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Nanoforschung – Mit Nanopartikeln gegen Krebs

LMU-Wissenschaftler haben Nanopartikel entwickelt, die gezielt Krebszellen abtöten. Dies könnte der Tumorbekämpfung neue therapeutische Optionen eröffnen.

Chemotherapien gegen Krebs haben häufig schwere Nebenwirkungen, da die verabreichten Medikamente auch für gesunde Zellen toxisch sind. Calciumphosphat und Citrat werden bereits seit einiger Zeit als vielversprechende Alternativen diskutiert, da sie zwar zum Zelltod führen, wenn sie in hohen Konzentrationen ins Zellinnere gelangen, ansonsten aber für den Körper gut verträglich sind. Allerdings fehlten bisher Möglichkeiten, diese Stoffe an den strengen Kontrollmechanismen der Zellen vorbei ins Zellinnere zu schleusen. Jetzt haben Wissenschaftler um Dr. Constantin von Schirnding, Dr. Hanna Engelke und Prof. Thomas Bein vom Department Chemie der LMU neuartige amorphe Nanopartikel entwickelt, die aus genau jenen gewünschten Stoffen bestehen. Die Partikel können die Hindernisse nun überwinden und gezielt Krebszellen abtöten.

Calciumphosphat und Citrat sind an der Regulation vieler zellulärer Signalwege beteiligt. Um toxische Dosen im Zellinneren zu vermeiden, kontrollieren Zellen die Aufnahme dieser Stoffe streng. Die von den Wissenschaftlern entwickelten Nanoteilchen umgehen diese Kontrolle: „Wir haben amorphe, poröse Nanopartikel aus Calciumphosphat und Citrat hergestellt, die von einer Lipidschicht umgeben sind“, sagt von Schirnding. Durch die Beschichtung können die Teilchen in die Zelle eindringen, ohne dass deren Warnmechanismen anschlagen. Dort lösen sie sich sehr effizient auf und setzen große Mengen Calcium und Citrat frei.

Zellversuche zeigten, dass die Partikel in der Lage sind, Krebszellen selektiv abzutöten – gesunde Zellen dagegen überleben, obwohl sie die Partikel ebenfalls aufnehmen. „Offensichtlich können die Teilchen sehr toxisch sein, wenn sie es mit Krebszellen zu tun bekommen. Und je aggressiver der Tumor war, desto besser wirkten die Teilchen“, sagt Engelke.

Bei der Aufnahme in die Zellen werden die Nanoteilchen von einer zusätzlichen Membran überzogen. Die Wissenschaftler vermuten, dass es in den Krebszellen einen noch unbekannten Mechanismus gibt, der die zusätzliche Membran löchrig macht, sodass die Bestandteile der Partikel in das Zellinnere eindringen können. In den gesunden Zellen dagegen bleibt die Membran intakt und die Nanokügelchen werden als Ganzes wieder ausgeschieden.

„Die hochselektive Toxizität der Partikel ermöglichte es uns, zwei verschiedene aggressive pleurale Tumore bei Mäusen erfolgreich zu behandeln und ihre Größe nach nur zwei lokalen Anwendungen um etwa 40 bzw. 70 Prozent zu reduzieren“, sagt Engelke. Pleurale Tumore sind häufig Metastasen von Lungentumoren, die im sogenannten pleuralen Spalt zwischen Lunge und Brust angesiedelt sind. Übliche Chemotherapeutika haben hier keinen Zugang, weil der pleurale Raum nicht mit Blut versorgt wird. „Unsere Partikel dagegen können direkt in den pleuralen Spalt eingebracht werden“, sagt Bein. Dabei zeigten sich im Verlauf von zwei Monaten keine Anzeichen von gravierenden Nebenwirkungen. Die Forscher sind daher überzeugt, dass die neuen Nanopartikel großes Potenzial für die Entwicklung neuer Therapien gegen Krebs haben.

Anwendungen der Nanotechnologie in Pflanzenwachstum und Pflanzenschutz

Autorin Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre

Im Zeitalter des Klimawandels stehen die globalen Agrarsysteme vor zahlreichen, noch nie dagewesenen Herausforderungen. Um Ernährungssicherheit zu erreichen, ist fortschrittliche Nanotechnologie ein praktisches Werkzeug, um die Pflanzenproduktion zu steigern und Nachhaltigkeit zu gewährleisten. Die Nanotechnologie hilft, die landwirtschaftliche Produktion zu verbessern, indem sie die Effizienz von Betriebsmitteln erhöht und relevante Verluste minimiert. Nanomaterialien bieten eine größere spezifische Oberfläche für Düngemittel und Pestizide. Darüber hinaus ermöglichen Nanomaterialien als einzigartige Träger von Agrochemikalien die gezielte kontrollierte Abgabe von Nährstoffen mit erhöhtem Pflanzenschutz. Aufgrund ihrer direkten und beabsichtigten Anwendungen in der präzisen Steuerung und Kontrolle von Inputs (Düngemittel, Pestizide, Herbizide) unterstützen Nanotools, wie z.B. Nanobiosensoren, die Entwicklung von Hightech-Agrarbetrieben. Die Integration von Biologie und Nanotechnologie in Nanosensoren hat ihr Potenzial, Umweltbedingungen oder Beeinträchtigungen zu erkennen und zu identifizieren, stark erhöht.

