Kombinácia prírodné insekticídy a nanotechnológie Ticho mení spôsob, akým chápeme kontrolu škodcov v poľnohospodárstve. To, čo ešte pred pár rokmi znelo ako sci-fi, sa teraz začína prejavovať v skleníkoch, na poliach a v pilotných projektoch po celom svete s veľmi sľubnými výsledkami proti voškám, červeným palmovým nosatcom a ťažko kontrolovateľným burinám.
Okrem pútavého titulku sa za týmto vývojom skrýva doktorandské dizertačné práce, verejné výskumné projekty a spoločnosti Výrazne investujú do bio-nanoformulácií: nanoemulzií esenciálnych olejov, „inteligentných“ nanočastíc, ktoré sa aktivujú iba v reakcii na infekciu, anorganických nanopráškov, ako je nanostruktúrovaný oxid hlinitý, a enkapsulačných systémov pre rastlinné extrakty a mikroorganizmy. Toto všetko je poháňané jasným cieľom: udržať produktivitu plodín a zároveň drasticky znížiť používanie syntetických pesticídov a ich vplyv na životné prostredie.
Čo sú to prírodné insekticídy vyrobené pomocou nanotechnológie?
Keď o tom hovoríme prírodné insekticídy s využitím nanotechnológie Hovoríme o formuláciách, v ktorých účinná látka pochádza z biologických zdrojov (esenciálne oleje, prchavé rastlinné zlúčeniny, biopolyméry, mikroorganizmy, prírodné minerály atď.) a je prítomná vo forme nanostruktúr: nanoemulzie, nanokapsuly, pevné nanočastice alebo nanostruktúrované prášky.
Tieto formulácie využívajú jedinečné vlastnosti nanometrová škála (1 – 100 nm): väčší špecifický povrch, lepšia disperzná kapacita vo vode, schopnosť zapuzdriť a chrániť vysoko prchavé alebo svetlocitlivé molekuly a predovšetkým kontrolované uvoľňovanie tam, kde je to potrebné. Cieľom nie je „zvýšiť“ nerozlišujúcu toxicitu, ale aby boli efektívnejšie a selektívnejšie niečo, čo už vieme, že účinkuje proti hmyzu, ale vo svojej konvenčnej forme sa rýchlo rozkladá alebo pôsobí nestabilne.
V praxi tieto nové insekticídy a nanopesticídy umožňujú znížiť aplikované dávky, predĺžiť trvanie účinku a znížiť počet aplikáciíTo sa premieta do menšieho množstva zvyškov v pôde a vode a lepšej kompatibility s užitočnou faunou a opeľovačmi vďaka ekologické repelenty a fungicídy.
Nanoemulzie esenciálnych olejov proti voškám v záhradníckych plodinách
Jeden z najsilnejších príkladov aplikácie v reálnom svete pochádza z Univerzita Miguela Hernándeza v Elche (UMH), kde dizertačná práca preukázala potenciál nanoemulzií na báze prírodných látok na kontrolu vošiek v záhradníckych plodinách, ako sú papriky a melóny.
Vošky (Myzus persicae a Aphis gossypii(okrem iných) patria medzi najproblematickejších škodcov v oblastiach ako Almería, Murcia a Alicante. Živia sa miazgou, oslabujú rastliny, spomaľujú rast a, čo je možno najzávažnejšie, pôsobia ako prenášače mnohých vírusov. Situácia v týchto skleníkoch je komplikovaná: miernejšie zimné teplotyPrvé kolónie sa objavujú, keď je plodina najnáchylnejšia a zároveň je k dispozícii menej povolených insekticídov a rezistencia sa zvyšuje; preto sa vyhľadávajú prírodné prostriedky na boj proti voškám.
V tejto súvislosti sa tím vedený poľnohospodárskym inžinierom Félixom Martínom rozhodol sformulovať látky rastlinného pôvodu, ktoré sú už známe svojím insekticídnym alebo repelentným účinkom (zložky esenciálnych olejov z citrusov, anízu, feniklu, jazmínu, kokosu, ako aj zlúčeniny ako farnezol) vo forme nanoemulzie. Nanoemulzia je vo všeobecnosti ako „majonéza“, v ktorej sú olej a voda veľmi stabilne zmiešané, ale s kvapôčkami tisíckrát menšími ako tie, ktoré vidíme voľným okom.
