Eines der dringendsten Probleme, mit denen die Welt im Zeitalter des Klimawandels konfrontiert ist, besteht darin, genügend gesunde Lebensmittel anzubauen, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, selbst wenn die Bodenverschmutzung zunimmt. Recherche kürzlich veröffentlicht In Naturnahrung Eine Studie eines internationalen Wissenschaftlerteams unter der Leitung der University of Massachusetts Amherst, der Guangdong University of Technology und der Central South University of Forestry and Technology hat gezeigt, dass Nährstoffe im Nanometerbereich nicht nur einige der schlimmsten Auswirkungen von Schwermetallen und Metalloiden abschwächen können Verunreinigungen, erhöhen aber die Ernteerträge und den Nährstoffgehalt.
„Ein Großteil des Ackerbodens auf der Welt ist durch Schwermetalle wie Cadmium, Blei und Quecksilber sowie Metalloide wie Arsen und Selen kontaminiert“, sagt Baoshan Xing, University Distinguished Professor und Direktor der Stockbridge School of Agriculture an der UMass Amherst.
Xing, der auch der leitende Autor des Papiers ist, stellt fest, dass eine solche Kontamination die Fähigkeit, Grundnahrungsmittel anzubauen, stark belastet, was sich auch auf den Nährwert der überlebenden Pflanzen auswirkt.
„Wir müssen Lösungen finden, um die Schwermetalle, die in unserer Nahrung landen, zu reduzieren“, sagt Xing, und ein Ansatz, der sich als vielversprechend erwiesen hat, ist die Verwendung von Nährstoffen im Nanomaßstab oder das, was er eine „nanofähige“ Landwirtschaft nennt .
Die Massendünger, mit denen Sie vielleicht besser vertraut sind, bestehen aus großen Partikeln, die von der Pflanze nicht so schnell aufgenommen werden. Das bedeutet, dass die Landwirte mehr ausbringen müssen, was wiederum dazu führt, dass mehr Dünger in Bäche, Seen und das Meer abfließt. Allerdings können Pflanzennährstoffe im Nanometerbereich speziell für bestimmte Kulturen, Wachstumsbedingungen und Anwendungsmethoden entwickelt und gemischt und so konstruiert werden, dass die Zielpflanze die Nährstoffe am effizientesten in ihr System aufnehmen kann, wodurch die Menge an benötigtem Dünger reduziert wird. Kosten niedrig halten und Abflüsse begrenzen.
Obwohl Nanomaterialien bereits auf dem Agrarmarkt erhältlich sind und es zahlreiche von Experten begutachtete wissenschaftliche Untersuchungen zu ihren Auswirkungen auf den Boden und das Pflanzenwachstum gibt, ist die Forschung von Xing und seinen Kollegen die erste umfassende Darstellung der Wirksamkeit von Nanomaterialien als Klasse Ergebnisse, die praktische Einblicke bieten, um eine nachhaltige Landwirtschaft und globale Lebensmittelsicherheit zu steuern.
„Wir haben Daten aus 170 früheren Veröffentlichungen zur Wirksamkeit von Nanopartikeln bei der Reduzierung der Aufnahme von Schwermetallen und Metalloiden gesammelt“, sagt Chuanxin Ma, der Co-Hauptautor des Papiers, der seine Doktorandenausbildung an der Stockbridge School of Agriculture der UMass Amherst abgeschlossen hat und jetzt Professor ist an der Guangdong University of Technology in China. „Aus diesen 170 Arbeiten haben wir 8.585 experimentelle Beobachtungen darüber gesammelt, wie Pflanzen auf Nanomaterialien reagieren.“
Anschließend führte das Team eine Metaanalyse dieser enormen Datenmenge durch und ließ sie durch eine Reihe von Modellen des maschinellen Lernens laufen, um die Wirkung von Nanomaterialien auf das Pflanzenwachstum und die Metall- und Metalloidaufnahme zu quantifizieren, bevor es schließlich einen flexiblen quantitativen Ansatz testete, der als bekannt ist die IVIF-TOPSIS-EW-Methode, die aufzeigen kann, wie verschiedene Arten von Nanomaterialien entsprechend einer Reihe realistischer landwirtschaftlicher Szenarien ausgewählt werden können.
Die Ergebnisse zeigen, dass Nanomaterialien die schädlichen Auswirkungen verschmutzter Böden wirksamer abschwächen (um 38,3 %), die Ernteerträge (um 22,8 %) und den Nährwert dieser Pflanzen (um 30 %) steigern können als herkömmliche Düngemittel Bekämpfung von Pflanzenstress (um 21,6 %) aufgrund von Metall- und Metalloidverschmutzung. Nanomaterialien tragen auch dazu bei, Bodenenzyme und organischen Kohlenstoff zu erhöhen, die beide zur Förderung der Bodenfruchtbarkeit beitragen.
„Natürlich sind Nanomaterialien kein Allheilmittel“, erklärt Xing. „Sie müssen je nach Kulturpflanze und Boden auf unterschiedliche Weise angewendet werden.“
Hier kommt die IVIF-TOPSIS-EW-Methode des Teams ins Spiel.
„Unsere Methode kann politischen Entscheidungsträgern helfen, die beste Vorgehensweise für ihre spezielle Situation zu wählen“, sagt Ma.
Weitere Informationen:
Yini Cao et al.: Konstruierte Nanomaterialien reduzieren die Ansammlung von Metall(oiden) und verbessern die Grundnahrungsmittelproduktion für eine nachhaltige Landwirtschaft. Naturnahrung (2024). DOI: 10.1038/s43016-024-01063-1