Konvencionalne metode primjene agrokemikalija u poljoprivredi, poput prskanja usjeva, suočavaju se s ozbiljnim problemom neučinkovitosti. Procjenjuje se da značajan udio, između 30 i 50 posto, primijenjenih pesticida, herbicida ili hranjivih tvari uopće ne dospijeva na ciljane biljke. Umjesto toga, raspršuje se u zrak, taloži na tlo ili biva ispran kišom, što dovodi do onečišćenja okoliša, potencijalne štete za neciljane organizme, uključujući korisne kukce i mikroorganizme u tlu, te predstavlja značajan financijski gubitak za poljoprivrednike. Ovaj rasap ne samo da umanjuje efikasnost zaštite usjeva i prihrane, već stvara i ekološke rizike kontaminacijom vodenih tokova i podzemnih voda.

U potrazi za preciznijim i održivijim rješenjima, tim istraživača s Massachusetts Institute of Technology (MIT) i njihovi suradnici iz Singapura razvili su inovativnu tehnologiju koja obećava revoluciju u načinu na koji se biljkama dostavljaju potrebne tvari. Njihov pristup koristi sićušne igle, poznate kao mikroigle, izrađene od proteina svile. Ove mikroigle omogućuju izravno i ciljano ubrizgavanje agrokemikalija, vitamina i drugih spojeva direktno u biljna tkiva, zaobilazeći probleme povezane s vanjskom primjenom.

Revolucionarna preciznost pomoću svilenih mikroigala

Rezultati ovog istraživanja, objavljeni u uglednom znanstvenom časopisu Nature Nanotechnology krajem travnja 2024. godine, predstavljaju značajan korak naprijed u poljoprivrednoj tehnologiji. Razvijena metoda omogućuje proizvodnju šupljih svilenih mikroigala u velikim količinama, što je ključno za potencijalnu primjenu u komercijalnoj poljoprivredi. Ove šuplje strukture mogu nositi znatno veće količine aktivnih tvari u usporedbi s ranijim, punim mikroiglama, čime se otvara mogućnost za učinkovitiju primjenu.

Benedetto Marelli, izvanredni profesor građevinskog i ekološkog inženjerstva na MIT-u i voditelj istraživanja, naglašava potrebu za povećanjem učinkovitosti u poljoprivredi. "Agrokemikalije su važne za podršku našem prehrambenom sustavu, ali su također skupe i nose sa sobom negativne ekološke posljedice. Stoga postoji velika potreba za njihovom preciznom dostavom," objašnjava Marelli. Tehnologija mikroigala, izvorno razvijena za medicinske svrhe poput dostave cjepiva ljudima, sada je prilagođena za rad s biljkama, nudeći rješenje za dugogodišnje probleme neučinkovitosti i ekološkog utjecaja tradicionalnih metoda.

Istraživanje su vodili Yunteng Cao, trenutno postdoktorand na Sveučilištu Yale, i Doyoon Kim, bivši postdoktorand u Marellijevom laboratoriju. Projekt je uključivao i suradnju s interdisciplinarnom istraživačkom grupom Disruptive and Sustainable Technologies for Agricultural Precision (DiSTAP) pri Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART), MIT-ovom istraživačkom centru u Singapuru. Grupa DiSTAP fokusirana je upravo na razvoj naprednih tehnologija za rješavanje ključnih problema u proizvodnji hrane na globalnoj razini.

Jednostavna izrada, veliki potencijal

Jedan od ključnih aspekata ove inovacije jest iznenađujuće jednostavan proces proizvodnje šupljih mikroigala. Za razliku od mnogih nanotehnoloških postupaka koji zahtijevaju skupe čiste sobe i specijaliziranu opremu, Cao i Kim razvili su metodu koja se može izvoditi u znatno manje kontroliranim uvjetima.

Proces započinje kombiniranjem proteina fibroina svile (ključnog strukturnog proteina u svili) sa slanom otopinom unutar sićušnih kalupa konusnog oblika. Kako voda iz otopine isparava, svila se skrućuje unutar kalupa, poprimajući njegov oblik. Istovremeno, sol formira kristalne strukture unutar buduće igle. Nakon što se svila potpuno stvrdne, sol se ispire, ostavljajući iza sebe šuplju unutrašnjost ili, ovisno o koncentraciji soli i faznom odvajanju, mrežu sitnih pora unutar igle. Ova šupljina ili poroznost ključna je za sposobnost mikroigle da nosi i isporučuje tekuće tvari.

"To je prilično jednostavan proces izrade. Može se obaviti izvan čiste sobe – mogli biste ga raditi u svojoj kuhinji ako želite," ističe Kim. "Ne zahtijeva nikakvu skupu mašineriju." Ova jednostavnost proizvodnje otvara vrata široj dostupnosti i potencijalno nižim troškovima implementacije tehnologije u budućnosti.

Liječenje biljaka i obogaćivanje usjeva

Kako bi demonstrirali učinkovitost svoje tehnologije, istraživači su proveli niz eksperimenata na biljkama rajčice. Jedan od fokusa bio je tretman kloroze, bolesti uzrokovane nedostatkom željeza u biljkama. Kloroza se manifestira žućenjem lišća zbog nemogućnosti biljke da proizvodi dovoljno klorofila, što može značajno smanjiti prinose. Problem je često izražen u tlima s visokim pH (alkalna tla, poput onih bogatih vapnencem) ili u teškim, slabo dreniranim glinenim tlima, gdje željezo, iako prisutno, nije u obliku dostupnom biljkama. Tradicionalno tretiranje prskanjem željeznim sulfatom ili kelatima često je neučinkovito i kratkotrajno, jer se tvar teško apsorbira kroz listove ili se brzo ispire.

