Tarımda Nanoteknoloji: Hangi İnovasyon Potansiyeline Sahip?

Son bilimsel veriler, nanoteknolojinin tarım-gıda sektörünü olumlu yönde etkileme, tarımsal uygulamaların çevre ve insan sağlığı üzerindeki olumsuz sorunlarını en aza indirme, gıda güvenliğini ve verimliliğini artırma (küresel nüfusta öngörülen artışın gerektirdiği gibi) aynı zamanda sosyal ve ekonomik eşitliği teşvik etme potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir.

Bu bağlamda, özellikle sürdürülebilir yoğunlaştırma, toprak ve atık yönetimi konularında gıda tedarik zincirine fayda sağlayabilecek nanomalzeme tabanlı sistemler ve nano-cihazlardaki son trendleri seçip raporluyoruz.

Diğerlerinin yanı sıra; tarımsal uygulamalar, gıda kalitesi ve güvenliği için nanosensörlerin yanı sıra, mahsullerde besin maddelerinin, pestisitlerin ve gübrelerin kontrollü salınımı için nanomalzemeler açıklanmaktadır.

Mevcut ve Gelecek Trendler

Son zamanlarda, nanoteknolojinin tarımda da çok çeşitli potansiyel uygulamaları öngörülmüş ve hem akademik hem de endüstriyel düzeyde yoğun araştırmalara yol açmıştır. Gerçekten de, nano ölçekteki malzemelerin benzersiz özellikleri, onları sürdürülebilir bir tarımı destekleyecek yeni araçların tasarımı ve geliştirilmesi için uygun adaylar haline getirmektedir.

Tarımda Sürdürülebilir İtensifikasyon Sistemleri

Sürdürülebilir itensifikasyon, aynı tarımsal alanı işlerken olumsuz çevresel etki yaratmadan verimi artırmayı amaçlayan bir üretim sistemiyle ilgili bir kavramdır. Bu paradigma; mevcut biyofiziksel, sosyal, kültürel ve ekonomik durumun etkisini göz önünde bulundurarak tarımsal üretim yaklaşımlarının en iyi kombinasyonunun seçimini değerlendirmek için bir çerçeve sağlar.

Bu bağlamda, inorganik, polimerik ve lipit nanopartiküllerin kullanımına dayanan ve farklı teknikler (örneğin emülsifikasyon, iyonik jelleşme, polimerizasyon, oksidoredüksiyon vb.) kullanılarak sentezlenen yeni nanomalzemeler, verimliliği artırmak için geliştirilmiştir.

Örnek olarak, besin maddelerinin immobilizasyonu ve toprakta serbest bırakılması için akıllı nanosistemlerin geliştirilmesi için uygulama bulabilirler. Bu tür sistemler, bitkiler tarafından besin maddelerinin alımını artırırken sızıntıyı en aza indirme ve yeraltı sularına azot transferini azaltarak ötrofikasyonu hafifletme avantajına sahiptir.

Ayrıca, nanomalzemelerin çözünürlüğü artırarak, hidrolize ve fotobozunmaya karşı direnci artırarak ve/veya hedef organizmalara yönelik daha spesifik ve kontrollü bir salım sağlayarak pestisitlerin yapısını ve işlevini iyileştirmek için de kullanılabileceğini belirtmek kayda değerdir.

Hidrojellerin, nanokillerin ve nanozeolitlerin toprağın su tutma kapasitesini artırdığı, dolayısıyla yavaş salınan bir su kaynağı olarak hareket ettiği ve mahsül sezonu boyunca su sıkıntısı dönemlerini azalttığı bildirilmiştir.

Bu tür sistemlerin uygulamaları hem tarımsal amaçlar hem de bozulmuş alanların yeniden ağaçlandırılması için elverişlidir. Polimer ve karbon nanotüpler gibi organik ve nano metaller ve metal oksitler gibi inorganik nanomalzemeler de çevresel kirleticileri absorbe etmek için kullanılmıştır.

Bu tür sistemlerin uygulamaları hem tarımsal amaçlar hem de bozulmuş alanların yeniden ağaçlandırılması için elverişlidir. Polimer ve karbon nanotüpler gibi organik ve nano metaller ve metal oksitler gibi inorganik nanomalzemeler de çevresel kirleticileri absorbe etmek, toprağın iyileştirme kapasitesini artırmak ve arıtım sürelerini ve maliyetlerini azaltmak için kullanılmıştır.

