مروری کوتاه بر نانومواد شیمیایی کشاورزی

1. مقدمه

در حال حاضر تولید و توزیع جهانی به دلیل افزایش جمعیت، تغییرات آب و هوایی، آلودگی محیط زیست و افزایش تقاضاي آب و انرژي با حساسیت زیادي مواجه است[1]. بر اساس بررسی فعلی، جمعیت جهان روزانه در حال افزایش است و در عین حال نیازها نیز 50 درصد افزایش مییابد. در سال هاي اخیر، حوزه کشاورزي تحت تأثیر مسائل متعددي از جمله کاهش سود کشاورزي، کاهش منابع طبیعی، بیماري‌‌ها، گرم شدن زمین و تغییرات آب و هوایی قرار گرفته است. در عین حال، پاسخگویی به تقاضاي رو به رشد غذا با افزایش جمعیت بسیار دشوار است و همچنین یکی از زمینه هاي غیرقابل پیشبینی است که به متغیرهاي زیادي مانند آب و هوا، فصل، آب، وضعیت خاك و غیره بستگی دارد[2]، بنابراین سنجش، ثبت، بررسی و ذخیره داده هاي قابل اعتماد و دقیق همه اجزاي زنده و غیر زنده براي رفع چالش هاي کیفی و کمی تقاضاي مواد غذایی بسیار حیاتی است[3]. اگرچه داده‌هاي تحقیقاتی زیادي در این زمینه وجود دارد، اما یک دیدگاه کارشناسانه حول اهمیت نانوفناوري در کشاورزي، به عنوان نانو-مواد شیمیایی کشاورزي، متمرکز است. در این راستا، هدف اصلی، به حداکثر رساندن بازده (بازده محصول)، به حداقل رساندن ورودي (کودها، آفت کش‌ها و علفکش‌ها) و نظارت بر عوامل محیطی و اعمال اقدامات هدفمند است[4]. در حال حاضر به دلیل پتانسیل بالاي فناوري نانو براي بهبود جوانه زنی بذر، رشد و حفاظت از گیاهان از طریق انتشار کنترل شده مواد شیمیایی کشاورزي، با کاهش مقدار مواد شیمیایی مورد استفاده و به حداقل رساندن تلفات مواد مغذي در کود دهی، علاقه زیادي به تحقیقات در این زمینه وجود دارد[5]. تأثیر فناوري نانو به کاهش چالش هاي عمده کشاورزي کمک میکند(شکل 1).

اکثر فاکتورهاي اصلی مواد شیمیایی کشاورزي به طور چشمگیري مورد کاوش قرار گرفته اند تا کاربردهاي ارزشمند آنها در فناوري نانو و تجارت کشاورزي بدست آیند. اکثریت قریب به اتفاق سازمان ها به تازگی مجوزهایی را داده اند که دامنه وسیعی از روش ها را براي ترکیب و کاربرد نانو آفت کش ها افزایش داده اند[6].  اکنون سازمان ایمنی غذاي اروپا اعلام کرد که در حال حاضر مقدار کمی از آفت کش هاي نانو مشخص شده در دسترس است[7]. در کشاورزي، نانوفناوري براي تمامی فعالیت ها مانند تولید، فرآوري، ذخیره سازي و توزیع به کار میرود(شکل 2).

براي توسعه کشاورزي، روش هاي مختلفی از فناوري نانو در حوزه هاي مختلف در سیستم به کار میرود تا رویه هاي مفید براي انسان و سلامت محیط را گسترش دهد. هنگامی استفاده از نانو ذرات در کشاورزي یک مزیت به شمار میرود که ظرفیت انجام فعالیت هاي کشاورزي را داشته و منجر به پیامدهایی ناخواسته براي ضرر به سلامتی نشوند[8]. در مورد فوق، قرار گرفتن محیط زیست و انسان با بقایاي نانومواد موجود در خاك و گونه هاي گیاهی باعث تجمع زیستی در زنجیره غذایی و محیط مربوط به آن میشود که میتواند فواید و اثرات مضر جدیدي را در سلامت محیط زیست و انسان ایجاد کند. در این رویکرد مفهوم جدیدي به نام فناوري نانو سبز براي بهبود کشاورزي ایجاد شده است[9].  با گذشت زمان نانوذراتی که در کشاورزي رها میشوند، تأثیر بد و مضري بر کارگرانی میگذارد که در تماس با این که هنوز به طور کامل کشف نشده اند، میگذارند 1 زیست بیگانه هایی و مشکلات زیادي براي سلامتی ایجاد میکنند [,10 11]. با توجه به این بیان، استفاده زیاد از فناوري نانو در محیط زیست، خطرات شغلی را افزایش میدهد[12].  اولویت هاي تحقیقات سم شناسی بر اساس موضوعات ارزیابی اثرات مضر نانومواد بنا نهاده شده اند [15-13]. در این دسته از تحقیقات برخی از مسائل محوري براي توصیف خطرات نشان داده شده و مقرراتی براي آنها در نظر گرفته میشود. به طور کلی، این موضوعات مهم باید براي گسترش یک توافق مورد قبول و آگاهانه در مورد فناوري نانو در تجارت کشاورزي [16] هدایت شوند. بنابراین علاوه بر اینکه از مزایاي استفاده از نانومواد شیمیایی-  کشاورزي بهره برده می شود، بایستی مضرات آن نیز بررسی شده و براي حل این مشکلات راهکارهایی ارائه شده و مقرراتی وضع شود.

