برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵,۵۳۰
  • بازدید این ماه ۱۳۰
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۵
  • قبول شدگان ۴۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نقش فناوری نانو در بهبود کارآیی مصرف عناصر غذایی کودهای شیمیایی

کودهای شیمیایی به طور معمول از طریق محلول پاشی یا به صورت خاک کاربرد مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این میان، به دلیل وقوع معضلاتی مانند آبشویی، روان‌آب و تبخیر، تنها بخش اندکی از عناصر موثره کود به نقطه هدف می‌رسد که بسیار کمتر از حداقل غلظت موثر مورد نیاز گیاه است. از این رو، به منظور اعمال کنترل موثر بر وضعیت تغذیه‌ای گیاه به کاربرد مکرر کودهای شیمیایی نیاز است که این کاربرد پی‌درپی می‌تواند موجب بروز برخی اثرات جانبی نامطلوب، مانند آلودگی آب و خاک، شود. بنابراین، باید با به‌کارگیری فناوری‌های نوین اقدام به طراحی و ساخت کودهایی کرد که از ویژگی‌هایی مانند رهاسازی کنترل‌شده عناصر در پاسخ به محرک‌های ویژه، فعالیت هدف‌گیری ارتقایافته، سمیت زیست‌محیطی کمتر، و رسانش آسان و ایمن عناصر برخور دارند و بدین طریق مانع از کاربرد مکرر کودهای شیمیایی شد. فناوری نانو، به عنوان یک فناوری نوظهور، نقش مهمی در بهینه‌سازی تکنیک‌های مدیریتی کشاورزی مرسوم برعهده دارد. به واسطه کاربرد فناوری نانو در طراحی و توسعه نانوکودها و نانوسیستم‌های رسانش عناصر غذایی به ریشه‌های گیاهان، می‌توان از طریق افزایش کارآیی مصرف کودهای شیمیایی به دستاوردهای شگرفی مانند افزایش عملکرد محصول، کاهش هزینه‌های تولید، و حفاظت از محیط زیست نائل آمد.
1. مقدمه
کودهای شیمیایی ترکیبات غیرآلی هستند که با فرم و غلظت‌های مناسب فرموله شده‌اند و به منظور افزایش رشد گیاه و میوه‌های آن مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کودها معمولاً به صورت خاک کاربرد (جهت جذب به وسیله ریشه‌های گیاه) یا محلول‌پاشی (برای جذب از طریق برگ‌ها) به مصرف می‌رسند. سه عنصر غذایی نیتروژن، فسفر، و پتاسیم از عمده‌ترین عناصر مورد نیاز گیاهان است که از طریق مصرف کودهای شیمیایی تامین می‌شود. نیتروژن رشد برگ‌های گیاه را افزایش می‌دهد و سبب تشکیل پروتئینها و کلروفیل می‌شود. فسفر با نمو ریشه‌ها، گل‌ها، و میوه‌های گیاه در ارتباط است. پتاسیم در رشد ساقه و ریشه گیاه و سنتز پروتئین مشارکت دارد. با وجود این، 40 تا 70 درصد از نیتروژن، 80 تا 90 درصد از فسفر، و 50 تا 70 درصد از پتاسیم کودهای شیمیایی مرسوم با اندازه ذرات بیش از 100 نانومتر به درون محیط نشت می‌کند و قابل جذب توسط گیاهان نیست، که این امر نه تنها موجب اتلاف شدید سرمایه‌های مالی و منابع می‌شود بلکه مخاطرات زیست‌محیطی قابل ملاحظه‌ای نیز به همراه خواهد داشت. بنابراین، افزایش کارآیی مصرف عناصر غذایی کودهای شیمیایی و کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی ناشی از مصرف غیرمنطقی کودها اقدامات مهمی جهت توسعه پایدار بخش کشاورزی محسوب می‌شوند.
تا کنون، تلاش‌های محققان جهت افزایش کارآیی مصرف عناصر غذایی از طریق بهبود فرمولاسیون کودهای شیمیایی مرسوم با موفقیت اندکی همراه بوده‌است. فناوری نانو، به‌عنوان علم کار کردن با کوچک‌ترین ذرات ممکن، منشا امیدواری‌های فراوانی جهت غلبه نمودن بر معضلات پیش‌روی بخش کشاورزی در آینده نزدیک خواهد بود. تا به امروز، استفاده از علم نوظهور فناوری نانو در بخش کشاورزی عمدتا محدود به تحقیقات تئوری بوده است. با وجود این، اثرگذاری چشم‌گیر فناوری نانو در عرصه‌های مهم بخش کشاورزی - مانند اصلاح ارقام زراعی جدید، توسعه مواد کنشی نوین و سیستم‌های هوشمند رسانش مواد شیمیایی مانند علف کش‌ها، کودهای شیمیایی و آفت‌کش‌ها، تلفیق سیستم‌های هوشمند به منظور فرآوری و بسته‌بندی مواد غذایی، زدودن بقایای علف‌کش‌ها و آفت کش‌ها از گیاهان و خاک، و غیره - در آینده با شتاب بیشتری تداوم خواهد داشت. با استفاده از فناوری نانو و به ویژه با به‌کارگیری نانوذرات میتوان وضعیت غذایی و رطوبتی گیاه را کنترل کرد و به انجام آب‌یاری یا کوددهی در زمانی مناسب اقدام کرد، به گونه‌ای که گیاه بتواند بالاترین مقدار آب و عناصر غذایی را جذب نماید.
امکان هیجان‌انگیز تلفیق دانش کشاورزی و فناوری نانومقیاس در درون حسگرها دارای پتانسیل افزایش حساسیت و واکنش‌پذیری سیستم‌های کشاورزی و درنتیجه کاهش قابل ملاحظه زمان پاسخ دادن نسبت به معضلات قابل تشخیص در اراضی زراعی است. به‌واسطه کنترل وضعیت سلامتی گیاه با استفاده از فناوری نانو می‌توان قبل از آنکه علایم ناشی از بروز بیماری یا اختلالات تغذیه‌ای در بافت‌های گیاه قابل رویت شود، آن‌ها را تشخیص داد و بدین گونه امکان تبدیل سیستم‌های کشاورزی به سیستم‌هایی هوشمند وجود خواهد داشت. در سیستم‌های کشاورزی هوشمند، وسایل نانومقیاس هم به‌عنوان عوامل پیشگیری‌کننده و هم به‌عنوان سیستم‌های هشداردهنده پیش از وقوع آسیب عمل می‌کنند. از این وسایل نانومقیاس هوشمند می‌توان جهت رسانش کنترل‌شده و هدفمند موادی مانند کودهای شیمیایی نیز استفاده کرد. با استفاده از ابداعات فنارانه مانند نانوکپسوله‌کردن و آزادسازی کنترل‌شده و آرام عناصر غذایی کودهای شیمیایی می‌توان کارآیی مصرف این کودها را افزایش داد و تحولی شگرف در شیوه مصرف مواد شیمیایی کشاورزی ایجاد کرد. نانوفرموله‌کردن عناصر غذایی کم‌مصرف نیز می‌تواند سبب افزایش جذب این عناصر از طریق برگ‌های گیاه طی محلول‌پاشی آن‌ها شود. رهاسازی آرام عناصر غذایی کم‌مصرف محصورشده در درون نانوذرات نیز امکان بهبود رشد گیاه و سلامت خاک را فراهم خواهد آورد.
با توجه به مطالب ذکرشده، در این پژوهش سعی شد مروری کوتاه بر قابلیت‌های فناوری نانو به‌منظور بهبود کارآیی مصرف عناصر غذایی کودهای شیمیایی صورت پذیرد.

