نانوتکنولوژی و کاربرد آن در کشاورزی

نانوبیوتکنولوژی بیش از آنکه شاخه‌ای از بیوتکنولوژی باشد، شاخه‌ای از نانوتکنولوژی است. برحسب تعریف نانوبیوتکنولوژی "عبارت از شاخه‌ای از نانوتکنولوژی است که در زمینه‌های بیولوژی (ژنتیک مولکولی و سلولی) و بیوتکنولوژی کاربرد یافته است". بدین ترتیب نانوبیوتکنولوژی بعنوان یک رویکرد جدید و همگرا کننده حوزه‌های مختلف علوم پایه، فنی مهندسی، کشاورزی و صنایع غذایی، محیط زیست، علوم پزشکی و بیوتکنولوژی بوده و کاربردهای فراوانی خواهد داشت. 

 

کاربردهای نانوتکنولوژی در کشاورزی:

 1- دارو رسانی- استفاده از داروها (سموم) هوشمند در ابعاد نانو جهت انتقال دارو به اندام گیاهی مورد حمله عامل بیماری یا آفت

2- کود رسانی – کودهای پوشش داده شده با نانو ذرات (نانو کپسول)، به زمین زراعی افزوده می‌شوند. باز شدن کپسولها و آغاز عملکرد کود صرفاً در صورت تماس پوشش کود با مواد خاص مترشحه از ریشه گیاه خواهد بود.

3- نانو حسگرهای زیستی- نانو حسگرها که به ترکیبات خاص شیمیایی مانند بوی منتشره از ماده غذایی در حال فساد حساسند، در این شرایط تغییر رنگ داده و فساد ماده غذایی را نشان می‌دهند. نانوحسگرهای زیستی در صنعت بسته بندی مواد غذایی بکار گرفته می‌شوند.

4- جذب مقادیر زاید آفت کش‌ها و کودهای شیمیایی در محیط زیست (نانو فناوری سبز)

5- استفاده از نانوذرات برای تولید لوازم و ادوات مورد استفاده در آبیاری تحت فشار

6- استفاده از نانوذرات برای افزایش استحکام قطعات سایشی ماشین آلات کشاورزی

7- استفاده از نانوفلزات (نانوطلا) در تکنیک ریز آرایه (Micro Array)

8- اثرات ضدزیستی نانوفلزات (نانو نقره) بر باکتریهای بیماریزا (نانوبیوتکنولوژی)

ذرات نانونقره خوشه‌هایی از اتم‌های نقره هستند که در غلظت‌های پایین دارای اثرات ضد میکروبی (ضد قارچ و باکتری) می‌باشند. این امر سبب شده که از این ذرات درکنترل آلودگیهای قارچی و باکتریایی محیط‌های کشت بافت گیاهی استفاده شود (استفاده از آنتی بیوتیک ها در کشت درون شیشه‌ای می‌تواند سبب آسیب به بافت‌های گیاهی شده و ریسک تولید گونه‌های مقاوم باکتریایی را بالا ببرد، همچنین در برخی موارد رشد گیاهان در شرایط حضور ترکیبات آنتی بیوتیک کاهش می‌یابد).

