مواد پلیمری در حوزه کشاورزی

روندهای اخیر در بررسی استفاده از مواد پلیمری در حوزه کشاورزی

در طی چند دهه گذشته، مواد پلیمری پیشرفته در توسعه کاربردهای کشاورزی پایدار بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. سیستم های پلیمری هوشمند با افزایش کارایی آفت کش ها، علف کش ها و کودها؛ با تسهیل سیستم توزیع کنترل شده و حتی امکان استفاده از دوزهای پایین تر کمک زیادی به صنعت کشاورزی کرده اند. مواد پلیمری سوپرجاذب بعنوان تهویه کنندۀ خاک برای کنترل اثرات خشکسالی استفاده شده اند؛ در حالی که پلیمرهای پلی کاتیونی در مهندسی زیستی گیاهی کاربرد دارد. این عملکردها در محیط با کاربردهای درون گیاهی بعنوان بخشی از تجهیزات با هدف تبدیل ژنتیکی گیاهان به منظور افزایش بهره وری و مقاومت در برابر بیماری ها تکمیل می شود. این مقاله به بررسی تحولات اخیر در طراحی و کاربرد سیستم های پلیمری پیشرفته در صنعت کشاورزی می پردازد. معیارهای طراحی پلیمرهای بکار رفته تا به امروز، ساختار پلیمری و خواص نانوذرات پلیمری من جمله شکل و اندازه نیز در اینجا مورد بحث و مطالعه قرار گرفته اند. در نهایت، مسیرهای پیشرو برای اکتشاف پلیمرهای کاربردی با هدف پیشبرد اهداف کشاورزی پایدار شناسایی شده اند.

کشاورزی یکی از مهم ترین حوزه های مؤثرو مرتبط با سلامت، آلودگی محیط زیست، تغذیه و توسعه اقتصادی است. ابتدا تنها نیروی محرکه برای توسعه کشاورزی در سراسر جهان، افزایش بهره وری در واحد سطح زمین مورد استفاده برای تولید محصولات زراعی بود. سالها این کار با استفاده گسترده از کود، سموم دفع آفات و بهره برداری از منابع طبیعی مانند آب و خاک محقق شده است. اخیرآ جهان در پاسخ به انباشته شدن اثرات زیست محیطی، تلاش خود را به سمت شیوه های کشاورزی پایدارتر برای فردایی بهتر معطوف کرده است. برخی از مسائل کنونی که اکنون کشاورزی در سطح جهانی با آن مواجه است، به کنترل تحول مواد شیمیایی و مقابله با تخریب خاک، آلودگی آب، تغییرات آب و هوایی، عوامل بیماری زا و بیماری های نباتی در حال تکامل نیاز دارند. پلیمرها دسته ای از مواد چندمنظوره هستند که کاربرد گسترده ای در حوزه کشاورزی دارند زیرا خواص آنها مانند ساختار، عملکرد و زیست تخریب پذیری را می توان در کاربردهای خاص به خوبی تنظیم کرد. اخیرآ، محققان دست به انجام تحقیقات در مورد کاوش سیستم های پلیمری هوشمند و پاسخگو به محرک برای کاربردهای گیاهی مختلف زده اند. توسعه مداوم فناوری و استفاده از مواد پلیمری کاربردی پیشرفته با هم به بهبود تحویل آگروشیمیایی کنترل شده، تهویه خاک،مواد مغذی، مدیریت آب، مهندسی ژنتیک و دیگر موارد کمک کرده است. تا جایی که ما اطلاع داریم، تاکنون هیچ بررسی جامعی در مورد پلیمرهای پیشرفته در صنعت کشاورزی منتشر نشده است. در این اینجا، یک بررسی مفصل از اثرات پلیمرهای مصنوعی در کشاورزی، ساختار و جنبه های طراحی این مواد، و یافته های دیگر مقالات گردآوری کرده ایم. ابتدا مفهوم کلی مواد پلیمری کاربردی، ساختار و کاربرد آنها را مطالعه می کنیم و سپس، به بحث در مورد چندین مقاله تحقیقاتی مهم می پردازیم که شامل تحویل آگروشیمیایی کنترل شده، استفاده از آب توسط پلیمرهای سوپرجاذب و دیگر کاربردها در گیاهان و جانداران می شوند. علاوه براین، مهم ترین چالش هایی را نیز در نظر خواهیم گرفت که بایستی برای افزایش کارایی و تجاری سازی این مواد پلیمری برطرف شوند. در آخر، فرصت های جدید بالقوه را بیان خواهیم کرد که می توانند به توسعه شیوه های کشاورزی پایدار کمک کنند.