2. نقش نانومواد لایه‌ای در بهبود کارآیی مصرف مواد غذایی
تلاش‌های گسترده‌ای در سطح جهانی به‌منظور حفاظت از سلامت انسان‌ها و محیط زیست از طریق به‌کارگیری فناوری نانو جهت طراحی، ساخت، و توسعه مواد سبز (Green Material) و جلوگیری از کاربرد مواد زیان‌آور گوناگون (مانند سرب، جیوه، کروم شش‌ظرفیتی، بی‌فنیل‌های پلی‌برمینات، و دی‌فینیل اترهای پلی‌برمینات) صورت گرفته است. مواد سبز مواد ساخته‌شده از عناصر قابل بازیافت یا پایداری است که با محیط زیست سازگار است، آن را تخریب نمی‌کند، و سبب تخلیه منابع نیز نمی‌شود. با وجود این، امکان اطلاق اصطلاح مواد سبز به مواد بیولوژیکی غیرسمی و سازگار با محیط زیست که شرایط ایمن‌تری را برای زندگی انسان فراهم می‌آورند نیز وجود دارد.
نانومواد لایه‌ای - مانند هیدروکسیدهای دولایه، نمکهای هیدروکسی مضاعف، و رس‌ها – به‌دلیل برخورداری از سازگاری و کاربردهای زیستی، در ردیف مواد سبز قرار می‌گیرند. طی سالیان گذشته، نانومواد لایه‌ای به‌عنوان حامی یا الگو برای فرایندهای شیمیایی صنعتی مورد استفاده قرار می‌گرفتند و امروزه توجهات روزافزونی به کاربردهای زیستی این نانومواد - مانند منبع مولکول‌های زیستی و استفاده در کشاورزی به‌عنوان عوامل اصلاح‌کننده و تغذیه‌ای - معطوف گردیده‌است. کاربرد نانومواد لایه‌ای به‌عنوان ناقلین عناصر غذایی و همچنین پوشش‌های کنترل‌کننده آزادسازی کودهای شیمیایی جدیدترین دستاوردهای محققان در زمینه استفاده از این نانومواد در بخش کشاورزی است. به‌دلیل برخورداری نانومواد لایه‌ای از ساختار منحصربه‌فردی که متشکل از نانوورقه‌های دسته‌ای است، امکان استفاده از آن‌ها به منظور طراحی و ساخت مواد هیبرید جدیدی که دارای کارکردهای هوشمند و قابل کنترل باشند نیز وجود دارد (شکل 1). بنابراین، بسیاری از دانشمندان از مزایای نانومواد دوبعدی در مصارف صنعتی گوناگون و همچنین تحقیقات علمی بهره برده‌اند. به‌تازگی، مفاهیم مقاوم نمودن مولکول‌های کنشی و به حداکثر رساندن فعالیت آن‌ها به کاربردهای بیولوژیکی و زیست‌محیطی نیز توسعه یافته‌است؛ در این کاربردهای بیولوژیکی و زیست‌محیطی، نانومواد لایه‌ای نه‌تنها به‌عنوان منبع بلکه به‌عنوان حامل نیز عمل می‌نمایند. از آنجا که مولکول‌های کنشی زیستی در داخل نانوورقه‌های دوبعدی از پوششی محافظ و آرایشی منظم برخوردار می‌شوند، نانومواد لایه‌ای از قابلیت فوق العاده‌ای جهت محافظت نمودن از مولکول‌های زیستی برخوردارند. از طرفی، جذب سلولی تسهیل‌شده و تجزیه لیزوزومی هیدروکسیدهای دولایه نیز امکان استفاده از آن‌ها به‌عنوان نانوناقلین رساننده ژن یا دارو را فراهم می‌آورد.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. ساختار شماتیک یک نانوماده لایه‌ای

نانومواد لایه‌ای به‌دلیل برخورداری از فضای بین لایه‌ای انعطاف‌پذیر قادر به پذیرفتن مولکول‌های با اندازه مختلف - مانند پروتئین‌ها، DNA، ویروس‌ها، آفت کش‌ها، کودهای شیمیایی، و غیره - هستند. از طرفی، سازگاری زیستی و سمیت اندک برخی از نانومواد لایه‌ای ویژه امکان به‌کارگیری آن‌ها در کارکردهای زیستی و اکولوژیکی را فراهم می‌آورد. با استفاده از نانومواد لایه‌ای می‌توان مولکول‌های زیستی واقع‌شده در میان دو لایه نانوماده را از شرایط نامطلوب خارجی مانند آسیب‌های زیستی، شیمیایی، و فیزیکی محافظت کرد. درنهایت، مولکول‌های محافظت‌شده در میان لایه‌های نانومواد می‌توانند به‌واسطه تیمار شیمیایی، مانند واکنش تبادل آنیونی در حضور الکترولیتهای مختلف و یا شرایط pH تغییریافته به‌صورت هدفمند، در مکان و زمان مطلوب آزاد شوند. به‌دلیل اینکه نانوذرات لایه‌ای مانند هیدروکسیدهای دولایه، نمک‌های هیدروکسی مضاعف، و رس‌های کاتیونی از ساختار دوبعدی منحصربه‌فرد و سازگاری زیستی برخوردارند، امکان ترکیب آن‌ها با انواع مختلفی از مواد مناسب محیط زیست وجود دارد. می‌توان مواد کنشی گوناگون - از مولکول‌های کوچکی مانند داروها، علف کش‌ها، کودهای شیمیایی، و عناصر غذایی گرفته تا مواد درشتی مانند دئوکسی‌ریبونوکلئیک‌اسید، پروتئین‌ها، و آنزیم‌ها - را از طریق واکنش‌های تداخلی و به‌منظور ایجاد مواد سبز چندکاربرده در میان لایه‌های نانوذرات لایه‌ای قرار داد (شکل 2).

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. مسیر واکنشی مفروض جهت قرار گرفتن مولکول‌های زیستی در درون نانومواد لایه‌ای.

