بسیاری از کشورها سال‌هاست که لانتانیدها (گروهی از فلزات نادر خاکی) را به کودهای شیمیایی اضافه می‌کنند تا رشد محصولات کشاورزی را بهبود ببخشند. با این حال، باوجود استفاده گسترده، پژوهشگران هنوز به‌درستی نمی‌دانستند این عناصر چگونه توسط گیاهان جذب می‌شوند و چه تأثیری بر فرایندهای حیاتی مانند فتوسنتز دارند.
تحقیقات اخیر اما، تصویر روشن‌تری از نحوه عملکرد این فلزات در درون گیاهان ارائه کرده است و نشان می‌دهد چگونه می‌توان آن‌ها را به‌صورت کارآمدتری مورد استفاده قرار داد.
فلزات خاکی کمیاب در کشاورزی
یافته‌های جدید محققان MIT
دانشمندان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) کشف کردند که یک دوز بسیار ناچیز از نانوذرات لانتانید، در هنگام پوشش‌دهی بذرها، می‌تواند برخی از پرکشت‌ترین محصولات کشاورزی جهان را در برابر آسیب نور فرابنفش (UV) مقاوم کند.
این تحقیق نشان می‌دهد این فلزات نادر می‌توانند با کلروفیل — رنگدانه‌ای که محرک اصلی فتوسنتز است — واکنش داده و منیزیم موجود در ساختار مرکزی آن را جایگزین کنند. این جایگزینی باعث تقویت رنگدانه و بهبود واکنش گیاه در برابر استرس UV می‌شود.
بندتو مارِلی، دانشیار و سرپرست این مطالعه که همراه با جورجو ریزو (پست‌دکترای MIT) این تحقیق را انجام داده، می‌گوید:
«این نخستین گام در جهت درک بهتر نحوه عملکرد این عناصر در گیاهان است و نمونه‌ای از چگونگی تحویل مؤثرتر آن‌ها به گیاه، در مقایسه با روش سنتی افزودن به خاک، ارائه می‌دهد.»
کاربردهای فراتر از کشاورزی
لانتانیدها در صنعت و پزشکی
لانتانیدها تنها در کشاورزی کاربرد ندارند. از آن‌ها در صنایع و حوزه‌های پزشکی نیز استفاده می‌شود؛ از جمله:
- عامل کنتراست در تصویربرداری MRI
- سلول‌های خورشیدی
- لیزرها
- لامپ‌های LED
امروزه این فلزات نقشی پررنگ در تولید محصولات کشاورزی ایفا می‌کنند. به ویژه در چین، کشاورزان هر سال از کودهای غنی‌شده با لانتانید در بیش از ۴ میلیون هکتار زمین کشاورزی استفاده می‌کنند.
ریزُو تأیید می‌کند:
«لانتانیدها در گذشته بیولوژیکی بی‌ربط تلقی می‌شدند، اما این دیدگاه به‌ویژه در کشاورزی چین تغییر کرده است.»
چالش در جذب و اثرگذاری
درک مکانیزم جذب لانتانیدها
هرچند برخی پژوهش‌های اخیر نشان داده‌اند این عناصر می‌توانند:
- رشد گیاه
- توسعه ریشه
- سنتز هورمون
- و تحمل استرس
را افزایش دهند، اما دریافت بیش از حد آن‌ها می‌تواند مضر باشد.
چالش اصلی در یافتن تعادل مناسب و درک نحوه حرکت این فلزات در بافت‌های گیاهی و تعامل آن‌ها با سلول‌هاست.
احیای رنگ سبز گیاهان با لانتانید
روش نوین پوشش‌دهی بذر
تیم MIT از روش پوشش‌دهی بذر و تیمار که قبلاً توسعه داده بودند، بهره گرفت. این روش به آن‌ها اجازه داد واکنش کلروفیل و لانتانید را هم درون گیاه و هم در محیط بیرونی بررسی کنند.
نکته:
کلروفیل برای انجام فتوسنتز ضروری است. زمانی که یون منیزیم در مرکز این رنگدانه از دست برود، کلروفیل دیگر نمی‌تواند نور را به‌درستی جذب کند.
کشف جایگزینی لانتانید به‌جای منیزیم
محققان دریافتند برخی لانتانیدها می‌توانند جای یون منیزیم را بگیرند و تا حدی قابلیت عملکرد کلروفیل را احیا کنند — فرایندی که آن را «سبز شدن مجدد» (re-greening) می‌نامند.
مارِلی می‌گوید:
«ما دریافتیم لانتانیدها می‌توانند چندین شاخص سلامت گیاه را بهبود دهند. این فلزات عمدتاً در ریشه‌ها تجمع می‌یابند، اما مقادیر اندکی نیز به برگ‌ها می‌رسد. جالب اینکه بخشی از کلروفیل‌های جدید در برگ‌ها، لانتانید در ساختارشان دارند.»
