Ученые предлагают использовать в сельском хозяйстве нанотехнологии вместо пестицидов

Передовые технологии позволяют контролировать доставку лекарств к определенным клеткам организма. Ученые утверждают, что эти же технологии необходимо применить в сельском хозяйстве, чтобы удовлетворить растущий мировой спрос на продовольствие.

Ученые рассматривают некоторые из наиболее известных стратегий улучшения сельского хозяйства с помощью нанотехнологий.

Нанотехнологии — это общий термин для изучения и разработки микроскопически малых вещей. Насколько маленьких? Нанометр — это одна миллиардная часть метра, или примерно в 100 тыс. раз меньше, чем толщина человеческого волоса. С помощью нанотехнологий лекарства теперь можно доставлять туда, где они нужнее всего. Эти знания еще предстоит применить в больших масштабах в растениеводстве.

Существуют исследования, предсказывающие, что в 2050 году человечеству придется увеличить производство продовольствия на 60% по сравнению с уровнем 2020 года. Сейчас этого пытаются добиться за счет малоэффективных агрохимикатов. Практически половина всех удобрений, вносимых в почву, теряется в окружающей среде и загрязняет грунтовые воды. В случае с широко используемыми пестицидами дело обстоит еще хуже, только 5% достигают намеченных целей, остальные загрязняют окружающую среду.

В настоящее время на долю сельского хозяйства приходится до 30% глобальных выбросов парниковых газов. Это, а также ряд других факторов — от экстремальных погодных явлений до распространения вредителей сельскохозяйственных культур и стремительной деградации почв — подчеркивает необходимость применения новых методов и технологий ведения сельского хозяйства.

Исследователи выделяют конкретные подходы, заимствованные из наномедицины, которые могут быть использованы в сельском хозяйстве, например технологии адресной доставки, основанные на покрытии наноматериалов сахарами или пептидами, которые распознают специфические белки на растительных клетках и органеллах. Это позволяет нам использовать существующий молекулярный механизм растения и направлять нужные химические вещества туда, где они необходимы растению, например в сосудистую сеть, органеллы или места заражения патогенами. Данная технология может сделать растения более устойчивыми к болезням и вредным факторам окружающей среды, таким как сильная жара или высокое содержание солей в почве. Кроме того, такой способ доставки будет гораздо более экологичным, так как будет меньше нецелевых эффектов в окружающей среде.

Еще одна стратегия — использование искусственного интеллекта и машинного обучения для создания «цифрового двойника». Исследователи в области медицины используют вычислительные модели или «цифровых пациентов», чтобы смоделировать, как лекарства взаимодействуют с организмом и перемещаются в нем. Исследователи в области сельского хозяйства могут сделать то же самое, чтобы разработать молекулы-наноносители, доставляющие питательные вещества или другие агрохимикаты в органы растений, где они наиболее необходимы.

Точная доставка активных веществ в растения с помощью нанотехнологий изменит сельское хозяйство, но существуют критические технические проблемы, которые необходимо сначала преодолеть, чтобы реализовать весь спектр преимуществ.

Всероссийский центр карантина растений Россельхознадзора (ФГБУ «ВНИИКР») и компания «Сбер Бизнес Софт» совместно разрабатывают цифровые решения для защиты урожая в тепличных комплексах.

Проект по созданию программного продукта с использованием технологий искусственного интеллекта предназначен для защиты урожая на предприятиях закрытого грунта от вредителей и болезней растений.

Источник: Towards realizing nano-enabled precision delivery in plants, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01667-5