تكنولوجيا الزراعة

التكنولوجيا الحيوية النانوية من أجل سلامة وأمن الأغذية الزرا

فريق البحث في GreenGrow
Nano Fertilizer Research



بحلول منتصف عام ٢٠٣٠، من المتوقع أن يرتفع عدد سكان العالم إلى ٨٫٦ مليار نسمة، مما يستلزم تلبية احتياجات الأمن الغذائي العالمي بكفاءة. وتعتمد الممارسات الزراعية التقليدية على زيادة استخدام المبيدات والأسمدة لزيادة الإنتاجية الزراعية، دون إدراك الآثار الضارة على صحة الإنسان والبيئة.

تدمج التكنولوجيا الحيوية النانوية التكنولوجيا النانوية مع التكنولوجيا الحيوية وأظهرت إمكانات هائلة في معالجة هذه التحديات من خلال تحسين الغلة الزراعية وجودة الغذاء وسلامته.

على سبيل المثال، تُحسّن أجهزة الاستشعار النانوية الكشف عن الأمراض، وتُحسّن المبيدات والأسمدة النانوية الإنتاجية الزراعية، وتُحسّن مواد التغليف الذكية جودة الغذاء وسلامته. وقد عالجت هذه التقنية بشكل كبير الطلب المتزايد على الغذاء في ظل النمو السكاني العالمي، مع إلحاق ضرر محدود بصحة الإنسان والبيئة.


ما هي تقنية النانو الحيوية؟

تستخدم تقنية النانو الحيوية مواد نانوية (تتراوح بين 1-100 نانومتر) تتمتع بخصائص فريدة، مثل الحجم الصغير، والتفاعلية العالية، ومساحة السطح الكبيرة، والتي تُستخدم لتطوير أدوات جديدة لمختلف مجالات البحث العلمي، مثل علم الأحياء والطب، للتغلب على قيود التقنيات التقليدية .

تعتبر التكنولوجيا الحيوية النانوية مفيدة في السيناريو الزراعي الحالي حيث يؤدي الاستخدام الواسع النطاق لكميات كبيرة من الأسمدة والمبيدات الحشرية الكيميائية إلى تلويث البيئة والإضرار بصحة الإنسان والتأثير على التنوع البيولوجي.

لقد أظهرت المنتجات المعتمدة على تقنية النانو إمكانات هائلة لتعزيز الأمن الغذائي العالمي وجودته.

وتشمل مجالات التطبيق الرئيسية تحسين جودة الأغذية باستخدام مواد التعبئة والتغليف المتقدمة، وتحسين إنتاجية الأغذية باستخدام الأسمدة النانوية والمبيدات النانوية، واكتشاف التلوث وإدارته باستخدام أجهزة الاستشعار النانوية.

دور التكنولوجيا الحيوية النانوية في أنظمة الأغذية الزراعية

مراقبة سلامة الأغذية والكشف عنها

يتم استخدام أجهزة الاستشعار النانوية والخصائص المضادة للميكروبات للجسيمات النانوية للكشف عن الملوثات والكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض.

يُعزز دمج الجسيمات النانوية، مثل كبريتات دوديسيل الصوديوم وجسيمات الفضة النانوية، النشاط المضاد للميكروبات ضد المكورات العنقودية الذهبية والإشريكية القولونية . وقد أُزيلت بنجاح الأغشية الحيوية المقاومة للمطهرات باستخدام طلاء نانوي من ثاني أكسيد التيتانيوم أو الفضة .

استُخدمت المستشعرات النانوية بنجاح للكشف عن السموم. يكشف مستشعر نانوي بصري يستخدم التشتت التنافسي لقضبان الذهب النانوية عن الأفلاتوكسين B1 (AFB1) في المنتجات الغذائية. ويكشف مستشعر مناعي بصري من أنابيب الكربون النانوية عن السموم المعوية العنقودية B في الطعام.

تكتشف أجهزة استشعار النانو الليبوزومية مبيدات الآفات العضوية الفوسفورية (الباراوكسون والديكلوروفوس) بتركيزات منخفضة .