نانومواد لایه‌ای دارای صفاتی مانند آزادسازی آرام مواد و سازگاری زیستی هستند و این صفات امکان استفاده از آن‌ها را در بخش کشاورزی فراهم می‌آورد. پارک و همکاران (2008) به‌منظور تشکیل کمپلکس‌های اوره - منیزیم، تلاش نمودند که کود اوره را در فضای بین لایه‌ای کانی مونت موری‌لونایت تثبیت کنند. به‌واسطه تثبیت کود اوره در میان لایه‌های کانی مونت موری‌لونایت، تجزیه و آزادسازی اوره در خاک به‌طور قابل ملاحظه‌ای کند شد. علف کش‌های آنیونی توفوردی، 2-متیل-4- کلروفنوکسی‌استیک اسید (2-methyl-4-chlorophenoxyacetic acid (MCPA)) و پیکلورام به سه طریق - شامل هم‌رسوبی مستقیم، باززایی، و تبادل یون - در میان لایه‌های هیدروکسید دولایه آلومینیوم - منیزیم قرار گرفتند. کاربرد هر یک از هیبریدهای علف‌کش - هیدروکسید دولایه در مقایسه با کاربرد مجزای علف کش‌ها موجب کاهش غلظت حداکثر علف‌کش و متعاقباً کند‌شدن آبشویی آن در خاک شد.

3. نقش نانوکودهای کندرها در بهبود کارآیی مصرف عناصر غذایی
کودهای شیمیایی با قابلیت رهاسازی آرام یا کنترل‌شده، محتویات غذایی خود را به‌تدریج و به گونه‌ای که زمان آزادسازی آن‌ها منطبق با نیاز غذایی گیاه باشد در خاک رها می‌کنند. این‌گونه کودها به‌صورت فیزیکی و از طریق پوشش‌دار کردن ذرات کودهای شیمیایی محلول توسط موادی که موجب کاهش سرعت انحلال آن‌ها در آب می‌شوند تهیه می‌گردند. استفاده از کودهای با قابلیت رهاسازی کنترل‌شده سبب افزایش کارآیی مصرف عناصر غذایی کود، کاهش سمیت خاک، به حداقل رسیدن اثرات منفی بالقوه وابسته به مصرف بیش از حد کودهای محلول، و کاهش تعداد دفعات کاربرد کود خواهد شد. به‌علاوه، ممکن است استفاده از این نوع کودها به‌سبب بهبود تهویه و شکنندگی خاک و جلوگیری از فرسایش، موجب ارتقای شرایط خاک جهت کشت محصول نیز شود. به‌منظور انتخاب مواد پوشاننده مناسب، تحقیقات متعددی در نقاط مختلف جهان انجام شده‌است. نتایج تحقیقات صورت‌گرفته در این زمینه در جدول 1 ارائه شده است.

جدول 1. مواد پوشاننده توصیه‌شده جهت بهره‌برداری در کشاورزی
filereader.php?p1=main_6caeba444797a281a

