تحول در کشاورزی با فناوری نانو
استفاده از نانوذرات، روشی کارآمد و مقرون‌به‌صرفه

تغییرات اقلیمی در حال دگرگون کردن چهره کشاورزی جهانی با سرعتی بی‌سابقه است. افزایش دما، خشکسالی، سیلاب و شیوع آفات و بیماری‌ها، تولید محصولات کشاورزی را با چالش‌های جدی روبه‌رو کرده‌است. در این میان، فناوری اصلاح بذر با فناوری نانو(Nano-enabled Seed Treatment) به‌عنوان یک راه‌حل نوین، امیدهای تازه‌ای برای تقویت مقاومت محصولات در برابر تنش‌های محیطی ایجاد کرده است.
امروزه روش غالب برای اصلاح بذر، پوشش‌دهی شیمیایی(Seed Coating) است که از دهه ۱۹۸۰میلادی رواج یافته است. در این روش، بیش از ۶۸٫۳درصد از ترکیبات مورد استفاده را سموم تشکیل می‌دهند که اغلب از گروه نئونیکوتینوئیدها و بنزامیدها هستند. بااین‌حال، مطالعات گسترده نشان داده که این ترکیبات آثار سمی شدیدی بر حشرات گرده‌ افشان، میکروارگانیسم‌های مفید خاک و پرندگان دارند. همچنین مواد پلیمری مورد استفاده در پوشش بذر (مانند پلی وینیل الکل) پس از تجزیه در محیط به میکروپلاستیک‌ها و نانوپلاستیک‌ها تبدیل می‌شوند و به اکوسیستم خاک آسیب می‌زنند. علاوه بر این، روش‌های شیمیایی سنتی اغلب قادر به تقویت مقاومت ذاتی گیاهان در برابر تنش‌هایی مانند شوری، خشکی و بیماری‌ها نیستند. ازاین‌رو، توسعه فناوری‌های سازگار با محیط‌ زیست که بتوانند به‌صورت پایدار مقاومت گیاهان را افزایش دهند، به یک نیازضروریدر کشاورزی مدرن تبدیل شده است.
فناوری نانو در سه دهه اخیر تحولات بزرگی در حوزه‌های پزشکی، الکترونیک و انرژی ایجاد کرده است. اما کاربرد آن در کشاورزی تا سال ۲۰۱۶چندان مورد توجه نبود. از آن زمان، تعداد مقالات علمی در زمینه اصلاح بذر با نانوذرات سالانه ۵۰درصد رشد کرده است.
نانوذرات به‌ دلیل اندازه بسیار کوچک و خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد می‌توانند از دیواره سلولی بذر عبور کرده و به‌طور مستقیم بر سیستم متابولیک گیاه تأثیر بگذارند. این ویژگی، امکان تنظیم بیان ژن‌ها و فعال‌سازی مسیرهای دفاعی گیاه را فراهم می‌کند. فناوری نانو نه‌فقط یک نوآوری علمی بلکه راهی استراتژیک برای مقابله با بحران اقلیم است.
نانوذرات می‌توانند میزان محصولات کشاورزی را افزایش دهند. پژوهش‌های جهانی نشان می‌دهد که اصلاح بذر با نانوذرات در محصولات مختلف، نتایج چشمگیری داشته است.برخی نانوذرات (مانند نانوذرات نقره و سیلیکا) خاصیت ضدقارچی و ضدباکتریایی دارند و مقاومت گیاه را در برابر بیماری‌ها افزایش می‌دهند. با استفاده از نانوذرات می‌توان میزان برداشت محصولات از زمین‌های زراعی را افزایش داد. به‌عنوان مثال افزودن نانوذرات آهن و کلسیم می‌تواند میزان تولید سیب‌زمینی را افزایش دهد و از سوی دیگر باعث یکنواخت شدن ابعاد محصولات شود. 
