ΝΑΝΟ-ΛΙΠΑΣΜΑΤΑ

Στρατηγικός ρόλος της νανοτεχνολογίας στα λιπάσματα: δυνατότητες και περιορισμοί.

Η ικανότητα των ανθρώπων να κατασκευάζουν και να χειρίζονται τα υλικά σε νάνο-κλίμακα έχει αυξηθεί σημαντικά κατά την τελευταία δεκαετία και οικοδόμησε τις βασικές αρχές της διεπιστημονικής επιστήμης της νανοτεχνολογίας. Τα νάνοϋλικά συμπεριφέρονται διαφορετικά από ό, τι τα ίδια υλικά σε μη νάνο-κλίμακα έχουν υψηλή αναλογία επιφανειακού εμβαδού προς όγκο, υψηλή διαλυτότητα, και ειδική στόχευση λόγω του μικρού μεγέθους, της υψηλής κινητικότητας, και της χαμηλής τοξικότητας. Μπορούν να κατασκευαστούν για επιφανειακή αντιδραστικότητα ή άλλα επιθυμητά χαρακτηριστικά - μοναδική συμπεριφορά, που μπορεί να είναι τόσο χρήσιμη όσο και αποδοτική. Από τον Μάρτιο του 2011, πάνω από 1300 εμπορικά διαθέσιμα προϊόντα που περιέχουν νανοϋλικά. Η βιομηχανία της νανοτεχνολογίας ήταν $ 1 τρισεκατομμύριο το 2015.

Σύμφωνα με την Εθνική Αρχή Νανοτεχνολογίας (ΕΑΝ), «η έρευνα και η ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας κατευθύνεται προς την κατανόηση και τη δημιουργία βελτιωμένων υλικών, συσκευών και συστημάτων που εκμεταλλεύονται τις ιδιότητεςτης νανοκλίμακας». Μετά τον ορισμό της Royal Society, «Νανοτεχνολογία είναι ο σχεδιασμός, ο χαρακτηρισμός, η παραγωγή και η εφαρμογή δομών, συσκευών και συστημάτων, ελέγχοντας το σχήμα και το μέγεθος σε κλίμακα νανομέτρων».

Η νανοτεχνολογία είναι μια νέα επιστημονική προσέγγιση η οποία περιλαμβάνει τη χρήση των υλικών και του εξοπλισμού ικανού να χειριστεί φυσικές και χημικές ιδιότητες μιας ουσίας σε μοριακά επίπεδα. Συγχωνεύει την επιστήμη και την τεχνολογία οδηγώντας σε επαναστατικές ανακαλύψεις στο χώρο της ηλεκτρονικής, της ενέργειας, της αποκατάστασης, της αυτοκινητοβιομηχανίας, της διαστημικής τεχνολογίας και των επιστημών ζωής. Οι πιθανές χρήσεις και τα οφέλη της νανοτεχνολογίας είναι τεράστια. Στις μέρες μας, η νανοτεχνολογία σταδιακά απομακρύνεται από την έρευνα προς συγκεκριμένους τομείς. Μεταξύ άλλων, υπόσχεται σημαντική συμβολή στη γεωργική έρευνα στην επίλυση σημαντικών αγροτικών προβλημάτων όπως, η ανίχνευση των ρύπων, οι ασθένειες φυτών, τα παράσιτα και οι παθογόνοι οργανισμοί, η ελεγχόμενη χορήγηση του φυτοφαρμάκου, τα λιπάσματα, τα θρεπτικά συστατικά, το γενετικό υλικό και σχηματισμό και η πρόσδεση της δομής του εδάφους. Η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στη γεωργία ( Η λεγόμενη γεωργό-νανοτεχνολογίας, Σχήμα 1) πρόκειται να προσελκύσει σημαντική προσοχή, πρωταρχικά στις ακόλουθες διάφορες κατηγορίες:

• Αύξηση των ποσοστών παραγωγής και απόδοσης.
• Αύξηση της αποδοτικότητας της χρήσης των πόρων.
• Ελαχιστοποίηση παραγωγής αποβλήτων.
• Ειδικές εφαρμογές που περιλαμβάνουν νάνο-λιπάσματα και νάνο-φυτοφάρμακα.
• Επεξεργασία των γεωργικών αποβλήτων με βάση την νανοτεχνολογία
• Νάνο-αισθητήρες.

Σχήμα 1. Διεπιστημονική φύση της αγρό-νανοτεχνολογίας

Επί του παρόντος, αναγνωρίζεται σαφώς οι δυνατότητα της νανοτεχνολογίας για τη βιώσιμη διαχείριση της γεωργίας. Κατέχει εξέχουσα θέση στην μεταμόρφωση της γεωργίας και της παραγωγής τροφίμων. Η ανάπτυξη των νάνο-συσκευών και των νάνοϋλικών θα μπορούσε να προωθήσει καινοτόμες εφαρμογές στη βιομηχανία της βιοτεχνολογίας των φυτών και της γεωργίας. Έτσι, η ανάπτυξη της αργής/ελεγχόμενης αποδέσμευσης λιπασμάτων με βάση τη νανοτεχνολογία έχει γίνει πλέον ζωτικής σημασίας για την προώθηση της ανάπτυξης λιπασμάτων φιλικών προς το περιβάλλον και τη βιώσιμη γεωργία. Η εφαρμογή νανοκλίμακας ή νανοδομημένων υλικών ως φορείς λιπασμάτων οδηγεί στην ανάπτυξη του λεγόμενου «έξυπνου λιπάσματος» - νέες εγκαταστάσεις που ενισχύουν την αποδοτικότητα στη χρήση των θρεπτικών συστατικών και μειώνουν το κόστος της προστασίας του περιβάλλοντος.

Νάνο-λιπάσματα εναντίον συμβατικών λιπασμάτων - τυποποίηση και παράδοση των νάνο-λιπασμάτων

Η αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού τα τελευταία 10-15 έτη επέβαλε την ανάγκη για αύξηση της παραγωγικότητας της γεωργίας για την ικανοποίηση των τροφικών αναγκών δισεκατομμυρίων ανθρώπων. Η αυξανόμενη έλλειψη θρεπτικών ουσιών στο έδαφος προκαλεί από τη μία πλευρά σημαντικές οικονομικές απώλειες για τους αγρότες και σημαντικές μειώσεις στις διατροφική ποιότητα των σιτηρών για τα τρόφιμα και τις ζωοτροφές από την άλλη. Η παραγωγικότητα των καλλιεργειών μπορεί να ενισχυθεί μέσω της εφαρμογής των λιπασμάτων, αν και έχουν ένα πρόσθετο ρόλο στην ενίσχυση της παραγωγής τροφίμων, ιδίως μετά την εισαγωγή των λιπασμάτων υψηλής απόδοσης και των ποικιλιών λιπασμάτων που ανταποκρίνονται στις καλλιέργειες. Τα συμβατικά λιπάσματα γενικά εφαρμόζονται στις καλλιέργειες είτε με ψεκασμό ή με την μετάδοση. Ένας σημαντικός παράγοντας, από τον οποίο εξαρτάται η λειτουργία της εφαρμογής, είναι η πραγματική τελική συγκέντρωση των λιπασμάτων στα φυτά. Τα συμβατικά λιπάσματα προσφέρουν θρεπτικά συστατικά σε χημικές μορφές που δεν είναι πλήρως προσβάσιμα για τα φυτά. Επιπλέον, η μετατροπή αυτών των χημικών ουσιών σε αδιάλυτη μορφή στο έδαφος είναι ο λόγος για την πολύ χαμηλή χρήση των περισσότερων από τα μακροθρεπτικά συστατικά. Μια συγκέντρωση πολύ κάτω από την ελάχιστη επιθυμητή φθάνει στην στοχευόμενη θέση λόγω της έκπλυσης των χημικών ουσιών, παρασυρόμενα από απορροή, εξάτμιση, υδρόλυση, από υγρασία του εδάφους, και φωτολυτική και μικροβιακή αποικοδόμηση. Έχει υπολογιστεί ότι περίπου 40-70% του αζώτου, 80-90% του φωσφόρου, και το 50-90% του περιεχομένου καλίου των εφαρμοσμένων λιπασμάτων χάνονται στο περιβάλλον και ποτέ δεν φτάνουν στο φυτό. Τα προβλήματα αυτά υπερέχουν της επαναλαμβανόμενης χρήσης των λιπασμάτων. Σύμφωνα με τη Διεθνή Ένωση Βιομηχανιών Λιπασμάτων, η παγκόσμια κατανάλωση λιπασμάτων απότομα αυξήθηκε κατά την περίοδο 2009-2010 και 2010-2011 με ρυθμούς ανάπτυξης 5-6%. Η παγκόσμια ζήτηση εκτιμάται ότι θα φθάσει 192,8 Mt από το 2016-2017. Η επανειλημμένη χρήση με τη σειρά της επηρεάζει δυσμενώς την εγγενή θρεπτική ισορροπία του εδάφους και οδηγεί σε ρύπανση του περιβάλλοντος που επηρεάζει τη φυσιολογική χλωρίδα και πανίδα. Έχει αναφερθεί ότι η υπερβολική χρήση λιπασμάτων αυξάνει τα παθογόνα και την αντίσταση στα παράσιτα, μειώνει τη μικροχλωρίδα του χώματος, μειώνεται η δέσμευση του αζώτου, συμβάλλει στην βιοσυσσώρευση των φυτοφαρμάκων, και καταστρέφει τα ενδιαιτήματα για τα πτηνά. Αυτός ο φαύλος κύκλος προκαλεί βιώσιμες και οικονομικές απώλειες.

