ნანობიოტექნოლოგია აგრო-სასურსათო უსაფრთხოებისა და უსაფრთხოებ

^{2030 წლის შუა პერიოდისთვის, მოსალოდნელია, რომ მსოფლიო მოსახლეობა 8.6 მილიარდამდე გაიზრდება, რაც გლობალური სასურსათო უვნებლობის მოთხოვნების ეფექტურად დაკმაყოფილების აუცილებლობას შექმნის. ტრადიციული სასოფლო-სამეურნეო პრაქტიკა გულისხმობს პესტიციდებისა და სასუქების გამოყენების ზრდას სოფლის მეურნეობის პროდუქტიულობის გაზრდის მიზნით, ადამიანის ჯანმრთელობასა და გარემოზე უარყოფითი ზემოქმედების გაცნობიერების გარეშე.}

^{ნანობიოტექნოლოგია აერთიანებს ნანოტექნოლოგიას ბიოტექნოლოგიასთან და უდიდესი პერსპექტივა აქვს ამ გამოწვევების გადაჭრის კუთხით, სოფლის მეურნეობის მოსავლიანობის, საკვების ხარისხისა და უვნებლობის გაუმჯობესების გზით.}

^{მაგალითად, ნანოსენსორები ხელს უწყობენ დაავადებების გამოვლენის გაუმჯობესებას, ნანოპესტიციდები და ნანოსასუქები აუმჯობესებენ სოფლის მეურნეობის პროდუქტიულობას, ხოლო ჭკვიანი შესაფუთი მასალები აუმჯობესებს საკვების ხარისხსა და უსაფრთხოებას. ამ ტექნოლოგიამ მნიშვნელოვნად გადაჭრა მზარდი გლობალური მოსახლეობისთვის საკვებზე გაზრდილი მოთხოვნა ადამიანის ჯანმრთელობისა და გარემოსთვის შეზღუდული ზიანის მიყენებით.}

რა არის ნანობიოტექნოლოგია?

ნანობიოტექნოლოგია იყენებს ნანომასალებს (1-100 ნმ დიაპაზონში), რომლებსაც აქვთ უნიკალური თვისებები, როგორიცაა მცირე ზომა, მაღალი რეაქტიულობა და დიდი ზედაპირის ფართობი, რომლებიც გამოიყენება სხვადასხვა სამეცნიერო კვლევის სფეროებისთვის, როგორიცაა ბიოლოგია და მედიცინა, ახალი ხელსაწყოების შესამუშავებლად, ტრადიციული ტექნიკის შეზღუდვების დასაძლევად ^.2

ნანობიოტექნოლოგიას უპირატესობა აქვს თანამედროვე სოფლის მეურნეობის სცენარში, სადაც დიდი რაოდენობით სასუქებისა და ქიმიური პესტიციდების ფართოდ გამოყენება აბინძურებს გარემოს, ზიანს აყენებს ადამიანის ჯანმრთელობას და გავლენას ახდენს ბიომრავალფეროვნებაზე.

ნანოტექნოლოგიებზე დაფუძნებულმა პროდუქტებმა უზარმაზარი პოტენციალი გამოავლინეს გლობალური სურსათის უსაფრთხოებისა და ხარისხის გაზრდის თვალსაზრისით.

გამოყენების ძირითადი სფეროებია საკვების ხარისხის გაუმჯობესება თანამედროვე შესაფუთი მასალების გამოყენებით, საკვების პროდუქტიულობის გაუმჯობესება ნანოსასუქებისა და ნანოპესტიციდების გამოყენებით და დაბინძურების აღმოჩენა და მართვა ნანოსენსორების გამოყენებით.

ნანობიოტექნოლოგიის როლი აგრო-საკვების სისტემებში

სურსათის უვნებლობის მონიტორინგი და გამოვლენა

ნანოსენსორები და ნანონაწილაკების ანტიმიკრობული თვისებები გამოიყენება დამაბინძურებლებისა და პათოგენური მიკროორგანიზმების გამოსავლენად.