یکی از مزایای این روش آن است که گل‌دهی گیاه سیب‌زمینی را افزایش داده و زمان آن را به دو هفته تقلیل می‌دهد. بسیاری از خاک‌ها دارای آهن فراوانی هستند اما به‌راحتی در اختیار گیاه قرار نمی‌گیرند. 
استفاده از کودهای آهن‌دار نیز پرهزینه و مزایای آن محدود است. «اکسیدآهن» یا «اکسید فریک» با فرمول شیمیایی Fe۲O۳ یکی از اشکال سه‌گانه آهن است که به‌صورت نانوذرات می‌تواند در فاز آبی ایجاد شود. این محلول به‌سادگی برای آبیاری گیاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نانوذرات به خاک اطراف ریشه چسبیده و به‌سختی وارد آب‌های زیرزمینی می‌شوند. بنابراین مشکل آلودگی محیط زیست در آن‌ها وجود ندارد. همچنین نانوذرات معدنی (مانند اکسید آهن و سیلیکا) خطرات زیست‌محیطی کم‌تری دارند.
کم‌خونی در رژیم غذایی مشکل بزرگی در جهان است، به‌طوری‌که سالانه ۴۶ درصد از مردم جهان را تحت تأثیر قرار می‌دهد. سیب‌زمینی مملو از آهن است که می‌تواند نقش مؤثری در رفع این مشکل داشته باشد. غنی‌سازی سیب‌زمینی با این روش هزینه کمی دارد و می‌توان با روشی ایمن نیازهای بدن را با آن فراهم کرد.

***

کشاورزی کار آسانی نیست. یک کشاورز باید تمامی روز را در فضای باز سپری کند تا بتواند مواد غذایی گیاهی و تازه تولید کند. به‌علاوه باید صبح بسیار زود پیش از طلوع خورشید به مزرعه برود و ۱۴ ساعت روز خود را با کار سخت فیزیکی، کود حیوانی و دوشیدن شیر از گاوها پر کند. خوشبختانه فناوری به یاری کشاورزان آمده است و کار سخت روی زمین زراعی را تا حدی برای آن‌ها آسان‌تر کرده است.
در سال ۱۷۹۴ شخصی به نام «ایلای ویتنی» حق انحصاری برای ثبت اختراع ماشین پنبه پاک‌کنی خود را کسب کرد. این ماشین در پاک کردن دانه‌های نرم و کرکی پنبه تحول بزرگی ایجاد کرد. در سال‌های اخیر نیز مخترعان عصر کنونی در حال ارتقاء دادن کارایی ماشین‌آلات کشاورزی هستند؛ از تراکتورهای مجهز و روبات‌های شیردوش تا ابزارهای دستی که می‌توانند میزان نیتروژن خاک را اندازه‌گیری کنند. با این وصف ابزارها و وسایل کاربردی جدیدی در دسترس کشاورزان قرار گرفته است! اگر چه بعضی از ماشین‌ها و ابزارهای ساخته شده برای استفاده در زمین‌های همه کشاورزان قابل‌دسترسی نیستند اما با کاهش قیمت آن‌ها کشاورزان بیشتری می‌توانند آن‌ها را تهیه کنند.
روبات شیردوش ـ یکی از فناوری‌های جدید کشاورزی روبات شیردوش است. اگر کسی تا به حال شیر گاو را دوشیده باشد می‌داند که چندان کار خوشایند و آسانی نیست. به‌علاوه کاری است که به زمان مشخص و زیادی احتیاج دارد؛ باید پیش از طلوع آفتاب دوشیدن شیر گاوها را آغاز کرد؛ در حین این‌که چند نفر که می‌توانستند هر کدام بخشی از کار کشاورزی و دامداری را بر عهده بگیرند باید به‌طور هم‌زمان فقط به انجام این کار بپردازند. در نتیجه عده‌ای از کشاورزان برای انجام این کار نه‌چندان خوشایند به روبات‌های شیردوش روی آورده‌اند.
