفاده از میکروسکوب نیروی اتمی AFM ارائه شده است. - حسگرهاي هوشمند و سيستم‌هاي حمل هوشمند به منظور رديابي و مبارزه ی سريع و مفيد با ويروس‌ها و ساير عوامل بيماریزا گياهي به کار می روند.
- تيمار مولكولي بيماريها، رديابي سريع بيماريها، افزايش توانمندي گياهان براي جذب مواد مورد نياز.
کاربردهای نانو در تصفيه ی آب و ادوات آبياری: -نمک زدایی و تصفیه ی اقتصادی تر آبها جهت شرب و کشاورزی سازمان ملل پیش بینی کرده که در سال 2025 ميلادی ، 48 کشور جهان (معادل 32% جمعیت جهان) دچار کمبود آب آشامیدنی و کشاورزی می شوند، تخلیص و نمک زدایی آب به کمک نانوفناوری از زمینه های مورد توجه در دفاع پیشگیرانه و امنیت زیست محیطی است.
سامانه های نانويی طراحی شده می توانند آب دریا را با صرف انرژی 10 برابر کمتر از دستگاه اسمز معکوس، و 100 برابر کمتر از دستگاه تقطیر،نمک زدایی کنند. استفاده از نانو ذرات و نانوفیلترها امکان تصفیه و بهسازی آب را با سرعت و دقت بیشتر فراهم می کند همچنين استفاده از نانو فیلترها در حذف آلودگیهای میکروبی آب (Bioremediation) کاربری گسترده ای دارد.
- بي خطر ساختن مواد آلاينده آب و خاک و قابليت بازيافت آنها
یکی دیگر از روشهای تصفیه آب که از روش پالادیم ارزان‌تر است، تزریق نانوذرات آهن به درون آب‌های آلوده است، پس از تزریق، نانوذرات آهن با اکسیژن موجود در آب تبدیل به زنگ آهن شده و آلاینده ها در تماس با این زنگ آهن خنثی می‌شوند. برای مثال، تتراکلرید کربن که ماده‌ی سمی بسیاری از شوینده‌هاست، در تماس با این زنگ آهن تبدیل به کلروفرم که ماده‌ای بی‌ضررتر است میشود.
توليد نانوذرات براي مصارف صنعتي از طريق پرورش گياهان در خاک‌هاي مشخص، يکي از اين نمونه‌هاست؛ به عنوان مثال، تحقيقات نشان داده‌است که گياه يونجه در خاک غني از طلا، نانوذرات طلا را از طريق ريشه‌هايش جذب کرده و در بافت‌هايش جمع آوري مي‌کند. نانوذرات طلا را مي‌توان به روشي مکانيکي در زمان برداشت از گياه جدا کرد.
- ساخت سوپر جاذبهاي آب از پليمرها و مواد کامپوزيت
اين مواد به منظور ذخيره و حفظ رطوبت بيشتر در خاک طراحی گرديده اند و استفاده از آنها به ويژه در مناطق خشک و کم آب در افزايش ميزان عملکرد بسيار مفيد خواهد بود. - ساخت مواد پوششي جديد و کارا براي پوشش درون لوله هاي فلزي این مواد پوششی به منظور جلوگيري از خوردگي ناشي از سيالات و کاهش زبري جداره لوله ها به کار می روند.
- بکار گيري پليمرها و مواد کامپوزيت براي توليد انواع قطره چکان
قطره چکان هاي ساخته شده با اين مواد قابليت تنظيم دقيق فشار آب را دارند همچنين به واسطه ی نوع مواد اولیه ی مورد استفاده اين قطره چکان ها نسبت به نفوذ ريشه گياه مقاوم هستند.
کاربردهاي فناوري نانو در بيوتکنولوژي کشاورزي
فناوري نانو اجازه مي دهد تا اجزا و ترکيبات دلخواه را داخل سلول دستورزي نمود و مواد و محصولات جديدي با استفاده از روش هاي جديد "اتو اسمبلي" (سرهم کردن خود) و تغيير ژن ساخت. استفاده از اين نوع قابليت هاي موجب توليد گياهان، دام و بطور کلي موجوداتي با ويژگي هاي برتر شده که مزيت هاي مختلفي را در کشاورزي و صنايع غذايي ايجاد مي کنند.
کاربردهاي فناوري نانو در ماشين هاي کشاورزي
صنعت ماشين هاي کشاورزي مي تواند توسط فناوري نانو از يک پتانسيل جديد براي توسعه خود بهره مند شود. بسياري از پيش بيني هاي کنوني نشان مي دهد که تا 10 سال آينده طراحي و توليد خودروها به ميزان 60 درصد تحت تاثير فناوري نانو و زير شاخه هاي آن قرار خواهد گرفت. بعنوان مثال کاربردهاي انرژي نوين ، کاهش وزن خودرو، افزايش کارکرد مواد، افزايش راحتي و افزايش بهره وري در برابر هزينه هاي تمام شده از جمله مزاياي قابل تعريف براي صنعت خودرو و ماشين هاي کشاورزي است.