ნანონაწილაკების, როგორიცაა ნატრიუმის დოდეცილ სულფატი და ვერცხლის ნანონაწილაკები, შერწყმა აძლიერებს ანტიმიკრობულ აქტივობას S. aureus-ისა და E. coli-ს წინააღმდეგ . სადეზინფექციო საშუალებების მიმართ მდგრადი ბიოფილმები წარმატებით მოიხსნა TiO2-ის _ან ვერცხლის ნანოდაფარვის გამოყენებით ^.2

ნანოსენსორები წარმატებით გამოიყენება ტოქსინების აღმოსაჩენად. ოქროს ნანოღეროების კონკურენტული დისპერსიის გამოყენებით ოპტიკური ნანოსენსორი საკვებ პროდუქტებში აფლატოქსინ B1-ს (AFB1) აღმოაჩენს. ოპტიკური ნახშირბადის ნანომილაკების იმუნოსენსორი საკვებში სტაფილოკოკური ენტეროტოქსინ B-ს აღმოაჩენს. ³

ლიპოსომური ნანოსენსორები ორგანოფოსფორის პესტიციდებს (პარაქსონი და დიქლორვოსი) დაბალი კონცენტრაციით აფიქსირებენ. ⁴

ნანოსენსორები, შეფუთვის მასალებში ჩასმისას, მოქმედებენ როგორც ინდიკატორები ან ჭკვიანი ეტიკეტები, რომლებიც გამოსცემენ სიგნალებს ან იცვლიან ფერს, როდესაც საკვები ექვემდებარება ჟანგბადის, ტენიანობის, ტემპერატურის ან პათოგენური დაბინძურების ზემოქმედებას ^.3

ინტელექტუალური შეფუთვის სისტემებში ნანოსენსორები აკონტროლებენ საკვების სიახლეს შენახვის, ტრანსპორტირებისა და ბაზრის თაროებზე განთავსების დროს. ეს ნანოსენსორები აკონტროლებენ ფიზიკურ თვისებებს (ტემპერატურა, pH, ტენიანობა და სინათლე); აირების (ჟანგბადი და ნახშირორჟანგი), პათოგენების და ტოქსინების არსებობას; სიახლეს (რძემჟავა, ეთანოლი და ძმარმჟავა) და დაშლას. ⁵

გაძლიერებული მოსავლის დაცვა

ნანობიოტექნოლოგიამ იმედისმომცემი შედეგი აჩვენა ქიმიური პესტიციდებისა და სასუქების უარყოფითი ეფექტების წინააღმდეგ ბრძოლაში ნიადაგის ტოქსიკურობის შემცირებით, საკვები ნივთიერებების გამოყოფის კონტროლით, მოსავლიანობის გაზრდით და ფოტოსინთეზის გაუმჯობესებით.

ნანოსასუქები შეიცავს ზრდის ხელატებში, ნანოპოლიმერებში ან ემულსიებში ჩალატირებულ ზრდის ხელატურ ნივთიერებებსა და საკვებ ნივთიერებებს, რომლებიც აძლიერებენ მცენარის ზრდას. სპილენძის ნანონაწილაკების გამოყენება აძლიერებს ხორბლის ჯიშის Millat-2011 ზრდას და მოსავლიანობას ფოთლის ფართობის, ქლოროფილის შემცველობისა და ფესვის მშრალი წონის გაუმჯობესების გზით. ³

სილიციუმის ნანოპესტიციდებმა Sitophilus oryzae- ს ^{90 %-იანი სიკვდილიანობა აჩვენა .3}

^{არაბინოგალაქტანისა და გლიცირიზინის კომპოზიტური ნანო-მიწოდების სისტემები, რომლებიც შეიცავს პესტიციდებს (ტებუკონაზოლი, პროქლორაზი, იმაზალილი და იმიდაკლოპრიდი), აძლიერებენ პესტიციდების ხსნადობას რაფსისა და სიმინდის თესლში უფრო მეტად შეღწევით.}

მოსავლის პროდუქტიულობა დამოკიდებულია თესლის მოსავლიანობაზე. ნანოტექნოლოგია გამოიყენება შენახული თესლის აღმოცენების მაჩვენებლის გასაუმჯობესებლად. ვერცხლის ნანონაწილაკებმა Boswellia ovalifoliolata-ს აღმოცენების მაჩვენებელი ^{95 %-ით გაზარდა.}

