النانو تكنولوجي و إستخدامها في التسميد

                

كتبت : فاطمة الزهراء حسن  

النيتروجين هو مصدر التغذيه المعدنيه الرئيسى للغذاء فى العالم، والكتلة الحيوية، وإنتاج الألياف في الزراعة، فهو إلى حد بعيد العنصر الأكثر أهمية في الأسمدة عندما يحكمها من حيث الطاقة اللازمة لتصنيعها وتوليفها، والحمولة المستخدمة والقيمة النقدية. ومع ذلك فإن عند مقارنة كميات النيتروجين التى يتم تطبيقها على التربة بكفاءة استخدام النيتروجين بواسطة المحاصيل فإنها تكون منخفضة جدا. ما بين 50 و 70٪ من النيتروجين المطبقه من استخدام الأسمدة التقليدية – فإن تركيبات المواد المغذيه ذات أبعاد أكبر من 100 نانومتر - تفقد بسبب تسربها وذوبانها السريع فى الماء في شكل نترات وبالتالى ترشحها لأسفل بالاضافه لتلوثها للمجارى المائيه بعنصر النترات المسبب لظاهرة التشبع الغذائى، وايضا انبعاثها فى صورة غازات الأمونيا وأكاسيد النيتروجين، وعلى المدى الطويل يحث اندماج  للنيتروجين المعدنى بداخل الكتله العضوية في التربة عن طريق الاحياء الميكروبيه الدقيقه فى التربه. وقد اجتمعت محاولات عديدة لزيادة كفاءة استخدام النيتروجين وحتى الآن ولكن مع القليل من النجاح، وربما يكون الوقت قد حان لتطبيق تكنولوجيا النانو على حل بعض هذه المشاكل.

اظهرت أنابيب الكربون النانو مؤخرا اختراقا لبذور الطماطم، وشوهدت جزيئات أكسيد الزنك عند دخولها للأنسجة الجذرية لانواع علف الزوان. وهذا يشير إلى أن أنظمة ارسال المواد الغذائية الجديدة التي تستغل نطاق الفتحات الموجوده فى مقياس النانو والتي يسهل اختراقها على سطح النبات وبطرق يمكن تطويرها. فالاستخدام المحتمل لتكنولوجيا النانو فى الاسمده سيكون لتحسين تركيبات الأسمدة، ومع ذلك قد يعوق ذلك انخفاض تمويل الأبحاث وعدم وجود اللوائح الواضحه وسياسات الابتكار. وتظهر مراجع براءات الاختراع الحاليه أن استخدام تكنولوجيا النانو في تطوير الأسمدة لا تزال منخفضة نسبيا (حوالي 100 براءة اختراع وطلبات براءات الاختراع بين عامي 1998 و 2008) مقارنة مع الأدوية (أكثر من 6000 براءة اختراع وطلبات براءات الاختراع خلال الفترة نفسها).

 (a) تحسين النمو فى27 يوما في المتوسط  لشتلات الطماطم القديمة تحتوي على أنابيب الكربون النانوية. مستنسخة بإذن من المرجع(© 2009 ACS).

b)) نقل صورة مجهرية إلكترونيه لجذور علف الزوان تبين دخول جزيئات أكسيد الزنك . مستنسخة بإذن من المرجع 3 (© 2008 ACS).

ويشير سماد النانو او  Nanofertilizer إلى المنتج الذى يرسل العناصر المغذيه للمحاصيل في واحدة من ثلاث طرق. فالمغذيات المعدنيه او العنصريه يمكن أن تكون مغلفة داخل المواد النانوية مثل أنابيب النانو nanotubes  أو المواد ذات بناء نانو مفتوح nanoporous، ويتم بعد ذلك تغليفها بفيلم رقيق من البوليمر الواقى، أو ارسالها على هيئة جسيمات أو مستحلبات تكون ابعادها فى ابعاد مقياس النانو nanoscale ، ونظرا لأمتلاكها لمساحة سطح نوعى كبير جدا بالمقارنه بالحجم الكلى فإن فعالية اسمدة النانو nanofertilizers قد تتجاوز فعالية الأسمدة التقليدية المغلفة البوليمر الأكثر ابتكارا والتي شهدت تحسنا كبيرا في السنوات العشر الماضية.

من الناحية المثالية، يمكن لتكنولوجيا النانو ان تزود الأجهزة devices والآليات   mechanisms لمزامنة إطلاق النيتروجين (من الأسمدة) مع امتصاصه من قبل المحاصيل. ينبغي على اسمدة النانو nanofertilizers إطلاق المواد المغذيه وذلك عند الطلب فقط بواسطة النبات، في حين تمنع اسمدة النانو المغذيات المعذنيه وتحميها من تحولها قبل الأوان إلى أشكال كيميائية وغازية بشكل يصعب ولا يمكن امتصاصها من قبل النباتات. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق منع المواد المغذيه من التفاعل المباشر مع التربة والمياه والكائنات الحية الدقيقة، وإطلاق العناصر المغذيه فقط عندما يمكن استيعابها وامتصاصها مباشرة بواسطة النبات.