ماشین‌های روباتیک شیردوش فقط به نظارت یک نفر برای غذا دادن و دوشیدن شیر گاوها نیاز دارند. آن‌ها علاوه بر این‌که گاوها را برای دوشیدن شیرشان در یک صف قرار می‌دهند، کیفیت شیر خارج شده و تعداد دفعات دوشیدن شیر را نیز کنترل می‌کنند و حتی گاوهایی را که آماده هستند را از بقیه گاوها تشخیص می‌دهند. جالب است که گاوها نیز به‌خوبی خود را با شیردوش‌های روباتیک سازگار می‌کنند و برای این‌که روزی پنج یا شش مرتبه دوشیده شوند از خود تمایل نشان می‌دهند. این در حالی است که با نیروی انسانی معمولاً دو بار در روز شیر از آن‌ها گرفته می‌شود.
اتوپروب ـاین فناوری نوعی ماشین نمونه‌برداری خاک است. این ماشین که اتوپروب نام دارد به کشاورز امکان می‌دهد تا در عرض چند ثانیه ده‌ها بار از خاک مورد نظر خود نمونه‌برداری کند. این ماشین که توسط یک تراکتور کشیده می‌شود، به‌طور معمول زمین را به عمق ۱۵ سانتیمتر می‌کند و از خاک نمونه برمی دارد. 
بنابراین دیگر نیازی به وسیله‌ای که زمین را جستجو کرده و به شیوه نوک زدن در خاک سوراخ ایجاد می‌کند نیست. 
در عوض، تولیدکنندگان محصولات کشاورزی می‌توانند با استفاده از این فناوری به‌طور منظم نمونه‌برداری کنند و در طول زمان نمونه‌های گرفته شده از یک نقطه را با هم مقایسه کنند. نمونه‌برداری از خاک برای کشاورزان امر بسیار مهمی است چون با انجام این کار آن‌ها اطلاعات لازم درباره میزان مواد مغذی خاک را که برای بیشترین میزان محصول‌دهی نیاز دارند به دست می‌آورند.
رایانش ابری ـ رایانش ابری مدل رایانشی بر پایه شبکه‌های رایانه‌ای مانند اینترنت است که الگوی تازه برای عرضه، مصرف و تحویل خدمات رایانشی با به‌کارگیری شبکه ارائه می‌کند. از رایانش ابری فقط افرادی که به‌طور حرفه‌ای با فناوری‌های رایانه‌ای سر و کار دارند استفاده نمی‌کنند. 
کشاورزی نیز مانند هر شغل دیگری نیازمند افرادی است که بتوانند انواع مختلف داده‌ها را به‌خوبی سازمان‌دهی کنند. این کار تهیه سیاهه یا صورت کالا، برنامه زمان‌بندی تجهیزات کاربردی، الگوهای آب و هوایی و البته فراهم آوردن اطلاعات مربوط به میزان محصول‌دهی است.
 طبق آماری که در سال ۲۰۱۴ به‌دست‌آمده در حال حاضر حدود ۱۷ درصد از کشاورزان از فناوری رایانش ابری برای ذخیره‌سازی و به اشتراک گذاشتن داده‌ها استفاده می‌کنند. با ذخیره داده‌ها در یک سرور از راه دور که از طریق اینترنت قابل‌دسترسی است این کاربرها می‌توانند داده‌های خود را در رایانه‌ها و ابزارهای دیگر با هم تطبیق دهند و با بهره‌گیری از نرم‌افزارهای تعریف‌شده پی ببرند که به‌طور دقیق زمین‌های کشاورزی چه تغییراتی می‌کنند و چه اتفاقی در آن‌ها می‌افتد.