ნანოტექნოლოგია ასევე მნიშვნელოვანია გარემოდან ტოქსიკური კომპონენტების აღმოსაფხვრელად, რაც ხელს უწყობს ნიადაგის რემედიაციას და გარემოსდაცვით უსაფრთხოებას. მაგალითად, ნანო-ნულვალენტიანი რკინა გამოიყენება მძიმე მეტალებით, როგორიცაა დარიშხანი და ვერცხლისწყალი, დაბინძურებული ნიადაგების რემედიაციისთვის ^.1

საკვების შეფუთვა და შენახვა

საკვების შეფუთვის მიზანია დაბინძურებისა და გაფუჭების ჩახშობა და საკვების დაცვა გარე შოკის, ტემპერატურისა და მიკრობული ინფექციისგან, გაფუჭების გამომწვევი აირების ბარიერის როლის შესრულებით და ჟანგბადის შთანთქმით.

ჭკვიანი შეფუთვა მოიცავს ნანოსენსორებს, როგორიცაა ელექტრონული ცხვირი, რომელიც აფიქსირებს გაფუჭებული პომიდვრიდან გამოყოფილ აქროლად ნაერთებს. ზედაპირულად გაძლიერებული რამანის გაფანტვის სენსორები, რომლებიც გრაფენისა და ვერცხლის ნანოკომპოზიტისგან შედგება, აფიქსირებენ საკვებში აკრძალულ საღებავ დანამატებს. ეს შესაფუთი სისტემები აკონტროლებენ შეფუთული საკვების ხარისხს შენახვისა და ტრანსპორტირების დროს.

აქტიური შეფუთვა აერთიანებს კომპონენტებს, რომლებსაც აქვთ ანტიოქსიდანტური ან ანტიმიკრობული გამოთავისუფლების ან ჟანგბადის შთამნთქმელი თვისებები საკვებში ან საკვებში. ნახშირბადის ნანომილაკები გამოიყენება ანტიმიკრობული აპკის სახით მოხარშული ან დაჭრილი ქათმის ხორცის შესაფუთად. ხილისა და ბოსტნეულის სიახლის შესანარჩუნებლად ემატება ეთილენის შთამნთქმელი ფხვნილები.

სურსათის უვნებლობის გაუმჯობესება ნანობიოტექნოლოგიით

ნანოზეოლიტები, ჰიდროგელები და ნანოთიხები აძლიერებენ ნიადაგის წყლის შეკავების უნარს. ეს ხელს უწყობს წყლის ნელა გამოყოფას ნიადაგში გვალვის სტრესის დროს, მოსავლის სეზონზე.

ნანომასალები გავლენას ახდენენ ნიადაგის ფიზიკურ თვისებებზე (ფორიანობა, ტექსტურა, მოცულობითი სიმკვრივე და სტრუქტურა). მაგალითად, ნახშირბადის ნანომილაკები 35%-ით ზრდის ქვიშიანი თიხნარი ნიადაგის აგრეგაციას მათი ელასტიური თვისებების გამო ^.6

ნანომასალები ნიადაგის თვისებებზე ზემოქმედებით აუმჯობესებენ ნიადაგის ხარისხს და მოსავლიანობას. მაგალითად, ნანოსასუქები მცენარის საჭიროებების მიხედვით გამოყოფენ საკვებ ნივთიერებებს, რაც ხელს უშლის ჭარბი სასუქების გამორეცხვას დინების მიმართულებით ან აირად ფორმაში გადაქცევას.

ინჟინერიულად შემუშავებული ნანომასალები გავლენას ახდენს ნიადაგის მიკრობულ მრავალფეროვნებაზე, მოსავლიანობასა და საკვები ნივთიერებების ციკლზე. მაგალითად, სასარგებლო მიკროორგანიზმები და საკვები ნივთიერებების ხელმისაწვდომობა გაიზარდა, როდესაც ატაპულგიტის თიხა შერწყმული იყო იაკის ნაკელის პიროლიზთან. ⁶

ნახშირბადის ნანომილაკები, ლითონისა და გრაფენის ნანონაწილაკები ზრდის მოსავლის მდგრადობას გარემო ფაქტორების, როგორიცაა მარილიანობის სტრესი, მიმართ, იონური ბალანსის რეგულირებით და მარილით გამოწვეული დაზიანების შემცირებით.

