Anwendungen der Nanotechnologie in Pflanzenwachstum und Pflanzenschutz Teil 2

Autorin Patricia Lefèvre

6. Nanomaterialien in der Saatgutkeimung, dem Pflanzenwachstum und der Qualitätsanreicherung

Die Nanowissenschaft ist eine neue Plattform wissenschaftlicher Innovation, die die Entwicklung von Ansätzen für eine Reihe kostengünstiger Nanotech-Anwendungen zur verbesserten Keimung von Saatgut, Pflanzenwachstum, Entwicklung und Akklimatisierung an Umgebungen beinhaltet. Die Keimung von Samen ist eine sensible Phase im Lebenszyklus von Pflanzen, die die Entwicklung, das Überleben und die Populationsdynamik von Sämlingen ermöglicht. Die Keimung von Samen wird jedoch in hohem Maße von verschiedenen Parametern wie Umweltfaktoren, genetischen Merkmalen, der Verfügbarkeit von Feuchtigkeit und der Bodenfruchtbarkeit beeinflusst. In diesem Zusammenhang hat eine Vielzahl von Studien gezeigt, dass die Anwendung von Nanomaterialien positive Auswirkungen auf die Keimung sowie das Pflanzenwachstum und die Entwicklung hat. Zum Beispiel beeinflusst die Anwendung von mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) positiv die Keimung von Samen verschiedener Pflanzenarten wie Tomate, Mais, Sojabohne, Gerste, Weizen, Mais, Erdnuss und Knoblauch. In ähnlicher Weise stimuliert die Anwendung von Nano-SiO2, TiO2 und Zeolith die Samenkeimung bei Nutzpflanzen positiv. Außerdem wurde festgestellt, dass Fe/SiO2-Nanomaterialien ein signifikantes Potenzial zur Verbesserung der Keimung von Gerste und Mais haben. Trotz einer beträchtlichen Menge an Forschungsergebnissen über die positiven Auswirkungen von Nanomaterialien auf die Keimung sind die zugrundeliegenden Mechanismen, wie Nanomaterialien die Keimung stimulieren können, immer noch unklar. Einige Studien haben gezeigt, dass Nanomaterialien das Potenzial haben, die Samenschale zu durchdringen und die Fähigkeit zur Absorption und Nutzung von Wasser zu verbessern, was das enzymatische System stimuliert und letztendlich die Keimung und das Wachstum der Keimlinge verbessert. Dennoch ist der Mechanismus der durch Nanomaterialien induzierten Wasseraufnahme im Inneren des Samens noch weitgehend unbekannt.

Wirkung von Nanomaterialien auf die Physiologie von Pflanzen und den Pflanzenschutz.

