En ny rute for levering af næringsstoffer fra planter

Landbrug rundt om i verden kræver nye løsninger til fødevarer og vandets bæredygtighed. Med hyppigere klimaekstremer, voksende befolkning, øget madbehov, og globale afgrøde trusler, miljøingeniører søger løsninger til at styre fødevareproduktion i fremtiden, startende på det mindste niveau.

Med gældende praksis, op til 95 procent af de anvendte mikronæringsstoffer og 99,9 procent af de anvendte pesticider når aldrig deres destinationer og går til spilde. De ophobes i jorden eller løber ud i grundvandet og forårsager sammenhængende miljøskader, nedbryde jord, og spilde vand og energi, der bruges til deres produktion og anvendelse.

Hvis avlere kunne anvende noget på bladet, der kunne rejse direkte til roden, det kan være en spilskifter for at levere næringsstoffer, antibiotika og pesticider på en næsten 100 procent effektiv måde. Civil- og miljøteknikprofessor Greg Lowry, postdoktorforsker Astrid Avellan, og et team af forskere har med succes opdaget en måde at anvende nanopartikler på at plante blade, så de rejser gennem planten helt til roden. Deres resultater offentliggøres i en nylig ACS Nano papir.

"Resultaterne fra vores papir har virkelig potentialet til at transformere den måde, vi leverer landbrugskemikalier til planter, "sagde Lowry.

Det er første gang, at nogen systematisk har undersøgt, hvordan nanopartikler bevæger sig gennem bladet, ind i planten, til roden, og udstråler i jorden.

Forskergruppen sprøjtede guldnanopartikler med en polymercoating på bladene på unge hvedeplanter. Planter behøver ikke guld, men da guld ikke findes nogen steder i planten, de var let i stand til at identificere, hvor den rejste. De brugte hvedeplanter, fordi de er en vigtig afgrøde i USA og modtagelige for mangel på næringsstoffer.

Når nanopartiklerne er sprøjtet på bladet, de bevæger sig gennem neglebåndet, som er det voksagtige ydre lag, der dækker bladet. Derefter, det krydser epidermis. Neglebåndet og epidermis er lag, der beskytter bladet mod skade, forhindre tab af vand, og tillade gasudveksling for anlægget at trække vejret. Nanopartiklen kommer derefter ind i det indre bladvæv, eller mesofyl. Endelig, den bevæger sig ind i plantens vaskulatur, eller plantens årer. Derfra kan den rejse hele vejen ned ad stammen og ind i roden, eller op til højere blade.

For første gang, forskerne demonstrerede, at når de nåede rødderne, nanopartikler kan udskilles i jorden, holder sig til mikromiljøet, der klæber til rødderne kaldet rhizosfæren. Rhizosfæren er, hvor planten interagerer med jorden, optager næringsstoffer, frigiver små syrer, carbondioxid, og proteiner, og hvor bakterier og svampe kan trænge ind i planten. De eneste tilgængelige metoder til behandling af en usund rhizosfære er blanding af landbrugskemikalier i jorden eller påføring af vand med kemikalierne. I begge tilfælde går en stor mængde kemikalier tabt. Hvad forskerne har demonstreret er 100 procent effektiv levering, der kan reducere mængden af ​​nødvendige kemikalier, sænke omkostningerne, og begrænse miljøforurening.

Disse små partikler - som er mindre end 50 nanometer - kan være en meget vigtig nøgle til bæredygtigt fodring af de 10 milliarder mennesker, der forventes at være på planeten i 2050. F.eks. hvedeplanter, der vokser i zinkmangel, bliver gule, og afgrødeproduktionen falder, når planterne begynder at dø. Men hvis du kunne levere zinkoxid -nanopartikler gennem bladene for at nå roden, de kunne emme ud i jorden og gøre både jorden og planten sund.

Landmænd kunne også levere antibiotika til planten. Når en plante får bakterier i sin vaskulatur, der er lidt, der kan gøres for at redde det. Men hvis der kunne leveres antibiotiske nanopartikler gennem bladene for at komme ind i vaskulaturen, de kunne forebygge eller behandle systemiske bakterielle sygdomme.

Nanopartikler er også mere effektive end kemikalier, fordi ingeniører kan designe dem til at have specifikke egenskaber. For eksempel, de kunne designe en nanopartikel, der vil klæbe til et blad uden at dryppe af, når det regner. Eller de kan konstruere belægningen på ydersiden af ​​partiklen for at reagere på fugt eller lys. Det er også muligt at designe nanopartikler, der vil blive brugt i færre mængder og er bedre for både miljøet og menneskers sundhed end de konventionelle landbrugskemikalier, der bruges i øjeblikket. Mulighederne er uendelige, og dette er et vigtigt første skridt.

Levering af nanopartikler på planter på en 100 procent effektiv måde er en del af Lowrys større mål om atomeffektivt landbrug (hvor hvert atom, der sættes på afgrøder, bruges og ikke spildes) og bekæmper samfundsmæssige udfordringer som fødevareusikkerhed.

"Vi er på dette tidspunkt, hvor vi skal dyrke 80 procent mere mad, på den samme mængde jord, med mindre forurening som følge heraf, "sagde Lowry." Det kommer til at tage et paradigmeskift af den måde, vi laver landbrug på, og det er det, vi prøver at hjælpe. "