Konwencjonalne metody stosowania agrochemikaliów w rolnictwie, takie jak opryskiwanie upraw, borykają się z poważnym problemem nieefektywności. Szacuje się, że znaczna część, od 30 do 50 procent, zastosowanych pestycydów, herbicydów lub składników odżywczych w ogóle nie dociera do roślin docelowych. Zamiast tego są rozpraszane w powietrzu, osadzają się na glebie lub są spłukiwane przez deszcz, co prowadzi do zanieczyszczenia środowiska, potencjalnej szkody dla organizmów niedocelowych, w tym pożytecznych owadów i mikroorganizmów glebowych, oraz stanowi znaczną stratę finansową dla rolników. To marnotrawstwo nie tylko zmniejsza skuteczność ochrony upraw i nawożenia, ale także stwarza ryzyko ekologiczne poprzez zanieczyszczenie cieków wodnych i wód gruntowych.

W poszukiwaniu bardziej precyzyjnych i zrównoważonych rozwiązań, zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) i ich współpracownicy z Singapuru opracowali innowacyjną technologię, która zapowiada rewolucję w sposobie dostarczania roślinom niezbędnych substancji. Ich podejście wykorzystuje maleńkie igły, znane jako mikroigły, wykonane z białka jedwabiu. Te mikroigły umożliwiają bezpośrednie i celowane wstrzykiwanie agrochemikaliów, witamin i innych związków bezpośrednio do tkanek roślinnych, omijając problemy związane z aplikacją zewnętrzną.

Rewolucyjna precyzja dzięki jedwabnym mikroigłom

Wyniki tych badań, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature Nanotechnology pod koniec kwietnia 2024 roku, stanowią znaczący krok naprzód w technologii rolniczej. Opracowana metoda pozwala na produkcję pustych jedwabnych mikroigieł w dużych ilościach, co jest kluczowe dla potencjalnego zastosowania w rolnictwie komercyjnym. Te puste struktury mogą przenosić znacznie większe ilości substancji czynnych w porównaniu z wcześniejszymi, pełnymi mikroigłami, otwierając tym samym możliwość bardziej efektywnego stosowania.

Benedetto Marelli, profesor nadzwyczajny inżynierii lądowej i środowiskowej na MIT oraz kierownik badań, podkreśla potrzebę zwiększenia wydajności w rolnictwie. "Agrochemikalia są ważne dla wspierania naszego systemu żywnościowego, ale są również drogie i niosą ze sobą negatywne konsekwencje dla środowiska. Dlatego istnieje duża potrzeba ich precyzyjnego dostarczania" - wyjaśnia Marelli. Technologia mikroigieł, pierwotnie opracowana do celów medycznych, takich jak dostarczanie szczepionek ludziom, została teraz dostosowana do pracy z roślinami, oferując rozwiązanie długotrwałych problemów nieefektywności i wpływu tradycyjnych metod na środowisko.

Badania prowadzili Yunteng Cao, obecnie pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Yale, oraz Doyoon Kim, były pracownik naukowy ze stopniem doktora w laboratorium Marelliego. Projekt obejmował również współpracę z interdyscyplinarną grupą badawczą Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) w ramach Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), centrum badawczego MIT w Singapurze. Grupa DiSTAP koncentruje się właśnie na rozwoju zaawansowanych technologii w celu rozwiązywania kluczowych problemów w globalnej produkcji żywności.

Prosta produkcja, wielki potencjał

Jednym z kluczowych aspektów tej innowacji jest zaskakująco prosty proces produkcji pustych mikroigieł. W przeciwieństwie do wielu procesów nanotechnologicznych, które wymagają drogich pomieszczeń czystych i specjalistycznego sprzętu, Cao i Kim opracowali metodę, którą można przeprowadzić w znacznie mniej kontrolowanych warunkach.

