Con la población mundial espera que supere los nueve mil millones para el año 2050 , los científicos están trabajando para desarrollar nuevas formas de satisfacer la creciente demanda mundial de alimentos, energía y agua, sin aumentar la presión sobre los recursos naturales. Organizaciones, entre ellas el Banco Mundial y la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación están llamando a una mayor innovación para abordar los vínculos entre estos sectores, a menudo referida como la energía alimentaria-agua nexo (pocos).
La nanotecnología - el diseño de partículas ultra pequeños - está emergiendo como una forma prometedora para promover el crecimiento y desarrollo de las plantas. Esta idea es parte de la evolución de la ciencia de la agricultura de precisión , en el que los agricultores utilizan la tecnología para orientar el uso de agua, fertilizantes y otros insumos. La agricultura de precisión hace que la agricultura sea más sostenible, ya que reduce los residuos.
Recientemente hemos publicado los resultados de la investigación en la que hemos utilizado nanopartículas, sintetizados en nuestro laboratorio , en lugar de usar fertilizantes convencionales para aumentar el crecimiento de las plantas. En nuestro estudio hemos utilizado con éxito nanopartículas de zinc para aumentar el crecimiento y rendimiento defrijol mungo , que contienen altas cantidades de proteína y fibra y son ampliamente cultivadas para la alimentación en Asia. Creemos que este enfoque puede reducir el uso de fertilizantes convencionales. Si lo hace, la conservación de las reservas de minerales naturales y de energía (hacer el fertilizante es muy intensiva en energía) la contaminación del agua y reducir. También puede mejorar los valores nutricionales de las plantas.
Impactos de la utilización de fertilizantes
Fertilizantes proporciona nutrientes que las plantas necesitan para crecer. Los agricultores se aplican normalmente a través del suelo, ya sea mediante la difusión en los campos o mezclándolo con agua de riego. Una parte importante de fertilizante aplicado de esta manera se pierde en el medio ambiente y contamina otros ecosistemas. Por ejemplo, el exceso de nitrógeno y fertilizantes de fósforo se convierten en "fijo" en el suelo: forman enlaces químicos con otros elementos y dejan de estar disponibles para que las plantas absorben a través de sus raíces. Con el tiempo la lluvia lava el nitrógeno y el fósforo en ríos, lagos y bahías, donde puede causar graves problemas de contaminación .
El uso de fertilizantes en todo el mundo está aumentando junto con el crecimiento de la población mundial. Actualmente los agricultores están utilizando casi el 85 por ciento del fósforo minadas totales del mundo como fertilizante, aunque las plantas pueden absorción se estima que sólo el 42 por ciento del fósforo que se aplica al suelo. Si estas prácticas continúan, la oferta mundial de fósforo podría agotarse dentro de los próximos 80 años , lo que empeora los problemas de contaminación de nutrientes en el proceso.
En contraste con el uso de fertilizantes convencionales, lo que implica muchas toneladas de insumos, la nanotecnología se centra en pequeñas cantidades. Partículas a nanoescala miden entre 1 y 100 nanómetros en al menos una dimensión. Un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro; Para ponerlo en perspectiva, una hoja de papel es de unos 100.000 nanómetros de espesor .
Estas partículas tienen características únicas físicas, químicas y estructurales, que podemos poner a punto a través de la ingeniería. Muchos procesos biológicos, como el funcionamiento de las células, se llevan a cabo a escala nanométrica, y las nanopartículas pueden influir en estas actividades.
Los científicos están investigando activamente una gama de nanopartículas de metales y óxidos metálicos, también conocido como nanofertilizer, para su uso en la ciencia y la agricultura planta. Estos materiales se pueden aplicar a las plantas a través del riego del suelo y / o pulverizarse sobre sus hojas. Los estudios sugieren que la aplicación de nanopartículas para hojas de la planta es especialmente beneficioso para el medio ambiente, ya que no entran en contacto con el suelo. Dado que las partículas son extremadamente pequeñas, las plantas a absorber más eficiente que a través del suelo.Hemos sintetizado las nanopartículas en nuestro laboratorio y les rocía a través de una boquilla a medida que entregó una concentración precisa y consistente para las plantas.