მაგალითად, მარილიანობის სტრესის ქვეშ რაფსის მცენარეებზე თუთიის ნანონაწილაკების ფოთლოვანმა გამოყენებამ შეცვალა ჰორმონალური, ფიზიოლოგიური ან განვითარების რეაქციებთან დაკავშირებული გენების ექსპრესია ^.7

ზუსტი სოფლის მეურნეობა კარგად დაგეგმილი და კონტროლირებადი ტექნიკაა, რომელიც იყენებს ინფორმაციულ ტექნოლოგიებს იმის უზრუნველსაყოფად, რომ მცენარეებმა მიიღონ რესურსების ზუსტი რაოდენობა პროდუქტიულობის შესანარჩუნებლად ან გასაზრდელად. ზუსტი სოფლის მეურნეობის უპირატესობები ქვემოთ არის მითითებული:

1. სენსორული მონაცემებისა და გეო-რუკების კომბინაცია საშუალებას იძლევა თესლი დაითესოს სწორ სიღრმეზე, თესლებს შორის საკმარისი მანძილით, რაც კარგ მოსავალს იძლევა.
2. სენსორები იკვლევენ მავნებლებით დაბინძურებულ ან მინერალების დეფიციტის მქონე ტერიტორიებს და საშუალებას აძლევენ ფერმერებს, დაამუშაონ ეს ტერიტორიები სასუქებით ან პესტიციდებით, რითაც თავიდან აიცილებენ დოზის გადაჭარბებას და ინარჩუნებენ ნიადაგის ხარისხს.
3. ამინდის ცვალებადობის შესახებ რეალურ დროში მიღებული მონაცემები ფერმერებს საშუალებას აძლევს, შეცვალონ გარემო პირობები და შეამცირონ რისკები, რითაც შეინარჩუნონ მოსავლის ადეკვატური მოსავლიანობა.
4. არათანაბარი ნალექი და ტემპერატურის მატება იწვევს წყლის სტრესს, რაც გავლენას ახდენს სოფლის მეურნეობის პროდუქტიულობაზე. კლიმატისთვის გონივრული სოფლის მეურნეობის სტრატეგიები, მათ შორის ნახევარმთვარის ორმოები, მულჩირება და მუდმივი დარგვის აუზები, გამოიყენება კლიმატის ცვლილებასთან ადაპტაციისთვის წვიმით მორწყული სიმინდის წარმოების სისტემებში ნიადაგის ტენიანობის შესანახად. ⁸

განვითარებად ქვეყნებში საკვების დანაკარგის 40%-ზე მეტი მოსავლის აღების შემდგომ და გადამუშავების ეტაპებზე ხდება. პროდუქტების საკვებ ნანოსაფარებში ჩადება იცავს მათ გაუწყლოებისგან, ინარჩუნებს მათ ტექსტურას, არღვევს სუნთქვას და ამცირებს მიკრობების ზრდას.

ნანობიოტექნოლოგიის უპირატესობები აგრო-სასურსათო უვნებლობისთვის

ნანოსენსორები ავლენენ მაღალ მგრძნობელობას და სპეციფიკურობას, რადგან დამაბინძურებლებისა და პათოგენების აღმოჩენა ძალიან დაბალი კონცენტრაციითაც შესაძლებელია. ნანოტექნოლოგიაზე დაფუძნებული აღმოჩენის მეთოდები სწრაფია. მაგალითად, E. coli-ს 88% ნიმუშში 45 წუთის განმავლობაში აღმოჩენილი იქნა შაქრის მოლეკულებით მაგნიტური რკინის ოქსიდის ნანონაწილაკების გამოყენებით.

ნანოსენსორები შეფუთვის ეტაპზეა დამონტაჟებული, რათა მომხმარებლებმა ფერის შეცვლის გზით განსაზღვრონ საკვების ხარისხი.

ნანოსასუქები ხელს უწყობენ საკვები ნივთიერებების ნელა გამოყოფას კულტურის მთელი ზრდის პერიოდის განმავლობაში, რაც უზრუნველყოფს მცენარეების მიერ საკვები ნივთიერებების ადეკვატურ ათვისებას და ამცირებს გამორეცხვით გამოწვეულ დანაკარგს.