بررسی‌ها نشان می‌دهد مواد پوشاننده‌ای که تا کنون توصیه شده‌اند معایب فراوانی مانند قیمت بالا و کاربرد محدود دارند و بنابراین باید بهینه شوند و ارتقا یابند. لازم است مواد پوشاننده کودهای شیمیایی از لحاظ اقتصادی مقرون به‌صرفه بوده و دارای صفات پوشانندگی مطلوبی باشند. به‌علاوه، این مواد می‌بایست از لحاظ تجزیه‌ای نیز مورد آزمون قرار گیرند، چرا که ممکن است تجزیه آن‌ها در خاک با تولید مواد و ترکیبات سمی‌ای همراه باشد که برای گیاه و عملکرد آن مضر است. نوع ماده پوشاننده کود عامل تعیین‌کننده مکانیسم آزادسازی عناصر غذایی پرمصرف از کود شیمیایی پوشش‌دار شده‌است. توسعه و کاربرد نانومواد کنشی و نانومواد ساختاری امکان بهینه‌سازی صفات مواد پوشاننده کودهای شیمیایی مرسوم را فراهم می‌آورد.
همانطورکه قبلا اشاره شد، لزوم افزایش کارآیی مصرف کودهای شیمیایی، بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک، و حفظ منابع موجود به‌منظور دستیابی به کشاورزی پایدار امری غیر قابل انکار است. در این راستا، استفاده از نانوکودهای کندرها یا کودهایی که از قابلیت رهاسازی کنترل‌شده عناصر برخوردارند یکی از گزینه‌های جدید پیش رو برای افزایش کارآیی مصرف کودهای مرسوم به حساب می‌آید. به‌دلیل برخورداری نانوکودها از نسبت سطح به حجم بالا، انتظار می‌رود استفاده از آن‌ها بسیار موثرتر از کاربرد هر نوع کود کندرهای مرسوم و پوشی دهشده با پلیمر باشد. از طرفی، دست یافتن به مواد طبیعی یا مصنوعی برخوردار از صفات مطلوب لازم جهت پوشاندن و سیمان کردن کودهای با قابلیت رهاسازی آرام یا کنترل‌شده عناصر غذایی نیز اهمیت فراوانی دارد، چرا که مواد پوشاننده مطلوب نه‌تنها موجب بهبود صفات زراعی خاک می‌شوند بلکه هزینه تولید کودهای سازگار با محیط زیست را نیز کاهش می‌دهند و بهره‌برداری از منابع را به امری سودآور بدل می‌سازند.
فناوری نانو از پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای طراحی و ساخت مواد مصنوعی جدید یا مواد طبیعی ناشناخته‌ای که دارای صفات مطلوب لازم جهت پوشاندن و سیمان کردن کودها هستند برخوردار است. واکنش‌هایی مانند برون‌جذبی، درون‌گیری، و تبادل یون میان کانی‌های رسی خاک و مواد آلی یا غیرآلی رخ می‌دهند و موجب تشکیل نانوکامپوزیت‌های رسی می‌شوند. کانی‌های طبیعی کائولین دارای ساختمان رسی 1:1هستند و امکان قرار گرفتن برخی از مولکول‌های آلی (مانند اوره، دی‌متیل‌سولفوکساید، پتاسیم استیک، N-متیل اسیل‌آمین، و متیل الکل) در میان لایه‌های این کانی‌ها تحت شرایط خاص وجود دارد که این امر موجب کاهش عرض فضای بین لایه‌ها می‌شود. ممکن است مولکول خارجی در هنگام ورود به فضای بین لایه‌ای کانی، موجب شکستن پیوند هیدروژنی لایه‌های رس شود و به‌واسطه جذب شیمیایی، با اکسیژن یا هیدروکسیل درونی لایه‌های رس ترکیب شده و بدین طریق نانوکامپوزیت‌های «رس ماده آلی» تشکیل دهد. به‌طورکلی، نوع پیوندهای موجود در این نانوکامپوزیت شامل پیوند هیدروژنی، نیروی یون دوقطبی، تبادل کاتیونی، تبادل آنیونی و غیره است. به‌دلیل برخورداری نانوکامپوزیت‌های رسی از صفات مطلوب، استفاده از آن‌ها جهت پوشش‌دار کردن کودهای شیمیایی مرسوم موجب بهبود خصوصیات فیزیکوشیمیایی خاک و افزایش کارآیی مصرف عناصر غذایی کود خواهد شد.
جذب فیزیکی و ترکیب شیمیایی میان عناصر غذایی (شامل عناصر پرمصرف نیتروژن، فسفر، و پتاسیم و عناصر کم‌مصرف آهن، بور، مولیبدن، و غیره) و نانوکامپوزیت‌های رسی به‌دلیل واکنش سطحی و واکنش ناشی از اندازه کوچک نانوکامپوزیت رخ می‌دهد. بدین طریق، نانوکامپوزیت‌های رسی کودهای چندکاره موثری را شکل می‌دهند که موجب افزایش جذب عناصر غذایی توسط گیاهان و کاهش آبشویی و تثبیت عناصر کود در خاک می‌شود. به‌علاوه، میان نانوکامپوزیت‌های رسی و ذرات آلی معدنی طبیعی خاک نیز واکنش رخ می‌دهد. بروز این واکنش موجب ارتقای سایر واکنش‌های خاک مانند جذب سطحی کاتیون‌های قابل تبادل، انباشتگی آلومینیوم، پیدایش لایه‌های آبدار آهن، و ایجاد پیوندهای دوگانه قوی می‌شود. این واکنش‌ها به‌طور قابل ملاحظه‌ای ساختمان و نفوذپذیری خاک را تحت تاثیر قرار داده و موجب افزایش ذرات آلی - معدنی خاک، بهبود ظرفیت نگهداری آب و عناصر غذایی در خاک، ارتقای فعالیت ریزجانداران، تنظیم نسبت C:N، و افزایش حاصلخیزی خاک می‌شود.
ایده استفاده از کودهای کندرها موجب توسعه کودهای نانوکپسوله‌ای شده است که در آن‌ها کودهای شیمیایی نیتروژنه، فسفره، و پتاسه در پوشش‌هایی از جنس نانوذرات محصور می‌گردند. درنتیجه، برای این که کودهای شیمیایی از ماندگاری و دوام بیشتری در خاک برخوردار گردند و امکان رهاسازی کنترل‌شده عناصر آن‌ها فراهم آید، این کودها توسط پوشش‌های متشکل از نانوذرات محافظت می‌شوند. به دلیل اینکه نانوپوشش‌ها در مقایسه با پوشش‌های کودی مرسوم از کشش سطحی بالاتری برخوردارند، نانوکپسوله کردن یا پوشاندن سطحی ذرات کود با استفاده از نانومواد یا نانوذرات موجب رهاسازی آرام عناصر غذایی کود شیمیایی می‌گردد. به‌علاوه، نانوپوشش‌ها امکان حفاظت سطحی از ذرات کود را نیز فراهم می‌آورند.
روش نانوکپسوله کردن ترکیبات کودی در نانوذرات پلیمری نیز روش جدیدی است که از کاربردهای تجاری بالقوه‌ای برخوردار است. تا به امروز، مطالعاتی در زمینه استفاده از نانوذرات چیتوسان به‌عنوان ناقلی جهت رسانش داروهای شیمیایی به بافتهای هدف بیماران انجام شده‌است، اما تا کنون تلاشی در راستای بررسی پتانسیل نانوذرات چیتوسان جهت کاربرد به‌عنوان پوشش کنترل‌کننده رهاسازی عناصر کودهای شیمیایی نیتروژنه، فسفره، و پتاسه صورت نپذیرفته است. چیتوسان پلیمری است که به‌دلیل برخورداری از ویژگی‌هایی مانند تجزیه زیستی، جذب‌پذیری زیستی، و خاصیت ضدباکتریایی دارای اهمیت ویژه‌ای در زمینه طراحی و ساخت کودهای شیمیایی کُندرهای سازگار با محیط زیست است. کورادینی و همکاران (2010) از نانوذرات پلیمری چیتوسان زیست‌تجزیه‌پذیر (اندازه نانوذرات در حدود 78 نانومتر) جهت کنترل رهاسازی کودهای شیمیایی نیتروژنه، فسفره، و پتاس‌های مانند اوره، فسفات کلسیم، و کلرید پتاسیم استفاده کردند. ممکن است نانوذرات چیتوسان به‌واسطه برخورداری از خصوصیات پلیمری کاتیونی، با مولکول‌ها و پلیمرهای دارای بار منفی واکنش نشان داده و بدین طریق نوعی برهم‌کنش مطلوب بروز دهند.
کودهای شیمیایی پوشیده‌شده توسط نانولایه گوگردی (ضخامت لایه کمتر از 100 نانومتر) کودهای کندرهای سودمندی جهت اصلاح خاک‌های مواجه با کمبود گوگرد محسوب می‌شوند، چرا که علاوه بر عناصر غذایی اصلی این کودها، محتویات گوگردی آن‌ها نیز برای گیاهان قابل استفاده است. پایداری نانوپوشش گوگردی موجب کاهش سرعت انحلال کود می‌شود و امکان رهاسازی آهسته و پیوسته عناصر غذایی کود را فراهم می‌آورد (شکل 3). به‌علاوه، پوششدار کردن یا کپسوله نمودن اوره و فسفات توسط نانولایه گوگردی نیز می‌تواند شیوه‌ای سودمند جهت رهاسازی عناصر نیتروژن و فسفر به گونه‌ای باشد که نیازهای غذایی گیاه و خاک را بر طرف کند. از سایر نانوموادی که دارای قابلیت کاربرد در تولید نانوکودهای کندرها هستند می‌توان به مواردی مانند کائولین و نانوذرات پلیمری زیست‌سازگار اشاره کرد. به‌عنوان نمونه، در ادامه، کاربرد نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت در تولید نانوکودهای کندرها تشریح می‌شود.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. مکانیسم عمل کودهای شیمیایی پوشیده‌شده توسط نانولایه گوگردی.