Bitki Büyümesini Teşvik Eden Ajanlar Olarak Nanomalzemeler

Karbon nanotüpler ve Au, SiO2, ZnO ve TiO2 nanopartikülleri, element alımını ve besin kullanımını artırarak bitkilerin gelişimini iyileştirmeye katkıda bulunabilir. Bununla birlikte, nanomalzemelerin bitkiler üzerindeki gerçek etkisi, bitki türlerinin duyarlılığının yanı sıra bileşimlerine, konsantrasyonlarına, boyutlarına, yüzey yüklerine (surface charge) ve fiziksel-kimyasal özelliklerine bağlıdır. Yeni protokollerin geliştirilmesi ve farklı analitik tekniklerin (mikroskopi, manyetik rezonans görüntüleme ve floresan spektroskopisi gibi) kullanılması, bitkiler ve nanomalzemeler arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasına önemli ölçüde katkıda bulunabilir.

Gıda Tedarik Zincirinin Yönetimi İçin Nano-d

Nanoteknoloji; sadece tarımda değil, aynı zamanda gıda tedarik zinciri boyunca kalite, biyo-güvenlik ve güvenlik kontrolüne adanmış analitik cihazların geliştirilmesinde de uygulama alanı bulabilir. Bu bağlamda nanosensörler, mevcut analitik sensörler ve biyosensörlere kıyasla gelişmiş ve iyileştirilmiş özelliklere sahip güçlü bir aracı temsil etmektedir. Nanosensörler; 100 nm’den büyük olmayan en az bir algılama boyutuna sahip, ulaşılması zor yerlerde fiziko-kimyasal özellikleri izlemek için üretilmiş analitik cihazlar olarak tanımlanmaktadır.

Nanotüpler, nanoteller, nanopartiküller veya nanokristaller genellikle benzer boyuta sahip biyolojik ve kimyasal analitlere maruz kalmaya yanıt olarak algılama elemanları tarafından türetilen sinyal iletimini optimize etmek için kullanılır. Eşsiz yüzey kimyasına, farklı termal, elektriksel ve optik özelliklere sahiptirler. Hassasiyeti artırmak, yanıt sürelerini azaltmak ve algılama limitlerini iyileştirmek için kullanışlıdırlar ve çoklu sistemlerde kullanılabilirler. Bu alandaki büyük araştırma miktarı göz önüne alındığında, alan analizi için nanosensörlerin gerçek uygulamaları beklenmedik bir şekilde azdır ve bu da yeni bir pazar potansiyeline işaret etmektedir. Bu perspektifte, nanoteknolojiler tarımsal gıdalarda gerçek uygulamalara olanak sağlamak için biyosensör performansını artırabilir.

Gerçekten de nanofabrikasyondaki önemli ilerlemeler sayesinde yüzey plazmon rezonansı, kütle spektrometrisi, kromatografi veya elektroforez çipleri gibi laboratuvar analitik teknikleri, uygulanabilir sensör bileşenlerinin geliştirilmesini destekleyebilir. Ancak pazarın asıl ihtiyacı, biyoalgılama bileşenlerini mikro/nanofluidikler, veri yönetimi donanımı ve kablosuz ağlarla uzaktan kontrol ile entegre eden otomatik gömülü sistemlerin gerçekleştirilmesidir.Bu, biyoalgılama cihazlarının gerçekleştirilmesi için belirleyici yaklaşımların yanı sıra yeni nanomalzemeler de sağlayabilen nanoteknoloji için kilit bir konudur.

Nitekim, Mousavi ve Rezaei (2011) tarafından açıklandığı üzere “Nanosensörler, çiftçilerin çiftliklerini hassas bir kontrolle sürdürmelerine ve bitkilerin ihtiyaçlarını zamanında bildirmelerine yardımcı olur.” Bu nedenle, mahsul izleme, topraktaki besin maddelerinin ve pestisitlerin doğru analizi veya akıllı bir tarım için su kullanımının verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için karar vermeye yardımcı olacak nanosensörlerin geliştirilmesine yönelik araştırma çabalarının ele alınması zorunlu olacaktır.

Bu bağlamda nanosensörler, mahsul yetiştirme ve hasattan gıda işlemeye, nakliye, paketleme ve dağıtıma kadar gıda tedarik zincirinin tüm aşamalarının yönetiminde potansiyellerini gösterebilirler. Bunlar arasında, toprak parametrelerinin dinamik ölçümü için nanosensörler (pH ve besin maddeleri, mahsul ve toprakta kalan pestisitler ve toprak nemi) patojenlerin tespiti ve azot alımının tahmini, sürdürülebilir bir tarımı teşvik etmek için sadece birkaç örnektir. Özellikle, “geleneksel” sensörlere kıyasla daha yüksek hassasiyet ve özgüllük gösterdiklerinden, mahsul verimliliği yönetimi için kullanılacak böcek ilacı miktarını daha iyi ayarlamak amacıyla zararlıların, patojenlerin veya pestisitlerin varlığını izlemek için nanosensör sistemleri geliştirilebilir.

