دور التقانة النانوية في الادارة المتكاملة للافات

د. حازم عيدان عبد الحسين / وزارة العلوم والتكنولوجيا / دائرة البحوث الزراعية

تعد التقانة النانوية من اسرع التقانات انتشارا على المستوى العالمي وقد اطلق عليها بالثورة التقنية القادمة في مختلف المجالات الصناعية والطبية والزراعية لما تتمتع به من ميزات كبيرة  . اشتق مفهوم النانو تكنولوجي من كلمة (Nano ) التي تعني بالقزم في اللغة اليونانية وفي الاصطلاح العلمي فان النانو يساوي واحد جزء بالبليون من المادة وعادا ما تكون الجسيمات بحجم النانو بين ( 1-100) نانومتر. يمكن القول ان النانو تكنولوجي يعنى بدراسة تركيب وخواص وصفات وتصنيع المواد النانوية التي يتراوح حجمها بين ( 1-100) نانومتر فضلا عن تطبيقات تلك المواد في مختلف المجالات الصناعية والطبية والزراعية  وغيرها . تحتل التطبيقات الزراعية مرتبة متقدمة في سلم اولويات التقانة النانوية ويتوقع منها ان تحدث ثورة هائلة خصوصا في  مجال وقاية النبات من خلال الاعتماد على تكنولوجيا النانو في تحضير مستحضرات ومبيدات نانوية يمكن ان تقدم الحلول في مكافحة الافات الزراعية فضلا عن طرائق للكشف عن متبقيات المبيدات وازالة اثارها السلبية وكذلك تحسين خواص عوامل المكافحة الاحيائية وغيرها من التطبيقات التي قد تساهم في تقليل التلوث البيئي وتخفيض كلف التطبيقات .

تصنيف المواد النانوية

تقسم المواد النانوية الى مجموعتين رئيستين :

اولا: المواد النانوية العضوية Organic nanomateriales  : وهي المواد النانوية التي يدخل في تركيبها الكاربون . وتقسم الى مجموعتين

1 . المواد النانوية العضوية القابلة للتحلل Biodegedable  وتشمل

• الجسيمات الدهنية lipid nanoparticles مثل fats  ،waxes  ، phospholipids 
• البوليمرات polymers nanoparticles والتي تقسم الى
• البوليمرات الطبيعية Natural polymers  مثل Gelatin   و Chitosan
• البوليمرات المصنعة Synthetic polymers   مثل Polyglutamic acid

2 . المواد النانوية العضوية غير القابلة للتحلل Non-biodegredable  مثل :

• البولي اثلين كلايكول polyethelene glycol
• انابيب الكاربون النانوية carbon nanotube

ثانيا : المواد النانوية غير العضوية  Inorganic nanomateriales  : وتقسم الى مجموعتين
1-المواد غير العضوية القابلة للتحلل biodegradable مثل Iron oxide   و  Zinc oxide
2المواد غير العضوية غير القابلة للتحلل Non-biodegedable   وتشمل الجسيمات النانوية

gold  ،silver  ، silica  ،copper

خواص المواد النانوية

  تكمن الصفات الفريدة للمواد النانوية الى حجومها النانوية اذ تكتسب المواد عند المستوى النانوي صفات فيزيائية وكيميائية وبيولوجية جديدة لم تكن موجودة حتى في المادة الام التي تكونت منها . هناك علاقة عكسية بين حجم المادة ومساحتها السطحية الفعالة اذ تزداد المساحة السطحية الفعالة عند الحجوم النانوية وزيادة المساحة السطحية يحفز حدوث تفاعلات قوية وبالتالي  زيادة عدد الذرات الموجودة على السطح ومن المعلوم ان ذرات سطح اي مادة هي المسؤلة عن عملية التفاعل الكيميائي مع الذرات الاخرى لانها تمتلك الكترونات غير مقيدة بينما الالكترونات داخل المادة تكون مقيدة وبالتالي لاتشارك في التفاعل الكيميائي ، ومن خواص المواد النانوية :

1. الخواص الميكانيكية

ترتفع قيم الصلادة( Hardness)   للمواد الفلزية وسبائكها وكذلك تزيد مقاومتها Strength)  ( لمواجهة اجهادات الاحمال المختلفة الواقعة عليها وذلك من خلال تصغير مقاييس حبيبات المادة والتحكم في ترتيب ذراتها .

