Jordbruk runt om i världen kräver nya lösningar för hållbar mat och vatten. Med mer frekventa klimatextremer, växande befolkning, ökad efterfrågan på mat, och globala skördehot, miljöingenjörer letar efter lösningar för att hantera livsmedelsproduktion för framtiden, börjar på minsta nivå.

Med nuvarande praxis, upp till 95 procent av tillförda mikronäringsämnen och 99,9 procent av applicerade bekämpningsmedel når aldrig sina destinationer och går till spillo. De ansamlas i marken eller rinner ut i grundvattnet och orsakar sidoskador på miljön, förstör jord, och slösa bort det vatten och den energi som används i deras produktion och användning.

Om odlare kunde applicera något på bladet som kunde gå direkt till roten, det kan vara en game changer för att leverera näringsämnen, antibiotika och bekämpningsmedel på ett nästan 100 procent effektivt sätt. Civil- och miljöteknikprofessor Greg Lowry, postdoktor Astrid Avellan, och ett team av forskare har framgångsrikt upptäckt ett sätt att applicera nanopartiklar på växtens blad så att de reser genom växten hela vägen till roten. Deras resultat publiceras nyligen ACS Nano papper.

"Resultaten från vår uppsats har verkligen potentialen att förändra sättet vi levererar jordbrukskemikalier till växter, sa Lowry.

Det här är första gången som någon systematiskt har studerat hur nanopartiklar rör sig genom bladet, in i växten, till roten, och utsöndras i jorden.

Forskargruppen sprayade guldnanopartiklar med en polymerbeläggning på bladen på unga veteplantor. Växter behöver inte guld, men eftersom guld inte finns någonstans i växten, de kunde enkelt identifiera vart den reste. De använde veteväxter eftersom de är en viktig gröda i USA och mottagliga för näringsbrist.

När nanopartiklarna sprayas på bladet, de rör sig genom nagelbandet, vilket är det vaxartade yttre lagret som täcker bladet. Sedan, den går över epidermis. Nagelbandet och epidermis är lager som skyddar bladet från skada, förhindra vattenförlust, och tillåta gasutbyte för anläggningen att andas. Nanopartikeln tar sig sedan in i den inre bladvävnaden, eller mesofyll. Till sist, det rör sig in i växtens kärlsystem, eller växtens ådror. Därifrån kan den resa hela vägen ner i stammen och in i roten, eller upp till högre blad.

För första gången, forskarna visade att när de väl når rötterna, nanopartiklar kan utsöndras i jorden, fäster sig vid mikromiljön som fastnar på rötterna som kallas rhizosfären. Rhizosfären är där växten interagerar med jorden, tar upp näringsämnen, frigör små syror, koldioxid, och proteiner, och där bakterier och svampar kan komma in i växten. De enda metoderna som för närvarande är tillgängliga för att behandla en ohälsosam rhizosfär är att blanda jordbrukskemikalier i jorden eller applicera vatten med kemikalierna. I båda fallen går en stor mängd kemikalier förlorade. Vad forskarna har visat är 100 procent effektiv leverans som kan minska mängden kemikalier som behövs, sänka kostnaden, och begränsa miljöföroreningar.

Dessa små partiklar – som är mindre än 50 nanometer – kan vara en mycket viktig nyckel för att på ett hållbart sätt föda de 10 miljarder människor som beräknas finnas på planeten år 2050. Till exempel, veteväxter som växer i zinkbristjord gulnar och växtproduktionen minskar när plantorna börjar dö. Men om du kunde leverera zinkoxidnanopartiklar genom bladen för att nå roten, de kunde utsöndras i jorden och göra både jorden och växten friska.

Bönder kunde också leverera antibiotika till anläggningen. När en växt väl får in bakterier i sin kärl, det finns lite som kan göras för att rädda det. Men om antibiotiska nanopartiklar kunde levereras genom bladen för att komma in i kärlsystemet, de skulle kunna förebygga eller behandla systemiska bakteriella sjukdomar.

Nanopartiklar är också mer effektiva än kemikalier eftersom ingenjörer kan designa dem för att ha specifika egenskaper. Till exempel, de skulle kunna designa en nanopartikel som kommer att fastna på ett löv utan att droppa av när det regnar. Eller de kan konstruera beläggningen på utsidan av partikeln för att reagera på fukt eller ljus. Det är också möjligt att designa nanopartiklar som kommer att användas i mindre mängder och är bättre för både miljön och människors hälsa än de konventionella jordbrukskemikalier som används idag. Möjligheterna är oändliga, och detta är ett viktigt första steg.

Att leverera nanopartiklar på växter på ett 100 procent effektivt sätt är en del av Lowrys större mål om atomeffektivt jordbruk (där varje atom som sätts på grödor används och inte slösas bort) och att bekämpa samhälleliga utmaningar som livsmedelsosäkerhet.

"Vi är vid den här punkten där vi måste odla 80 procent mer mat, på samma mängd mark, med mindre föroreningar till följd av det, ", sa Lowry. "Det kommer att ta ett paradigmskifte av hur vi bedriver jordbruk, och det är vad vi försöker hjälpa."