به دلیل اثرات مضری که کودهای شیمیایی مرسوم بر محیط زیست و کیفیت غذا ایجاد می‌کنند، مدت‌هاست که استفاده از آن‌ها مورد نکوهش قرار رفته است. با به‌کارگیری نانوکودها به عنوان جایگزین کودهای مرسوم، عناصر غذایی کود به تدریج و به صورت کنترل‌شده در خاک آزاد می‌شوند و در نتیجه از بروز پدیده‌ی مردابی شدن آب‌های ساکن و همچنین آلودگی آب آشامیدنی، جلوگیری به عمل خواهد آمد. در حقیقت، فناوری نانو فرصت‌های جدیدی را به منظور افزایش راندمان مصرف عناصر غذایی و به حداقل رساندن هزینه‌های حفاظت از محیط زیست، گشوده است. جمع‌بندی نتایج بررسی حاضر نشان می‌دهد که افزایش راندمان و کیفیت منابع غذایی به واسطه‌ی سرعت جذب بالاتر، عدم اتلاف کودها از طریق آبشویی و جذب کامل کود به‌وسیله‌ی گیاه به دلیل رهاسازی عناصر غذایی کود با سرعت مطلوب در تمام طول فصل رشد، کاهش قابل توجه آلودگی خاک، ذخایر آبی و محصولات غذایی به واسطه‌ی کاهش آبشویی کودها، کاهش میزان فشردگی خاک و سرعت از دست رفتن کیفیت آن، کاهش مسمومیت گیاهی و تنش ناشی از وجود غلظت‌های بسیار بالای موضعی نمک در خاک، افزایش عملکرد به واسطه‌ی وضعیت تغذیه‌ای مطلوب گیاه و بهبود خواص انبارداری و سهولت جابه‌جایی کود از مزایای قابل توجه استفاده از نانوکودها در مقایسه با کودهای مرسوم هستند. با توجه به روند رو به رشد تحقیقات در زمینه نانوکودها و ساخت و توسعه نانوحسگرهای زیستی که برای ردیابی مولکولهای هدف و الحاق به پلیمرهای کنشی دارای آپتامرهای ویژه‌ای هستند، در آینده مزیت نسبی نانوکودها افزایش خواهد یافت.
۱٫ مقدمه
کودهای شیمیایی، نقش اساسی را در افزایش تولید محصولات دانه‌ای در کشورهای در حال توسعه جهان خصوصاً پس از معرفی ارقام زراعی پرمحصول و کودپذیر طی وقوع انقلاب سبز بر عهده داشته‌اند. تا سال ۲۰۲۰ بیش از ۷۰ درصد عملکرد دانه‌ی محصولات در سراسر جهان وابسته به مصرف کودهای شیمیایی خواهد بود [۲]. این در حالی است که مصرف بیش از حد کودهای شیمیایی نیتروژنه و فسفره، منابع آبی جهان را تحت تأثیر قرار داده و منجر به بروز فرآیند مردابی‌شدن در اکوسیستم‌های آبی می‌شود. یکی از حقایق نگران‌کننده در مورد کودهای شیمیایی مرسوم آن است که کارآیی مصرف کودهای نیتروژنه ۲۰ تا ۵۰ درصد و کارآیی مصرف کودهای فسفره تنها ۱۰ تا ۲۵ درصد است. تمام این موارد دلالت بر این دارند که باید در آینده‌ی نزدیک، تولید غذا بسیار کارآمدتر از گذشته باشد [۱].
فناوری نانو به تدریج در حال گذار از مرحله‌ی آزمایشگاهی به مرحله‌ی عملیاتی و کاربردی است و این امر منجر به حضور محسوس‌تر این فناوری در بخش کشاورزی خواهد گردید [۳]. در این راستا، استفاده از نانوکودها به منظور کنترل دقیق آزادسازی عناصر غذایی می‌تواند گامی موثر در جهت دست‌یابی به کشاورزی پایدار و سازگار با محیط‌زیست باشد [۴]. با به‌کارگیری نانوکودها به عنوان جایگزین کودهای مرسوم، عناصر غذایی کود به تدریج و به صورت کنترل شده در خاک آزاد می‌شوند و در نتیجه از بروز پدیده‌ی مردابی‌شدن آب‌های ساکن و همچنین آلودگی آب آشامیدنی، جلوگیری به عمل خواهد آمد. درحقیقت، فناوری نانو فرصت‌های جدیدی را به منظور افزایش راندمان مصرف عناصر غذایی و به حداقل‌رساندن هزینه‌های حفاظت از محیط زیست، فراهم نموده است [۱].