اصطلاح نانوفناوري ابتدا در سال 1974 معرفی شد. نامی که توسط نوریو ابداع شد. نانوفناوري که با تولید نانو ذرات سر و کار دارد و به افزایش بهره وري در کشاورزي کمک میکند، در سال هاي اخیر گسترش یافته و مطالعه در این زمینه در حال توسعه است[17]. در سال هاي اخیر مطالعات نشان میدهد که نانوذرات اندازه و شکل متفاوتی دارند و همچنین داراي ویژگی هاي بالینی واقعی نیز هستند. در اطراف ما گیاهان به دلیل تنش هاي زیستی و غیرزیستی با مشکلات زیادي مانند کاهش عملکرد محصول، در دسترس نبودن مواد مغذي و آلودگی محیطی مواجه هستند که کاربردهاي ویژهاي با معرفی فناوري نانو به دست می آورند[18].  براي حفاظت از محصول، به ویژه حفاظت از محصول در محل، طیف وسیعی از اجزاي تولیدي، قبل و بعد از کاشت، از گونه‌هاي گیاهی باغبانی تا گونه هاي گیاهی مزرعه مورد بررسی قرار میگیرند[19]. براي توسعه محصولات تراریخته، فناوري سنتز نانوذرات نقش حیاتی ایفا میکند[20]. علاوه بر این، فناوري نانو پاسخ هاي درخشانی را براي موقعیت‌هاي فزاینده محیطی ارائه میدهد. به عنوان مثال، نانوحسگرها براي نشان دادن فشار محیطی و بهبود پتانسیل‌هاي حفاظت محصولات کشاورزي در برابر بیماري و آفت تکامل یافته اند[21]. بنابراین، چنین پیشرفت بی وقفه اي در فناوري نانو با ویژگی هاي منحصر به فرد آن در شناخت موضوع و بهبود روش براي توسعه در حوزه کشاورزي ظرفیت مهمی را براي رضایتمندي کامل در جامعه در بردارد.

2. انواع نانومواد شیمیایی کشاورزی

نانو آفتکش و نانو کود دو واژه پرکاربرد هستند که بر اساس موضوعات داراي مفهوم واقعی هستند. طبق نظر آژانس فدرال ایالات متحده امریکا، توسعه نانومواد شیمیایی کشاورزي میتواند به عنوان یک عامل امیدوارکننده براي رشد گیاهان و کنترل آفات عمل کند. به طور کلی، کودها براي رشد گیاه بسیار مهم هستند و از نانومواد میتوان به عنوان کود استفاده کرد که با سمیت زیست محیطی کم به بهبود محصول کمک میکنند[22]. به عنوان مثال، که در اکثر کشورها به دلیل تولید زیاد، بقاي 1 پژمردگی فوزاریوم طولانی مدت قارچ در خاك و تولید نژادهاي مقاوم دیده می شود، به عنوان بیماري گوجه فرنگی و کاهو محسوب میشود. این بیماري را میتوان با کمک مواد شیمیایی تا حدودي کاهش داد. اما استفاده از مواد شیمیایی گران است و همیشه موثر نیست. استفاده از نانومواد به عنوان راه حلی جایگزین براي کنترل عوامل بیماري زاي گیاهی این بیماري در نظر گرفته شده است. در این راستا، سنتز نانومواد اکسید منیزیم(MgO)، اکسید مس(CuO)، اکسید روي(ZnO)، هیدروکسید منیزیم(MgOH)و اکسید منیزیم(MgO) با استفاده از عصاره هاي آبی پوست پونیکا ، شته سبز هلو و گل هاي بابونه رومی ، برگ هاي الیا اروپا گراناتوم به عنوان نانو کودهاي موثر با موفقیت انجام شده است[23].  تأثیر واقعی نانومواد بر گیاهان به اندازه، ترکیب، بار سطحی، غلظت و تغییرات فیزیکی و شیمیایی آنها بستگی دارد. روشهاي تجزیه اي مختلف مانند میکروسکوپ، تصویربرداري تشدید مغناطیسی و طیفسنجی فلورسانس به درك بهتر برهمکنش هاي بین گیاهان و نانومواد کمک میکنند[24].  نانوذرات داراي مزایاي بسیاري هستند و در فعالیت هاي رایج حفاظت از محصولات کشاورزي نیز در مقیاس بزرگ عمل میکنند[25]. تقریباً اکثر آفت کش ها به درستی عمل نمیکنند. گفته می شود که بیش از 90 درصد از آفت کش ها مورد استفاده به شکل نادرست بکار گرفته میشوند و در محیط از بین رفته و به محل مورد نظر نمیرسند و به طور مؤثر علف هاي هرز را در برابر محصولات کاهش نمیدهند[26]. این رویکرد در حال حاضر دیگر موثر نیست و تنها ارزش تولید گونه هاي گیاهی را افزایش میدهد. همچنین سیستم کشاورزي را از بین میبرد. کنترل آفات و بهره وري محصول را میتوان با معرفی مواد فعال خاص در حداقل غلظت‌هاي ویژه نانومواد در محل مورد نظر افزایش داد. بر این اساس، فناوري جدید براي حفاظت از گیاهان ایجاد شد که در زمینه تحقیقات کشاورزي مهم بود. این فناوري به نام نانوفرمولاسیون یا نانوکپسول هسازي آفت‌کش‌ها توسعه یافت که نقش مهمی در حفاظت از گیاهان دارد[27]. فناوري توسعه یافته به نام نانوکپسوله سازي آفت‌کش‌ها، در واقع ماده فعالی است که با مواد مختلف با اندازه هاي گوناگون در محدوده نانو پوشانده میشود. در این صورت میتوان مواد کپسوله شده را فاز داخلی ماده هسته (آفت کش) و ماده مورد استفاده براي کپسول سازي را فاز خارجی نامید[26]. به عبارت دیگر، افزایش تدریجی آفت کش ها یا علف کش ها نه تنها حلالیت آفت‌کش‌ها را در آب کاهش میدهد و اثرات نامناسبی بر موجودات زنده نمیگذارد، بلکه منجر به افزایش مهار میکروارگانیسم‌هاي هدف میشود. توسعه روش نانو فرمولاسیون به کاهش عوامل نامناسب کمک میکند[19]. به عنوان مثال، پتوسا و همکاران [28] نشان میدهند که تنظیم پتانسیل انتقال آفت کش ها عملکرد محصول را افزایش میدهد. نانوکپسول هاي پلیمري و پیرتروئیدبیفنترین با هم مخلوط شدند تا فرمول به شکل نانو را تشکیل دهند که با گذشت زمان، شویش بالایی را نشان میدهد. نانومواد مورد استفاده در فرمولاسیون آفت کش داراي ویژگی هاي مفیدي مانند استحکام خوب، نفوذ پذیري، پایداري حرارتی و همچنین زیست تخریب پذیري می شوند[27]. در جدول 1 تعدادي از نانوکپسول هاي حمل کننده آفت کش ها به همراه مشخصات آنها که سنتز شده اند جمع آوري شده است. ، تولید کنترل شده 2 با توجه به خصوصیات مدیریت تلفیقی آفات مواد فعال باعث کاهش کل محتواي آفت کش هاي ضروري براي کنترل آفات و بیماري ها میشود. محیط زیست به آفت‌کش‌هاي طبیعی و سازگار با محیط زیست و حداقل استفاده از آفت‌کش‌هاي شیمیایی نیاز دارد که محیط زیست را از اثرات مضر محافظت میکند و از گونه هاي غیر هدف دور میکند[39]. در چنین شرایطی استفاده از نانوذراتی که در کنترل آفات مؤثر بوده و اثرات مضر ناشی از موجودات را مهار میکند، مورد نیاز است. نانوذرات مواد فعال را به صورت کنترل شده آزاد میکنند که اطمینان از تماس کارآمد با حداقل اثرات بر محصولات کشاورزي را فراهم میکند[19]. دي خورخه مثالی براي این کار ارائه کرد و آن نانوسیلیس بود که در آب محلول نبود و میتوانست از طریق لایه کوتیکول آفت وارد آن شود و آفت را از بین ببرد[40]. دي خورخه و همکاران همچنین کشف کردند که نانوفیبر حاوي فرمون و حشره کش سیپرمترین براي جذب و از بین بردن کرم هلو به خوبی عمل می کند[41].