تعمل أجهزة الاستشعار النانوية عند دمجها في مواد التغليف كمؤشرات أو ملصقات ذكية تصدر إشارات أو تغير لونها عندما يتعرض الطعام للأكسجين أو الرطوبة أو درجة الحرارة أو تلوث مسببات الأمراض .

تراقب المستشعرات النانوية في أنظمة التغليف الذكية نضارة الطعام أثناء التخزين والنقل وعلى رفوف السوق. تراقب هذه المستشعرات النانوية الخصائص الفيزيائية (درجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والرطوبة، والضوء)؛ ووجود الغازات (الأكسجين وثاني أكسيد الكربون)، ومسببات الأمراض، والسموم؛ ونضارة الطعام (حمض اللاكتيك، والإيثانول، وحمض الأسيتيك)؛ والتحلل .

تعزيز حماية المحاصيل

لقد أظهرت التكنولوجيا الحيوية النانوية نتائج واعدة في معالجة الآثار الضارة للمبيدات الحشرية والأسمدة الكيميائية من خلال تقليل سمية التربة، والتحكم في إطلاق العناصر الغذائية، وزيادة غلة المحاصيل، وتحسين عملية التمثيل الضوئي.

تحتوي الأسمدة النانوية على مواد مُعزِّزة للنمو ومغذيات مُغلَّفة في مُخلِّبات أو بوليمرات نانوية أو مستحلبات تُعزِّز نمو النبات. يُحسِّن استخدام جسيمات النحاس النانوية نموَّ وإنتاجية صنف القمح Millat-2011 من خلال تحسين مساحة الأوراق، ومحتوى الكلوروفيل، والوزن الجاف للجذور .

أظهرت مبيدات النانو السيليكاية نسبة وفيات تصل إلى 90% من Sitophilus oryzae . 3

تعمل أنظمة توصيل النانو المركبة من الأرابينوجالاكتان والجلسرهيزين التي تحتوي على مبيدات حشرية (تيبوكونازول، وبروكلوراز، وإيمازاليل، وإيميداكلوبريد) على تعزيز ذوبان المبيدات الحشرية مع اختراق أكبر لبذور اللفت والذرة .

تعتمد إنتاجية المحاصيل على إنتاجية البذور. تُستخدم تقنية النانو لتحسين معدل إنبات البذور المُخزّنة. وقد زادت جسيمات الفضة النانوية معدل إنبات اللبان البيضاوي بنسبة 95 %.

تُعد تقنية النانو مهمةً أيضًا في إزالة المكونات السامة من البيئة، مما يُساعد في استصلاح التربة وتحقيق الأمن البيئي. على سبيل المثال، استُخدم الحديد النانوي عديم التكافؤ في استصلاح التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة مثل الزرنيخ والزئبق .

تغليف وحفظ الأغذية

تهدف عملية تغليف الأغذية إلى الحد من التلوث والتلف وحماية الأغذية من الصدمات الخارجية ودرجة الحرارة والعدوى الميكروبية من خلال العمل كحاجز للغازات المسببة للتلف والأكسجين.

تتضمن أنظمة التغليف الذكية مستشعرات نانوية، مثل أنف إلكتروني، تكتشف المركبات المتطايرة المنبعثة من الطماطم الفاسدة. كما كشفت مستشعرات تشتت رامان المُحسّنة السطح، والمكونة من الجرافين ومركب نانوي فضي، عن إضافات ألوان محظورة في الطعام. وتتتبع أنظمة التغليف هذه جودة الطعام المعبأ أثناء التخزين والنقل.

يُدمج التغليف النشط مكونات ذات خصائص مضادة للأكسدة أو مضادة للميكروبات، أو مُطلقة للأكسجين، من الطعام أو داخله. تُستخدم أنابيب الكربون النانوية كغشاء مضاد للميكروبات لتغليف لحوم الدجاج المطبوخة أو المقطعة. وتُضاف مساحيق ماصة للإيثيلين للحفاظ على نضارة الفواكه والخضراوات.

تحسين الأمن الغذائي باستخدام التكنولوجيا الحيوية النانوية

تُعزز النانوزيوليتات والهيدروجيلات والطين النانوي قدرة التربة على الاحتفاظ بالماء. وهذا يُساعد على إطلاق الماء ببطء إلى التربة خلال فترات الجفاف خلال موسم المحاصيل.

