全球農業需要新的糧食和水可持續性解決方案，隨著氣候極端現象越來越頻繁、人口不斷增長、糧食需求不斷增加以及全球農作物面臨的威脅，環境工程師們正在尋找解決方案，以管理未來的糧食生產，從最小的水準開始。按照目前的做法，多達95%的微量營養素和99.9%的農藥都沒有到達目的地，被浪費了。它們在土壤中積累或流入地下水，造成附帶的環境破壞，使土壤退化，浪費其生產和應用所使用的水和能源。
如果種植者能在葉子上塗上某種物質，可以直接到達根部，這可能會改變現狀，以近乎100%的效率提供營養、抗生素和殺蟲劑。土木與環境工程學教授格雷格·洛瑞、博士後研究員阿斯特麗德·阿韋蘭和一組研究人員已經成功地發現了一種將納米顆粒應用於植物葉子的方法，這樣葉子就可以穿過植物一直到達根部，其研究結果發表在《ACS Nano》上，研究結果有潛力改變我們向植物提供農藥的方式。
這是第一次有人系統地研究納米粒子是如何穿過葉子，進入植物，進入根部，然後滲透到土壤中。研究小組在小麥幼苗葉片上噴灑了帶有聚合物塗層的金納米顆粒。植物不需要金，但是因為金在植物的任何地方都不存在，所以他們能夠很容易地辨別出它去了哪裡。使用小麥是因為小麥是一種重要作物，而且容易缺乏營養。一旦納米粒子被噴到葉子上，它們就會穿過覆蓋在葉子上的蠟質外層角質層，然後穿過表皮。
角質層和表皮層保護葉子免受傷害，防止水分流失，並允許植物呼吸的氣體交換。然後，納米顆粒進入內部葉組織，或葉肉。最後進入植物的血管系統，或植物的靜脈。從那裡它可以沿著莖一直向下進入根部，或者向上到達更高的葉子。研究人員首次證明，一旦到達根部，納米顆粒就能滲透到土壤中，附著在被稱為根際的根部微環境中。根際是植物與土壤相互作用、吸收養分、釋放小酸、二氧化碳和蛋白質的地方，也是細菌和真菌進入植物的地方。
目前治療不健康根際的唯一方法是在土壤中混合農用化學品或用水與化學品混合。在這兩種情況下都損失了大量的化學物質，研究人員所證明的是近100%的高效輸送，可以減少所需的化學品數量，降低成本，並限制環境汙染。這些小顆粒（小於50納米）可能是可持續養活預計到2050年地球上100億人口一個非常重要的關鍵。例如，生長在缺鋅土壤中的小麥植株會變黃，作物產量會隨著植株的死亡而下降，但是如果能把氧化鋅納米顆粒通過葉子送到根部。
就能滲透到土壤中，讓土壤和植物都變得健康。農民也可以向工廠提供抗生素，一旦植物將細菌帶入其血管系統，幾乎沒有什麼可以挽救它。但如果抗生素納米顆粒能夠通過葉子進入血管系統，就能預防或治療系統性細菌疾病。納米顆粒也比化學物質更有效，因為工程師可以設計出具有特定性質的納米顆粒。例如可以設計出一種納米顆粒，它可以附著在葉子上，而不會在下雨時滴落下來。或者可以在粒子外部設計塗層，使其對水分或光線做出反應。
此外，與目前使用的傳統農用化學品相比，還可以設計出用量更少、對環境和人類健康都更有益的納米顆粒，可能性是無限的，這是重要的第一步。以近100%高效的方式將納米顆粒運送到植物上，是勞裡更大的目標之一，即原子高效農業(作物上的每一個原子都被使用而不是浪費)，以及應對糧食不安全等社會挑戰。須在同樣土地上增加80%的糧食產量，減少由此造成的汙染，這將改變我們從事農業的方式，而這正是科學研究的試圖。
博科園｜研究/來自：卡內基梅隆大學土木與環境工程系
參考期刊《ACS Nano》
DOI: 10.1021/acsnano.8b09781
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