Είναι γνωστό ότι οι αποδόσεις πολλών καλλιεργειών έχουν αρχίσει να μειώνονται ως αποτέλεσμα της μη ισορροπημένης λίπανσης και μείωσης της οργανικής ύλης του εδάφους. Επιπλέον, η υπερβολική εφαρμογή αζωτούχων και φωσφορικών λιπασμάτων επηρεάζουν τα υπόγεια ύδατα και επίσης οδηγούν σε ευτροφισμό στα υδάτινα οικοσυστήματα. Τα υπόλοιπα ανόργανα συστατικά μπορούν είτε να εκλυθούν κάτω και/ή η διαρροή να γίνει σταθερά στο έδαφος ή να συμβάλλει στην ατμοσφαιρική ρύπανση. Λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα δεδομένα, η εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα χημικών λιπασμάτων για την αύξηση της παραγωγικότητας των καλλιεργειών δεν είναι μια αποδεκτή επιλογή για την αειφορία. Ειδικά σε μακροπρόθεσμη προοπτική, αν και τα συμβατικά λιπάσματα αυξάνουν την παραγωγή των καλλιεργειών διαταράσσουν την ισορροπία του εδάφους και μειώνουν τη γονιμότητα του. Εκτός από την ανεπανόρθωτη ζημιά που η υπερβολική χρήση χημικών λιπασμάτων προκαλεί στη δομή του εδάφους και στους κύκλους των στοιχείων, χαλάει τη μικροχλωρίδα του εδάφους, τα φυτά, και ως εκ τούτου - τις αλυσίδες τροφής σε όλα τα οικοσυστήματα που οδηγεί σε κληρονομικές μεταλλάξεις σε μελλοντικές γενιές των καταναλωτών του οικοσυστήματος. Έτσι, υπάρχει επείγουσα ανάγκη για τη βελτιστοποίηση της χρήσης των χημικών λιπασμάτων, να πληρούν τις απαιτήσεις σε θρεπτικά συστατικά των καλλιεργειών και να ελαχιστοποιηθεί ο κίνδυνος ρύπανσης του περιβάλλοντος. Ως εκ τούτου, είναι πολύ σημαντική η ανάπτυξη έξυπνων υλικών που μπορούν να απελευθερώσουν συστηματικά τις χημικές ουσίες σε συγκεκριμένους επιλεγμένους χώρους, σε εγκαταστάσεις το οποίο θα μπορούσε να είναι ευεργετικό για τον έλεγχο ανεπάρκειας των θρεπτικών στη γεωργία, διατηρώντας τη φυσική δομή του εδάφους και συμβάλλοντας στον καθαρισμό του περιβάλλοντος. Τα νάνο-λιπάσματα είναι μία πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση σε αυτό το πλαίσιο.

Το νάνο-λίπασμα αναφέρεται σε ένα προϊόν σε κλίμακα νανομέτρων που προσφέρει θρεπτικά συστατικά στις καλλιέργειες. Η τεχνολογία του νάνο-λιπάσματος είναι μία πρόσφατη καινοτομία. Η αντικατάσταση των παραδοσιακών μεθόδων της εφαρμογής λιπάσματος με νάνο-λιπάσματα είναι μια προσέγγιση που να απελευθερώνει θρεπτικά συστατικά στο έδαφος σταδιακά και με ελεγχόμενο τρόπο. Τα νάνο-λιπάσματα παρουσιάζουν ελεγχόμενη απελευθέρωση αγροχημικών μέσα από θέση στοχευμένης παροχής, μείωση της τοξικότητας, και αυξημένης χρήσης των θρεπτικών συστατικών των λιπασμάτων που χορηγήθηκαν. Διαθέτουν μοναδικά χαρακτηριστικά που ενισχύουν την απόδοση με την υπερυψηλή απορρόφηση, την αύξηση της παραγωγής, την αύξηση της φωτοσύνθεσης, και τη σημαντική αύξηση της επιφάνειας στα φύλλα των φυτών. Εκτός αυτού, η ελεγχόμενη απελευθέρωση των θρεπτικών συστατικών συμβάλλει στην πρόληψη του ευτροφισμού και της ρύπανσης των υδάτινων πόρων.

Στα νάνο-λιπάσματα, τα θρεπτικά συστατικά μπορούν να ενθυλακωθούν σε νανοϋλικά, επικαλυμμένα με ένα λεπτό προστατευτικό φιλμ, ή να χορηγηθούν ως γαλακτώματα ή νανοσωματίδια. Υπάρχουν πολλά παραδείγματα εφαρμογής νάνο-λιπασμάτων. Έτσι, η θεραπεία με νανοσωματίδια TiO₂ στον αραβόσιτο είχε σημαντική επίδραση στην ανάπτυξη, ενώ το αποτέλεσμα της θεραπείας με χύμα TiO₂ ήταν αμελητέα. Τα νανοσωματίδια του τιτανίου παρουσιάζουν αυξημένη απορρόφηση φωτός και μετάδοση φωτεινής ενέργειας. Σε ένα άλλο πείραμα, μία ένωση SiO₂ και TiO₂ νανοσωματιδίων αύξησε τη δραστικότητα των νιτρικών αναγωγάσης στη σόγια και να εντάθηκε η ικανότητα απορρόφησης των φυτών, κάνοντας τη χρήση του νερού και του λιπάσματος πιο αποτελεσματική. Νάνο-οργανικό λίπασμα συμπλόκου χηλικού σιδήρου έχει αποδειχθεί ότι είναι περιβαλλοντικά βιώσιμο. Η θετική επίδραση από την απορρόφηση και τη διείσδυση των ZnO₂ νανοσωματιδίων σε φυτά ντομάτας υποστηρίζει την πιθανή χρήση του ως μελλοντικού νάνο-λίπασμα. Τα νάνο-λιπάσματα που εξασφαλίζουν αργή, στοχευμένη, αποτελεσματική απελευθέρωση έχουν τη δυνατότητα να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα πρόσληψης των θρεπτικών συστατικών. Τα κατασκευασμένα νανο-σωματίδια είναι χρήσιμα για την άμβλυνση των χρόνιων προβλημάτων της κατακράτησης υγρασίας σε άνυδρα εδάφη και της ενίσχυσης της παραγωγής των καλλιεργειών με την αύξηση της διαθεσιμότητας των θρεπτικών ουσιών στη ριζόσφαιρα. Η επίστρωση και η πρόσδεση των νανο-σωματιδίων βοηθούν στη ρύθμιση της απελευθέρωσης των θρεπτικών ουσιών από την κάψουλα του λιπάσματος. Η εφαρμογή μίας νανο-σύνθεσης αποτελούμενης από άζωτο, φωσφόρο, κάλιο, ιχνοστοιχεία, μαννόζη, και αμινοξέα ενίσχυσε την πρόσληψη και τη χρήση των θρεπτικών συστατικών από τις καλλιέργειες δημητριακών. Επικαλυμμένα με Ζn-ΑΙ και έχουν διπλό υδροξείδιο είναι νανο-σύνθετα υλικά που έχουν χρησιμοποιηθεί για την ελεγχόμενη απελευθέρωση των χημικών ενώσεων που δρουν ως ρυθμιστές της ανάπτυξης των φυτών. Νανο-πορώδη ζεολιθικά λιπάσματα με βάση το άζωτο μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτική στρατηγική για να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα της χρήσης του αζώτου στα συστήματα παραγωγής των καλλιεργειών. Τα υπέρ-λιπάσματα, νανοσωλήνες άνθρακα βρέθηκαν να διεισδύουν σπόρους ντομάτας και να επηρεάζουν βλάστηση και την ανάπτυξη τους. Αναλυτικές μέθοδοι έδειξαν ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα διεισδύουν στο παχύ περίβλημα του σπόρου και υποστηρίζουν την πρόσληψη νερού στο εσωτερικό τους σπόρους.

