نانوذرات در کشاورزی

 2-1- نانوتکنولوژی و کشاورزی…………………………………………………………………………………………………..

2-2- نانوذرات و انواع آن……………………………………………………………………………………………………………

2-3- نانوذرات اکسید فلزی…………………………………………………………………………………………………………

2-4- نانوذرات اکسیدروی………………………………………………………………………………………………………….

2-5- عنصر روی و نقش آن در گیاه……………………………………………………………………………………………..

2-6- فیزیولوژی و بیوشیمیایی عنصر روی در گیاهان……………………………………………………………………..

2-7- مکانیسم عمل اکسیدروی در گیاه ……………………………………………………………………………………….

2-8- اثر نانوذرات بر بذر و رشد گیاهان ………………………………………………………………………………………

2-9- سمیت نانوذرات برای گیاهان………………………………………………………………………………………………

منابع

نانوذرات در کشاورزی

نانوتکنولوژی و کشاورزی

تعاریف متفاوتی برای نانوذرات در مدارک و اسناد موجود است. اخیراً سازمان استاندارد بین المللی[2]، تعریفی جدید برای نانوذرات ارائه کرده است. طبق این تعریف نانوذرات به ذراتی گفته می­شود که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس نانو باشد. منظور از مقیاس نانو در این تعریف اندازه­ای است که در حد 100-1 نانومتر باشد (کریلینگ، 2010). تاریخچه نانو مواد بسیار طولانی است اما با این وجود بخش اعظم پیشرفت­هایی که در زمینه نانوتکنولوژی صورت گرفته است، تنها به دو دهه گذشته باز می­گردد. ایده نانوتکنولوژی برای اولین بار توسط ریچارد فینمن[3] در سال 1959 مطرح گردید و در سال 1970 ناریو تانیگوچی[4] برای اولین بار اصطلاح نانوتکنولوژی را تعریف نمود (اش، 2011).

به دلیل اثرات مضری که کودهای شیمیایی در محیط زیست و کیفیت غذا ایجاد می­کنند، مدتها است که استفاده از آنها مورد نکوهش قرار گرفته است. در نانوکودها به عنوان جایگزین کودهای مرسوم، عناصر غذایی کود به تدریج و به صورت کنترل شده در خاک آزاد می­شوند و در نتیجه از آلودگی آب آشامیدنی جلوگیری به عمل خواهد آمد. در حقیقت با بهره گیری از فناوری نانو در طراحی و ساخت نانوکودها، فرصت­های جدیدی به منظور افزایش کارایی مصرف عناصر غذایی و به حداقل رساندن هزینه­های حفاظت از محیط زیست، پیش روی انسان گشوده شده است (نادری و عابدی، 2012).

استفاده از فناوری نانو در کلیه عرصه­ها از جمله کشاورزی در حال گسترش می­باشد. یکی از مهم­ترین کاربردهای فناوری نانو در جنبه­های مختلف کشاورزی در بخش آب و خاک، استفاده از نانو کودها برای تغذیه گیاهان می­باشد (رضایی و همکاران، 1388). ذرات کودی می­توانند با غشاهایی در مقیاس نانو پوشیده شوند که رهاسازی آهسته و مداوم عناصر غذایی را تسهیل می­کنند. پوشاندن و سیمانی کردن با ذرات نانو و کوچکتر از نانو، باعث ایجاد قابلیت تنظیم رهاسازی عناصر غذایی از کپسول کودی می­شود (لیو و همکاران، 2006).

 نانوذرات و انواع آن

فرآورده­های نانو شامل مخلوطی از ذره­های با ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر هستند که می­توانند خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مواد اولیه خود را تغییر دهند (مونیکا و کرمونینی، 2009). عرضه کودهای شیمیایی به شکل نانوذرات اخیراً مورد توجه قرار گرفته است. نتایج مطالعات موجود بیانگر واکنش متفاوت گونه­های مختلف گیاهان به مواد غذایی تهیه شده به شکل نانو می­باشد (زو و همکاران، 2008). برای مثال در مطالعه زو و همکاران (2008) در حالی که گیاه Cucurbita maxima قادر به جذب، انتقال و تجمع مواد نانو در بافت­های خود بود، جذب و انتقال این مواد توسط گیاه Phaseolus limensis انجام نشد.