2. درجة الانصهار

تتاثر قيم درجات حرارة انصهار المادة بتصغير ابعاد مقاييس حبيباتها  ويبرر العلماء سبب تناقص قيم درجة انصهار المادة مع تناقص مقاييس حبيباتها الى الزيادة الطارئة على مساحات اسطحها الخارجية واختلاف مواضع وترتيب  الذرات  عما كانت عليه .

3. الخواص البصرية

تختلف الخواص البصرية للمواد النانوية عن مثيلاتها من المواد غير النانوية الكبيرة اذ يمتد تاثير حجم الحبيبات على التشتت او الانكسار الضوئي لسطح المادة ،فعلى سبيل المثال اللون المعروف لحبيبات الذهب النقي الذي تزيد اقطارها عن 200 نانومتر هوا للون الاصفر الذهبي الذي نعرفة ولكن اذ ماتم تصغير هذه الحبيبات الى اقل من 20 نانومتر فانها تكون عديمة اللون شفافة ومع زيادة تصغير الحبيبات تظهر الحبيبات بألوان مختلفة من الاخضرالى البرتقالي ثم الاحمر وذلك وفقا لمقاييس ابعاد اقطارها  .

4. الخواص الكهربائية

يؤدي تصغير حجم المواد الى مستوى النانو الى زيادة خواصها الكهربائية متمثلة بقدرتها الفائقة على توصيل التيار الكهربائي ،كما ان المواد غير الموصلة تصبح مواد موصلة للكهرباء عند تحولها الى مواد نانوية .

5. الخواص البيولوجية

تزداد الخواص البيولوجية للمواد عندما تتحول الى جسيمات نانوية فجسيمات الذهب والفضة النانوية تتميز بموصفات بيولوجية فريدة في التأثير على العديد من المسببات الممرضة والحشرات فضلا عن اهميتها في الجانب الطبي .

 تطبيقات النانوتكنولوجي في مكافحة الافات

 المبيدات النانوية nanopesticides  

تعرف المبيدات النانوية بأنها اي مستحضر يتكون من مكونات بحجم النانومتر حيث ان خواص هذاالمستحضر مرتبطة بهذا المدى من الحجوم ، وتتكون المبيدات النانوية  من مواد فعالة عضوية مثل البوليمرات ومواد غير عضوية مثل اكاسيد المعادن في اشكال مختلفة من  الجسيمات او الجزيئات .

انواع المبيدات النانوية

المستحلبات النانوية nanoemulsions

هي مستحلبات دقيقة جدا ذات لون شفاف يتراوح حجم قطراتها من 20 الى 200    تتكون من طور دهني وطور مائي وعامل استحلاب   ( emulsifiers)   . الفائدة المتوخاة من مستحلبات المبيدات النانوية هي زيادة ذوبان المواد الفعالة قليلة الذوبان وتقليل نسبة عوامل الاستحلاب فضلا عن تقليل الجرع المسخدمة و انخفاض التاثيرات السلبية  على الكائنات غير المستهدفة non-target organisms  كما ان المستحلبات النانوية تكون مستقرة بشكل جيد عند ظروف الخزن بمدى حراري (-10 الى 55 ) سليزية . مثال ذلك  تميز المستحلب النانوي لمستخلص نبات الجيرانيوم Pelargonium graveolens  بفعاليته العالية ضد عثة درنات البطاطا  Phthorimaea operculellaمحققا اعلى نسب قتل وصلت الى اكثر من 80% مع ثباتية واستقرارية تحت الظروف الحقلية مقارنة بالمستخلص الغير النانوي .

