اغلب مواد شیمیایی کشاورزی به جای رسیدن به برگ یا ساقهٔ گیاه، در هوا پراکنده می‌شوند یا به درون خاک و سفره‌های آب زیرزمینی نشت می‌کنند. اما اکنون تیمی از محققان در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) به رهبری پروفسور «بندتو مارلی» راه‌حلی ارائه داده‌اند: سوزن‌های میکرومتری از جنس ابریشم که مواد مغذی را دقیقاً در نقطه‌ای که گیاه نیاز دارد، تزریق می‌کنند.
استفاده از ابریشم برای ساخت سوزن‌های مغذی
چرا ابریشم انتخاب مناسبی است؟
- ابریشم فیبروئین ماده‌ای مقاوم و در عین حال زیست‌تخریب‌پذیر است.
- این سوزن‌ها بدون باقی گذاشتن تکه‌های خطرناک، ساقهٔ گوجه‌فرنگی را سوراخ می‌کنند.
- پس از حل شدن، فیبرهای ابریشم اثری باقی نمی‌گذارند که بتوانند برداشت‌گرهای مکانیکی را مسدود کنند.
نحوه ساخت سوزن‌ها
- ترکیبی شور از ابریشم در قالب‌های مخروطی ریخته می‌شود.
- با تبخیر آب، نمک شسته می‌شود و سوزن‌های توخالی باقی می‌مانند.
- این حفره‌ها مواد مغذی مایع را برای رهاسازی آهسته در خود نگه می‌دارند.
«دانشجویان می‌توانند در یک بعدازظهر هزاران سوزن تولید کنند، بدون نیاز به اتاق تمیز. حتی می‌توان در آشپزخانه هم این کار را انجام داد.» – دکتر دایون کیم (پسا دکترای سابق MIT)
مزایای زیست‌محیطی سوزن‌های ابریشمی
کاهش مصرف سموم کشاورزی
- اسپری‌های سموم معمولی در باد پراکنده می‌شوند یا به آب‌های زیرزمینی نفوذ می‌کنند.
- در مقابل، سوزن‌های ابریشمی به بافت آوندی گیاه متصل می‌شوند و مواد شیمیایی را دقیقاً به محل هدف می‌رسانند.
- این دقت باعث می‌شود که مقدار مصرف مواد شیمیایی به‌شدت کاهش یابد.
نمونه آزمایش موفق
- دکتر کیم آهن را به گوجه‌فرنگی‌های دچار کلروز تزریق کرد.
- برگ‌های زردرنگ، بدون آسیب دیدن ساقه‌ها، به رنگ سبز بازگشتند.
- مواد مغذی طی چند روز به آرامی آزاد شدند و تأثیرگذار بودند.
«کمبود آهن می‌تواند بازده گوجه‌فرنگی را تا ۳۰٪ کاهش دهد. ما باید کشاورزی را کارآمدتر کنیم.» – بندتو مارلی
تقویت ارزش تغذیه‌ای گیاهان در محل رشد
غنی‌سازی مستقیم میوه‌ها
- این سوزن‌ها فقط برای کشاورزی سنتی نیستند.
- تیم تحقیقاتی ویتامین B12 را – که به طور طبیعی در گیاهان وجود ندارد – به ساقه‌های گوجه‌فرنگی گلخانه‌ای تزریق کرد.
- آزمایش‌ها نشان دادند که این ویتامین از ساقه به میوه منتقل شده و قبل از برداشت درون آن ذخیره شده است.
این روش می‌تواند به گیاه‌خوارانی که در دریافت B12 دچار مشکل هستند، کمک کند؛ چراکه این ویتامین عمدتاً از منابع حیوانی تأمین می‌شود.
کاربردهای آتی
- ویتامین‌ها و مواد معدنی دیگری مانند زینک، ید و فولات نیز می‌توانند به همین روش به گیاه منتقل شوند.
- این رویکرد می‌تواند هزینهٔ محصولات غنی‌شده را کاهش دهد.
- همچنین در مورد محصولات دیگر مانند فلفل تند و توت‌فرنگی نیز قابل اجراست.