Αυτά τα στοιχεία υποστηρίζουν τη δήλωση ότι τα λιπάσματα με βάση τη νανοτεχνολογία έχουν τη δυνατότητα να ξεπεράσουν τα συμβατικά λιπάσματα ακολουθώντας διάφορους σημαντικούς δείκτες (όπως φαίνεται στον Πίνακα 1).

Πίνακας 1. Συμβατικά λιπάσματα εναντίον Νανο-λιπάσματα

Δείκτης	Νάνο-λίπασμα	Συμβατικό λίπασμα
Διαλυτότητα	Υψηλή	Χαμηλή
Διασπορά μεταλλικών ιχνοστοιχείων	Βελτιωμένη διασπορά αδιάλυτων θρεπτικών.	Χαμηλή διαλυτότητα λόγω του μεγάλου μεγέθους των σωματιδίων.
Προσρόφηση και ρύθμιση του εδάφους	Μειωμένη	Υψηλή
Βιοδιαθεσιμότητα	Υψηλή	Χαμηλή
Επάρκεια πρόσληψης θρεπτικών	Αυξημένος βαθμός πρόσληψης, εξοικονόμηση λιπάσματος	Τα συμβατικά λιπάσματα δεν είναι διαθέσιμα στις ρίζες και η επάρκεια πρόσληψης θρεπτικών είναι χαμηλή.
Ελεγχόμενη απελευθέρωση	Ο ρυθμός απελευθέρωσης και ο τρόπος ελέγχονται με ακρίβεια.	Υπερβολική απελευθέρωση που οδηγεί σε τοξικότητα και μη ισορροπία εδάφους.
Αποτελεσματική διάρκεια της απελευθέρωσης	Εκτεταμένη αποτελεσματική διάρκεια.	Χρησιμοποιείται από το φυτό στον τόπο και την ώρα της εφαρμογής. Το υπόλοιπο μετατρέπεται σε αδιάλυτη μορφή.
Βαθμός απώλειας	Μειωμένη απώλεια των θρεπτικών του λιπάσματος.	Υψηλός βαθμός απώλειας εξαιτίας της έκπλυσης της απομάκρυνσης και της απορροής.

Τα νανο-λιπάσματα θα πρέπει να διαμορφώνονται με τρόπο που να διατηρούν τις σημαντικές ιδιότητες όπως η υψηλή διαλυτότητα, η σταθερότητα, η αποτελεσματικότητα, η χρονικά ελεγχόμενη απελευθέρωση, η ενισχυμένη στοχευμένη δραστηριότητα με αποτελεσματική συγκέντρωση και η λιγότερη οικοτοξικότητα λόγω του ασφαλούς και εύκολου τρόπου παράδοσης και διάθεσης.

Μεγάλη δυνατότητα στοχευμένης διανομής θρεπτικών συστατικών στα ζωντανά συστήματα διαθέτουν τα νανοσωματίδια. Μπορούν να φορτωθούν με θρεπτικά συστατικά συνήθως με έναν από τους παρακάτω τρόπους:

• Απορρόφηση των νανοσωματιδίων.
• Προσκόλληση πάνω στα νανοσωματίδια που σχεδιάζονται από συνδέτες.
• Ενθυλάκωση σε νανοσωματιδιακό πολυμερές κέλυφος.
• Παγίδευση σε νανοσωματίδια.

Έτσι, έχει δειχθεί ότι εναιωρήματα νανοσωματιδίων χιτοζάνης που περιέχουν τα λιπάσματα Ν, Ρ και Κ μπορούν να είναι χρήσιμα για γεωργικές εφαρμογές. Ομοίως, τα νανοσωματίδια υδροξυαπατίτη (HA), τροποποιημένα με ουρία χρησιμοποιούνται για αργή και παρατεταμένη απελευθέρωση αζώτου με την πάροδο του χρόνου και με την ανάπτυξη των καλλιεργειών. Η μεγάλη επιφάνεια του HA διευκολύνει τη μεγάλη ποσότητα πρόσδεσης ουρίας στην επιφάνεια του ΗΑ και η ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ των νανοσωματιδίων ΗΑ και της ουρίας συμβάλλει στην αργή και ελεγχόμενη απελευθέρωση της ουρίας. Μεσοπορώδη νανοσωματίδια με βάση το πολυμερές μπορούν επίσης να παρέχουν αποτελεσματικό σύστημα φορέα σε αγροχημικές ενώσεις. Μεσοπορώδη νανοσωματίδια πυριτίου (150nm) έχουν αναφερθεί ότι παγιδεύουν την ουρία και την απελευθερώνουν με ελεγχόμενο τρόπο στο έδαφος και στο νερό.

Η αποτελεσματικότητα των νανο-λιπασμάτων και η επίδρασή τους στα φυτικά συστήματα επηρεάζεται από τη μέθοδο εφαρμογής τους. Η παράδοση νανο-λιπασμάτων στα φυτά μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω των παρακάτω μεθόδων. Οι προσεγγίσεις περιλαμβάνουν είτε in vitro είτε in νίνο εφαρμογή, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.

Πίνακας 2. Τρόποι εφαρμογής των νανο-λιπασμάτων.

Μέθοδος Ιn vitro	Μέθοδος In vivo
Αεροπονία:	Εφαρμογή στο έδαφος:
Υδροπονία:	Διαφυλλική εφαρμογή

