Сільськогосподарські хімікати часто потрапляють скрізь, окрім тих місць, де їх потребують фермери. Рішення з Массачусетсу за допомогою шовкових мікроголок може забезпечити утримання цих поживних речовин саме там, де вони потрібні рослинам. Доцент Бенедетто Мареллі з Массачусетського технологічного інституту очолює команду, яка створила мікроголкові масиви з шовку для введення в рослини різних речовин, включаючи вітаміни та мінерали. Їхнє дослідження, проведене у співавторстві з колегами з Сінгапурського альянсу досліджень і технологій MIT, нещодавно було опубліковано.
Чому шовк має сенс
Фіброїн шовку міцний, але біорозкладний, тому він може пробити стебло помідора, не затримуючись на полі. Коли волокна розчиняються, вони не залишають уламків, які б засмічували комбайни. Вони наливають солону шовкову суміш у конусоподібні форми, дають воді випаруватися, а потім змивають сіль, відкриваючи порожнисті мікроголки. Порожнина містить рідкі поживні речовини, готові до повільного вивільнення.
«Аспіранти можуть зробити тисячі порад за один день, навіть не маючи чистої кімнати. Це можна зробити поза чистою кімнатою, ви можете зробити це на своїй кухні, якщо хочете», – сказав Доюн Кім, колишній постдок Массачусетського технологічного інституту.
На відміну від металу чи пластику, білки шовку дбайливо впливають на живі тканини, і ця ідея вперше привернула медичних інженерів до використання мікроголок для безболісної доставки вакцин два десятиліття тому. Ця дбайливість важлива для живих стебел.
Шовкові мікроголки не колють планету
Пестицидні спреї та пил розносяться вітром або просочуються в ґрунтові води. Огляди показують, що більшість активних хімічних речовин ніколи не досягають цільового листя, натомість просочуючи ґрунт і навколишнє повітря. Натомість мікроголки закріплюються всередині судинної тканини рослини, і кожен міліграм пестициду залишається на місці. Така точність означає, що фермери можуть використовувати набагато менше хімікатів на акр.
Кім ввела залізо в хлоротичні помідори та виявила, що пожовтіння зникло без будь-яких видимих пошкоджень стебел. Обробка тривала кілька днів, оскільки порожнисті стрижні повільно дозують дозу.
«Існує велика потреба зробити сільське господарство ефективнішим», – сказав Бенедетто Мареллі. Хлороз, спричинений дефіцитом заліза, може знизити врожайність помідорів на цілих тридцять відсотків.
Покращення харчування у джерелі
Шовкові голки не обмежуються сільськогосподарськими матеріалами; вони також містять вітаміни для людини. Команда дослідників завантажила вітамін B12, поживну речовину, відсутню в більшості рослин, у стебла тепличних помідорів. Лабораторні дослідження підтвердили, що вітамін переміщувався від стебла до плоду до збору врожаю, відкриваючи шлях для біозбагачення на виноградній лозі. Це може допомогти тим, хто їсть рослинну їжу, яким важко задовольнити потреби в B12, оскільки вітамін надходить переважно з продуктів тваринного походження.
«Цей новий механізм доставки відкриває багато потенційних застосувань, тому ми хотіли зробити щось, чого ніхто раніше не робив», – пояснив Мареллі. Лабораторія професора зосереджена на використанні екологічно чистих матеріалів.
Такий самий підхід може переносити цинк, йод або фолат, що зменшить вартість збагачених основних продуктів, які зараз обприскують або змішують після збору врожаю. Дослідники бачать аналогічний потенціал для перцю чилі та полуниці.
Шовкові мікроголки для збору зразків
Порожнисті шовкові мікроголки також працюють у зворотному напрямку, витягуючи сік для аналізу. У гідропонних випробуваннях голки виявили кадмій у стеблах помідорів через п’ятнадцять хвилин після впливу. Сучасні спектральні камери виявляють стрес лише після того, як листя блідне, але відбір проб соку сигналізує про проблему, навіть коли урожай виглядає нормально. Ранні попередження означають раннє вирішення проблем.
Дослідники контролювали рівень кадмію протягом 18 годин, не виймаючи зонди. Безперервні вимірювання перевершують трудомісткі проколи стебел, які виробники рідко виконують. З правильним сенсорним пакетом робот міг би патрулювати ряди, підключати мікроголки та завантажувати хімікати на телефон у режимі реального часу. Така автоматизація вже є поширеним явищем у високотехнологічних теплицях.
Від лабораторного столу до польових рядів
Наразі аспірант вручну притискає кожну клаптик до черешка. Мареллі уявляє собі перепрофілювання існуючих важелів для автощеплення або дронів-обприскувачів для штампування цілих садів.
«Не повинно бути компромісу між сільськогосподарською галуззю та навколишнім середовищем», – сказав Мареллі. Він виступає за інструменти, які підвищують врожайність, не завдаючи шкоди біорізноманіттю.
Тим часом фермери захочуть отримати докази того, що додатковий крок окупається, і що пристрої не засмічуються та не ламаються під час збору врожаю. Економіка поля залежатиме від автоматизації розміщення та поповнення резервуарів поживних речовин без уповільнення роботи бригад. Пілотні випробування на відкритих ділянках з вирощуванням помідорів заплановані на наступний сезон, з особливим акцентом на витрати на робочу силу, тестування на залишки та підвищення врожайності. Результати визначатимуть стратегії масштабування.
Чи шовкові мікроголки економічно вигідні?
Шовкові кокони вже прядуться у великих масштабах для хірургічних шовних матеріалів, тому ланцюг поставок існує. Ціни на сировинні товари коливаються, але за поточними оцінками, сирий білок коштує кілька центів за голку. Форми можна використовувати сотні разів, а сольовий реагент відновлюється та переробляється. Така циклічна хімія забезпечує низькі виробничі накладні витрати.
Дослідники підрахували, що одна теплиця може окупити витрати на обладнання для мікроголок протягом одного циклу збору врожаю, якщо навіть п’ятивідсоткове збільшення врожайності буде досягнуто. Незалежні випробування підтвердять ці цифри в умовах стресових польових умов. Інвестори зацікавлені, оскільки технологія вписується в існуючі системи розумного сільського господарства, добре поєднуючись із датчиками та автономними транспортними засобами, які вже пересуваються серед високоцінних культур. Тривають ранні переговори щодо венчурного фінансування.
Що буде далі
Команда вчених з Массачусетсу вже веде переговори з компаніями-виробниками насіння щодо поєднання хвої з кріпленням розсади. Такий союз міг би об’єднати підживлення та моніторинг в один етап пересадки. Окрім їжі, подібні шовкові структури можуть постачати фактори росту саджанцям дерев у проектах лісовідновлення або вакцини для товарних культур, яким загрожують вірусні захворювання. Мікроголки спочатку використовувалися в клініках, а тепер планують розширитися в садах і виноградниках.
Дослідники в Сінгапурі оцінюють, чи може та сама платформа реєструвати рослинні гормони на рисових полях, що постраждали від спеки. Їхні результати вплинуть на розробку наступного покоління шовкових мікроголкових датчиків для кліматично адаптованого землеробства. Їхня подорож показує, як ідеї мігрують, коли матеріали зустрічаються з уявою. Якщо польові випробування відповідатимуть обіцянкам лабораторії, помідори завтрашнього дня можуть непомітно отримувати свої вітаміни прямо з шовкової трубочки. Дослідження опубліковане в журналі Nature Nanotechnology.
