L'agricoltura in tutto il mondo richiede nuove soluzioni per la sostenibilità alimentare e idrica. Con gli estremi climatici più frequenti, popolazioni in crescita, aumento della domanda alimentare, e minacce globali alle colture, gli ingegneri ambientali sono alla ricerca di soluzioni per gestire la produzione alimentare del futuro, a partire dal livello più piccolo.

Con le pratiche attuali, fino al 95% dei micronutrienti applicati e il 99,9% dei pesticidi applicati non raggiungono mai le loro destinazioni e vengono sprecati. Si accumulano nel suolo o si riversano nelle falde acquifere e provocano danni ambientali collaterali, degradare il suolo, e sprecare l'acqua e l'energia utilizzate nella loro produzione e applicazione.

Se i coltivatori potessero applicare qualcosa alla foglia che potrebbe viaggiare direttamente alla radice, potrebbe essere un punto di svolta per la fornitura di nutrienti, antibiotici e pesticidi in modo efficiente quasi al 100%. Professore di ingegneria civile e ambientale Greg Lowry, ricercatrice post-dottorato Astrid Avellan, e un team di ricercatori ha scoperto con successo un modo per applicare le nanoparticelle alle foglie delle piante in modo che viaggino attraverso la pianta fino alla radice. I loro risultati sono pubblicati in un recente ACS Nano carta.

"I risultati del nostro documento hanno davvero il potenziale per trasformare il modo in cui forniamo prodotti agrochimici alle piante, " disse Lowry.

Questa è la prima volta che qualcuno ha studiato sistematicamente come le nanoparticelle si muovono attraverso la foglia, nella pianta, alla radice, e trasudano nel terreno.

Il team di ricerca ha spruzzato nanoparticelle d'oro con un rivestimento polimerico sulle foglie delle giovani piante di grano. Le piante non hanno bisogno dell'oro, ma poiché l'oro non esiste da nessuna parte nella pianta, sono stati in grado di identificare facilmente dove viaggiava. Hanno usato piante di grano perché sono una coltura importante negli Stati Uniti e suscettibili di carenze di nutrienti.

Una volta che le nanoparticelle vengono spruzzate sulla foglia, si muovono attraverso la cuticola, che è lo strato esterno ceroso che ricopre la foglia. Quindi, attraversa l'epidermide. La cuticola e l'epidermide sono strati che proteggono la foglia dai danni, prevenire la perdita d'acqua, e consentire lo scambio di gas affinché la pianta respiri. La nanoparticella si fa quindi strada nel tessuto fogliare interno, o mesofillo. Finalmente, si sposta nel sistema vascolare della pianta, o le vene della pianta. Da lì può viaggiare lungo lo stelo e nella radice, o fino a foglie più alte.

Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato che una volta raggiunte le radici, le nanoparticelle possono essere essudate nel suolo, aderendo al microambiente che aderisce alle radici chiamato rizosfera. La rizosfera è dove la pianta interagisce con il suolo, assume sostanze nutritive, rilascia piccoli acidi, diossido di carbonio, e proteine, e dove batteri e funghi possono entrare nella pianta. Gli unici metodi attualmente disponibili per trattare una rizosfera malsana sono la miscelazione di prodotti chimici per l'agricoltura nel terreno o l'applicazione di acqua con i prodotti chimici. In entrambi i casi si perde una grande quantità di sostanze chimiche. Ciò che i ricercatori hanno dimostrato è una consegna efficiente al 100% che può ridurre la quantità di sostanze chimiche necessarie, abbassare il costo, e limitare la contaminazione ambientale.

Queste minuscole particelle, più piccole di 50 nanometri, potrebbero essere una chiave molto importante per nutrire in modo sostenibile i 10 miliardi di persone che si prevede saranno sul pianeta entro il 2050. Ad esempio, le piante di grano che crescono in terreni carenti di zinco ingialliscono e la produzione agricola diminuisce quando le piante iniziano a morire. Ma se potessi fornire nanoparticelle di ossido di zinco attraverso le foglie per raggiungere la radice, potrebbero trasudare nel terreno e rendere sani sia il terreno che la pianta.

Gli agricoltori potrebbero anche fornire antibiotici alla pianta. Una volta che una pianta riceve i batteri nel suo sistema vascolare, c'è poco che si può fare per salvarlo. Ma se le nanoparticelle antibiotiche potessero essere rilasciate attraverso le foglie per entrare nel sistema vascolare, potrebbero prevenire o curare malattie batteriche sistemiche.

Le nanoparticelle sono anche più efficaci delle sostanze chimiche perché gli ingegneri possono progettarle per avere proprietà specifiche. Per esempio, potrebbero progettare una nanoparticella che si attaccherà a una foglia senza gocciolare quando piove. Oppure possono progettare il rivestimento all'esterno della particella per rispondere all'umidità o alla luce. È anche possibile progettare nanoparticelle che verranno utilizzate in quantità minori e migliori sia per l'ambiente che per la salute umana rispetto ai prodotti agrochimici convenzionali utilizzati attualmente. Le possibilità sono infinite, e questo è un primo passo importante.

Fornire nanoparticelle alle piante in modo efficiente al 100% fa parte degli obiettivi più ampi di Lowry di un'agricoltura efficiente in termini di atomi (dove ogni atomo messo sulle colture viene utilizzato e non sprecato) e combattere le sfide sociali come l'insicurezza alimentare.

"Siamo a questo punto in cui dobbiamo coltivare l'80% in più di cibo, sulla stessa quantità di terreno, con meno inquinamento che ne deriva, " ha detto Lowry. "Ci vorrà un cambio di paradigma nel modo in cui facciamo agricoltura, ed è quello che stiamo cercando di aiutare".