• Αρχή: η τεχνική, που αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1992, συνίσταται από τον συνεχή ψεκασμό ενός θρεπτικού διαλύματος σε αιωρούμενες ρίζες.
• Πλεονεκτήματα: Η τεχνική επιτρέπει τον αυστηρό έλεγχο του αέριου περιβάλλοντος γύρω από τις ρίζες.
• Μειονεκτήματα: οι τεχνικές απαιτούν υψηλό επίπεδο θρεπτικών συστατικών για να διατηρήσουν την ταχεία ανάπτυξη των φυτών, με αποτέλεσμα να περιορίζεται η εφαρμογή τους.
• Αρχή: απευθείας εφαρμογή στο έδαφος.
• Απαιτήσεις: προσεκτική επιλογή του απαιτούμενου χρόνου του λιπάσματος στο έδαφος. Ιδιαίτερη προσοχή στην υφή του εδάφους, την αλατότητα, την ευαισθησία των φυτών στα άλατα και την τροποποίησης του pΗ. Τα αρνητικά σωματίδια του εδάφους επηρεάζουν την προσρόφηση ορυκτών θρεπτικών ουσιών. Η ικανότητα ανταλλαγής ανιόντων των περισσότερων γεωργικών εδαφών είναι μικρή σε σύγκριση με την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων. Μεταξύ των ανιόντων, το NO^3- παραμένει κινητό στο διάλυμα του εδάφους και είναι ευαίσθητο στην έκπλυση με νερό, το PO₄^3- δεσμεύεται στα σωματίδια του εδάφους που περιέχουν Al ή Fe επειδή τα θετικά φορτισμένα Fe²⁺ / ³⁺ και Al³⁺ ανταλλάσσουν ΟΗ^- ομάδα με φωσφορικά άλατα, Οριοθέτηση της τελευταίας, της οποίας η κινητικότητα και η διαθεσιμότητα στο έδαφος μπορεί να περιορίσει την ανάπτυξη των φυτών.
• Πλεονεκτήματα: η πιο συνηθισμένη μέθοδος συμπλήρωσης θρεπτικών συστατικών με χημικά και οργανικά λιπάσματα.
• Αρχή: Τα φυτά αναπτύσσονται με τις ρίζες τους βυθισμένες σε υγρό θρεπτικό διάλυμα (χωρίς χώμα), το οποίο εισήχθη το 1937 για διαλυμένα ανόργανα άλατα, γνωστό και ως η λεγόμενη "καλλιέργεια διαλύματος".
• Απαιτήσεις: προσεκτική επιλογή του όγκου θρεπτικού διαλύματος, διατήρηση των απαιτήσεων οξυγόνου και pH.
• Πλεονεκτήματα: Εφαρμογή υποστηρικτικών υλικών (π.χ. άμμου) που επιτρέπουν την εκροή θρεπτικού διαλύματος από το ένα άκρο και την απομάκρυνση παλαιού διαλύματος από το άλλο άκρο.
• Μειονεκτήματα: συχνή επίθεση παθογόνων οργανισμών και υψηλά ποσοστά υγρασίας που μπορούν να προκαλέσουν υπερβολικό μαρασμό των φυτών με βάση το έδαφος.
• Αρχή: τα υγρά λιπάσματα ψεκάζονται απευθείας στα φύλλα, χρησιμοποιούνται γενικά για την παροχή ιχνοστοιχείων.
• Πλεονεκτήματα: Μειώνει την χρονική υστέρηση μεταξύ της εφαρμογής και της πρόσληψης από το φυτό κατά τη φάση της ταχείας ανάπτυξης.Παρακάμπτει το πρόβλημα της περιορισμένης πρόσληψης θρεπτικών συστατικών από το έδαφος. Αγρονομικό πλεονέκτημα της εφαρμογής του στο φύλλωμα, καθώς τα επιδερμικά κύτταρα των βλαστών και των φύλλων εμπλέκονται σε μεγάλο βαθμό στην πρόσληψη θρεπτικών ουσιών.
• Μειονεκτήματα: περαιτέρω ανάγκες τυποποίησης του πρωτοκόλλου εφαρμογής για την αποφυγή βλάβης στα φύλλα. Ανάγκη για συγκεκριμένο χρόνο (πρωί και βράδυ) ψεκασμού επειδή τα στόματα ανοίγουν μόνο κατά τη διάρκεια αυτών των χρονικών περιόδων. Πιθανότητα βλάβης των φυτών σε περίπτωση εφαρμογής λανθασμένης συγκέντρωσης λιπάσματος.

Η επέκταση της τεχνολογίας έχει βελτιώσει τους τρόπους παραγωγής μεγάλης κλίμακας νανοσωματιδίων φυσιολογικώς σημαντικών μετάλλων, τα οποία χρησιμοποιούνται τώρα ως "έξυπνα συστήματα διανομής" προκειμένου να βελτιωθεί η διαμόρφωση των λιπασμάτων με ελαχιστοποίηση της απώλειας θρεπτικών ουσιών και αύξηση της πρόσληψης από τα φυτικά κύτταρα. Ως "έξυπνο σύστημα διανομής" νοείται ο συνδυασμός ειδικά στοχευμένων, εξαιρετικά ελεγχόμενων, εξ αποστάσεως ρυθμισμένων και πολυλειτουργικών χαρακτηριστικών για την αποφυγή βιολογικών φραγμών και για την επιτυχή στόχευση. Οι συγκεκριμένες ιδιότητες των νανο-λιπασμάτων, δηλαδή η μεγάλη επιφάνεια τους, η ικανότητα προσρόφησης και η κινητική ελεγχόμενη απελευθέρωση σε στοχοθετημένες περιοχές, το χαρακτηρίζουν ως έξυπνο σύστημα παράδοσης.

Τα έξυπνα λιπάσματα γίνονται πραγματικότητα μέσω της μετατροπής των συμβατικών προϊόντων με τη χρήση νανοτεχνολογίας. Το νανοδομημένο σκεύασμα επιτρέπει σε ένα λίπασμα να ελέγχει έξυπνα την ταχύτητα απελευθέρωσης των θρεπτικών ουσιών ώστε να ταιριάζει με τη μορφή απορρόφησης μιας συγκεκριμένης καλλιέργειας. Βελτιώνει τη διαλυτότητα και τη διασπορά των αδιάλυτων θρεπτικών ουσιών στο έδαφος, μειώνει την απορρόφηση και σταθεροποίηση του εδάφους και αυξάνει τη βιοδιαθεσιμότητα, εξού και η αποδοτικότητα πρόσληψης θρεπτικών ουσιών.

Βιοσύνθεση των νανοσωματιδίων των μικροοργανισμών μου

Μεσολαβούμενη σύνθεση μεταλλικών νανοσωματιδίων από μικροοργανισμούς

Πρόσφατα, η χρήση βιολογικών οντοτήτων έχει αναδειχθεί ως μια νέα μέθοδος για τη σύνθεση νανοσωματιδίων. Ο βιοτεχνολογικός τρόπος για τη σύνθεση νανοσωματιδίων έχει πολλά πλεονεκτήματα, όπως τη χρήση γνωστών μικροβιακών τεχνολογιών και διεργασιών για την κλιμάκωση της απόκτησης βιομάζας. Αυτό οδηγεί σε οικονομική βιωσιμότητα, δυνατότητα εύκολης κάλυψης μεγάλων επιφανειών με την κατάλληλη ανάπτυξη των μικροβίων, γεγονός που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα στον τομέα της γεωργίας για ευκολότερη παραγωγή βιολογικών λιπασμάτων.

Τα μειονεκτήματα των συμβατικών μεθόδων για την απόκτηση μεταλλικών νανοσωματιδίων, όπως οι υψηλές απαιτήσεις παραγωγής ενέργειας και κόστους, καθώς και η παραγωγή τοξικών παραπροϊόντων καθιστά την εφαρμογή τέτοιων προσεγγίσεων σε μεγάλη κλίμακα πολύ περίπλοκη. Η χρήση μικροβιακών κυτταρικών εργοστασίων όπως τα βακτήρια, οι μύκητες, τα άλγη, οι ιοί και οι ακτινομύκητες παρέχουν έναν έξυπνο εναλλακτικό τρόπο σύνθεσης μεταλλικών νανοσωματιδίων. Η βιοσύνθεση των μεταλλικών νανοσωματιδίων σε αυτούς τους μικροοργανισμούς είναι μια δαπανηρή αλλά και φιλική προς το περιβάλλον τεχνολογία. Η χρήση ευρέος αριθμού μικροοργανισμών που ανήκουν σε προκαρυωτικούς και ευκαρυωτικούς τύπους συμμετέχει στη σύνθεση μεγάλου εύρους μεταλλικών νανοσωματιδίων όπως χρυσός (Au), άργυρος (Ag), μόλυβδος (Pb), πλατίνα (Pt), χαλκός (Cu), σίδηρος (Fe), κάδμιο (Cd) και οξείδια μετάλλων όπως το οξείδιο του τιτανίου (TiO), το οξείδιο του ψευδαργύρου (ZnO), κλπ. Αυτοί οι μικροοργανισμοί αντιπροσωπεύουν μια ποικίλη ατμόσφαιρα για την παραγωγή νανοσωματιδίων. Τα νανοσωματίδια που παράγονται είναι πολύ χρήσιμα, ασφαλή και φιλικά προς το περιβάλλον στη φύση με πολλές εφαρμογές (Syed, PhD Thesis). Στη γεωργία, τα πιο χρησιμοποιημένα νανοσωματίδια ως βιοεπεξεργαστές είναι Coper (Cu), σίδηρος (Fe) , Χρυσού (Au). Οι μελλοντικές προκλήσεις από την άποψη αυτή περιλαμβάνουν τη βέλτιστη βιοσύνθεση των νανοσωματιδίων με καθορισμένο μέγεθος και σχήμα καθώς και τη βέλτιστη διάρκεια της διαδικασίας ζύμωσης προκειμένου να αυξηθεί η σταθερότητά τους.

Η μικροβιολογική σύνθεση είναι μια νέα προσέγγιση για την κατασκευή νανοσωματιδίων και την υλοποίηση των αποκαλούμενων βιοανυποκαταστάσεων. Τα κύρια χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων αποκαλύπτονται από τους ερευνητές, οι οποίοι προετοίμαζαν νανοσωματίδια επιθυμητού σχήματος και μεγέθους.

Το κύριο διάγραμμα ροής για τη μικροβιολογική σύνθεση των μεταλλικών νανοσωματιδίων παρουσιάζεται στο σχήμα 2.

Εικ.2. Κύριο διάγραμμα ροής για τη μικροβιολογική σύνθεση των μεταλλικών νανοσωματιδίων

Οι ακόλουθες σημαντικές παράμετροι παίζουν σημαντικό ρόλο στη βιοσύνθεση των νανοσωματιδίων.

1. Βιολογικές πηγές που χρησιμοποιούνται για τη βιοσύνθεση των νανοσωματιδίων: Η σύνθεση των νανοσωματιδίων χαρακτηρίζεται από την επιλογή του πιο κατάλληλου μικροοργανισμού όσον αφορά: τον ρυθμό ανάπτυξης, την παραγωγή ενζύμων και τις αντίστοιχες μεταβολικές οδούς. Μερικοί από τους μικροοργανισμούς όπως τα βακτήρια, οι ιοί, οι μύκητες, οι ζυμομύκητες και τα φύκια χρησιμοποιούνται για τη βιοσύνθεση μεταλλικών νανοσωματιδίων και αποτελούν αντικείμενο ειδικής έρευνας.

2. Κυτταρικοί μεταβολίτες που εμπλέκονται στη βιοσύνθεση: μόρια όπως ένζυμα, πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες κλπ. δρουν ως αναγωγικά και σταθεροποιητικά μέσα στη βιοσύνθεση νανοσωματιδίων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη διαδικασία ως ολόκληρα κύτταρα μικροοργανισμών, παρασκευάσματα ακατέργαστων κυττάρων και ακατέργαστα ή καθαρισμένα ένζυμα που λαμβάνονται από τους μικροοργανισμούς. Τα ληφθέντα νανοσωματίδια προέρχονται κυρίως από βιοαναγωγή, η οποία πραγματοποιείται από συνένζυμα όπως NADH, NADPH, FAD κλπ. Βρέθηκε ότι η σύνθεση νανοσωματιδίων με τη βοήθεια ολόκληρων κυττάρων μυκήτων είναι πολύ φθηνότερη σε σύγκριση με τα καθαρισμένα ένζυμα του ίδιου στελέχους μυκήτων (Syed, PhD Thesis).

3. Αντιδράσεις που διευκολύνουν τη βιοσύνθεση των νανοσωματιδίων: η διαδικασία αυτής της βιοσύνθεσης αρχίζει με τη συλλογή μικροβιακής βιομάζας, η οποία σχετίζεται με υπολείμματα θρεπτικών ουσιών και μεταβολιτών, για να αποφευχθούν οι αντιδράσεις των προϊόντων. Κατά τη διάρκεια των διαδικασιών εξόρυξης, ο ρυθμός παραγωγής και η απόδοση του προϊόντος παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον και είναι απαραίτητη η βελτιστοποίηση (π.χ. χρόνος παραγωγής, pH, θερμοκρασία κ.λπ.). Η διαδικασία βελτιστοποίησης αυτών των παραγόντων μπορεί να επηρεάσει τη μορφολογία των σωματιδίων και τις ιδιότητές τους. Έτσι, σήμερα οι ερευνητές έχουν κατευθύνει τις έρευνές τους στη διευθέτηση των βέλτιστων συνθηκών αντίδρασης καθώς και τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στη διαδικασία βιοανάδρασης (Syed, PhD Thesis).

4. Ανάπτυξη εμβολίου για τη βιοσύνθεση νανοσωματιδίων: η βιοσύνθεση των νανοσωματιδίων εξαρτάται από τις συνθήκες ανάπτυξης των μικροοργανισμών - παραγωγών όπως: θρεπτικά συστατικά, ρΗ, θερμοκρασία, κλπ. Αυτοί οι παράγοντες πρέπει να βελτιστοποιηθούν. Είναι επίσης σημαντικοί σε περίπτωση χρήσης ολόκληρων κυττάρων και ακατέργαστων ενζύμων. Μια άλλη σημαντική παράμετρος για τη βελτιστοποίηση των εμβολίων είναι ο χρόνος συγκομιδής, έτσι ώστε είναι απαραίτητο να παρακολουθούνται οι ενζυμικές δραστηριότητες κατά τη διάρκεια της χρονικής πορείας της ανάπτυξης (Syed, PhD Thesis).

Μικροβιακές νανομορφώσεις: διερεύνηση δυνατοτήτων για νανοκαλλιέργεια

Τα νανοσωματίδια που συντίθενται από μικρόβια είναι εξαιρετικά σταθερά και θα μπορούσαν να προσφέρουν μια μη τοξική, οικονομικά αποδοτική και φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση για τη σύνθεση έναντι των χημικών. Αυτή η πράσινη σύνθεση έχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα έναντι των χημικών μεθόδων, προκαλώντας τοξική επίδραση στο περιβάλλον. Έτσι, η χρήση σημαντικών από γεωργικής απόψεως μικροοργανισμών για τη βιοσύνθεση των νανοσωματιδίων και ο περαιτέρω ρόλος τους στη γεωργία είναι σημαντικής σημασίας. Η χρήση νανομορφώσεων μπορεί να ενισχύσει τη σταθερότητα των βιο-λιπασμάτων και των βιοδιεγερτών σε σχέση με την αποξήρανση, τη θερμότητα και την απενεργοποίηση με υπεριώδη ακτινοβολία.

Πρόσληψη νάνο-λιπασμάτων, μεταφορά, και η τύχη τους στα φυτά

Η πρόσληψη και η τύχη των νανο-λιπασμάτων στο φυτό είναι ένα αναδυόμενο πεδίο ερευνητικού ενδιαφέροντος. Η πρόσληψη, η μετατόπιση και η συσσώρευση νανοσωματιδίων εξαρτώνται από το ίδιο το φυτό, και ειδικότερα από το είδος των φυτών, την ηλικία και το περιβάλλον ανάπτυξης. Επίσης, αυτές οι διαδικασίες συνδέονται με τις φυσικοχημικές ιδιότητες, τη λειτουργικότητα, τη σταθερότητα και τον τρόπο παροχής των νανοσωματιδίων. Μια σχηματική αναπαράσταση της οδού πρόσληψης, μετατόπισης και βιομετατροπής διαφόρων νανοσωματιδίων προτείνεται από τους Rico et al. (2011) μαζί με τους πιθανούς τρόπους κυτταρικής πρόσληψης στο φυτικό σύστημα. Σύμφωνα με αυτή την παρουσίαση, το ριζικό σύστημα δέχεται και μεταφέρει στο φυλλώδες τμήμα ενός φυτού, ανεξάρτητα από το είδος του, ZnO²⁺ , Cu²⁺, Al³⁺, Ag²⁺ και Fe₃O₄ νανοσωματίδια (NP). Επιπλέον, υπάρχουν διαθέσιμα ενδεικτικά στοιχεία για την εξάρτηση ειδών από την μετατόπιση των Cu NP, ZnO NP, Al NP, Ag NP (όλα σε φύλλα), Ni (OH) 2 NP στο βλαστό και CeO₂ NP τόσο στους βλαστούς όσο και στα φύλλα. Μια μετατόπιση του Fe₃O₄ NP στο βλαστό επίσης εικάζεται.

