NANO TEKNOLOJİ VE NANO PESTİSİTLER

Dr. Sami Dura ve Catherine Tang

Nanoteknoloji, son yıllardaki en önemli teknolojik gelişme olarak kabul edilmekte ve potansiyel uygulamaları nedeniyle tüm endüstrilerde kullanılmaktadır. Hemen hemen tüm sektörler (gıda, tarım, tıp, otomotiv, bilgi ve iletişim teknolojileri, enerji, tekstil, inşaat vb.) nanoteknolojik gelişmeler ışığında geleceklerini yeniden düzenlemektedir.

Ülkelerin en önemli gelir kaynağı olan tarım sektörü, karşılaşılan sorunlara çözüm olarak nanoteknolojik ürünlerin kullanımını giderek artırmaktadır. Tarımsal girdilerin (pestisitler, herbisitler, gübreler vb.) nano taşıyıcılar kullanılarak verimlerinin artırılarak kullanımının azaltılması, nanosensörler kullanılarak tarladaki mahsullerin çevresel koşullarının ve gelişiminin eş zamanlı olarak tespit edilmesi, numune hacminin ve nanodiziler sayesinde kullanılan analit miktarı, su kaynaklarının nano filtrelerle etkin şekilde arıtılması, nanopartiküller kullanılarak mahsullerin gelişiminin hızlandırılması, tarım endüstrisinde öne çıkan nanoteknolojik uygulamalardır.

Tarımda nano tabanlı sistem, aktif bileşenlerin dozunu düşürmeye, besin kayıplarını en aza indirmeye ve optimize edilmiş su ve besin yönetimi yoluyla verimi artırmaya çalışır.

Öncelikle Nanometre nedir bunu tam olarak anlamak gereklidir. Nanometre uzunluk birimidir ve mikrometreden 1000 kat daha küçüktür.

Bir malzeme nano boyuta ulaştığında, fiziksel ve kimyasal performanslar mevcut anlayışımızın önemli ölçüde ötesinde olacaktır.

Nanoteknolojinin fizik, kimya, biyoloji, tıp, enerji ve çevre gibi diğer alanlarda başarılı bir şekilde uygulanması, tarımda uygulanabilirliği konusunda büyük ilgi uyandırmıştır.

Araştırmalarda ve ürün geliştirmede tarımsal nanoteknolojiye yapılan yatırımlar, son on yıldaki verilerden ortaya çıkan bir patlama büyümesine sahiptir.

Nano zirai kimyasallar bazı özel çıkarımları olan olağanüstü özelliklere sahip olabilir: bunlardan yüksek çözünürlük, iyi stabilite, yüksek etkinlik, salınmayı tetikleme sadece bir kaçıdır.

Daha sonra, çeşitli işlevselleştirilmiş ve modifiye edilmiş nanomalzemelerden daha “akıllı” bir zirai kimyasal sistem inşa edilebilir – üstün penetrasyon, hedef odaklı pestisit, aktiflerin kontrollü salınması, biyolojik olarak parçalanabilen malzemeler – çevre güvenliğini sağlamak, alımını iyileştirmek için bir sistem haline getirilebilir. Böylece pestisitler ve gübreler bitkilerin korunup büyümesini teşvik eder.

2001 yılında “Pestisit Taşıma Sistemi” (PDS) kavramı gündeme geldiğinden beri, pestisitlerin tam olarak uygulanması ve aynı zamanda dozajı azaltırken beklenen kontrol performansının elde edilmesi gerektiğine dikkat çekilmeye başlandı. Bu anlamda, nano pestisit, hassas (PDS) Pestisit Taşıma Sistemi beklentisini karşılayabilir.

Nanomalzemeler doğal olarak daha büyük spesifik yüzey alanlarına (veya daha fazla konuşulan – yüzey-hacim oranına) sahiptir, bu da daha iyi performans için, daha iyi özellikler elde etmek için daha fazla yüzey modifikasyonuna izin verir. Bu nedenle, pestisit performansını artırmak için ortaya çıkan nanoteknolojiyi birleştirmek, güçlü bir şekilde bu yönünü geliştirilir.

Nano pestisitler açısından, henüz evrensel olarak kabul edilmiş bir yasal tanım yoktur, ancak genel olarak aktif madde (A.M.) ve yardımcı formül materyallerini bir arada içeren nano boyutlu parçacık veya damlacık olduğu konusunda genel olarak fikir birliğine varılmıştır.

