نانو‌سلنیوم در کشت برنج؛ کاهش ۳۰ درصدی کود و افزایش ۴۰ درصدی فتوسنتز

پژوهش مشترک محققان دانشگاه ماساچوست امهرست و دانشگاه جیانگ‌نان چین، افق جدیدی را برای مقابله با سه چالش حیاتی جهانی شامل رشد جمعیت، پیامد‌های تغییرات اقلیمی و فشار‌های اقتصادی و زیست‌محیطی بر کشاورزی گشوده است. این تحقیق که در نشریه معتبر Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده، راهکاری مبتنی بر فناوری نانو ارائه می‌دهد که می‌تواند کشاورزی پایدار را متحول سازد.

نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که استفاده از سلنیوم در مقیاس نانو در کشت برنج می‌تواند ضمن حفظ عملکرد محصول، مصرف کود را کاهش داده، ارزش تغذیه‌ای محصول را افزایش دهد، تنوع میکروبی خاک را تقویت کند و میزان انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را پایین بیاورد. این تحقیق، نخستین شواهد میدانی از کارآمدی نانو‌سلنیوم خارج از شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی را فراهم آورده است.

چالش کودهای شیمیایی: میراث محدود انقلاب سبز

به‌گفته بائوشان شینگ، استاد برجسته شیمی محیط‌زیست و خاک در دانشگاه ماساچوست و یکی از نویسندگان ارشد این تحقیق، انقلاب سبز در نیمه دوم قرن گذشته باعث جهش چشمگیر تولیدات کشاورزی شد، اما دستاورد‌های آن اکنون با محدودیت‌های جدی مواجه شده‌اند. یکی از عوامل اصلی موفقیت آن دوره، استفاده گسترده از کود‌های نیتروژنه بود که اکنون آثار مخربی ایجاد کرده است.

آثار مخرب کودهای نیتروژنه

• انتشار دی‌اکسیدکربن: انتشار گسترده CO₂ در فرآیند تولید کود.
• هزینه بالا: هزینه بالای ساخت و تولید کود‌های نیتروژنه.
• هدررفت بالا: کارایی استفاده از نیتروژن در کشت برنج معمولاً به تنها ۳۰ درصد می‌رسد.
• آلودگی آب‌ها: ۷۰ درصد کود مصرفی وارد آب‌های سطحی و زیرزمینی شده و موجب پدیده‌هایی چون شکوفایی جلبکی و مناطق مرده در دریا‌ها می‌شود.
• گازهای گلخانه‌ای: واکنش‌های شیمیایی و فعالیت میکروبی در خاک پس از ورود نیتروژن به انتشار متان، آمونیاک و اکسید نیتروژن منجر می‌شود که از مهم‌ترین گاز‌های گلخانه‌ای به‌شمار می‌روند.

نانو‌سلنیوم: راهکاری کارآمد برای مزارع برنج

تیم تحقیقاتی مشترک به این نتیجه رسیده‌اند که افشانه کردن نانو‌سلنیوم روی برگ و ساقه برنج می‌تواند آثار زیست‌محیطی مصرف نیتروژن را تا ۴۱ درصد کاهش داده و سود اقتصادی تولید هر تن برنج را ۳۸.۲ درصد افزایش دهد. در این روش، یک پهپاد با پاشش مقادیر بسیار کم نانو‌سلنیوم، امکان جذب مستقیم و سریع این عنصر ضروری را برای گیاه فراهم می‌کند که کارایی آن بسیار بیشتر از افزودن سلنیوم به خاک است.

سازوکار افزایش عملکرد با فناوری نانو

طبق نتایج منتشر شده، نانو‌سلنیوم از طریق یک سازوکار بیولوژیکی پیچیده، عملکرد برنج را افزایش می‌دهد:

1. تقویت فتوسنتز: نانو‌سلنیوم موجب افزایش بیش از ۴۰ درصدی نرخ فتوسنتز می‌شود که به جذب بیشتر دی‌اکسیدکربن و تولید کربوهیدرات‌های بیشتر می‌انجامد.
2. تقویت ریشه و خاک: کربوهیدرات‌های تولیدشده وارد ریشه شده و باعث رشد و تقویت آن می‌شوند؛ ریشه‌های قوی‌تر، ترکیبات آلی بیشتری به خاک ترشح می‌کنند.
3. افزایش میکروارگانیسم‌های مفید: ترشح ترکیبات آلی، رشد میکروارگانیسم‌های مفید را در خاک افزایش می‌دهد.
4. بهبود کارایی نیتروژن: این میکروب‌ها با همکاری ریشه، نیتروژن و آمونیوم بیشتری را از خاک جذب کرده و کارایی استفاده از نیتروژن (NUE) را از ۳۰ درصد به ۴۸.۳ درصد افزایش می‌دهند.

مزایای زیست‌محیطی و تغذیه‌ای

این فرایند علاوه بر بهبود عملکرد، مزایای زیست‌محیطی و تغذیه‌ای قابل توجهی به همراه دارد:

کاهش انتشار گازهای مضر مانند نیتروس‌اکسید و آمونیاک به میزان ۱۸.۸ تا ۴۵.۶ درصد و غنی‌تر شدن برنج تولیدشده از لحاظ ارزش غذایی با افزایش میزان پروتئین، اسید‌های آمینه ضروری و سلنیوم طبیعی.

گامی مهم برای کشاورزی پایدار جهانی

پژوهشگران اعلام کرده‌اند که با استفاده از این روش می‌توان مصرف کود نیتروژنه را تا ۳۰ درصد کاهش داد. با توجه به اینکه کشت برنج حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد مصرف جهانی نیتروژن را به خود اختصاص می‌دهد، این فناوری می‌تواند نقشی حیاتی در کاهش فشار‌های اقتصادی و زیست‌محیطی بر کشاورزی جهانی و پاسخ به نیاز غذایی جمعیت رو به رشد ایفا کند.