مطالعات بیشتر بر روي نانوفرمولاسیون آفت کش ها، اطلاعاتی را در مورد توسعه مقاومت اکتسابی سیستمی محصول در برابر علف هاي هرز ارائه میدهد. لی محتمل ترین مثال این امر را، فرمولاسیون نانوکره سیلیس معرفی کرد که ظرفیت ارتقاي کارایی باکتري کش را براي انتقال به گیاه، سپس ورود به شیره سلولی گیاه و درنهایت مهار رشد آفاتی مانند شته ها را دارد[42].

مطالعه دیگري نشان میدهد که نانو فرمولاسیون ، ویژگی هاي غیر سیستمی حشره کش ها را تغییر میدهد[43]. هنگامی که برگ هاي چاي با نانوذرات فلزي(AuNPs) تهیه شدند، فعالیت هاي غیر سیستمیک فربام میتواند تغییر کند و ظرفیت نفوذ را افزایش دهد. این تحقیقات مرز جدیدي از فرمول هاي حشره کش تقویت کننده را ارائه میکند تا بتواند مقاومت سیستمی گیاه را تقویت کند. تحقیق در مورد این موضوع مستلزم کسب جزئیات بیشتر در مورد خصوصیات منحصر بفرد و عملکرد حشره کش ها و واکنش آنها با درشت مولکول هاي بیولوژیکی در محیط یا در محصولات گیاهی است. در همین حال، پاتیل و همکاران توضیح دادند که نانوذرات نقره زیست فعال می توانند فعالیت کاتالیزوري تریپسین را کاهش داده و آفت را از بین ببرند[44].  برهمکنش هاي متنوع نانوذرات فلزي با پروتئین ها مانند برهمکنش کووالانسی، برهمکنش هاي الکترواستاتیکی و اتصال به گروه پیوند SH  اسید آمینه ممکن است دلایل مهار فعالیت آنزیم ها باشد[44].  نانوذرات سنتز شده کاربردهاي زیادي در محیط دارند و همچنین نقش حیاتی در کنترل آفات دارند[45]. مشخص شده است که عملکرد نانوذرات مس در برابر فیتوفتورا اینفنتنس گوجه فرنگی نسبت به محصولات تجاري برپایه مس موثرتر است[46]. مقدار بالاي آفات در کشاورزي باعث کاهش بهره وري محصولات در جهان میشود، در حالی که محصولات کشاورزي علاوه بر فائق آمدن بر این آفات باید عناصر ضروري نظیر نور و آب را نیز دریافت کنند[47]. به طور مشابه، کومار و همکاران[45] نشان دادند که نانوذرات پکتین (پلیساکارید) حاوي علفکش (متسولفورون متیل) بر روي گیاه سلمک براي کاهش استفاده از علف کش ها با بهبود کارایی و ایمنی محیطی می تواند مورد استفاده قرار بگیرد[19]. پاتیل توضیح داد که براي توسعه اسیدهاي آمینه در محیط، نانوذرات ترکیب شده با حشره کش هایی مانند علف کش ها، باکتري کش ها و قارچ کش ها نقش مهمی دارند[37]. اکسید منیزیم(MgO) ماده معدنی مهمی است که کاربردهاي زیادي مانند جاذب ها، بازدارندههاي آتش، سرامیکهاي پیشرفته، پاکسازي زبالههاي سمی و مواد الکترونیکی نور دارد. بنابراین، تکنیکها و روشهاي مختلفی براي سنتز این دسته از نانوذرات از جمله روشهاي سبز با استفاده از عصاره غیرسمی برگ چریش[48]، عصاره برگ لیمو و صمغ اقاقیا [49] گزارش شده است. عنصر روي به عنوان یک ریزمغذي ضروري براي فعالیت هاي متابولیک در گیاهان در نظر گرفته شده است، اگرچه به مقدار کمی در گیاهان مورد نیاز است. مشخص شده است که روي نقش مهمی در مدیریت گونه هاي فعال اکسیژن و محافظت از سلول هاي گیاهی در برابر تنش هاي اکسیداتیو دارد[50]. روي عملکردهاي مهمی در سنتز اکسین یا ایندول استیک اسید از تریپتوفان و همچنین در واکنش هاي بیوشیمیایی مورد نیاز براي تشکیل کلروفیل و کربوهیدرات ها دارد. عملکرد و کیفیت محصول می تواند تحت تأثیر کمبود روي باشد[51]. نانوذرات اکسید روي به عنوان یکی از آفت کش هاي همه کاره مطرح می شوند که توانایی مسدود کردن فوزاریوم، آلترناریا آلترنیت، پنی سیلیوم اکسپانسوم گرامینارو، اف. اکسی، آسپرژیلوس، موکورپلومبئوس، ریزوپوس استولونیفر اسپوروم را دارد، و همچنین بیماري هاي پسوینودوماوس فلاووس.  نانولوله هاي کربنی نیز میتوانند با افزایش جذب عناصر و استفاده از مواد مغذي به بهبود رشد گیاهان کمک کنند[52]. در نانوفرمولاسیون می توان از ویروس هاي گیاهی کروي شکل که به عنوان نانومواد طبیعی شناخته می شوند استفاده کرد. کوچکترین ویروس گیاهی شناخته شده، ویروس نکروز تنباکو انگلی است که قطر آن تنها 18 نانومتر است. توانایی آنها براي رساندن ژنوم اسید نوکلئیک به یک مکان خاص در سلول میزبان، تکثیر، بسته شدن اسید نوکلئیک و خارج شدن از سلول میزبان شیوه کاملا منظم، استفاده از آنها در فناوري نانو را ضروري کرده است. مروري کامل بر روي استفاده از ویروس هاي گیاهی به عنوان الگوهاي زیستی براي نانومواد و کاربردهاي آنها اخیراً توسط یانگ و همکاران انجام شده است[53, 54]. از طرف دیگر، نانوحسگرهاي زیستی یکی از فناوري هایی است که با مدیریت مناسب آب، زمین، کودها و آفت‌کش‌ها به افزایش عملکرد محصول کمک میکند. نسبت سطح به حجم بالا، سینتیک انتقال سریع الکترون، حساسیت و پایداري بالا با عمر طولانیتر مزیت اصلی آن نسبت به حسگرهاي معمولی است[,52 53]. به عنوان مثال، نانوحسگر زیستی بر مبناي فلوئوروسانس و طیف سنجی رامان بهبود یافته سطحی (SERS)، دو حسگر نوري رایج با استفاده از درشت مولکول هاي زیستی/ اکسید فلز هستند که به شناسایی یون هاي فلزي در آب رودخانه یا خاك کمک می کند. در بین آفت کش ها، ارگانوفسفات ها، نئونیکوتینوئیدها، کاربامات ها و آترازین ها به عنوان دسته هاي غالب در نظر گرفته میشوند و بقایاي آنها به دلیل همگنی کم، در غلظت هاي پایین تري براي مدت طولانی تري در خاك یافت میشوند که به کمک نانوحسگرهاي زیستی اندازه گیري می شوند[55]. اندازه گیري برخی از آفت کش هایی با استفاده از نانوحسگرها نیز با کمک برهمکنش آنتی ژن-آنتی بادي انجام می شود. اوره پرکاربردترین کود براي تولید محصولات زراعی است. این آلاینده هم در آب و هم در خاك می تواند با استفاده از رنگ سنجی میکرو سیال شناسایی شود[,56 .[57