گزارشات محدودی مبنی بر تأثیر مثبت مواد غذایی نانو بر رشد برخی از گیاهان از جمله بادام زمینی (پراساد و همکاران، 2012)، نخود (پاندی و همکاران، 2010)، اسفناج (یانگ و همکاران، 2006) و ریحان (پیوندی و همکاران، 2011) وجود دارد. تبدیل مواد به مقیاس نانو، ویژگی­های فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و فعالیت­های کاتالیزوری آنها را تغییر می­دهد. علاوه بر انحلال پذیری بیشتر، فعالیت­های شیمیایی و قابلیت نفوذ در غشای سلولی در این نانوذرات پدیدار می­گردد (مظاهری نیا و همکاران، 2010).

تحقیقات نانوتکنولوژی زمینه­ای از فناوری­های پیشرفته[5] است که به توسعه سریع علم الکترونیک، بیوتکنولوژی، پزشکی، علوم فضایی و صنایع دفاعی منجر شده است. تاکنون مطالعات اندکی بر روی اثرات و مکانیزم­های نانوذرات بر روی رشد گیاهان انجام شده است (ژانگ و همکاران، 2005). تغییرات در فناوری کشاورزی عامل اصلی شکل­گیری کشاورزی مدرن شده است. در بین جدیدترین نوآوری­های فناوری، نانوتکنولوژی موقعیت برجسته­ای در تحول کشاورزی و تولید غذا اشغال نموده است. توسعه وسایل و مواد نانو می تواند کاربردهای جدیدی را در بیوتکنولوژی گیاهی و کشاورزی ایجاد نماید. اخیراً تمرکز اصلی در تحقیقات روی کاربرد نانوتکنولوژی در زمینه الکترونیک، انرژی و پزشکی می­باشد. نانوتکنولوژی پیشرفت­های وسیعی در تحقیقات کشاورزی نظیر علوم و فناوری تولید مثلی، تبدیل ضایعات کشاورزی و غذایی به انرژی و دیگر محصولات ثانویه از طریق فرآیند زیستی- نانوآنزیمی، جلوگیری از بیماری و تیمار گیاه با استفاده از رهاسازی نانوذرات مختلف شبیه به آنچه که در مصرف نانوداروها در انسان استفاده می­شود، ایجاد نموده است (نایر و همکاران،2010).

یکی از اولین و معمولی­ترین سوالات که در زمان شروع کار با نانوذرات مطرح می­شود این است که چرا نانوذرات این قدر قابل توجه هستند؟ چرا کار با این ساختارهای بی­اندازه ریز و کوچک به ویژه وقتی با ذرات ماکروسکوپی آنها مقایسه می­شوند چالش انگیز است؟ پاسخ، به خصوصیات منحصر به فرد این نانوذرات بر می­گردد.

واژه نانو[6] از واژه یونانی dwarf (کوتاه- کوتوله) به معنی یک بیلیونیوم متر گرفته شده است. یک نانومتر طول سه اتم کنار هم است (تاکار و همکاران، 2009).

مثال­هایی از خواص منحصر به فرد نانوذرات شامل سطح ویژه بسیار زیاد، انرژی سطحی زیاد و حبس کوآنتوم[7] است. این خواص غیر معمول ممکن است حتی در سرنوشت و رفتار محیطی آنها نسبت به مواد توده[8] و معمولی تأثیر بگذارد. گیاهان، یک جزء پایه و اساسی تمام اکوسیستم ها هستند و نقش اساسی را در سرنوشت و انتقال نانوذرات در محیط از طریق جذب و تجمع زیستی بازی می­کنند. نانوتکنولوژی نقش مهمی در بهبود روش­های موجود مدیریت گیاه زراعی دارد. مواد شیمیایی زراعی به صورت متداول برای محلول پاشی یا پخش کردن در گیاهان زراعی بکار می­روند.

