تطوير الاستدامة الزراعية: استكشاف إمكانات الأسمدة النانوية

تطورت الممارسات الزراعية على مر السنين لمواكبة تزايد عدد السكان. ولا تزال الغالبية العظمى من المزارعين تعتمد على استخدام الأسمدة، سواء كانت صناعية/كيميائية أو عضوية مثل سماد المزرعة وسماد الدواجن وغيرها، لزراعة محاصيلهم (راجبرت وآخرون، 2021). وقد كان الهدف من تطبيق الأسمدة هو تعزيز إنتاجية المحاصيل بدلاً من تحسين خصائص التربة.

على مر السنين، ساهمت العديد من التقنيات الجديدة بطريقة أو بأخرى في تحقيق الأمن الغذائي العالمي، مثل المحاصيل المحوّرة وراثياً (GMOs)، وأصناف المحاصيل غير المحوّرة وراثياً التي طُورت عبر طرق التربية التقليدية، والتغييرات في عمق البذر، وتعديل هندسة المحصول أو المسافات بين النباتات، والمبيدات الحشرية الجديدة، إلخ (خان وآخرون، 2022). لطالما كان الهدف هو نفسه: تعزيز إنتاجية المحاصيل. لكن السنوات القليلة الماضية غيرت هذا الهدف؛ فقد أصبح يشتمل الآن على هدف إضافي وهو الاستدامة والمرونة. لذلك، تحتاج التقنيات الحالية إلى مزيد من التطوير لتتناسب مع نظام زراعي مستدام (بولاغ ومايرز، 1992). وهذا يشمل، على سبيل المثال لا الحصر، الأسمدة الجديدة.

تُعد تكنولوجيا النانو مجالاً علمياً يستخدم مواد نانوية يتراوح حجمها من 1 إلى 100 نانومتر لإحداث ثورة في العلوم الحديثة (بهاردواج وآخرون، 2022). ومن المثير للاهتمام أن هذا العلم شق طريقه إلى الزراعة عبر الأسمدة النانوية. الأسمدة النانوية هي مغذيات عادية مغلفة داخل مواد نانوية للتحكم في إطلاقها في التربة (راليا وآخرون، 2018). وتكمن ميزة الأسمدة النانوية على الأسمدة التقليدية في أنها تتطلب كميات أقل بكثير، مع حد أدنى من فقدان المغذيات بسبب الغسل أو التحلل أو التثبيت أو التطاير، وتكون المغذيات متاحة بسهولة للنباتات. وتعود هذه المزايا إلى نسبة مساحة السطح إلى الحجم الكبيرة وقدرتها العالية على الاختراق بفضل حجمها النانوي. أما الأسمدة التقليدية، فهي عرضة للفقدان عن طريق الغسل أو الجريان السطحي، مما يؤدي إلى ملامستها أو دخولها إلى احتياطات المياه الجوفية أو المجاري المائية القريبة وتلويثها (كراسويل، 2021).

بالإضافة إلى ذلك، تتأثر قيمة الرقم الهيدروجيني (pH) وملوحة التربة أيضاً بإضافة الأسمدة الكيميائية، لأنها في النهاية أملاح للمغذيات (ليانغ وآخرون، 2021). وعلى الرغم من أن تراكم الملوحة بطيء، إلا أنه يحدث. وفيما يخص الخصائص البيولوجية للتربة، فإن التطبيق المستمر للمواد الكيميائية يؤدي إلى تضاؤل أعداد الكائنات الحية الدقيقة. ومن ثم، تفقد التربة إنتاجيتها بمرور الوقت، مما يؤدي إلى انخفاض نمو المحاصيل وإنتاجيتها.

الأسمدة النانوية لخصوبة التربة وإنتاجية المحاصيل - أمثلة

تُستخدم الأسمدة التقليدية عادة بكميات كبيرة، مما يثير مشكلات تتعلق بانخفاض الكفاءة، والغسل، والجريان السطحي، والتطاير، والتحلل، والتحول السريع إلى أشكال غير قابلة للاستخدام، مما يترك أثراً هائلاً على البيئة، مثل انبعاثات الغازات الدفيئة (الاحتباس الحراري) وتزايد المغذيات (Raliya et al., 2018; Ghormade et al., 2011). ويمكن للحجم النانوي للجسيمات النانوية (NPs) أن يقلل من هذه الخسائر ويحسن كفاءتها عن طريق إطلاق المغذيات تدريجياً. وتُقلل خاصية الإطلاق البطيء بشكل كبير من إضافة الأملاح إلى احتياطات المياه الجوفية وتكبح تزايد المغذيات.

