ثورة زراعية صامتة.. حل مبتكر من الحرير لمشكلة إهدار المواد الكيميائية في الزراعة

غالبًا ما تُباع المواد الكيميائية الزراعية في كل مكان عدا المكان الذي يحتاجه المزارعون، وقد طوّر فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) حلًا مبتكرًا يعتمد على إبر دقيقة مصنوعة من الحرير، بهدف إيصال العناصر الغذائية مباشرةً إلى داخل النباتات.

يقود الأستاذ المشارك بينيديتو ماريللي فريقًا بحثيًا قام بتصميم مجموعات من الإبر المجهرية المصنوعة من ألياف الحرير، قادرة على حقن المحاصيل بمواد مغذية متعددة، منها الفيتامينات والمعادن. وقد نُشرت نتائج الدراسة التي شارك في تأليفها علماء من تحالف سنغافورة ومعهد MIT للأبحاث والتكنولوجيا في مجلة Nature Nanotechnology.

لماذا يعتبر الحرير خيارًا مثاليًا؟

تتميّز ألياف الحرير بكونها متينة وقابلة للتحلل الحيوي، مما يسمح لها باختراق سيقان النباتات – كسيقان الطماطم – دون أن تترك أي بقايا ضارة في التربة. ومع ذوبان هذه الألياف، لا تخلّف شظايا تعيق عمليات الحصاد.

يعمد الباحثون إلى صبّ مزيج من الحرير والملح داخل قوالب مخروطية الشكل، ثم يتركون الماء ليتبخر. بعد ذلك، يُغسل الملح لتظهر الإبر المجهرية المجوفة، التي تحتوي بداخلها على مغذيات سائلة تنطلق ببطء داخل أنسجة النبات.

ويقول دويون كيم، باحث ما بعد الدكتوراه السابق في المعهد: “يمكن لطلبة الدراسات العليا إنتاج آلاف الإبر خلال فترة ما بعد الظهيرة، دون الحاجة إلى غرف معقمة. بل يمكن تنفيذ هذه العملية في المطبخ، إن رغبت بذلك”.

وبخلاف الإبر المعدنية أو البلاستيكية، فإن بروتينات الحرير لطيفة على الأنسجة الحية، وهو عامل جذب رئيسي دفع مهندسي الطب إلى استخدامها منذ عقدين في توصيل اللقاحات دون ألم. هذه الميزة تكتسب أهمية خاصة عند التعامل مع سيقان النباتات الحية.

دقة عالية تقلل التلوث

تنتشر المبيدات الزراعية ومخلفاتها بفعل الرياح أو تتسرب إلى المياه الجوفية، ما يجعل معظمها لا يصل إلى أوراق النباتات المستهدفة، بل يتشتت في التربة والهواء. لكن باستخدام الإبر الدقيقة، تلتصق المواد مباشرة بالأوعية النباتية، مما يسمح باستخدام كميات أقل بكثير من المواد الكيميائية لكل فدان.

قام كيم بحقن نباتات الطماطم المصابة باصفرار ناتج عن نقص الحديد، ولاحظ تراجعًا واضحًا في الأعراض دون أي تلف في السيقان. واستمر تأثير العلاج لأيام، بفضل بطء إطلاق الجرعة من قلب الإبر المجوفة.

وقال ماريللي: “نحن بحاجة ماسة إلى زيادة كفاءة الزراعة”، مشيرًا إلى أن نقص الحديد قد يؤدي إلى خفض إنتاجية الطماطم بنسبة تصل إلى 30%.

تعزيز القيمة الغذائية من داخل النبات

تتجاوز استخدامات الإبر الدقيقة حدود نقل المغذيات التقليدية، إذ نجح الفريق في توصيل فيتامين ب12 – وهو عنصر غذائي نادر في النباتات – إلى سيقان الطماطم داخل البيوت الزجاجية. وأظهرت الاختبارات أن الفيتامين انتقل إلى الثمار قبل الحصاد، ما يفتح آفاقًا جديدة للإثراء الحيوي للنباتات.

ويُعد هذا أمرًا بالغ الأهمية للنباتيين الذين يصعب عليهم تلبية احتياجاتهم من فيتامين ب12، نظرًا لاعتماده بشكل رئيسي على المنتجات الحيوانية.

وأوضح ماريللي قائلًا: “آلية التوصيل الجديدة هذه تفتح آفاقًا واسعة لتطبيقات لم يسبق لها مثيل”، مشيرًا إلى التزام مختبره باستخدام مواد مستدامة. ويمكن اعتماد النهج نفسه لتوصيل عناصر مهمة مثل الزنك واليود وحمض الفوليك، ما يقلل من تكلفة عمليات الإثراء الغذائي التي تُجرى عادةً بعد الحصاد.