معمولاًٌ غلظت خیلی کمی از مواد شیمیایی که تحت حداقل غلظت مؤثر مورد نیاز است به مکان هدف گیاه زراعی می­رسد که به دلیل مشکلاتی نظیر آبشویی مواد شیمیایی، تجزیه توسط نور، هیدرولیز و تجزیه میکروبی می­باشد. از این رو کاربردهای مکرر برای داشتن یک کنترل موثر مورد نیاز است که باعث برخی اثرات نامطلوب نظیر آلودگی آب و خاک می­گردد. مواد شیمیایی نانو کپسول شده باید طوری طراحی شوند تا تمامی خصوصیات لازم نظیر غلظت موثر (با حلالیت بالا، ثبات و کارآمدی)، زمان رها سازی کنترل شده در واکنش به محرک خاص، افزایش فعالیت هدفمند و آلودگی کمتر محیطی با نحوه رهاسازی ایمن و ساده از کاربرد مکرر جلوگیری کند (نایر و همکاران، 2010).

نانوذرات را به­طور کلی می­توان به سه گروه تقسیم نمود (کریلینگ، 2010) :

1. نانوذرات طبیعی[9]: این دسته از نانوذرات به صورت طبیعی در محیط وجود دارند و در طی برخی از فعل و انفعالات طبیعی تولید می­گردند و یا به عنوان جزئی از طبیعت هستند.
2. نانوذرات تصادفی[10]: این نوع از نانوذرات به طور معمول به عنوان محصولات جانبی فرایندهای صنعتی تولید می­شوند.
3. نانوذرات سنتزی[11]: این گروه از نانوذرات که به آنها نانوذرات مهندسی شده نیز اطلاق می­گردد، توسط انسان و برای هدف خاصی سنتز می­شوند. نانوذرات سنتزی را نیز می­توان به چهار گروه تقسیم نمود (لیو، 2006):

1. نانوذرات کربن دار
2. نانوذرات اکسیدهای فلزی
3. نانوذرات فلزی (فلزات صفر ظرفیتی)
4. نقاط کوانتوم

نانوذرات کربن­دار فراوان­ترین نانوذرات هستند و شامل فولرن­ها[12] و نانو لوله­ها هستند. نانوذرات اکسید فلزی مثل  TiO₂و ZnO که به دلیل خاصیت فتوکاتالیستی در صنعت و کاربرد در کرم­های پوستی به دلیل بلوک­کردن اشعه ماوراء بنفش و شفافیت بکار می­روند (ما و همکاران، 2010).

نانوذرات فلزی صفر ظرفیتی شامل نانوذرات طلا و نقره می­باشد که نانوذرات فلزی طلا به طور گسترده به عنوان ماده اولیه برای داروهای نانو استفاده می­شود و نانوذرات نقره از زمان­های قدیم به عنوان ضد باکتری و میکروب­کش شناخته می­شد. نانوذرات نقره به غشاء سلولی باکتری­ها متصل شده و منافذ کشنده ایجاد کرده و باعث نابودی باکتری می­شود. نقره در شکل ماکروسکوپی همیشه به عنوان نابود کننده ارگانیسم­ها در محیطهای آبی شناخته شده است (بارنا و همکاران، 2009).

نقاط کوانتوم نظیر کادمیوم تلورید و کادمیوم سلنید، ذرات مصنوعی از بار الکتریکی هستند که می­توانند از یک الکترون تا چندین هزار الکترون باشند. نقاط کوانتوم، پدیده­های کوانتومی بسیار مشابه به اتم­های واقعی و هسته­ها نشان می­دهند.

(پاورقی)

[1] -Nanotechnology

[2] -ISO: International Standard Organisation

[3] -Richard Feyhman

[4] -Nario taniguchi

[5] – High-Tech

[6] – nano

[7] – Quantum Confinement

[8] -Bulk

[9] -Natural nanoparticles

[10] -Incidental Nanoparticles

[11] -Engineered Nanoparticles

[12] -Fullerense

اثر نانوذرات بر بذر و رشد گیاهان

تنوع و پیچیدگی موجودات زنده توسط ساختار اتمی و مولکولی آنها و حرکت­شان در مقیاس نانومتری تعیین می­شود. مواد ریز به اندازه نانو می­توانند در هر جایی در طبیعت به صورت اتم­های منفرد یا به صورت ماکرو مولکول­ها نظیر هموگلوبین یا DNA پیدا شوند. نشان داده شده است که برگ­های شبدر پنجه کلاغی (Lotus) می­تواند سطح خود را به سادگی تمیز نگه دارد که به دلیل ساختار میکروسکوپی پیچیده در مقیاس نانو و میکرومتری است. چنین ساختاری همچنین در گیاهان دیگر وجود دارد که گیاهان را از هجوم باکتری­ها و پارازیت­ها محافظت می­کند. به علاوه ساختار ریز برگ­های گیاه کارایی جذب نور را افزایش و فرآیند فتوسنتز را بهبود می­بخشد (ژانگ و همکاران، 2005).