تؤثر المواد النانوية على الخصائص الفيزيائية للتربة (المسامية، والملمس، والكثافة الظاهرية، والبنية). على سبيل المثال، تزيد أنابيب الكربون النانوية من تكتل التربة الرملية الطينية بنسبة 35% بفضل خصائصها المرنة .

تُحسّن المواد النانوية جودة التربة وإنتاجية المحاصيل من خلال التأثير على خصائصها. على سبيل المثال، تُطلق الأسمدة النانوية العناصر الغذائية بناءً على احتياجات النبات، مما يمنع تسرب الأسمدة الزائدة إلى مجرى النهر أو تحولها إلى شكل غازي.

تؤثر المواد النانوية المُهندَسة على التنوع الميكروبي في التربة، وإنتاجية المحاصيل، ودورة المغذيات. على سبيل المثال، ازدادت الكائنات الدقيقة المفيدة وتوافر المغذيات عند دمج طين الأتابولجيت مع التحلل الحراري لروث الياك .

تعمل أنابيب الكربون النانوية وجسيمات النانو المعدنية والجرافين على زيادة قدرة المحاصيل على مقاومة الضغوط البيئية، مثل إجهاد الملوحة، من خلال تنظيم توازن الأيونات وتقليل الأضرار الناجمة عن الملح.

على سبيل المثال، أدى تطبيق جزيئات الزنك النانوية على أوراق نباتات بذور اللفت تحت ضغط الملوحة إلى تغيير التعبير عن الجينات المرتبطة بالاستجابات الهرمونية أو الفسيولوجية أو التنموية. 7

الزراعة الدقيقة هي تقنية مُخططة ومُتحكم بها جيدًا، تستخدم تكنولوجيا المعلومات لضمان حصول النباتات على الكمية المُثلى من الموارد اللازمة لاستدامة الإنتاجية أو زيادتها. وفيما يلي فوائد الزراعة الدقيقة:

  1. يتيح الجمع بين بيانات المستشعر والخرائط الجغرافية زراعة البذور على العمق المناسب مع وجود مسافة كافية بين البذور، مما يؤدي إلى حصاد جيد.
  2. تدرس أجهزة الاستشعار المناطق الموبوءة بالآفات أو التي تعاني من نقص المعادن وتسمح للمزارعين بمعالجة تلك المناطق بالأسمدة أو المبيدات الحشرية، مما يمنع الجرعة الزائدة ويحافظ على جودة التربة.
  3. تتيح البيانات في الوقت الفعلي حول أنماط الطقس للمزارعين تغيير الظروف البيئية وتقليل المخاطر، والحفاظ على إنتاجية المحاصيل الكافية.
  4. يؤدي عدم انتظام هطول الأمطار وارتفاع درجات الحرارة إلى إجهاد مائي، مما يؤثر على الإنتاجية الزراعية. تُستخدم استراتيجيات زراعية ذكية مناخيًا، بما في ذلك حفر نصف القمر، والتغطية بالغطاء العضوي، وأحواض الزراعة الدائمة، للتكيف مع تغير المناخ في أنظمة إنتاج الذرة البعلية، وذلك لتعزيز تخزين رطوبة التربة .

في الدول النامية، يحدث أكثر من 40% من هدر الغذاء في مرحلتي ما بعد الحصاد والمعالجة. يُحمي غمس المنتجات في طبقات نانوية صالحة للأكل من الجفاف، ويحافظ على قوامها، ويُقلل من عملية التنفس، ويُقلل من نمو الميكروبات.

مزايا التكنولوجيا الحيوية النانوية في مجال سلامة الأغذية الزراعية

تتميز المستشعرات النانوية بحساسية وخصوصية عاليتين، إذ يُمكنها الكشف عن الملوثات ومسببات الأمراض بتركيزات منخفضة جدًا. وتتميز طرق الكشف القائمة على تقنية النانو بالسرعة. على سبيل المثال، تم الكشف عن 88% من بكتيريا الإشريكية القولونية في عينة خلال 45 دقيقة باستخدام جسيمات نانوية من أكسيد الحديد المغناطيسي مع جزيئات السكر.