Zusätzlich zur Keimung wird berichtet, dass Nanomaterialien wie ZnO, TiO2, MWCNTs, FeO, ZnFeCu-Oxid und Hydroxyfullerene das Wachstum und die Entwicklung von Nutzpflanzen mit Qualitätsverbesserung bei vielen Pflanzenarten wie Erdnuss, Sojabohne, Mungobohne, Weizen, Zwiebel, Spinat, Tomate, Kartoffel und Senf steigern. Zum Beispiel haben Kohlenstoff-Nanomaterialien Fullerole, als OH-funktionalisierte Fullerene, allgemein positive Effekte auf das Pflanzenwachstum ausgeübt. Es wurde gezeigt, dass Fullerene das Hypokotyl-Wachstum in Arabidopsis durch Stimulation der Zellteilungen verstärken. Es wurde auch festgestellt, dass die Beizung von Saatgut mit Fullerol nicht nur die Anzahl der Früchte, die Fruchtgröße und den endgültigen Ertrag um bis zu 128% erhöht, sondern auch den Gehalt an bioaktiven Verbindungen wie Cucurbitacin-B, Lycopin, Charantin und Inulin in Früchten der Bittermelone (Momordica charantia) stimuliert. Yousefzadeh und Sabaghnia zeigten, dass die Anwendung von Nano-Eisendünger nicht nur die agronomischen Eigenschaften von Dracocephalum moldavica mit der Aussaatdichte erhöhte, sondern auch den Gehalt an ätherischem Öl in den Pflanzen verbesserte. In ähnlicher Weise wurde festgestellt, dass die Blattapplikation von Nano-Zink- und Bor-Düngern den Fruchtertrag und die Fruchtqualität erhöht, einschließlich 4,4-7,6 % Erhöhung der gesamten löslichen Feststoffe (TSS), 9,5-29,1 % Verringerung der titrierbaren Säure (TA), 20,6-46,1 % Erhöhung des Reife-Index und 0,28-0,62 pH-Einheiten Erhöhung des Saft-pH bei Granatapfel (Punica granatum) ohne die physikalischen Eigenschaften der Früchte zu beeinträchtigen. Diese Ergebnisse zeigten die Perspektiven von Nanomaterialien zur Verbesserung der Ernteerträge und der Produktqualität. Obwohl der genaue Mechanismus hinter der Förderung des Pflanzenwachstums und der verbesserten Qualität nicht klar ist, kann er zumindest teilweise durch die Möglichkeiten der Nanomaterialien erklärt werden, mehr Nährstoffe und Wasser zu absorbieren, was wiederum dazu beiträgt, die Vitalität der Wurzelsysteme mit erhöhter enzymatischer Aktivität zu verbessern. Darüber hinaus haben die Untersuchungen von Nährstoffen zur langsamen/kontrollierten Freisetzung oder zum Kontrollverlust von Nanodüngern, die in Wasser und Boden durchgeführt wurden, bestätigt, dass die langfristige Verfügbarkeit aller dotierten Nährstoffe für die Pflanze über die gesamte Anbauperiode entscheidend für die Förderung von Keimung, Wachstum, Blüte und Fruchtbildung ist. Zum Beispiel setzt der mit Hydroxylapatit-Nanomaterial umhüllte Harnstoffdünger Stickstoff langsam und gleichmäßig über bis zu 60 Tage frei, während der herkömmliche Schüttdünger nur innerhalb von 30 Tagen mit ungleichmäßiger Freisetzung verloren geht, was die Nährstoffeffizienz der Pflanzen reduziert und das Pflanzenwachstum negativ beeinflusst. Umgekehrt bietet die Untersuchung in verschiedenen Studien widersprüchliche Beweise über die positiven Auswirkungen von Nanomaterialien auf die Keimung und das Wachstum von Nutzpflanzen. Diese Variabilität kann durch eine Reihe von Faktoren entstehen, die mit den Eigenschaften der Nanomaterialien zusammenhängen, wie z. B. Größe, Form, Oberflächenbeschichtung und elektronische Eigenschaften, die Dosis sowie die Art der Anwendung und die untersuchte Pflanzenart. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung von TiO2 in einer Dosierung von 2,5 % die Photosynthese in Spinat um 3,13 % erhöhte; dies nahm jedoch jenseits von 4 % der Konzentration ab. Es wurde auch gezeigt, dass 15 mg kg-1 Nano-Fe/SiO2 die Sprosslänge von Gersten- und Maissämlingen um 8,25 % bzw. 20,8 % erhöhte; die Sprosslänge wurde jedoch negativ beeinflusst, wenn die Konzentration 25 mg kg-1 erreichte, was bedeutet, dass das Pflanzenwachstum von der Konzentration der Nanomaterialanwendung abhängt. Es wurde gezeigt, dass die Leistung des Pflanzenwachstums von der Art der Nanomaterialapplikation beeinflusst wurde. Sie fanden heraus, dass die Blattapplikation von Nano-Fe3O4 das Gesamtchlorophyll, das Gesamtkohlenhydrat, den Gehalt an ätherischem Öl, den Eisengehalt, die Pflanzenhöhe, die Zweige/Pflanze, die Blätter/Pflanze, das Frischgewicht und das Trockengewicht von Ocimum basilicum-Pflanzen im Vergleich zur Bodenapplikation signifikant erhöhen konnte.