المعلقات النانوية Nano suspensions

 يمكن ان تعرف المعلقات النانوية بانها عبارة عن جسيمات نانوية Nanoparticles  يتراوح حجمها بين 1- 100  نانومتر تستخدم كمحاليل مائية في مكافحة الافات مثل جسيمات الفضة والسليكا والذهب النانوية . وفي دراسة لتقييم تاثير  الجسيمات النانوية لكبريتات الكادميوم Cds والفضة AgNPS واوكسيد التيتانيوم Tio2 ضد دودة ورق القطن وجد ان التركيز  2400  جزء بالمليون احدث نسب قتل 93 و56  و73  % على التوالي بعد 9 ايام بلغت عندها قيمة   التركيز النصفي القاتل  508 و1403  و791.1 جزء بالمليون على التوالي .                     

الكبسولات النانوية nanoencapsulation  

يمكن ان تعرف الكبسولات النانوية بانها مواد فعالة تكون داخل كبسولات نانوية وهذه الكبسولات مصنوعة من بوليمرات طبيعية مثل الكيتوسان والجيلاتين او بوليمرات مصنعة مثل البولي اثلين كلايكول ( PAG ) .

اشكال الكبسلة النانوية

• النانوسفير Nanospheres:  هو تجمع المواد الفعالة بتوزيع متجانس داخل الحشوة البولميرية ، مثل استعمال البوليمر( Glyceryl ester )للاحماض الدهنية في تغليف المادة الفعالة للمبيد كارباريل Crbaryl على شكل تركيب نانوي يعرف بالنانوسفير  .
• النانوكبسول Nanocapsules: هو تجمع المواد الفعالة يتركز بالقرب من صميم المركز ومكسو بالحشوة البولميرية ،مثل استعمال البوليمر بولي اثلين كلايكول لتغليف المادة الفعالة (زيت الثوم ) والمادة الفعالة للمبيد دلتامثرين على شكل كبسولات نانوية   .
• النانوجل  Nanogels :عباره عن بوليمرات محبة للماء يمكنها امتصاص حجم كبير من الماء استعمل في تحضير بوليمر من اللكنين) Lignin ( لتغليف المادة الفعالة للمبيد Aldicarb) ( على شكل تركيب نانوي يعرف بالنانو جل   .
• المايسيلس  Micelles : عبارةعن تجمعات متشكلة في محاليل مائية بواسطة جزيئات تتكون من نصفين احدهما محب للماء والاخر كارهة للماء استعمل في تحضير البوليمر بولي اثلين كلايكول داي مثيل استر Dimethylester  Poly Ethylene Glycol في تغليف المادة الفعالة للكاربوفيوران) Carbofuran على شكل تركيب يعرف بالمايسلس  .

الكشف عن متبقيات المبيدات

لقد توصلت الدراسات والابحاث الى تطوير طرائق جديدة تعتمد على النانوتكنولوجي في الكشف عن متبقيات المبيدات اذ استعملت  المتحسسات النانوية Nanobiosenceres  والتي تتميزبالسرعة والدقة العالية في الكشف عن متبقيات المبيدات ، من الامثلة على ذلك :

• تطوير متحسس نانوي يتحسس المبيدات الفسفورية العضوية عندما تكون بتركيز 5 نانو غرام وتعتمد الطريقة على ارتباط انزيم الكولين استريز مع فلم محور من انابيب الكاربون النانوية
• امكانية استعمال جسيمات الكادميوم النانوية في الكشف عن متبقيات مبيد الادغال 2,4,D وبتحسس يصل الى اكثر من 250 نانوغرام .
• لقد وجد ان جسيمات الذهب النانوية ذات حجم 30 نانومتر من بين المتحسسات النانوية التي طورت للكشف عن متبقيات المبيدات الكلورينية العضوية بحساسية تصل الى 27 نانوغرام ، كما ان هذا المتحسس النانوي يعد تكنيك مناسب للكشف عن العديد من السموم في العينات الغذائية والبيئية وذلك لكفاءته وسرعته في الكشف عن متبقيات المبيدات.