وسيلة لجمع العينات وتحليلها

إلى جانب التوصيل، يمكن استخدام الإبر المجهرية لاستخلاص نسغ النبات وتحليله. ففي تجارب الزراعة المائية، كشفت الإبر عن وجود الكادميوم في سيقان الطماطم بعد 15 دقيقة فقط من التعرض.

وعلى عكس الكاميرات الطيفية التي لا تكشف الإجهاد النباتي إلا بعد أن تبدأ الأوراق في الشحوب، يمكن لتحليل النسغ تقديم إنذارات مبكرة، تتيح اتخاذ إجراءات وقائية سريعة.

واستخدم الباحثون الإبر لمراقبة تركيزات الكادميوم على مدى 18 ساعة، دون الحاجة إلى إزالة المجسات. وتفوقت هذه التقنية على الأساليب التقليدية التي تتطلب ثقب الساق، وهي عمليات مرهقة ونادرًا ما يُجريها المزارعون.

ومع الحزمة المناسبة من المستشعرات، يمكن للروبوتات أن تتجول بين الصفوف الزراعية، وتزرع الإبر الدقيقة، وترسل البيانات الكيميائية مباشرةً إلى الهواتف المحمولة. وتُستخدم مثل هذه الأتمتة بالفعل في البيوت الزجاجية عالية التقنية.

من المختبر إلى الحقول المفتوحة

حتى الآن، يُجري الباحثون الحقن يدويًا على عنق كل زهرة. لكن ماريللي يتخيل استخدام أذرع التطعيم الآلية أو الطائرات المُسيّرة لتطبيق هذه التقنية على نطاق واسع في البساتين والحقول.

وقال: “لا ينبغي أن يكون هناك تناقض بين الزراعة والبيئة”، داعيًا إلى استخدام أدوات تزيد الإنتاجية دون الإضرار بالتنوع البيولوجي.

لكن قبل تعميم التقنية، سيرغب المزارعون في التأكد من جدواها الاقتصادية، وأن المعدات لا تتعرض للانسداد أو الكسر أثناء الحصاد. وستحدد التجارب المقبلة كفاءة تعبئة الإبر وخزانات المغذيات ومدى تأثيرها على سير العمل الميداني.

ومن المقرر أن تبدأ تجارب ميدانية في موسم الزراعة القادم على محاصيل الطماطم المكشوفة، مع تقييم تكلفة العمالة، وبقايا المغذيات في المحصول، وزيادة الإنتاجية. وستُرشد نتائج هذه التجارب مسار التوسع في استخدام التقنية.

فعالية من حيث التكلفة

يُستخدم الحرير على نطاق واسع في المجال الطبي، وخاصة في خياطة الجروح، ما يعني وجود سلسلة إمداد جاهزة. ورغم تقلبات أسعار المواد الخام، تُقدَّر تكلفة البروتين الخام ببضعة سنتات لكل إبرة.

ويمكن إعادة استخدام القوالب مئات المرات، كما يُستعاد الملح المُستخدم ويُعاد تدويره، مما يُقلل من التكاليف من خلال دورة كيميائية مستدامة.

ويُقدّر الباحثون أن بيتًا زجاجيًا واحدًا قادر على استرداد تكلفة معدات الإبر الدقيقة خلال موسم حصاد واحد، حتى وإن زادت الإنتاجية بنسبة 5% فقط. وستُحدّد التجارب الميدانية المستقلة مدى دقة هذه التقديرات.

ما القادم؟

يُجري الفريق محادثات مع شركات إنتاج البذور لدمج الإبر الدقيقة مع مشابك الشتلات، ما قد يسمح بدمج التغذية والمراقبة البيئية في خطوة واحدة خلال عملية الزرع.

ولا تقتصر التطبيقات على المحاصيل الغذائية؛ إذ يمكن استخدام الهياكل الحريرية لنقل عوامل النمو إلى شتلات الأشجار في مشاريع إعادة التحريج، أو إيصال لقاحات للمحاصيل النقدية المهددة بفيروسات.

كما يُقيّم باحثون في سنغافورة استخدام التقنية لرصد الهرمونات النباتية في حقول الأرز المتأثرة بموجات الحر، مما قد يُشكّل الجيل القادم من أجهزة الاستشعار الزراعية المُصممة للتكيف مع تغير المناخ.

تُجسّد هذه التقنية كيف يمكن للخيال أن يلتقي بالعلم لتطوير أدوات زراعية مبتكرة. وإذا ما أثبتت التجارب الميدانية نجاحها، فقد تحصل طماطم المستقبل على فيتاميناتها بهدوء… من خلال قشة حريرية.