Нанотехнологии в сельском хозяйстве

Исследования показали, что наночастицы являются новаторским инструментом для решения многих возникающих глобальных проблем, и сельскохозяйственная отрасль не является исключением. В общем, наночастица определяется как любая частица, один характерный размер которой составляет 100 нм или меньше. Из-за своего уникального размера эти частицы начинают проявлять свойства, которых нет у их более крупных аналогов. Из-за своего масштаба квантово-механические взаимодействия становятся более важными, чем классические механические силы, что позволяет преобладать уникальные физические и химические свойства из-за чрезвычайно высокого отношения поверхности к телу. Такие свойства, как емкость катионного обмена , усиленная диффузия, ионов адсорбция и комплексообразование , улучшаются при работе на наноуровне.

В первую очередь это является следствием присутствия высокой доли атомов на поверхности, а также увеличения доли центров, обладающих более высокой реакционной способностью по отношению к таким процессам, как процессы адсорбции и электрохимические взаимодействия. Наночастицы являются многообещающими кандидатами для внедрения в сельском хозяйстве. Поскольку многие органические функции, такие как ионный обмен растений, и экспрессия генов выполняются в небольших масштабах, наноматериалы предлагают набор инструментов, который работает в нужном масштабе для обеспечения эффективной и адресной доставки в живые клетки. Текущие направления развития нанотехнологий в сельскохозяйственной отрасли включают разработку экологически безопасных наноудобрений для обеспечения эффективной доставки ионов и питательных веществ в клетки растений, а также трансформацию генов растений для получения растений с желаемыми генами, такими как устойчивость к засухе и ускорение циклов роста. Учитывая рост численности населения мира, необходимо добиться прогресса в методах устойчивого ведения сельского хозяйства, обеспечивающих более высокие урожаи, чтобы удовлетворить растущий спрос на продовольствие. Однако это необходимо делать без возникновения долгосрочных последствий, таких как истощение пахотных земель или источников воды, токсичные стоки или биоаккумулятивная токсичность. Чтобы удовлетворить эти потребности, проводятся исследования по внедрению нанотехнологий в сельское хозяйство.

Наноудобрения

Одним из направлений активных исследований в этой области является использование наноудобрений. Благодаря вышеупомянутым особым свойствам наночастиц наноудобрения можно настроить для специализированной доставки к растениям. Обычные удобрения могут быть опасны для окружающей среды из-за огромного количества стоков, образующихся в результате их использования. Оказывая пагубное воздействие на все, от качества воды до твердых частиц в воздухе, возможность свести на нет стоки от сельского хозяйства чрезвычайно важна для улучшения качества жизни миллионов людей во всем мире. Например, стоки с сахарных плантаций во Флориде спровоцировали печально известное цветение водорослей , называемое «красным приливом», в притоках воды по всему штату, что привело к проблемам с дыханием у людей и на долгие годы уничтожило жизненно важные экосистемы.

Исследования показали, что в большинстве случаев более 50% количества внесенных в почву удобрений теряется в окружающую среду, в некоторых случаях до 90%. Как упоминалось ранее, это имеет крайне негативные последствия для окружающей среды, а также демонстрирует высокий уровень отходов, связанных с традиционными удобрениями. С другой стороны, наноудобрения способны решить эту проблему благодаря их высокой эффективности поглощения целевым растением, что обусловлено их чрезвычайно высоким соотношением площади поверхности к объему. В исследовании, проведенном по использованию фосфорных наноудобрений, была достигнута эффективность поглощения до 90,6%, что сделало их весьма желательным материалом для удобрений. Еще одним полезным аспектом использования наноудобрений является способность обеспечивать медленное поступление питательных веществ в растение в течение 40-50 дней, а не 4-10 дней, как при использовании обычных удобрений. Это снова оказывается экономически выгодным, поскольку требует меньше ресурсов для транспортировки удобрений и меньшего общего количества необходимых удобрений.

Как и ожидалось, благодаря большей способности усваивать питательные вещества, сельскохозяйственные культуры оказались более здоровыми при использовании наноудобрений по сравнению с обычными. В одном исследовании анализировалось влияние наноудобрений, специфичных для картофеля, состоящих из различных элементов, включая K , P , N и Mg , по сравнению с контрольной группой, использующей их обычные аналоги. Исследование показало, что урожай картофеля, в котором использовались наноудобрения, имел повышенную урожайность по сравнению с контролем, а также более эффективное использование воды и агрономическую эффективность, определяемую как увеличение количества единиц урожайности на единицу внесенного питательного вещества. Кроме того, исследование показало, что наноудобренный картофель имеет более высокое содержание питательных веществ, таких как повышенное содержание крахмала и аскорбиновой кислоты . Другое исследование проанализировало использование наноудобрений на основе железа у черноглазого гороха и установило, что стабильность корней резко увеличивается при использовании наноудобрений, а также содержание хлорофилла в листьях, что улучшает фотосинтез. Другое исследование показало, что наноудобрения цинка повышают скорость фотосинтеза в посевах кукурузы, измеряемую по концентрации растворимых углеводов, вероятно, в результате роли цинка в процессе фотосинтеза .

В будущем предстоит проделать большую работу, чтобы сделать наноудобрения последовательной и жизнеспособной альтернативой обычным удобрениям. Необходимо разработать эффективное законодательство, регулирующее использование наноудобрений, разработку стандартов для стабильного качества и целевого высвобождения питательных веществ. Кроме того, необходимо провести дополнительные исследования, чтобы понять все преимущества и потенциальные недостатки наноудобрений, чтобы получить полную картину подхода к использованию нанотехнологий на благо сельского хозяйства в постоянно меняющемся мире.

Нанотехнологии в трансформации растений

Нанотехнологии сыграли ключевую роль в области генной инженерии и трансформации растений, что сделало их желательным кандидатом для оптимизации и манипулирования культурными растениями. В прошлом большинство генетических модификаций растений осуществлялось с помощью Agrobacterium или с использованием таких инструментов, как генная пушка (биолистика); однако эти старые методы реализации генов сталкиваются с препятствиями из-за низкой совместимости видов, отсутствия универсальности / совместимости с трансформациями хлоропластных / митохондриальных генов, а также потенциального повреждения клеток или органелл (из-за воздействия биолистики). Хотя биолистика и Agrobacterium полезны для конкретных видов растений, изучаются более совершенные подходы за счет использования наноматериалов, позволяющие использовать менее инвазивный и принудительный подход к доставке. В этих методах используются углеродные нанотрубки (УНТ) и различные методы доставки с использованием пористых наночастиц (НП), которые могут обеспечить более высокую производительность трансформации растений, а также обойти юридические ограничения на ГМО. Исследование неинкорпоративных генетических модификаций, не содержащих ДНК, стало очень важной областью исследований, поскольку традиционные методы трансформации растений (агробактерии и биолистика) рискуют включить ДНК в геном растений, что делает их трансгенными и квалифицирует их как ГМО. .

Новая стратегия использует легко адаптируемые наноносители на основе диффузии для доставки генетического материала, что позволяет осуществлять нетрансгенную и неразрушающую трансформацию растений. Специфичность метода во многом зависит от свойств используемого материала, при этом ключевыми факторами являются размер, полярность и химия поверхности. Некоторые подходы к доставке на основе диффузии используют наноструктурированную ДНК. углеродные нанотрубки , и другие наночастицы как везикулы для доставки генетической информации. . Эти методы обычно основаны на функционализации поверхности или манипулировании пористостью наноносителя с целью оптимизации загрузки и доставки генетической информации. Было показано, что наноструктуры ДНК являются хорошо программируемым способом доставки малых интерферирующих РНК (миРНК), исследуя оптимальные параметры конструкции, необходимые для интернализации растительных клеток. Недавнее исследование с использованием загруженных ДНК УНТ позволило успешно выразить желаемые признаки в различных зрелых модельных растительных системах и даже в изолированных протопластах Eruca sativa , одновременно сумев защитить и сохранить точность переданного генетического материала. Наконец, было показано, что пористые наночастицы являются эффективным средством доставки ДНК для трансформации растений, причем эффективность зависит от размера пор и длины нити. В целом, эти методологии трансформации генов, основанные на диффузии , предлагают более дешевый способ трансформации генов растений с меньшим воздействием на растительные ткани, более низкой эффективностью трансформации и практически без риска включения ДНК.

Биолистика является основным подходом к трансформации растений. Биолистический процесс включает в себя запуск микроснарядов (обычно микрочастиц золота ), несущих генетическую информацию через клеточные стенки и мембраны клеток для осуществления генетической трансформации. Как упоминалось ранее, биолистика может привести к повреждению целевых клеток или органелл, поэтому для минимизации потенциального повреждения клеток были разработаны нанобиолистические методы. Благодаря значительно уменьшенному размеру частиц, попадающих в клетку, воздействие можно свести к минимуму, обеспечивая при этом эффективность генетической трансформации, аналогичную традиционной биолистике. Однако большинство исследований, использующих наномасштабные биолистические подходы, проводятся с клетками животных, поэтому их реализация в трансформации растений все еще является довольно новой и может столкнуться с препятствиями, невидимыми в исследованиях на животных клетках.

В целом, нанотехнологии обеспечивают новый и конкурентоспособный подход к генетической трансформации растений. В дальнейшем будущие исследования применения этих подходов будут охватывать большее разнообразие культур, направлены на использование более дешевых и масштабируемых методов и изучение потенциальных последствий для окружающей среды. В конечном итоге, как только эти критерии проектирования определят, станут ли преобразования растений с помощью наноматериалов широко распространенной практикой в ​​​​сельском хозяйстве будущего.

Общественное мнение

В последние годы, поскольку применение нанотехнологий показало многообещающие результаты во многих областях исследований, все большее число правительственных, научных и независимых институциональных организаций увидели потенциал нанотехнологий во внесении значительного вклада в облегчение бремени глобального снабжения продовольствием . Текущие общественные взгляды на развитие нанотехнологий в сельскохозяйственной отрасли неоднозначны. Учитывая потенциальные опасности в сочетании с потенциальными выгодами, нынешнее общественное мнение кажется относительно нейтральным, поскольку критики считают эту технологию менее рискованной и более полезной, чем ряд других технологий, таких как пестициды и химические дезинфицирующие средства; однако это считается более рискованным и менее полезным, чем солнечные технологии и вакцинация.

Среди широкой общественности до сих пор существуют негативные коннотации, связанные с удобрениями и генетической модификацией живых организмов. Опасения по поводу того, что, несмотря на преимущества более высоких урожаев и более коротких циклов выращивания , удобрения связаны с токсичными стоками, которые загрязняют источники воды и могут привести к образованию кислотных дождей. Кроме того, существует необоснованное опасение, что потребление генетически модифицированных продуктов питания является «неестественным» и опасным, что привело к многочисленным законодательным усилиям, ограничивающим эту область нетрансгенными трансформациями. Хотя большинство общественных страхов и опасений необоснованны, это скорее результат плохой коммуникации и недостаточной осведомленности общественности о проблеме внедрения новых технологий в такую ​​традиционную отрасль, как сельское хозяйство. В конечном счете, многие считают, что производство чистой и здоровой пищи имеет большое значение просто из-за высокой частоты потребления и тесного отношения людей к пище, которую они потребляют.