Nano parçacık boyutu aralığının geniş anlamı, katı anlamda 100 nm’den küçük ve çoğunlukla 100-300 nm’dir. Nano partiküllerin/damlacıkların boyutu, onların fizibilitelerini, verimliliklerini ve hücrelere girme yollarını etkiler ve ardından biyolojik performansı daha da etkiler. Halihazırda hazırlık ekipmanının sınırlı olması nedeniyle, nano boyutlu ilaçların boyutu çoğunlukla 200-300 nm arasındadır. Birçok anti-tümör ilaç raporu, daha büyük nano partiküllerin veya damlacıkların (150~300 nm) hayvan hücrelerine fagositoz veya endositoz yoluyla doğrudan girebileceğini ve ardından tıbbi etkiler gösterdiğini ortaya koymaktadır.

Benzer şekilde, böcek hücreleri hayvan hücreleridir ve fago veya endo sitozda da işlev görebilir. Ancak hücre duvarlı zararlılar (bitkiler ve mantarlar) için, hücre duvarı gözeneklerinden geçme şansının daha yüksek olması ve ardından etki alanına ulaşması için partikül/damlacık boyutu 150 nm’den küçük olmalıdır. Şu anda bitki koruma alanında yukarıdaki nano-pestisit tanımına uyan birkaç pestisit vardır:

A. MİKROEMÜLSİYONLAR (ME):

Sıvı aktif maddeler, çok miktarda yüzey aktif madde, yardımcı yüzey aktif madde, yağ ve su/veya elektrolit sulu çözeltisinin karıştırılmasıyla oluşan mikroemülsiyon formülasyonunda damlacık boyutu 10-100 nm’ye ulaşır.

Nano pestisit tanımını karşılar ve politropik mikro yapılara sahiptir (Şekil 1)

B. NANO SÜSPANSİYON KONSANTRESİ (Nano SC):

Nano SC, partikül boyutunu mikrodan nano’ya (genel olarak 500nm ~ ＜1μm) düşürmek için sıradan SC’nin daha fazla öğütülmesiyle, özel yardımcı formüller ve öğütme yöntemi eklenerek üretilir. Nano SC, sıradan SC ile karşılaştırıldığında çok daha küçük parçacık boyutuna ve daha büyük yüzey-hacim oranına sahiptir. Bu tür karakterler teorik olarak daha iyi penetrasyona, yapışma kabiliyetine ve etkinliğe yol açar. Ancak nano SC’nin dezavantajları, spesifik ekipman kullanma maliyetinin artması, hazırlama yöntemi ve nano parçacıkların dağılmasını ve sabit kalmasını sağlamak için çok daha fazla yardımcı formülasyon gereksiniminden kaynaklanmaktadır.

C. NANO İLAÇ TAŞIYICILARI

Nano pestisitin en çok çalışılan yönlerinden biri, aktif bileşenleri aktif olmayan taşıyıcılara (veya üzerinde) gömerek, sararak ve taşıyarak nano ilaç taşıyıcısını oluşturmaktır. Genel olarak aday olabilecek birçok malzeme vardır, örneğin, karbon elementi (karbon nanotüp, grafen, fulleren), organik kopolimerler (doğal ve sentetik kopolimerler, dendrimerler), metaloid (silikon dioksit), metalik olmayan mineraller (Halloysit, Attapulgit) vb… (Şek.2).

Farklı nano ilaç taşıyıcıları farklı karakterlere sahiptir ve fiziksel-kimyasal özellikleri belirler ve tüm sistemin biyolojik performansını ve sonraki hazırlama yöntemini de etkiler.

Nano ilaç taşıyıcıların ideal aktivitesi ve etkisi, uygulama sahnelerine ve amaçlarına göre seçici ve modifiye edilerek elde edilebilir. Ancak şu anda piyasada bulunan çok az ticarileştirilmiş ürün vardır.

D. NANO BOYUTLU METALİK PARÇALAR

Nano boyutlu metalik parçacıklar ve bunların oksitlenmiş formları, bitki koruyucular gibi davranabilir.

Bakır, eski bir mantar ilacı olarak, tarih boyunca uzun bir süre bitki koruyucu olarak kullanılmıştır.

Kuprik iyonu birçok mantar biyolojik mekanizmasını etkiler ve mantar büyümesinin inhibisyonunu sağlamak için DNA hasarlarına neden olur.

Biyolojik engelleme, geleneksel metalik bakırın yeterli miktarda uygulanmasına dayanır, aksine, aynı kontrol etkinliği daha az nano amorf metalik bakırın uygulanmasıyla elde edilebilir.

