مقدمه‌ای بر یک انقلاب کشاورزی
پاشیدن مواد شیمیایی کشاورزی روی مزارع وسیع اغلب باعث می‌شود بخشی از مواد، به جای رسیدن به گیاهان، وارد خاک، آب یا جو شوند. برآوردها نشان می‌دهد تا نیمی از این مواد از مسیر اصلی خود منحرف می‌شوند، موضوعی که هم برای کشاورزان هزینه‌بر است، هم به اکوسیستم‌ها آسیب می‌زند.
اکنون پژوهشی مشترک میان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و «اتحاد سنگاپور-MIT برای تحقیق و فناوری» راهکاری نوآورانه ارائه داده است: سوزن‌های توخالی ساخته‌شده از پروتئین ابریشم طبیعی که کودها، مواد مغذی یا حسگرها را مستقیماً به درون بافت گیاه تزریق می‌کنند.
تحولی در کشاورزی با سوزن‌های ابریشمی
کاربرد دقیق با کمترین اتلاف
به گفتهٔ پروفسور بندتو مارلی، استاد مهندسی عمران و محیط زیست در MIT، «مواد شیمیایی کشاورزی نقش مهمی در تأمین غذای جهانی دارند، اما هم گران‌اند، هم عوارض زیست‌محیطی دارند؛ بنابراین، نیاز مبرمی به رساندن دقیق این مواد وجود دارد.»
روش سنتی اسپری، کل پوشش گیاهی را هدف می‌گیرد، حتی اگر تنها بخشی از گیاه یا تعداد معدودی از آن‌ها نیاز به درمان داشته باشند.
سوزن‌های ابریشمی این اتلاف را حذف کرده، مواد را مستقیماً به شبکهٔ آوندی گیاه می‌رسانند تا از طریق سیستم داخلی گیاه، پخش شوند. به این ترتیب، انتقال مواد با کمترین هدررفت به محیط اطراف صورت می‌گیرد.
روش جدید تغذیه گیاهان با سوزن ابریشم
تکنولوژی پزشکی در خدمت گیاهان
این پروژه بر پایهٔ فناوری سوزن‌های میکرونی پزشکی طراحی شده که در ابتدا برای واکسیناسیون بدون درد انسان توسعه یافته بود. پژوهش‌های قبلی تیم مارلی نشان داد سوزن‌های جامد ابریشمی می‌توانند از پوست گیاه عبور کنند، اما ظرفیت حمل آن‌ها بسیار کم بود.
ساخت آسان، بدون نیاز به تجهیزات پیچیده
برای حل این مسئله، «یونتنگ کائو» و «دویون کیم» نسخه‌ای توخالی از این سوزن‌ها را ساختند؛ بدون استفاده از فناوری لیتوگرافی گران‌قیمت. آن‌ها ترکیبی از فیبروئین خالص‌شدهٔ ابریشم و محلول نمک تهیه کرده و آن را در قالب‌های مخروطی کوچک ریختند.
با تبخیر آب، کریستال‌های نمک درون مخروط تشکیل شد. سپس با شست‌وشو، نمک حذف شد و ساختاری توخالی یا با منافذ میکروسکوپی (بسته به غلظت نمک) باقی ماند.
با وجود ساختار سبک، این سوزن‌ها به‌اندازهٔ کافی قوی بودند که به ساقهٔ گیاه نفوذ کنند.
کیم در این‌باره می‌گوید: «فرآیند ساخت واقعاً ساده است، حتی می‌توانید آن را در آشپزخانه انجام دهید.»
درمان بیماری‌های گیاهی با سوزن‌های ابریشمی
رفع کمبود آهن در گوجه‌فرنگی
کمبود آهن، یا کلروز، باعث رشد ضعیف بسیاری از گیاهان می‌شود و می‌تواند عملکرد گوجه‌فرنگی را به شدت کاهش دهد. اسپری‌ها اغلب بی‌اثرند، چون آهن قبل از جذب اکسید می‌شود.
این تیم با استفاده از سوزن‌های توخالی خود، محلول آهن را مستقیماً به ساقهٔ گوجه‌فرنگی دچار کلروز تزریق کردند. این روش باعث بازگشت رنگ سبز برگ‌ها شد، آن هم با مصرف بسیار کمتر از روش‌های خاکی یا برگی رایج.
رهایش تدریجی و پایدار
از آن‌جایی که سوزن ابریشمی طی چند روز در گیاه تجزیه می‌شود، همچون کپسول‌های رهایش آهسته عمل کرده و آهن را در طول دوره‌ای پایدار به گیاه می‌رساند.