1. Einleitung

Um den zunehmenden Herausforderungen einer nachhaltigen Produktion und Ernährungssicherheit zu begegnen, wurden in den letzten Jahren bedeutende technologische Fortschritte und Innovationen im Bereich der Landwirtschaft gemacht. Solche kontinuierlichen landwirtschaftlichen Innovationen sind entscheidend, um den steigenden Nahrungsmittelbedarf der explodierenden Weltbevölkerung durch den Einsatz von natürlichen und synthetischen Ressourcen zu decken. Insbesondere die Nanotechnologie hat das Potenzial, effektive Lösungen für die vielfältigen Probleme in der Landwirtschaft zu bieten. Um die Lücke zwischen Massenmaterialien und atomaren oder molekularen Strukturen zu schließen, sind Nanopartikel von großem wissenschaftlichem Interesse. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde eine beträchtliche Menge an Forschungsarbeiten zur Nanotechnologie durchgeführt, wobei die zahlreichen Anwendungen in der Landwirtschaft im Vordergrund standen. Der Einsatz von Düngemitteln spielt eine zentrale Rolle bei der Steigerung der landwirtschaftlichen Produktion; der übermäßige Einsatz von Düngemitteln verändert jedoch irreversibel die chemische Ökologie des Bodens, wodurch die verfügbare Fläche für die Pflanzenproduktion weiter reduziert wird. Nachhaltige Landwirtschaft beinhaltet einen minimalen Einsatz von Agrochemikalien, die letztendlich die Umwelt schützen und verschiedene Arten vor dem Aussterben bewahren können. Nanomaterialien steigern die Produktivität von Nutzpflanzen, indem sie die Effizienz von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln erhöhen, um eine gezielte und kontrollierte Zufuhr von Nährstoffen zu ermöglichen und so den minimalen Einsatz von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln zu gewährleisten. In der Tat hat die Unterstützung der Nanotechnologie bei Pflanzenschutzmitteln exponentiell zugenommen, was eine Steigerung der Ernteerträge gewährleisten kann. Darüber hinaus besteht das Hauptanliegen in der landwirtschaftlichen Produktion darin, eine beschleunigte Anpassung der Pflanzen an die fortschreitenden Faktoren des Klimawandels wie extreme Temperaturen, Wassermangel, Salzgehalt, Alkalinität und Umweltverschmutzung mit toxischen Metallen zu ermöglichen, ohne die bestehenden empfindlichen Ökosysteme zu gefährden. Darüber hinaus hat die Entwicklung und Nutzung von Nanosensoren in der Präzisionslandwirtschaft zur Messung und Überwachung des Pflanzenwachstums, der Bodenbeschaffenheit, von Krankheiten, des Einsatzes und der Durchdringung von Agrochemikalien und der Umweltverschmutzung die menschliche Kontrolle der Boden- und Pflanzengesundheit, die Qualitätskontrolle und die Sicherheitssicherung wesentlich verbessert und damit einen großen Beitrag zu einer nachhaltigen Landwirtschaft und zu Umweltsystemen geleistet. Nanomaterial-Engineering ist die modernste Schiene der Forschung, die die Entwicklung von Hightech-Agrarbereichen unterstützt, indem sie eine größere spezifische Oberfläche bietet, der für die nachhaltige Entwicklung von landwirtschaftlichen Systemen entscheidend ist. Daher kann die Nanotechnologie nicht nur die Unsicherheit reduzieren, sondern auch die Managementstrategien der landwirtschaftlichen Produktion als Alternative zu konventionellen Technologien koordinieren. In vielen Fällen bieten Agro-Nanotech-Innovationen kurzfristige Techno-Fixes für die Probleme der modernen industriellen Landwirtschaft. Die vorliegende Übersicht fasst die Anwendungen der Nanotechnologie in der Landwirtschaft zusammen, die die Nachhaltigkeit von Landwirtschaft und Umwelt sicherstellen können.

2. Nano-Farming: Eine neue Grenze in der landwirtschaftlichen Entwicklung

Die Nanopartikeltechnologie ist eine der neuesten technologischen Innovationen, die einzigartige zielgerichtete Eigenschaften mit erhöhter Festigkeit aufweisen. Der Begriff „Nanotechnologie“ wurde erstmals 1974 von Norio Taniguichi, einem Professor an der Tokyo University of Science, geprägt. Obwohl der Begriff „Nanotechnologie“ seit langem in verschiedenen Disziplinen eingeführt wurde, ist die Idee, dass Nanopartikel (NPs) für die landwirtschaftliche Entwicklung von Interesse sein könnten, eine neuere technologische Innovation und befindet sich noch in der fortschreitenden Entwicklung. Jüngste Fortschritte bei der Herstellung von Nanomaterialien unterschiedlicher Größe und Form haben zu einer Vielzahl von Anwendungen in der Medizin, Umweltwissenschaft, Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung geführt. Im Laufe der Geschichte hat die Landwirtschaft immer von diesen Innovationen profitiert. Da die Landwirtschaft mit zahlreichen und noch nie dagewesenen Herausforderungen konfrontiert ist, wie z. B. reduzierte Ernteerträge aufgrund von biotischen und abiotischen Stressfaktoren, einschließlich Nährstoffmangel und Umweltverschmutzung, hat das Aufkommen der Nanotechnologie vielversprechende Anwendungen für die Präzisionslandwirtschaft geboten. Der Begriff Präzisionslandwirtschaft oder Farming ist in den letzten Jahren aufgetaucht und steht für die Entwicklung der drahtlosen Vernetzung und Miniaturisierung der Sensoren zur Überwachung, Bewertung und Steuerung landwirtschaftlicher Praktiken. Genauer gesagt bezieht er sich auf das standortspezifische Pflanzenmanagement mit einer breiten Palette von Vor- und Nachproduktionsaspekten der Landwirtschaft, die von Gartenbaukulturen bis hin zu Feldfrüchten reichen. Die jüngsten Fortschritte im Tissue Engineering und in der Entwicklung von Nanomaterialien auf der Basis von CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats)/Cas (CRISPR-associated protein) mRNA und sgRNA für die genetische Modifikation (GM) von Nutzpflanzen sind eine bemerkenswerte wissenschaftliche Leistung. Darüber hinaus bietet die Nanotechnologie hervorragende Lösungen für eine zunehmende Anzahl von Umweltproblemen. So bietet die Entwicklung von Nanosensoren weitreichende Perspektiven für die Beobachtung von Umweltstress und die Steigerung des Bekämpfungspotenzials von Pflanzen gegen Krankheiten. Daher haben solche kontinuierlichen Verbesserungen in der Nanotechnologie mit besonderem Schwerpunkt auf der Identifizierung von Problemen und der Entwicklung von kooperativen Ansätzen für ein nachhaltiges landwirtschaftliches Wachstum ein bemerkenswertes Potenzial, um breite soziale und gerechte Vorteile zu bieten.

3. Quellen und Synthese von grünen Nanopartikeln

Nanopartikel (NPs) sind organische, anorganische oder hybride Materialien mit mindestens einer ihrer Dimensionen im Bereich von 1 bis 100 nm (auf der Nanoskala). NPs, die in der Natur vorkommen, können aus den Prozessen von photochemischen Reaktionen, Vulkanausbrüchen, Waldbränden, einfacher Erosion, Pflanzen und Tieren oder auch von den Mikroorganismen produziert werden. Die Produktion von aus Pflanzen und Mikroorganismen gewonnenen NPs hat sich als eine effiziente biologische Quelle für grüne NPs herausgestellt, die in letzter Zeit aufgrund ihrer umweltfreundlichen Natur und der Einfachheit des Produktionsprozesses im Vergleich zu anderen Wegen die besondere Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich zieht. Für die Nutzung der grünen Nanotechnologie werden derzeit eine Reihe von Pflanzenarten und Mikroorganismen, darunter Bakterien, Algen und Pilze, für die NP-Synthese verwendet. Zum Beispiel werden Medicago sativa und Sesbania-Pflanzenarten zur Herstellung von Gold-Nanopartikeln verwendet. Ebenso können anorganische Nanomaterialien aus Silber, Nickel, Kobalt, Zink und Kupfer in lebenden Pflanzen, wie Brassica juncea, Medicago sativa und Heleanthus annus, synthetisiert werden. Mikroorganismen, wie Kieselalgen, Pseudomonas stuzeri, Desulfovibrio desulfuricans NCIMB 8307 Clostridium thermoaceticum und
Klebsiella aerogens werden zur Synthese von Silizium-, Gold-, Zinksulfid- bzw. Cadmiumsulfid-Nanopartikeln verwendet. Obwohl eine große Anzahl von Mikroorganismen zur Synthese von grünen NPs verwendet wird, werden Pilze, hauptsächlich Verticillium sp,
Aspergillus flavus, Aspergillus furnigatus, Phanerochaete chrysoparium und Fusarium oxysporum, als die effizientesten Systeme für die Biosynthese von metall- und metallsulfidhaltigen NPs angesehen.