تحطيم المبيدات

يعد  استعمال  الجسيمات النانوية في تحطيم المبيدات الكيمياوية ومتبقياتها  من التطبيقات الواعدة.  اظهرت الدراسات ان المبيدات مثل (Atrazine  وMolenate  وChlorpyrofos  ) من المبيدات الاكثر حساسية للتحلل بواسطة  جسيمات الحديد النانوية  (100 نانومتر)  . كما اظهرت تلك  الجسيمات كفاءة في تحطيم مبيدات مجموعة السايكلودين التي تتميز بمقاومتها لعوامل التحلل المختلفة  كما لوحظ  أن استعمال  الجسيمات النانوية  للبوليمرات المثبتة لكبريتات الحديد ذات حجم 200 نانومتر تساعد في تحطيم مبيد اللندين احد المركبات الكلورينية العضوية الملوثة لمياه الشرب والغذاء .

مكافحة  المسببات الممرضة للنبات

تعد التقانة النانوية من الطرائق الواعدة في مكافحة امراض النبات المختلفة وقد استعملت المواد النانوية  كمؤشرات بيولوجية biomarkers  للكشف عن المسببات الممرضة من فطريات وبكتريا فضلا عن دورها في مكافحة مسببات الامراض النباتية المختلفة  ويمكن ذكر بعض الامثلة في هذا الجانب

• استعمال جسيمات السليكا النانوية في الكشف عن البكتريا Xanthomonus axonopodis المسببة لمرض التبقع البكتيري
• استعمال جسيمات الذهب النانوية AuNPs في الكشف عن امراض الحنطة المتسببة من الفطر Tilletia indica
• وجد ان استعمال جسيمات الفضة النانوية بتركيز 10 ppm كان فعلا في مكافحة مرض البياض الدقيقي المتسبب من الفطر Sphaerotheca panrosa  الذي يصيب نباتات الزينه ومنها الروز في البيوت المحمية اذ تم القضاء على 95  % من الاصابة بعد يومين من المعاملة فضلا عن تثبيط نمو الفطريات وانبات السبورات للفطريات Rhizoctonia solani  و Sclerotinia sclerotiorum
• ادى استعمال جسيمات الزنك النانوية الى منع نمووتكوين الحوامل الكونيدية والكونيديا للفطريات المعاملة Botrytus cinerea   وPencillium expansum   عندما استعملت بتركيز 3mmol/L  

تحسين خواص عوامل المكافحة الاحيائية

اشارت العديد من البحوث الى امكانية الاستفادة من التقانة النانوية في تحسين صفات وخواص العديد من عوامل المكافحة الاحيائية مثل المستحضرات الفطرية والبكتيرية ومنتجاتهما الثانوية الممرضة للحشرات  فضلا عن المستحضرات المستعملة في مكافحة مسببات الامراض النباتية المختلفة . اذ يمكن

• حماية عوامل المكافحة الاحيائية كالمستحضرات البكتيرية والفطرية من تاثيرات الاشعة فوق البنفسجية فضلا عن حمايتها من الجفاف وقلة الرطوبة
• زيادة قدرة المستحضرات على تحمل ظروف الخزن الغير ملائمة
• المحافظة على ثباتية واستقرار المنتجات الجرثومية من الانزيمات والمثبطات والمضادات الحيوية والتي تعد من عوامل المكافحة الاحيائية الواعدة في مكافحة الافات .
• توصيل المواد الوراثية الى النبات مثل DNA او الشريط المزدوج من RNA من خلال تقنية تداخل الرنا  RNAinterferance  احد التقانات الواعدة في مكافحة الافات وتحسين النبات .