7. Nanomaterialien beschleunigen die anpassung von Pflanzen an fortschreitende Klimafaktoren

Die Ernährungssicherheit ist heute eine Herausforderung für die steigende Bevölkerung aufgrund der begrenzten verfügbaren Ressourcen bei fortschreitendem Klimawandel auf der ganzen Welt. Der fortschreitende Klimawandel bezieht sich auf die Veränderungen der klimatischen Ausgangsbedingungen im Laufe der Zeit, wie z. B. Temperaturen, Wassermangel, Kälte, Salzgehalt, Alkalinität und Umweltverschmutzung mit toxischen Metallen. Daher besteht das Hauptanliegen darin, eine beschleunigte Anpassung der Pflanzen zu ermöglichen, ohne die bestehenden empfindlichen Ökosysteme bei der Bewältigung der Umweltbelastungen zu gefährden. Die Bewältigung dieser Aufgabe erfordert eine mehrgleisige Strategie, wie die Aktivierung des pflanzlichen Enzymsystems, die hormonelle Regulation, die Expression von Stressgenen, die Regulierung der Aufnahme von toxischen Metallen und die Vermeidung von Wasserdefizitstress oder Sturzfluten durch Verkürzung des Lebenszyklus der Pflanzen. Es wurden verschiedene Anstrengungen von Forschern unternommen, um Technologien und Praktiken für nachhaltige landwirtschaftliche Systeme zu entwickeln, indem negative Auswirkungen auf Umweltkompartimente vermieden werden. Fortschritte in der Nanomaterialtechnik legen nahe, dass Nanodünger die Pflanzenproduktion in bestehenden ungünstigen Umgebungen steigern können. Salinitätsstress schränkt die Pflanzenproduktion auf etwa 23% der Anbauflächen weltweit stark ein. Im Gegensatz dazu wurde berichtet, dass die Anwendung von Nano-SiO2 die Keimung von Samen verbessert, das Frischgewicht der Pflanzen, das Trockengewicht und den Chlorophyllgehalt mit Prolin-Akkumulation in Tomaten- und Kürbispflanzen unter NaCl-Stress erhöht. Es wurde auch gezeigt, dass das Blattspray von Nanopartikeln, Eisensulfat (FeSO4), eine positive Reaktion auf die Salzstresstoleranz bei Sonnenblumenkulturen zeigt. Sie berichteten, dass die Anwendung von Nano-FeSO4 nicht nur die Blattfläche, das Trockengewicht der Triebe, die Netto-Kohlendioxid (CO2)-Assimilationsrate, die substatale CO2-Konzentration (Ci), den Chlorophyllgehalt, die maximale photochemische Effizienz des Photosystems II (Fv/Fm) und den Eisen (Fe)-Gehalt erhöhte, sondern auch den Natrium (Na)-Gehalt in den Blättern signifikant verringerte. Kürzlich wurde auch erforscht, dass Silizium-Nanopartikel (SiNPs) den UV-B-induzierten Stress in Weizen effektiv lindern können. Nano-Zeolith kann die langfristige Verfügbarkeit von Nährstoffen verbessern und die Keimung und das Wachstum von Pflanzen fördern. Zeigten eine hervorragende Leistung, um die Anwendung von Nanomaterialien zu erforschen. Sie fanden heraus, dass der Lebenszyklus von Weizenpflanzen, die mit Nanodünger gedüngt wurden, 23,5 % kürzer war (130 Tage im Vergleich zu 170 Tagen) für die Ertragsproduktion ab dem Zeitpunkt der Aussaat im Vergleich zu Pflanzen, die mit herkömmlichem Dünger gedüngt wurden. Eine solche Beschleunigung des Pflanzenwachstums und der Produktivität durch die Anwendung von Nanodüngern zeigt deren Potenzial als wirksame Werkzeuge in der landwirtschaftlichen Praxis, insbesondere in Gebieten, die von Trockenheit oder sogar plötzlichen Sturzfluten betroffen sind, wo die frühe Reife der Pflanzen ein wichtiger Aspekt für eine nachhaltige Pflanzenproduktion ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Nanomaterialien bei der Entgiftung oder Sanierung von schädlichen Schadstoffen wie Schwermetallen wirksam sind.

