در دسترس بودن آب پیش بینی کننده اصلی راندمان دانه های گیاهی است. نانومواد و فن آوری های جدید تصفیه می توانند با بهره برداری از منابع آب غیر سنتی کشاورزی (برای مثال فاضلاب شهری یا فاضلاب نفت و گاز)، آب با کیفیت مناسب را برای بهره وری کشاورزی در مناطق با کمبود آب فراهم کنند. به عنوان مثال، فناوری های تقطیر خورشیدی و تبلور خورشیدی با استفاده از نانومواد می توانند فاضلاب با شوری بالا را برای استفاده در کشاورزی مناسب کنند. نانومواد می توانند با بهبود احتباس آب در محصولات زراعی، کارآیی مصرف آب را در کشاورزی بهبود بخشند. از فناوری نانو می توان برای توسعه "گیاهان هوشمند" که می توانند نیاز آبی گیاه را به کشاورزان منتقل کنند، استفاده کرد. حسگرهای مبتنی بر گیاهان ارزان قیمت برای نظارت بر نیاز آبی گیاه می توانند باعث صرفه جویی در مصرف آب شوند. فناوری نانو همچنین می تواند بهره وری آب، تعریف شده به عنوان ارزش اقتصادی حاصل از هر متر مکعب آب مورد استفاده، را افزایش دهد. از خواص سطح نانوذرات می توان به منظور بازیابی و استفاده مجدد ازت و فسفر، و همچنین تخریب مؤثر عوامل بیماری زا موجود در جریان های آب استفاده کرد.

فناوری نانو این پتانسیل را دارد که بهره وری استفاده از نور در گیاه را بهبود بخشد. با وجود گیاهانی که تنها از چند درصد فوتون های ورودی استفاده می کنند، این فناوری نقطه عطفی در بهره‌وری کشاورزی است. واکنش های فتوشیمیایی غیر بهینه منجر به جذب کربن 20 درصد کمتر از مقدار تئوری ممکن می شوند. در حالی که گیاهان مهندسی زیستی شده بازده خود را تا 15 درصد افزایش می دهند. با این وجود، مقاومت اجتماعی در پذیرش محصولات مهندسی زیستی شده، نفوذ این رویکردها را کند کرده است. نانوذرات مهندسی شده دارای پتانسیل قابل توجهی در افزایش راندمان فتوسنتز گیاه از طریق موارد زیر می باشند: (1) محافظت از فتوسنتز در برابر تنش آبیوتیک، (2) افزایش محتوای کلروفیل، (3) افزایش جذب نور و استفاده از فوتون، (4) به دام اندازی گونه های اکسیژن فعال و (5) کمک به انتقال الکترون. اما باید توجه داشت که فتوسنتز سریعتر ممکن است به محتوای غذایی کمتر محصولات منجر شود. نانومواد ساخته شده از عناصر ریز مغذی مانند آهن، روی و ... ممکن است رویکردی برای اطمینان از حفظ ریز مغذی ها باشد.

نانومواد می توانند کارایی استفاده از مواد مغذی و سموم را کاهش داده و در نتیجه باعث کاهش آسیب محیطی و اتلاف انرژی شوند. تمام محصولات زراعی برای حفظ رشد به مقدار قابل توجهی نیتروژن، فسفر، پتاسیم و ریز مغذی هایی مانند روی، مس و آهن نیاز دارند. استفاده بیش از حد از کود و راندمان جذب کم (کمتر از 50٪) منجر به انتشار قابل توجهی از مواد مغذی و اثرات مضر بر روی آب و خاک های اطراف آن می شود. نانومواد با ارائه بسترهای جدید و مسیرهای لازم برای مواد مغذی، می توانند باعث بهبود راندمان استفاده از مواد مغذی شوند. طیف گسترده ای از نانومواد (نانومواد مبتنی بر کربن، نانوذرات معدنی، فلز و نانوذرات اکسید فلز) پتانسیل ارائه مواد مغذی به طور موثر از طریق ریشه، برگ و پوشش بذر را نشان داده اند. این نانومواد می توانند به عنوان ماده مغذی (مانند نانوذرات اکسید روی) یا به عنوان بستر تحویل مواد مغذی استفاده شود: برای مثال هیدروکسی آپاتیتها، نانوذرات پلیمری طبیعی مانند کیتوزان، یا کپسول های نانو (لیپوزوم ها، میسل ها و نانو امولسیون ها) هستند. تغییر در شیمی سطح نانوذرات می تواند باعث بهبود چسبندگی آنها به برگها و افزایش جذب از طریق موانع مهم بیولوژیکی گیاه مانند کوتیکول یا انتقال از طریق سلول های مزوفیل شود. استفاده از روکش هایی با قابلیت تشخیص مولکولی، به عنوان مثال آپتامرها یا آنتی بادی ها، ممکن است تحویل دقیق نانوذرات به مکان های مورد نظر در گیاهان را ممکن سازد.

ترجمه: دکتر فروغ قاسمی

منبع: Nature Nanotechnology, 14 (2019) 517–522