محسن معصومی: در گزارش پیشین دانشبنیان به موضوع محیطهای کنترلشده کشت و ایجاد گلخانهها پرداختیم. هدف اصلی از طراحی محیطهای کنترلشده کشت، تامین نیازهای غذایی و دسترسی کافی به محصولات کشاورزی است.
یکی از شبکههای محیط کنترل کشت، شبکههای متنوع کشت هیدروپونیک است. پایه و اساس تمامی این روشها، منبع آب حاوی عناصر غذایی است. این محلول غذایی یا در تماس مستقیم با ریشه گیاه است یا به وسیله پمپی به ریشه گیاه فرستاده میشود. بر اثر مصرف عناصر غذایی گیاه و همچنین تبخیر و تعرق و تنفس گیاه، میزان pH، EC، اکسیژن محلول و غلظت عناصر غذایی تغییر میکند. این تغییرات ایجادشده باید به نحوی کنترل شود. از این رو، ثابت نگه داشتن حجم آب و تجدید آب منبع مهم است. اما آب اضافهشده به منبع عناصر غذایی باید از کیفیت مناسب برخوردار باشد بدین معنی که میزان مواد محلول آن بسیار کم و عاری از هرگونه مواد مضر و عوامل بیماریزای گیاهی باشد. در محیطهای کنترلشده کشت برای کنترل میزان مواد محلول آب، از فناوریهایی چون اسمز معکوس(RO) استفاده میشود. اما بهرهگیری از این فناوری زیاد به صرفه نیست و هزینه نگهداری زیادی دارد به همین دلیل میتوان از روشهای بسیار سادهتر و با هزینه کمتر برای کاهش EC و نمکزدایی از آب استفاده کرد. یک روش سادهتر، بهرهگیری از فناوری نانو است. با بکارگیری فناوری نانو میتوان نانوفیلترهایی با قابلیت حذف انواع مواد محلول در آب را به کار برد. با قرار دادن نانوفیلترها در مسیر جریان آب(قبل از ورود به منبع محلول غذایی)، مواد محلول و مضر به خوبی حذف شده و EC آب تا حد مطلوب کاهش مییابد.
نانوفیلترهای مورد استفاده عبارتند از:
غشاهای نانوفیلتر
از غشاهای نانوفیلتر برای نرمسازی یا کاهش سختی آب بهره گرفته میشود. در این فرآیند بخشی از مواد معدنی از آب جداشده و بین ۱۰ تا ۹۰ درصد نمکهای نامحلول نیز از آب حذف میشود.
غشاهای اولترافیلتر
در اولترافیلتراسیون از یک غشای نیمهتراوا برای فیلتر کردن یک محلول که حاوی عناصر مطلوب و نامطلوب است، استفاده میشود. این غشاها دارای حفرههایی به قطر یک تا ۱۰۰ نانومتر هستند و میتوانند اجزایی با وزن مولکولی ۳۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ دالتون را از آب جدا کنند. نمکها و اجزای دارای وزن ملکولی پایین از این غشاها عبور کرده و جامدات معلق بزرگتر در سمت دیگر باقی مانده و امکان عبور ندارند.
غشاهای نانوکامپوزیتی آلی/معدنی
در این روش نمکزدایی از آب با بهرهگیری از بستر پلیمری حاوی نانوذرات(زئولیت) یا با بهرهگیری از فیلمهای نازک غشاهای نانوکامپوزیتی (TFN)، انجام میشود. استفاده از این غشاها موجب کاهش مصرف انرژی تا حدود ۴۰ درصد میشود. همچنین میزان دفع نمک و دبی جریان عبوری از غشا افزایش یافته و میزان کثیفشدگی و گرفتگی غشا کاهش مییابد.
غشاهای نانولوله کربنی
سطح بسیار صاف و آبگریز داخلی این نانولولهها امکان جریان سریع سیالات در آنها را فراهم میکند. اما سایر آلایندهها بهویژه نمکها، به دلیل باری که در انتهای نانولولهها وجود دارد، قابلیت عبور از این منافذ را نداشته و دفع میشود. این مواد را میتوان به گونهای طراحی کرد که دارای خاصیت گزینشپذیری در عبور مواد از خود باشند و یونها و نمکهای نامطلوب را از آب حذف کنند. ویژگیهایی چون مصرف کم انرژی(کاهش مصرف انرژی به میزان ۷۵ درصد)، خاصیت ضدرسوب و خودتمیزشوندگی این نانولولهها، از دیگر برتریهای آن نسبت به دیگر روشها به شمار میرود.
غشاهای نانولوله نیترید بور
این غشاها میتوانند با داشتن جریان آب معادل ۴ برابر جریان آب غشاهای موجود، نمک موجود در آبی با شوری ۲ برابر آب دریا را ۱۰۰ درصد تصفیه کنند. برای اینکه آب مصرفشده در محیطهای کنترلشده کشت، عاری از هرگونه مواد مضر و عوامل بیماریزا باشد، میتوان فیلترهایی تعبیه کرد که مانند قبل در مسیر جریان آب قرار بگیرد و انواع ویروس و باکتری را جدا کند. برای این منظور از فیلترها و مواد نانویی چون غشاهای نانوفیلتراسیون، نانولولههای کربنی، نانوزئولیتها، نانوکامپوزیتها و سرامیکهای نانومتری که قابلیت به دام انداختن ویروسها و باکتریها را دارند، استفاده میشود. علاوهبر این، نانوذراتی چون نانونقره، نانودیاکسید روی، نانواکسید کلسیم، نانواکسید منیزیم، کیتوزان، نانوذرات آهن صفرظرفیتی، نانودیاکسید آلومینیوم، نانودیاکسید تیتانیوم و...، خاصیت ضدمیکروبی و اکسیدکنندگی قوی دارند و موجب از بین رفتن عوامل بیماریزا در آب میشوند.