Proces rozpoczyna się od połączenia białka fibroiny jedwabiu (kluczowego białka strukturalnego w jedwabiu) z roztworem soli wewnątrz maleńkich form stożkowych. W miarę odparowywania wody z roztworu, jedwab krzepnie wewnątrz formy, przyjmując jej kształt. Jednocześnie sól tworzy struktury krystaliczne wewnątrz przyszłej igły. Po całkowitym stwardnieniu jedwabiu, sól jest wypłukiwana, pozostawiając puste wnętrze lub, w zależności od stężenia soli i separacji faz, sieć drobnych porów wewnątrz igły. Ta pustka lub porowatość jest kluczowa dla zdolności mikroigły do przenoszenia i dostarczania substancji płynnych.

"To dość prosty proces produkcyjny. Można go przeprowadzić poza pomieszczeniem czystym – mógłbyś go robić w swojej kuchni, gdybyś chciał" - podkreśla Kim. "Nie wymaga żadnych drogich maszyn." Ta prostota produkcji otwiera drzwi do szerszej dostępności i potencjalnie niższych kosztów wdrożenia technologii w przyszłości.

Leczenie roślin i wzbogacanie upraw

Aby zademonstrować skuteczność swojej technologii, naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów na roślinach pomidora. Jednym z celów było leczenie chlorozy, choroby spowodowanej niedoborem żelaza u roślin. Chloroza objawia się żółknięciem liści z powodu niezdolności rośliny do produkcji wystarczającej ilości chlorofilu, co może znacznie obniżyć plony. Problem jest często nasilony w glebach o wysokim pH (gleby zasadowe, takie jak bogate w wapień) lub w ciężkich, słabo zdrenowanych glebach gliniastych, gdzie żelazo, choć obecne, nie występuje w formie dostępnej dla roślin. Tradycyjne leczenie poprzez opryskiwanie siarczanem żelaza lub chelatami jest często nieskuteczne i krótkotrwałe, ponieważ substancja jest słabo wchłaniana przez liście lub szybko spłukiwana.

Używając swoich pustych jedwabnych mikroigieł, zespół z powodzeniem zaaplikował żelazo bezpośrednio do łodyg pomidorów cierpiących na chlorozę. Wyniki pokazały, że ta metoda umożliwia zrównoważone i długotrwałe dostarczanie żelaza bezpośrednio do systemu naczyniowego rośliny, bez powodowania znaczących uszkodzeń. Współautor badania, Daisuke Urano, naukowiec zajmujący się roślinami z DiSTAP, potwierdził, że szczegółowe oceny wykazały minimalne negatywne skutki wstrzyknięć mikroigłami, bez zaobserwowanych krótko- lub długoterminowych konsekwencji dla zdrowia rośliny.

Inny znaczący eksperyment koncentrował się na biofortyfikacji – procesie zwiększania wartości odżywczej upraw podczas ich wzrostu. Podczas gdy dotychczasowe wysiłki skupiały się głównie na minerałach takich jak cynk czy żelazo, dodawanie witamin, zwłaszcza tych, które naturalnie nie występują w roślinach, stanowiło większe wyzwanie. Witamina B12, niezbędna dla zdrowia człowieka i obecna głównie w produktach pochodzenia zwierzęcego, często brakuje w dietach wegańskich i wegetariańskich.

Naukowcy za pomocą mikroigieł wstrzyknęli witaminę B12 do łodyg rosnących pomidorów. Analizy później potwierdziły, że witamina została pomyślnie przetransportowana przez roślinę i zgromadziła się w owocach pomidora przed zbiorem. To odkrycie otwiera zupełnie nowe możliwości wzbogacania różnych rodzajów owoców i warzyw w witaminy podczas uprawy, czyniąc je bardziej wartościowymi odżywczo. "Ten nowy mechanizm dostarczania otwiera wiele potencjalnych zastosowań, więc chcieliśmy zrobić coś, czego nikt wcześniej nie zrobił" - wyjaśnia Marelli.