Örneğin, kablosuz sinyaller kullanan platformlara entegre nanosensörler tarafından izlenen nano-ölçekli taşıyıcılar aracılığıyla kontrollü salım mekanizmaları, agrokimyasalların aşırı dozda kullanılmasını önleyecek ve ekim sırasında gübre ve pestisit girdilerini en aza indirecek, verimliliği artıracak ve israfı azaltacaktır. Ekili alanlar boyunca yerleştirilen nanosensör ağları, mahsul büyümesinin gerçek zamanlı ve kapsamlı bir şekilde izlenmesini sağlayacak ve en iyi yönetim uygulamaları için etkili yüksek kaliteli veriler sağlayacaktır.

Sulama sistemlerinin otomasyonu da, özellikle su kıtlığı senaryosunda, akıllı tarımın önemli bir gerekliliğidir. Bu bağlamda, sensör teknolojisi su kullanımının verimliliğini en üst düzeye çıkarma potansiyeline sahiptir. Toprak su gerilimini gerçek zamanlı olarak tahmin eden nanosensörler, otonom sulama kontrolörleri ile birleştirilebilir. Bu özellik, toprağın kurutulmasına dayalı sürdürülebilir bir sulama yönetimine izin verir, aksi takdirde çiftçiler için çok zor bir yaklaşımdır çünkü yüksek karmaşıklığa sahip iklim ve mahsul büyüme yönlerinin değerlendirilmesini içerir.

Ayrıca nanosensörler, tüm gıda tedarik zinciri boyunca gıda kalitesi, güvenliği, tazeliği, orijinalliği ve izlenebilirliğini sağlamak için farklı hedeflerin hızlı, hassas ve uygun maliyetli bir şekilde tespit edilmesinde de uygulama alanı bulmaktadır.

Şüphesiz nanosensörler, gıda bileşenlerinin (örn. şekerler, amino asit, alkol, vitaminler ve mineraller) ve kontaminantların (örn. pestisitler, ağır metaller, toksinler ve gıda katkı maddeleri) akıllı bir şekilde izlenmesini sağlayabilen, gıda kalitesi ve güvenliğinin değerlendirilmesine meydan okuyan gelişmekte olan teknolojilerden birini temsil etmektedir. Gıda kalitesi ve gıda güvenliği kontrolü, sadece sağlıklı gıda elde etmek için değil, aynı zamanda büyük gıda ürünleri israfını önlemek için de çok önemli bir çabayı temsil etmektedir. Nanosensörün potansiyeli, gıdaların tazelik özelliklerini izlemek ve taşıma, depolama ve marketlerde sergileme sırasında paketlerin bütünlüğünü kontrol etmek için akıllı veya akıllı ambalajlama konusundaki son trendlerle de gösterilebilir.

Birçok akıllı ambalaj, fiziksel parametreleri (nem, pH, sıcaklık, ışığa maruz kalma) ölçmek, gaz karışımlarını (örn. oksijen ve karbondioksit) ortaya çıkarmak, patojenleri ve toksinleri tespit etmek veya tazeliği (örn. etanol, laktik asit, asetik asit) ve ayrışmayı (örn. putresin, kadaverin) kontrol etmek için izleme sistemleri olarak nanosensörleri içerir.