ساخت و توليد ماشين هاي کشاورزي مي تواند از فناوري نانو در زمينه هاي فراواني همچون شاسي و بدنه، موتور و سيستم هاي انتقال نيرو، رنگ و لايه گذاري ها، روغن کاري و روان سازها، تايرها، سيستم تخليه و مبدل هاي کاتاليستي و تجهيزات الکتريکي و الکترونيکي سود برد.
بديهي است که استفاده از فناوري نانو در کشاورزي تنها به اين موارد ختم نمي شود و انتظار مي رود که با پيشرفت اين علم کاربردهاي آن نيز در عرصه کشاورزي گسترده تر شود.
تا كنون محصولات مختلف نانويي در دنيا توليد شده و برخي از آنها به شكل تجاري در دسترس قرار گرفته است.
از جمله كارهاي صورت گرفته در نانوتكنولوژي سبز مي توان به موارد زير اشاره كرد:
- استفاده تايلند از اين فناوري به منظور توليد نوع جديدي از برنج (بي تفاوت نسبت به طول شب ، پاكوتاه و معطر)
- ابريشم ( ضد آب و با قدرت جذب كمتر گرد و غبار)
- توليد نوعي نانوبرنج توسط شركت نانورايس ايتاليا كه 2 برابر وزن خود آب جذب مي كند .
-توليد نانو كودها و نانو سم ها در مقياس آزمايشگاهي.
- يکي از شرکت‌هاي فعال در تولید مواد شيميايي کشاورزي، Syngenta است که از نانو امولسيون‌ها در محصولات آفت‌‌کش خود استفاده مي‌کند. يکي از محصولات موفق اين شرکت که تنظيم‌کننده رشد گياهان است، Primo MAXX نام دارد که اگر پيش از شروع تنشهايي مانند گرما، خشکسالي و بيماري استفاده شود، مي‌تواند ساختار فيزيکي چمن‌ها را قوي‌تر ساخته، در نتيجه گياه را در مقابل تغييرات محيطي در فصل رشد مقاوم کند.
وضعیت در ایران:
تعیین موقعیت ایران در چرخة عمر نانوفناوری خیلی سخت باشد، این فناوری تقریباً در تمامی کشورهای دنیا دوران طفولیت خود را سپری میکند. البته یک نکته در این زمینه قابل توجه است: با توجه به سیاست‌ها و راهبردهای اتخاذشده در کشور در زمینة رویارویی با فناوری نوین نانو و نیز با توجه به ریشه‌ای بودن فناوری مذکور در بسیاری از جهات، میتوان این‌گونه گفت که فاصلة موجود میان ایران و دیگر کشورهای جهان در زمینة این فناوری بسیار کمتر از فاصلة موجود در زمینة فناوری‌های قدیمی‌تر است و با اتخاذ تصمیمات مقتضی، نه تنها میتوان این فاصله را به صفر رساند، بلکه میتوان در برخی شاخه‌‌ها بر دیگر کشورها پیشی گرفت. با این حال، نکتة اساسی در کشور ما (از گذشته تا کنون) عدم توجه به روند تجاری‌سازی فناوری در کشور است.
موسسات مختلفي در اين زمينه در حال كار مي باشند . كه از اين بين مي توان به پژوهشكده مهندسي جهاد اشاره نمود كه با محوريت قرار دادن توليد نانوپودرها گام بلندي را در اين زمنه برداشته است. مانند توليد پودر دي اكسيد تيتانيم در ابعاد نانو جهت گندزدايي و نگهداري مواد غذايي و استفاده به عنوان فوتوكاتاليست و تصفيه آب و يا توليد نانوپودر طلا در مقياس نانو جهت استفاده هاي بيولوژيك.
از ديگر موسسات پيشگام در اين زمينه مي توان به مؤسسه تحقيقات واكسن و سرم سازي رازي، موسسه گياه‌پزشكي كشور، موسسه تحقيقات خاك و آب، موسسه تحقيقات شيلات ايران، موسسه تحقيقات جنگلها و مراتع و پژوهشكده بيوتكنولوژي اشاره نمود.كاربرد هاي فناوري نانو در علوم كشاورزي و صنايع وابسته به آن گسترشي روز افزون دارد ،كه ادامه ي اين روند در آينده اي نه چندان دور توليد و توزيع مواد غذايي سالم ، ارزان و با كيفيت را براي استفاده ي همه ي ملل دنيا محقق خواهد كرد.استفاده از فناوری نانو در بخش کشاورزی با توجه به افزایش جمعیت و محدودیت منابع آب و خاک و همچنین اهمیت تولید غذا و امنیت غذایی و افزایش تولید بدون افزایش سطح زیرکشت را در کشور ضروری می باشد.
