باغبانی (هورتیکالچر)
وانگ و همکاران (۲۰۲۰) از نانوحبابها در کشت برنج در هر دو مقیاس آزمایشگاهی و پایلوت استفاده کردند. هدف این مطالعه به حداقل رساندن میزان کودهای مورد نیاز و همچنین تحریک هورمونهای رشد و ژنهای جذب مواد مغذی بود. تولید نانوحباب با روش تغییر فشار هیدرولیک انجام شد. آزمایش روی سه گروه انجام گردید: بدون نانوحباب بهعنوان شاهد (CK)، تیمار با نانوحباب با مقدار پایین( (LT) ۱۰ دقیقه یک بار در روز) و تیمار با نانوحباب با فرکانس بالا (HT)(۱۰ دقیقه هر ۲ ساعت). گیاهان کشتشده در طول دوره ۱۴ روزه از نظر رشد بررسی شدند و پس از برداشت، از نظر بیان ژن، محتوای هورمونی و توالییابی RNA مورد تحلیل قرار گرفتند. برای بررسی نیاز به کوددهی، در مطالعه میدانی، گروه شاهد (بدون نانوحباب) و یکی از دو گروه آبیاریشده با نانوحباب (با همان فرکانس) مقدار کود تجویز شده را دریافت کردند، در حالی که گروه دیگر نانوحباب فقط ۷۵٪ از این مقدار را دریافت نمود. نتایج آزمایشهای آزمایشگاهی در شکل ۱۳ نشان داده شده است، در حالی که یافتههای مطالعه میدانی نشان داد که میتوان کود را حداقل ۲۵٪ کاهش داد و همچنان به نتایج مشابه از نظر ارتفاع، محتوای کلروفیل و غیره دست یافت.
توضیح شکل ۱۳ – چپ: تصویری از فنوتیپ رشد نشاءهای برنج سهبرگی انتخابشده از سه گروه: شاهد بدون تیمار (CK)، تیمار با فرکانس پایین (LT) و تیمار با فرکانس بالا (HT) راست: تحلیل صفات رشد نشاءهای برنج در سه گروه: ارتفاع بوته (بالا) و طول ریشه (پایین).
تأثیر ریز-نانوحبابها (MNBs) بر آبیاری قطرهای خیار و گوجهفرنگی توسط لیو (۲۰۱۹) با اکسیژندهی ساده آب مقایسه شد. کشت در محیط گلخانه انجام گرفت و عملکرد محصول و کیفیت میوه برای همه موارد بررسی شد. از تحلیلها مشخص شد که عملکرد هر دو محصول خیار و گوجهفرنگی با استفاده از ریز-نانوحبابها در همان رژیم آبیاری و مقدار کود افزایش یافته است. علاوه بر این، بهرهوری مصرف آب و کیفیت بهطور قابلتوجهی افزایش یافت، بهطوری که بیشترین تأثیر بر گوجهفرنگی در قند محلول (۳۹٫۲٪) و برای خیار بیشترین تفاوت در بهرهوری مصرف آب (۲۲٫۱٪) مشاهده شد.
مطالعه جدیدتری، توسط ژو (۲۰۲۲)، اثرات و مکانیزمهای غلظتهای مختلف اکسیژن در آب غنیشده با نانوحباب را بررسی کرد. عملکرد محصول گوجهفرنگی، حاصلخیزی خاک و جامعه باکتریایی برای دو فصل با آبیاری با آب نانوحباب مطالعه شدند. غلظت کل اکسیژن بهعنوان پارامتر مستقل در محدوده ۱۶۰ تا ۲۸۰ میلیگرم بر لیتر در نظر گرفته شد. از نتایج بهدستآمده مشخص شد که یک آستانه غلظت اکسیژن وجود دارد (که نشاندهنده اکسیژن محبوسشده برای محصول، خاک و شرایط خاص است) و مؤثرترین غلظت اکسیژن نانوحباب ۲۲۰ میلیگرم بر لیتر بود، در حالی که غلظتهای بالاتر از آن به نظر میرسد که اثر را کاهش میدهند.