Zmenšením veľkosti kvapôčok na nanorozmery sa dosahuje na ochranu prchavých zlúčenín pred degradáciou svetlom, teplotou a oxidácioua tiež to, že lepšie priľnú k povrchu rastliny. To umožňuje účinnej látke zostať dlhšie tam, kde je potrebná, a ľahšie preniknúť do hmyzu, čím sa zvyšuje účinnosť aj pri miernych koncentráciách.
V skúškach vykonaných v Murcijský inštitút poľnohospodárskeho a environmentálneho výskumu a vývoja (IMIDA)Niektorým z týchto nanoemulzií sa podarilo znížiť populácie vošiek na paprikách až o 80 % v skleníkových podmienkach. Okrem letálneho účinku boli zaznamenané aj ďalšie pozorované účinky. silné repelentné účinkynajmä pokiaľ ide o okrídlené jedince, ktoré ako prvé kolonizujú úrodu.
Jedným obzvlášť zaujímavým zistením bola prvá demonštrácia u poľnohospodárskeho škodcu, že repelentný účinok metylesterov mastných kyselín z kokosového olejaTieto molekuly nielenže pomáhali odpudzovať vošky, ale tvorili aj súčasť samotnej štruktúry nanoemulzie, pôsobili ako stabilizátory a prispievali k celkovému mechanizmu účinku; pripomína to domáce formulácie na báze kokosového a iných olejov, ako napríklad tie, ktoré navrhol... domáci insekticíd pre rastliny.
Ďalšou kľúčovou výhodou týchto formulácií je, že Používajú emulgátory prírodného pôvodu alebo s nízkym vplyvom na životné prostredieVďaka tomu sú kompatibilné s postupmi ekologického poľnohospodárstva. Keďže na dosiahnutie dobrých výsledkov je potrebné menej produktu, náklady pre poľnohospodára sa znižujú a vplyv na životné prostredie sa minimalizuje bez toho, aby sa obetovala účinnosť.
Táto práca je súčasťou projektu RTA2017-00022-00-00Diplomová práca, zameraná na optimalizáciu nanoemulzií botanických insekticídov, je financovaná Španielskou štátnou výskumnou agentúrou a Európskym sociálnym fondom. Je integrovaná do doktorandského programu ReTos-AAA na UMH a kombinuje štúdie účinnosti, štúdie správania zlúčenín a hodnotenie ich kompatibility so súčasnou záhradníckou produkciou.
„Inteligentné“ nanomateriály, ktoré fungujú iba vtedy, keď je epidémia
Okrem klasických nanoemulzií je ďalšou vedúcou oblasťou inovácií „inteligentné“ hybridné bionanomateriály, ako napríklad tie, ktoré boli vyvinuté na Univerzite Castilla-La Mancha (UCLM) v spolupráci s odnožou Nanolife. V tomto prípade nejde len o zapuzdrenie účinných látok, ale o samotný systém, ktorý reaguje na špecifické podmienky a aktivuje sa iba vtedy, keď to dáva agronomický zmysel.
Cieľom tohto tímu bolo využiť prirodzená obrana rastlínKonkrétne študujú zlúčeniny ako terpény (zodpovedné za arómy, ako je citrón, pomaranč a levanduľa) a kombinujú ich s biologickými materiálmi, aby získali ošetrenia schopné nahradiť vysoko agresívne syntetické pesticídy. Myšlienkou, slovami výskumníkov, je prinútiť „prírodu pracovať pre nás“, a nie proti nám.
Systém je založený na nanoškálovej štruktúre s veľkosťou menšou ako 100 nanometrov, ktorá sa skladá z oxid kremičitý z prírodného zdroja potiahnutý biopolyméromTento povlak sa vyrába zo zlúčenín prítomných v určitých rastlinách s vlastnou bioaktivitou, výsledkom čoho je hybridný biomateriál, ktorý funguje ako „inteligentný obal“ pre účinnú látku.
Hlavný rozdiel oproti konvenčnému pesticídu spočíva v tom, že tieto nanočastice Obsah uvoľňujú iba vtedy, keď zaznamenajú určité podnety. spojené s prítomnosťou patogénov alebo škodcov. Jasným príkladom je okyslenie (zníženie pH) spôsobené mnohými mikroorganizmami pri infikovaní rastliny: keď nanomateriál zistí túto zmenu, začne uvoľňovať terpény a iné prchavé zlúčeniny; ak nedôjde k infekcii, k uvoľňovaniu takmer nedochádza.