برای بررسی تأثیر نانو نقره بر رشد میکروارگانیسم ها، ریزنمونه‌های گیاهی آلوده به باکتری را برای مدت مشخصی در محیط‌های کشت با غلظت‌های مختلف نانونقره غوطه ور کرده و سپس آلودگی باکتریایی نمونه‌ها را اندازه می‌گیرند. آزمایشات مختلف در این زمینه نشان دهنده کاهش معنی‌دار شدت آلودگی در تیمارهای متعادل نانونقره است. برخی آزمایشات اثر نانونقره را بر باکتری‌های گرم مثبت و برخی دیگر بر روی باکتری‌های گرم منفی تایید می‌کنند. استفاده از نانونقره‌های با ابعاد کوچک (5-1 نانومتر) ممکن است بر روی قارچ‌ها موثر باشد. در چند گزارش استفاده از ترکیبات دارای نقره (نیترات نقره و تیوسولفات نقره) در محیط کشت باعث افزایش باززایی ریز نمونه‌ها شده است. مکانیسم عمل نانو نقره بسته به بافت هدف تا حدودی متغییر است. مشخص شده که نانونقره با گروه‌های سولفیدریل و DNA برهمکنش دارد. یون نقره روی غشای سیتوپلاسمی و دیواره سلولی اثر دارد. یکی از مکانیزمهای اصلی اثر نانو نقره مربوط به نفوذ این ماده به دیواره سلولی باکتری و تنظیم سیگنال‌های سلولی بوسیله جدا کردن فسفر از پیش ماده پپتید اصلی تیروزین می‌باشد. استفاده از نانونقره در غلظت‌های مناسب اثر منفی روی گیاه نداشته و موجب مقاومت باکتریایی نمی‌شود. نتایج برخی از آزمایشات نشان می‌دهد که گیاهان تیمار شده با نانونقره تا حدودی شاداب‌تر از گیاهان شاهد بوده و رشد بهتری دارند که احتمالاً مربوط به اثر نقره روی توقف عمل اتیلن می‌باشد. نتایج آزمایشات مختلف بیانگر تأثیر مرگبار ذرات نانو نقره بر باکتری‌های بیماریزایی چونPseudomonase florescence،E. coli وS. aureus است.

تصویر زیر مکانیسم عمل نانو نقره را نشان می‌دهد:

بر اساس این مدل: 1- نانونقره می‌تواند یون نقره آزاد کند و به نوبه خود، یون نقره نیز تولیدROS  می‌نماید 2- نانونقره می‌تواند با پروتئین‌های غشا تلاقی نموده و باعث اختلال در فعالیت‌های صحیح آن شود 3- نانونقره می‌تواند در سطح غشا پلاسمایی تجمع یافته و نفوذپذیری غشا را تغییر دهد 4- نانونقره می‌تواند با تخریب غشا وارد سلول شده و تولید یون نقره و ROS نماید که هر دو بر DNA اثر تخریبی دارند.

به محض ورود نانوذره به سیتوپلاسم دو اتفاق مهم ممکن است رخ دهد: الف- ممکن است نانو ذره به شکل نانو باقی بماند که در این صورت با اتصال به پروتئین‌ها و آنزیمهای حیاتی در کار آنها ایجاد اختلال می‌کند، ب- ممکن است نانو ذره به یون تبدیل و یا از آن یون آزاد شود که با توجه به کوچکی ذره نانو و تراکم بسیار زیاد نانو ذره در سلول نوعی انفجار یونی صورت می‌گیرد که برای باکتری به شدت کشنده است. در تایید این پیشنهاد مشخص شده که ذرات نانو با اندازه کمتر از 70 نانومتر براحتی وارد هسته سلول می‌شوند و می‌توانند به آن آسیب برسانند.

- گونه‌های فعال اکسیژن یا ROS فرآورده طبیعی متابولیسم تنفس در موجودات زنده می‌باشند. این فرآورده در میزان معمول خود، توسط سیستم آنتی اکسیدان سلول خنثی می‌شود، ولی تولید بیش از حد آن می‌تواند برای چربی‌های غشا، پروتئین‌ها، آنزیم‌ها و DNA آسیب رسان باشد. یون نقره حاصل از نانو نقره، با اتصال به گلوتاتیون احیا (GSH) از فعالیت آنتی اکسیدانی این ماده جلوگیری می‌کند و در نتیجه میزان تولید ROS را در سلول بالا می‌برد. علاوه بر این فعالیت آنزیم سوپراکسید دیسموتاز را نیز مختل می‌کند. از نظر علمی مجموعه این تغییرات باعث آسیب جدی به سلول باکتری شده و حتی زمینه مرگ باکتری را فراهم می‌کنند.