استفاده از سوزن‌های ابریشمی برای نمونه‌برداری
آنالیز شیرهٔ گیاه در زمان واقعی
- سوزن‌ها می‌توانند برعکس عمل کنند و شیرهٔ گیاه را برای آزمایش جمع‌آوری کنند.
- در آزمایش‌های هیدروپونیک، این سوزن‌ها ۱۵ دقیقه پس از تماس با کادمیم، آن را شناسایی کردند.
- برخلاف دوربین‌های طیفی که تنها پس از بروز زردی برگ‌ها اخطار می‌دهند، این روش هشدار زودهنگام فراهم می‌کند.
مزایای نظارت پیوسته
- پژوهشگران سطح کادمیم را در بازهٔ ۱۸ ساعته پایش کردند بدون آنکه نیاز به برداشتن سوزن باشد.
- چنین نظارتی بسیار کارآمدتر از نمونه‌برداری دستی است که کمتر انجام می‌شود.
در گلخانه‌های پیشرفته، ربات‌ها می‌توانند به‌صورت خودکار بین ردیف‌ها حرکت کنند، سوزن را وارد کنند و داده‌های شیمیایی را در لحظه به گوشی منتقل کنند.
از آزمایشگاه به مزرعه
کاربردهای میدانی و آینده‌نگرانه
- در حال حاضر، هر وصله به‌صورت دستی به ساقه چسبانده می‌شود.
- اما مارلی امیدوار است که بتوان از بازوهای پیوند خودکار یا پهپادهای سم‌پاش برای این کار استفاده کرد.
«نباید بین صنعت کشاورزی و محیط‌زیست تضاد وجود داشته باشد.» – مارلی
چالش‌های اقتصادی
- کشاورزان باید اطمینان یابند که این فناوری در برداشت‌ها گیر نمی‌کند و ارزش اقتصادی دارد.
- آزمایش‌های میدانی روی مزارع گوجه‌فرنگی فضای باز برای فصل آینده برنامه‌ریزی شده است.
- این آزمایش‌ها شامل بررسی هزینهٔ نیروی کار، باقی‌ماندهٔ مواد و افزایش محصول خواهد بود.
آیا این فناوری مقرون‌به‌صرفه است؟
هزینه‌ها و چرخه تولید
- کوکون‌های ابریشم در حال حاضر برای نخ جراحی تولید می‌شوند، پس زنجیرهٔ تأمین مهیاست.
- قیمت مواد خام تنها چند سنت برای هر سوزن است.
- قالب‌ها صدها بار قابل استفاده هستند و نمک مصرفی نیز بازیافت می‌شود.
محققان برآورد کرده‌اند که یک گلخانه می‌تواند هزینه‌های اولیهٔ سوزن‌ها را در همان چرخهٔ برداشت اول جبران کند، حتی اگر تنها ۵٪ افزایش بازده حاصل شود.
علاقه سرمایه‌گذاران
- فناوری به‌خوبی با سیستم‌های کشاورزی هوشمند فعلی ادغام می‌شود.
- گفت‌وگوهای اولیه برای جذب سرمایه در جریان است.
گام بعدی چیست؟
یکپارچه‌سازی در تولید نشا
- تیم ماساچوست با شرکت‌های بذر برای ترکیب سوزن‌ها با کلیپس نشا در حال مذاکره است.
- این ادغام می‌تواند تغذیه و پایش گیاه را در یک مرحله انجام دهد.
کاربردهای گسترده‌تر
- این ساختارهای ابریشمی می‌توانند در پروژه‌های جنگل‌کاری برای رساندن عوامل رشد به نهال‌ها و یا تزریق واکسن به محصولات حساس به ویروس استفاده شوند.
- محققان در سنگاپور در حال بررسی توانایی این سوزن‌ها برای پایش هورمون‌های گیاهی در مزارع برنج آسیب‌دیده از گرما هستند.
جمع‌بندی نهایی
این فناوری نشان می‌دهد که چگونه ایده‌های نو با تلفیق ماده و تخیل می‌توانند جهان را تغییر دهند. اگر آزمایش‌های میدانی همان نتایج آزمایشگاه را تأیید کنند، شاید گوجه‌فرنگی‌های فردا ویتامین‌هایشان را مستقیم از یک نی ابریشمی دریافت کنند.
این تحقیق در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.