Monitorowanie zdrowia roślin w czasie rzeczywistym

Oprócz dostarczania substancji, jedwabne mikroigły okazały się również przydatne do monitorowania stanu zdrowia roślin. Obecne zaawansowane techniki monitorowania, takie jak analiza koloru liści (kolorymetria) czy analiza hiperspektralna, często mogą wykryć problemy dopiero wtedy, gdy wzrost rośliny jest już zagrożony. Inne metody, takie jak pobieranie próbek soku roślinnego (soku komórkowego), mogą być inwazyjne i czasochłonne.

Zespół badawczy zbadał możliwość wykorzystania mikroigieł do wykrywania metali ciężkich w roślinach. Uprawiali pomidory w roztworach hydroponicznych zanieczyszczonych kadmem, toksycznym metalem często występującym w glebach w pobliżu obszarów przemysłowych i górniczych. Po wstrzyknięciu mikroigieł do łodyg pomidorów okazało się, że igły wchłonęły kadm z soku roślinnego w ciągu zaledwie 15 minut. Sugeruje to, że mikroigły mogłyby być używane jako szybkie narzędzie diagnostyczne do wykrywania zanieczyszczeń.

Co więcej, mikroigły umożliwiają pobieranie małych próbek soku roślinnego do ciągłej analizy chemicznej. Zespół zademonstrował możliwość monitorowania poziomu kadmu w pomidorach przez 18 godzin, co wskazuje na potencjał rozwoju systemów do monitorowania zdrowia roślin i stanu środowiska w czasie rzeczywistym. Takie systemy mogłyby dostarczać wczesnych sygnałów ostrzegawczych o stresie spowodowanym suszą, niedoborem składników odżywczych lub obecnością toksyn, umożliwiając szybką interwencję.

Nowe horyzonty dla zrównoważonego rolnictwa

Chociaż w ramach badania mikroigły były aplikowane ręcznie, Marelli i jego zespół przewidują przyszłość, w której ten proces mógłby zostać zautomatyzowany. Integracja z istniejącymi maszynami rolniczymi, takimi jak pojazdy autonomiczne, traktory czy nawet drony (chociaż aplikacja za pomocą dronów wciąż stanowi wyzwania techniczne), mogłaby umożliwić stosowanie na dużych powierzchniach rolniczych.

Naukowcy uważają, że technologia jedwabnych mikroigieł mogłaby uzupełnić istniejące praktyki rolnicze, oferując bardziej precyzyjną i przyjazną dla środowiska alternatywę lub dodatek do opryskiwania. Zmniejszając ilość stosowanych agrochemikaliów i ich celowe wprowadzanie, zmniejsza się ryzyko zanieczyszczenia środowiska, oszczędza pieniądze i potencjalnie zwiększa skuteczność zabiegów i nawożenia.

Ważne jest, aby zauważyć, że potencjał tej technologii wykracza poza rolnictwo. "Ta nowa technika produkcji polimerowych mikroigieł mogłaby również przynieść korzyści badaniom w zakresie przezskórnego i śródskórnego dostarczania leków oraz monitorowania zdrowia u ludzi" - mówi Cao. Właściwości jedwabiu jako materiału biokompatybilnego i biodegradowalnego czynią go atrakcyjnym do różnych zastosowań biomedycznych.

Jednak główny nacisk obecnie pozostaje na transformacji rolnictwa w kierunku bardziej zrównoważonych praktyk. "Chcemy zmaksymalizować wzrost roślin bez negatywnego wpływu na zdrowie gospodarstwa czy bioróżnorodność otaczających ekosystemów" - podsumowuje Marelli. "Nie powinno być kompromisu między przemysłem rolniczym a środowiskiem. Powinny one współpracować." Rozwój precyzyjnych technologii, takich jak jedwabne mikroigły, stanowi kluczowy krok w kierunku realizacji tej wizji, w której produktywność i odpowiedzialność ekologiczna wzajemnie się wspierają.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology