کاربرد گرافن در کشاورزی

در این بخش به کاربرد گرافن در کشاورزی و فواید آن خواهیم پرداخت:

روشن است که گرافن به دلیل خصوصیاتش می تواند در بخش‌های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. اینها عمدتاً شامل کشاورزی (مانند محصولات بزرگ با ارتباط بالا مانند قهوه)، صنایع غذایی و محیط زیست، به عنوان محرک رشد گیاه و در کودها، نانوکپسولاسیون و سیستم‌های رهاسازی هوشمند، عوامل ضد قارچی و ضد باکتریایی، بسته‌بندی هوشمند، تصفیه و اولترافیلتراسیون آب ، حذف آلاینده ها، سنجش کمی آفت کش ها و حشره کش ها، سیستم های تشخیص و کشاورزی دقیق است.

گرافن با بهبود عملکرد محصولات زراعی، کاهش مصرف آب و افزایش کیفیت خاک، پتانسیل ایجاد انقلابی در کشاورزی را دارد.

گرافن در کشاورزی علاوه بر این که دوستدار محیط زیست است و تعاملات خوبی با محیط دارد، به عنوان یک ماده تجدید پذیر در نظر گرفته می شود، زیرا به ذخایر طبیعی برای تولید بستگی ندارد.

ار کاربردهای گرافن در کشاورزی که می توان به آن ها اشاره کرد، عبارت است از:

آ. نانوکپسوله سازی و سیستم های رهاسازی هوشمند

اگرچه کودها در کشاورزی مدرن ضروری هستند، اما با توجه به زیان های وارده به محیط زیست، کارایی استفاده از آنها همچنان نیاز به افزایش دارد.

از این نظر، استفاده از گرافن در کشاورزی و توسعه کودهای آهسته رهش جدید می تواند جایگزین مهمی برای کاهش این تلفات باشد به عنوان مثال، محصول قهوه یکی از محصولاتی است که در حال حاضر از مقادیر زیادی کودهای آهسته رهش در مقیاس بزرگ استفاده می کند. اکسید گرافن از یک لایه با بار منفی تشکیل شده است که قادر به حفظ ریز مغذی های کاتیونی مانند روی (Zn)  و مس (Cu)  یا آنیون هایی مانند فسفات با بار منفی است. برای این منظور، GO با آهن (Fe) درمان می شود. بنابراین، رهاسازی این عناصر غذایی کندتر از کودهای محلول است و بهتر می تواند به نیازهای گیاهان کشت شده پاسخ دهد.

مشخص شده است که در پوشاندن گرانول های کود، یک لایه گرافن می تواند مقاومت فیزیکی آنها را افزایش داده و از آسیب اصطکاک و تخریب در حین ساخت، حمل و نقل و کاربرد جلوگیری کند. علاوه بر این، افزودن GO در فرآیند کپسولاسیون کودهای آهسته رهش ممکن است جایگزینی برای این بخش باشد و از اتلاف و مصرف بیش از حد جلوگیری کند. در این زمینه، GO را می توان در محصولات با ارزش افزوده بالا، مانند سبزیجات، میوه ها یا قهوه استفاده کرد.

انتشار آهسته‌تر فسفر با استفاده از کامپوزیت GO-Fe-P حاصل می‌شود و در نتیجه امکان شستشوی فسفر محلول را در مقایسه با کود تجاری مونوآمونیوم فسفات(MAP)  کاهش می‌دهد. برای نیترات پتاسیم، پس از کپسوله شدن کود با فیلم های GO، فرآیند آزادسازی مواد مغذی به مدت 8 ساعت در آب تمدید می شود.

ب. محرک رشد گیاه و کود

استفاده از گرافن در کشاورزی می تواند سرعت جوانه زنی و تحریک رشد را افزایش دهد، اما بسته به عوامل مختلفی مانند زمان قرار گرفتن در معرض، غلظت، اندازه ذرات، گونه های گیاهی و غیره می تواند اثرات متناقضی نیز داشته باشد. بنابراین، تحقیقات بیشتر برای تعیین غلظت مناسب برای بهبود رشد گیاه بدون ایجاد سمیت گیاهی و تغییرات منفی محیطی ضروری است.

ج عوامل ضد قارچ و ضد باکتری

یکی دیگر از کاربرد های گرافن در کشاورزی این است که این ماده دارای فعالیت ضد قارچی است که آن را به یک محصول عالی برای توسعه قارچ کش های جدید تبدیل می کند. اکسید گرافن کاهش یافته این پتانسیل را دارد که از رشد میسلیوم سه قارچ – Aspergillus oryzae، Fusarium oxysporum و Aspergillus niger   از طریق آسیب ایجاد شده به غشای میکروبی، القایی تغییرات در انتقال الکترون و استرس اکسیداتیو ناشی از فعالیت ضد میکروبی GO جلوگیری کند.