بدون شک، اثبات شده است که پلیمرهای کاربردی از امکانات زیادی در حوزه کشاورزی برخوردار هستند اما تا اجرای کامل آنها راه زیادی در پیش است. بزرگترین محدودیت در این مسیر همیشه هزینه های بالا بوده اند. اگرچه مواد پلیمری پیشرفته نویدبخش کشاورزی پیشرفته هستند، به دلیل پیچیده بودن ترکیبات این مواد هزینه های تولید و ساخت افزایش یافته و استفاده از آنها در کاربردهای میدانی را مختل می کند. این امر منجر به انجام تحقیقات قابل ملاحظه ای در توسعه مواد پلیمری هیبریدی شده است که از خواص شیمیایی مطلوب مرتبط با پلیمرهای مصنوعی برخوردار هستند؛ در حالی که گنجاندن پلیمرهای طبیعی هزینه های تولیدی را کاهش می دهد. علاوه بر این، فقدان آزمایشات میدانی در دنیای واقعی این پلیمرهای کاربردی نیز مانع تجاری سازی آنها می شود. یکی از کاربردهای مواد پلیمری که بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است، تحویل مواد آگروشیمیایی است. علیرغم توسعه روزافزون سیستم های نانوحامل پلیمری که پتانسیل زیادی برای رهاسازی پایدار و همچنین بهبود پایداری کشاورزی شیمیایی را نشان می دهند، محصولات اندکی در بازار موجود است. یکی از موانع اصلی در تجاری سازی این مواد این است که اکثر مطالعات در دانشگاه ها و مؤسسات تحقیقاتی انجام می شود که فاقد روش های استاندارد برای تأیید چگونگی رهاسازی مواد آگروشیمیایی در مزرعه هستند. یکی دیگر از عوامل اثرگذار بر ساخت این مواد، قیمت بالای ساخت آنها است که آنها را از لحاظ اقتصادی آسیب پذیر می کند. همچنین ممکن است محصولات جدید حاوی فناوری نانو به بازار وارد نشوند زیرا شرکت های بزرگ در حال جمع آوری حق ثبت اختراع و کسب فرصت هایی برای بهره برداری در آینده، به دنبال توسعه تجاری امیدوارکننده تر هستند. با این حال، همچون بسیاری از فناوری های نو ظهور دیگر، انتظار می رود که هم اولویت های اجتماعی و هم سیاست های ملی تغییر کنند.

در این صورت، این احتمال وجود دارد که تلاش برای کاهش اثرات زیست محیطی کشاورزی افزایش یابد. با توجه به شباهت های آنها در کاربرد، مقایسۀ سطوح بالای کشاورزی و زیست پزشکی بسیار آسان است. با این حال، کاربردهای زیست پزشکی بر درمان انسان بعنوان نتیجۀ نهایی متمرکز هستند و معمولآ دو تا سه گونه از مدل های حیوانی برای انجام آزمایشات استفاده می شوند. استفاده از این مواد در حوزه کشاورزی بسیار پیچیده است زیرا در این منطقه مورد مطالعه بیش از 7.000 گونه گیاهی کشت شده و تعداد بیشماری آفات و عوامل بیماری زا وجود دارد. در طول چند دهه اخیر، تعداد مطالعات مرتبط با علوم کشاورزی به شدت افزایش یافته و سیستم های مختلف تحویل نانو ذرات متعددی گزارش شده است. با این وجود، محققان توانسته اند فاکتورهای مشترکی را برای کاهش سرعت رهاسازی مواد زراعی تشخیص دهند؛ با اینکه میزان فعالیت در ترکیب آزاد حفظ می کنند مانند افزایش آبگزیری نانوذرات، اندازه، چگالی اتصال متقابل و همچنین کاهش تخلخل ذرات. لازم به ذکر است که بسیاری از این سیستم های گزارش شده به کپسوله سازی مواد شیمیایی - کشاورزی متکی هستند و گزارشات اندکی ترکیبات پلیمری - آگروشیمیایی وجود دارد که ممکن است روند رهاسازی را تحت تأثیر قرار دهد. در نهایت، با اینکه فاکتورهای مؤثر بر انتشار و فعالیت شیمیایی - کشاورزی در طیف وسیعی از گونه های گیاهی شناسایی شده اند، تعیین مؤثرترین سیستم نانوحامل دشوارتر است چون که یافته های بدست آمده از یک گونه گیاهی در دیگر گونه ها معتبر نخواهند بود. از طرفی، پژوهش های قابل ملاحظه ای در مورد استفاده از SAP ها بعنوان ابزاری برای کنترل احتباس آب در خاک انجام شده است. با توجه به طیف گستردۀ گزارش شده از SAP ها، می توان تعیین کرد که کدام خواص شیمیایی (مانند گروه های یونی که جذب آب را افزایش می دهند یا گروه های زویتریونی که مقاومت به نمک را بالا می برند) و عوامل مصنوعی (مانند چگالی اتصال متقابل، دما، مونومر و غلظت استارتر) ظرفیت جذب و خواص مکانیکی را تحت تأثیر قرار می دهند. ما امیدواریم که ادامه پژوهش ها در مورد کاربرد مواد پلیمری در صنعت کشاورزی، درک بیشتری از پارامترهای طراحی با هدف تداوم این برنامه ها را به همراه داشته باشد. با توجه به تحویل مواد شیمیایی و SAP، توسعۀ حاصل شده از سنتز مواد امیدوارکننده است. با این حال، ما باور داریم که مراحل کلیدی بعدی شامل شناسایی مواد مقرون به صرفه و مناسب برای تولید در مقیاس بزرگ است.