1.3. جایگاه نانوذرات هیدروکسی آپاتیت در تولید نانوکودها کندر
یکی از استراتژی‌های مفروض جهت بهبود فرمولاسیون کودهای مرسوم و افزایش کارآیی مصرف عناصر غذایی آن‌ها شامل ساخت نوعی کود کندرها بر مبنای استفاده از نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت اصلاح‌شده توسط اوره است که در درون حفره‌های چوب نرم قرار گرفته‌اند. نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت (Ca10(PO4)6(OH)2) به‌دلیل تامین فسفر مورد نیاز گیاه، یکی از گزینه‌های بسیار مناسب جهت استفاده در بخش کشاورزی محسوب می‌شوند. با وجود این، به‌علت برخورداری این نانوذرات از سازگاری و فعالیت زیستی فوق‌العاده، اغلب مطالعات صورت‌گرفته در زمینه این ترکیب بر کاربردهای آن در پزشکی زیستی متمرکز شده‌اند؛ این در حالی است که تا کنون توجه چندانی به کاربردهای بالقوه نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت در بخش کشاورزی صورت نپذیرفته است. نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت از خواص شیمیایی سطحی غنی برخوردارند و این ویژگی امکان اصلاح سریع سطح آن‌ها توسط مواد آلی و غیرآلی مختلف را فراهم می‌آورد. از این رو، به‌آسانی می‌توان سطح نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت را به‌وسیله اوره که رایج‌ترین منبع غذایی تامین‌کننده نیتروژن محلول برای گیاهان است اصلاح نمود (شکل 4).

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. تصویر میکروسکوپ الکترونی از نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت اصلاح‌شده توسط اوره.

در مطالعه‌ای به‌واسطه کپسول کردن نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت اصلاح‌شده توسط اوره در داخل نانوحفره‌های (فضای بین‌سلولی) متخلخل ساقه جوان گونه گیاهی Glyricidia sepium نوعی ترکیب نانوکود حاصل شد (شکل 5). این نانوکود به‌دلیل برخورداری از یک ماده زمینه‌ای زیست‌پلیمری سوپرجاذب، هنگامی که با خاک مخلوط می‌شود، رطوبت موجود در خاک را جذب می‌نماید و بنابراین، به‌واسطه انتشار و تجزیه میکروبی، شروع به آزادسازی آرام و پیوسته نیتروژن در درون محیط خاک می‌کند. به‌واسطه ساخت این نانوکود و کاربرد آن در خاک، حتی در روز شصتم پس از کاربرد، میزان نیتروژن آزاد شده از کود بیش از 10 میلی‌گرم بود که این امر به‌وضوح بیانگر کارآیی مطلوب نانوکود تولیدی در رهاسازی آرام و پیوسته نیتروژن است.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. تصویر میکروسکوپ الکترونی از ساقه .Glyricidia sepium

اتلاف اوره به فرم نیتروژن گازی یکی از معضلات مهم کودهای شیمیایی مرسوم است. از آنجا که ذرات هیدروکسی‌آپاتیت اصلاح‌شده با اوره تا زمان آزادسازی در داخل نانوحفره‌های چوب Glyricidia sepium محبوس می‌شوند، با استفاده از این نانوکود میزان اتلاف اوره به فرم نیتروژن گازی به حداقل خواهد رسید. از طرفی، به‌دلیل برخورداری نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت از سطح وسیع، امکان افزودن مقادیر زیاد مولکول‌های اوره به سطح آن‌ها وجود خواهد داشت. وقوع برهم‌کنش قوی میان نانوذرات هیدروکسی‌آپاتیت و مولکول‌های اوره باعث می‌شود هنگامی که سیستم در داخل نانوحفره‌های چوب کپسول گردیده است، ذرات اوره به‌صورت آرام و پیوسته در خاک آزاد شوند. به‌واسطه اینکه نیتروژن این نانوکود به‌صورت پیوسته و آرام در طول زمان آزاد می‌شود، با کاربرد آن می‌توان در مقایسه با کودهای شیمیایی مرسوم به مزایایی مانند افزایش کارآیی مصرف نیتروژن توسط گیاه، افزایش عملکرد محصول، کاهش مصرف انرژی، صرفه‌جویی در هزینه‌های تولید، حفظ منابع، و کاهش خسارات زیست‌محیطی ناشی از آبشویی نیتروژن نائل آمد. بنابراین، ممکن است بتوان با استفاده از این ترکیب نانوکود به حداکثر کارآیی مصرف نیتروژن دست یافت و اثرات مخرب زیست‌محیطی ناشی از مصرف مقادیر زیاد کودهای شیمیایی مرسوم را در کشاورزی به حداقل رساند.

4. نقش زئولیت‌های نانومتخلخل در بهبود کارآیی مصرف عناصر غذایی
زئولیت‌ها گروهی از آلومینوسیلیکات‌های بلورین با فرمول عمومی

MxDy[Al(x+2y)+2ySin-(x+2y) O2n]mH2O

هستند که در آن x بیان‌گر تعداد کاتیون‌های یک‌ظرفیتی، y تعداد کاتیون‌های دوظرفیتی، n ظرفیت کاتیون، و m تعداد مولکول‌های آب است (شکل 6). زئولیت‌ها در ردیف رایج‌ترین کانیهای موجود در سنگ‌های رسوبی قرار دارند و از فراوانی ویژه‌ای در سنگ‌های آتشفشانی برخوردار هستند. زئولیت در زبان یونانی به معنای سنگ جوشان است، چرا که این کانی‌ها دارای قابلیت کف کردن در دمای حدود 200 درجه سانتیگراد هستند. این کانال‌ها فضای خالی وسیعی را برای جذب و تبادل کاتیون‌ها فراهم می‌آورند (شکل 7). برخی گزارشات حاکی از آن است که مساحت درونی این کانال‌های تهی به چند صد متر مربع در هر گرم از کانی زئولیت بالغ می‌شود و همین ویژگی زئولیت را به یکی از موثرترین تبادل‌کنندگان یون (Ion exchanger) بدل ساخته است.

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6. ساختار بلورین کانی زئولیت (راست) و نحوه آرایش اتم‌های آن (چپ)


filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7. تصویر میکروسکوپ الکترونی از زئولیت نانومتخلخل (راست) و تصویر سه‌بعدی ساختمان آن (چپ)

در کانی زئولیت، امکان مبادله کاتیون‌ها از طریق فرایند تبادل یون و قابلیت انتقال برگشت‌پذیر آب به‌واسطه کاربرد حرارت وجود دارد. کانی زئولیت دارای شبکه بلورین سه‌بعدی همراه با کاتیون‌هایی است که پیوندهای ضعیفی برقرار نموده‌اند و این ویژگی امکان آب‌گیری و آب‌دهی این کانی را بدون آن‌که ساختمان بلورین آن دستخوش تغییر شود فراهم می‌آورد. سایر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مفید کانی زئولیت شامل حجم زیاد فضای خالی (در حدود 50 درصد)، چگالی اندک (2. 1 تا 2. 2 گرم بر سانتی‌متر مکعب)، صفات غربال مولکولی (molecular sieve) فوق‌العاده، و ظرفیت تبادل کاتیونی (CEC) 150 تا 250 سانتی‌مول بر کیلوگرم است. ظرفیت تبادل کاتیونی کانی‌های زئولیت دو تا سه برابر بیشتر از سایر کانی‌های خاک است. کاربرد زئولیت در خاک ظرفیت تبادل کاتیونی آن را افزایش می‌دهد و درنتیجه موجب ارتقای ظرفیت نگهداری عناصر غذایی در خاک می‌شود. به‌علاوه، افزودن زئولیت به خاک معمولا موجب افزایش pH نیز می‌گردد. بنابراین، زئولیت‌ها مواد طبیعی برخوردار از صفاتی مانند قابلیت تبادل یون، جذب گازها و بخارها، عمل نمودن به‌عنوان غربال‌های با اندازه مولکولی، و سرعت بخشیدن به واکنش‌ها هستند که این ویژگی‌ها از اندازه ثابت منافذ کانی و وجود مکان‌های فعال در شبکه بلورین آن‌ها ناشی می‌شود.