يتم تركيب أجهزة استشعار نانوية في مرحلة التعبئة والتغليف ليتمكن المستهلكون من تحديد جودة الطعام عن طريق تغيير اللون.

تسمح الأسمدة النانوية بإطلاق العناصر الغذائية ببطء طوال فترة نمو المحصول بالكامل، مما يسمح بامتصاص العناصر الغذائية بشكل كافٍ بواسطة النباتات وتقليل الهدر عن طريق الاستخلاص.

تعتبر أجهزة الاستشعار النانوية فعالة من حيث التكلفة مقارنة بطرق اختبار الأغذية التقليدية بسبب حجمها الصغير ومتطلباتها المنخفضة من الكواشف.

تتيح الزراعة الدقيقة للمزارعين إدارة حقولهم بكفاءة لزيادة إنتاجية المحاصيل والحفاظ على الموارد والتخفيف من المخاطر المرتبطة بتغير المناخ.

التحديات والمخاوف

المواد النانوية صغيرة الحجم، شديدة التفاعل، ويمكن أن تتراكم في الماء أو التربة أو الكائنات الحية. وهذا يثير مخاوف بشأن سميتها، وتراكمها البيولوجي، وتأثيرها البيئي.

تُمتص الجسيمات النانوية بسهولة عبر الجلد وتدخل مجرى الدم، مسببةً تلف الحمض النووي وإنتاج الجذور الحرة. تُثبط أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار تكاثر خلايا الكلى وتُسبب التهاب الرئة .

قد يؤدي تصنيع المواد النانوية إلى إنتاج ملوثات غير قابلة للتحلل البيولوجي في البيئة. 12

تترسب الجسيمات النانوية على الأوراق والأزهار، مُكوّنةً طبقة سامة قد تمنع نفاذ حبوب اللقاح. كما قد تؤثر الجسيمات النانوية على انتقال الماء والمعادن .

هناك نقص في الفهم لكيفية تفاعل المواد النانوية في البيئات الزراعية المتنوعة مما يجعل التوحيد والتوسع أمرًا صعبًا.

إن التكلفة الأولية لتطوير وتثبيت تكنولوجيا النانو مرتفعة، مما يحد من وصولها إلى المزارعين في الدول النامية.

لا يزال الإطار التنظيمي لاستخدام المواد النانوية والتخلص منها وآثارها البيئية في مراحله الأولى. ولا تزال العديد من الدول النامية تفتقر إلى اللوائح التي تحكم استخدام تكنولوجيا النانو.

ويجب تطوير الدراسات المختبرية والحيوية لتقييم تفاعلات الجسيمات النانوية مع الكائنات الحية وتقنيات قوية لتقييم السمية والمخاطر من أجل تطبيق هذه التكنولوجيا على نطاق أوسع .

يجب توعية الجمهور بفوائد ومخاطر تقنية النانو في الزراعة. ويُعدّ إشراك الجمهور والتواصل الشفاف أمرًا بالغ الأهمية لنجاح تطبيقها .

النظرة المستقبلية

المواد النانوية الخضراء المصنّعة

تُصنّع المواد النانوية باستخدام النباتات والبكتيريا والطحالب والفطريات للحد من تراكم المواد الكيميائية في البيئة. وقد عززت الأسمدة النانوية القائمة على جسيمات أكسيد المنغنيز النانوية ، والمُحضرة باستخدام مستخلص أوراق البطاطس، عملية التمثيل الضوئي، ونشاط مضادات الأكسدة، ونمو نبات فيجنا أونجويكولاتا . 13

مناهج الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي

تم استخدام خوارزميات التعلم الخاضع للإشراف، مثل KNN، للتنبؤ باحتباس الماء وفهم عوامل سمية المواد النانوية.

يتم استخدام خوارزميات التعلم غير الخاضعة للإشراف (خوارزمية مسبقة، K-means) للتنبؤ بتحويل المواد النانوية في ظروف التربة والمناخ المختلفة.