۲٫ جایگاه و نقش نانوکودها در بهبود کارآیی مصرف عناصر غذایی
با استفاده از مواد نانوساختار یا نانومقیاس به‌عنوان حامل کودی یا ناقل کنترل‌کننده‌ی رهاسازی به منظور ایجاد کودهای هوشمند، فناوری نانو منشأ امیدواری‌های بسیاری در جهت عبور از محدودیت‌های تکنیکی موجود بر سر راه آزادسازی آرام و کنترل شده‌ی عناصر کودها شده است [۴]. نانوکودها راندمان مصرف بالایی دارند و می‌توانند به صورت مطلوب در نقطه‌ی مناسبی از ناحیه‌ی رشد ریشه عناصر غذایی خود را آزاد کنند [۵].
نانوکودها به سه روش عناصر غذایی را در اختیار گیاهان زراعی قرار می‌دهند:
۱٫ عناصر غذایی درون پوششی از نانومواد متخلخل قرار می‌گیرند.
۲٫ به‌وسیله‌ی لایه‌ی پلیمری نازکی پوشیده می‌شوند.
۳٫ به صورت ذره یا امولسیونی در ابعاد نانو آزاد می‌گردند.
در نانوکودها از علم فناوری نانو به عنوان ابزاری جهت هم‌زمان‌کردن رهاسازی عناصر غذایی کودهای فسفره و نیتروژنه با جذب آن‌ها به وسیله‌ی گیاه و ممانعت از برهم‌کنش عناصر غذایی با خاک، میکروارگانیسم‌ها و آب و هوا استفاده می‌شود. بر اساس یک برآورد صورت گرفته، با مصرف نانوکودها می‌توان در کانادا از اتلاف ۲۰۰۰ میلیون دلار سرمایه به دلیل پایین بودن راندمان مصرف عناصر غذایی کودهای مرسوم به وسیله‌ی گیاهان زراعی جلوگیری کرد [۶].
موارد کاربرد نانوکودها به‌طور خلاصه عبارتند از:
۱٫ ارتقای حفاظت از محیط زیست و کشاورزی پایدار، خصوصاً در مورد محصولات باغی و شالی؛
۲٫ جلوگیری از آلودگی نامشخص خاک و مردابی شدن ذخایر آبی؛
۳٫ افزایش راندمان ورودی-خروجی در تولید محصولات زراعی از طریق بهبود کارآیی جذب کود و ارتقای کشاورزی پایدار؛
۴٫ فایق آمدن بر معضل کمبود منابع عناصر معدنی کم‌مصرف و کودهای فسفاته از طریق مصرف محصولات نانوساختار شده‌ای که کارآیی بالاتری دارند [۴].
به‌طورکلی مزایای استفاده از نانوکودها در مقایسه با کودهای مرسوم عبارتند از:
۱٫ افزایش راندمان و کیفیت منابع غذایی به واسطه‌ی سرعت جذب بالاتر؛
۲٫ عدم اتلاف کودها به‌وسیله‌ی آبشویی و جذب کامل کود به‌وسیله‌ی گیاه به دلیل رهاسازی عناصرغذایی کود با سرعت مطلوب در تمام طول فصل رشد؛
۳٫ کاهش قابل توجه آلودگی خاک، ذخایر آبی و محصولات غذایی به واسطه‌ی کاهش آبشویی کودها؛
۴٫ کاهش میزان فشردگی خاک و سرعت از دست رفتن کیفیت آن؛
۵٫ کاهش مسمومیت گیاهی و تنش ناشی از وجود غلظت‌های بسیار بالای موضعی نمک در خاک؛
۶٫ افزایش عملکرد به واسطه‌ی وضعیت تغذیه‌ای مطلوب گیاه؛
۷٫ بهبود خواص انبارداری و سهولت جابه‌جایی کود [۴].