1.4. موارد کاربرد زئولیت‌ها در کشاورزی
زئولیت‌ها مواد با ارزشی هستند که مصارف گسترده‌ای در پالایشگاه‌ها و همچنین در مهندسی کشاورزی و محیط زیست دارند. تا کنون، برخی از کاربردهای زئولیت در بخش کشاورزی شناسایی شده‌است؛ این در حالی است که روز به روز بر اهمیت آن افزوده می‌شود. امروزه از زئولیت‌های مصنوعی عمدتاً در پالایش نفت خام و صنایع شیمیایی به‌عنوان جاذب انتخابی، کاتالیزور، و ماده تبادل‌کننده یون استفاده می‌شود. با وجود این، اهمیت زئولیت‌ها در بخش کشاورزی برجسته‌تر است. مطالعات گوناگون ثابت کرده است هنگامی که زئولیت نانومتخلخل با عناصر نیتروژن، فسفر، و پتاسیم ترکیب می‌شود، به‌عنوان یک کود شیمیایی کندرها موجب افزایش کارآیی جذب این عناصر توسط گیاهان زراعی و باغی می‌گردد. زئولیت‌های طبیعی میل ترکیبی بالایی با آمونیوم دارند. کاربرد اصلی زئولیت‌ها در بخش کشاورزی شامل جذب کردن، ذخیره نمودن، و رهاسازی آرام نیتروژن است. مشخص شده‌است که زئولیتها به‌دلیل برخورداری از میل ترکیبی بالا با آمونیوم (NH+4)، قادر به جذب انتخابی این کاتیون از کودهای دامی، کمپوست‌ها، یا کودهای شیمیایی آمونیوم‌دار هستند و درنتیجه اتلاف نیتروژن به درون محیط را کاهش می‌دهند. به‌دلیل برخورداری از ساختار منحصربه‌فرد و ویژگی‌هایی مانند بی‌ا‌‌ثر و غیرسمی بودن، امکان استفاده از زئولیت‌های طبیعی به‌عنوان ناقل کندکننده رهاسازی عناصر کودهای شیمیایی وجود دارد. زئولیت‌های اشباع‌شده توسط آمونیوم دارای توانایی افزایش انحلال‌پذیری کانی‌های معدنی حاوی فسفات نیز هستند. بخش اعظم آمونیوم محصورشده در منافذ ساختمان شبکه‌ای بلورین زئولیت به‌علت اندازه کوچک این منافذ (4 تا 5 انگستروم) برای باکتری‌های شوره‌گذار غیر قابل استفاده می‌شود.

1.1.4. بهبود کارآیی مصرف نیتروژن
آگاهی داشتن از پویایی نیتروژن در سیستم «خاک-هوا-آب» دارای اهمیت فراوانی در کشاورزی است، چرا که بدین طریق امکان استفاده از کودهای شیمیایی نیتروژنه به گونه‌ای معقول و منطقی وجود خواهد داشت. دست یافتن به کارآیی بالاتر مصرف نیتروژن فاکتوری حیاتی به‌منظور کاهش معضل آلودگی محیط زیست است. استفاده غیراصولی از کودهای شیمیایی نیتروژنه موجب آلودگی منابع آب سطحی و زیرزمینی در بسیاری از مناطق جهان شده‌است. با استفاده از کودهای نیتروژنه کندرها می‌توان شدت آلودگی محیط زیست را کاهش و عملکرد محصول را افزایش داد. سرعت رهاسازی نیتروژن محصورشده در منافذ زئولیت نانومتخلخل بسیار آرام‌تر از سرعت آزادسازی این عنصر از کودهای شیمیایی نیتروژنه مرسوم است؛ بنابراین، می‌توان از طریق جذب نیتروژن در درون منافذ زئولیت نانومتخلخل و متعاقبا آزادسازی آرام آن در خاک، به نوعی کود نیتروًژنه کندرها دست یافت. لی (2003) امکان استفاده از زئولیت نانومتخلخل اصلاح‌شده توسط سورفاکتانت هگزادسیل‌تری‌متیل‌آمونیوم را به‌عنوان ناقل کودی جهت کنترل رهاسازی نیترات به اثبات رساند و بیان داشت که این زئولیت نانومتخلخل به‌نحوی مطلوب نیترات را جذب می‌کنند و به‌واسطه برخورداری از تخلخل نانومقیاس به‌آرامی آن را در خاک آزاد می‌نماید. پس به‌دلیل اینکه زئولیت از تخلخل نانومقیاس برخوردار است و قادر به‌ جذب مطلوب آنیون‌ها است، می‌توان از آن به‌عنوان یک ناقل کودی جهت کنترل رهاسازی نیترات و سایر آنیون‌ها استفاده کرد. قرار گرفتن آمونیوم در کانال‌های درونی کلینوپتیلولیت (Clinoptilolite، نوعی کانی زئولیت) موجب رهاسازی آرام این کاتیون در خاک می‌شود و امکان جذب تدریجی آن توسط گیاه را فراهم می‌آورد و درنتیجه، سبب افزایش عملکرد محصول خواهد شد. منافذ موجود در ساختار کلینوپتیلولیت از اندازهای مناسب جهت جذب کاتیون‌های ریزی مانند آمونیوم و پتاسیم برخوردارند اما اندازه همین منافذ برای ورود باکتری‌های شوره‌گذار بسیار کوچک است. این بدان معناست که هنگامی که آمونیوم بر سطح مکان‌های تبادل کاتیونی موجود در درون ساختمان کلینوپتیلولیت نگه داشته می‌شود، به‌آسانی توسط مولکول‌های آبی که از میان منافذ این کانی عبور می‌کنند به‌ بیرون شسته نخواهد شد. از این رو، همانند شیوه عمل یک کود کندرها، آمونیوم به‌آرامی در خاک آزاد شده و با مقادیر اندک و به‌صورت پیوسته در تمام طول فصل رشد توسط گیاه جذب می‌شود. شوره‌گذاری (تبدیل آمونیوم به‌ نیترات) آمونیوم نیز به‌ میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. بنابراین، با استفاده از کلینوپتیلولیت نانومتخلخل به‌عنوان ناقل کود نه‌تنها می‌توان کارآیی مصرف کود نیتروژنه را بهبود بخشید بلکه می‌توان به‌واسطه جلوگیری از شوره‌گذاری آمونیوم، آبشویی نیترات را نیز کاهش داد و از معضلات بهداشتی و زیست‌محیطی ممانعت کرد.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8. رسانش هوشمند مولکول‌های علف‌کش نانوکپسوله‌شده.