قام موهانراج وآخرون (2019) باختبار فعالية سماد نانوي يحتوي على النيتروجين في صورة نيترات النيتروجين (NO3−​) ونيتروجين أمونيا (NH4+​) جُمع باستخدام مادة الزيوليت النانوية في التخفيف من انبعاثات الغازات الدفيئة من زراعة الأرز. أطلقت الأسمدة التقليدية المغذيات من مصادرها خلال 9 إلى 13 يوماً بعد التطبيق، بينما كان إطلاق النيتروجين من مصدر السماد النانوي بين 12 و 20 يوماً، مما أدى إلى انخفاض انبعاثات أكسيد النيتروز (N2​O) إلى 1.8 ملغ لكل متر مربع في اليوم، مقارنة بالسماد التقليدي الذي بلغت انبعاثاته 2.7 ملغ لكل متر مربع في اليوم. وأجريت دراسة أخرى باستخدام النيتروجين والزنك النانويين في نظام إنتاج عضوي لإنتاج القمح، والدخن اللؤلؤي، والخردل، والسمسم. طُبقت الأسمدة النانوية عن طريق الرش الورقي لتقليل التطبيق بالجملة للأسمدة التقليدية مثل اليوريا في التربة. وبالتالي، حافظت على الحالة العضوية للتربة. لوحظت زيادة في متوسط المحصول بنسبة 5.35٪ في القمح، و 24.23٪ في السمسم، و 4.2٪ في الدخن اللؤلؤي، و 8.4٪ في الخردل. ويؤدي استخدام الأسمدة النانوية مع ممارسات الزراعة العضوية إلى زيادة المحصول وتحسين النمو وتقليل الحاجة إلى الحجم الكبير للأسمدة التقليدية (كومار وآخرون، 2022).

تتمتع الأسمدة النانوية بآفاق هائلة لتحسين المحصول عن طريق تعزيز امتصاص المغذيات وكفاءة استخدامها. ويمكنها أن تدعم نمو أعداد الكائنات الحية الدقيقة في التربة مقارنة بالأسمدة التقليدية، ولكن من الضروري استمرار الاستكشاف والتجارب الميدانية المتعلقة بفعالية الأسمدة النانوية في مجال الخصائص البيولوجية والكيميائية للتربة قبل التوصية بها في منطقة معينة، وذلك بسبب الاختلافات في خصائص التربة.

المراجع

• Rajput V.D., Singh A., Minkina T., Rawat S., Mandzhieva S., Sushkova S., Shuvaeva V., Nazarenko O., Rajput P., Komariah, et al. Nano-enabled products: Challenges and opportunities for sustainable agriculture. Plants. 2021; 10:2727. doi: 10.3390/plants10122727.
• Khan S.T., Adil S.F., Shaik M.R., Alkhathlan H.Z., Khan M., Khan M. Engineered nanomaterials in soil: Their impact on soil microbiome and plant health. Plants. 2022; 11:109. doi: 10.3390/plants11010109.
• Bollag J.M., Myers C.J., Minard R.D. Biological and chemical interactions of pesticides with soil organic matter. Sci. Total Environ. 1992; 123–124:205–217. doi: 10.1016/0048-9697(92)90146-J
• Bhardwaj A.K., Arya G., Kumar R., Hamed L., Pirasteh-Anosheh H., Jasrotia P., Kashyap P.L., Singh G.P. Switching to nanonutrients for sustaining agroecosystems and environment: The challenges and benefits in moving up from ionic to particle feeding. J. Nanobiotechnol. 2022; 20:19. doi: 10.1186/s12951-021-01177-9
• Raliya R., Saharan V., Dimkpa C., Biswas P. Nanofertilizer for Precision and Sustainable Agriculture: Current State and Future Perspectives. J. Agric. Food Chem. 2018; 66:6487–6503. doi: 10.1021/acs.jafc.7b02178
• Craswell E. Fertilizers and nitrate pollution of surface and ground water: an increasingly pervasive global problem. SN Applied Sciences. 2021 Apr;3(4):518.
• Liang X., Gao Y., Zhang X., Tian Y., Zhang Z., Gao L. Effect of optimal daily fertigation on migration of water and salt in soil, root growth, and fruit yield of cucumber (Cucumis sativus L.) in solar-greenhouse. PloS one. 2014 Jan 27;9(1): e86975.
• Ghormade V., Deshpande M.V., Paknikar K.M. Perspectives for nano-biotechnology enabled protection and nutrition of plants. Biotechnol. Adv. 2011; 29: 792–803. doi: 10.1016/j.biotechadv.2011.06.007.
• Mohanraj J., Subramanian K.S., Lakshmanan A. Role of nano-fertilzer on greenhouse gas emission in the rice soil ecosystem. Madras Agric. J. 2019; 106: 10-12. doi: 10.29321/MAJ.2019.000327.
• Kumar A., Singh K., Verma P., Singh O., Panwar A., Singh T., Kumar Y., Raiya R. Effect of nitrogen and zinc nanofertilizer with the organic farming practices on cereal and oil seed crops. Sci Rep 2022; 12: 6938. doi: 10.1038/s41598-022-10843-3.