در یک تحقیق چهار نانوذره Al₂O₃، SiO₂، Fe₃O₄ و ZnO با سه غلظت 400، 2000 و 4000 میلی گرم در لیتر روی گیاه Arabidopsis thaliana بررسی شد. در بین نانوذرات مورد مطالعه، ZnO سمیت بیشتری نسبت به بقیه داشت و بعد از آن Fe₃O₄ ، SiO₂ و Al₂O₃ قرار داشتند که سمی نبودند. بازدارندگی جوانه زنی بذر توسط ZnO به اندازه ذرات بستگی داشت و نانوذرات در غلظت­های مساوی سمیت بیشتری نسبت به ذرات میکرو اعمال کردند (لی و همکاران، 2010). چون پوشش بذر دارای منافذی است که نفوذپذیری انتخابی انجام می­دهد، برهمکنش بین ذرات جامد و بذر ممکن است تا ظهور ریشه چه محدود شود.

با این حال فضاهای بین سلولی (کمتر از 10 میکرومتر) در پارانشیم پوسته بذر ممکن است با بستر مایع پر شود و انتقال عناصر غذایی و ذرات کوچک به بذر را تسهیل نماید. این امر ممکن است بازدارندگی اعمال شده توسط ذرات کوچک ZnO را توضیح دهد. درصد جوانه­زنی بذرهای گیاه Arabidopsis thaliana توسطSiO₂  تحت تأثیر قرار نگرفت که نشان می­دهد که چون قطر ذرات نانو SiO₂ بزرگتر از قطر ذرات نانو ZnO بود، بنابراین ممکن است علاوه بر ترکیب عناصر، اندازه ذرات نیز نقش مهمی در سمیت برای گیاه بازی کند. تأثیر مثبت معنی­دار بر طول ریشه چه توسط تمامی غلظت­های نانو Al₂O₃ و غلظت 400 نانو SiO₂ مشاهده شد و بقیه غلظت­ها و نیز نانو Fe₃O₄ و ZnO اثرات بازدارندگی بر طول ریشه چه نشان دادند. تمامی غلظت­های ZnO تعداد برگ کمتری داشتند (لی و همکاران، 2010).

تحقیقات نشان داده است که عناصر حد واسط، جذب نانوذرات شده و تنش اکسیداتیو را ایجاد می­کنند (ویلسون و همکاران، 2002)، در حالی که مواد آلی در خاک یا آب خاک می­توانند نانوذرات را جذب، پوشانده یا تثبیت نمایند و بر تحرک، قابلیت دسترسی گیاه به آنها، واکنش پذیری و سمیت آنها تأثیر بگذارند (هندی و همکاران، 2008; لی و همکاران، 2008). در یک تحقیق، نانوذرات پالادیم، مس، سیلیسیم و طلا به دو صورت در زمان کاشت بذر کاهو در خاک و 15 روز قبل از کاشت بذر به خاک اضافه شدند. نتایج نشان داد که وقتی خاک به مدت 15 روز با نانوذرات تیمار شد و سپس بذرها کشت شدند، افزایش نسبت ساقه به ریشه برای نانوذرات نسبت به شاهد مشاهده شد. این امر نشان می­دهد که نانوذرات ممکن است تأثیر مستقیم بر رشد گیاه نداشته باشند اما ممکن است از طریق مکانیسم­های غیر مستقیم عمل نمایند (شاه و بلوزروا، 2009).

