全球農(nóng)業(yè)需要新的食品和水可持續(xù)性解決方案

全球農(nóng)業(yè)需要新的食品和水可持續(xù)性解決方案。隨著極端氣候變化，人口增長(zhǎng)，糧食需求增加以及全球作物威脅，環(huán)境工程師正在尋找解決方案來管理未來的糧食生產(chǎn)，從最微小的水平開始。

根據(jù)目前的做法，高達(dá)95%的應(yīng)用微量營(yíng)養(yǎng)素和99.9%的應(yīng)用殺蟲劑從未到達(dá)目的地并被浪費(fèi)。它們積聚在土壤中或流入地下水中，造成附帶的環(huán)境破壞，降解土壤，并浪費(fèi)生產(chǎn)和應(yīng)用中使用的水和能源。

如果種植者可以將葉子上的東西直接施用到根部，那么它可能會(huì)以近乎100%的有效方式改變營(yíng)養(yǎng)，抗生素和殺蟲劑。土木與環(huán)境工程博士Greg Lowry教授，博士后研究員Astrid Avellan以及一組研究人員成功地發(fā)現(xiàn)了一種將納米粒子應(yīng)用于植物葉子的方法，以便它們一直穿過植物到達(dá)根部。他們的研究結(jié)果發(fā)表在最近的ACS Nano論文中。

“我們論文的結(jié)果確實(shí)有可能改變我們向農(nóng)場(chǎng)提供農(nóng)用化學(xué)品的方式，”洛瑞說。

研究小組將含有聚合物涂層的金納米粒子噴灑在幼小麥的葉子上。植物不需要黃金，但由于黃金不存在于植物的任何地方，因此它們能夠輕松識(shí)別它的行進(jìn)位置。他們使用小麥植物，因?yàn)樗鼈兪敲绹?guó)的重要作物，并且易受營(yíng)養(yǎng)缺乏的影響。

一旦將納米顆粒噴灑到葉子上，它們就會(huì)穿過角質(zhì)層，角質(zhì)層是覆蓋葉子的蠟質(zhì)外層。然后，它穿過表皮。角質(zhì)層和表皮是保護(hù)葉子免受傷害，防止水分流失以及允許植物進(jìn)行氣體交換呼吸的層。然后納米顆粒進(jìn)入內(nèi)部葉組織或葉肉中。最后，它進(jìn)入植物的脈管系統(tǒng)或植物的靜脈。從那里它可以一直沿著莖干進(jìn)入根部，或者到達(dá)更高的葉子。

研究人員首次證明，一旦到達(dá)根部，納米粒子就會(huì)滲透到土壤中，粘附在堅(jiān)持根系的微環(huán)境中，稱為根際。根際是植物與土壤相互作用，吸收養(yǎng)分，釋放小酸，二氧化碳和蛋白質(zhì)，以及細(xì)菌和真菌進(jìn)入植物的地方。目前可用于治療不健康根際的唯一方法是在土壤中混合農(nóng)用化學(xué)品或用化學(xué)品施用水。在這兩種情況下都會(huì)損失大量化學(xué)物質(zhì)。研究人員所展示的是100%有效的輸送，可以減少所需的化學(xué)品數(shù)量，降低成本，并限制環(huán)境污染。

這些微小的顆粒 - 小于50納米 - 可能是到2050年可持續(xù)養(yǎng)活預(yù)計(jì)將在地球上生活的100億人口的一個(gè)非常重要的關(guān)鍵。例如，在缺鋅土壤中生長(zhǎng)的小麥植物變黃，作物減產(chǎn)隨著植物開始死亡。但是，如果你能將氧化鋅納米粒子通過葉子到達(dá)根部，它們就會(huì)滲透到土壤中，使土壤和植物都健康。

農(nóng)民也可以向植物提供抗生素。一旦植物將細(xì)菌帶入其脈管系統(tǒng)，就沒有什么可以挽救它。但是，如果抗生素納米粒子可以通過葉子進(jìn)入脈管系統(tǒng)，它們可以預(yù)防或治療全身性細(xì)菌性疾病。

納米粒子也比化學(xué)品更有效，因?yàn)楣こ處熆梢詫⑺鼈冊(cè)O(shè)計(jì)成具有特定的性質(zhì)。例如，他們可以設(shè)計(jì)一種納米粒子，它會(huì)在下雨時(shí)粘在葉子上而不會(huì)滴落?；蛘咚麄兛梢栽陬w粒外部設(shè)計(jì)涂層以響應(yīng)濕氣或光線。與目前使用的常規(guī)農(nóng)用化學(xué)品相比，還可以設(shè)計(jì)將以更少的量使用并且對(duì)環(huán)境和人類健康更好的納米顆粒。可能性是無窮無盡的，這是重要的第一步。

以100%有效的方式在植物上提供納米粒子是洛瑞更大的原子效率農(nóng)業(yè)目標(biāo)的一部分(其中每個(gè)原子投入作物都被使用而不是浪費(fèi))，并應(yīng)對(duì)糧食不安全等社會(huì)挑戰(zhàn)。

“在這一點(diǎn)上，我們必須在同樣數(shù)量的土地上增加80%的食物，減少污染，”洛瑞說。“這將使我們的農(nóng)業(yè)方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，這就是我們正在努力提供的幫助。”