در مطالعه دیگری که توسط وو (۲۰۱۹) انجام شد، مجدداً از گوجهفرنگی بهعنوان گونه مورد بررسی برای ارزیابی افزایش رشد و بهرهوری ناشی از نانوحبابهای حاوی اکسیژن استفاده گردید. آزمایشهای آزمایشگاهی در انکوباتورهای خاک و آزمایشهای پایلوت در ستونهای خاک در شرایط گلخانه انجام شد. به جز گروه شاهد، گروهی با هوادهی ساده نیز برای تخمین بهتر تأثیر نانوحبابها در نظر گرفته شد. از نتایج مشخص شد که اکسیژندهی با نانوحباب بالاترین عملکرد را نسبت به هوادهی و شاهد دارد؛ بهترتیب ۵٪ و ۲۳٪ بیشتر. در نهایت، از تحلیل خاک مشخص شد که مواد مغذی باقیمانده و محتوای آلی در خاک ناشی از نانوحبابها حتی بیشتر از هوادهی ساده است. بهطور کلی، مطالعه نشان داد که هوادهی ساده و استفاده از نانوحباب نتایج مشابهی از نظر خواص ارگانولپتیک (حسی) دارند، اما نانوحبابها نرخ رشد را افزایش داده و عملکرد کلی بهتری نشان میدهند.
احمد (۲۰۱۸) نیز تأثیر نانوحبابها را بر جوانهزنی بذر و رشد گیاه بررسی کرد. مطالعه آنها شامل گازهای مختلف (اکسیژن، هوا، نیتروژن و دیاکسید کربن) بر روی گونههای گستردهای از جمله هویج و کاهو بود. نانوحبابها با ایجاد فشار گاز از طریق غشای سرامیکی پس از ۹۰ دقیقه تزریق گاز با نرخ جریان ثابت تولید شدند. تأثیر گونههای فعال اکسیژن (ROS) پس از تیمار آب لولهکشی با نانوحباب، که با تکنیک فوتولومینسانس مشخصهیابی شد، برای هدف این کار ضروری بود. آزمون جوانهزنی روی بذر کاهو، هویج و لوبیا به مدت ۶ تا ۱۰ روز انجام شد، در حالی که برای آزمون رشد گیاه از هویج و گوجهفرنگی در خاک باغچه استفاده گردید. در هر دو مجموعه، آب لولهکشی برای گروه شاهد استفاده شد. ساقه و برگها برای بررسی تأثیر بر خواص ارگانولپتیک گوجهفرنگی، هویج و لوبیا مشخصهیابی شدند. این مطالعه نتیجه گرفت که نانوحبابهای نیتروژن بهترین عملکرد را در تمام مراحل رشد گیاه داشتند. با این حال، مشخص بود که گازهای مختلف هر مرحله را بهطور متفاوتی تحت تأثیر قرار میدهند. بهعنوان مثال، نانوحبابهای نیتروژن بیشترین افزایش را در جوانهزنی نشان دادند، در حالی که نانوحبابهای دیاکسید کربن گیاهان پررشدتری پرورش دادند. نویسندگان این تفاوتها را به ویژگیهای مختلف نانوحبابها از نظر پتانسیل زتا و بارگذاری رابط الکتریکی نسبت دادند.
تمایز مشابهی توسط خان و همکاران (۲۰۲۲) نیز مشاهده شد، جایی که نانوحبابهای CO₂ و هوا برای کشت سبزی آمارانت (تاجخروس سبز) ارزیابی شدند. یک پارامتر اضافی مورد بررسی، زمان تولید نانوحباب در ۵، ۱۰ و ۱۵ دقیقه بود. باز هم به نظر میرسد نانوحبابهای هوا تأثیر قابلتوجهی به اندازه نانوحبابهای CO₂ بر جوانهزنی بذر و رشد گیاه نداشته باشند و به افزایش ۹۰٪ نسبت به گروه شاهد دست یافتند. در مورد زمان، جالب اینجاست که برای نانوحبابهای هوا، تأثیر منفی بر کارایی داشت، در حالی که برای CO₂ عکس آن مشاهده شد.