Η πιθανή αλληλεπίδραση των διαφορικών νανοσωματιδίων στην έκθεση στη ζώνη απορρόφησης της ρίζας μπορεί να συνοψιστεί στον Πίνακα 3.

Πίνακας 3. Τοποθέτηση και αλληλεπίδραση διαφορετικών νανοσωματιδίων στη ζώνη απορρόφησης των ριζών

Nano-particle (νάνο-σωματίδιο)	Εντοπισμός / αλληλεπίδραση
Fe3O4 NP	Κάμβιο
ZnO NP	Ενδοδερμίδα, μεταξύλωμα. Zn2+ - στο μεταξύλωμα
CeO2 NP	Φλοιός
Al NP	Φλοιός Al3+ - στο μεταξύλωμα
Ag NP	Φλοιός; Ag2+ - στο μεταξύλωμα
Cu NP	Φλοιός; Cu2+ - Στο κάμβιο και στο μεταξύλωμα
TiO2 NP	Φλοιός
Ni (OH)2NP	Μεταξύλωμα

Η είσοδος των νανοσωματιδίων μέσω του κυτταρικού τοιχώματος εξαρτάται από τη διάμετρο των πόρων του κυτταρικού τοιχώματος (5-20nm). Εξαιτίας αυτού, τα νανοσωματίδια ή τα συσσωματώματα νανοσωματιδίων με διάμετρο μικρότερη από το μέγεθος των πόρων του τοιχώματος των φυτικών κυττάρων μπορούν εύκολα να εισέλθουν διαμέσου του κυτταρικού τοιχώματος και να φτάσουν μέχρι τη πλασματική μεμβράνη. Τα λειτουργικά νανοσωματίδια μπορούν να διευκολύνουν τη μεγέθυνση του μεγέθους των πόρων ή την επαγωγή του σχηματισμού νέων πόρων κυτταρικού τοιχώματος για να ενισχύσουν την πρόσληψη νανοσωματιδίων. Διεξάγονται ερευνητικές συζητήσεις σχετικά με την πρόσληψη νανοσωματιδίων από το φυτικό κύτταρο που προκαλείται από τη δέσμευση των πρωτεϊνών-φορέων μέσω της αγωγιμότητας, των διαύλων των ιόντων ή της ενδοκυττάρωσης. Επιπροσθέτως, τα νανοσωματίδια μπορούν επίσης να μεταφερθούν στο φυτό είτε σχηματίζοντας σύμπλοκα με πρωτεΐνες μεταφορέων μεμβράνης ή με εκκρίματα της ρίζας. Άλλες μελέτες ανέφεραν ότι τα νανοσωματίδια θα μπορούσαν να εισέλθουν μέσω των στομάτων ή των βάσεων των τριχιδίων των φύλλων. Μελέτες σχετικά με την πρόσληψη και τη μετατόπιση του συμπλόκου κόκκινου S TiO2-alizarin στο φυτό Arabidopsis thaliana έδειξαν ότι το βλεννώδες υλικό που απελευθερώνεται από τις ρίζες αναπτύσσει σύμπλεγμα υδροκεφατίνης πηκτίνης γύρω από τη ρίζα, το οποίο κατά πάσα πιθανότητα είναι υπεύθυνο για την είσοδο του συμπλόκου χρωστικών ουσιών των νανοσωματιδίων.

Πρόσφατες μελέτες σχετικά με τον μηχανισμό της πρόσληψης και της μετατόπισης νανοσωματιδίων εκμεταλλεύτηκαν νανοσωματίδια μονοδιασπαρμένης μεσοπορώσεως μονοξειδίου του πυριτίου με φθορίζοντα σήματα, τα οποία αποδείχθηκε ότι διεισδύουν στις ρίζες μέσω συμπλαστικών και αποπλαστικών οδών και μετατοπίζονται μέσω ιστού του ξύλου στα εναέρια μέρη των φυτών, συμπεριλαμβανομένου του βλαστού και των φύλλων. Ωστόσο, ο ακριβής μηχανισμός πρόσληψης νανοσωματιδίων από τα φυτά δεν έχει ακόμη διευκρινιστεί πλήρως.

Στο κυτταρόπλασμα, τα νανοσωματίδια στοχεύουν σε διαφορετικά κυτταροπλασματικά οργανίδια και αλληλεπιδρούν με διαφορετικές μεταβολικές διεργασίες του κυττάρου (Πίνακας 3). Φαίνεται ότι η πρόσληψη TiO₂ νάνο-σωματιδίων στο σιτάρι περιλαμβάνει τον εντοπισμό στο παρέγχυμα και στους αγγειακούς ιστούς της ρίζας. Η εσωτερικοποίηση των κυττάρων και η ανοδική μετατόπιση των νανοσωματιδίων ZnO στο Lolium perenne πραγματοποιούνται μέσω των ριζικών κυττάρων και στη συνέχεια μετακινούνται μέχρι τους αγγειακούς ιστούς.

Η πρόσληψη και η συσσώρευση νανοσωματιδίων ZnO, όταν εφαρμόζονται σε υψηλότερη συγκέντρωση, επιβαρύνονται από τη στιγμή που τα νανοσωματίδια συσσωματώνονται και αναστέλλουν την είσοδό τους στους πόρους του κυτταρικού τοιχώματος. Επιπλέον, η φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ των σπόρων που έχουν υποστεί κατεργασία με ZnO αποκάλυψε την παρουσία ιόντων Zn²⁺ αντί για ZnO υποδεικνύοντας το ρόλο των ριζών στον ιονισμό ZnO στην επιφάνεια του.

Μια άλλη κατηγορία νανοσωματιδίων - ο μαγνητίτης NP, συμπεριφέρεται με τρόπο που αναφέρεται η παρουσία του στη ρίζα, το βλαστό και τα φύλλα και η έκταση της πρόσληψης νανοσωματιδίων αποδεικνύεται ότι επηρεάζεται από τον τύπο του μέσου ανάπτυξης. Μία υψηλότερη πρόσληψη επιτυγχάνεται σε υδροπονικό μέσο σε σύγκριση με το φυτό που αναπτύσσεται στην άμμο, ενώ δεν παρατηρήθηκε πρόσληψη σε φυτά που αναπτύχθηκαν στο έδαφος, το οποίο μπορεί να οφείλονται στην προσκόλληση νανοσωματιδίων μαγνητίτη σε κόκκους του εδάφους και της άμμου.

Τέλος, πρέπει να αναφερθεί ότι εκτός από μερικές πειραματικές μελέτες για τα νανοσωματίδια TiO₂ και ZnO, οι περισσότερες από τις μελέτες πρόσληψης, μετατόπισης και συσσώρευσης σε φυτά αναφέρονται μόνο μέχρι το στάδιο βλάστησης. Ως εκ τούτου, η τύχη των νανοσωματιδίων στο φυτικό σύστημα εξακολουθεί να είναι σε μεγάλο βαθμό άγνωστη.

Νάνο-λιπάσματα επίδραση στη φυσιολογία των φυτών και το μεταβολισμό τους.