Koristeći svoje šuplje svilene mikroigle, tim je uspješno aplicirao željezo izravno u stabljike rajčica koje su patile od kloroze. Rezultati su pokazali da ova metoda omogućuje održivu i dugotrajniju dostavu željeza direktno u vaskularni sustav biljke, bez nanošenja značajnije štete. Co-autor studije, Daisuke Urano, biljni znanstvenik iz DiSTAP-a, potvrdio je da su detaljne procjene pokazale minimalne negativne učinke injekcija mikroiglama, bez uočenih kratkoročnih ili dugoročnih posljedica po zdravlje biljke.

Drugi značajan eksperiment bio je usmjeren na biofortifikaciju – proces povećanja nutritivne vrijednosti usjeva tijekom njihovog rasta. Dok su se dosadašnji napori uglavnom fokusirali na minerale poput cinka ili željeza, dodavanje vitamina, posebno onih koji se prirodno ne nalaze u biljkama, predstavljalo je veći izazov. Vitamin B12, esencijalan za ljudsko zdravlje i primarno prisutan u proizvodima životinjskog podrijetla, često nedostaje u veganskoj i vegetarijanskoj prehrani.

Istraživači su pomoću mikroigala ubrizgali vitamin B12 u stabljike rastućih rajčica. Analize su kasnije potvrdile da se vitamin uspješno transportirao kroz biljku i akumulirao u plodovima rajčice prije berbe. Ovo otkriće otvara potpuno nove mogućnosti za obogaćivanje različitih vrsta voća i povrća vitaminima tijekom uzgoja, čineći ih nutritivno vrjednijima. "Ovaj novi mehanizam dostave otvara mnogo potencijalnih primjena, pa smo željeli učiniti nešto što nitko prije nije," objašnjava Marelli.

Praćenje zdravlja biljaka u stvarnom vremenu

Osim dostave tvari, svilene mikroigle pokazale su se korisnima i za praćenje zdravstvenog stanja biljaka. Trenutne napredne tehnike za monitoring, poput analize boje lišća (kolorimetrija) ili hiperspektralne analize, često mogu detektirati probleme tek kada je rast biljke već ugrožen. Druge metode, kao što je uzorkovanje biljnog soka (sap), mogu biti invazivne i dugotrajne.

Istraživački tim istražio je mogućnost korištenja mikroigala za detekciju teških metala u biljkama. Uzgajali su rajčice u hidroponskim otopinama kontaminiranim kadmijem, toksičnim metalom koji se često nalazi u tlima blizu industrijskih i rudarskih područja. Nakon ubrizgavanja mikroigala u stabljike rajčica, pokazalo se da su igle apsorbirale kadmij iz biljnog soka unutar samo 15 minuta. Ovo sugerira da bi se mikroigle mogle koristiti kao brzi dijagnostički alat za detekciju kontaminanata.

Štoviše, mikroigle omogućuju prikupljanje malih uzoraka biljnog soka za kontinuiranu kemijsku analizu. Tim je demonstrirao mogućnost praćenja razine kadmija u rajčicama tijekom 18 sati, što ukazuje na potencijal za razvoj sustava za praćenje zdravlja biljaka i stanja okoliša u stvarnom vremenu. Takvi sustavi mogli bi pružiti rane signale upozorenja na stres uzrokovan sušom, nedostatkom hranjivih tvari ili prisutnošću toksina, omogućujući pravovremenu intervenciju.

Novi horizonti za održivu poljoprivredu

Iako su u okviru studije mikroigle primjenjivane ručno, Marelli i njegov tim predviđaju budućnost u kojoj bi se ovaj proces mogao automatizirati. Integracija s postojećom poljoprivrednom mehanizacijom, poput autonomnih vozila, traktora ili čak dronova (iako primjena putem dronova još uvijek predstavlja tehničke izazove), mogla bi omogućiti primjenu na velikim poljoprivrednim površinama.

Istraživači vjeruju da bi tehnologija svilenih mikroigala mogla nadopuniti postojeće poljoprivredne prakse, nudeći precizniju i ekološki prihvatljiviju alternativu ili dodatak prskanju. Smanjenjem količine korištenih agrokemikalija i njihovim ciljanim unosom, smanjuje se rizik od onečišćenja okoliša, štedi novac i potencijalno povećava učinkovitost tretmana i prihrane.

Važno je napomenuti da potencijal ove tehnologije seže i izvan poljoprivrede. "Ova nova tehnika izrade polimernih mikroigala mogla bi koristiti i istraživanjima u transdermalnoj i intradermalnoj dostavi lijekova te praćenju zdravlja kod ljudi," kaže Cao. Svojstva svile kao biokompatibilnog i biorazgradivog materijala čine je atraktivnom za različite biomedicinske primjene.

Ipak, primarni fokus trenutno ostaje na transformaciji poljoprivrede prema održivijim praksama. "Želimo maksimizirati rast biljaka bez negativnog utjecaja na zdravlje farme ili bioraznolikost okolnih ekosustava," zaključuje Marelli. "Ne bi trebalo postojati kompromis između poljoprivredne industrije i okoliša. Oni bi trebali raditi zajedno." Razvoj preciznih tehnologija poput svilenih mikroigala predstavlja ključan korak prema ostvarenju te vizije, gdje se produktivnost i ekološka odgovornost međusobno podržavaju.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology