Technologie MIT zlepšuje přilnavost pesticidů na listech rostlin

Snižování množství používaných zemědělských postřiků, včetně hnojiv, pesticidů a herbicidů, by mohlo snížit množství znečišťujících látek, které se dostávají do životního prostředí, zároveň by to snížilo náklady zemědělců a potenciálně zvýšilo jejich produktivitu. Klasická výhra pro všechny.

Tým výzkumníků z MIT a spinové firmy, kterou založili, vyvinul systém, který přesně tohle dělá. Jejich technologie přidává tenkou vrstvu kolem kapek během postřiku, čímž se značně snižuje jejich sklon odrážet se od listů a plýtvat se na zemi. Místo toho se obalené kapky lepí na listy, jak bylo zamýšleno.

Výzkum je popsán v časopise Soft Matter v článku nedávných absolventů MIT Vishnu Jayaprakasha PhD '22 a Sreedatha Panata PhD '23, postgraduálního studenta Simona Rufera a profesorky strojírenství MIT Kripy Varanasiové.

Nedávná studie zjistila, že pokud by zemědělci nepoužívali pesticidy, ztratili by 78 procent ovoce, 54 procent zeleniny a 32 procent obilné produkce. Navzdory jejich důležitosti nedostatek technologie, která monitoruje a optimalizuje postřiky, donutil zemědělce spoléhat se na osobní zkušenosti a pravidla pro rozhodování o aplikaci těchto chemikálií. Výsledkem je, že tyto chemikálie se mají tendenci nadměrně používat, což vede k odtoku a dostávání se chemikálií do vodních toků nebo hromadění v půdě.

Pesticidy představují značnou zátěž pro globální zdraví a životní prostředí, zdůrazňují výzkumníci. Nedávná studie zjistila, že 31 procent zemědělských půd po celém světě je vystavené vysokému riziku znečištění pesticidy. A zemědělské chemikálie představují pro zemědělce značné náklady: v USA ročně utratí za pesticidy 16 miliard dolarů.

Zlepšení účinnosti postřiků je jedním z nejlepších způsobů, jak zajistit udržitelnější a ekonomičtější výrobu potravin. Zemědělský postřik se v podstatě omezuje na smíchání chemikálií s vodou a postřik vodních kapek na rostlinné listy, které jsou často samy o sobě vodoodpudivé. „V mé laboratoři na MIT jsme více než deset let prováděli výzkum a dosáhli jsme základního pochopení postřiku a interakce mezi kapkami a rostlinami – studovali jsme, kdy se odrážejí a všechny způsoby, jak je lépe přilepit a zlepšit pokrytí,“ říká Varanasiová.

Tým dříve našel způsob, jak snížit množství postřikované kapaliny, která se odráží od listů, na které dopadne, což zahrnovalo použití dvou postřikovačů místo jednoho a postřik směsí s opačným elektrickým nábojem. Zjistili však, že zemědělci se zdráhali podstoupit náklady a úsilí spojené s přestavbou svého postřikovacího zařízení na systém se dvěma tryskami. Proto tým hledal jednodušší alternativu.

Zjistili, že lze dosáhnout stejného zlepšení retence kapek pomocí systému s jednou tryskou, který lze snadno přizpůsobit existujícím postřikovačům. Místo aby dávali kapkám pesticidu elektrický náboj, každou kapku pokrývají nepatrně tenkou vrstvou olejovitého materiálu.

Ve své nové studii provedli laboratorní experimenty s vysokorychlostními kamerami. Když nastříkali kapky bez speciální úpravy na vodoodpudivý (hydrofobní) povrch podobný povrchu mnoha rostlinných listů, kapky se nejprve rozprostřely do tvaru palačinky, poté se odrazily zpět do tvaru koule a odrazily se. Ale když výzkumníci povrch kapek pokrývali malým množstvím oleje – tvořícího méně než 1 procento kapaliny v kapce –, kapky se rozprostřely a zůstaly na místě. Úprava zlepšila „lepidlo“ kapek až stokrát.

„Když tyto kapky dopadají na povrch a rozšiřují se, vytvoří se olejový kroužek, který kapku v podstatě připne k povrchu,“ říká Rufer. Výzkumníci vyzkoušeli širokou škálu podmínek, vysvětluje, že provedli stovky experimentů „s různými rychlostmi dopadu, různými velikostmi kapek, různými úhly sklonu, všemi věcmi, které tento jev plně charakterizují.“ Přestože se různé oleje lišily účinností, všechny byly účinné. „Bez ohledu na rychlost dopadu a oleje jsme zjistili, že výška odskoku byla výrazně nižší,“ říká.