Boşlukların ve Engellerin Tanımlanması

Nanoteknolojinin tarımdaki olası uygulamalarının belirlenmesinde kaydedilen önemli ilerlemelere rağmen, bu teknolojinin tarım alanına önemli katkılarda bulunabilmesi için yakın gelecekte çözülmesi gereken birçok sorun bulunmaktadır. Daha fazla dikkat gerektiren ana hususlardan bazıları şunlardır: (i) Yeşil kimya ve çevresel sürdürülebilirlik ilkelerini izleyerek verimliliklerini en üst düzeye çıkarmak amacıyla besin maddeleri, pestisitler ve gübreler dahil olmak üzere aktif maddelerin dağıtımı için özel hibrit taşıyıcıların geliştirilmesi; (ii) Endüstriyel düzeyde kolayca ölçeklendirilebilen süreçlerin tasarımı, (iii) Gerçek pratik avantajları göstermek amacıyla nanoformülasyonların/nanosistemlerin etkilerinin mevcut ticari ürünlerle karşılaştırılması; (iv) Nanomalzemelerin, nanopestisitlerin, nanogübrelerin risk ve yaşam döngüsü değerlendirmesi için bilgi edinilmesi ve yöntemlerin geliştirilmesi ve etkilerin değerlendirilmesi (örn. diğer bitkiler, toprak mikrobiyotası ve arılar gibi hedef olmayan organizmalar üzerindeki etkilerinin (örneğin fitotoksik etkiler) değerlendirilmesi; (v) Nanomalzemelerin kullanımına ilişkin düzenlemelerdeki ilerlemeler. Bu bağlamda, nanopestisitlerin (atrazin gibi) kullanımında kaydedilen ilerleme, nanomalzemelerin çevredeki davranışını tahmin etmek için gerekli ana parametreleri belirlemek için yararlı bir vaka çalışmasını temsil etmektedir.

Atrazin-nanopestisit sisteminin incelenmesinde, hem hedef olan hardal hem de hedef olmayan organizmalardan olan mısır ile etkileşim mekanizmalarının anlaşılmasına özen gösterilmiş ve risk değerlendirme analizleri de dikkate alınmıştır.

Bununla birlikte, nanomalzemeler ve nanopartiküller kullanılarak üretilen gıdalarla ilgili olarak çalışanların ve tüketicilerin güvenliğini ele almak için gelecekte vaka çalışmaları gereklidir.

Nanoteknolojinin tarımda uygulanması, farklı çevresel bölümlerde bulunan konsantrasyonlarda tasarlanmış nanopartikülleri ölçebilen tekniklerin geliştirilmesini de gerektirir. Şu anda mevcut olan yöntemler, nanomalzemelerin çevredeki dinamiklerini, hedef ve hedef olmayan organizmalarla etkileşimlerini veya sinerjik etkilerin oluşumunu anlamak için her zaman yeterli değildir. Bu metodolojik ilerlemeler, yeni geliştirilen nanomalzemelerin yaşam döngüsü değerlendirmesine olanak sağlamaktadır. Ayrıca, hedef organizmalar tarafından nanomalzemelere karşı olası direnç mekanizmalarının ortaya çıkışını değerlendirebilecek metodolojiler üzerinde çalışmalar yapılmalıdır.

Bir bütün olarak, yeni geliştirilen analitik metodolojiler, ortamlardaki mühendislik ürünü nanomalzemeleri karakterize etmek, lokalize etmek ve miktarını belirlemek için öngörücü modelleri destekleyecektir. Bu bağlamda, farklı araştırma alanlarından bilim insanları arasında bilgi alışverişi çok önemli olacaktır.

Sonuçlar

Sonuç olarak, özellikle artan küresel nüfus ve iklim değişikliği nedeniyle karşılaşacağımız büyük zorluklar göz önüne alındığında, nanoteknolojilerin uygulanmasının yanı sıra nanomalzemelerin tarıma dahil edilmesi, sürdürülebilirlik konusunun ele alınmasına potansiyel olarak büyük katkı sağlayabilir. Aslında, gübre ve pestisitlerin verimli kullanımı, nano ölçekli taşıyıcılar ve bileşiklerin kullanımıyla artırılabilir ve verimliliği düşürmeden uygulanacak miktarı azaltabilir. Nanoteknolojiler, hem daha verimli bir üretime hem de atıkların yeniden kullanımına katkıda bulunarak atıkların azaltılması üzerinde de etkili olabilirken, nanosensör teknolojisi, enerji de dahil olmak üzere kaynakların verimli bir şekilde yönetilmesi için hassas tarımın yaygınlaşmasını teşvik edebilir.

Ancak tüm yeni teknolojilerin uygulanmasında olduğu gibi, güvenilir bir risk-fayda değerlendirmesinin yanı sıra tam bir maliyet muhasebesi değerlendirmesi yapılması gerekmektedir. Nanoteknolojiler söz konusu olduğunda, bu aynı zamanda farklı matrislerdeki nanomalzemelerin karakterizasyonu ve miktarının belirlenmesi ve bunların çevre ve insan sağlığı üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi için güvenilir yöntemlerin geliştirilmesini gerektirir. Ayrıca, bu teknolojiye yönelik tüketici kabulünü ve kamu desteğini sağlamak için sivil toplum ve tüketici dernekleri de dahil olmak üzere tüm paydaşları açık bir diyaloga dahil etmek çok önemlidir. ^[1]Nanotechnology in Agriculture: Which Innovation Potential Does It Have?

[cite]