3. روش هاي تشخیص و تعیین نانومواد شیمیایی کشاورزي

تشخیص و تعیین کمی نانوذرات / نانومواد موجود در محیط به دلیل اندازه کوچک و غلظت کم آنها و همچنین به دلیل وجود نانوذرات طبیعی که با ترکیب عنصري مشابه است، بسیار دشوار است[58]. به طور کلی نمونه هاي کشاورزي از نظر طبیعت ناهمگن هستند چون حاوي مخلوطی از نانوذرات طبیعی و مهندسی شده در ترکیبات مختلف هستند. در برخی موارد لازم است نمونه ها قبل از شناسایی جدا شوند، که به کاهش پیچیدگی ماتریس‌هاي نمونه کمک میکند. چندین روش جداسازي و مشخصه یابی را میتوان براي تشخیص نانومواد یا نانوذرات در نمونه‌هاي کشاورزي استفاده کرد(شکل 3) [,59 60].کروماتوگرافی به طور معمول به جداسازي ترکیبات بر اساس پارامترهاي مختلف مانند بار(کروماتوگرافی تبادل کاتیونی ضعیف / قوي یا آنیونی)، جرم مولکولی(کروماتوگرافی حذف اندازه، آبگریزي / قطبیت (HPLC فاز معکوس، کروماتوگرافی برهمکنش آبگریز) و ویژگی‌هاي خاص(کروماتوگرافی میل ترکیبی)، بسته به نوع مواد در فاز ساکن کمک میکند[61]. کروماتوگرافی هیدرودینامیکی نیز یک روش بسیار کارآمد براي جداسازي نانوذرات یا نانومواد از نمونه هاي کشاورزي بر اساس شعاع هیدرودینامیکی آنها است[62].

پرکاربردترین روش هاي تشخیص نانوذرات / نانومواد در نمونه هاي کشاورزي عبارتند از: پراکندگی نور دینامیکی(DLS)، روش هاي میکروسکوپی و طیف سنجی، تشدید پلاسمون سطحی (SPR) و خود فلورسانس. یکی از روش هایی که براي ارائه اطلاعات ساختاري استفاده میشود، روش کلاسیک پراکندگی نور است[63].   DLS همچنین به عنوان طیف سنجی همبستگی فوتون شناخته میشود که از نور پراکنده براي اندازه گیري سرعت انتشار نانوذرات / نانومواد استفاده میکند و توزیع اندازه را ارائه میدهد. در برخی از مطالعات گذشته از این روش به منظور سنجش و تعیین پروتئین هاي انباشته، تعیین و مشخص کردن اندازه نانوکپسول هاي لیپیدي، اندازه‌گیري اندازه ذرات طبیعی موجود در شیر استفاده شده است[64]. اما تعیین کمی وجود هر گونه تجمعی با استفاده از DLS بسیار دشوار است. این مشکل را می توان با استفاده از روش تجزیه فاز پراکندگی نور (PALS) حل کرد که به تعیین نقطه ایزوالکتریک و محلول تحرك الکتروفورتیک کمک میکند. پراکندگی نور استاتیک نیز یکی دیگر از روش هاي پراکندگی نور، سریع، تکرارپذیر و پرکاربرد است[65].  در میان تمام روش هاي میکروسکوپی، روش هاي میکروسکوپ الکترونی به طور گسترده اي براي تعیین اندازه، شکل و سایر خواص عنصري نانوذرات / نانومواد استفاده میشود. میکروسکوپ الکترونی عبوري (TEM) یکی از روش هاي تصویربرداري در مقیاس نانو ضروري براي توصیف نانوذرات کمتر از 200 نانومتر در نمونه هاي کشاورزي است. در TEM، الکترون‌ها از طریق نمونه منتقل میشوند (از نمونه عبور می کنند) تا تصویري با وضوح 5/0 نانومتر به دست آورند[66]. TEM همراه با یک آشکارساز طیف سنج پراکندگی انرژي EDS) یا (EDX براي بدست آوردن ترکیبات عنصري نانوذرات / نانومواد استفاده میشود و همچنین میتواند اندازه، شکل هندسی و توزیع اندازه نانوذرات را با دقت بالایی ارائه دهد[67]. از این روش میتوان براي متمرکز سازي و شناسایی ذرات معدنی استفاده کرد. میکروسکوپ نیروي اتمی(AFM)  نیز ابزاري قدرتمند براي بررسی اطلاعات دقیق ساختاري در نظر گرفته میشود. AFM  میتواند بی‌نظمی هایی را در ساختار پلیمري که معمولاً مانع از تشخیص در کل آنالیزهاي مبتنی بر نمونه میشود، تشخیص دهد. بنابراین، تصویربرداري AFM پتانسیل مشخص نمودن مجموعه هاي ناهمگن یکپارچه درشت مولکول‌هاي مواد غذایی را فراهم میکند.[68] SEM-Cryo/TEM-Cryo  را نیز می توان براي به دست آوردن تصاویر با وضوح بالا از نمونه هاي بیولوژیکی تحت خلاء بالا و دماي کمتر از محیط (بین -100 درجه سانتیگراد و -175 درجه سانتیگراد) استفاده کرد. تصاویر میکروسکوپ کانفوکال تجمعات نانوذرات را در اپیدرم ریشه، قشر و برخی از دانه هاي نانوذرات در آوندهاي چوبی نشان می دهد.[69] SPR  یا رویکردهاي مبتنی بر طیف سنجی رامان تقویت شده سطحی نیز براي اندازه گیري نانوذرات استفاده میشوند[70].  همچنین می توان از خود فلورسانس براي آنالیز نمونه هاي کشاورزي استفاده کرد.علاوه بر این، جذب نانوذرات و شرایط درون سلولی با تجزیه میکروسکوپ نوار یونی، TEM، تجزیه رامان و میکروسکوپ اسکن لیزري کانفوکال دنبال میشود.