Toto responzívne správanie umožňuje liečbu oveľa selektívnejšie a efektívnejšieMenej odpadu z produktov, znížená expozícia necieľových organizmov (ako je užitočný hmyz alebo pôdna fauna) a výrazné zníženie počtu aplikácií. Niekoľko štúdií ukázalo, že niektoré z týchto nanomateriálov sú ešte účinnejšie ako konvenčné ošetrenia, a to aj napriek použitiu oveľa nižších dávok.
Ďalšou výhodou sú použité účinné látky ekologické zlúčeniny registrované Európskou chemickou agentúrou (ECHA), niekedy s potravinárskou kvalitou, čo výrazne znižuje obavy z možných škodlivých účinkov na ľudské zdravie.
Prenos na trh už prebieha vďaka spoločnosti Nanolife, ktorá pracuje na počiatočnom priemyselnom meradle týchto systémov s jasným komerčným zameraním. Očakáva sa, že ak sa zapoja spoločnosti s väčšou investičnou kapacitou, tieto produkty by mohli... dostať sa na poľnohospodársky trh do troch až štyroch rokov, s nákladmi upravenými pre výrobcu, keďže dávky potrebné na hektár sú veľmi nízke.
Celý tento vývoj dokonale zapadá do Európska zelená dohoda, ktorého cieľom je drastické zníženie používania chemických pesticídov a považuje sa za obrovský krok smerom k presnému poľnohospodárstvu, kde sa presne kontroluje, kedy, koľko a kde sa každá zlúčenina uvoľňuje.
Inteligentné biostimulanty a nanočastice s dvojitou funkciou
Popri vývoji insekticídov a pesticídov prináša nanotechnológia vznik novej generácie... inteligentné biostimulanty ktoré okrem výživy rastliny jej pomáhajú chrániť sa pred stresom a útokmi patogénov.
Tieto biostimulanty kombinujú nanočastice s prospešnými mikroorganizmami, prírodnými extraktmi alebo inými bioaktívnymi zlúčeninamivytváranie receptúr schopných zlepšiť rast, vývoj a odolnosť plodín s presnosťou, ktorú tradičné riešenia nedokážu dosiahnuť. Kľúčom je kontrolované uvoľňovanie živín a aktívnych molekúl, ochrana pred abiotickým stresom (sucho, slanosť, extrémne teploty) a biotickým stresom (škodcovia, huby, baktérie) a optimalizácia príjmu zdrojov rastlinou; tento prístup je v súlade s postupmi prírodné liečivá a hnojivá zamerané na udržateľnosť.
L nanočastice (NP) Pigmenty používané v poľnohospodárstve môžu byť zložené z esenciálnych živín (N, P, K, Ca, Mg, mikroživín ako Zn, Fe, Mn atď.) aj z organických materiálov (lignín, škrob, chitosán, celulóza, močovina, lipidy). Ich veľkosť medzi 1 a 100 nanometrami im dáva veľmi špecifické fyzikálne a chemické vlastnosti: väčšiu kontaktnú plochu, rôznu reaktivitu, schopnosť prekonávať biologické bariéry a schopnosť selektívne priľnúť k povrchu buniek.
Mnohé z týchto NP idú nad rámec jednoduchej výživy, pretože vykazujú antimikrobiálnu alebo insekticídnu aktivituTo otvára dvere produktom, ktoré súčasne vyživujú rastlinu a pôsobia ako biokontrolné činidlá proti určitým patogénom alebo škodcom, čím sa zjednodušujú programy manažmentu a znižuje počet návštev v teréne.
Medzi najčastejšie uvádzané výhody formulácií s nanomateriálmi patria vyššia nutričná účinnosť (vďaka postupnejšiemu uvoľňovaniu a menším stratám vyplavovaním alebo odparovaním), stimulácia antioxidačných dráh a obranných mechanizmov v rastline, integrácia s enkapsulovanými prospešnými mikroorganizmami a zníženie používania tradičných chemických vstupov.
Tak vznikajú tzv. nano-biohnojivá (NBF)Tieto produkty sa vyvíjajú biologickou syntézou s použitím mikroorganizmov alebo zapuzdrením kovových nanočastíc a organických zlúčenín (polysacharidy, chitosan atď.). Hoci ide stále o novú technológiu, jej agronomický potenciál je značný, najmä v systémoch presného poľnohospodárstva, kde je cieľom presne kontrolovať dávkovanie a načasovanie aplikácie.