Die Produktivität von Nutzpflanzen wird auch weitgehend von biotischen Faktoren wie Schädlingen und Krankheiten beeinflusst. Um Ernteverluste zu minimieren, waren Landwirte bisher stark auf Pestizide angewiesen, die sich negativ auf die menschliche Gesundheit und die Umweltverträglichkeit auswirken. Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass Nanomaterialien die Risiken von Schädlingen und Krankheiten erfolgreich reduzieren und damit die Schwere der Ertragsverluste und Umweltgefahren minimieren könnten. Zum Beispiel besitzen biosynthetisierte AgNPs, die aus dem Stammextrakt der Baumwollpflanze (Gossypium hirsutum) gewonnen wurden, eine starke antibakterielle Aktivität, wie die Hemmzone für Xanthomonas axonopodis pv. malvacearum und Xanthomonas campestris pv. campestris, zwei wichtige bakterielle Krankheitserreger von Nutzpflanzen der Familie Malvaceae bzw. Brassicaceae, zeigt. Metalloxid-Nanomaterialien wie CuO, ZnO und MgO könnten auch viele Pflanzen- und bodenbürtige Krankheiten, die durch Botrytis cinerea, Alternaria alternate, Monilinia fructicola, Colletotrichum gloeosporioides, Fusarium solani, Fusarium oxysporum fsp Radicis Lycopersici, Verticillium Dahliae, Phytophthora infestans und Ralstonia solanacearum verursacht werden, in vielen Pflanzenarten wirksam kontrollieren. Daher kann der vernünftige Einsatz von Nanomaterialien die Produktivität von Pflanzen erhöhen, ohne die Umwelt zu belasten. In den letzten Jahren haben sich die Forschungen zur Verwendung von Nanokompositen im Bereich des Pflanzenschutzes aufgrund ihrer hohen Wirksamkeit und Umweltfreundlichkeit stark ausgeweitet. Zum Beispiel zeigen Ag-inkorporierte Chitosan-Nanokomposite mit dem Fungizid Antracol eine erhöhte antimykotische Aktivität im Vergleich zu jeder Komponente allein. Auch die Entwicklung von Nanokompositen mit Bacillus thuringiensis (Bt), die aktives Bt enthalten, hat die Wirksamkeit und Haltbarkeit von Pestiziden weiter erhöht und die bisher erforderliche Dosierung reduziert. Die Mechanismen, die hinter solchen Wirkungen von Bt-basierten Nanokompositen stehen, müssen jedoch noch aufgeklärt werden.
Trotz zahlreicher Studien zur Nanomaterialien-induzierten Pflanzenwachstumsförderung und Stresstoleranz sind die zugrundeliegenden Mechanismen noch weitgehend unentdeckt. Die einflussreichen Effekte von Nanomaterialien auf das Pflanzenwachstum unter ungünstigen Bedingungen lassen sich zumindest teilweise durch die erhöhte Aktivität von Enzymsystemen erklären. So erhöht die Anwendung von Nanomaterialien wie Nano-SiO2 oder Nano-ZnO die Akkumulation von freiem Prolin und Aminosäuren, die Nährstoff- und Wasseraufnahme sowie die Aktivität von antioxidativen Enzymen wie Superoxid-Dismutase, Katalase, Peroxidase, Nitrat-Reduktase und Glutathion-Reduktase, was letztlich die Toleranz der Pflanzen gegenüber extremen Klimaereignissen verbessert. Darüber hinaus könnten Nanomaterialien auch die Expression von Stressgenen regulieren. Zum Beispiel zeigte eine Microarray-Analyse, dass eine Reihe von Genen durch die Anwendung von AgNPs in Arabidopsis hoch- oder herunterreguliert wurden. Unter den hochregulierten Genen ist ein Großteil mit der Reaktion auf Metalle und oxidativen Stress verbunden (Kationenaustauscher, Cytochrom P450-abhängige Oxidase, Superoxid-Dismutase und Peroxidase). Im Gegensatz dazu stehen die herunterregulierten Gene im Zusammenhang mit der Reaktion auf Pathogene und hormonelle Stimuli, einschließlich systemisch erworbener Resistenz, Ethylen-Signalisierung und Auxin-regulierten Genen, die an Wachstum und Organgröße beteiligt sind. Solche durch Nanomaterialien induzierten Reaktionen sind direkt am Pflanzenschutz gegen Stress beteiligt. Die Reaktion der Pflanzen auf Nanodünger variiert jedoch mit der Pflanzenart, ihren Wachstumsstadien und der Art der verwendeten Nanomaterialien. Daher sind weitere Arbeiten erforderlich, um die Signalkaskaden und die Gene zu identifizieren, die durch spezifische Nanomaterialien in verschiedenen Pflanzenarten reguliert werden, bevor die Technologie das Tor zum Bauernhof erreicht.