4. اهمیت نانوفناوري در توسعه پایدار کشاورزي

نانوفناوري با کنترل تولید مواد مغذي، جایگاه مهمی در توسعه کشاورزي دارد و این گامی حیاتی براي افزایش بهره وري محصول است[71]. مشاهدات کیفیت آب و استفاده صحیح از آفت کش ها نقش عمدهاي در حفظ و مدیریت کشاورزي دارد[72]. مطالعه روي نانوذرات توضیح میدهد که نانوذرات داراي ترکیب شیمیایی یکسانی هستند که شکل یا اندازهاي متغیر و همچنین سمیت مختلفی را نشان میدهند. محققان با مطالعه روي نانو آفت‌کش‌ها در کشاورزي به این نتیجه رسیده اند که استفاده از نانوآفت کش ها براي توسعه پایدار مهم هستند. ظهور فناوري نانو در مدیریت منابع، حفظ حاصل خیزي خاك و تکنیک انتقال دارو، در توسعه پایدار مفید و کاربردي است. همچنین استفاده از نانوفناوري براي بررسی توسعه پایدار ضایعات طبیعی و توده مواد غذایی به عنوان ابزار شناسایی مفید است. نانوحسگرها به دلیل قدرت و ظرفیت نظارت سریع براي تشخیص حضور میکروارگانیسم هاي موجود در آب یا خاك به طور گسترده در محیط زیست استفاده میشوند. بسیاري از تجهیزات مانند حسگرهاي زیستی، حسگرهاي نوري، حسگرهاي الکتروشیمیایی براي تشخیص نانوذرات استفاده میشوند[73]. نانوذرات کاربردهاي بسیاري در فعالیت هاي کشاورزي دارند و باعث بهبود کاتالیز، تخریب ضایعات و نابودي مواد سمی مضر میشوند. علاوه بر این، مواد مضر و بدون مصرف را توسط میکروارگانیسم ها تخریب می‌کنند. تخلیه سموم و مواد خطرناك از خاك و آب باغبانی باید با پاكسازي زیستی توسط میکروارگانیسم‌ها امکانپذیر باشد. به طور خاص، برخی از روشهاي مختلف مانند زیست پالایی (جانداران سودآور)، گیاه پالایی معمولاً براي این و مایکورپالایی امر مورد استفاده قرار می گیرند[76-74]. درنتیجه، با پیش فرآوري محیط هاي آلوده با ترکیبات به طور قابل توجهی میتوان منابع طبیعی را حفظ کرده و و به طور حرف هاي میکروب ها را دفع کرد[77]. بنابراین، روند پیش فرآوري واسطه هاي آلوده به ایجاد نوآوري هایی براي جداسازي و تشخیص آلودگی‌ها کمک میکند. در این بین، استفاده از نانوفناوري براي از بین بردن اجزاي سمی خاك کشاورزي و اقتصادي کردن آن بسیار قابل توجه است[78].  نانوکودها ممکن است حاوي نانو ذرات روي، سیلیس، آهن، دي اکسید تیتانیوم، نقاط کوانتومی پوسته هسته ZnS/ZnCdSe، نقاط کوانتومی پوسته هسته ZnS/InP، نانومیله هاي منگنز/ ZnSe  و یا نانومیله هاي طلا و غیره باشند که باید از تحویل، کنترل و بهبود کیفیت آن پشتیبانی کند. بررسی میزان جذب، فرایند آلی و مضر بودن چندین نانوذره ماننداکسیدفلزي، اکسیدآلومینیوم، دي اکسید تیتانیوم، اکسید سریم، اکسیدآهن و نانوذرات اکسیدروي در سالیان اخیر براي کاربرد کشاورزي به طور جدي مورد مطالعه قرار گرفته اند[78]. کمبود روي به عنوان یکی از مشکلات اساسی خاك در محدود کردن کارایی باغبانی گزارش میشود[,78 79]. در طول این قرن، تجارت زیرکانه کشاورزي رویکردي براي بهبود عملکرد پاسخ کوتاه مدت و بلند مدت در مواجهه با تغییرات محیطی است و به عنوان یک عامل موثر در در دنیاي امروزي تلقی می شود[80]. به نظر میرسد که این دیدگاه به کشورها و سایر دیدگاه هاي مفید در حصول اطمینان از کاربردهاي مهم کشاورزي کمک کند[81]. در چند سال گذشته، تحقیقات کشاورزي در درجه اول بر روي شناخت و توسعه مواد مهم و ویژگی هاي آنها هدایت و متمرکز شده است. یک دسته مهم از این مواد، نانوساختارها هستند. مواد نانوساختار هنگامی که به عنوان مبدل یا به عنوان بخشی در گجت تشخیص تخمینی در مقیاس کامل مورد استفاده قرار میگیرند، نکات جالبی را در علوم کشاورزي ثابت کردند. به عنوان مثال، نانوذراتطلا ممکن است به عنوان مبدل براي پیشرفت کاربردهاي کشاورزي استفاده شود. نانوذرات طلا پلاسماي سطح قابل توجهی در حدود 520 نانومتر دارد. براي بهبود گجتهاي حسگر زیستی، نانوذرات طلا میتوانند به دلیل خواص بیشماري مانند مساحت بالاي سطح و خواص فیزیکوشیمیایی استفاده شوند. همچنین، این نانوذرات به دلیل سمیت کم، زیستسازگاري و ویژگیهاي نوري خارقالعاده در بررسیهاي آلی حائز اهمیت می باشند[,81 82]. به این ترتیب، استفاده از ذرات در مقیاس نانو، نکات مورد توجه متعددي را نسبت به سیستم هاي معمولی ایجاد میکند. همچنین، نانومواد نقش مهمی در حفاظت از محصولات کشاورزي دارند. نانوذرات داراي عملکردهاي بسیار زیادي هستند که یکی از عملکردهاي اصلی آن کنترل آفات حشرات است که با افزایش بهره وري باعث افزایش عملکرد در کشاورزي میشود[,83 84]. نانو آفت کش هاي سنتز شده که سازگار با محیط زیست می باشند،کمتر مضر بوده و به طور موثر از محصولات در محیط محافظت میکنند[,26 82]. سنتز نانو آفت کش هاي غیر سمی و سازگار با محیط زیست، بهره وري جهانی غذا را بدون ایجاد هیچ گونه اثرات مضر براي محیط زیست افزایش می دهد[85].

