Questa immagine da un microscopio elettronico a trasmissione rappresenta il ciclo di vita dei nanonutrienti utilizzati nelle piante di pomodoro, dal seme alla pianta al frutto.
Con la popolazione mondiale che dovrebbe raggiungere i 9 miliardi entro il 2050, ingegneri e scienziati sono alla ricerca di modi per soddisfare la crescente domanda di cibo senza aumentare anche la pressione sulle risorse naturali, come l'acqua e l'energia, un'iniziativa nota come nesso cibo-acqua-energia.
Ramesh Ralia, dottorato di ricerca, un ricercatore post-dottorato, e Pratim Biswas, dottorato di ricerca, la Lucy &Stanley Lopata Professor e presidente del Dipartimento di Energia, Ingegneria ambientale e chimica, entrambi alla School of Engineering &Applied Science della Washington University di St. Louis, stanno affrontando questo problema utilizzando nanoparticelle per aumentare il contenuto di nutrienti e la crescita delle piante di pomodoro. Prendendo un indizio dal loro lavoro con le celle solari, il team ha scoperto che utilizzando nanoparticelle di ossido di zinco e biossido di titanio, le piante di pomodoro hanno assorbito meglio luce e minerali, e il frutto aveva un contenuto di antiossidanti più elevato.
"Quando una pianta cresce, segnala al suolo che ha bisogno di nutrienti, " Biswas dice. "Il nutrimento di cui ha bisogno non è in una forma che la pianta può prendere subito, quindi secerne enzimi, che reagiscono con il terreno e attivano i microbi batterici per trasformare i nutrienti in una forma che la pianta può utilizzare. Stiamo cercando di aiutare questo percorso aggiungendo nanoparticelle".
Lo zinco è un nutriente essenziale per le piante, aiuta altri enzimi a funzionare correttamente ed è un ingrediente nei fertilizzanti convenzionali. Il titanio non è un nutriente essenziale per le piante, Ralia dice, ma aumenta l'assorbimento della luce aumentando il contenuto di clorofilla nelle foglie e promuove la fotosintesi, proprietà scoperte dal laboratorio di Biswas durante la creazione di celle solari.
Il team ha utilizzato uno spray molto fine utilizzando nuove tecniche di aerosolizzazione per depositare direttamente le nanoparticelle sulle foglie delle piante per il massimo assorbimento.
"Abbiamo scoperto che la nostra tecnica dell'aerosol ha portato a un assorbimento molto maggiore di nutrienti da parte della pianta rispetto all'applicazione delle nanoparticelle al suolo, " Raliya dice. "Una pianta può assorbire solo circa il 20 percento dei nutrienti applicati attraverso il suolo, con il resto che forma complessi stabili con i costituenti del suolo o viene lavato via con acqua, provocando il deflusso. In entrambi questi ultimi casi, i nutrienti non sono disponibili per le piante."
Globale, le piante trattate con le nanoparticelle tramite percorsi di aerosol hanno prodotto quasi l'82% (in peso) di frutta in più rispetto alle piante non trattate. Inoltre, i pomodori della pianta trattata hanno mostrato un aumento del licopene, un antiossidante legato alla riduzione del rischio di cancro, malattie cardiache e disturbi oculari legati all'età, tra l'80 percento e il 113 percento.
Questa illustrazione mostra i diversi effetti dell'applicazione di nanonutrienti su una pianta di pomodoro. Credito:Ramesh Raliya, Pratim Biswas
Precedenti studi di altri ricercatori hanno dimostrato che l'aumento dell'uso delle nanotecnologie in agricoltura in paesi densamente popolati come India e Cina ha avuto un impatto sulla riduzione della malnutrizione e della mortalità infantile. Questi pomodori aiuteranno ad affrontare la malnutrizione, Ralia dice, perché consentono alle persone di ottenere più nutrienti dai pomodori rispetto a quelli coltivati convenzionalmente.
Nello studio, pubblicato online il mese scorso sulla rivista metallomica , il team ha scoperto che le nanoparticelle nelle piante e nei pomodori erano ben al di sotto del limite USDA e notevolmente inferiori a quelle utilizzate nei fertilizzanti convenzionali. Però, devono ancora essere cauti e selezionare la migliore concentrazione di nanoparticelle da utilizzare per il massimo beneficio, Biswas dice.
Raliya e il resto del team stanno ora lavorando per sviluppare una nuova formulazione di nanonutrienti che includa tutti i 17 elementi richiesti dalle piante.
"Tra 100 anni, ci saranno più città e meno terreni agricoli, ma avremo bisogno di più cibo, " dice Raliya. "Allo stesso tempo, l'acqua sarà limitata a causa del cambiamento climatico. Abbiamo bisogno di una metodologia efficiente e di un ambiente controllato in cui le piante possano crescere".