Alle NPs sind dreidimensionale (3D) Objekte. Eindimensionale (1D) NPs beziehen sich auf die NPs, die 2 Dimensionen auf der Nanoskala und 1 Dimension auf der Makroskala haben (Nanodrähte, Nanoröhren), während zweidimensionale (2D) NPs 1 Dimension auf der Nanoskala und 2 Dimensionen auf der Makroskala haben (Nanoschichten, Nanofilme). 3D-NPs wiederum haben 0 Dimensionen auf der Nanoskala und 3 Dimensionen auf der Makroskala (Nanokugeln, Nano-Blumen), während null-dimensionale (0D) NPs durch alle 3 Dimensionen auf der Nanoskala charakterisiert sind. So wurde eine reiche Vielfalt an physikalischen und chemischen Methoden entwickelt, um die nulldimensionalen NPs mit gut kontrollierten Abmessungen zu synthetisieren oder herzustellen. Nulldimensionale NPs, wie z. B. Quantenpunkte, haben eine breite Akzeptanz und Anwendung in Leuchtdioden, Solarzellen, Einzelelektronentransistoren wie sie in Lasern verwendet werden. Die Synthese von zweidimensionalen NPs, wie z. B. Kreuzungen (kontinuierliche Inseln), verzweigte Strukturen, Nanoprismen, Nanoplatten, Nanoblätter, Nanowände und Nanoplatten sind zu einem wichtigen Bereich in der Nano-Engineering-Forschung geworden. Solche geometrischen Strukturen von NPs haben die Untersuchung und Entwicklung neuer Anwendungen in Sensoren, Photokatalysatoren, Nanocontainern und Nanoreaktoren gesprengt. Im Gegensatz dazu haben dreidimensionale NPs in letzter Zeit aufgrund ihrer großen Oberfläche und anderer überlegener Eigenschaften wie Absorptionsstellen für alle beteiligten Moleküle auf kleinem Raum, die zu einem besseren Transport der Moleküle führen, großes Forschungsinteresse auf sich gezogen. Daher haben die Verbesserung und Entwicklung neuartiger Technologien zur Herstellung von NPs mit ihrem Anwendungspotenzial eine besondere Bedeutung, insbesondere bei der Entwicklung nachhaltiger Agrar- und Umweltsysteme.

4. Verabreichungsoptionen mit Nanopartikeln: Ein neues Fenster für nachhaltige Landwirtschaft

Die Nanotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien des einundzwanzigsten Jahrhunderts, die verspricht, traditionelle landwirtschaftliche Praktiken voranzutreiben und eine nachhaltige Entwicklung zu ermöglichen, indem sie die Bewirtschaftungs- und Erhaltungstaktiken bei reduzierter Verschwendung von landwirtschaftlichen Betriebsmitteln verbessert. Die Verabreichungssysteme von Agrochemikalien und organischen Molekülen, einschließlich des Transports von DNA-Molekülen oder Oligonukleotiden in die Pflanzenzellen, sind wichtige Aspekte der nachhaltigen landwirtschaftlichen Produktion sowie der Präzisionslandwirtschaft. Bei herkömmlichen Methoden werden Agrochemikalien in der Regel durch Sprühen und/oder Ausbringen auf die Pflanzen aufgebracht. Infolgedessen erreicht nur eine sehr geringe Anzahl von Agrochemikalien die Zielstellen der Pflanzen, die weit unter der für ein erfolgreiches Pflanzenwachstum erforderlichen minimalen Wirkkonzentration liegt. Die Verluste sind auf die Auswaschung von Chemikalien, den Abbau durch Photolyse, Hydrolyse und auch durch mikrobiellen Abbau zurückzuführen. Bei der Ausbringung von Düngemitteln sollte beispielsweise mehr Wert auf die Bioverfügbarkeit der Nährstoffe gelegt werden, die durch die Chelatbildung im Boden, den Abbau durch Mikroorganismen, Verdunstung, Überdosierung, Hydrolyse und Abflussprobleme verursacht wird. Bei der Anwendung von Pestiziden ist die Wirksamkeitsverbesserung durch das Abdriftmanagement in den Vordergrund zu stellen. Um umweltfreundliche landwirtschaftliche Praktiken zu gewährleisten, hat der jüngste Fortschritt der Nanotechnologie-basierten Synthese von Düngemitteln, Pestiziden und Herbiziden mit langsamer oder kontrollierter Freisetzung daher eine besondere Aufmerksamkeit in der landwirtschaftlichen Produktion erhalten. Im Laufe der Zeit hat sich die Nanotechnologie allmählich von den experimentellen Versuchen im Labor zu praktischen Anwendungen entwickelt. Das Ziel der kontrollierten Verabreichungstechniken ist die dosierte Freisetzung notwendiger und ausreichender Mengen von Agrochemikalien über einen bestimmten Zeitraum und die Erzielung der vollen biologischen Wirksamkeit bei gleichzeitiger Minimierung von Verlusten und schädlichen Wirkungen. Nanopartikel bieten die Vorteile einer effektiven Abgabe von Agrochemikalien aufgrund ihrer großen Oberfläche, der einfachen Anhaftung und des schnellen Stofftransfers. Aus diesen Gründen werden mikronische oder submikronische Partikel durch verschiedene Mechanismen in die Agrochemikalien eingearbeitet, wie z. B. Kapselung, Absorption, oberflächliche Anhaftung von Ionen oder schwachen Bindungen und Einschluss in die Nanomatrix der Wirkstoffe. Beispielsweise verlängert die Kapselung von Kaliumnitrat durch Graphenoxid-Filme den Freisetzungsprozess des Düngers beträchtlich, und eine solche Formulierung scheint bei einer großtechnischen Produktion zu relativ geringen Kosten möglich zu sein. Nanomaterialien verbessern die Stabilität von Agrochemikalien und schützen sie vor Abbau und anschließender Freisetzung in die Umwelt, was letztendlich die Wirksamkeit erhöht und die Mengen an Agrochemikalien reduziert.

Abgesehen von den landwirtschaftlichen Anwendungen bietet die Konvergenz der Nanotechnologie mit der Biotechnologie auch Möglichkeiten als neue Werkzeuge der molekularen Transporter, um Gene zu modifizieren und sogar neue Organismen zu produzieren. Zum Beispiel implizieren Nanobiotechnologien Nanopartikel, Nanokapseln und Nanofasern, um fremde DNA und die Chemikalien zu transportieren, die die Modifikation der Zielgene erleichtern. Bei der Einbringung von genetischem Material stehen virale Gentransportvektoren vor zahlreichen Herausforderungen, wie z. B. begrenzte Wirtsreichweite, begrenzte Größe des eingebrachten genetischen Materials, Transport durch die Zellmembran und auch das Problem des Traffickings des Zellkerns. Im Gegensatz dazu bieten die jüngsten Durchbrüche in der Nanobiotechnologie den Forschern größere Möglichkeiten, das genetische Material einer Spezies vollständig durch eine andere zu ersetzen. In der Gentechnik wurden Siliziumdioxid-Nanopartikel entwickelt, um DNA-Fragmente/-Sequenzen ohne unerwünschte Nebenwirkungen an die Zielspezies, wie Tabak- und Maispflanzen, zu liefern. Darüber hinaus wird das NP-gestützte Transportsystem auch zur Entwicklung insektenresistenter neuartiger Pflanzensorten eingesetzt. So werden beispielsweise DNA-beschichtete NPs als Geschosse in der Gen-Gun-Technologie zum Beschuss von Zellen oder Geweben eingesetzt, um die gewünschten Gene auf die Zielpflanzen zu übertragen. Die jüngsten Fortschritte in der Entwicklung von Chitosan-NPs mit eingeschlossener SiRNA als Trägermedium haben eine neue Möglichkeit der Pflanzenverbesserung eröffnet, die eine zielgerichtete Kontrolle von Schadinsekten ermöglicht, da Chitosan ein effizientes Bindungspotenzial mit RNA sowie eine Penetrationsfähigkeit durch die Zellmembranen besitzt. Zeitgenössische Fortschritte bei der spezifischen Übertragung von CRISPR/Cas9 single guide RNA (sgRNA) auf der Basis von Nanomaterialien haben eine neue Ära in der Gentechnik eingeleitet. Das CRISPR/Cas9-System, bestehend aus CRISPR-Repeat-Spacer-Arrays und Cas-Proteinen, ist ein RNA-gesteuertes Abwehrsystem in Prokaryoten und wurde bereits erfolgreich für das Genome Editing in Pflanzen eingesetzt. Die geringe Transporteffizienz ist jedoch immer noch eine große Hürde, die seine Anwendung behindert. Interessanterweise könnten Nanomaterialien das Ausmaß der Off-Target-Veränderungen minimieren, indem sie die Effizienz und Spezifität der CRISPR/Cas-Systeme verbessern. Zum Beispiel kationische Arginin-Gold-Nanopartikel.

5. Nano-Dünger: Eine effiziente Quelle für eine ausgewogene Ernährung der Pflanzen

Generell ist die Ergänzung der essentiellen Nährstoffe (Elementdüngung) zur Verbesserung der Pflanzenproduktivität und Bodenfruchtbarkeit unumgänglich. Dennoch wird das präzise Düngemittelmanagement als eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine nachhaltige landwirtschaftliche Entwicklung angesehen. Nahrung ist jedoch ein grundlegendes Menschenrecht. Die globale Ernährungssicherheit ist weltweit ernsthaft in Frage gestellt. Die Ernährungssicherheit ist unter anderem durch die Begrenzung der verfügbaren natürlichen Ressourcen bedroht. Es wird davon ausgegangen, dass die derzeitige Weltbevölkerung (sieben Milliarden) im Laufe der Zeit zunehmen und bis 2050 etwa neun Milliarden erreichen wird. Um die wachsende Bevölkerung zu ernähren, werden etwa 60-100 % mehr Nahrungsmittel benötigt. Um den erhöhten Nahrungsmittelbedarf zu decken, wird intensive Landwirtschaft betrieben, was letztendlich zu einem Teufelskreis aus Erschöpfung der Bodenfruchtbarkeit und Rückgang der landwirtschaftlichen Erträge führt. Man schätzt, dass ca. 40 % der weltweiten landwirtschaftlichen Flächen ernsthaft degradiert sind, was zu einem starken Verlust der Bodenfruchtbarkeit aufgrund dieser intensiven Anbaumethoden führt. Infolgedessen wird eine riesige Menge an Düngemitteln eingesetzt, um die Bodenfruchtbarkeit und die Produktivität der Pflanzen zu verbessern. Es wurde auch eindeutig festgestellt, dass ein Drittel der Pflanzenproduktivität auf Düngemittel zurückzuführen ist und der Rest von der Effizienz der Nutzung anderer landwirtschaftlicher Betriebsmittel abhängt. Dennoch übersteigt die Nährstoffnutzungseffizienz konventioneller Düngemittel kaum 30-40%. Die Nährstoffnutzungseffizienz konventioneller Düngemittel, z. B. für Stickstoff (N) 30-35 %, Phosphor (P) 18-20 % und Kalium (K) 35-40 %, blieb in den letzten Jahrzehnten konstant. Darüber hinaus hängt die Nährstoffnutzungseffizienz von konventionellen Düngemitteln, die direkt in den Boden eingebracht oder auf die Blätter gesprüht werden, weitgehend von der Endkonzentration der Düngemittel ab, die die Zielorte erreichen. Im wahrsten Sinne des Wortes erreicht eine sehr geringe Menge, die weit unter der gewünschten Mindestkonzentration liegt, den Zielstandort aufgrund von Auswaschungsverlusten von Chemikalien, Abdrift, Abfluss, Hydrolyse, Verdunstung, photolytischem oder sogar mikrobiellem Abbau. Als Folge davon beeinträchtigt die wiederholte Verwendung von zu viel Düngemitteln das inhärente Nährstoffgleichgewicht des Bodens. Außerdem werden die Gewässer durch die Auswaschung von giftigen Stoffen in Flüsse und Wasserreservoirs stark verschmutzt, was auch die Verunreinigung des Trinkwassers zur Folge hat. Es wurde berichtet, dass Anfang 1970 nur 27 kg NPK ha-1 benötigt wurden, um eine Tonne Getreide zu produzieren, während es im Jahr 2008 auf 109 kg NPK ha-1 gestiegen ist, um das gleiche Produktionsniveau zu erreichen. Nach Angaben der International Fertilizer Industry Association (IFIA) ist der weltweite Düngemittelverbrauch stark angestiegen, und es wurde prognostiziert, dass der weltweite Bedarf bis zum Jahr 2016-2017 192,8 Mio. t erreichen wird. Von diesen großen Mengen an konventionellen Düngemitteln verbleibt ein großer Teil der Chemikalien im Boden oder kann in die anderen Umweltkompartimente gelangen, was zu einer starken Umweltverschmutzung führt, die das normale Wachstum von Flora und Fauna beeinträchtigen kann.
Die Verwendung von technisch hergestellten Nanomaterialien im Rahmen einer nachhaltigen Landwirtschaft hat einen völlig neuen Weg der Nahrungsmittelproduktion aufgezeigt, der möglicherweise die Unsicherheiten im Pflanzenbau mit begrenzten verfügbaren Ressourcen überwinden könnte. Die Revolution der grünen Nanotechnologie hat die globale Landwirtschaft dramatisch verändert und Nanomaterialien als Nanodünger haben das Versprechen geweckt, die Projektion des globalen Nahrungsmittelbedarfs und auch die nachhaltige Landwirtschaft zu erfüllen. Um den Makro- und Mikronährstoffmangel durch eine verbesserte Effizienz der Nährstoffnutzung zu lindern und das chronische Problem der Eutrophierung zu überwinden, können Nanodünger eine beste Alternative sein. Nanodünger, die gezielt synthetisiert werden, um die Freisetzung von Nährstoffen in Abhängigkeit vom Bedarf der Pflanzen zu regulieren und gleichzeitig Differenzverluste zu minimieren, haben ein immenses Potenzial. Konventionelle Stickstoffdünger zum Beispiel zeichnen sich durch enorme Verluste aus dem Boden durch Auswaschung, Verdunstung oder sogar den Abbau von bis zu 50-70% aus, was letztlich die Effizienz der Düngemittel reduziert und die Produktionskosten erhöht. Auf der anderen Seite synchronisieren Nanoformulierungen von stickstoffhaltigen Düngemitteln die Freisetzung von Dünger-N mit dem Aufnahmebedarf durch die Pflanzen. Dementsprechend verhindern Nanoformulierungen unerwünschte Nährstoffverluste durch direkte Internalisierung durch die Pflanzen und vermeiden dadurch die Wechselwirkung der Nährstoffe mit Boden, Wasser, Luft und Mikroorganismen. So reduziert der Einsatz von porösen Nanomaterialien wie Zeolithen, Ton oder Chitosan die Stickstoffverluste deutlich, indem die bedarfsgerechte Freisetzung reguliert und die Pflanzenaufnahme verbessert wird. Ammoniumgeladene Zeolithe haben das Potenzial, die Löslichkeit von Phosphatmineralien zu erhöhen und damit eine verbesserte Phosphorverfügbarkeit und -aufnahme durch Nutzpflanzen aufzuweisen. Graphenoxid-Filme, ein Nanomaterial auf Kohlenstoffbasis, können den Prozess der Kaliumnitratfreisetzung verlängern, was die Funktionsdauer verlängert und Verluste durch Auswaschung minimiert. Außerdem zeigten sie, dass Nanomaterialien in der Pflanzenproduktion ein größeres Potenzial haben als herkömmliche Düngemittel. Sie zeigten, dass die Anwendung von Nanocalcit (CaCO3-40%) mit Nano-SiO2 (4%), MgO (1%) und Fe2O3 (1%) nicht nur die Aufnahme von Ca, Mg und Fe verbesserte, sondern auch die Aufnahme von P mit den Mikronährstoffen Zn und Mn deutlich erhöhte. Es gibt viele verschiedene Formen von Nanodüngern. Basierend auf ihren Wirkungen können Nanodünger als Kontroll- oder Langzeitdünger, Kontrollverlustdünger, Magnetdünger oder Nanokompositdünger als kombinierte Nanovorrichtung klassifiziert werden, um eine breite Palette von Makro- und Mikronährstoffen in wünschenswerten Eigenschaften zu liefern. Nanodünger werden hauptsächlich durch die Verkapselung von Nährstoffen mit Nanomaterialien hergestellt. Die anfänglichen Nanomaterialien werden sowohl mit physikalischen (top-down) als auch mit chemischen (bottom-up) Ansätzen hergestellt, danach werden die gewünschten Nährstoffe in nanoporösen Materialien eingekapselt oder mit einem dünnen Polymerfilm beschichtet oder als Partikel oder Emulsionen in Nanogröße geliefert, wie es für kationische Nährstoffe (NH4+, K+, Ca2+, Mg2+) oder nach Oberflächenmodifikation für anionische Nährstoffe (NO3-, PO4-, SO4-) der Fall ist.

Die landwirtschaftliche Produktion kann durch ein ausgewogenes Düngemittelmanagement, Bewässerung und die Verwendung von Qualitätssaatgut um 35-40 % gesteigert werden. Es wurde eifrig beobachtet, dass die Anwendung von nanoformulierten Düngemitteln ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Pflanzenproduktivität hat. Zum Beispiel kann die Verwendung von Kohlenstoff-Nanopartikeln zusammen mit Dünger die Kornerträge von Reis (10,29 %), Frühjahrsmais (10,93 %), Sojabohnen (16,74 %), Winterweizen (28,81 %) und Gemüse (12,34-19,76 %) erhöhen. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung von Chitosan-NPK-Dünger den Ernte-Index, Ernte-Index und Mobilisierungs-Index der ermittelten Weizen-Ertragsvariablen im Vergleich zu den Kontroll-Ertragsvariablen signifikant erhöht. Nanomaterialien stimulieren eine Reihe von lebenswichtigen Facetten der Pflanzenbiologie, da die Wurzel- und Blattoberflächen der Pflanzen die Hauptnährstoffschleusen der Pflanzen sind, die im Nanomaßstab hochporös sind. Folglich kann die Anwendung von Nanodünger die Nährstoffaufnahme von Pflanzen durch diese Poren verbessern oder der Prozess kann die Komplexierung mit molekularen Transportern oder Wurzelexsudaten durch die Schaffung neuer Poren oder durch die Ausnutzung von Endozytose oder Ionenkanälen erleichtern. Darüber hinaus wurde in einer Vielzahl von Untersuchungen eindeutig festgestellt, dass die Verkleinerung von Nanomaterialien die Erhöhung des Oberflächenmassenverhältnisses der Partikel ermöglicht, was zur Folge hat, dass eine große Menge an Nährstoffionen langsam und kontinuierlich über einen längeren Zeitraum adsorbiert und desorbiert wird. Auf diese Weise gewährleisten die Nanoformulierungen von Düngemitteln eine ausgewogene Ernährung der Pflanzen während des gesamten Wachstumszyklus, was letztendlich die landwirtschaftliche Produktion verbessert. Es ist anzumerken, dass die erhöhte Effizienz eines Produktes die Landwirte dazu anregen kann, das Produkt gewinnbringender einzusetzen.