حسگرهای نیتروژن ـ نیتروژن یکی از اجزای کلیدی تشکیل‌دهنده کودهای شیمیایی مرغوب است. نیتروژن میزان محصول‌دهی گیاهانی که از چنین کودی تغذیه می‌کنند و این عنصر را دوباره به هوا پس می‌دهند افزایش می‌دهد. مشکل زمانی بروز می‌کند که نیتروژنی که به هوا بازگردانده نمی‌شود وارد آب‌های زیرزمینی می‌شود. این فرایند نه‌فقط سبب تغییرات آب و هوایی می‌شود بلکه برای ماهیان و دیگر جانداران آبزی نیز زیان‌آور است. 
نیتروژن بیش‌ازاندازه به خود محصولات کشاورزی نیز آسیب می‌زند.با کمک فناوری‌های تازه‌ای که دارای حسگرهای نوری هستند می‌توان میزان سلامتی گیاه کاشته شده را اندازه‌گیری کرد که در نتیجه آن کشاورزان می‌توانند به‌طور کارآمدی از کودها استفاده کنند. این حسگرها نورهای قرمز و مادون قرمز را به محصولات کاشته شده می‌تاباند و مقدار نوری که گیاهان منعکس می‌کنند را اندازه‌گیری می‌کند. هرچه نور منعکس‌شده بیشتر باشد گیاه مورد نظر سالم‌تر است و بنابراین کمتر به کود نیاز دارد.
برچسب‌های الکتریکی برای کنترل تغذیه و حرکت دام ـ برچسب‌های الکتریکی قابل نصب روی گوش و پای دام‌ها فناوری سودمند دیگری هستند که روی خود چیپ‌های تشخیص فرکانس‌های رادیویی (RFID) را دارند. با کمک این فناوری کشاورز دامدار می‌تواند پی ببرد که هر کدام از دام‌ها چه میزان و چگونه علوفه خورده است. تغییرات در الگوهای تغذیه نشان‌دهنده این هستند که دام مشکلی در بدن خود دارد که نمی‌تواند به‌طور نرمال تغذیه کند. 
همچنین امروزه دامداران می‌توانند با کمک گام‌شمارهایی که روی قوزک پای دام‌ها نصب می‌شوند پی ببرند که آن‌ها چه مدت زمانی را در حالت توقف و چه مدتی در حال راه رفتن هستند. این امر روشن می‌کند که آیا حیوان سالم است یا بیمار. با شناسایی و تشخیص بیماری‌های دهانی یا بیماری جنون گاوی می‌توان میزان تلفات را به حداقل رساند.
ماشین کاشت هیبرید ـ کشاورزی صحیح کار دشواری نیست بلکه یک هنر هم به شمار می‌آید. این‌که کشاورز تصمیم بگیرد چه نوع دانه‌ای را در چه زمینی بکارد هنر محسوب می‌شود. ماشین کاشت هیبریدی که با انرژی الکتریکی کار می‌کند به‌طور خودکار نوع دانه کاشته شده را با تغییر زمین کشاورزی عوض می‌کند. این ماشین دانه‌ها را فقط از یک لوله واحد عبور می‌دهد و با حرکت از یک زمین کشاورزی به زمین دیگر نوع دانه عبوری تغییر می‌کند.
نرم‌افزار آبیاری زمین زراعی ـ یکی از مهم‌ترین وظایف یک کشاورز اطمینان حاصل کردن از این است که به میزان کافی آب به محصول او می‌رسد؛ به‌ویژه زمانی که میزان بارش باران کم باشد یا پیش‌بینی نشده باشد. 
فناوری جالبی که به خدمت کشاورزان آمده است یک سری نرم افزارهای کاربردی ویژه تلفن‌های هوشمند است که آبیاری هوشمند نام دارد. با کمک این نرم‌افزار کشاورزانی که پنبه، توت فرنگی و مرکبات کاشته‌اند می‌توانند شرایط آب و هوایی منطقه خود را برای محصولات خود به‌طور مرتب چک کنند. انواعی از نرم افزارهای هوشمند طراحی شده‌اند که از فناوری GPSمانند آن چه در تلفن‌های هوشمند موجود است استفاده می‌کنند تا کشاورزان بتوانند با این روش جدید پی ببرند که محصول آن‌ها به چه میزان آبیاری نیاز دارد. آن‌ها این کار را با تخمین میزان روزانه جذب H۲ Oتوسط گیاه و میزان بارش منطقه‌ای از طریق اتصال به نزدیک‌ترین ایستگاه هواشناسی می‌توانند انجام دهند.