ومن الأمثلة على هذه الاستراتيجيات المتبعه فى تكنولوجيا النانو فى الاسمده والتسميد والتى بدأت في الظهور، فقد استخدمت تركيبات نانو من هيدروكسيد الزنك والالومنيوم ثنائى الطبقه Zinc–aluminium-layered double-hydroxide nanocomposites من أجل السيطره والتحكم فى انطلاق وخروج المركبات الكيميائية والتي تعمل على تنظيم النمو فى النبات كمنظمات للنمو. فإن تحسين انتاجية المحصول يعود الى الأسمدة التي يتم إدماجها بداخل أنابيب النانو اللولبيه (شرائح من الدهون ثنائية الطبقة وملتويه). وكذلك استراتيجية التحكم فى إطلاق النيتروجين بواسطة التحلل المائى لليوريا من خلال إدخال إنزيمات اليورييز او انزيمات متخصصه فى تحلل اليوريا (تحويلها الى النيتروجين العنصرى) داخل مواد السليكا ذات بناء نانو مفتوح silica nanoporous. وعلى الرغم من أن هذه الأساليب واعدة وجديده إلا إنها تفتقر فقط إلى الآليات التي يمكن من خلالها التعرف على والاستجابة لاحتياجات النبات والتغيرات في مستويات النيتروجين في التربة. فينبغى التطوير الوظيفى لهذه الأجهزه والافلام الرقيقه فى مقياس النانو فهى لديها القدرة على تحقيق مكاسب كبيرة في زياة كفاءة استخدام النيتروجين وإنتاجية المحاصيل.

بالإضافة إلى زيادة كفاءة استخدام النيتروجين ، قد تكون تكنولوجيا النانو قادرة على تحسين أداء الأسمدة بطرق أخرى. على سبيل المثال، وذلك نتيجة لامتلاكها خصائص بصريه ضوئيه photocatalytic  ، فقد تم أدماج ثاني أكسيد التيتانيوم و هوا فى مقاس النانو nanosize titanium dioxide داخل الأسمدة كمادة مضافات الجراثيم، وعلاوة على ذلك فإن ثاني أكسيد التيتانيوم قد يؤدي أيضا إلى تحسين غلة المحاصيل من خلال الاختزال الضوئي لغاز النيتروجين من الجو مباشرة. وعلاوة على ذلك فقد ثبت أن جسيمات النانو سليكا nanosilica الممتصه بواسطة الجذور والتى شوهدت على شكل أفلام فى جدران الخلايا بأنها تستطيع أن تعزز مقاومة النبات للإجهاد مما يؤدي إلى تحسين انتاجية المحصول.

ومن الواضح أن هناك فرصة لتكنولوجيا النانو أن يكون لها تأثير عميق على الطاقة والاقتصاد والبيئة، من خلال تحسين المنتجات السماديه. ينبغي استكشاف آفاق جديدة لدمج تكنولوجيات النانو إلى أسمدة، إدراكا لأي خطر محتمل على البيئة أو على صحة الإنسان. مع الجهود المستهدفة من قبل الحكومات والأكاديميين في تطوير مثل هذه المنتجات الزراعية وتمكينها، ونحن نؤمن بأن تكنولوجيا النانو ستكون مسار للتحول في هذا المجال.

المراجع

Maria C. DeRosa¹, Carlos Monreal², Morris Schnitzer², Ryan Walsh¹ & Yasir Sultan¹

         i.            Department of Chemistry, Carleton University, 1125 Colonel By Drive, Ottawa, Ontario K1S 5B6, Canada

        ii.            Agriculture and AgriFood Canada, 960 Carling Avenue, Ottawa, Ontario K1A 0C6, Canada.

Correspondence to: Maria C. DeRosa¹ e-mail: maria_derosa@carleton.ca

1.        Monreal, C. M., McGill, W. B. & Nyborg, M. Can. J. Soil Sci. 66, 499–511 (1986). | ChemPort |

2.        Khodakovskaya, M. et al. ACS Nano 3, 3221–3227 (2009).
 | Article | PubMed | ChemPort |

3.        Lin, D. & Xing, B. Environ. Sci. Technol. 42, 5580–5585 (2008).
 | Article | PubMed | ChemPort |

4.        SciFinder Database <https://scifinder.cas.org> (accessed 1 November 2009).

5.        Hussein, M. Z. et al. J. Control. Release 82, 417–427 (2002).
 | Article | PubMed

6.        Yavitz, E. Q. US patent 006014645 (2006).

7.        Hossain, K. Z., Monreal, C. M. & Sayari, A. Colloid. Surface. B 62, 42–50 (2008). | Article | ChemPort |

8.        Sultan, Y., Walsh, R., Monreal, C. M. & DeRosa, M. C. Biomacromolecules 10, 1149–1154 (2009). | Article | PubMed | ChemPort |

9.        Yang, F. et al. Biol. Trace Elem. Res. 119, 77–88 (2007).
 | Article | PubMed | ChemPort |

10.     Lin, B. S. et al. J. Forest. Res. 15, 138–140 (2004). | Article | ChemPort |