Nanovoedingsstoffen kunnen de effecten van bodemverontreiniging afzwakken en de gewasopbrengsten verhogen

Een van de urgente problemen waarmee de wereld in het tijdperk van de klimaatverandering wordt geconfronteerd, is hoe voldoende gezond voedsel kan worden verbouwd om aan de groeiende wereldbevolking te voldoen, zelfs als de bodemverontreiniging toeneemt. Onderzoek onlangs gepubliceerd in Natuurvoedsel door een internationaal team van wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Massachusetts Amherst, Guangdong University of Technology en Central South University of Forestry and Technology, heeft aangetoond dat voedingsstoffen op nanometerschaal niet alleen enkele van de ergste effecten van zware metalen en metalloïde vervuiling, maar verhogen de gewasopbrengsten en het nutriëntengehalte.

“Een groot deel van de landbouwgrond in de wereld is vervuild door zware metalen, zoals cadmium, lood en kwik, maar ook door metalloïden, zoals arseen en selenium”, zegt Baoshan Xing, University Distinguished Professor en directeur van de Stockbridge School of Agriculture aan UMass Amherst.

Xing, tevens senior auteur van het artikel, merkt op dat een dergelijke besmetting het vermogen om basisgewassen te verbouwen ernstig onder druk zet, wat ook de voedingswaarde van de gewassen die erin slagen te overleven beïnvloedt.

“We moeten oplossingen bedenken om de zware metalen die in ons voedsel terechtkomen te verminderen”, zegt Xing, en een aanpak die veelbelovend is gebleken is het gebruik van voedingsstoffen op nanoschaal, of wat hij een “nano-enabled” landbouw noemt. .

De bulkmeststoffen waarmee u wellicht meer vertrouwd bent, bestaan ​​uit grote deeltjes, die niet zo gemakkelijk door het gewas worden opgenomen. Dit betekent dat boeren meer moeten toepassen, waardoor de hoeveelheid kunstmest die in beken, meren en de oceaan terechtkomt toeneemt. Voedingsstoffen voor gewassen op nanometerschaal kunnen echter specifiek worden ontworpen en gemengd voor bepaalde gewassen, groeiomstandigheden en toedieningsmethoden, en zo worden ontworpen dat de doelplant de voedingsstoffen op de meest efficiënte manier in zijn systeem kan opnemen, waardoor de benodigde hoeveelheid kunstmest wordt verminderd. om de kosten laag te houden en de afvoer te beperken.

Hoewel nanomaterialen al beschikbaar zijn op de landbouwmarkt en er veel peer-reviewed wetenschappelijk onderzoek is gedaan naar hun effect op de bodem en de groei van gewassen, is het onderzoek van Xing en zijn collega’s het eerste uitgebreide verslag van de effectiviteit van nanomaterialen als klasse, met resultaten die praktische inzichten bieden om duurzame landbouw en mondiale voedselveiligheid te helpen sturen.

“We hebben gegevens verzameld uit 170 eerdere publicaties over de effectiviteit van nanodeeltjes bij het verminderen van de opname van zware metalen en metalloïden”, zegt Chuanxin Ma, co-hoofdauteur van het artikel, die zijn doctoraatsopleiding voltooide aan de Stockbridge School of Agriculture van UMass Amherst en nu professor is. aan de Chinese Technische Universiteit van Guangdong. “Uit die 170 artikelen hebben we 8.585 experimentele observaties verzameld van hoe planten reageren op nanomaterialen.”

Het team voerde vervolgens een meta-analyse uit op deze enorme hoeveelheid gegevens, door deze door een reeks machinale leermodellen te laten lopen om het effect van nanomaterialen op de groei van gewassen en de opname van metalen en metalloïden te kwantificeren, voordat ze uiteindelijk een flexibele kwantitatieve benadering testten, bekend als de IVIF-TOPSIS-EW-methode, die kan verduidelijken hoe verschillende soorten nanomaterialen moeten worden gekozen volgens een reeks realistische landbouwscenario’s.

De resultaten laten zien dat nanomaterialen effectiever zijn dan conventionele meststoffen in het verzachten van de schadelijke effecten van vervuilde grond (met 38,3%), de gewasopbrengsten (met 22,8%) en de voedingswaarde van die gewassen (met 30%) kunnen verbeteren, evenals plantenstress bestrijden (met 21,6%) als gevolg van metaal- en metalloïdevervuiling. Nanomaterialen helpen ook de bodemenzymen en organische koolstof te verhogen, die beide de bodemvruchtbaarheid helpen bevorderen.

“Nanomaterialen zijn natuurlijk geen wondermiddel”, legt Xing uit. “Ze moeten op verschillende manieren worden toegepast, afhankelijk van het individuele gewas en de bodem.”

Dit is waar de IVIF-TOPSIS-EW-methode van het team in het spel komt.

“Onze methode kan beleidsmakers helpen de beste handelwijze voor hun specifieke situatie te kiezen”, zegt Ma.