Наноудобрения в сельском хозяйстве: преимущества и вопросы безопасности

В настоящее время сельское хозяйство по всему миру сталкивается с широким спектром вызовов; важными проблемами являются (а) застой в росте урожайности, (б) сокращение пахотных земель из-за деградации земель и урбанизации, (в) низкая эффективность использования питательных веществ, (г) недостаток питательных веществ в почве, (д) снижение уровня органических веществ в почве, (е) доступность воды и т. д. В этих условиях достаточно сложно производить достаточное количество продуктов питания, чтобы прокормить постоянно растущее население, которое, как ожидается, к 2050 году достигнет 9 миллиардов.

Исследования в области применения нанотехнологий в сельском хозяйстве и садоводстве все еще находятся на начальной стадии, но быстро развиваются. Традиционные крупнотоннажные удобрения не только дорогостоящи для производителя, но и могут быть вредными для людей и окружающей среды. Это привело к поиску экологически чистых удобрений или «умных» удобрений, в основном тех, которые обладают высокой эффективностью применения питательных веществ, и нанотехнологии стали перспективной альтернативой. В сельском хозяйстве продукты нанотехнологий испытываются для различных сфер, таких как наноразмерные датчики для определения питательных веществ, наноразмерные пестициды, интеллектуальная и целевая доставка питательных веществ, агрономическое укрепление, очистка воды и восстановление питательных веществ. Однако преимущества наноудобрений или наноматериалов, несомненно, открывают новые подходы к точному и устойчивому сельскому хозяйству; ограничения также должны быть тщательно рассмотрены перед реализацией на рынке. В частности, экстенсивный выброс наноматериалов в окружающую среду и пищевую цепь может представлять опасность для окружающей среды и здоровья человека.

Наноудобрения

Как и обычные удобрения, наноудобрения также представляют собой питательные удобрения, состоящие, полностью или частично, из наноструктурированных формул, которые можно доставлять растениям, что обеспечивает эффективное поглощение или медленное высвобождение активных ингредиентов.

Само определение «наноудобрения» является дискуссионным. В литературе, связанной с применением нанотехнологий в сельском хозяйстве, термин наноудобрения применяется как для материалов с физическим диаметром от 1 до 100 нм по меньшей мере в одном измерении (например, наночастицы ZnO), так и для материалов, которые существуют в объемном масштабе размером более 100 нм, но которые были модифицированы наноразмерными материалами (например, традиционное удобрение, покрытое наночастицами). Исключительные свойства наночастиц, такие как высокое отношение площади / объема к размеру поверхности и улучшенные оптоэлектронные и физико-химические свойства по сравнению с их традиционными аналогами, в настоящее время становятся перспективной стратегией, способствующей росту и продуктивности растений. Благодаря своим уникальным свойствам наночастицы могут влиять на метаболическую активность растения в разной степени по сравнению с обычными материалами и могут мобилизовать природные питательные вещества, такие как фосфор, в ризосфере.

Традиционные удобрения против наноудобрений

Сельхозпроизводители в основном вносят обычные удобрения в почву путем разбрасывания, заделывания в почву, путем фертигации, или с использованием поливной воды. Однако значительная часть внесенных удобрений теряется в атмосфере или попадает в водоемы, в конечном итоге загрязняя наши экосистемы. Например, 75% азота мочевины после применения в полевых условиях теряется в результате улетучивания (в форме аммиака или выбросов в виде оксидов азота) или в результате выщелачивания или стока нитратов в водоемы. Таким образом, современные азотные удобрения сталкиваются с проблемой низкой эффективности использования азота (<20%), вследствие чего потеря азота в окружающей среде вызывает эвтрофикацию и увеличение выбросов парниковых газов. Сообщалось, что ключевые питательные макроэлементы N, P и K, внесенные в почву, теряются на 40–70%, 80–90% и 50–90% соответственно, что приводит к значительной потере ресурсов. Избыток фосфора «фиксируется» в почве, где он образует химические связи с другими питательными веществами и становится недоступным для поглощения растениями.

Важные преимущества наноудобрений перед обычными химическими удобрениями состоят в следующем:

а) Их система доставки питательных веществ, поскольку они регулируют доступность питательных веществ в сельскохозяйственных культурах с помощью механизмов пролонгированного / контролируемого действия. Такая контролируемая доставка питательных веществ связана с покрытием или укреплением питательных веществ наноматериалами. Воспользовавшись этой доставкой питательных веществ, производители могут увеличить рост своих культур из-за стабильно длительной доставки питательных веществ к растениям. Например, питательные вещества могут высвобождаться в течение 40–50 дней пролонгированным способом, а не в течение 4–10 дней обычными удобрениями.

(б) Наноудобрения требуются в небольшом количестве, что снижает затраты на транспортировку и применение в поле.

(в) Накопление солей в почве может быть сведено к минимуму из-за небольшого количества.

(г) Наноудобрения могут быть синтезированы в соответствии с потребностями в питательных веществах культур, запланированных к посеву. В связи с этим биосенсоры могут быть присоединены к новому инновационному удобрению, которое контролирует доставку питательных веществ в соответствии с составом питательных веществ в почве, периодом роста культуры или условиями окружающей среды.

(д) Миниатюрный размер, высокая удельная площадь поверхности и высокая реакционная способность наноудобрений увеличивают биодоступность питательных веществ.

(е) Обеспечивая сбалансированное питание, наноудобрения помогают культурам бороться с различными биотическими и абиотическими стрессами.

Публиковалась информация, что некоторые культуры, для которых применялись наноудобрения и наноматериалы, улучшили рост и урожайность по сравнению с растениями, обработанными обычными удобрениями. Тем не менее, широкое использование наноудобрений в сельском хозяйстве может иметь некоторые важные ограничения, которые также необходимо учитывать. Крайне важно определить токсичность / биосовместимость наноудобрений.

Проблемы для окружающей среды и здоровья, свзанные с применением наноудобрений

Перед применением наноудобрений в качестве агрохимикатов (удобрений или пестицидов) в сельском хозяйстве или на фермах для общей сельскохозяйственной практики наноструктуры или наночастицы систематически исследуется. Считается, что свойства многих наночастиц представляют потенциальный риск для здоровья человека, а именно: размер, форма, растворимость, кристаллическая фаза, тип материала, а также концентрации воздействия и дозы. Тем не менее, экспертные заключения показывают, что пищевые продукты, представленные на рынке и содержащие наночастицы, вероятно, безопасны для употребления, но это область, которую необходимо более активно исследовать. Для решения проблемы безопасности требуются подробные исследования, чтобы узнать влияние наночастиц на организм человека, подвергшегося воздействию нанопродуктов. Исследователи должны оценить и разработать правильные стратегии оценки, чтобы оценить влияние наночастиц и наноудобрений на биотические и абиотические компоненты экосистемы.

Инфоиндустрия по материалам agropages.com