8. Nanomaterialien als Nanosensoren: Messung und Überwachung von Störeinflüssen

Die Nanomaterialtechnik ist die zukunftsweisende Forschungsschiene für eine nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung. Der Einsatz von Nanomaterialien in der Präzisionslandwirtschaft reduziert Kosten und Aufwand, erhöht die Effizienz und führt zu einer umweltverträglichen Entwicklung. Die Entwicklung von Nanosensoren zur Messung und Überwachung des Pflanzenwachstums und der Bodenbedingungen, des Nährstoffmangels, der Toxizität, der Krankheiten und des Eintrags von Agrochemikalien in die Umwelt würde dazu beitragen, die Boden- und Pflanzengesundheit, die Produktqualität und die allgemeine Sicherheit für eine nachhaltige Landwirtschaft und Umweltsysteme zu gewährleisten. Natürlich haben biologische Organismen den Sinn, die vorhandenen Umweltbedingungen zu erkennen. Die Kombination von Biologie mit Nanomaterialien in Sensoren hat jedoch eine breitere Perspektive geweckt, um die Spezifität, Empfindlichkeit und schnelle Reaktionen auf die Beeinträchtigungen zu erhöhen. Zum Beispiel wird ein auf Nanosensoren basierendes globales Positionierungssystem (GPS) für die Echtzeitüberwachung von bewirtschafteten Feldern während der gesamten Vegetationsperiode eingesetzt. Solche Netzwerke von drahtlosen Nanosensoren überwachen den kontrollierten Freisetzungsmechanismus über nanoskalige Träger, die drahtlose Signale verwenden, die sich überall auf den bewirtschafteten Feldern befinden. Dies kann eine umfassende Echtzeit-Überwachung des Pflanzenwachstums und effektive, qualitativ hochwertige Daten gewährleisten, die Möglichkeiten für exzellente Managementpraktiken bieten, indem sie eine Überdosierung von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln vermeiden. Die Automatisierung des Bewässerungssystems durch den Einsatz von Sensortechnologie hat das große Potenzial, die Effizienz der Wassernutzung zu maximieren. Im Szenario der Wasserbegrenzung schätzen Nanosensoren die Bodenwasserspannung in Echtzeit, verbunden mit einer autonomen Bewässerungssteuerung. Ebenso würde eine schnelle und genaue Erkennung von Insekten oder Krankheitserregern bei der rechtzeitigen Anwendung von Pestiziden oder Düngemitteln helfen, um die Nutzpflanzen vor Befall zu schützen. Dieser Sensor unterscheidet die emittierten flüchtigen organischen Stoffe in vielen Wirtspflanzenarten in Bezug auf die Insektentypen. Es wurde gezeigt, dass ein auf Nanogold basierender Immunosensor effektiv ist, um die Karnal-Bunt-Krankheit in Weizenpflanzen zu erkennen. Darüber hinaus hat im Bereich der Nanobiotechnologie die Entwicklung bionischer Pflanzen durch das Einfügen von Nanopartikeln in die Zellen und Chloroplasten lebender Pflanzen zur Erkennung oder Abbildung von Objekten in ihrer Umgebung und zur Kommunikation als Infrarotgeräte oder sogar zur Selbstversorgung von Pflanzen als Lichtquellen ein großes Potenzial für die Präzisionslandwirtschaft. So wurde beispielsweise berichtet, dass das Einfügen von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (SWNTs) die Elektronentransferrate von lichtangepassten Chloroplasten unter in vivo-Bedingungen um 49% erhöht, indem die Photoabsorption gesteigert wird. Sie zeigten auch, dass SWNTs zur Lichtsammelkapazität im nahen Infrarot beitragen, indem sie die Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies im Chloroplasten unterdrücken und den Sensing-Prozess in Pflanzen beeinflussen können; was zu einer erhöhten photosynthetischen Effizienz und Quantenausbeute von Pflanzen führt. Daher eröffnen die Fortschritte bei nanobionischen Ansätzen zur Verbesserung von Nutzpflanzen und zur Umweltüberwachung ein neues Fenster für die Erforschung funktioneller Pflanzen-Nanomaterial-Hybride.

Pflanzen reagieren auf Stress durch verschiedene physiologische Veränderungen, die durch Stresshormone, wie Jasmonsäure, Methyljasmonat und Salicylsäure, vermittelt werden. Es wurde ein modifizierter Goldelektroden-Nanosensor mit Kupfer-Nanopartikeln entwickelt, um den pathogenen Pilzbefall durch Überwachung des Salicylsäuregehalts in Ölsaaten zu erkennen. Dementsprechend sind mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) auch kompetent in der Untersuchung des Pflanzenwachstums durch die Regulierung von Hormonen, wie z.B. Auxin, was den Wissenschaftlern helfen kann, zu erforschen, wie Pflanzenwurzeln an ihre Umgebung akklimatisiert werden, insbesondere an marginale Böden. Es wurde gezeigt, dass eindimensionale Kaliumniobat (KNbO3) Nanofasern aufgrund ihres großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses ein großes Potenzial zur Messung der Luftfeuchtigkeit haben. Die KNbO3-Nanofaser-basierten Feuchtigkeits-Nanosensoren zeigen ein logarithmisch-lineares Abhängigkeitsverhalten des Leitwertes mit der relativen Luftfeuchtigkeit innerhalb von zwei Sekunden, wobei der Leitwert von 10-10℧ auf 10-6℧ für eine relative Luftfeuchtigkeit von 15% bis 95% bei Raumtemperatur ansteigt.