۲-۳- آبکشت (هیدروپونیک)
روش دیگر کشت، آبکشت (هیدروپونیک) است که در آن گیاهان بدون خاک و با غوطهوری ریشهها در محلول آب/کود پرورش داده میشوند. آبکشت با مصرف کم آب و رشد سریعتر مشخص میشود. سیستمهای آبکشت میتوانند از نظر تکنیک اعمالشده متفاوت باشند؛ رایجترین آنها عبارتند از: کشت محلول ساکن و در گردش، ایروپونیک. مواد مغذی و همچنین توزیع آنها در سیستم آب مهم است. کاربرد نانوحباب در آبکشت بحثهایی را در مورد تأثیر مثبت یا منفی نانوحبابها در چنین سیستمهایی برانگیخته است. با این حال، حقیقت جایی در میان این دو است؛ تأثیر نانوحبابها در افزایش رشد گیاهان کشتشده بهروش هیدروپونیک به عوامل مختلفی بستگی دارد. ثابت شده است که نانوحبابها اکسیژن محلول در محلول را تنظیم میکنند، رشد برگ و ساقه را افزایش میدهند و پاسخهای مورفولوژیکی و فیزیولوژیکی بهتری نسبت به هوادهی معمولی ایجاد میکنند، اما تنها زیر یک آستانه خاص، که بالاتر از آن نانوحبابها رشد گیاه را مهار میکنند.
نشاءهای سویا بهصورت هیدروپونیک در غلظتهای مختلف مواد مغذی (سطح صفر، کم و زیاد) مورد بررسی قرار گرفتند تا تأثیر نانوحبابها (که در این مطالعه حبابهای بسیارریز نامیده شدهاند) بررسی شود. از آب دیونیزه بهعنوان شاهد استفاده شد و از N₂ و هوا برای تولید نانوحباب استفاده گردید. علاوه بر این، شرایط همزدن و بدون همزدن برای هر دو محلول شاهد و نانوحباب اعمال شد. جالبتوجه این است که بیشترین تأثیر نانوحباب در گروه بدون مواد مغذی برای هر دو حالت همزدن و بدون همزدن مشاهده شد. در مقابل، نانوحبابها حتی سطح بالای مواد مغذی را از نظر نسبت شاخه به ریشه محصول مهار کردند، جایی که گروه شاهد عملکرد بهتری داشت.
به دلیل نتایج متناقض مطالعات مختلف در مورد افزایش یا مهار کشت هیدروپونیک، همان گروه Iijima و همکاران (۲۰۲۲) مطالعه تکراری را انجام دادند و این بار ۵ گونه دیگر را نیز اضافه کردند و غلظت نانوحباب نیز بررسی شد. زیستتوده و نرخ طویلشدگی سویا، لوبیا چشمبلبلی، آزوکی (لوبیا قرمز)، گندم، برنج و ذرت اندازهگیری شدند. سه گونه اول از خانواده غلات و سه گونه دیگر از خانواده حبوبات هستند. این مطالعه نتیجه گرفت که تأثیر مثبت نانوحبابها بر رشد گیاه وجود دارد، اما محدودیتهای متعددی وجود دارد که در کشت هیدروپونیک بیشتر مشهود است. این موضوع به حضور مواد مغذی در طول رشد گیاه و مهار (یا خنثیسازی) برخی از اجزا زمانی که نانوحبابها از آستانه غلظت عبور میکنند، نسبت داده میشود.
نانوحبابها روشی امیدوارکننده برای حفظ سطح اکسیژن محلول در سیستمهای هیدروپونیک، بهویژه در آبوهوای گرم، هستند.
۳-۳- آبزیپروری
آبزیپروری زیربخشی از کشاورزی است و شامل تمام فعالیتهای مرتبط با پرورش، نگهداری و برداشت ماهی، صدفها و گیاهان آبزی میشود. فعالیتهای مذکور در دریای آزاد، رودخانهها، دریاچهها، استخرهای مصنوعی یا طبیعی و تأسیسات سرپوشیده انجام میشوند. وقتی آبزیپروری به پرورش میگو یا صدف اشاره دارد، مسئله مرگومیر بالا ناشی از کیفیت پایین آب، بیماریها، خوراک و غیره مطرح است. در شیلات، مشکل اصلی سلامت ضعیف ماهی به دلیل عواملی مانند ازدحام جمعیت ماهی، مواد مغذی ناکافی، عفونتها در سیستمهای ثابت و غیره است.