5. بهره وری

کاربردهاي نانوفناوري اکنون در مرحله تحقیق، آزمایش و استفاده در طیف هاي مختلف فناوري مواد غذایی، از کشاورزي گرفته تا فرآوري مواد غذایی، بسته بندي و مکمل هاي غذایی است. دامنه وسیع کاربرد نانومواد به دلیل خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی منحصر به فرد این ساختارها است. در سال هاي اخیر، کاربرد نانوفناوري در زمینه کشاورزي به دلیل سطح بزرگ ذرات آن که به افزایش واکنش پذیري کمک میکند، مورد توجه قرار گرفته است. نانومواد تهیه شده توسط پیش سازهاي سبز و دوستدار محیط زیست به افزایش پتانسیل کشاورزي کمک میکنند که باعث بهبود فرآیند کود دهی، تنظیم کننده هاي رشد گیاه، تحویل سموم جزء فعال به مکان هاي هدف، تصفیه فاضلاب و همچنین افزایش جذب مواد مغذي در گیاه میشود. همچنین، این ساختارها باعث به حداقل رساندن میزان مواد شیمیایی مضر که محیط را آلوده میکنند، میشوند. به عنوان بخشی از ایمنی زیستی، نانوحسگرهاي زیستی به دلیل سیستم هاي سریع، حساس و مقرون به صرفه با کاربرد گسترده در فعالیت هاي مختلف انسانی مانند مراقبت هاي بهداشتی، کشاورزي، تجزیه ژنوم، غذا و نوشیدنی، صنایع فرآیندي، نظارت بر محیط زیست و ،... تقاضاي زیادي دارند. فناوري نانو در کشاورزي ممکن است چند دهه طول بکشد تا از تحقیقات آزمایشگاهی به کاربرد میدانی برسد. براي دستیابی به آن نیاز به سرمایه گذاري و درك پایدار از سوي برنامه ریزان و مدیران علمی همراه با انتظارات معقول است.

6. منابع

Y. Shang, M.K. Hasan, G.J. Ahammed, M. Li, H. Yin, J. Zhou, Molecules. 24, 14 (2019).

M. Usman, M. Farooq, A. Wakeel, A. Nawaz, S.A. Cheema, H. ur Rehman, I. Ashraf, M. Sanaullah, Sci. Total Environ. 721, 137778 (2020).

P. Zhang, Z. Guo, S. Ullah, G. Melagraki, A. Afantitis, I. Lynch, Nat. Plants. 7, 7 (2021).

A. Acharya, P.K. Pal, NanoImpact. 19, 100232 (2020).

A. Malakar, S.R. Kanel, C. Ray, D.D. Snow, M.N. Nadagouda, Sci. Total Environ.. 759, 143470 (2021).

R.J. Peters, H. Bouwmeester, S. Gottardo, V. Amenta, M. Arena, P. Brandhoff, H.J. Marvin, A. Mech, F.B. Moniz, L.Q. Pesudo, Trends in Food Sci. Technol.. 54, 155(2016).

N. Omerović, M. Djisalov, K. Živojević, M. Mladenović, J. Vunduk, I. Milenković, N.Ž. Knežević, I. Gadjanski, J. Vidić, Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 20, 3 (2021).

P. Pramanik, P. Krishnan, A. Maity, N. Mridha, A. Mukherjee, V. Rai, Environmental Nanotechnology Volume 4. 317(2020).

A. Sridhar, M. Ponnuchamy, P.S. Kumar, A. Kapoor, Environ. Chem. Lett.. 19, 2 (2021).

Z. Iqbal, M.I. Ansari, A.G. Memon, G. Gupta, M.S. Iqbal, Nanomaterials in Combating Plant Stress: An Approach for Future Applications, in: J.M. Al-Khayri, M.I. Ansari, A.K. Singh (Eds.), Nanobiotechnology : Mitigation of Abiotic Stress in Plants, (Springer International Publishing, Cham, 2021), pp. 561-576.

A. Kumar, A. Choudhary, H. Kaur, S. Guha, S. Mehta, A. Husen, Chemosphere. 295, 133798 (2022).

S.S. Salem, A. Fouda, Biol. Trace Elem. Res. 199, 1 (2021).

N. Mitter, K. Hussey, Nature Nanotech. 14, 6 (2019).

K. Jabeen, F. Anum, Myco-nanotechnology in Agriculture, in: S. Javad (Ed.), Nanoagronomy, (Springer International Publishing, Cham, 2020), pp. 53-68.