Nanopesticídy, nanofungicídy a nanostruktúrované anorganické prášky
V rámci nanotechnológie aplikovanej na kontrolu škodcov sa objavujú aj: nanopesticídy a nanofungicídyTieto produkty sa skladajú z nanočastíc striebra, medi, oxidu kremičitého, oxidu zinočnatého, oxidu železa alebo iných materiálov s biocídnymi vlastnosťami. Tieto častice sa môžu formulovať do nanoemulzií, nanokapsúl, nanosfér alebo nanogélov, čo vedie k vysoko všestranným produktom.
Pozoruhodným prípadom je ten, nanostruktúrované anorganické práškyHistoricky boli insekticídne prášky jedným z prvých nástrojov, ktoré ľudia používali na kontrolu škodcov, pričom ich účinnosť bola založená na fyzikálnych mechanizmoch (oder, vysušenie hmyzu, zablokovanie prieduchov atď.). S príchodom syntetických insekticídov boli odsúdené predovšetkým na to, aby pôsobili ako „nosiče“ iných účinných látok.
Avšak s vývojom materiálov, ako sú napr. hydrofóbny kaolín Nanoinsekticídy, ktoré sa objavili v 90. rokoch 20. storočia a v poslednej dobe aj v rámci vývoja nanoinsekticídov, opäť získali na význame. Paradigma, ktorá riadi ich vývoj, je „rovnaké, ale odlišné“: látka je chemicky identická, ale v nanorozmeroch sa menia kľúčové vlastnosti, ako je reaktivita, špecifický povrch a elektrický náboj.
Medzi týmito novými materiálmi vynikajú: nanostruktúrovaný oxid hlinitý, ktorý spája niekoľko žiaducich vlastností ideálneho insekticídu: je to chemicky stabilný produkt minerálneho pôvodu, nereaktívny v klasickom zmysle (napríklad nie je to neuroaktívny toxín), relatívne lacný a s nízkou pravdepodobnosťou vytvorenia rezistencie v populáciách hmyzu.
Porovnávacie testy ukázali, že nanostruktúrovaný oxid hlinitý môže byť účinnejší ako iné komerčné prášky ako kaolín alebo kremelina, pôsobiace predovšetkým prostredníctvom fyzikálnych mechanizmov, ktorým sa škodca veľmi ťažko vyhýba. Vďaka tomu je sľubným nástrojom pre integrované programy ochrany proti škodcom, ktorých cieľom je znížiť závislosť od syntetických molekúl; podobne sa odporúča pre sady ekologické insekticídy ako súčasť kombinovaných stratégií.
Problém je v tom, že vývoj produktov založených na vyrobených nanomateriáloch napreduje rýchlejšie ako kapacity na ich výrobu. posúdiť ich potenciálne vplyvy na ľudské zdravie a necieľové organizmyMasívny nástup aplikácií nanotechnológií vo všetkých typoch sektorov posilňuje potrebu serióznych investícií do štúdií ekotoxicity, degradácie životného prostredia a bezpečnejších a efektívnejších aplikačných technológií.
Prírodné nanopesticídy proti škodcom, ako je napríklad červený palmový nosatec
Možnosti nanopesticídov sa neobmedzujú len na záhradnícke alebo poľné plodiny. V prípade okrasných paliem je jedným z najobávanejších škodcov Červený nosatec (Rhynchophorus ferrugineus)čo zničilo exempláre v Stredozemnom mori a tiež v krajinách ako Uruguaj. Pokroky v ošetrenia proti červenému palmovému nosatcovi Integrujú prírodné a technologické možnosti, aby znížili svoj vplyv.
Pre tento typ ťažko dostupného škodcu (larvy sa nachádzajú vo vnútri kmeňa alebo vo veľmi chránených oblastiach) sa začali používať nasledujúce metódy formulácie založené na nanotechnológiách, ktoré zlepšujú penetráciu a distribúciu insekticídov v tkanivách palmy. Podľa konceptu nanopesticídu sú aktívne zložky zapuzdrené v nanočasticiach, ktoré uľahčujú ich pohyb vo vnútri rastliny a ich príchod tam, kde sa hmyz ukrýva.
Jedným z najdiskutovanejších obchodných návrhov je Liek na ničenie nosatcov palmových (PTWK)Tento produkt, špeciálne navrhnutý na boj proti červenému nosatcovi palmovému, využíva nanotechnológiu, ktorá zabezpečuje, že účinná látka preniká hlboko a zostáva dostatočne dlho na to, aby dosiahla larvy a dospelé jedince v oblastiach, ktoré sú ťažko dostupné tradičnými kontaktnými alebo injekčnými ošetreniami.