یکی از مهمترین پارامترها برای پرورش ماهی، محیط با اکسیژن کافی است. ماهاسری و همکاران (۲۰۱۸) تأثیر نانوحبابها را بر انتشار اکسیژن در ماهی تیلاپیای نیل، گونهای که به غلظت بالای اکسیژن نیاز دارد، مطالعه کردند. نرخ کاهش اکسیژن محلول (DO) با و بدون حضور ماهی اندازهگیری شد. از نتایج، نویسندگان نتیجه گرفتند که نانوحباب سطح اکسیژن محلول را افزایش داده و نرخ کاهش آن کندتر است.
همانطور که قبلاً ذکر شد، سطح اکسیژن محلول نقش مهمی در سلامت ماهی دارد؛ هرچه شرایط محیطی بهتر باشد، سیستم ایمنی قویتر و رشد باکتریها کمتر خواهد بود. در این راستا، دین (۲۰۲۲) نانوحبابهای اکسیژن و ازن را در ترکیب با باکتریوفاژ مطالعه کرد. فاژ پس از تیمار با نانوحباب اکسیژن سالم باقی ماند، اما توسط نانوحبابهای ازن حذف شد. پس از آن، چسبندگی فاژ بر روی پوست و آبشش ماهی نیز بررسی شد. نتایج نشان داد که جذب فاژ در حضور نانوحبابهای اکسیژن تا حدود ۵ برابر کمتر از گروه تیمار است. کاهش باکتریایی پس از تیمار با نانوحبابهای ازن در پرورش ماهی آب شیرین توسط جونکیو (۲۰۲۱) ارزیابی شد. تیمار با نانوحباب ازن کاهش ۹۹٫۹۹٪ در غلظت باکتری را از طریق مکانیسم تخریب سلول باکتریایی نشان داد (شکل ۱۴). این مقدار زمانی که مواد آلی (مخاط، مدفوع و غیره) وجود داشت، کمتر بود. علاوه بر این، مورفولوژی ماهی پس از قرار گرفتن در معرض تیمار نیز بررسی شد. اگرچه قرار گرفتن در معرض کوتاهمدت به نظر نمیرسد که به ماهی آسیب برساند، اما تکرار دفعات قرارگیری، نتیجه را تغییر میدهد.
شکل ۱۴ – تصاویر میکروسکوپ الکترونی از S. agalactiae (A-C) و A. veronii (D-F) قبل و بعد از تیمار با نانوحباب ازن NB-O3 به مدت ۱۰ دقیقه. مورفولوژی باکتری قبل از تیمار طبیعی بود در حالی که تخریب سلولی پس از تیمار با نانوحباب ازن NB-O3 مشاهده شد.
خط مقیاس، ۱ میکرومتر.
نتیجهگیری
این کار مروری جامع بر منابع علمی در مورد آخرین تحولات در فناوری نانوحباب و کاربردهای آن ارائه میدهد. جنبههای بررسیشده شامل محیط زیست با تمرکز بر تصفیه آب و فاضلاب با نانوحبابها، بخش کشاورزی تقسیمشده به (i) باغبانی، (ii) آبکشت و (iii) آبزیپروری، بخش پزشکی و زیستپزشکی که عمدتاً مطالعات مربوط به ترانوستیک و دارورسانی ارائه شدهاند، میشود. سایر بخشها مانند انرژی و فرآیندهای صنعتی نیز بهطور مختصر بحث شدند. این مرور فقط به مقالات تحقیقاتی از سال ۲۰۱۷ تاکنون محدود شد. جستجو در پایگاه داده Scopus با استفاده از کلیدواژه «nanobubble technology» و محدود به مقالات تحقیقاتی، ۱۸۴۳ نتیجه را بازمیگرداند که اولین کار منتشرشده در سال ۱۹۹۹ گزارش شده است. وقتی سال انتشار در بازه ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۳ تنظیم شود، تعداد کل مقالات ۱۱۵۴ است؛ این تعداد بیش از ۶۰٪ از کل تحقیقات منتشرشده در مورد فناوری نانوحباب است. این نتایج نشان میدهد که اگرچه فناوری نانوحباب را میتوان افق بسیاری از چالشهای پیش رو در نظر گرفت، اما هنوز میتوان ادعا کرد که در مرحله نابالغی قرار دارد. بنابراین، پایش مستمر توسعه نانوحباب در هر بخش برای درک بهتر این فناوری و مکانیزمهای درگیر آن حیاتی است.