تقویت گیاهان با ویتامین‌ها
تزریق ویتامین B12 به گوجه‌فرنگی
زیست‌غنی‌سازی، یعنی افزایش ارزش تغذیه‌ای محصولات کشاورزی، معمولاً از طریق مهندسی ژنتیک یا افزودنی‌های پس از برداشت انجام می‌شود.
پژوهشگران بررسی کردند آیا می‌توان ویتامین B12 را با استفاده از سوزن‌های ابریشمی به ساقهٔ سبز گوجه‌فرنگی تزریق کرد یا نه.
نتایج نشان داد گوجه‌فرنگی‌هایی که چنین تزریقی دریافت کردند، هنگام رسیدن حاوی میزان قابل‌اندازه‌گیری از ویتامین B12 بودند. این یافته‌ها امکان زیست‌غنی‌سازی میدانی را نوید می‌دهد.
بدون آسیب به گیاه
به گفتهٔ هم‌نویسندهٔ مقاله، دایسوکه اورانو، بررسی‌های دقیق هیچ اثر منفی کوتاه‌مدت یا بلندمدتی در گیاهان تحت تزریق سوزن نشان نداد؛ مسئله‌ای که پتانسیل مقیاس‌پذیری این فناوری را تقویت می‌کند.
کاربرد تشخیصی سوزن‌های ابریشمی در گیاهان
تشخیص سریع فلزات سنگین در گیاهان
گوجه‌فرنگی‌هایی که در محلول غذایی آلوده به کادمیم رشد می‌کنند، می‌توانند این فلز سمی را قبل از بروز علائم ظاهری جذب کنند.
پژوهشگران با فروکردن سوزن‌ها در گیاه و تحلیل شیره جذب‌شده، توانستند کادمیم را تنها در ۱۵ دقیقه شناسایی کنند و افزایش آن را طی ۱۸ ساعت ردیابی نمایند.
در حالی که روش‌های تصویربرداری فعلی فقط بعد از افت رشد، تنش را نشان می‌دهند و جمع‌آوری دستی شیره بسیار دشوار است، آرایه‌ای از سوزن‌ها می‌تواند مانند «خط IV» در پزشکی عمل کرده و به طور مداوم از مایعات درون گیاه نمونه‌برداری کند.
درمان رباتیک گیاهان در آینده
از دست انسان تا بازوی رباتیک
در حال حاضر، این سوزن‌ها به صورت دستی قرار داده می‌شوند. اما پروفسور مارلی تصور می‌کند می‌توان آن‌ها را به بازوهای رباتیک یا پهپادهای خودران نصب کرد. این سیستم‌ها می‌توانند گیاهانی را که توسط دوربین یا حسگرهای خاک شناسایی شده‌اند، هدف قرار داده و فقط در محل مورد نیاز مواد مغذی یا آفت‌کش تزریق کنند.
او می‌گوید: «ما می‌خواهیم رشد گیاهان را حداکثر کنیم بدون اینکه به سلامت مزرعه یا تنوع زیستی اطراف آسیب بزنیم. نباید بین کشاورزی و محیط زیست تضاد وجود داشته باشد؛ این دو باید در کنار هم کار کنند.»
فراتر از کشاورزی: کاربرد در پزشکی انسان
امکان استفاده از همین فناوری در واکسن‌ها
اگرچه تمرکز فعلی بر کشاورزی است، اما همین روش ساخت می‌تواند در پزشکی نیز کاربرد داشته باشد.
سوزن‌های توخالی پلیمری پرشده با دارو یا واکسن، می‌توانند جایگزینی بدون درد و قابل‌استفاده توسط خود افراد برای سوزن‌های هیپودرمیک باشند.
کائو اشاره می‌کند که روش قالب‌گیری با نمک، امکان تنظیم دقیق اندازه و شکل منافذ را برای رهایش کنترل‌شده، چه در پوست و چه در ساقهٔ گیاه، فراهم می‌کند.
نتیجه‌گیری: کشاورزی دقیق برای آینده‌ای پایدار
با افزایش تقاضای جهانی برای غذا و کاهش منابع کشاورزی بر اثر تغییرات اقلیمی و آلودگی، ابزارهایی دقیق که ضمن حفظ منابع، از اکوسیستم‌ها نیز محافظت کنند، حیاتی‌اند.
سوزن‌های میکرونی ابریشمی با کاهش اتلاف، بهبود مراقبت از محصولات و تشخیص سریع درون‌گیاهی، آینده‌ای هوشمندتر و پایدارتر را برای کشاورزی رقم می‌زنند.
اگر این فناوری به شکل خودکار و در مقیاس وسیع پیاده‌سازی شود، کشاورزان می‌توانند اسپری‌های عمومی را کنار بگذارند و به جای آن، تزریق‌های دقیق انجام دهند؛ راهکاری مسئولانه و کارآمد برای تغذیه دنیایی رو به رشد.
این مطالعه در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.
