Landbouw over de hele wereld vereist nieuwe oplossingen voor de duurzaamheid van voedsel en water. Met meer frequente klimaatextremen, groeiende bevolking, toegenomen vraag naar voedsel, en wereldwijde gewasbedreigingen, milieu-ingenieurs zoeken naar oplossingen om de voedselproductie voor de toekomst te beheren, beginnend op het kleinste niveau.

Met de huidige praktijken tot 95 procent van de toegepaste micronutriënten en 99,9 procent van de toegepaste pesticiden bereiken nooit hun bestemming en worden verspild. Ze hopen zich op in de bodem of lopen weg in het grondwater en veroorzaken bijkomende milieuschade, bodem afbreken, en verspillen het water en de energie die worden gebruikt bij de productie en toepassing ervan.

Als telers iets op het blad zouden kunnen aanbrengen dat rechtstreeks naar de wortel zou kunnen gaan, het zou een game changer kunnen zijn voor het leveren van voedingsstoffen, antibiotica en pesticiden op een bijna 100 procent efficiënte manier. Professor in civiele en milieutechniek Greg Lowry, postdoctoraal onderzoeker Astrid Avellan, en een team van onderzoekers heeft met succes een manier ontdekt om nanodeeltjes op plantenbladeren aan te brengen, zodat ze door de plant helemaal naar de wortel reizen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in een recente ACS Nano papier.

"De resultaten van ons artikel hebben echt het potentieel om de manier waarop we landbouwchemicaliën aan planten leveren, te transformeren. ' zei Lowry.

Dit is de eerste keer dat iemand systematisch heeft onderzocht hoe nanodeeltjes door het blad bewegen, in de fabriek, naar de wortel, en uitademen in de grond.

Het onderzoeksteam sproeide gouden nanodeeltjes met een polymeercoating op de bladeren van jonge tarweplanten. Planten hebben geen goud nodig, maar aangezien goud nergens in de plant bestaat, ze waren in staat om gemakkelijk te identificeren waar het reisde. Ze gebruikten tarweplanten omdat ze een belangrijk gewas zijn in de Verenigde Staten en vatbaar zijn voor tekorten aan voedingsstoffen.

Zodra de nanodeeltjes op het blad zijn gespoten, ze bewegen door de cuticula, dat is de wasachtige buitenlaag die het blad bedekt. Vervolgens, het kruist de epidermis. De cuticula en epidermis zijn lagen die het blad beschermen tegen schade, waterverlies voorkomen, en laat gasuitwisseling voor de plant om te ademen. Het nanodeeltje komt dan in het binnenste bladweefsel terecht, of mesofyl. Eindelijk, het beweegt in het vaatstelsel van de plant, of de aderen van de plant. Van daaruit kan het helemaal langs de stengel naar de wortel reizen, of tot hogere bladeren.

Voor de eerste keer, de onderzoekers toonden aan dat als ze eenmaal de wortels hebben bereikt, nanodeeltjes kunnen in de bodem terechtkomen, vasthouden aan de micro-omgeving die aan de wortels kleeft, de rhizosfeer genoemd. De rhizosfeer is waar de plant in wisselwerking staat met de grond, neemt voedingsstoffen op, geeft kleine zuren af, kooldioxide, en eiwitten, en waar bacteriën en schimmels de plant kunnen binnendringen. De enige methoden die momenteel beschikbaar zijn om een ​​ongezonde rhizosfeer te behandelen, zijn het mengen van landbouwchemicaliën in de grond of het aanbrengen van water met de chemicaliën. In beide gevallen gaat een grote hoeveelheid chemicaliën verloren. Wat de onderzoekers hebben aangetoond, is een 100 procent efficiënte levering die de hoeveelheid benodigde chemicaliën kan verminderen, de kosten verlagen, en milieuvervuiling te beperken.

Deze minuscule deeltjes - die kleiner zijn dan 50 nanometer - zouden een zeer belangrijke sleutel kunnen zijn voor het duurzaam voeden van de 10 miljard mensen die naar verwachting in 2050 op aarde zullen zijn. tarweplanten die groeien in zinkarme grond worden geel en de gewasproductie neemt af naarmate planten beginnen af ​​te sterven. Maar als je zinkoxide nanodeeltjes door de bladeren zou kunnen afleveren om de wortel te bereiken, ze kunnen in de grond terechtkomen en zowel de grond als de plant gezond maken.

Boeren zouden ook antibiotica aan de plant kunnen leveren. Zodra een plant bacteriën in zijn bloedvaten krijgt, er is weinig dat kan worden gedaan om het te redden. Maar als antibiotica nanodeeltjes door de bladeren zouden kunnen worden afgeleverd om in het vaatstelsel te komen, ze kunnen systemische bacteriële ziekten voorkomen of behandelen.

Nanodeeltjes zijn ook effectiever dan chemicaliën omdat ingenieurs ze zo kunnen ontwerpen dat ze specifieke eigenschappen hebben. Bijvoorbeeld, ze zouden een nanodeeltje kunnen ontwerpen dat bij regen aan een blad blijft plakken zonder eraf te druipen. Of ze kunnen de coating aan de buitenkant van het deeltje zo maken dat het reageert op vocht of licht. Het is ook mogelijk om nanodeeltjes te ontwerpen die in minder hoeveelheden zullen worden gebruikt en beter zijn voor zowel het milieu als de menselijke gezondheid dan de conventionele landbouwchemicaliën die momenteel worden gebruikt. De mogelijkheden zijn eindeloos, en dit is een belangrijke eerste stap.

Het op 100 procent efficiënte wijze afleveren van nanodeeltjes op planten maakt deel uit van Lowry's grotere doelen van atoomefficiënte landbouw (waarbij elk atoom dat op gewassen wordt gebruikt wordt gebruikt en niet wordt verspild) en het bestrijden van maatschappelijke uitdagingen zoals voedselonzekerheid.

"We zijn op dit punt waar we 80 procent meer voedsel moeten verbouwen, op dezelfde hoeveelheid grond, met minder vervuiling als gevolg, "zei Lowry. "Dat zal een paradigmaverschuiving vergen van de manier waarop we landbouw bedrijven, en dat is wat we proberen te helpen."