از نقطه نظر مدیریتی، امروزه جهت افزایش کارآیی مصرف عناصر غذایی کودهای شیمیایی تلاش محققان بر استفاده از نانورس‌ها، نانوزئولیت‌ها و همچنین ترمیم حاصل‌خیزی خاک به وسیله‌ی آزادسازی عناصر غذایی تثبیت شده، تمرکز یافته است. با استفاده از زئولیت‌ها که گروهی از کانی‌های دارای ساختار لایه‌ای کندو مانند هستند و به‌طور معمول در طبیعت یافت می‌شوند، می‌توان کودهایی ایجاد نمود که از توانایی رهاسازی آرام عناصر غذایی در محیط خاک برخوردار باشند. قابلیت بارگیری و پرشدن شبکه‌ی به‌هم‌پیوسته‌ی تونل‌ها و اتاقک‌های کانی زئولیت به‌وسیله‌ی نیتروژن و پتاسیم به همراه سایر ذراتی که به آرامی در آب حل می‌شوند و محتوی فسفر، کلسیم و مجموعه‌ی کاملی از عناصر غذایی نادر و کم‌مصرف هستند، وجود دارد. کانی زئولیت، به عنوان منبعی از عناصر غذایی که در پاسخ به نیاز گیاه، به تدریج و با سرعتی مناسب آزاد می‌شوند، عمل می‌کند. با پوشاندن کودهای شیمیایی مرسوم به وسیله‌ی نانوغشاها، می‌توان به کودهایی دست یافت که عناصر غذایی خود را به‌صورت آهسته و پیوسته آزاد کنند. نانوکمپوزیت‌های پوشاننده و سیمان‌کننده قادر به تنظیم سرعت رهاسازی عناصر غذایی از کپسول حاوی کود هستند [۱]. برخی از مزیت‌های مربوط به تغییر فرمولاسیون کودهای شیمیایی مرسوم با استفاده از فناوری نانو در جدول (۱) ارائه شده است [۴].
مطالعات اخیر نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی قادر به نفوذکردن در بذرهای گوجه‌فرنگی هستند، علاوه‌بر این نانوذرات اکسید روی نیز می‌توانند به داخل بافت‌های ریشه‌ی چاودار وارد شوند. این بدان معناست که در آینده امکان طراحی و ساخت سیستم‌های جدید آزادسازی عناصر غذایی با بهره‌گیری از پوشش‌های متخلخل نانومقیاس وجود خواهد داشت. از فناوری نانو می‌توان به‌طور ایده‌آل، جهت طراحی وسایل و مکانسیم‌هایی به منظور هم‌زمان‌کردن آزادسازی عناصر غذایی از کود با جذب آن به‌وسیله‌ی محصول، استفاده کرد. نمونه‌هایی از چنین راهبردهایی که به واسطه‌ی بهره‌گیری از خواص ویژه‌ی ذرات نانو سعی در بهبود کارآیی مصرف عناصر غذایی کودهای شیمیایی دارند، در حال شکل‌گیری است [۷].
از نانوکامپوزیت‌های لایه‌ای مرکب از روی-آلومینیوم هیدروکسید مضاعف، به منظور کنترل آزادسازی ترکیبات شیمیایی که رشد گیاه را تنظیم می‌کنند، استفاده می‌شود. تعدادی از محققان بر این ادعا هستند که با استفاده از کودهای شیمیایی پوشیده شده به وسیله‌ی نانولوله‌های حلزونی شکل به صورت ورقه‌های لیپیدی دولایه‌ی آبگریز و آبدوست لوله شده، عملکرد محصول افزایش خواهد یافت. با الحاق آنزیم اورئاز به نانوسیلیکای متخلخل، می‌توان رهاسازی نیتروژن به واسطه‌ی هیدرولیز اوره را کنترل نمود. اگر چه ظهور چنین روش‌هایی امیدوارکننده است، اما این رویکردها فاقد سازوکارهای لازم به منظور تشخیص و واکنش نشان دادن نسبت به نیازهای غذایی گیاه و تغییرات سطوح عناصر خاک هستند [۷].