علاوه بر این، گرافن دارای سمیت سلولی قوی بر روی باکتری ها است. اشریشیا کلی و سودوموناس آئروژینوزا دو نوع قارچ هستند که رشد آنها توسط نانوذرات GO و rGO مهار می شود، به طوری GO کاهش نیافته سمیت کمتری نسبت به همتای خود که با هیدرازین کاهش یافته است، دارد.

از موارد دیگری که می توان به آن اشاره کرد غیرفعال شدن R. solanacearum به دلیل پارگی غشای سلولی در اثر فعالیت ضد باکتریایی گرافن در اشکال مختلف آماده سازی آن است که منجر به آزاد شدن محتوای سیتوپلاسمی سلول باکتری می شود. فعالیت ضد باکتریایی ممکن است به اندازه ورق GO بستگی داشته باشد. ورقه‌های بزرگ GO نسبت به برگ‌های کوچک GO اثر ضد باکتریایی کمتری دارند.

د. احیای خاک

گرافن می تواند با افزایش کیفیت خاک و کاهش سطح آلودگی، اصلاح خاک را بهبود ببخشد. نشان داده شده است که مواد مبتنی بر گرافن ظرفیت جذب بالایی دارند، به این معنی که می توانند آلاینده های موجود در خاک را جذب کرده و به آن ها متصل شوند. این می تواند به کاهش غلظت این آلاینده ها در خاک کمک کند و آن را برای رشد گیاه ایمن تر کند و خطر قرار گرفتن در معرض انسان را کاهش دهد.

گرافن همچنین می تواند حاصل خیزی خاک را با افزایش احتباس آب و کاهش فرسایش خاک بهبود بخشد. این می تواند به حفظ ساختار خاک و جلوگیری از، از دست دادن مواد مغذی که برای رشد گیاه و عملکرد محصول مهم است، کمک کند.

علاوه بر این، مواد مبتنی بر گرافن می توانند فعالیت میکروبی را در خاک افزایش دهند، که برای چرخه مواد مغذی و تجزیه مواد آلی مهم است. این می تواند به بهبود سلامت و حاصلخیزی خاک در طول زمان کمک کند. با در نظر گرفتن این موارد گرافن این پتانسیل را دارد که یک اصلاح کننده خاک موثر برای اصلاح خاک های آلوده و بهبود کیفیت خاک باشد.

ذ. حسگرها

گرافن یک ماده ایده آل برای توسعه حسگرها برای کشاورزی است. یکی از کاربردهای بالقوه برای حسگرهای مبتنی بر گرافن در کشاورزی در نظارت بر سطوح رطوبت خاک است. با گنجاندن گرافن در یک حسگر، تشخیص تغییرات در سطوح رطوبت خاک در زمان واقعی امکان پذیر است و به کشاورزان این امکان را می دهد تا آبیاری را بهینه کنند و از هدر رفتن آب جلوگیری کنند. یکی دیگر از کاربردهای بتالقوه برای حسگرهای مبتنی بر گرافن در تشخیص بیماری های گیاهی است.

از گرافن می توان برای ایجاد حسگرهای بسیار حساس استفاده کرد که می تواند وجود پاتوژن های خاص یا سایر شاخص های بیماری را در گیاهان تشخیص دهد. این می تواند به کشاورزان کمک کند تا به سرعت شیوع بیماری را شناسایی کرده و به آن واکنش نشان دهند، از گسترش بیماری جلوگیری کرده و تلفات محصول را به حداقل برسانند.

سنسورهای مبتنی بر گرافن همچنین می توانند برای نظارت بر شرایط محیطی مانند دما، رطوبت و کیفیت هوا استفاده شوند. این اطلاعات می تواند برای بهینه سازی شرایط رشد و بهبود عملکرد محصول مورد استفاده قرار گیرد. حسگرهای مبتنی بر گرافن این پتانسیل را دارند که با ارائه داده های بی درنگ در مورد خاک و شرایط محیطی به کشاورزان، کشاورزی را متحول کنند، و این امکان را برای شیوه های کشاورزی کارآمد تر و پایدارتر فراهم کنند.

منبع:

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35815813/#:~:text=Recent%20research%20has%20demonstrated%20considerable,post%2Dharvest%20management%20of%20crops.