Účinek funguje s pozoruhodně malým množstvím oleje. V počátečních testech použili 1 procento oleje ve srovnání s vodou, pak vyzkoušeli 0,1 procenta a dokonce 0,01 procenta. Zlepšení přilnavosti kapek k povrchu pokračovalo při 0,1 procenta, ale začalo se snižovat nad touto hranicí. „V podstatě tento olejový film funguje jako způsob, jak kapku zachytit na povrchu, protože olej je k povrchu velmi přitahován a jakoby drží vodu na místě,“ říká Rufer.

V počátečních testech výzkumníků se jako povlak používal sójový olej, protože si mysleli, že to bude pro zemědělce, se kterými pracovali, a z nichž mnozí pěstovali sóju, známý materiál. Ukázalo se však, že i když sóju pěstovali, olej nebyl součástí jejich obvyklého dodavatelského řetězce pro použití na farmě. V dalších testech výzkumníci zjistili, že místo toho lze použít několik chemikálií, které zemědělci běžně používají při postřiku, nazývané povrchově aktivní látky a přísady, a že některé z nich poskytovaly stejné výhody při udržování kapek na listech.

„Tímto způsobem,“ říká Varanasiová, „nezavádíme do jejich pole novou chemikálii ani neměníme chemii, ale používají věci, které znají již dlouhou dobu.“

Varanasi a Jayaprakash založili firmu AgZen na komercializaci systému. Aby prokázali, jak moc jejich systém povlaků zlepšuje množství postřiku, které zůstane na rostlině, nejprve museli vyvinout systém pro monitorování postřiku v reálném čase. Tento systém, který nazývají RealCoverage, byl nasazen na farmách o velikosti od několika desítek akrů až po stovky tisíc akrů a na mnoho různých typů plodin a ušetřil zemědělcům 30 až 50 procent výdajů na pesticidy, a to pouze zlepšením kontroly stávajících postřiků. Podle firmy se tento systém v roce 2025 nasazuje na 920 000 akrů plodin, včetně některých v Kalifornii, Texasu, na Středozápadě, ve Francii a Itálii. Přidáním systému plášťování pomocí nových trysek by podle výzkumníků mělo dojít přinejmenším k dalšímu zdvojnásobení účinnosti.

„Americkým pěstitelům byste mohli vrátit miliardu dolarů, kdybyste jim ušetřili jen 6 procent jejich rozpočtu na pesticidy,“ říká Jayaprakash, hlavní autor výzkumné práce a generální ředitel společnosti AgZen. „V laboratoři jsme na rostlině získali o 300 procent více produktu. To znamená, že bychom mohli dosáhnout řádově nižšího množství pesticidů, které zemědělci používají.“

Zemědělci již používali tyto povrchově aktivní látky a přísady ke zlepšení účinnosti postřiku, ale míchali je s vodným roztokem. Aby to mělo nějaký účinek, museli použít mnohem více těchto materiálů, přičemž riskovali popálení rostlin. Nový systém povlaků snižuje množství těchto materiálů, které je potřeba, a zároveň zlepšuje jejich účinnost.

V polních testech, které provedla společnost AgZen, „jsme zdvojnásobili množství produktu na kadeřávku a sóji pouhou změnou místa, kde byla přísada,“ z promíchané do potahu, říká Jayaprakash. Pro zemědělce je to výhodné, protože „vše, co dělají, je změna trysky. Zlepší se účinnost všech jejich stávajících chemikálií a na rostlině bude více produktu.“

A to není jen pro pesticidy. „Skutečně skvělé je, že je to užitečné pro každou chemii, která se dostává na list, ať už je to insekticid, herbicid, fungicid nebo listová výživa,“ říká Varanasiová. Letos plánují zavést nový systém postřiku na zhruba 30 000 akrech orné půdy.

Varanasi říká, že s projektovaným růstem světové populace „se musí zdvojnásobit množství produkce potravin a máme omezené zdroje, například nemůžeme zdvojnásobit ornou půdu. … To znamená, že každý akr, který v současné době obděláváme, musí být efektivnější a musí umět dělat více s menším.“ Tato vylepšená technologie postřiku pro monitorování postřiku a potahování kapek, říká Varanasiová, „si myslím, že zásadně mění zemědělství.“

Společnost AgZen nedávno získala 10 milionů dolarů v rizikovém financování na podporu rychlého komerčního nasazení těchto technologií, které mohou zlepšit kontrolu chemických vstupů do zemědělství. „Znalosti, které sbíráme z každého listu, v kombinaci s našimi zkušenostmi v oblasti mezifázové vědy a mechaniky tekutin, nám dávají nebývalé poznatky o tom, jak se chemikálie používají a vyvíjejí – a je jasné, že můžeme přinést hodnotu v celém dodavatelském řetězci agrochemikálií,“ říká Varanasiová. „Naším posláním je využívat tyto technologie k dosažení lepších výsledků a nižších nákladů pro zemědělský průmysl.“