NANO nawozy to już teraźniejszość

Jeszcze do niedawna, składniki pokarmowe w nawozach płynnych (dolistnych) występowały w większości w formach tlenków, soli kwasów nieorganicznych i czasami organicznych, chelatów lub skompleksowane. Cząsteczki tych związków mają wielkość od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów (µm). Od niedawna, w obrocie pojawiły się nowe formy w jakich pierwiastki pokarmowe mogą być podawane roślinom: nanocząsteczki. 

Można spotkać się z określeniem nanomateriały, nanoelementy, nanopierwiastki lub nanonawozy. W zasadzie, powinno to oznaczać to samo, czyli w takim produkcie powinny znajdować się pierwiastki pokarmowe w większości w postaci cząsteczek mniejszych od 100 nanometrów (nm). Komisja Europejska w dniu 18 października 2011 r. wydała Zalecenie dotyczące definicji nanomateriału (nr 2011/696/UE). Znalazła się w nim definicja nanomateriału: „Nanomateriał” oznacza naturalny, powstały przypadkowo lub wytworzony materiał zawierający cząstki w stanie swobodnym lub w formie agregatu bądź aglomeratu, w którym co najmniej 50 % lub więcej cząstek w liczbowym rozkładzie wielkości cząstek ma jeden lub więcej wymiarów w zakresie 1 nm – 100 nm. Przytoczenie tej definicji jest ważne, ponieważ na rynku pojawiają się różne produkty, które opatrzone są sloganem marketingowym „nano”. Można kupić płyn do mycia szyb „nano”, pisać atramentem „nano” do piór wiecznych, umyć włosy szamponem „nano”, wlać do zbiornika w samochodzie dodatek „nano” do paliwa, umyć ręce mydło „nano” itp. Najczęściej jednak ten termin jest nadużywany, wyłącznie w celu marketingowym, gdyż ma on utożsamiać produkt z zaawansowaną technologią, co często jest nieprawdą.

Zadając sobie pytanie, po co nanocząsteczki w żywieniu roślin, należy przypomnieć jak rośliny pobierają składniki pokarmowe przez liście. Barierą chroniącą liść przed środowiskiem zewnętrznym jest epiderma (skórka), która dodatkowo pokryta jest woskiem (kutykulą). W epidermie znajdują się aparaty szparkowe, o rozmiarze, średnio do 3 do 5 mikrometrów (3.000-5.000 nanometrów). Aparaty szparkowe służą roślinie do wymiany gazowej, ale to są także wrota, którymi wchodzą do rośliny składniki pokarmowe z nawozów dolistnych. Cząsteczki nawozów, które dostaną się do wnętrza liścia, trafiają do przestrzenie międzykomórkowych i trafiają na następną barierę, jaką są ściany komórkowe. Ściany (membrany) komórkowe są bardzo skuteczną, aktywną obroną wnętrza komórek. Chronią ją przed związkami chemicznymi, które mogą zagrażać jej funkcjonowaniu, stabilności. Z tego powodu, cząsteczki nawozów, które trafią do wnętrza liścia muszą najpierw przejść do form chemicznych, które mogą przedostać się przez plazmodesmy do wnętrza komórek, gdzie wezmą udział w procesach metabolicznych rośliny.

Plazmodesmy są to organelle komórek (wypustki cytoplazmatyczne), którymi komórki kontaktują się miedzy sobą, oraz wymieniają związki chemiczne z tkankami przewodzącymi i przestworami międzykomórkowymi. Niestety, cząsteczki nawozów dolistnych, ze względu na swoje duże rozmiary, nie mogą przenikać swobodnie przez plazmodesmy do wnętrz komórek. Kanały plazmodesmowe w membranach komórkowych mają rozmiary zbliżone do 50 nanometrów. Cząsteczki nawozu dolistnego, których rozmiary są setki lub nawet tysiące razy większe, przez te otwory nie przejdą. Sole lub chelaty pierwiastków pokarmowych, w roztworze w przestrzeni międzykomórkowej dysocjują na jony posiadające określony ładunek elektryczny. Aby przeszły przez pory w ścianach komórkowych muszą być dołączone do specjalnych białek transportowych. Pula tych białek w tkankach roślin jest ograniczona i mogą one przenieść do wnętrza komórek tylko ograniczoną część składników pokarmowych, które zostały wniesione w nawozie dolistnym. Dlatego, duża część składników z nawozów dolistnych rośliny nie wykorzystują w pełni lub od razu.