V Uruguaji spoločnosti ako ProArbol V spolupráci s miestnou samosprávou začali s testami PTWK, ktoré aplikujú na druhy ako napríklad fénix canariensis y butia capitataCieľom týchto pokusov je overiť skutočnú účinnosť nanopesticídu v poľných podmienkach a posúdiť jeho integráciu do programov udržateľnej ochrany paliem, čím sa zníži používanie vysoko agresívnych produktov, ktoré sa ťažko šetria k životnému prostrediu.
Zapuzdrenie rastlinných extraktov, húb a baktérií v nano a mikro systémoch
Ďalšou veľmi aktívnou oblasťou výskumu, najmä v krajinách s rozsiahlym poľnohospodárskym sektorom, ako je Brazília, je zapuzdrenie syntetických pesticídov a prírodných zlúčenín v polymérnych nanočasticiach a mikročasticiach s cieľom zlepšiť ich bezpečnosť a účinnosť.
Na Universidade Estadual Paulista (Unesp) tím vedený Laboratóriom environmentálnej nanotechnológie pracuje na systémy, ktoré obsahujú konvenčné agrochemikálie aj insekticídy a repelenty botanického pôvoduako aj biologické činidlá (huby a baktérie) v polymérnych matriciach. Myšlienka je dvojaká: udržiavať alebo zlepšovať ochranu proti škodcom a zároveň znižovať kontamináciu vody, pôdy a potravín.
Jedným zo študovaných prípadov je prípad atrazínTento herbicíd, ktorý je v Brazílii široko používaný, ale v Európskej únii zakázaný kvôli svojej vysokej toxicite a perzistencii, v laboratórnych testoch s použitím polymérnej formulácie s nanočasticami dosiahol účinnejšiu kontrolu buriny ako štandardná komerčná formulácia, čím sa dávka znížila z 3 kg na iba 300 g na hektár.
V inej práci, publikovanej v časopise Veda o ochrane proti škodcom, boli vyvinuté nanokapsuly na báze zeínu (proteín získaný z kukurice) obsahujúci zmes troch botanických zlúčenín: geraniol (prítomný v muškáte, citróne a citronele), eugenol (z klinčeka) a cinnamaldehyd (zo škoricového oleja). Táto kombinácia v nanoenkapsulovanej forme je určená na ochranu pred škodcami, ako sú niektoré húsenice rodu Helicoverpa v sójových bôboch, búrka obyčajná alebo roztoč dvojškvrnitý.
Vďaka spolupráci medzi chemikmi, agronómami, ekotoxikológmi a poľnohospodárskymi ekonómami tieto projekty hľadajú riešenia, ktoré sú životaschopné z ekologického aj ekonomického hľadiska, uvedomujúc si, že bez primeraných nákladov a preukázanej účinnosti v praxi bude prijatie poľnohospodármi veľmi obmedzené.
Hoci veľká časť výsledkov stále pochádza z laboratórne testy a experimentálne plochyPotenciál týchto systémov na zníženie dávok, rozloženie aplikácií a minimalizáciu environmentálnej stopy prípravkov na ochranu rastlín je pozoruhodný. Výzvou je teraz preniesť tieto formulácie do regulovaných komerčných produktov s jasnými protokolmi hodnotenia rizík a prínosov.
Všetky tieto štúdie spolu ukazujú, že Nanotechnológia aplikovaná na prírodné insekticídy a pesticídy Nie je to len prechodný módny výstrelok, ale silný nástroj na riešenie dvojitej výzvy, ktorou je kŕmenie rastúcej populácie a zároveň čoraz viac rešpektovanie environmentálnych limitov. Od nanoemulzií esenciálnych olejov, ktoré kontrolujú a odpudzujú vošky v skleníkoch, až po inteligentné nanomateriály, ktoré sa aktivujú iba v reakcii na infekciu, a vrátane nanostruktúrovaných práškov a enkapsulačných systémov pre rastlinné extrakty a mikroorganizmy, škála riešení sa rýchlo rozširuje. Aj napriek inherentným neistotám každej vznikajúcej technológie a naliehavej potrebe dôkladne preskúmať jej vplyv na necieľové organizmy a ľudské zdravie všetko naznačuje, že tieto prírodné insekticídy využívajúce nanotechnológie budú kľúčovou súčasťou nových modelov integrovanej ochrany proti škodcom a udržateľného poľnohospodárstva, ktoré sa už začína formovať v Európe a Latinskej Amerike.