Elegimos para apuntar zinc, que es un micronutriente que las plantas necesitan para crecer, pero en cantidades mucho más pequeñas que el fósforo. Mediante la aplicación de zinc nano de frijol mungo deja después de 14 días de germinación de las semillas, hemos sido capaces de aumentar la actividad de tres enzimas importantes dentro de las plantas: la fosfatasa ácida, fosfatasa alcalina y fitasa. Estas enzimas reaccionan con los compuestos de fósforo en el suelo complejas, convirtiéndolos en formas que las plantas pueden tomar con facilidad.
Cuando hicimos estas enzimas más activas, las plantas tuvieron casi el 11 por ciento más fósforo que estaba presente de forma natural en el suelo, sin recibir ningún tipo de fertilización de fósforo convencional. Las plantas que hemos tratado con nanopartículas de zinc aumentaron su biomasa (crecimiento) en un 27 por ciento y el 6 por ciento producen más granos que las plantas con las que crecimos usando prácticas agrícolas típicas y sin fertilizante.
Nanofertilizer también tiene el potencial para aumentar el valor nutricional de las plantas.En un estudio separado, se encontró que la aplicación de nanopartículas de dióxido de titanio y óxido de zinc para plantas de tomate aumentó la cantidad de licopeno en los tomates en un 80 a 113 por ciento, dependiendo del tipo de nanopartículas y la concentración de las dosis. Esto puede suceder porque las nanopartículas aumentan las tasas de fotosíntesis las plantas y les permiten tomar hasta más nutrientes.
El licopeno es un pigmento rojo natural que actúa como un antioxidante y puede prevenir el daño celular en los seres humanos que la consumen. Hacer las plantas más ricas en la nutrición de esta manera podría ayudar a reducir la desnutrición. Las cantidades de zinc que aplicamos estaban dentro del gobierno estadounidense límites recomendados para el zinc en los alimentos.
Las preguntas siguientes: salud y el impacto medioambiental de las nanopartículas
Investigación de la nanotecnología en la agricultura se encuentra todavía en una etapa temprana y evolucionando rápidamente. Antes nanofertilizers se pueden usar en las granjas, necesitaremos una mejor comprensión de cómo funcionan y reglamentos para asegurar que se pueden utilizar con seguridad. La Administración de Alimentos y Fármacos de Estados Unidos ya ha publicado una guía para el uso de nanomateriales en la alimentación animal .
Los fabricantes también están añadiendo nanopartículas de ingeniería a los alimentos, cuidado personal y otros productos de consumo. Los ejemplos incluyen nanopartículas de sílice en la fórmula para bebés , nanopartículas de dióxido de titanio en rosquillas de pastel en polvo y otros nanomateriales en pinturas, plásticos, fibras de papel, productos farmacéuticos y pasta de dientes.
Muchas de las propiedades influyen en si las nanopartículas presentan riesgos para la salud humana, incluyendo su tamaño, forma, fase cristalina, la solubilidad, tipo de material, y la concentración de la exposición y la dosis. Los expertos dicen que las nanopartículas en los productos alimenticios en el mercado hoy en día son probablemente seguros para comer, pero esto es un área de investigación activa .
Para abordar estas cuestiones se requieren más estudios para comprender cómo las nanopartículas se comportan dentro del cuerpo humano. También tenemos que llevar a cabo evaluaciones de impacto del ciclo de vida de las nanopartículas sobre la salud humana y el medio ambiente, y desarrollar métodos para evaluar y gestionar los riesgos que pueden plantear, así como formas sostenibles para su fabricación. Sin embargo, como nuestra investigación sobre nanofertilizer indica, estos materiales podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más acuciantes de recursos de la palabra en el nexo entre la energía alimentaria-agua.
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