Cette image d'une microcopie électronique à transmission représente le cycle de vie des nanonutriments utilisés dans les plants de tomates, de la graine à la plante au fruit.
Avec une population mondiale qui devrait atteindre 9 milliards d'ici 2050, les ingénieurs et les scientifiques cherchent des moyens de répondre à la demande croissante de nourriture sans augmenter également la pression sur les ressources naturelles, comme l'eau et l'énergie, une initiative connue sous le nom de lien alimentation-eau-énergie.
Ramesh Raliya, Doctorat, un chercheur postdoctoral, et Pratim Biswas, Doctorat, le professeur Lucy &Stanley Lopata et président du département de l'énergie, Génie environnemental et chimique, tous deux à la School of Engineering &Applied Science de l'Université de Washington à St. Louis, abordent ce problème en utilisant des nanoparticules pour augmenter la teneur en nutriments et la croissance des plants de tomates. Prenant un indice de leur travail avec les cellules solaires, l'équipe a découvert qu'en utilisant des nanoparticules d'oxyde de zinc et de dioxyde de titane, les plants de tomates ont mieux absorbé la lumière et les minéraux, et le fruit avait une teneur en antioxydants plus élevée.
"Quand une plante pousse, il signale au sol qu'il a besoin de nutriments, " Biswas dit. " Le nutriment dont il a besoin n'est pas sous une forme que la plante peut prendre tout de suite, donc il sécrète des enzymes, qui réagissent avec le sol et déclenchent des microbes bactériens pour transformer les nutriments en une forme que la plante peut utiliser. Nous essayons de faciliter cette voie en ajoutant des nanoparticules."
Le zinc est un nutriment essentiel pour les plantes, aide les autres enzymes à fonctionner correctement et est un ingrédient des engrais conventionnels. Le titane n'est pas un nutriment essentiel pour les plantes, Raliya dit, mais stimule l'absorption de la lumière en augmentant la teneur en chlorophylle des feuilles et favorise la photosynthèse, propriétés découvertes par le laboratoire de Biswas lors de la création de cellules solaires.
L'équipe a utilisé un spray très fin utilisant de nouvelles techniques d'aérosolisation pour déposer directement les nanoparticules sur les feuilles des plantes pour une absorption maximale.
"Nous avons découvert que notre technique d'aérosol entraînait une absorption beaucoup plus importante de nutriments par la plante par rapport à l'application des nanoparticules au sol, " dit Raliya. " Une plante ne peut absorber qu'environ 20 pour cent des nutriments appliqués par le sol, le reste formant soit des complexes stables avec les constituants du sol, soit étant emporté par l'eau, provoquant un ruissellement. Dans ces deux derniers cas, les nutriments ne sont pas disponibles pour les plantes."
Globalement, les plantes traitées avec les nanoparticules par voie aérosol ont produit près de 82 pour cent (en poids) de fruits de plus que les plantes non traitées. En outre, les tomates de la plante traitée ont montré une augmentation du lycopène, un antioxydant lié à une réduction du risque de cancer, les maladies cardiaques et les troubles oculaires liés à l'âge, compris entre 80 pour cent et 113 pour cent.
Cette illustration montre les différents effets de l'application de nanonutriments sur un plant de tomate. Crédit :Ramesh Raliya, Pratim Biswas
Des études antérieures menées par d'autres chercheurs ont montré que l'augmentation de l'utilisation des nanotechnologies dans l'agriculture dans des pays densément peuplés tels que l'Inde et la Chine a eu un impact sur la réduction de la malnutrition et de la mortalité infantile. Ces tomates aideront à lutter contre la malnutrition, Raliya dit, car ils permettent aux gens d'obtenir plus de nutriments des tomates que ceux cultivés de manière conventionnelle.
Dans l'étude, publié en ligne le mois dernier dans la revue Métallomique , l'équipe a découvert que les nanoparticules dans les plantes et les tomates étaient bien inférieures à la limite de l'USDA et considérablement inférieures à celles utilisées dans les engrais conventionnels. Cependant, ils doivent encore être prudents et sélectionner la meilleure concentration de nanoparticules à utiliser pour un bénéfice maximal, dit Biswas.
Raliya et le reste de l'équipe travaillent maintenant au développement d'une nouvelle formulation de nanonutriments qui comprend les 17 éléments requis par les plantes.
« Dans 100 ans, il y aura plus de villes et moins de terres agricoles, mais nous aurons besoin de plus de nourriture, " dit Raliya. " En même temps, l'eau sera limitée en raison du changement climatique. Nous avons besoin d'une méthodologie efficace et d'un environnement contrôlé dans lequel les plantes peuvent pousser."