Als vielversprechendes interdisziplinäres Forschungsgebiet hat die Nanotechnologie in der Landwirtschaft ihre enorme Bedeutung erlangt. Neben den Makronährstoffen spielen auch Mikronährstoffe wie Mangan, Bor, Kupfer, Eisen, Chlor, Molybdän, Zink eine wesentliche Rolle bei der stetigen Steigerung der Pflanzenproduktivität. Zahlreiche Faktoren, wie z. B. der pH-Wert des Bodens (Alkalität oder saurer Zustand), begünstigen jedoch bei extensiver landwirtschaftlicher Praxis deren Mangel in der Pflanzenproduktion. Der Mangel an Mikronährstoffen vermindert nicht nur die Produktivität von Nutzpflanzen, sondern beeinträchtigt auch die menschliche Gesundheit durch den Verzehr von Lebensmitteln mit Mikronährstoffmangel. Eisenmangel beispielsweise verursacht Anämie, Wachstumsstörungen, Probleme mit der reproduktiven Gesundheit und sogar eine verminderte kognitive und körperliche Leistungsfähigkeit beim Menschen. Im Gegensatz dazu würde die Supplementierung von nanoformulierten oder in Nanoform eingeschlossenen Mikronährstoffen zur langsamen oder kontrollierten Freisetzung von Nährstoffen den Aufnahmeprozess durch Pflanzen stimulieren, das Wachstum und die Produktivität von Nutzpflanzen fördern und auch zur Erhaltung der Bodengesundheit beitragen. Zum Beispiel beeinflusst die Anwendung von Nano-Zinkoxid in niedrigen Dosen in zinkarmen Böden das Wachstum und die physiologischen Reaktionen, wie die Spross- und Wurzelverlängerung, das frische Trockengewicht und die Photosynthese bei vielen Pflanzenarten im Vergleich zur Kontrolle positiv. Es wurde auch gezeigt, dass die Anwendung von Zinkoxid-Nanopartikeln mit anderen Düngemitteln in zinkarmen Böden nicht nur die Nährstoffausnutzung fördert, sondern auch die Produktivität von Gerste um 91 % im Vergleich zur Kontrolle erhöht, während traditionelles ZnSO4 in großen Mengen die Produktivität um 31 % im Vergleich zur Kontrolle erhöht.

Wissenschaftliche Innovationen sind auf die Verbesserung des menschlichen Wohlergehens ausgerichtet. Ebenso zielen Pflanzenwissenschaftler darauf ab, die natürliche genomische Vielfalt verschiedener domestizierter Nutzpflanzen wiederherzustellen und Technologien zur Verringerung des Düngerverbrauchs zu verbessern, ohne die Produktivität der Pflanzen und eine nachhaltige Umwelt zu beeinträchtigen. Im Zuge dessen wird in der nachhaltigen Landwirtschaft ein neuer Begriff, „Kontrollverlustdünger“, verwendet. Diese Art von Düngemitteln wurde entwickelt, um die punktuelle Verschmutzung durch Inputs in der Landwirtschaft zu reduzieren, die durch die Bildung eines Nanonetzwerks durch Selbstorganisation bei Kontakt mit Wasser im Boden funktionieren. Die eingeschlossenen Nährstoffe des Düngers gelangen über Wasserstoffbrücken, Oberflächenspannung, molekulare Kraft oder viskose Kraft in das Bodennetzwerk. Infolgedessen vergrößert sich ihre räumliche Skala, so dass sie leicht durch die Bodenfiltration blockiert werden und im Boden um die Pflanzenwurzeln herum fixiert bleiben, was die Nährstoffaufnahme durch die Pflanzen erleichtert, um die Anforderungen während des Wachstumszyklus zu erfüllen. Ein solcher neuartiger Ansatz wurde zum Beispiel erfolgreich eingesetzt, um die Transferrate von Stickstoff in die Umwelt zu reduzieren. Es wurde auch gezeigt, dass die Anwendung von Düngemitteln mit Kontrollverlust nicht nur den Stickstoffabfluss und den Auswaschungsverlust um 21,6 % und 24,5 % verringert, sondern auch einen Anstieg des mineralischen Reststickstoffs im Boden um 9,8 % zusammen mit einer um 5,5 % gesteigerten Weizenproduktion im Vergleich zu herkömmlichen Düngemitteln bewirkt. Obwohl eine Reihe von Forschungsarbeiten zu diesem Thema veröffentlicht wurden, sind die Informationen und Forschungen über das breitere Potenzial noch unzureichend. Daher sollten weitere Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um neue und vielversprechende Ansätze zu erforschen, die die Migration anderer Makro- und Mikronährstoffe als Schadstoffe im Mikrobereich in die Umweltmatrix kontrollieren können.

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.

Autorin: Dr. rer. nat. Patricia Lefèvre, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, Dijon

Nanohybride in der Medizin

Die Heilung von Krebs ist nach wie vor eine der großen Herausforderungen der Medizin. Viel wurde schon erreicht. Dennoch müssen die derzeit verwendeten Methoden weiter verbessert werden. Nanotechnologie verspricht einen wesentlichen Beitrag dafür.

Autorin Dr. rer. nat.Patricia Lefèvre

Bösartige Tumore müssen entfernt werden, um ein weiteres Ausbreiten der Krebszellen zu verhindern. Hier greifen Doxorubicin die Tumorzellen an und zerstören sie gezielt. Die heute Medizin kennt dafür verschiedene Verfahren, die jedoch alle mit starken Nebenwirkungen durch die Chemotherapie verbunden sind. Eine gezielte Bestrahlung der Tumore mit radioaktiver Strahlung, Röntgenstrahlen oder Mikrowellen zerstört zwar die Krebszellen, alerdings lässt sich die Bestrahlung nicht so zielgenau einsetzen. So wird schließlich auch gesundes Gewebe zerstört. Das molekulare Drug-Targeting ist zwar vielversprechend, leidet aber unter den hohen Kosten, der Aktivierung des Immunsystems und der
reduzierte Verweildauer im Blut noch nicht das non plus ultra.

In Laboratorien auf der ganzen Welt wird seit über 25 Jahren auf diesem Gebiet geforscht und es kommen immer mehr neue „Bausteine“ hinzu.
Die Nanotechnologie mit ihren sogenannte Magnetflüssigkeits-Hyperthermie (Eisenoxid-Nanopartikeln, auch IONPs genannt), stehen kurz vor der weltweiten Zulassung in der Krebstherapie.
Die IONPs werden durch Injektionen in den Körper gespritzt und durch die spezielle biochemische Oberfläche dieser Partikel betrachten die gefräßigen Krebszellen sie als Nährstoff. Hat sich die gesamte Krebsgeschwulst schließlich mit Nanopartikeln „vollgefressen“, schalten die Mediziner ein neu entwickeltes Magnetfeldtherapie-System ein.
Das für den Menschen ungefährliche Magnetwechselfeld erwärmt die Nanopartikel, nicht aber das gesunde Gewebe. Die Krebszellen bekommen dadurch hohes Fieber und sterben ab. Für ihre Beseitigung sorgt dann der menschliche Körper selbst. Die Nanopartikel werden ausgeschieden und über den normalen Stoffwechsel abgebaut.

Krebs wird auch durch Chemotherapie bekämpft. Dabei werden Stoffe verwendet, die ihre Wirkung möglichst gezielt auf Krebszellen ausüben und diese abtöten oder in ihrem Wachstum hemmen. Aber auch normale Körperzellen können – wenn auch weniger stark – von der Chemotherapie geschädigt werden.

Die Nanotechnologie könnte langfristig dafür sorgen, dass Medikamente direkt und ausschließlich an erkrankte Zellen abgegeben werden. Solche Medikamentenfähren unterscheiden chemisch die Oberflächen erkrankter Zellen von denen gesunder. Sie docken dann am kranken Gewebe an und geben den Wirkstoff direkt an die einzelne Zelle ab.

Nanotechnologie verspricht aber nicht nur für die Krebstherapie große Fortschritte. Auch bei der Implantation von Zähnen oder erkrankten Gelenken, beispielsweise von Hüftgelenken, helfen die winzig kleinen Partikel.

Das Einsetzen künstlicher Zähne in den Kiefer ist ein großer Fortschritt gegenüber den in der Vergangenheit unvermeidlichen Zahnprothesen. Allerdings kommt es noch immer häufig zu Abstoßungsreaktionen, die das Einwachsen des Implantats verhindern. Es kann zu Entzündungen und Komplikationen kommen. Zähne sind beim Kauen besonderen Belastungen ausgesetzt und müssen daher sehr fest einwachsen.

Auch hier kommt die Nanotechnologie ins Spiel. Studien deuten darauf hin, dass bioaktive Moleküle einer nanotechnologisch hergestellten Oberfläche des Implantats eine sanfte Einbettung. Die extrem dünne knochenähnliche Beschichtung enthält Substanzen, die Knochenzellen an sich binden und dadurch verbinden sich die Implantate schneller mit dem Kieferknochen und wachsen so fester und dauerhafter ein.

Dies sind nur wenige Beispiele für die ungeahnten Möglichkeiten, die die Nanotechnologie für die Gesundheit eröffnen wird. Große Erwartungen bestehen beispielsweise auch für neue diagnostische Verfahren durch Nanopartikel, die sich gezielt an bestimmten Organe oder Zellen anlagern.

Dr rer. nat. Patricia Lefèvre, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, Dijon, 16. Juni 2021

Was ist Nanotechnologie

Zwei Dinge sind unendlich, das Universum und die menschliche Dummheit, aber bei dem Universum bin ich mir noch nicht ganz sicher.“ Zitat von Albert Einstein

Autorin Dr. rer.nat. Patricia Lefèvre

Nun, der gute Albert möge zu seiner Zeit damit völlig recht gehabt haben – er kannte die Nanotechnologie noch nicht.

Was ist überhaupt Nanotechnologie?

Die Nanotechnologie ist die Manipulation und Herstellung von Materialien und Geräten auf der Skala von Atomen oder kleinen Gruppen von Atomen. Die „Nanoskala“ wird typischerweise in Nanometern oder Milliardstel Metern gemessen (nanos, das griechische Wort für „Zwerg“, ist der Ursprung der Vorsilbe), und Materialien, die in diesem Maßstab hergestellt werden, weisen aufgrund quantenmechanischer Effekte oft besondere physikalische und chemische Eigenschaften auf.

Es gibt auf der Welt keinen breiteren Forschungs- und Einsatzbereich als die Nanotechnologie. Dieser geht von Optik/Mikroelektronik, Informationstechnologie, Lebensmittel, Pflanzenschutz und Wachstum über die Pharmazie und Kosmetika, weiter in die Biotechnologie, Automobilindustrie bis hin zur Luft-und Raumfahrt.

Milliarden mikroskopisch kleiner „Nanowhisker“, die jeweils etwa 10 Nanometer lang sind, werden molekular an natürliche und synthetische Fasern angehängt, um zum Beispiel Kleidung und andere Stoffe: wie Folien, Farben oder auch Pfannen schmutzabweisend zu machen – der sogenannte Lotuseffekt.

In Kosmetika Produkten werden Zinkoxid-Nanokristalle verwendet um unsichtbare Sonnenschutzmittel herzustellen, um ultraviolettes Licht zu blockieren.

Auch findet sich in jedem handelsüblichen Pflaster Silber-Nanokristalle. Diese töten Bakterien ab und verhindern Infektionen.

In Lebensmitteln müssen Nanopartikel ab 2014 gekennzeichnet sein. Dazu später mehr.

Ein Milliarden Geschäft

Der weltweite Umsatz mit Nanotechnologie beträgt heute schon mehr als 200 Mrd. Euro und wird in den nächsten Jahren deutlich über 1000 Mrd. Euro ansteigen. Dieser astronomische Wert wird den Schwerpunkt in der Elektro- Fahrzeugbau und Pharmaindustrie haben.

In Asien, Europa und USA gibt es beachtliche Förderprogrammen und Mittel, um die Nanotechnologie noch weiter voran zu bringen. Europa ist jetzt schon Vorreiter im Bereich Chemie und Materialien, wie zum Beispiel Leichtlauföle für Motoren, Turbinen oder Getriebe enthalten Nano-Additive. Diese Additive stabilisieren den Ölfilm und verbessern die Schmiereigenschaften.

Die ESA (European Space Agency) mit ihren Trägerraketen, Umweltsatelliten und Mars-Sonden sowie das Columbus-Forschungslabor auf der Internationalen Raumstation (ISS) nutzen die besonderen Möglichkeiten der Nanotechnologie.

Die Risiken der Nanotechnologie

Bei all diesen Höhenflüge muss und sollte man auch auf dem Boden bleiben.

Zwar ermöglicht die Nanotechnologie unglaublich Chancen neuer Materialien, Werkstoffe und Märkte, wie bei allen neuartigen Technologien, muss man sich auch den Risiken dieser Technologie bewusst sein. Noch sind die sogenannten visionären Risiken in weiter Zukunft. Aber gerade im Bereich der KI (Künstliche Intelligenz) liegt ein Potential welches auch ganz schnell aus dem Ruder laufen kann. Durch die Verwendung von Nanopartikel in Kleidung und Waschmittel, sollte man auch deren Risiken für Menschen und Umwelt beachten. Hierzu gibt es auch schon viele Studien die mittlerweile Nanopartikel in zum Beispiel Fischen nachgewiesen haben. Auch sollte man die nanopartikulären Stäube für ernst nehmen. Diese sind gleich mit Dieselruß bzw. Asbest zu setzen.