2.1.4. بهبود کارآیی مصرف فسفر
زئولیت‌های‌ نانومتخلخل به‌منظور کنترل رهاسازی ترکیبات کودی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. مشخص شده است که زئولیت‌های اشباع شده توسط آمونیوم قادر به‌ افزایش انحلال کانی‌های حاوی فسفات هستند و درنتیجه موجب بهبود جذب فسفر توسط گیاه و افزایش عملکرد آن می‌شوند. مطالعات صورت‌گرفته به‌منظور بررسی انحلال‌پذیری و تبادل کاتیون در مخلوط‌های سنگ فسفاته و کلینوپتیلولیت اشباع‌شده توسط آمونیوم و پتاسیم نشان داد که مخلوط‌های زئولیت (کلینوپتیلولیت) و سنگ فسفاته از طریق وقوع واکنش‌های تبادل یون و انحلال موجب رهاسازی آرام عناصر نیتروژن، فسفر، و پتاسیم در خاک شدند. پژوهش انجام‌شده به‌منظور مطالعه اثر کلینوپتیلولیت اشباع‌شده توسط آمونیوم و پتاسیم بر قابلیت جذب فسفر در خاک‌های فروسولس (Ferrosols) مشخص کرد که این کلینوپتیلولیت ه‌مزمان با فراهم کردن پتاسیم و آمونیوم مورد نیاز گیاه قادر به‌ افزایش انحلا‌ل‌پذیری فسفر نیز هست و بدین طریق موجب افزایش رشد و بهبود عملکرد گیاه می‌شود.
طی سال‌های اخیر، نگرانی‌های عمومی مربوط به اثرات مضر کودهای شیمیایی مرسوم بر اکوسیستم‌های کشاورزی و طبیعی موجب گرایش روزافزون به استفاده از زئولیت‌های نانومتخلخل در کشاورزی شده است. زئولیت‌ها به‌دلیل برخورداری از صفاتی مانند تخلخل زیاد و ظرفیت تبادل کاتیونی بالا، دارای اهمیت فراوانی در تغذیه گیاهی هستند. ساختمان منحصربه‌فرد و تنوع بالای زئولیت‌ها امکان کاربرد آن‌ها در صنایع و علوم گوناگون را فراهم می‌آورد. امکان استفاده از زئولیت‌ها به‌عنوان ناقل عناصر غذایی یا محیط رشد عاری از عناصر غذایی وجود دارد. زئولیت‌های نانومتخلخل قادر به‌ ذخیره آب در خلال فصل بارش و رهاسازی آرام آن طی فصل خشک هستند و درنتیجه موجب به‌ حداقل رسیدن اثرات نامطلوب ناشی از تنش خشکی بر گیاهان می‌شوند. می‌توان از زئولیت‌های نانومتخلخل طبیعی یا مصنوعی به‌منظور افزایش ظرفیت نگهداری آب و عناصر غذایی در خاک و همچنین به‌عنوان یک ماده اصلاح‌کننده خاک جهت رهاسازی آرام عناصر غذایی استفاده کرد. درمجموع، صفات ویژه زئولیتها، خصوصا تخلخل و تبادل کاتیونی بالا، آن‌ها را در زمره موادی قرار داده که از قدرت بالایی جهت اصلاح خاک برخوردارند.

5. نقش سیستم‌های هوشمند رسانش مواد در بهبود کارآیی مصرف عناصر غذایی
فناوری نانو واژه‌ای کلی جهت معرفی مجموعه‌ای از فناوری‌ها، تکنیک‌ها، و فرایندهای توصیف‌کننده علم مواد و کاربردهای آن در مقیاس نانومتر است. یک نانومتر معادل 9-10 متر است و این اصل کلی که فناوری نانو علم کار کردن در محدوده 1 تا 100 نانومتر است به تایید محققان و دانشمندان علم مواد رسیده است. خصوصیات واکنشی مواد در مقیاس نانو متفاوت از ویژگی‌های آن‌ها در مقیاس میکرو یا ماکرو است. به‌عنوان مثال، می‌توان این تفاوت را در واکنش‌پذیری شیمیایی، قدرت فیزیکی، هدایت الکتریکی، خاصیت مغناطیسی، و ویژگی‌های نوری آن‌ها به‌وضوح مشاهده کرد. این تفاوت‌ها عمدتاً ناشی از نسبت سطح به‌ حجم بسیار بیشتر مواد نانومقیاس است که امکان تماس قوی‌تر این مواد را با سایر مواد فراهم می‌آورد و موجب تمایل آن‌ها به‌ بروز صفات منحصربه‌فرد می‌شود. از طریق کپسوله کردن یک ماده موثره توسط مولکول دیگری که آن ماده را تنها طی زمانی که در معرض محرک خاصی قرار می‌گیرد در محیط پیرامون خود رها می‌کند، می‌توان سیستم‌های هوشمند رسانش مواد ایجاد کرد؛ به‌عنوان مثال، امکان برنامه‌ریزی کودهای شیمیایی به‌ گونه‌ای که در طول زمان و تحت شرایط خاص دمایی، رطوبتی، pH، نور، تشعشع و غیره، عناصر غذایی خود را در خاک رها وجود دارد.
یکی از جذاب‌ترین کاربردهای نانوذرات در حوزه علوم زیستی استفاده از آن‌ها به‌عنوان سیستم‌های هوشمند رسانش مواد است. در حال حاضر، از این سیستم‌های هوشمند رسانش به‌ طور گسترده‌ا‌ی در مطالعات مربوط به‌ درمان سرطان‌ها استفاده می‌شود. به‌دلیل برخورداری سیستم‌های هوشمند از قابلیت رسانش مطلوب مواد دارویی به‌ بافتهای سرطانی هدف، اثرات جانبی مضر ناشی از داروهای شیمیایی بر سایر بافت‌های موجود زنده به‌ حداقل رسیده و غلظت داروی مورد نیاز نیز کاهش می‌یابد؛ بدین طریق، می‌توان مدیریت کارآمدتر شیمی درمانی بافت‌های سرطانی را ممکن ساخت.
امکان استفاده از اصولی مشابه در طیف گسترده‌ای از کارکردهای کشاورزی وجود دارد. از طریق انتقال نانوذرات به‌ بافت‌های گیاهی نیز امکان تعیین وضعیت غذایی گیاه وجود خواهد داشت؛ بنابراین، می‌توان از این ویژگی نانوذرات جهت انجام اقدامات مورد نیاز به‌منظور اصلاح اختلالات تغذیه‌ای که موجب کاهش عملکرد گیاه می‌شوند به‌نحوی مطلوب سود برد. سیستم‌های هوشمند مورد استفاده در بخش کشاورزی، همانند روش پیشنهادی نانوسیستم‌های رسانش دارو در بدن انسان، مواد شیمیایی را به‌ شیوه‌ای کنترل‌شده و هدفمند توزیع می‌کنند. وسایل نانومقیاس به‌دلیل برخورداری از خصوصیات نوین قادرند سیستم‌های کشاورزی را به‌ سیستم‌هایی هوشمند تبدیل کنند. این وسایل می‌توانند نسبت به‌ وضعیت‌های مختلف از خود واکنش نشان دهند و درنتیجه، عمل اصلاحی مناسب هر وضعیت را اتخاذ کنند.