L. Castillo-Henríquez, K. Alfaro-Aguilar, J. Ugalde-Álvarez, L. Vega-Fernández, G. Montes de Oca-Vásquez, J.R. Vega-Baudrit, Nanomaterials. 10, 9 (2020).

N. Kučuk, M. Primožič, Ž. Knez, M. Leitgeb, Int. J. Mol. Sci. 24, 4 (2023).

D. Wang, N.B. Saleh, A. Byro, R. Zepp, E. Sahle-Demessie, T.P. Luxton, K.T. Ho, R.M. Burgess, M. Flury, J.C. White, C. Su, Nature Nanotech. 17, 4 (2022).

Y.W. Chen, H.V. Lee, J.C. Juan, S.-M. Phang, Carbohydr. Polym. 151, 1210(2016).

S.A. Younis, K.-H. Kim, S.M. Shaheen, V. Antoniadis, Y.F. Tsang, J. Rinklebe, A. Deep, R.J.C. Brown, Renew. sustain. energy rev. 152, 111686 (2021).

K. Paunovska, D. Loughrey, J.E. Dahlman, Nat. Rev. Genet. 23, 5 (2022).

S.-Y. Kwak, M.H. Wong, T.T.S. Lew, G. Bisker, M.A. Lee, A. Kaplan, J. Dong, A.T. Liu, V.B. Koman, R. Sinclair, C. Hamann, M.S. Strano, Annu. Rev. Anal. Chem. 10, 1 (2017).

C. An, C. Sun, N. Li, B. Huang, J. Jiang, Y. Shen, C. Wang, X. Zhao, B. Cui, C. Wang, X. Li, S. Zhan, F. Gao, Z. Zeng, H. Cui, Y. Wang, J. Nanobiotechnology. 20, 1 (2022).

R. Grillo, L.F. Fraceto, M.J.B. Amorim, J.J. Scott-Fordsmand, R. Schoonjans, Q. Chaudhry, J. Hazard. Mater. 404, 124148 (2021).

H. Chhipa, Chapter 6 - Applications of nanotechnology in agriculture, in: V. Gurtler, A.S. Ball, S. Soni (Eds.), Methods in Microbiology, (Academic Press 2019), pp. 115-142.

H. Singh, A. Sharma, S.K. Bhardwaj, S.K. Arya, N. Bhardwaj, M. Khatri, Environ. Sci, Process Impacts 23, 2 (2021).

M. Nuruzzaman, M.M. Rahman, Y. Liu, R. Naidu, J. Agric. Food Chem. 64, 7 (2016).

I. Ul Haq, S. Ijaz, Use of Metallic Nanoparticles and Nanoformulations as Nanofungicides for Sustainable Disease Management in Plants, in: R. Prasad, V. Kumar, M. Kumar, D. Choudhary (Eds.), Nanobiotechnology in Bioformulations, (Springer International Publishing, Cham, 2019), pp. 289-316.

A.R. Petosa, F. Rajput, O. Selvam, C. Öhl, N. Tufenkji, Water Res. 111, 10(2017).

C.R. Maruyama, M. Guilger, M. Pascoli, N. Bileshy-José, P.C. Abhilash, L.F. Fraceto, R. de Lima, Sci. Rep.. 6, 1 (2016).

J. Jampilek, K. Zaruba, M. Oravec, M. Kunes, P. Babula, P. Ulbrich, I. Brezaniova, R. Opatrilova, J. Triska, P. Suchy, Biomed Res. Int. 2015, (2015).

S. Kumar, G. Bhanjana, A. Sharma, M.C. Sidhu, N. Dilbaghi, Carbohydr. Polym. 101, 1061(2014).

N. Memarizadeh, M. Ghadamyari, M. Adeli, K. Talebi, Ecotoxicol. Environ. Saf.. 107, 77(2014). 33. C. Sun, K. Shu, W. Wang, Z. Ye, T. Liu, Y. Gao, H. Zheng, G. He, Y. Yin, Int. J. Pharm.. 463, 1 (2014).

R. Grillo, A.E.S. Pereira, C.S. Nishisaka, R. de Lima, K. Oehlke, R. Greiner, L.F. Fraceto, J. Hazard. Mater.. 278, (2014).

J. Jerobin, R.S. Sureshkumar, C.H. Anjali, A. Mukherjee, N. Chandrasekaran, Carbohydr. Polym.. 90, 4 (2012).

A. Chevillard, H. Angellier-Coussy, V. Guillard, N. Gontard, E. Gastaldi, Journal of Hazardous Materials. 205, 32(2012).

V. Saharan, A. Mehrotra, R. Khatik, P. Rawal, S.S. Sharma, A. Pal, Int. J. Biol. Macromol. 62, 677(2013).

R. Grillo, N.F.S. de Melo, R. de Lima, R.W. Lourenço, A.H. Rosa, L.F. Fraceto, J. Polym. Environ. 18, 1 (2010).

A. Rastogi, D.K. Tripathi, S. Yadav, D.K. Chauhan, M. Živčák, M. Ghorbanpour, N.I. ElSheery, M. Brestic, 3 Biotech. 9, 3 (2019).

R. Liu, R. Lal, Science of The Total Environment. 514, 131(2015).

B. Czarnobai De Jorge, R. Bisotto-de-Oliveira, C.N. Pereira, J. Sant'Ana, Pest Manag. Sci. 73, 9 (2017).

A. do Espirito Santo Pereira, H. Caixeta Oliveira, L. Fernandes Fraceto, C. Santaella, Nanomaterials. 11, 2 (2021).

R. Hou, Z. Zhang, S. Pang, T. Yang, J.M. Clark, L. He, Environ. Sci. Technol.. 50, 12 (2016).

C.D. Patil, H.P. Borase, R.K. Suryawanshi, S.V. Patil, Enzyme Microb. Technol. 92, 18(2016).

S. Kumar, G. Bhanjana, A. Sharma, N. Dilbaghi, M.C. Sidhu, K.-H. Kim, Sci. Total Environ. 586, 1272(2017).

W. Elmer, J.C. White, Annu. Rev. Phytopathol. 56, 1 (2018).

Z. Xiao, N. Fan, W. Zhu, H. Qian, X. Yan, Z. Wang, S. Rasmann, ACS Nano. 17, 3107(2023).

S.K. Moorthy, C.H. Ashok, K.V. Rao, C. Viswanathan, Mater. Today: Proc. 2, 9, Part A (2015).