ترکیب نانوذرات SiO₂ و TiO₂ در غلظت کم، فعالیت نیترات ردوکتاز در ریزوسفر سویا را افزایش داد و در نتیجه باعث افزایش جوانه زنی و رشد سویا شد (لو و همکاران، 2002). نانوذرات اکسید فلزی مثل اکسیدروی اثر بازدارندگی در مراحل نموی گیاهان نظیر جوانه زنی و طویل شدن ریشه دارند (یانگ و وات، 2005; لین و زینگ، 2007). نشان داده شده است که نانوذرات مس برای گیاه ماش[1] و گندم سمی بوده و کاهش سرعت رشد گیاهچه را باعث شد. ماش حساس­تر از گندم است که این تفاوت را به آناتومی و ساختار ریشه نسبت داده­اند. غلظت­های خیلی کم نانوذرات نقره (کمتر از 1 پی پی ام) می­تواند برای گیاهچه­های Arabidopsis thaliana سمی باشد. نانوذرات 80 – 20 نانومتر به طور آشکاری رشد را متوقف کرد و سمیت آنها به غلظت و اندازه ذرات بستگی داشت (لی و همکاران، 2008).

جهت مشاهده نمونه های دیگر از فصل دوم پایان نامه کشاورزی کلیک کنید.

نمونه ای از منابع لاتین

• Abdul-Baki, A.A and J.D. Anderon. (1973). Vigor determination in soybean by multiple criteria. Crop Science. 13: 630-633.
• بادیآباغعلتغلعتاتنالتااذتا
• Aboul-Nasr, A.1998. Effects of inoculation with Glomus intraradices on growth, nutrient uptake and metabolic activities of squash plants under drought stress conditions. Annals of Agricultural Science. 1:119-133.
• Aladjadjiyan A. 2007. The use of physical methods for plant growing stimulation in Bulgaria. Journal of Central European Agriculture, 8: 369-380.
• An, Y.J. 2004. Soil  ecotoxicity  assessment  using  Cadmium  sensitive  plants. Environment. Pollut. 127: 21-26.
• Anderson, W . B . 1972. Zinc in soils and plant nutrition. Advances in A gronomy 24: 147–186.
• Asada,  K.  1984.  Chloroplast:  formation  of  active  oxygen  and  its  scavenging.  Meth Enzymol 105: 422–429.
• Asada,  K.,  Takahashi,  M.  1987.  Production  and scavenging  of  active  oxygen  in  photosynthesis. In:  Kyle,  D.  J.,  Osmond,  C.  J.,  Artzen,  C.  J. (Eds.),  Photoinhibition:  Topics  in Photosynthesis.  Elsevier,  Amsterdam,  pp.  227–  287.
• Ashe, B. (2011). A Detail investigation to observe the effect of zinc oxide and Silver nanoparticles in biological system. National Institute Of Technology. India. 8-14.
• Asli S., Neumann P.M. 2009. Colloidal suspensions of clay or titanium dioxide nanoparticles can inhibit leaf growth and transpiration via physical effects on root water transport. Plant Cell Environment, 2: 577-84.
• Astaraei, A. R.  and R .Ivani. 2008.  Effect of organic sources as foliar spray and root media on nutrition of cowpea plant. American- Euroasian J. Agric.& Enviro. Sci., 3 (3):352-356.
• Astaraei, A. R. and D. A. Sampietro. 2008. Allelopathic effect of almond on cress and fenugreek . Allelopathy Journal . 22(1):339-344.
• Astaraei, A. R. and T. Mesbahzadeh. 2008. Comparison of urban solid waste leachate and vermi-compost as foliar spray and root media on nutritional performance of Phaseolus vulgaris L. Biyaban  J.13(1):19-23.
• Atha DH, Wang H, Petersen EJ, Cleveland D, Holbrook RD, Jaruga P, Dizdaroglu M, Xing B, Nelson BC (2012) Copper oxide nanoparticle mediated DNA damage in terrestrial plant models. Environ Sci Technol 46:1819–1827.
• Auge, R.M. 2000. Stomatal behavior of arbuscular mycorrhizal plants. In: Kapulnik Y., and Douds D.D. (Eds.). Arbuscular Mycorrhizas: Physiology and Function. pp. 201-237. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. ISBN 0-7923-6444-9. Available online at: www.utk.edu
• …
• …