Kürzlich wurde eine einfache, markierungsfreie, glutathion-regulierte dual-funktionale Plattform auf Basis von Upconversion-Nanopartikeln (UCNPs)/AuNPs für die Turn-On-Fluoreszenz-Detektion von Acetylcholinesterase (AChE)-Aktivität und toxischem Cd2+ in realen Wasserproben entwickelt. Außerdem wurden bedeutende Fortschritte bei der Überwachung und Quantifizierung kleiner Schadstoffmengen wie Pestiziden erzielt. Zum Beispiel haben Photosystem-II-haltige Biosensoren das Potenzial, mehrere Gruppen von Pestiziden zu binden und können auch die chemischen Schadstoffe überwachen. Solche Nanosensoren bieten eine einfache und kostengünstige effektive Technologie für den Nachweis spezifischer Pestizide mit einer breiten Palette von organischen Schadstoffen, bevor diese in die landwirtschaftliche Umwelt gelangen. Sicherlich ist die intelligente Anwendung von Nanosensoren in der Landwirtschaft ein aufstrebendes Werkzeug, das


9. Nanomaterialien im pestizidbasierten Pflanzenschutz

Die Unterstützung durch Nanotechnologie in Pflanzenschutzmitteln hat exponentiell zugenommen, um eine höhere Pflanzenproduktion zu erreichen. Im Allgemeinen werden beim konventionellen Pflanzenschutz Fungizide, Herbizide und Insektizide in großem Umfang und in Überdosis eingesetzt. Von den eingesetzten Pestiziden gehen mehr als 90 % entweder in der Umwelt verloren oder erreichen nicht die für eine effektive Schädlingsbekämpfung wichtigen Zielorte. Dies erhöht nicht nur die Kosten der Pflanzenproduktion, sondern führt auch zur Erschöpfung der Umweltsysteme. Es ist anzumerken, dass das Vorhandensein von Wirkstoffen in minimaler effektiver Konzentration einer Formulierung an den Zielorten wesentlich für die Gewährleistung eines besseren Schutzes der Pflanzen vor Schädlingsinvasion und nachfolgenden Ernteverlusten ist. In diesem Zusammenhang ist die Entwicklung neuer Pflanzenschutzformulierungen seit langem ein sehr erkenntnisreiches Feld der Agrarforschung. Eine solche Technologie ist die Nanoformulierung oder Verkapselung von Pflanzenschutzmitteln, die den Pflanzenschutzsektor revolutioniert hat. Die Nanoformulierung von Pestiziden enthält eine sehr kleine Anzahl von Partikeln, die als Wirkstoffe von Pestiziden fungieren, während andere konstruierte Nanostrukturen ebenfalls nützliche pestizide Eigenschaften haben. Die Nanoverkapselung von Pestiziden ist die Umhüllung von Wirkstoffen von Pestiziden mit einem anderen Material unterschiedlicher Größe im Nanobereich, wobei die eingekapselten Materialien als innere Phase des Kernmaterials (Pestizide) und die Verkapselungsmaterialien als äußere Phase, d.h. die umhüllenden Nanomaterialien, bezeichnet werden.
Nanoformulierungen oder Verkapselungen von Pestiziden ermöglichen die Persistenz oder kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen in Wurzelzonen oder im Inneren von Pflanzen, ohne die Wirksamkeit zu beeinträchtigen. Andererseits schränken herkömmliche Formulierungen von Pestiziden oder Herbiziden nicht nur die Wasserlöslichkeit der Pestizide ein, sondern verletzen auch andere Organismen, was zu einer erhöhten Resistenz der Zielorganismen führt. Im Gegensatz dazu helfen Nanoformulierungen, die oben genannten Einschränkungen zu überwinden. Petosa zeigte beispielsweise, dass Nanoformulierungen von Pestiziden die Ernteerträge steigern, indem sie die Wirksamkeit von Pestiziden durch die Regulierung des Transportpotenzials von Pestiziden erhöhen. Sie fanden heraus, dass Nanoformulierungen, die polymere Nanokapseln und das Pyrethroid Bifenthrin (nCAP4-BIF) kombinieren, eine erhöhte Elution mit der Zeit und ein erhöhtes Transportpotenzial zeigen, sogar nach der Zugabe von Dünger in lehmigem Sandboden, der mit künstlichem Porenwasser gesättigt ist, das Ca2+ und Mg2+ Kationen enthält. Dies bedeutet, dass nCAP4 ein vielversprechendes Transportvehikel für Pestizide wie Pyrethroide im Pflanzenschutz sein könnte. Dies könnte möglicherweise auf das erhöhte Dispersionspotenzial und die Benetzbarkeit von Nanoformulierungen zurückzuführen sein, die den Abfluss von organischen Lösungsmitteln und die unerwünschte Bewegung von Pestiziden reduzieren. Darüber hinaus zeigen Nanomaterialien in Pestizidformulierungen einige nützliche Eigenschaften wie erhöhte Steifigkeit, Permeabilität, thermische Stabilität, Löslichkeit, Kristallinität und auch biologische Abbaubarkeit, die für ein nachhaltiges Agrarumweltsystem wichtig sind. Noch wichtiger ist, dass die rechtzeitige und kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen die Gesamtmenge der für die Schädlings- und Krankheitsbekämpfung erforderlichen Pestizide reduziert, ein wichtiges Merkmal des integrierten Pflanzenschutzes (IPM). Darüber hinaus verlangt die nachhaltige Landwirtschaft einen minimalen Einsatz von Agrochemikalien, um die Umwelt und andere Nicht-Zielarten zu schützen. Darüber hinaus reduziert der minimale Einsatz von Pestiziden die Kosten für die Pflanzenproduktion. Schätzungen zufolge belaufen sich die jährlichen Ernteverluste in der Landwirtschaft aufgrund von Pflanzenkrankheiten, Schädlingen und Unkraut weltweit auf 2000 Milliarden US-Dollar, wobei allein in den USA die Kosten für die Bekämpfung von Krankheitserregern durch den Einsatz von Fungiziden 600 Millionen US-Dollar übersteigen. Faszinierenderweise wird unter diesen Umständen der Einsatz von NPs als effiziente Alternative zur direkten Unterdrückung der Pathogeninfektion und -aktivität berichtet, was zu erhöhtem Pflanzenwachstum und Ertrag führt. Zum Beispiel werden Halloysite, eine Art von Ton-Nanoröhren, als kostengünstige Träger von Pestiziden in der Landwirtschaft eingesetzt. Diese Nanoröhrchen weisen nicht nur eine verlängerte Freisetzungsdauer von Wirkstoffen (AI) auf, sondern bieten auch die Gewähr für einen besseren Kontakt mit minimalen Umweltauswirkungen. Nano-Siliziumdioxid ist ein solches Beispiel, das von Natur aus hydrophob ist und bei Kontakt in die Kutikula-Schicht der Insekten eindringen kann, was letztendlich zum Tod der Insekten führt. De Jorge zeigte eine hervorragende Leistung, um die Bedeutung der Nanoformulierung bei der kontrollierten Freisetzung von AI zu erforschen. Sie haben untersucht, dass die Nanofaser-Formulierung des Pheromons von Grapholita molesta (Lepidoptera:Tortricidae) (Busck) keine Auswirkungen auf die Mortalität im Laufe der Zeit hat, was auf eine kontrollierte Freisetzung von AI und einen langfristigen Lock- und Tötungseffekt von Pheromon und Insektizid hindeutet.