Η πλειοψηφία των πρόσφατων μελετών υποστηρίζει την ιδέα ότι τα νανοσωματίδια έχουν κάποιες δυσμενείς επιπτώσεις για τα φυτά. Ωστόσο, υπάρχουν λίγες μελέτες που έχουν δείξει ότι τα νανοσωματίδια, όταν χορηγούνται σε ελεγχόμενη ασφαλή δόση, μπορούν να συμβάλλουν στην προώθηση της ανάπτυξης και της απόδοσης των φυτών. Από την άποψη αυτή, τα νανοσωματίδια άνθρακα με πολλαπλά τοιχώματα (MWCNP) έχει αποδειχθεί ότι προάγουν τη βλάστηση και την ανάπτυξη της τομάτας και ενισχύουν την ανάπτυξη των κυττάρων καπνού. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρήθηκε σε MWCNTs σε φυτά μουστάρδας. Χρησιμοποιώντας τον αποκαλούμενο δείκτη βλάστησης και σχετικό χρόνο επιμήκυνσης ρίζας ως παραμέτρους, αποδείχθηκε ότι τα οξειδωμένα MWCNPs ασκούν καλύτερη επίδραση σε χαμηλότερη συγκέντρωση από ό, τι τα μη οξειδωμένα.

Συγκριτικές μελέτες για την αξιολόγηση της απόδοσης των σπόρων και την αποτροπή της αποκοπής των φύλλων στο φυτό Borage, που έγιναν με νανοσάκχαρο και νιτρικό άργυρο, έδειξαν ότι η πρώτη είχε καλύτερη απόδοση. Είναι γνωστό ότι η φυτική ορμόνη αιθυλενίου διαδραματίζει βασικό ρόλο στην αποκοπή των φύλλων και τα ιόντα αργύρου αναστέλλουν το αιθυλένιο αντικαθιστώντας τα ιόντα χαλκού στους υποδοχείς. Όταν οι δύο ενώσεις εφαρμόστηκαν στα φυτά μέσω της μεθόδου ψεκασμού σε φύλλα παρατηρήθηκε ότι το νανοσάκχαρο ήταν αποτελεσματικό σε χαμηλότερη συγκέντρωση από το νιτρικό άργυρο. Παρόμοια επίδραση προώθησης βιοσυνθετικών νανοσωματιδίων αργύρου στην εμφάνιση των φυτών και ποικίλων παραμέτρων ανάπτυξης φυτών πολλών οικονομικά σημαντικών φυτικών ειδών αναφέρθηκε.

Έχουν διεξαχθεί διάφορες μελέτες για την αποσαφήνιση της επίδρασης των νανοσωματιδίων ZnO στην ανάπτυξη διαφορετικών φυτών. Έτσι, παρουσιάστηκε μια διεγερτική επίδραση στην ανάπτυξη του Vignaradiata και του Cicerarietinum. Η προσρόφηση νανοσωματιδίων του ZnO στην επιφάνεια της ρίζας παρατηρήθηκε μέσω συσχέτισης φωτός και ηλεκτρονικής μικροσκοπικής σάρωσης και από τα φυτά μέσω επαγωγικής συζεύξεως πλάσματος/ατομικής εκπομπής φάσματος. Η επίδραση των νανοσωματιδίων ZnO στη φυσιολογία των φυτικών κυττάρων διερευνήθηκε χρησιμοποιώντας κυτταρικό αντιοξειδωτικό σύστημα ως μοντέλο. Εφαρμόζοντας τη μέθοδο ψεκασμού φύλλων σε φυτάρια ρεβιθιάς αποδείχθηκε ότι οι χαμηλές συγκεντρώσεις νανοσωματιδίων ZnO έχουν θετική επίδραση στην ανάπτυξη των φυτών και η συσσώρευση της φυλλώδους βιομάζας έχει βελτιωθεί, το οποίο μπορεί να οφείλεται σε επίπεδα χαμηλότερου αντιδραστικού είδους οξυγόνου (ROS) (που αποδεικνύεται από την κατώτερο περιεχόμενο μηλονικής αλδεΰδης). Τα πειράματα στον αγρό επιβεβαίωσαν ότι η χρήση 15 φορές χαμηλότερης δόσης νανοσωματιδίων ZnO σε σύγκριση με τη συνιστώμενη δόση ZnSO₄ οδήγησε σε 29,5% υψηλότερη απόδοση στον αγρό.

Παρατηρήθηκαν συγκριτικές θετικές επιδράσεις των νανοσωματιδίων ZnO και CeO₂ στην ποιότητα των φρούτων Cucumissativus. Η εφαρμογή και των δύο νανοσωματιδίων είχε ως αποτέλεσμα αυξημένη περιεκτικότητα σε άμυλο και ενδεχομένως - σε μεταβλητό πρότυπο υδατανθράκων.

Διεξήχθη διέγερση της αντιοξειδωτικής δραστικότητας της νιτρικής αναγωγάσης με ένα μίγμα νανοσωματιδίων SiO₂ και TiO₂ στο G. max επιπλέον βρέθηκε καλύτερη παραγωγική επίδραση και αύξηση της ικανότητας πρόσληψης νερού και λιπάσματος του φυτού. Η εφαρμογή των νανοσωματιδίων TiO₂ αποδείχθηκε ότι προάγει τη φωτοσύνθεση υπό ορατό και υπεριώδες φως και την ανάπτυξη στο σπανάκι. Παρατηρήθηκε αύξηση κατά 73% σε ξηρό βάρος, τριπλάσιος ρυθμός φωτοσύνθεσης και αύξηση κατά 45% της χλωροφύλλης μετά από επεξεργασία των σπόρων από το σπανάκι. Οι ερευνητές υποθέτουν ότι ο λόγος αύξησης του φωτοσυνθετικού ρυθμού μπορεί να οφείλεται στην αύξηση της απορρόφησης ανόργανων θρεπτικών ουσιών που ενίσχυσαν την αξιοποίηση της οργανικής ουσίας και την εξουδετέρωση των ελεύθερων από οξυγόνο ριζών.

Σε αντίθεση με τα περισσότερα από τα νανοσωματίδια, για τα οποία δεν συνιστάται η εφαρμογή σε υψηλή συγκέντρωση λόγω της παρατηρούμενης αρνητικής επίδρασης, τα νανοσωματίδια TiO₂ που εφαρμόζονται σε συγκεντρώσεις τόσο υψηλές όσο 2.000ppm αυξάνουν τη βλάστηση των σπόρων και τη σφριγηλότητα του Brassica napus.

Ως εκ τούτου, είναι σαφές ότι διάφορα μεταλλικά νανοσωματίδια είχαν θετική επίδραση σε διάφορα επίπεδα συγκέντρωσης, π.χ. Pd και Au σε χαμηλότερη συγκέντρωση, Si και Cu σε υψηλότερη συγκέντρωση, και Au και Cu σε συνδυασμένο μίγμα. Αυτός ο τύπος συμπεριφοράς επιβεβαιώθηκε από μελέτες στον αγρό με G. max και Brassica juncea: νανοκρυσταλλική σκόνη σιδήρου, κοβαλτίου και χαλκού σε μια πολύ χαμηλή συγκέντρωση που προήγαγε το ρυθμό βλάστησης των σπερμάτων και μια σημαντική αύξηση στον δείκτη χλωροφύλλης, τον αριθμό των οζιδίων και την καλλιέργεια Παρατηρήθηκε καλύτερη απόδοση. Ομοίως, ο διαφυλλικός ψεκασμός με χρυσό σε φυτά σε πειράματα πεδίου είχε θετική επίδραση με αποτέλεσμα το αυξημένο ύψος των φυτών, τη διάμετρο του στελέχους, τον αριθμό των κλάδων, τον αριθμό των λοβών, την απόδοση των σπόρων και - με ενδιαφέρον τρόπο, βελτίωσε την οξειδοαναγωγική κατάσταση των φυτών που υπέστησαν αγωγή.

Ζητήματα ηθικής και ασφάλειας στην εφαρμογή νάνο-λιπασμάτων.