Nanopartikel in Lebensmittel

Unter dem Begriff „Nano-Lebensmittel“ sind Lebensmittel aufgeführt, die durch Anbau, Herstellung, Verarbeitung oder Verpackung Nanomaterialien enthalten. Diese können und sind in verschiedenen Bereichen der Landwirtschaft, der Lebensmittelverarbeitung und Verpackung.

In Titandioxid, welches als Weißpigment oder Siliziumdioxid, dass als Rieselhilfe verwendet wird, sind Nanopartikel enthalten. Gleiches gilt für Carotinoide. Carotinoide sagt schon das Wort und steht für Farbstoffe.

IIn Kapselform von Medikamente bis hin zu Sinnlosen „gesunde“ Multi-Vitamin Dragees oder Nahrungsergänzungsmittel, wie zum Beispiel: Nanosilber, Koenzym Q10  sind Nanopartikel zu finden.

Zucker galt lange als Grundstoff für Geschmachsträger in Limonade, Marmelade oder Schokolade. Durch den Einsatz von Nanopartikel hat man stärkeren Geschmacks- und Farbstoff erreicht, der zum einen die Lebensmittelzusätzen und Verarbeitungshilfen beschleunigt und zum anderen die Kosten für Inhaltsstoffe und Verarbeitung senkt.

Des weiteren sind in Küchenartikel, denen Inhalt länger frisch bleiben sollen Nano – materialien zugesetzt, um etwa eine antibakterielle Wirkung oder Verpackun- gen mit Barrierewirkung gegen Gase und Feuchtigkeit zu schützen.

Die Nanotechnologie ist älter als der Mensch.

Die Nanotechnologie ist älter als der Mensch

Autorin Dr. rer.nat. Patricia Lefèvre

Die frühe Forschung der Nanotechnologie begann simple mit einer Klette. Wir alle kennen dem Begriff „Nano“ aus Textilien, Farbe (Lotuseffekt) und Klettverschluss. Im 21. Jahrhundert ist diese Technologie nicht mehr weg zu denken. Tablets, Smartphones, Computern, Flugzeug- und Autobau. Fast die komplette Wissenschaft und Forschung rund um Raumfahrt ist ohne Nanomaterialien gar nicht möglich.

Nun aber von der ISS zurück auf die Fluren und Wiesen unserer bekannten Umgebung.

Die Klette nutzt eine raffinierte Art der Verbreitung: Ihre Früchte verfügen über winzige, elastische Häkchen, die sich im Fell von umher streifenden Tieren verankern. So gelangen die Früchte an weit entfernte Orte. Dies fiel dem belgischen Ingenieur George de Mestral, der oft lange Spaziergänge mit seinem Hund unternahm, auf. De Mestral betrachtete die kleinen Kügelchen unter dem Mikroskop und entdeckte das Prinzip der reversiblen Verbindung zweier Materialien – 1951 meldete er seinen künstlichen Klettverschluss zum Patent an. Der Klettverschluss ist also eine Erfindung der Natur.

Der textile Klettverschluss bestand zunächst aus schlaufenförmigen Ösen und Widerhaken auf beiden Verbindungsteilen. Heute befinden sich die Haken auf der einen Seite und die Ösen auf der anderen Seite des Verschlusses. Allerdings haben diese Klettverschlüsse den Nachteil, dass sie mit der Zeit verschleißen.

Nano-Klettverschluss bei Libellen Libellen bedienen sich ebenfalls einer Art Klettverschluss, um ihren verhältnismäßig großen Kopf aufrecht zu halten. Die Verbindung zwischen Kopf und Brustsegment verfügt über feine Härchen. Aus Richtung Kopf und Brust schieben sich diese Aretierungshärchen ineinander und fixieren so den schweren Kopf der Libelle. Die Verbindung hält extrem fest, da die Enden der Härchen verdickt sind und so besonders gut aneinander haften. Natürlich ist die Libelle in der Lage, diese Verbindung immer wieder zu lösen, sonst könnte sie ihren Kopf nicht bewegen.

Der Haftmechanismus bei Insekten und Geckos Fliegen und andere Tiere, die an Wänden und Decken haften und auf ihnen entlang laufen können, besitzen – entgegen früherer Annahmen – keineswegs Saugnäpfe an den Füßen. Unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennt man viele kleine Haare. Die Anzahl der Härchen nimmt mit der Größe, also mit dem Körpergewicht, des Tieres potentiell zu. Gleichzeitig nehmen die Durchmesser der Härchen ab. So besitzt beispielsweise ein etwa 40 Zentimeter großer Gecko Billionen von Hafthärchen mit Durchmessern im Bereich von wenigen Nanometern. Zum Vergleich: Ein Nanometer entspricht in etwa einem Fünfzig Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.

Der Haftmechanismus beruht auf den Van-der-Waals-Wechselwirkungskräften. Bei ihnen handelt es sich – im Vergleich zu den Atom- und Ionenbindungskräften – um recht schwache zwischenmolekulare Kräfte. Die Bindungskräfte resultieren aus kurzzeitigen Dipolen. Das sind unsymmetrische Ladungsverteilungen an einzelnen Teilchen. Treffen diese Dipole aufeinander, so zieht die positive Hälfte eine negative Hälfte eines anderen Dipols an und umgekehrt. Einzeln betrachtet sind diese Kräfte gering, doch in einer großen Vielzahl erzeugen sie eine enorme Haftkraft. Diese ist so groß, dass die Tiere ein Vielfaches ihres eigenen Körpergewichtes halten können.

Ein kleiner Trick erlaubt es den an Wänden und Decken haftenden Tiere, die Haftverbindung zum Untergrund sehr schnell zu lösen: Der Gecko hebt seinen Fuß so geschickt ab, dass sich die einzelnen Härchen nacheinander von der Oberfläche lösen – ähnlich der Technik, die man anwendet, um einen Klebestreifen wieder abzulösen.

Viele Insekten, wie zum Beispiel Holzbienen, paaren sich im Flug. Um optimalen Halt beim Partner zu finden, setzten sie ebenfalls auf Hafthärchen: Das Bienen-Männchen verankert sich mit feinen Haarschlaufen auf seinen Hinterbeinen in den Borsten auf dem Rücken seiner Partnerin. An dem mittleren Beinpaar besitzen männliche Bienen ebenfalls Hafthärchen, die dem Haftmechanismus des Geckos entsprechen.

Damit beispielsweise ein Menschen mit einem Körpergewicht von etwa 75 Kilogramm eine Wand mit der Nano-Klettverschluss-Technik erklimmen kann, müssen die einzelnen Hafthärchen an Händen und Füßen 10 bis 20 Nanometer im Durchmesser betragen. Technisch erreicht man bislang jedoch „nur“ rund 200 Nanometer. Mögliche Anwendungsgebiete für Nano-Klettverschlüssen stellen sowohl Kletterroboter als auch Befestigungs- und Verbindungstechniken dar.