استفاده از نانولایه‌های کنشی در طراحی و ساخت کودهای شیمیایی جدید منجر به افزایش قابل ملاحظه‌ی کارآیی مصرف عناصر غذایی و متعاقبا عملکرد محصول خواهد شد [۷]. با روند رو به رشد کنونی، در دهه‌ی آینده فرمول‌بندی نانوساختار کودهایی که عناصر غذایی خود را به صورت کنترل‌شده رها می‌کنند به مرحله‌ی تکامل خواهد رسید و کاربرد وسیع‌تری به منظور تولید گسترده‌ی محصولات زراعی در کشورهای در حال توسعه خواهد یافت [۴]. محققان در حال کار بر روی ایجاد سیستم‌های هوشمند آزادسازی عناصر غذایی بر مبنای طراحی و ساخت نانوکودهایی که توانایی واکنش نسبت به تغییرات محیطی را دارند، هستند. در این سیستم‌های هوشمند، نانوکودها در پاسخ به سیگنال‌های مختلفی از جمله میدان‌های مغناطیسی، گرما، فراصوت و رطوبت، عناصر غذایی خود را به‌صورت کنترل شده، به آرامی یا به سرعت، در محیط خاک رها می‌کنند. تحت شرایط کمبود عناصر غذایی، گیاهان زراعی ترکیبات آلی را به درون محیط اطراف خود ترشح می‌کنند تا شرایط برای معدنی‌شدن زیستی نیتروژن و یا فسفر حاصل از مواد غیرآلی خاک و همچنین فسفر مربوط به کلوئیدهای غیرآلی فراهم آید. می‌توان از علائم خاکی صادره از ریشه‌ها در ارتباط با جذب نیتروژن و فسفر به منظور ایجاد نانوحسگرهای زیستی و اضافه‌کردن آن‌ها به نانوکودهای جدید استفاده نمود. بعضی از ترشحات ریشه‌ای که منحصر به گیاه هستند به صورت تنگاتنگی با جذب نیتروژن در مراحل حیاتی اولیه‌ی رشد در ارتباط هستند. هم‌اکنون، نانوحسگرهای زیستی که دارای آپتامر ویژه‌ای هستند در حال ساخته‌شدن به منظور ردیابی مولکولهای هدف و الحاق به پلیمرهای کنشی جهت بهینه‌کردن نانوکودهای منحصر به گیاه هستند [۶].
گیاهان عمدتاً عناصر غذایی را از طریق ریشه‌ها یا برگ‌های خود جذب می‌کنند و نانوکودها به دلیل آزادسازی آرام و کنترل‌شده‌ی مواد غذایی، به منظور تأمین عناصر مورد نیاز گیاه در هر دو روش جذب برگی یا ریشه‌ای، نسبت به کودهای مرسوم برتری دارند. کودهای شیمیایی برگ‌پاش، عموماً به منظور فراهم‌کردن سریع عناصر غذایی برای گیاه مورد استفاده قرار می‌گیرند. این در حالیست که امکان دارد بکارگیری نانوکودها در این شرایط به دلیل برخورداری از راندمان جذب عناصر بالاتر نسبت به کودهای مرسوم، موثرتر و مفیدتر باشد [۸]. علاوه بر افزایش راندمان مصرف عناصر غذایی، فناوری نانو ممکن است به طرق دیگری نیز باعث بهبود کارکرد کودهای شیمیایی گردد. به عنوان مثال، به علت برخورداری نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم از قابلیت کاتالیز نوری، می‌توان آن‌ها را به‌عنوان یک عامل باکتری‌کش به کودهای شیمیایی اضافه کرد. از طرف دیگر ممکن است که نانوذرات دی اکسیدتیتانیوم به واسطه‌ی کاهش نوری گاز نیتروژن، عملکرد محصول را نیز افزایش دهند. علاوه‌بر این مشخص شده است که نانوذرات سیلیکای جذب شده به‌وسیله‌ی ریشه‌ی گیاه، لایه‌ای را در دیواره‌های سلولی تشکیل می‌دهند که می‌تواند باعث افزایش مقاومت گیاه نسبت به تنش‌ها شده و در نتیجه عملکرد محصول را بهبود بخشد [۷].
