L'agriculture dans le monde a besoin de nouvelles solutions pour la durabilité de l'alimentation et de l'eau. Avec des extrêmes climatiques plus fréquents, population croissante, augmentation de la demande alimentaire, et les menaces mondiales pour les cultures, les ingénieurs environnementaux recherchent des solutions pour gérer la production alimentaire de demain, en commençant au plus petit niveau.

Avec les pratiques actuelles, jusqu'à 95 pour cent des micronutriments appliqués et 99,9 pour cent des pesticides appliqués n'atteignent jamais leur destination et sont gaspillés. Ils s'accumulent dans le sol ou s'écoulent dans les nappes phréatiques et causent des dommages collatéraux à l'environnement, dégrader le sol, et gaspiller l'eau et l'énergie utilisées dans leur production et leur application.

Si les producteurs pouvaient appliquer quelque chose sur la feuille qui pourrait se rendre directement à la racine, cela pourrait changer la donne pour fournir des nutriments, antibiotiques et pesticides d'une manière efficace à près de 100 pour cent. Professeur de génie civil et environnemental Greg Lowry, la chercheuse post-doctorale Astrid Avellan, et une équipe de chercheurs a réussi à découvrir un moyen d'appliquer des nanoparticules aux feuilles des plantes afin qu'elles traversent la plante jusqu'à la racine. Leurs résultats sont publiés dans un récent ACS Nano papier.

« Les résultats de notre article ont vraiment le potentiel de transformer la façon dont nous livrons des produits agrochimiques aux plantes, " dit Lowry.

C'est la première fois que quelqu'un étudie systématiquement comment les nanoparticules se déplacent à travers la feuille, dans la plante, à la racine, et exsuder dans le sol.

L'équipe de recherche a pulvérisé des nanoparticules d'or avec un revêtement polymère sur les feuilles de jeunes plants de blé. Les plantes n'ont pas besoin d'or, mais comme l'or n'existe nulle part dans la plante, ils ont pu facilement identifier où il a voyagé. Ils ont utilisé des plants de blé parce qu'il s'agit d'une culture importante aux États-Unis et sensible aux carences en éléments nutritifs.

Une fois les nanoparticules pulvérisées sur la feuille, ils se déplacent à travers la cuticule, qui est la couche externe cireuse recouvrant la feuille. Puis, il traverse l'épiderme. La cuticule et l'épiderme sont des couches qui protègent la feuille des dommages, éviter les pertes d'eau, et permettre l'échange de gaz pour que la plante respire. La nanoparticule pénètre ensuite dans le tissu interne de la feuille, ou mésophylle. Finalement, il se déplace dans le système vasculaire de la plante, ou les veines de la plante. De là, il peut parcourir tout le long de la tige et dans la racine, ou jusqu'à des feuilles plus hautes.

Pour la première fois, les chercheurs ont démontré qu'une fois atteint les racines, les nanoparticules peuvent être exsudées dans le sol, adhérant au microenvironnement qui adhère aux racines appelé rhizosphère. La rhizosphère est l'endroit où la plante interagit avec le sol, absorbe les nutriments, libère de petits acides, gaz carbonique, et protéines, et où les bactéries et les champignons peuvent pénétrer dans la plante. Les seules méthodes actuellement disponibles pour traiter une rhizosphère malsaine sont le mélange de produits agrochimiques dans le sol ou l'application d'eau avec les produits chimiques. Dans les deux cas, une grande quantité de produits chimiques est perdue. Ce que les chercheurs ont démontré, c'est une livraison efficace à 100 pour cent qui peut réduire la quantité de produits chimiques nécessaires, baisser le prix, et limiter la contamination de l'environnement.

Ces minuscules particules, qui sont inférieures à 50 nanomètres, pourraient être une clé très importante pour nourrir durablement les 10 milliards de personnes qui devraient être sur la planète d'ici 2050. Par exemple, les plants de blé poussant dans un sol pauvre en zinc jaunissent et la production agricole diminue à mesure que les plants commencent à mourir. Mais si vous pouviez faire passer des nanoparticules d'oxyde de zinc à travers les feuilles pour atteindre la racine, ils pourraient exsuder dans le sol et rendre le sol et la plante sains.

Les agriculteurs pourraient également fournir des antibiotiques à la plante. Une fois qu'une plante a introduit des bactéries dans son système vasculaire, il n'y a pas grand-chose à faire pour le sauver. Mais si des nanoparticules d'antibiotiques pouvaient être délivrées à travers les feuilles pour pénétrer dans le système vasculaire, ils pourraient prévenir ou traiter les maladies bactériennes systémiques.

Les nanoparticules sont également plus efficaces que les produits chimiques car les ingénieurs peuvent les concevoir pour avoir des propriétés spécifiques. Par exemple, ils pourraient concevoir une nanoparticule qui collera à une feuille sans s'égoutter lorsqu'il pleut. Ou ils peuvent concevoir le revêtement à l'extérieur de la particule pour répondre à l'humidité ou à la lumière. Il est également possible de concevoir des nanoparticules qui seront utilisées en moins grande quantité et qui sont meilleures pour l'environnement et la santé humaine que les produits agrochimiques conventionnels utilisés actuellement. Les possibilités sont infinies, et c'est une première étape importante.

Fournir des nanoparticules sur les plantes d'une manière efficace à 100 % fait partie des objectifs plus larges de Lowry d'une agriculture efficace en termes d'atomes (où chaque atome mis sur les cultures est utilisé et non gaspillé) et de lutte contre les défis sociétaux tels que l'insécurité alimentaire.

« Nous en sommes à ce stade où nous devons faire pousser 80 % de nourriture en plus, sur le même terrain, avec moins de pollution qui en résulte, " a déclaré Lowry. " Cela va prendre un changement de paradigme dans la façon dont nous faisons de l'agriculture, et c'est ce que nous essayons d'aider."