کاربرد فناوری نانو در کنترل آفات
در محیطهای کنترلشده کشت، به دلیل نظارت جامع و کامل بر کل محیط و پیشگیریهای لازم، امکان آلودگی گیاهان به بیماری خاص یا رشد و تکثیر آفات کمتر از کشاورزی مزرعهای و سنتی است اما به دلیل مناسب بودن شرایط(درجه حرارت، رطوبت، نور، تغذیه و...) امکان رشد و تکثیر آفات و بیماریها دور از ذهن نیست. بر اثر شیوع آفات نیز، آسیبهای جبرانناپذیری به محصولات کشاورزی وارد خواهد شد. در این محیطها برای کنترل آفات و تولید محصولی بسیار سالم و عاری از هر گونه سموم مضر برای انسان، از روشهای مختلفی بهره گرفته میشود. سعی بر این است که میزان مصرف سم به کمترین حد ممکن کاهش یابد و از سمومی استفاده شود که سازگاری بیشتری با محیطزیست داشته باشد(مانند سموم گیاهی). همچنین بهرهگیری از روشهای کنترل بیولوژیکی آفات(استفاده از حشرات، آنتیبیوتیکها و...) در دستور کار قرار میگیرد. اما امکان بکارگیری فناوری نانو به منظور کنترل آفات در محیطهای CEA وجود دارد. فناوری نانو با تولید نانوآفتکشها با فرمولاسیونهای مختلف، مواد و محلولهایی با ویژگیهای منحصر به فرد تولید میکند. از این فرمولاسیونها میتوان به نانوذرات، نانوامولسیون، نانوکپسول، نانوکرهها، نانوسوسپانسیون و نانومیسل اشاره کرد. فرموله کردن آفتکشها در مقیاس نانو به دستیابی به اهدافی چون کنترل رهایش ماده موثر آفتکش، حفاظت از اثرات نامطلوب زیستمحیطی آفتکشها، افزایش پایداری در شرایط انبارداری، افزایش ثبات شیمیایی در محیط و کاهش سمیت آفتکشها برای پستانداران، گونههای غیرهدف، حشرات مفید و... منجر خواهد شد. به دلیل نانو بودن و حلالیت زیاد نانوآفتکشها، میزان بسیار بیشتری از سم مورد نظر جذب آفت شده و با استفاده از آن میتوان طیف وسیعی از آفات را از بین برد. همچنین قابلیت از بین بردن تخم، لارو، شفیره و حشره کامل آفت را دارد. تمامی این ویژگیها در حالی است که میزان مصرف سم نیز به کمترین حد ممکن برسد. در ضمن نانوآفتکشها با فرمولاسیونهای مختلف منشأ گیاهی نیز دارند که به مزیتهای فناوری نانو افزوده و درصد سازگاری با محیطزیست، بسیار افزایش مییابد. بنابراین با کاربرد نانوآفتکشها در محیطهای کنترلشده کشت، انتظار هست محصولات تولیدهشده از سلامتی بیشتری برخوردار باشند و کنترل آفات به خوبی انجام شود.
موسسههای پژوهشی فعال در محیطهای کنترلشده کشت
توسعه شهرها و افزایش جمعیت و نیاز روزافزون به غذا، موجب شده کشاورزی به سمت و سویی پیش رود که بتوان در محیطهای شهری نیز به کشاورزی و تولید هر چه بیشتر محصولات غذایی پرداخت. لازمه این امر توسعه محیطهایی چون CEA است. در همین زمینه و برای پاسخگویی به نیاز غذایی جامعه، شرکتها و موسسههای پژوهشی گوناگونی به طور تخصصی در زمینه پرورش گیاه در محیط CEA مشغول به کار هستند. این موسسهها در تلاشند تا میزان تولید محصول را روز به روز و با استفاده از فناوریهای پیشرفته افزایش دهند. اهمیت این محیطها به اندازهای است که دانشگاه آریزونا یک محیط CEA مدرن را در نمایشگاه Chicago expo سال ۲۰۱۳ میلادی به نمایش گذاشت. این دانشگاه با تشکیل چنین محیطهایی قصد دارد به پروژه زندگی انسان در فضا کمک کند. برخی از این شرکتها و موسسههای پژوهشی که در زمینه محیطهای کنترلشده کشت فعال هستند عبارتند از: دانشگاه Arizona و دانشگاه Cornell در امریکا شرکت Biodynamics center و شرکت Holding CEA از همین کشور و دانشگاه Wageningen در هلند. امروزه کشورهای مختلفی با استفاده از فناوری و تولید محصول کشاورزی در محیطهای کنترلشده کشت، حجم قابل توجهی از بازارهای جهانی را به خود اختصاص دادهاند. هلند که از پیشگامان صنعت کشاورزی به شمار میرود، توانسته در زمینه تولید صیفیجات و شاخه گل بریده به ترتیب ۴/۲ و ۴ بیلیون یورو در سال ۲۰۱۰ میلادی، درآمد کسب کند. همین امر به خوبی نشان میدهد که ورود فناوری نانو به این عرصه و تولید محصولات کشاورزی، میتواند میزان سودآوری را بیش از پیش افزایش دهد. طبق پیشبینیها حجم سرمایهگذاری در صنعت کشاورزی تا سال ۲۰۳۰ میلادی به افزونبر ۲/۹ تریلیون دلار خواهد رسید و فناوری نانو قابلیت افزایش این میزان به مقدار ۳۰ درصد(۰/۹ تریلیون دلار) را دارد.