Αναμφισβήτητα η νανοτεχνολογία έχει απίστευτη δυνατότητα να φέρει επανάσταση σε πολλές πτυχές της ανθρώπινης ζωής. Ωστόσο, η προαγωγή αυτού του πολυεπιστημονικού κλάδου της επιστήμης, και ιδιαίτερα τα οφέλη από την πρακτική εφαρμογή τους, πρέπει να εξεταστούν με ορισμένες προφυλάξεις.

Η κύρια ανησυχία σε παγκόσμια κλίμακα είναι κατά πόσον οι άγνωστοι κίνδυνοι των νανοσωματιδίων που συνεπάγονται οι επιπτώσεις τους στο περιβάλλον και την υγεία επικρατούν σε σχέση με τα πιθανά οφέλη τους. Έτσι, οι κίνδυνοι που συνδέονται με την εφαρμογή νανοσωματιδίων δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί πριν από την πλήρη αποδοχή και εφαρμογή των νανοσωματιδίων. Ως εκ τούτου, έχει αναπτυχθεί "νανοτοξικολογία", η οποία είναι υπεύθυνη για την εκτίμηση του τοξικολογικού δυναμικού και την προώθηση του ασφαλούς σχεδιασμού και χρήσης νανοσωματιδίων. Λόγω της εμπεριστατωμένης ποσοτικής ανάλυσης των πιθανών επιπτώσεων στην υγεία, την περιβαλλοντική κάθαρση και την ασφαλή διάθεση νανοσωματιδίων, μπορούν να προβλεφθούν οι βελτιώσεις στον σχεδιασμό περαιτέρω εφαρμογών της νανοτεχνολογίας.

Καμία άμεση ανθρώπινη ασθένεια δεν έχει συνδεθεί με τα νανοσωματίδια μέχρι στιγμής. Τα νανοσωματίδια που αποτελούν μέρος εξαιρετικά λεπτών σωματιδίων μπορούν να εισέλθουν στο ανθρώπινο/ζωικό σύστημα μέσω στοματικών, αναπνευστικών ή ενδοδερμικών οδών. Σήμερα, υπάρχει μια κοινή υπόθεση ότι το μικρό μέγεθος των νανοσωματιδίων τους επιτρέπει να εισέλθουν εύκολα στους ιστούς, τα κύτταρα και τα οργανίδια και να αλληλεπιδράσουν με λειτουργικές βιομοριακές δομές (δηλ. DNA, ριβοσώματα) δεδομένου ότι το πραγματικό φυσικό μέγεθος μιας μηχανικής νανοδομής είναι παρόμοιο με πολλά βιολογικά μόρια (π.χ. αντισώματα, πρωτεΐνες) και δομές (π.χ., ιοί).

Φυσικά, εξακολουθεί να υπάρχει ανάγκη για σωστό φυσικοχημικό χαρακτηρισμό και προσδιορισμό κατάλληλων πρωτοκόλλων και έκθεση αξιόπιστων μεθόδων για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των νανοσωματιδίων στο περιβάλλον, την εσωτερικοποίησή τους και την κινητική τους στους ζώντες οργανισμούς. Αυτές είναι οι προϋποθέσεις για τη δημιουργία βέλτιστων πειραματικών συνθηκών που θα επιτρέψουν τον ακριβή προσδιορισμό εάν ένα συγκεκριμένο νανοσωματίδιο αποτελεί απειλή για την ανθρώπινη υγεία. Ωστόσο, η διεπιστημονική έρευνα των επιστημόνων των υλικών, των περιβαλλοντολόγων και των επιστημόνων της ζωής συμβάλλει στον εντοπισμό των πραγματικών κινδύνων της νανοτεχνολογίας. Ο ετερογενής και αναπτυξιακός χαρακτήρας της νανοτεχνολογίας καθιστά την αξιολόγηση των κινδύνων αρκετά υποκειμενική. Η απουσία τυποποιημένων μεθοδολογιών και κατευθυντήριων γραμμών καθιστά δύσκολη τη σύγκριση των αξιολογήσεων ασφάλειας/τοξικότητας από διαφορετικές ερευνητικές ομάδες. Είναι πολύ πιθανό ότι διαφορετικοί τύποι νανοσωματιδίων να ποικίλλουν ως προς τις τοξικολογικές τους ιδιότητες. Για την ορθή ερμηνεία τυχόν τοξικολογικών δεδομένων, είναι απαραίτητο να υπολογιστούν και να προσδιοριστούν οι αναμενόμενες συγκεντρώσεις νανοσωματιδίων που ενδέχεται να εκτίθενται στο βιολογικό σύστημα ή να υπάρχουν στο οικοσύστημα. Η εκτίμηση του κινδύνου των νανοσωματιδίων πρέπει να γίνεται κατά περίπτωση. Έτσι, τα ηθικά ζητήματα πρέπει να είναι συγκεκριμένα για ένα συγκεκριμένο προϊόν σε δεδομένη στιγμή και να απαιτούνται εναλλακτικές αξιολογήσεις για να λαμβάνονται υπόψη ηθικές, κοινωνικές και πολιτικές αξίες που σχετίζονται με πολιτικές όπως αυτές που αφορούν τη νανοτεχνολογία.

Η χρήση της νανοτεχνολογίας στη γεωργία είναι πολύ σημαντική καθώς επηρεάζει άμεσα τους ανθρώπους. Τα νανοτεμαχίδια επιτρέπουν την είσοδο νανοσωματιδίων στην τροφική αλυσίδα επιτρέποντας τη διανομή τους σε όλους τους οργανισμούς που σχετίζονται με την τροφική αλυσίδα. Κυριολεκτικά όλες οι ουσίες μπορεί να είναι τοξικές για τα φυτά, τα ζώα ή τους ανθρώπους σε κάποιο επίπεδο έκθεσης. Ωστόσο, αυτό δεν περιορίζει τη χρήση τους σε διάφορες εφαρμογές οι οποίες διαμορφώνονται με γνώμονα την κρίσιμη συγκέντρωση έκθεσης. Όπως προαναφέρθηκε, η επίδραση της προώθησης των νανοσωματιδίων στην ανάπτυξη των φυτών και τη φυσιολογία τους, εκφράζεται σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, επομένως είναι δύσκολο να πιστέψει κανείς ότι αυτές οι συγκεντρώσεις θα προκαλέσουν σημαντικές βλάβες στην υγεία και το περιβάλλον.

Πολλές χώρες έχουν εντοπίσει τις δυνατότητες της νανοτεχνολογίας στους τομείς των τροφίμων και της γεωργίας. Εν τω μεταξύ, αναγνωρίζουν την ανάγκη αξιολόγησης των επιπτώσεων της νανοτεχνολογίας στην ασφάλεια των τροφίμων. Σύμφωνα με την επιστημονική επιτροπή της Ευρωπαϊκής Αρχής για την Ασφάλεια των Τροφίμων (ΕΑΑΤ), ‘’για τα νανοσωματίδια (Επιστημονική Επιτροπή της EFSA 2011) εφαρμόζεται η παράμετρος αξιολόγησης κινδύνου (προσδιορισμός κινδύνου, χαρακτηρισμός κινδύνου, εκτίμηση έκθεσης και χαρακτηρισμός κινδύνου). Ωστόσο, στην εκτίμηση του κινδύνου αυτών των νανοσωματιδίων στην περιοχή των τροφίμων και των ζωοτροφών θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη συγκεκριμένες ιδιότητες των υποκείμενων νανοσωματιδίων εκτός από εκείνα που είναι κοινά στα ισοδύναμα μη νανομορφές ‘’.

Αποφασίζοντας τον κίνδυνο που συνδέεται με τη χρήση ενός συγκεκριμένου νανοσωματιδίου σε τρόφιμα και ζωοτροφές λαμβάνονται υπόψη διάφορες παραμέτρους, μεταξύ των οποίων, ο φυσικοχημικός χαρακτηρισμός νανοσωματιδίων, η σταθερότητα στα τρόφιμα και τις ζωοτροφές, τοξικοκινητική(απορρόφηση, κατανομή, μεταβολισμός) μέσα στο ανθρώπινο και ζωικό σύστημα.