מהנדסים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו פיתחו צורה חדשה של הדברת מזיקים באמצעות ננו-חלקיקים שמקורם בנגיפים של צמחים כדי לספק חומרי הדברה עמוק לתוך האדמה, כשהם מכוונים לנמטודות טפיליות ברמת השורש של היבולים. גישה זו מבטיחה לצמצם את הצורך בשימוש מופרז בחומרי הדברה, להוזיל עלויות ולמזער את ההשפעה הסביבתית, מה שמסמן צעד משמעותי קדימה בחקלאות בת קיימא וחקלאות מדויקת.
שיטת הדברה חדשה המבוססת על ננוטכנולוגיה מאפשרת אספקת חומרי הדברה בקרקע עמוקה, ומציעה פתרון יעיל להילחם בהדבקות נמטודות ברמת השורשים תוך הפחתת הנזק הסביבתי.
צורה חדשה של הדברת מזיקים חקלאית יכולה יום אחד להשתרש – כזו שמטפלת במפגעי יבולים עמוק מתחת לאדמה בצורה ממוקדת עם פחות חומרי הדברה.
מהנדסים מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו פיתחו ננו-חלקיקים, שנוצרו מווירוסים צמחיים, שיכולים להעביר מולקולות חומרי הדברה לעומקי אדמה שלא ניתן היה להגיע אליהם בעבר. התקדמות זו עשויה לסייע לחקלאים להילחם ביעילות בנמטודות טפיליות הפוקדות את אזורי השורש של הגידולים, כל זאת תוך מזעור עלויות, שימוש בחומרי הדברה ורעילות סביבתית.
האתגר של הדבקות נמטודות
שליטה על נגיעות הנגרמות על ידי נמטודות מזיקות לשורשים היא כבר מזמן אתגר בחקלאות. אחת הסיבות היא שסוגי חומרי ההדברה המשמשים נגד נמטודות נוטים להיצמד לשכבות העליונות של האדמה, מה שהופך את זה לקשה להגיע למפלס השורש שבו נמטודות זורעות הרס. כתוצאה מכך, חקלאים לעיתים קרובות נוטים ליישם כמויות מופרזות של חומרי הדברה, כמו גם מים לשטיפת חומרי הדברה עד לאזור השורשים. זה יכול להוביל לזיהום הקרקע ומי התהום.
כדי למצוא פתרון בר-קיימא ויעיל יותר, צוות בראשות ניקול שטיינמץ, פרופסור להנדסת ננו בבית הספר להנדסה באוניברסיטת סן דייגו ג'ייקובס ומנהלת מייסדת של המרכז להנדסה ננו-אימונית, פיתח מפעל נגיף ננו-חלקיקים שיכולים להעביר מולקולות חומרי הדברה לעומק האדמה, בדיוק היכן שהם נחוצים. העבודה מפורטת במאמר שפורסם ב אותיות ננו.
הצוות של שטיינמץ שאב השראה מננו-רפואה, שבה נוצרים ננו-חלקיקים לאספקת תרופות ממוקדת, והתאים את התפיסה הזו לחקלאות. רעיון זה של ייעוד ותכנון מחדש של חומרים ביולוגיים עבור יישומים שונים הוא גם תחום התמקדות של מרכז המחקר וההנדסה לחומרים באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו (MRSEC), ששטיינמץ הוא מוביל שותף שלו.
"אנחנו מפתחים גישת חקלאות מדויקת שבה אנחנו יוצרים ננו-חלקיקים לאספקה ממוקדת של חומרי הדברה", אמר שטיינמץ, שהוא המחבר הבכיר של המחקר. "טכנולוגיה זו טומנת בחובה את ההבטחה לשפר את יעילות הטיפול בשטח ללא צורך בהגדלת מינון ההדברה".
חדשנות ננו-חלקיקים לחקלאות מדויקת
הכוכב של גישה זו הוא וירוס פסיפס ירוק טבק עדין, וירוס צמחי בעל יכולת לנוע באדמה בקלות. חוקרים שינו את ננו-חלקיקי הנגיף הללו, והפכו אותם ללא זיהומים לגידולים על ידי הסרתם RNA. לאחר מכן הם ערבבו את הננו-חלקיקים הללו עם תמיסות חומרי הדברה במים וחיממו אותם, ויצרו ננו-חלקיקים דמויי וירוס כדוריים עמוסים בחומרי הדברה באמצעות סינתזה פשוטה של סיר אחד.