Darüber hinaus haben viele Untersuchungen den Nachweis erbracht, dass Nanoformulierungen von Pestiziden die Ausweitung der pflanzenbasierten systemischen erworbenen Resistenz (SAR) gegen Schädlinge erleichtern. Zum Beispiel können Siliziumdioxid-Nanosphärenformulierungen die Fähigkeit von Pestiziden erhöhen, durch die Pflanze zu dringen und den Zellsaft zu erreichen, wodurch eine systemische Wirkung zur Kontrolle von kauenden oder saugenden Insekten wie Blattläusen ausgeübt wird. Solche Arten von Hohlformulierungen schützen Pestizide auch vor Photodegradation durch direkte Sonneneinstrahlung. Es wurde auch beobachtet, dass Nanoformulierungen das nicht-systemische Verhalten von Pestiziden verändern. Das nicht-systemische Verhalten von Ferbam kann sich ändern und das Penetrationspotenzial in Teeblätter erhöhen, wenn es mit metallischen NPs (AuNPs) formuliert wird. Diese Art von Erkenntnissen bietet offensichtlich eine neue Grenze für die Entwicklung von Pestizidformulierungen, um eine pflanzenbasierte systemische Resistenz zu erreichen. Es sind jedoch weitere Studien erforderlich, um das Verhalten und den Verbleib von Pestiziden und ihre Wechselwirkungen mit Biomakromolekülen in lebenden Systemen oder der Umwelt zu entschlüsseln. In der Zwischenzeit zeigte Patil, dass aus Latex hergestellte bioaktive AuNPs das katalytische Potenzial von Trypsin, einer lebenswichtigen Insektenprotease, reduzierten und damit die biologische Kontrolle über die zerstörerischen Insekten ermöglichten. Diese katalytische Hemmung könnte auf die Wechselwirkung der metallischen NPs mit Proteinen über kovalente Wechselwirkungen, elektrostatische Wechselwirkungen oder die Bindung an die -SH-Gruppe der Aminosäure zurückzuführen sein.
Die potenzielle Anwendung von technisch hergestellten Nanomaterialien in der Landwirtschaft wird auch im Krankheits- und Unkrautmanagement festgestellt. Anorganische NPs, wie ZnO, Cu, SiO2, TiO2, CaO, MgO, MnO und AgNPs spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Bereichen des Pflanzenschutzes, einschließlich der mikrobiellen Aktivität und bakterieller Krankheiten. Zum Beispiel wurde kürzlich gezeigt, dass ZnO-Nanopartikel eine effektive Wachstumskontrolle von Fusarium graminearum, Penicillium expansum, Alternaria alternate, F. oxysporum, Rhizopus stolonifer, Mucor plumbeus und A. flavus sowie von pathogenen Bakterien Pseudomonas aeruginosa bieten. Die Nano-Cu-Applikation erwies sich als wirksamer gegen Phytophthora infestans im Vergleich zu derzeit verfügbaren Nicht-Nano-Cu-Formulierungen in Tomaten. Außerdem haben sich Si und TiO2 als vielversprechend erwiesen, um Pflanzenkrankheiten direkt durch antimikrobielle Aktivität zu unterdrücken. MONPs hemmen die Entwicklung von Pilzkonidien und Konidiophoren, was letztendlich zum Absterben der Pilzhyphen führt. Ebenso werden Unkräuter als ernsthafte Bedrohung für die weltweite landwirtschaftliche Produktion angesehen, da sie mit den Nutzpflanzen um deren Nährstoffe, Wasser und Licht konkurrieren. Die Anwendung von Nanomaterialien, die Herbizide enthalten, bietet jedoch eine umweltfreundliche Lösung. Zum Beispiel zeigte Sharifi-Rad, dass Keimung, Wurzel- und Sprosslängen, Frisch- und Trockengewichte sowie photosynthetische Pigmente mit Gesamtprotein bei Unkräutern, die SiO2-Nanopartikeln ausgesetzt waren, signifikant abnahmen. In ähnlicher Weise zeigte Kumar, dass Herbizid (Metsulfuron Methyl)-beladene Pektin (Polysaccharid)-Nanopartikel sowohl unter Labor- als auch unter Feldbedingungen zytotoxischer für Chenopodium album-Pflanzen sind und im Vergleich zum kommerziellen Herbizid nur eine sehr geringe Menge an AI benötigt wird. Normalerweise kontrollieren oder töten kommerzielle Herbizide die oberirdischen Teile der Unkräuter, ohne die unterirdischen Teile wie Rhizome oder Knollen zu beeinflussen. Infolgedessen kommt es zum Nachwachsen von Unkräutern; Nanoherbizide hingegen verhindern das Nachwachsen von Unkräutern. Somit haben die Nanomaterialien in Pestiziden, Fungiziden und Herbiziden einen enormen Spielraum in der nachhaltigen landwirtschaftlichen Entwicklung.

10. Schlussfolgerung

Im Bereich der Landwirtschaft wurde die Nanotechnologie eingesetzt, um die Pflanzenproduktion mit Qualitätsverbesserung zu erhöhen, indem die Anbausysteme schematisch verbessert wurden. Das Aufkommen von technisch hergestellten Nanomaterialien und ihre Wirkung im Rahmen einer nachhaltigen Landwirtschaft haben die weltweite Landwirtschaft durch ihre Neuartigkeit, ihr schnelles Wachstum und ihre enorme Bedeutung für die Deckung des weltweiten Nahrungsmittelbedarfs dramatisch verändert. In der nachhaltigen Landwirtschaft ist der Schutz der Umwelt vor Verschmutzung das entscheidende Ziel für den Handel, und Nanomaterialien bieten eine Garantie für ein besseres Management und die Erhaltung der Inputs für die Pflanzenproduktion. Das Potenzial von Nanomaterialien ermutigt zu einer neuen grünen Revolution mit reduzierten landwirtschaftlichen Risiken. Allerdings gibt es noch große Wissenslücken über die Aufnahmefähigkeit, den zulässigen Grenzwert und die Ökotoxizität verschiedener Nanomaterialien. Daher ist weitere Forschung dringend erforderlich, um das Verhalten und den Verbleib von veränderten landwirtschaftlichen Inputs und ihre Interaktion mit Biomakromolekülen, die in lebenden Organismen vorhanden sind, zu entschlüsseln.
Vereinfachter Überblick über mögliche Anwendungen von Nanomaterialien in der nachhaltigen landwirtschaftlichen Produktion. Verbesserung der Produktivität von Nutzpflanzen durch den Einsatz von Nanomaterialien in der Gentechnik von Zielpflanzen und intelligente Überwachung der Reaktion von Pflanzen auf ihre Umwelt mit Nanosensoren. 


Dr. Patricia Lefèvre, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de
Bourgogne, Dijon