Med världsbefolkningen förväntad att nå 9 miljarder år 2050, ingenjörer och forskare letar efter sätt att möta den ökande efterfrågan på mat utan att också öka belastningen på naturresurser, som vatten och energi-ett initiativ som kallas mat-vatten-energi-förbindelsen.

Ramesh Raliya, Doktorsexamen, en postdoktor, och Pratim Biswas, Doktorsexamen, Lucy &Stanley Lopata -professor och ordförande för Department of Energy, Miljö- och kemiteknik, både vid School of Engineering &Applied Science vid Washington University i St. Louis, hanterar denna fråga genom att använda nanopartiklar för att öka näringsinnehållet och tillväxten av tomatplantor. Ta en aning om deras arbete med solceller, laget fann att med hjälp av zinkoxid och titandioxid nanopartiklar, tomatplantorna absorberar bättre ljus och mineraler, och frukten hade högre antioxidanthalt.

"När en växt växer, det signalerar jorden att den behöver näringsämnen, "Biswas säger." Näringsämnet som det behöver är inte i en form som växten kan ta direkt, så det utsöndrar enzymer, som reagerar med jorden och triggar bakteriemikrober för att förvandla näringsämnena till en form som växten kan använda. Vi försöker hjälpa denna väg genom att lägga till nanopartiklar. "

Zink är ett viktigt näringsämne för växter, hjälper andra enzymer att fungera korrekt och är en ingrediens i konventionellt gödningsmedel. Titan är inte ett väsentligt näringsämne för växter, Raliya säger, men ökar ljusabsorptionen genom att öka klorofyllhalten i bladen och främjar fotosyntes, egenskaper Biswas laboratorium upptäcktes när solceller skapades.

Teamet använde en mycket fin spray med hjälp av nya aerosoliseringstekniker för att direkt avsätta nanopartiklarna på plantornas löv för maximalt upptag.

"Vi fann att vår aerosolteknik resulterade i mycket större upptag av näringsämnen av växten i jämförelse med applicering av nanopartiklar på mark, "Säger Raliya." En växt kan bara ta upp cirka 20 procent av de näringsämnen som appliceras genom jorden, med resten antingen bilda stabila komplex med jordbeståndsdelar eller tvättas bort med vatten, orsakar avrinning. I båda de senare fallen, näringsämnena är inte tillgängliga för växter. "

Övergripande, växter som behandlats med nanopartiklar via aerosolvägar producerade nästan 82 viktprocent mer frukt än obehandlade växter. Dessutom, tomaterna från den behandlade växten visade en ökning av lykopen, en antioxidant kopplad till minskad risk för cancer, hjärtsjukdomar och åldersrelaterade ögonsjukdomar, mellan 80 procent och 113 procent.

Tidigare studier av andra forskare har visat att ökad användning av nanoteknik inom jordbruket i tätbefolkade länder som Indien och Kina har påverkat minskningen av undernäring och barndödlighet. Dessa tomater hjälper till att hantera undernäring, Raliya säger, eftersom de tillåter människor att få mer näringsämnen från tomater än de som vanligtvis odlas.

I studien, publicerades online förra månaden i tidningen Metallomik , laget fann att nanopartiklarna i växterna och tomaterna låg långt under USDA -gränsen och betydligt lägre än vad som används i konventionellt gödningsmedel. Dock, de måste fortfarande vara försiktiga och välja den bästa koncentrationen av nanopartiklar som ska användas för maximal nytta, Säger Biswas.

Raliya och resten av teamet arbetar nu med att utveckla en ny formulering av nanonäringsämnen som innehåller alla 17 element som krävs av växter.

"Om 100 år, det blir fler städer och mindre jordbruksmark, men vi kommer att behöva mer mat, "Säger Raliya." Samtidigt, vatten kommer att begränsas på grund av klimatförändringarna. Vi behöver en effektiv metodik och en kontrollerad miljö där växter kan växa. "