محافظت از محصولات در برابر نور خورشید
افزایش مقاومت در برابر استرس UV
از یافته‌های شگفت‌انگیز این مطالعه آن بود که لانتانیدها توان گیاهان را در تحمل استرس UV به شکل چشمگیری افزایش دادند؛ مسئله‌ای که پیش‌بینی نمی‌شد.
ریزُو توضیح می‌دهد:
«کلروفیل‌ها رنگدانه‌هایی بسیار حساس‌اند. این رنگدانه‌ها در گیاه می‌توانند نور را به انرژی تبدیل کنند. اما زمانی که از ساختار سلولی جدا شوند، به سرعت تجزیه می‌شوند. در حالی‌که شکل لانتانید-دار آن‌ها حتی پس از استخراج از سلول‌ها نیز پایداری بالایی دارد.»
آزمایش بر محصولات اصلی
محققان با استفاده از ابزارهای طیف‌سنجی پیشرفته، نتایج را روی محصولات مهمی چون نخودچی، جو، ذرت و سویا آزمایش کردند. در همه این موارد، اثرات مثبت ثابت شد.
تضمین امنیت غذایی با لانتانید
راه‌حلی نو در برابر تغییرات اقلیمی
با افزایش گرمای شدید و رخدادهای اقلیمی غیرمنتظره که امنیت غذایی جهان را تهدید می‌کند، راهکارهایی مانند این مطالعه می‌تواند بسیار ارزشمند باشد.
مارِلی می‌گوید:
«در شرایطی که با گرمای شدید و دوره‌های طولانی آفتاب در مزارع مواجه می‌شویم، باید راه‌های تازه‌ای برای محافظت از گیاهان ارائه دهیم.»
مزیت در مقایسه با سموم و کودهای شیمیایی
او همچنین اشاره می‌کند:
«برخی مواد شیمیایی کشاورزی که برای محافظت در برابر UV روی برگ‌ها اسپری می‌شوند، می‌توانند سمی باشند، میکروپلاستیک‌ها را افزایش دهند و نیازمند تکرار مصرف باشند. اما این روش می‌تواند راهکاری مکمل و ایمن‌تر برای محافظت گیاهان در برابر استرس UV باشد.»
لانتانید ارزان با پتانسیل بالا
لانتانوم: ارزان و مؤثر
از میان لانتانیدهای بررسی‌شده، لانتانوم — عنصری ارزان و با اندازه اتمی بزرگ — از نظر تقویت کلروفیل بسیار مؤثر ظاهر شد.
در صنایع معدنی، لانتانوم به‌عنوان محصول جانبی کم‌ارزش در فرآیند استخراج فلزات خاکی نادر شناخته می‌شود. اما این کاربرد جدید می‌تواند جایگاه آن را متحول کند.
مارِلی می‌گوید:
«این پژوهش نشان می‌دهد با فلزات کم‌ارزش‌تر چه کارهایی می‌توان کرد. می‌دانیم لانتانیدها در الکترونیک، آهنرباها و انرژی بسیار کاربرد دارند.»
تمرکز مطالعات در آمریکا
او می‌افزاید:
«در آمریکا، بازیافت این فلزات بسیار جدی پیگیری می‌شود. به همین دلیل، در این تحقیق ما روی لانتانوم تمرکز کردیم چون در میان لانتانیدها فراوان‌ترین و ارزان‌ترین است.»
گام بعد: گلخانه‌ها و مزرعه‌های آزمایشی
توسعه مطالعات به مقیاس بزرگ
این گروه تحقیقاتی برنامه دارد اثرگذاری لانتانیدها را بر دیگر مولکول‌های زیستی از جمله پروتئین‌های بدن انسان نیز بررسی کند.
از سوی دیگر، گام بعدی آن‌ها در حوزه کشاورزی، آزمایش در گلخانه‌ها و مزارع آزمایشی و بررسی عملکرد این فناوری در مقیاس بزرگ‌تر و روی گونه‌های متنوع محصولات است.
ریزُو می‌گوید:
«لانتانیدها پیش‌تر هم در کشاورزی رایج بوده‌اند. امیدواریم این مطالعه زمینه استفاده آگاهانه‌تر و روش‌های تازه‌تری را از طریق پوشش‌دهی بذر فراهم کند.»
نتیجه‌گیری
این پژوهش که در نشریه انجمن شیمی آمریکا منتشر شده، نشان می‌دهد چطور می‌توان از یک فلز ارزان و کم‌ارزش، ابزاری قدرتمند برای مقابله با چالش‌های کشاورزی آینده ساخت و هم‌زمان بهره‌وری و ایمنی غذایی را افزایش داد.
