اكتشاف اختراق يمكن أن يجعل الأرز أرخص وأكثر صحة ونظافة

توفر الأبحاث الدولية التي تشارك في قيادتها UMass Amherst إمكانات قوية لمعالجة ثلاثة تحديات عالمية رئيسية: تزايد عدد السكان، وتأثيرات تغير المناخ، والضغوط الاقتصادية والبيئية المتزايدة التي تواجه الزراعة.

وتحمل زراعة الأرز، التي يدعمها أكثر من 3.5 مليار إنسان في مختلف أنحاء العالم، أعباء بيئية ومناخية ومالية كبيرة. بحث جديد من العلماء في جامعة ماساتشوستس أمهيرست وقد تقدم جامعة جيانغنان الصينية طريقاً إلى الأمام.

ويظهر عملهم أن تطبيق السيلينيوم في مقياس النانو يمكن أن تقلل من كمية الأسمدة اللازمة لإنتاج الأرز مع الحفاظ على الغلة، وتحسين المحتوى الغذائي، وزيادة التنوع الميكروبي في التربة، وخفض انبعاثات غازات الدفيئة. وفي دراسة نشرت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوميقدم الفريق أيضًا أول دليل حقيقي على أن هذه المعالجات النانوية تعمل بفعالية خارج إعدادات المختبر الخاضعة للرقابة.

مشكلة الأسمدة: حدود الثورة الخضراء

يقول باوشان شينغ، الأستاذ الجامعي المتميز في كيمياء البيئة والتربة، ومدير كلية ستوكبريدج للزراعة في جامعة ماساتشوستس، والمؤلف الرئيسي المشارك للبحث الجديد: “لقد عززت الثورة الخضراء الإنتاج الزراعي بشكل كبير خلال منتصف القرن الماضي”. “لكن هذه الثورة بدأت تنفد. نحن بحاجة إلى إيجاد طريقة لإصلاحها وإنجاحها”.

وكان المحرك الرئيسي لنجاح الثورة الخضراء هو تطوير الأسمدة الاصطناعية الغنية بالنيتروجين، والتي سمحت للمزارعين بزيادة إنتاجية المحاصيل بشكل كبير. ومع ذلك، فإن هذه الأسمدة لها عيوب كبيرة. إن إنتاجها مكلف، كما أن تصنيعها يطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، كما أن الكثير من النيتروجين المستخدم في الحقول لا يبقى في التربة.

تمتص المحاصيل عادة حوالي 40-60% فقط من النيتروجين الذي تتلقاه، وهو مقياس يعرف بكفاءة استخدام النيتروجين (NUE). وفي الأرز، يمكن أن تنخفض نسبة استخدام الأسمدة غير الملوثة إلى 30%، وهذا يعني أن 70% من الأسمدة تتدفق في نهاية المطاف إلى الأنهار والبحيرات والمحيطات. ويساهم هذا الجريان السطحي في التخثث، والمناطق الميتة، ومجموعة من القضايا البيئية الأخرى، في حين يهدر أيضا 70٪ من الأموال التي ينفقها المزارعون على الأسمدة.

بمجرد دخول النيتروجين إلى التربة، فإنه يتفاعل مع مزيج معقد من التفاعلات الكيميائية والنشاط الميكروبي. تولد هذه العمليات مستويات أعلى من الميثان والأمونيا و أكسيد النيتروز، وكلها غازات دفيئة قوية. علاوة على ذلك، فإن إنتاج الأسمدة النيتروجينية بحد ذاته هو عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة وتزيد من الانبعاثات العالمية.

يقول شينغ: “يعلم الجميع أننا بحاجة إلى تحسين NUE”، والسؤال هو كيف؟

السيلينيوم النانوي كحل تم اختباره ميدانيًا

ما اكتشفه شينغ وزملاؤه، بما في ذلك المؤلف الرئيسي تشوانشي وانغ ومؤلف كبير آخر، زينيو وانغ، وأساتذة العمليات البيئية ومكافحة التلوث في جامعة جيانغنان، هو أن السيلينيوم النانوي، وهو عنصر حاسم لصحة النبات والإنسان، عند تطبيقه على أوراق الشجر وسيقان الأرز، يقلل من الآثار البيئية السلبية للتخصيب النيتروجيني بنسبة 41٪ ويزيد من الفوائد الاقتصادية بنسبة 38.2٪ لكل طن من الأرز، مقارنة بالممارسات التقليدية.

يقول وانغ: “لقد استخدمنا طائرة بدون طيار لرش الأرز الذي ينمو في حقل الأرز بخفة مع تعليق السيلينيوم النانوي”. “هذا الاتصال المباشر يعني أن نبات الأرز أكثر كفاءة بكثير في امتصاص السيلينيوم مما لو قمنا بتطبيقه على التربة.”

كيف يعزز السيلينيوم النانوي نمو النباتات وصحة التربة

السيلينيوم يحفز النبات التمثيل الضوئيوالتي ارتفعت بأكثر من 40%. زيادة التمثيل الضوئي تعني أن النبات يمتص المزيد من ثاني أكسيد الكربون₂والتي تتحول بعد ذلك إلى كربوهيدرات. تتدفق تلك الكربوهيدرات إلى جذور النبات، مما يؤدي إلى نموها. تطلق الجذور الأكبر والأكثر صحة مجموعة من المركبات العضوية التي تزرع الميكروبات المفيدة في التربة، وهذه الميكروبات هي التي تعمل بعد ذلك بشكل تكافلي مع جذور الأرز لسحب المزيد من النيتروجين والأمونيوم من التربة إلى النبات، مما يزيد من NUE من 30 إلى 48.3٪، مما يقلل من كمية إطلاق أكسيد النيتروز والأمونيا في الغلاف الجوي بنسبة 18.8-45.6٪.

مع وصول المزيد من العناصر الغذائية، ينتج الأرز نفسه محصولًا أعلى، مع حبوب أكثر مغذية: مستويات البروتين، وبعض العناصر المهمة. الأحماض الأمينيةوقفز السيلينيوم أيضًا.

علاوة على كل هذا، وجد شينغ ووانغ وزملاؤهما أن تطبيقات النانو سيلينيوم سمحت للمزارعين بتقليل استخداماتهم للنيتروجين بنسبة 30%. وبما أن زراعة الأرز تمثل 15% إلى 20% من الاستخدام العالمي للنيتروجين، فإن هذه التقنية الجديدة تحمل وعداً حقيقياً للمساعدة في مواجهة التهديد الثلاثي المتمثل في تزايد عدد السكان، وتغير المناخ، وارتفاع التكاليف الاقتصادية والبيئية للزراعة.

المرجع: “التنسيق القائم على تكنولوجيا النانو بين أنظمة البراعم والجذور يعزز كفاءة استخدام نيتروجين الأرز” بقلم تشوانشي وانغ، وبينجكسو تشينج، وجينجاو شياو، وياهوي جي، وجيانغشان تشانغ، ورونجكسين تشو، وشيان-زينج يوان، وميلاني كاه، وجينيو وانج، وباوشان شينغ، 24 سبتمبر 2025، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2508456122

تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (42421005، 42322705، و42307352)، بتمويل من برنامج البحوث الأساسية في جيانغسو (BK20230044)، وصناديق البحوث الأساسية للجامعات المركزية (JUSRP622019)، وبرنامج Hatch التابع لوزارة الزراعة الأمريكية (MAS 00616).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.