סינתזה זו של סיר אחד מציעה מספר יתרונות. ראשית, הוא חסכוני, עם מספר שלבים בלבד ותהליך טיהור פשוט. התוצאה היא שיטה ניתנת להרחבה, הסוללת את הדרך למוצר זול יותר לחקלאים, ציין שטיינמץ. שנית, פשוט על ידי אריזת חומר ההדברה בתוך הננו-חלקיקים, במקום קשירתו כימית למשטח, שיטה זו שומרת על המבנה הכימי המקורי של חומר ההדברה.
"אם היינו משתמשים בשיטה סינתטית מסורתית שבה אנו מקשרים את מולקולות חומרי ההדברה לננו-חלקיקים, היינו בעצם יוצרים תרכובת חדשה, שתצטרך לעבור תהליך רישום ואישור רגולטורי חדש לגמרי", אמר מחבר המחקר הראשון אדם קפארקו , חוקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של שטיינמץ. "אבל מכיוון שאנחנו רק עוטמים את חומר ההדברה בתוך הננו-חלקיקים, אנחנו לא משנים את החומר הפעיל, אז לא נצטרך לקבל אישור חדש עבורו. זה יכול לעזור לזרז את התרגום של הטכנולוגיה הזו לשוק."
יתרה מכך, נגיף הפסיפס הירוק המתון של הטבק כבר אושר על ידי הסוכנות להגנת הסביבה (EPA) לשימוש כקוטל עשבים לשליטה בצמח פולשני בשם תפוח הסודה הטרופי. אישור קיים זה יכול לייעל עוד יותר את הדרך ממעבדה לשוק.
יתרונות וכיוונים עתידיים
החוקרים ערכו ניסויים במעבדה כדי להדגים את היעילות של הננו-חלקיקים העמוסים בחומרי הדברה. הננו-חלקיקים הושקו דרך עמודי אדמה והובילו בהצלחה את חומרי ההדברה לעומקים של לפחות 10 סנטימטרים. התמיסות נאספו מתחתית עמודי האדמה ונמצאו שהן מכילות את הננו-חלקיקים העמוסים בחומרי הדברה. כאשר החוקרים טיפלו בנמטודות בתמיסות הללו, הם חיסלו לפחות מחצית מהאוכלוסייה בצלחת פטרי.
בעוד החוקרים עדיין לא בדקו את הננו-חלקיקים על נמטודות האורבות מתחת לאדמה, הם מציינים שהמחקר הזה מסמן צעד משמעותי קדימה.
"הטכנולוגיה שלנו מאפשרת להשתמש בחומרי הדברה המיועדים להילחם בנמטודות באדמה", אמר קפארקו. "חומרי ההדברה הללו לבדם אינם יכולים לחדור לאדמה. אבל עם הננו-חלקיקים שלנו, יש להם כעת ניידות קרקע, יכולים להגיע לרמת השורש, ועלולים להרוג את הנמטודות".
מחקר עתידי יכלול בדיקת הננו-חלקיקים על צמחים נגועים בפועל כדי להעריך את יעילותם בתרחישים חקלאיים בעולם האמיתי. המעבדה של שטיינמץ תבצע את מחקרי ההמשך הללו בשיתוף המעבדה למחקר גננות בארה"ב. הצוות שלה גם קבע תוכניות לשותפות בתעשייה שמטרתה לקדם את הננו-חלקיקים למוצר מסחרי.
מחברים שותפים כוללים איבון גונזלס-גמבואה, סמואל ס. הייז וג'ונתן ק. פוקורסקי, אוניברסיטת סן דייגו.
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי משרד החקלאות האמריקני (מענק NIFA-2020-67021-31255 ו-NIFA-2022-67012-36698), הקרן הלאומית למדע (CMMI 1901713) ומרכז המחקר וההנדסה לחומרים בסן דייגו. (MRSEC), הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע (מענק DMR-2011924). עבודה זו בוצעה בחלקה ב-San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) ב-UC San Diego, חברה בתשתית הלאומית המתואמת לננוטכנולוגיה, הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע (מענק ECCS-1542148). עבודה זו בוצעה בחלקה גם ב-UC San Diego Department of Neuroscience Microscopy Core, אשר נתמכת על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NINDS P30NS047101).