ნანოსენსორები ეკონომიურია ტრადიციულ საკვების ტესტირების მეთოდებთან შედარებით, მათი მცირე ზომისა და რეაგენტების დაბალი მოთხოვნილების გამო.

ზუსტი მეურნეობა ფერმერებს საშუალებას აძლევს ეფექტურად მართონ თავიანთი მინდვრები, რათა გაზარდონ მოსავლის პროდუქტიულობა, დაზოგონ რესურსები და შეამცირონ კლიმატის ცვლილებასთან დაკავშირებული რისკები.

გამოწვევები და შეშფოთება

ნანომასალები პატარა, მაღალრეაქტიული ნივთიერებებია და შეიძლება დაგროვდეს წყალში, ნიადაგში ან ცოცხალ ორგანიზმებში. ეს შეშფოთებას იწვევს ტოქსიკურობის, ბიოაკუმულაციისა და ეკოლოგიური ზემოქმედების შესახებ.

ნანონაწილაკები ადვილად შეიწოვება კანის მეშვეობით და ხვდებიან სისხლში, რაც იწვევს დნმ-ის დაზიანებას და თავისუფალი რადიკალების წარმოქმნას. ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილაკები აფერხებენ თირკმლის უჯრედების პროლიფერაციას და იწვევენ ფილტვების ანთებას. ^10,11

ნანომასალების სინთეზმა შესაძლოა გარემოში არაბიოდეგრადირებადი დამაბინძურებლები წარმოქმნას ^.12

ნანონაწილაკები გროვდება ფოთლებსა და ყვავილებზე, რაც წარმოქმნის ტოქსიკურ ფენას, რომელმაც შეიძლება შეაფერხოს მტვრის მილში შეღწევა. ნანონაწილაკებმა ასევე შეიძლება გავლენა მოახდინონ წყლისა და მინერალების გადაადგილებაზე ^.3

ნანომასალების ურთიერთქმედების შესახებ არასაკმარისი გაგებაა მრავალფეროვან სასოფლო-სამეურნეო გარემოში, რაც სტანდარტიზაციას და მასშტაბირებას ართულებს.

ნანოტექნოლოგიის შემუშავებისა და დანერგვის საწყისი ღირებულება მაღალია, რაც ზღუდავს მის ხელმისაწვდომობას განვითარებად ქვეყნებში ფერმერებისთვის.

ნანომასალების გამოყენების, განადგურებისა და გარემოზე ზემოქმედების მარეგულირებელი ლანდშაფტი საწყის ეტაპზეა. ბევრ განვითარებად ქვეყანას ჯერ კიდევ არ აქვს ნანოტექნოლოგიების გამოყენების მარეგულირებელი რეგულაციები.

ამ ტექნოლოგიის უფრო ფართოდ გამოყენებისთვის აუცილებელია შემუშავდეს ნანონაწილაკების ცოცხალ ორგანიზმებთან ურთიერთქმედების შეფასებითი in vitro და in vivo კვლევები და ტოქსიკურობისა და რისკის შეფასების სანდო ტექნიკები.

საზოგადოება უნდა იყოს განათლებული სოფლის მეურნეობაში ნანოტექნოლოგიის სარგებლისა და რისკების შესახებ. საზოგადოების ჩართულობა და გამჭვირვალე კომუნიკაცია გადამწყვეტია მისი წარმატებით დანერგვისთვის. ¹²

მომავლის პერსპექტივა

მწვანე სინთეზირებული ნანომასალები

ნანომასალები სინთეზირდება მცენარეების, ბაქტერიების, წყალმცენარეებისა და სოკოების გამოყენებით, რათა შეიზღუდოს გარემოში ქიმიური ნივთიერებების დაგროვება. კარტოფილის ფოთლის ექსტრაქტის გამოყენებით მომზადებულმა MnO2 _{ნანონაწილაკებზე} დაფუძნებულმა ნანოსასუქებმა გაზარდა ფოტოსინთეზური პიგმენტები, ანტიოქსიდანტური აქტივობა და Vigna unguiculata- ს ზრდა . ¹³

ხელოვნური ინტელექტი და მანქანური სწავლების მიდგომები

ზედამხედველობითი სწავლების ალგორითმები, როგორიცაა KNN, გამოიყენება წყლის შეკავების პროგნოზირებისა და ნანომასალების ტოქსიკურობის ფაქტორების გასაგებად.