Nano-gümüş, nano ZnO veya nano TiO2’nin tek başına veya kombinasyon uygulaması, bazı raporlarda nano bakıra benzer mantar kontrol etkinliği sağladığı belirtilmiştir.

Örneğin özel Abamectin 18 EC üzerindeki yapılan çalışmalar ile formülasyon, nano pestisit özelliklerine sahiptir ve 1μm’den küçük damlacık boyutu, suda seyreltildikten sonra şeffaftan yarı saydam bir görünüme sahiptir, ayrıca geleneksel ürüne kıyasla üstün etkinliğe sahiptir. (Şekil 3)

Nano pestisit yeni öncü bir konudur ve üzerindeki araştırmalar hızla artmakta konuya olan ilgi yükselmektedir. Küçük boyutu nedeniyle, kaplanan yüzey alanı, dozajın aynı ağırlığındaki mikro partiküllerinkinden çok daha büyük hale gelir. Bu nedenle, genellikle etkinliğin geometrik bir artış kazanacağına inanılmaktadır (Şekil 4). Böylece pestisitin azaltılması politikası için olası bir çözüm olabileceği düşünülmektedir.

Bununla birlikte, nano pestisitten zararlılara karşı sağladı potansiyel faydalar gibi, hedef dışı organizmalar, güvenlik riskleri, çevresel birikimden geniş kapsama alanına ve yüksek penetrasyon verimliliği de eşit derecede dikkat çekmektedir. Amerika EPA, önemli bir otorite kuruluş olarak nano pestisit konusunda her bir konuyu kendi içinde değerlendirerek duruma göre ve ihtiyatlı bir düzenleyici tutum içindedir. Bu nedenle nano pestisitler geliştirilirken yönetmelikler de paralel olarak dikkate alınarak geliştirilmeye çalışılmaktadır.

Ayrıca, biyolojik performans beklentimiz, yapılan çalışmalarımıza göre uyumlu olmalı olmadığı durumlarda meydana gelen tutarsızlığın derinliklerindeki bilimsel nedenlerin araştırılması önem taşımaktadır.

Nano pestisit uygulamalarının önümüzdeki yakın gelecekte pestisit kalıntısı yönetimine önemli katkılar sağlayacak bir yol olduğu görülmektedir.

Referanslar;

1. Alok A, Pawan K, Rita C, TERI-Deakin Nanobiotechnology Centre：Nanotechnology-based Agrochemicals as“Nanonutrifights” and Its Application Practices. 2019 June Agropages.
2. Carlos R., S., O; Jéssica M; Francisco W., R., J; Afonso H., S., J. Nano delivery systems of pesticides active agents for agriculture applications an overview. ICIAGRO 2020.0051
3. Çiçek S., Nadaroğlu H. The use of nanotechnology in the agriculture 2015 Korean Science Volume 3 Issue 4 / Pages.207-223)
4. Harpreet S, Archita S, Sanjeev K, Shailendra K., A, Neha B, Madhu K, Recent advances in the applications of nano-agrochemicals for sustainable agricultural development. Environ Sci Process Impacts. 2021 Mar 4;23(2):213-239.
5. Gazala Q,F, Ahmad D, Nano-agrochemicals: Economic Potential and Future Trends. 2020-Nanobiotechnology in Agriculture pp 185-193.
6. Meng J, Yue S, Mukesh K., K, Golam J., A, Shujun S, and Jie Z, Phytonanotechnology applications in modern agriculture. 2021, Jiang et al. Journal of Nanobiotechnology 19;430
7. Raghvendra P., S, Rahul H, Geetanjali M, Nanoparticles in sustainable agriculture: An emerging opportunity. Environ Sci Process Impacts 2021 Jan 10;329:1234-1248.
8. Ram P, Atanu B, and Quang D. N, Nanotechnology in sustainable agriculture: recent developments, challenges, and perspectives, 2017 June, Frontiers in Microbiology.
9. Shaon K., D, Nanoscience in Agriculture for Agrochemicals.2018, June, Acta Scientific Agriculture Volume 2 Issue.
10. Wang P, Lombi E, Zhao F, Kopittke PM. Nanotechnology: a new opportunity in plant sciences. Trends Plant Sci. 2016;21(8):699–712
11. Xiaoping X., A , Jonathan D. Judy B , Brent B. Sumerlin C and Zhenli He, Nano-enabled agriculture: from nanoparticles to smart nanodelivery systems. Environmental Chemistry 2020 March 17(6) 413-425.