Nu de wereldbevolking in 2050 naar verwachting 9 miljard zal bereiken, ingenieurs en wetenschappers zoeken naar manieren om aan de toenemende vraag naar voedsel te voldoen zonder ook de druk op natuurlijke hulpbronnen te vergroten, zoals water en energie - een initiatief dat bekend staat als de voedsel-water-energie-nexus.

Ramesh Raliya, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker, en Pratim Biswas, doctoraat, de Lucy &Stanley Lopata Professor en voorzitter van de afdeling Energie, Milieu &Chemische Technologie, beide aan de School of Engineering &Applied Science aan de Washington University in St. Louis, pakken dit probleem aan door nanodeeltjes te gebruiken om het gehalte aan voedingsstoffen en de groei van tomatenplanten te stimuleren. Een aanwijzing puttend uit hun werk met zonnecellen, het team ontdekte dat door nanodeeltjes van zinkoxide en titaniumdioxide te gebruiken, de tomatenplanten nemen licht en mineralen beter op, en de vrucht had een hoger gehalte aan antioxidanten.

"Als een plant groeit, het signaleert de bodem dat het voedingsstoffen nodig heeft, ", zegt Biswas. "De voedingsstof die het nodig heeft, is niet in een vorm die de plant meteen kan opnemen, dus het scheidt enzymen af, die reageren met de grond en bacteriële microben triggeren om de voedingsstoffen om te zetten in een vorm die de plant kan gebruiken. We proberen dit pad te ondersteunen door nanodeeltjes toe te voegen."

Zink is een essentiële voedingsstof voor planten, helpt andere enzymen goed te functioneren en is een ingrediënt in conventionele meststoffen. Titanium is geen essentiële voedingsstof voor planten, Raliya zegt, maar verhoogt de lichtabsorptie door het chlorofylgehalte in de bladeren te verhogen en bevordert de fotosynthese, eigenschappen die Biswas' lab ontdekte tijdens het maken van zonnecellen.

Het team gebruikte een zeer fijne spray met behulp van nieuwe aerosolisatietechnieken om de nanodeeltjes direct op de bladeren van de planten af ​​te zetten voor maximale opname.

"We ontdekten dat onze aerosoltechniek resulteerde in een veel grotere opname van voedingsstoffen door de plant in vergelijking met de toepassing van de nanodeeltjes op de bodem, " zegt Raliya. "Een plant kan slechts ongeveer 20 procent van de voedingsstoffen opnemen die via de grond worden toegediend, de rest vormt ofwel stabiele complexen met bodembestanddelen ofwel wordt weggespoeld met water, afvloeiing veroorzaken. In beide laatste gevallen de voedingsstoffen zijn niet beschikbaar voor planten."

Algemeen, planten die via aerosolroutes met de nanodeeltjes werden behandeld, produceerden bijna 82 procent (in gewicht) meer fruit dan onbehandelde planten. In aanvulling, de tomaten van de behandelde plant vertoonden een toename van lycopeen, een antioxidant gekoppeld aan een verminderd risico op kanker, hartaandoeningen en leeftijdsgebonden oogaandoeningen, tussen 80 en 113 procent.

Eerdere studies van andere onderzoekers hebben aangetoond dat het toenemende gebruik van nanotechnologie in de landbouw in dichtbevolkte landen als India en China een impact heeft op het terugdringen van ondervoeding en kindersterfte. Deze tomaten helpen ondervoeding aan te pakken, Raliya zegt, omdat ze mensen in staat stellen meer voedingsstoffen uit tomaten te halen dan conventionele tomaten.

In de studie, vorige maand online gepubliceerd in het tijdschrift Metalomica , het team ontdekte dat de nanodeeltjes in de planten en de tomaten ruim onder de USDA-limiet lagen en aanzienlijk lager dan wat wordt gebruikt in conventionele kunstmest. Echter, ze moeten nog steeds voorzichtig zijn en de beste concentratie nanodeeltjes selecteren om te gebruiken voor maximaal voordeel, zegt Biswas.

Raliya en de rest van het team werken nu aan de ontwikkeling van een nieuwe formulering van nanonutriënten die alle 17 elementen bevat die planten nodig hebben.

"Over 100 jaar er zullen meer steden zijn en minder landbouwgrond, maar we zullen meer voedsel nodig hebben, " zegt Raliya. "Tegelijkertijd, water zal worden beperkt als gevolg van klimaatverandering. We hebben behoefte aan een efficiënte methodiek en een gecontroleerde omgeving waarin planten kunnen groeien."