إن التعلم التعزيزي (عملية اتخاذ القرار ماركوف) له تطبيقات محتملة في الزراعة المائية لتحديد الاستجابة في الوقت الحقيقي للتغيرات في تركيب العناصر الغذائية والميكروبات. 14

الإنتاج القابل للتطوير

العقبة الرئيسية أمام التكنولوجيا الحيوية النانوية هي توسيع نطاق هذه الأساليب المبتكرة لتلبية الاحتياجات الزراعية العالمية. فاختلاف أنواع التربة والمحاصيل والظروف المناخية يؤثر على استجابة المواد النانوية.

ويجب تطوير أساليب إنتاج فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتطوير لتوليد المواد النانوية بكميات كافية دون المساس بجودتها وخصائصها الوظيفية.

يواكب تطوير مناهج النانو الحيوية الجديدة التطورات في الإرشادات التنظيمية وبروتوكولات السلامة. ويُعد التعاون بين الباحثين والهيئات التنظيمية وأصحاب المصلحة في الصناعة والمزارعين أمرًا بالغ الأهمية لنجاح دمج تكنولوجيا النانو في الزراعة.

خاتمة

في حين يواجه العالم تغير المناخ، ونمو السكان، والتدهور البيئي، أثبتت التكنولوجيا الحيوية النانوية أنها حل واعد لإحداث ثورة في الممارسات الزراعية، مثل نمو المحاصيل وحمايتها وإنتاجها.

تعمل المواد النانوية على تحسين إنتاج المحاصيل وتعزيز الزراعة المستدامة من خلال تعزيز امتصاص العناصر الغذائية ومقاومة الأمراض وحماية الآفات مع تقليل الأضرار البيئية.

تعالج المواد الهلامية المائية بنجاح التحديات المرتبطة بنقص المياه وإنبات البذور، وتوفر أجهزة الاستشعار النانوية مراقبة في الوقت الحقيقي لصحة التربة والمحاصيل.

وتشكل المواد النانوية أيضًا بعض المخاطر البيئية، والتي ينبغي معالجتها من خلال تطوير بروتوكولات تنظيمية صارمة وتقييمات السلامة، للمساعدة في تنفيذها بشكل مسؤول.

إن الابتكارات التكنولوجية النانوية التي يتم تنفيذها بشكل مسؤول باستخدام بروتوكولات موحدة وتقييمات السلامة سوف تعمل على تعزيز الإنتاجية الزراعية، وتشجيع ممارسات الزراعة المستدامة، والمساهمة في الأمن الغذائي.

الابتكارات الرئيسية

نجح فريق البحث في GreenGrow في تطوير تقنية تغليف نانوية جديدة...

بنية الكبسولة النانوية

Technology Diagram

يضمن التغليف متعدد الطبقات إطلاق العناصر الغذائية بشكل متحكم

الفوائد المستدامة

تعمل التركيبة الجديدة على تقليل الجريان الكيميائي بنسبة 65% مع الحفاظ على...

نتائج الاختبار الميداني

أظهرت التجارب التي استمرت لمدة ثلاث سنوات في 12 دولة تحسنًا ثابتًا...

مقالات ذات صلة

1 سبتمبر 2023

حلول جديدة للتغليف قابلة للتحلل الحيوي للمنتجات الزراعية

تطوير مواد التعبئة والتغليف الصديقة للبيئة من مخلفات المحاصيل...

20 أغسطس 2023

نظام الري الذكي يوفر 30% من استهلاك المياه

حل قائم على إنترنت الأشياء يحسن توزيع المياه في الزراعة الدقيقة...

تنزيل المواد

Fundo transparente 1900x1900

تنزيل المواد

nAgro

Nome *
Email *
Empresa *
Área de atuação *
A nossa empresa está comprometida a proteger e respeitar sua privacidade, utilizaremos seus dados apenas para fins de marketing. Você pode alterar suas preferências a qualquer momento.

Download de material

Fundo transparente 1900x1900

Download de material

nAgro

Nome *
Email *
Empresa *
Área de atuação *
A nossa empresa está comprometida a proteger e respeitar sua privacidade, utilizaremos seus dados apenas para fins de marketing. Você pode alterar suas preferências a qualquer momento.