Nanonawozy pozbawione są ułomności nawozów klasycznych. Nanocząsteczki w takim nawozie, powinny mieć rozmiary mniejsze niż 100 nanometrów (zgodnie z definicją Komisji Europejskiej z 2011 r) . Oczywiście, nie może to być tylko deklaracja producenta nawozu, że zawiera nanocząsteczki, bo niektórzy nadużywają tego terminu. Warto pytać o certyfikat, raport z badań takiego nawozu wykonany przez laboratorium akredytowane do badania nanomateriałów. Jednym z niewielu w Europie jest Instytut IKTS Fraunhofer z Drezna, posiadający odpowiednią aparaturę, doświadczenie i akredytacją do badania zawartości nanocząsteczek.

Nanocząsteczki w nawozach mają rozmiary mniejsze niż 50 nanometrów, aby móc przechodzić przez kanały plazmodesmowe w ścianach komórkowych. Nanocząsteczki są otoczkowane polisacharydami pochodzenia biogennego, w celu uniknięcia ich odrzucenia przez mechanizmy selektywnego transportu przez plazmodesmy. Ponieważ cząsteczki w nanonawozach są to jony metali, posiadają one ładunek elektryczny. Otoczka polisacharydowa czyni je elektrycznie obojętnymi dla membran komórkowych i mogą one przechodzić swobodnie przez kanały plazmodesmowe. W ten sposób wykazują większą efektywność w stosunku do cząsteczek nawozów klasycznych, które po dysocjacji w przestworach międzykomórkowych nie są elektrycznie obojętne.

Nanonawozy zawierają cząsteczki metali: żelaza (Fe), cynku (Zn), miedzi (Cu), manganu (Mn), molibdenu (Mo), kobaltu (Co), a nawet metalu bardzo rzadkiego w nawożeniu, jakim jest selen (Se). To są pierwiastki funkcjonalne, w odróżnieniu od pierwiastków pokarmowych (azot, fosfor, węgiel, tlen, siarka), które są wykorzystywane do budowy związków tworzących tkanki roślinne. Wymienione wcześniej metale są kofaktorami, które aktywizują enzymy katalizujące przemiany metaboliczne w tkankach roślinnych. Upraszczając, można powiedzieć, że od aktywności metali Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co, Se zależy przebieg procesów fotosyntezy, syntezy białek, tłuszczy, węglowodanów w roślinach. Jeszcze bardziej upraszając można powiedzieć, że od koncentracji jonów tych metali w formach bioaktywnych dla roślin, zależy wzrost, rozwój i plonowanie roślin.

Metale w nanonawozach znajdują się w niskim stężeniu i są stosowane w dawkach określanych w setkach mililitrów na hektar. Dawki te są jednak wystarczające, gdyż wykorzystanie składników z tych nawozów jest 100%. Ze względów wcześniej opisanych, wszystkie trafiają tam gdzie są potrzebne i wykorzystywane, czyli do wnętrza komórek.

Nanonawozy są stymulatorami wzrostu: podtrzymują na wysokim poziomie reakcje biochemiczne w komórkach roślinnych i akcelerują wytwarzanie białek, węglowodanów, tłuszczy i związków bioaktywnych w roślinie. Po zastosowaniu na łan roślin, nanocząsteczki wnikają do wnętrz komórek w ciągu 1-2 godzin. Taką szybkością działania nie może pochwalić się żaden nawóz zawierający składniki pokarmowe w formie soli lub chelatów.

Nanonawozy można stosować wraz z każdym zabiegiem nalistnym: z innym nawozem, czy środkiem ochrony roślin. Nie ma ryzyka przedawkowania, ze względu na niskie, zalecane dawki. Oczywiście, producenci wskazują także fazy, w jakich nanonawóz powinien być stosowany obligatoryjnie, tj. fazy krytyczne rozwoju rośliny. Jak wiele stymulatorów wzrostu, nanonawozy świetnie sprawdzają się jako narzędzia do regeneracji roślin po wystąpieniu stresów (biotycznych i abiotycznych). W odróżnieniu od innych stymulatorów, nie są dodatkowym czynnikiem stresogennym, gdyż ich koncentracja i współczynnik zasolenia jest niższy niż wody deszczowej.

Na koniec, należy zadać sobie pytanie, czy nanonawozy są chwilową modą (jak aminokwasy, czy ekstrakty roślinne), czy nową generacją nawozów dolistnych ? Aktualnie na świecie, jest w obrocie około 300 produktów opartych o technologię nanocząsteczek, do stosowania w rolnictwie (nawozy, środki ochrony roślin, regulatory wzrostu i in.). W nanotechnologii upatruje się dużą szansę dla rolnictwa, gdyż umożliwia ona radykalne zmniejszanie dawek środków ochrony czy składników pokarmowych, z tysiące razy mniejszym obciążeniem środowiska. Poza tym, nanocząsteczki są precyzyjnym narzędziem (jak skalpel chirurgiczny), które działają tam, gdzie tego chcemy i wywołujące te efekty, których chcemy.

Opracował: dr inż. Sylwester Lipski