S. Abinaya, H.P. Kavitha, M. Prakash, A. Muthukrishnaraj, Sustain. Chem. Pharm. 19, 100368 (2021).

S. Husain, A. Nandi, F.Z. Simnani, U. Saha, A. Ghosh, A. Sinha, A. Sahay, S.K. Samal, P.K. Panda, S.K. Verma, J. Funct. Biomater. 14, 1 (2023). 51. H. Chhipa, Environ. Chem. Lett. 15, 1 (2017).

H.S. Bindra, B. Singh, 3 - Nanofertilizers and nanopesticides: Future of plant protection, in: S. Jogaiah, H.B. Singh, L.F. Fraceto, R.d. Lima (Eds.), Advances in Nano-Fertilizers and Nano-Pesticides in Agriculture, (Woodhead Publishing 2021), pp. 57-84.

N. Joudeh, D. Linke, J. Nanobiotech. 20, 1 (2022).

M. Young, D. Willits, M. Uchida, T. Douglas, Annu. Rev. Phytopathol.. 46, 1 (2008).

O. Delgadillo-Vargas, R. Garcia-Ruiz, J. Forero-Álvarez, Agric. Ecosyst. Environ. 218, 150(2016).

A.K. Srivastava, A. Dev, S. Karmakar, Environ. Chem. Lett. 16, 1 (2018).

M. Kaushal, S.P. Wani, Nanosensors: Frontiers in Precision Agriculture, in: R. Prasad, M. Kumar, V. Kumar (Eds.), Nanotechnology: An Agricultural Paradigm, (Springer Singapore, Singapore, 2017), pp. 279-291.

T.A. Saleh, Trends Environ. Anal. Chem.. 28, e00101 (2020).

R.P. Singh, R. Handa, G. Manchanda, J. Controlled Release. 329, 1234(2021).

B. Bocca, F. Barone, F. Petrucci, F. Benetti, V. Picardo, V. Prota, G. Amendola, Food Chem. Toxicol.. 146, 111816 (2020).

W. Fu, J. Min, W. Jiang, Y. Li, W. Zhang, Sci. Total Environ. 721, 137561 (2020).

A.S. Tsagkaris, S.G. Tzegkas, G.P. Danezis, J. Food Sci. Technol.. 55, 8 (2018).

R. Singh, N. Kumar, R. Mehra, H. Kumar, V.P. Singh, Trends Environ. Anal. Chem. 26, e00086(2020).

M. Sajid, J. Płotka-Wasylka, Microchem. J. 154, 104623 (2020).

H. Cai, E.G. Xu, F. Du, R. Li, J. Liu, H. Shi, J. Chem. Eng. 410, 128208(2021).

S. Shakiba, C.E. Astete, S. Paudel, C.M. Sabliov, D.F. Rodrigues, S.M. Louie, Environ. Sci.: Nano. 7, 1 (2020).

Y. Picó, TrAC Trends Anal. Chem. 84, 149(2016).

A. Samsidar, S. Siddiquee, S.M. Shaarani, Trends Food Sci. Technol. 71, 188(2018).

T. Rasheed, M. Bilal, F. Nabeel, M. Adeel, H.M.N. Iqbal, Environ. Int. 122, 52(2019).

R.Jackson, B.A. Logue, Anal. Chim. Acta. 960, 18(2017).

N. Dasgupta, S. Ranjan, C. Ramalingam, Environ. Chem. Lett. 15, 4 (2017).

R. Prasad, A. Bhattacharyya, Q.D. Nguyen, Front. Microbiol.. 8, 1014 (2017).

A. Syafiuddin, Salmiati, M.R. Salim, A. Beng Hong Kueh, T. Hadibarata, H. Nur, J. Chin. Chem. Soc. 64, 7 (2017).

A. Shafi, J. Qadir, S. Sabir, M. Zain Khan, M.M. Rahman, Nanoagriculture: A Holistic Approach for Sustainable Development of Agriculture, in: O.V. Kharissova, L.M.T. Martínez, B.I. Kharisov (Eds.), Handbook of Nanomaterials and Nanocomposites for Energy and Environmental Applications, (Springer International Publishing, Cham, 2020), pp. 1-16.

S.A. Ashraf, A.J. Siddiqui, A.E.O. Elkhalifa, M.I. Khan, M. Patel, M. Alreshidi, A. Moin, R. Singh, M. Snoussi, M. Adnan, Sci. Total Environ. 768, 144990(2021).

D.J. McClements, ACS Omega. 5, 46 (2020).

R. Dixit, Wasiullah, D. Malaviya, K. Pandiyan, U.B. Singh, A. Sahu, R. Shukla, B.P. Singh,J.P. Rai, P.K. Sharma, H. Lade, D. Paul, Sustainability. 7, 2 (2015).

P. Marzbani, Y.M. Afrouzi, A. Omidvar, Maderas. Ciencia y tecnología. 17, 1 (2015).

A. Sahoo, J. Sethi, K.B. Satapathy, S.K. Sahoo, G.K. Panigrahi, Nanotech. Environ. Engin. 1(2022).

A. Solomon, Res. J. Nanosci. Eng. 2, (2018).

A. Bhattacharyya, P. Duraisamy, M. Govindarajan, A.A. Buhroo, R. Prasad, NanoBiofungicides: Emerging Trend in Insect Pest Control, in: R. Prasad (Ed.), Advances and Applications Through Fungal Nanobiotechnology, (Springer International Publishing, Cham, 2016), pp. 307-319.

S. Gottardo, A. Mech, J. Drbohlavová, A. Małyska, S. Bøwadt, J. Riego Sintes, H. Rauscher, NanoImpact. 21, 100297(2021).

J.L. de Oliveira, E.V.R. Campos, M. Bakshi, P.C. Abhilash, L.F. Fraceto, Biotech. Adv. 32, 8 (2014).

W. Nilmini, J. Res. Tech. Engin. 2, 1 (2021).

C. Bartolucci, A. Antonacci, F. Arduini, D. Moscone, L. Fraceto, E. Campos, R. Attaallah, A. Amine, C. Zanardi, L.M. Cubillana-Aguilera, J.M. Palacios Santander, V. Scognamiglio, TrAC Trends Anal. Chem.. 125, 115840(2020).