هواپیماهای بدون سرنشین ـ با شنیدن نام پهپاد یا هواپیمای بدون سرنشین بسیاری از مردم تصور می‌کنند که منظور هواپیماهای بدون سرنشینی هستند که برای جمع‌آوری اطلاعات و پرتاب بمب در قلمروی کشورهای دیگر استفاده می‌شوند. ولی در حوزه کشاورزی عملکرد آن‌ها به گونه‌ای دیگر است. این روبات‌های پرنده می‌توانند در آسمان همانند یک جفت چشم تیزبین عمل کنند.
 با کمک دوربین‌هایی که روی آن‌ها نصب شده‌اند کشاورزان می‌توانند بر محصولات خود نظارت داشته‌باشند، آفت‌های آن‌ها را شناسایی کنند و مطمئن شوند که آبیاری به‌خوبی صورت می‌گیرد. این ماشین‌های پرنده اغلب بالگردهای کوچکی هستند که به کمک GPSمی‌توان آن‌ها را بدون سرنشین به هوا فرستاد و مجهز به دوربین هستند. این بالگردها توسط نرم‌افزار به‌طور خودکار در هوا پرواز کرده، دوربین را کنترل کرده و عکس‌های گرفته شده را ذخیره و مرتب می‌کنند تا تصویر دقیقی از محصول کاشته شده به کشاورز بدهند و هشدار لازم درباره الگوهای کاشت نادرستی که از روی زمین دیده نمی‌شوند را هم ارائه دهند.
تراکتور بدون راننده ـ یکی از فناوری‌هایی که به خدمت کشاورزی درآمده تراکتور بدون راننده است. این فناوری به‌قدری هیجان‌انگیز است که زندگی کشاورزان را متحول کرده است. برای برخی از ما این ماشین ممکن است ترسناک هم به نظر برسد؛ تصور این‌که درون یک تراکتور با سرعت زیاد در بزرگراهی درحرکت است درحالی‌که انسانی پشت فرمان نیست ترس ایجاد می‌کند. این حس در مورد کشاورزان هم تا حدی وجود دارد و آن‌ها در این‌که اجازه بدهند ماشین‌های بدون سرنشین در زمین کشاورزی آن‌ها حرکت کنند به تردید می‌اندازند. ولی در واقع سازندگان آن‌ها معتقدند که این فناوری کار کاشت، داشت و برداشت محصول را راحت‌تر کرده است. بدین ترتیب کشاورز یک تراکتور را روی زمین خود به کار می‌اندازد که این تراکتور به تراکتورهای دیگر که عملکرد آن را تقلید می‌کنند متصل می‌شود.
تراکتور مجهز به GPSـ کشاورزانی که هنوز به تراکتورهای بدون سرنشین اطمینان ندارند می‌توانند از فناوری GPS استفاده کنند تا بیشترین استفاده از زمان را در پشت فرمان تراکتور خود ببرند. GPSهمچنین به آن‌ها کمک می‌کند تا بین دو نقطه الف و ب کوتاه‌ترین مسیر را انتخاب کنند. بر اساس آمارهایی که گرفته شده است کشاورزان اعلام کردند که هدایت تراکتور توسطGPSبهترین فناوری ممکن برای آن‌ها است که حتی بیشتر از روبات‌های شیردوش و تلفن‌های هوشمند مورد توجه قرار گرفته است. این فناوری به کشاورزان امکان می‌دهد تا در به‌کارگیری زمان، انرژی و کود مصرفی صرفه‌جویی کنند و آن‌ها را مطمئن می‌سازد که دو بار از یک مسیر عبور نمی‌کنند.