სხვადასხვა ნიადაგურ და კლიმატურ პირობებში ნანომასალების ტრანსფორმაციის პროგნოზირებისთვის გამოიყენება ზედამხედველობის გარეშე სწავლის ალგორითმები (აპრიორი ალგორითმი, K-საშუალო).

გაძლიერებული სწავლების (მარკოვის გადაწყვეტილების პროცესი) პოტენციური გამოყენება შესაძლებელია ჰიდროპონიკაში, რათა განისაზღვროს საკვები ნივთიერებებისა და მიკრობული შემადგენლობის ცვლილებებზე რეალურ დროში რეაგირება ^.14

მასშტაბირებადი წარმოება

ნანობიოტექნოლოგიის მთავარი დაბრკოლება ამ ინოვაციური მეთოდების გაფართოებაა გლობალური სოფლის მეურნეობის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად. ნიადაგის, კულტურების და კლიმატური პირობების სხვადასხვა ტიპი ცვლის ნანომასალების რეაქციას.

ნანომასალების საკმარისი რაოდენობით წარმოებისთვის, მათი ხარისხისა და ფუნქციური თვისებების კომპრომისის გარეშე, აუცილებელია ეკონომიურად ეფექტური და მასშტაბირებადი წარმოების მიდგომების შემუშავება.

ახალი ნანობიოტექნოლოგიური მიდგომების შემუშავება მარეგულირებელი სახელმძღვანელო პრინციპებისა და უსაფრთხოების პროტოკოლების განვითარებასთან ერთად მიმდინარეობს. ნანოტექნოლოგიის სოფლის მეურნეობაში წარმატებით ინტეგრირებისთვის მკვლევრებს, მარეგულირებელ ორგანოებს, ინდუსტრიის დაინტერესებულ მხარეებსა და ფერმერებს შორის თანამშრომლობა გადამწყვეტი მნიშვნელობისაა.

დასკვნა

მსოფლიო კლიმატის ცვლილებასთან, მოსახლეობის ზრდასთან და გარემოს დეგრადაციასთან ბრძოლაში პერსპექტიული გადაწყვეტა აღმოჩნდა, რაც რევოლუციას მოახდენს სოფლის მეურნეობის პრაქტიკაში, როგორიცაა მოსავლის ზრდა, დაცვა და წარმოება.

ნანომასალები აუმჯობესებს მოსავლიანობას და ხელს უწყობს მდგრად სოფლის მეურნეობას საკვები ნივთიერებების შეწოვის გაუმჯობესებით, დაავადებებისადმი მდგრადობითა და მავნებლებისგან დაცვით, ამავდროულად ამცირებს გარემოზე ზიანს.

ჰიდროგელები წარმატებით უმკლავდებიან წყლის დეფიციტსა და თესლის აღმოცენებასთან დაკავშირებულ გამოწვევებს, ხოლო ნანოსენსორები უზრუნველყოფენ ნიადაგისა და კულტურების ჯანმრთელობის რეალურ დროში მონიტორინგს.

ნანომასალები ასევე წარმოადგენენ გარკვეულ ეკოლოგიურ რისკებს, რომელთა მოგვარებაც უნდა მოხდეს მკაცრი მარეგულირებელი პროტოკოლებისა და უსაფრთხოების შეფასებების შემუშავებით, რაც ხელს შეუწყობს მის პასუხისმგებლიან განხორციელებას.

ნანობიოტექნოლოგიური ინოვაციები, რომლებიც პასუხისმგებლობით ხორციელდება სტანდარტიზებული პროტოკოლებისა და უსაფრთხოების შეფასებების გამოყენებით, გაზრდის სოფლის მეურნეობის პროდუქტიულობას, ხელს შეუწყობს მდგრადი სასოფლო-სამეურნეო პრაქტიკის განვითარებას და ხელს შეუწყობს სურსათის უვნებლობას.