6. بحث و نتیجه گیری
کودهای شیمیایی قابلیت بالایی در آلوده کردن خاک و آب و هوا دارند. به‌ همین دلیل، طی سال‌های اخیر تلاش‌هایی جهت به‌ حداقل رساندن معضلات زیست‌محیطی ناشی از مصرف کودهای شیمیایی مرسوم به‌وسیله طراحی کودهایی با فرمولاسیون جدید و بهینه صورت پذیرفته است. ظهور فناوری نانو و توسعه وسایل و مواد نانومقیاس امکان بهره‌گیری از کاربردهای بالقوه و بدیع این فناوری در عرصه‌های مختلف کشاورزی را فراهم آورده است. فناوری نانو برای تغییر دادن فرمولاسیون کودهای شیمیایی شیوه‌ای نوین را پیشنهاد کرده‌است. فرمولاسیون نانوساختار از طریق مکانیسم‌هایی مانند رسانش هدفمند و رهاسازی کنترل‌شده، این امکان را برای کودهای شیمیایی فراهم می‌آورد که عناصر غذایی خود را در پاسخ به محرک‌های محیطی و نیازهای زیستی با دقت بسیار بالا در خاک آزاد سازند. در این راستا، امکان استفاده از فناوری نانو به‌منظور توسعه مکانی سم‌هایی مانند احتباس کردن، کپسوله نمودن، و پراکندن مواد موثره در ماتریکسی از مواد تجزیه‌پذیر یا بی‌اثر که از قابلیت رهاسازی آرام و کنترل‌شده عناصر غذایی مورد نیاز گیاه برخوردارند وجود دارد. با استفاده از این نانوکودها می‌توان به‌ دستاوردهای شگرفی مانند کارآیی بالا، سازگاری با محیط زیست، رسانش هدفمند، رهاسازی کنترل‌شده هوشمند، و کاهش مصرف کودهای شیمیایی‌ای نائل آمد که ممکن است موجب بروز آلودگی در محیط‌های آبی، خاکی و همچنین در محصولات غذایی و زراعی شوند. به‌دلیل اینکه نانوکودها دارای فرمولاسیون بهینه‌شده هستند، امکان استفاده گسترده از آن‌ها در تولید محصولات زراعی فراهم است. بنابراین، فناوری نانو از پتانسیل عظیمی جهت دستیابی به‌ کشاورزی پایدار، خصوصا در کشورهای در حال توسعه، برخوردار است. بدون شک، با بهره‌گیری از مزایای فناوری نانو به‌عنوان یک فناوری پیشرفته نوظهور در بخش کشاورزی، می‌توان به‌ نتایج مطلوبی ازجمله تضمین امنیت غذایی و توسعه کشاورزی پایدار و سازگار با محیط زیست در کشورها و نواحی در حال توسعه جهان دست یافت.

منابـــع و مراجــــع

1. S.K Behera and R.K Panda, Integrated management of irrigation water and fertilizers for wheat crop using field experiments and simulation modeling. Agricultural Water Management. 96: 1532–1540, (2009).

2. K.G Mandal, K.M Hati and A.K Misra, Biomass yield and energy analysis of soybean production in relation to fertilizer-NPK and organic manure. Biomass and Bioenergy. 33: 1670–1679, (2009).

3. N Kottegoda, I Munaweera, N Madusanka and V Karunaratne, A green slow-release fertilizer composition based on urea-modified hydroxyapatite nanoparticles encapsulated wood. Current science. 101: 73-78, (2011).

4. C.R Chinnamuthu and P Murugesa Boopathi, Nanotechnology and Agroecosystem. Madras Agricultural Journal. 96: 17-31, (2009).

5. S.F Peteu, F Oancea, O.A Sicuia, F Constantinescu and S Dinu, Responsive polymers for crop protection. Polymer. 2: 229–251, (2010).

6. J.M Oh, T Biswick and J.H Choy, Layered nanomaterials for green materials. Mater. Chem. 19: 2553– 2563, (2009).

7. H.K No, S.P Meyers, W Prinyawiwatkul and Z Xu, Applications of chitosan for improvement of quality and shelf life of foods: A review. Journal of Food Science. 72: 87–100, (2007).

8. E Corradini, M.R Moura, L.H.C Mattoso, A preliminary study of the incorporation of NPK fertilizer into chitosan nanoparticles eXPRESS. Polymer Lett. 4: 509–15, (2010).

9. M.A Wilson, N.H Tran, A.S Milev, G.S.K Kannangara, H Volk and G.H.M Lu, Nanomaterials in soils. Geoderma. 146: 291–302, (2008).

10. K Ramesh, A.K Biswas, Somasundaram and A Subba Rao, Nanoporous zeolites in farming: current status and issues ahead. Current science. 99: 760-764, (2010).

11. G Millan, F Agosto, M Vazquez, L Botto, L Lombardi and L Juan, Use of clinoptilolite as a carrier for nitrogen fertilizers in soils of the Pampean regions of Argentina. Cienc. Inv. Agr. J. 35: 245–254, (2008).

12. R Lal, Challenges and opportunities in soil organic matter Research. European Journal of Soil Science. 60: 158–169, (2009).

13. A Spedding, Nanotechnology. Science and Technology for Farming and Food. pp. 1-155, (2011).

14. J Lu, E Choi, F Tamanoi, J.I Zink, Light activated nanoimpeller-controlled drug release in cancer cells, Small. 4: 421–426, (2008).

15. R Nair, V.S Hanna, G Nair Baiju, T Maekawa, Y Yoshida and D Sakthi Kumar, Nanoparticulate material delivery to plants. Plant Science. 179:.(2010) ,361–451