۳٫ بحث و نتیجه‌گیری
نانوکودها، به‌منظور رهاسازی تدریجی محتویات غذایی خود به گونه‌ای که زمان آزادسازی آن‌ها با نیاز غذایی محصول منطبق باشد، طراحی و ساخته شده‌اند. استفاده از نانوکودها منجر به افزایش کارآیی مصرف عناصر غذایی، کاهش سمیت خاک، به حداقل رسیدن اثرات منفی ناشی از مصرف بیش از حد کود و کاهش تعداد دفعات کاربرد کود، می‌شود. به علاوه، ممکن است که استفاده از این مواد به دلیل بهبود تهویه و شکنندگی خاک و همچنین جلوگیری از فرسایش خاک، باعث ارتقای شرایط خاک برای کشت محصول نیز گردد. یکی از دلایل پایین بودن کارآیی مصرف کودهای شیمیایی مرسوم، شامل عدم تعادل میان زمان و سرعت آزادسازی عناصر کود با نیاز غذایی گیاه، است. در این راستا، با بهره‌گیری از فناوری نانو و به منظور کنترل حلالیت کودهای شیمیایی در آب، نانوکودهایی تولید شده است که قادر به رهاسازی عناصر غذایی خود به‌صورت آهسته و متناسب با نیاز گیاه هستند. به دلیل آن که با به‌کارگیری نانوکودها، زمان و سرعت رهاسازی عناصر با نیاز غذایی گیاه منطبق و هماهنگ می‌شود، لذا گیاه قادر به جذب بیشترین مقدار مواد غذایی بوده و در نتیجه ضمن کاهش آبشویی عناصر، عملکرد محصول نیز افزایش می‌یابد. اعتقاد بر این است که استفاده از نانوکودها موثرترین و در عین حال ساده‌ترین شیوه به منظور کاهش تلفات عناصر غذایی و افزایش کارآیی مصرف کودها است. نانوکودها عمدتاً به واسطه‌ی آزادسازی آرام و تدریجی عناصر غذایی، دوره‌ی تأثیر کود را افزایش می‌دهند. مسلماً، با بکارگیری فناوری نانو در بهینه‌کردن فرمولاسیون کودهای شیمیایی، می‌توان به دستاوردهای شگرفی از جمله کاهش مصرف انرژی، صرفه‌جویی در هزینه‌های تولید و جلوگیری از معضلات زیست‌محیطی نائل آمد.
منابـــع و مراجــــع
۱٫ C.R Chinnamuthu and P Murugesa Boopathi, Nanotechnology and Agroecosystem, Madras Agricultural Journal., 96: 17-31, (2009)
۲٫ A Shaviv, Advances in Controlled Release of Fertilizers, Advances in Agronomy, 71: 1-49, (2000)
۳٫ S Baruah and J Dutta, “Nanotechnology applications in Sensing and Pollution Degradation in Agriculture” Environmental Chemistry Letters, 7: 191-204, (2009)
۴٫ H Cui, C Sun, Q Liu, J Jiang and W Gu, Applications of Nanotechnology in Agrochemical Formulation, Perspectives, Challenges and Strategies, Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing, China, pp. 1-6, (2006)
۵٫ R Lai, Soil Science In The Era Of Hidrogen Economy And 10 Billion People, The Ohio State University, USA, pp.1-9, (2007)
۶٫ C.M Monreal, Nanofertilizers for Increased N and P Use Efficiencies by Crops, In summary of information currently provided to MRI concerning applications for Round 5 of the Ontario Research Fund-Research Excellence program, pp.12-13, (2010)
۷٫ M.R DeRosa, C Monreal, M Schnitzer, R Walsh and Y Sultan, Nanotechnology in fertilizers, Nature Nanotechnology, 5: 91-92, (2010)
۸٫ B Wurth, Emissions of engineered and unintentionally produced nanoparticles to the soil, Diploma thesis, ETHZurich Department of Environmental Sciences, Switzerland, (2007)
