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Moderne Landwirtschaft
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Eher, es ist Harpers Arbeit im Labor, die sie mit dem Boden verbindet.
Ein Wissenschaftler an der Oregon State University in Corvallis, Harper forscht verbissen nach winzigen, vom Menschen hergestellte Substanzen, die Nanopartikel genannt werden, mit dem Ziel herauszufinden, was ein Segen und was ein Fluch für die Landwirte ist, Verbraucher und Umwelt. Nanopartikel, wie groß sind die Moleküle, werden bereits in allen Bereichen von Sonnenschutzmitteln bis hin zu biomedizinischen Geräten verwendet. Ihre winzige Größe macht sie effizient, aber auch unberechenbar. Das beunruhigt Harper:Die ersten Nanoformulierungen von Pestiziden halten leise ihren Weg auf landwirtschaftliche Felder, und sie will wissen, was als nächstes passiert.
Ingenieur und Toxikologe, Harper hat eine einzigartige Perspektive. Sie glaubt, dass Nanotechnologie ebenso wie die Medizin dazu beitragen könnte, die Landwirtschaft zu revolutionieren. Aber sie sieht sowohl das Potenzial als auch die Risiken von Nanopestiziden. „Ich denke, die überwiegende Mehrheit der Nanopestizide wird nicht toxisch sein“ – oder, wenigstens, nicht giftiger für Nicht-Zielorganismen als aktuelle Pestizide, sagt Harper. "Wir brauchen nur eine Möglichkeit, diese Handvoll zu identifizieren, die gefährlich sein könnte."
Durch die Verkleinerung der einzelnen Nanopestizid-Tröpfchen, Es besteht ein breiter Konsens – von der Industrie über die Wissenschaft bis hin zur Umweltschutzbehörde –, dass die Gesamtmenge der auf landwirtschaftlichen Feldern versprühten Toxine erheblich reduziert werden könnte. Kleinere Tröpfchen haben eine größere Gesamtoberfläche, die insgesamt mehr Kontakt mit Pflanzenschädlingen bietet. Sowie, Diese winzigen Partikel können so konstruiert werden, dass zum Beispiel, eine physische Hülle, die als Kapsel bezeichnet wird, kann dem Abbau in der Umwelt besser standhalten, länger anhaltenden Schutz bieten als herkömmliche Pestizide. Aber diese Hülle kann vorhersehbare physikalische Eigenschaften verändern, wie löslich das Pestizid in Wasser ist.
Und Harper ist sich auch bewusst, dass die einzigartigen physikalischen Eigenschaften der Nanoskala das Umweltverhalten der Partikel in Frage stellen. Sobald sie auf Felder gesprüht sind, Verklumpen sie an Feldfrüchten oder rutschen sie durch den Boden in Gewässer? Am besorgniserregendsten, Harper fragt sich, ob sie von Organismen, die keine Schädlinge sind (wie Bienen oder Fische), leicht aufgenommen werden. und wie lange sie in der Umwelt bestehen bleiben – Eigenschaften, die sich mit der Größe radikal ändern können. „Wir wissen es einfach nicht, " Sie sagt.
„Das Potenzial von nanoaktivierten Pestiziden ist unglaublich, Aber im Moment ist es noch ein Traum, “ sagt Sonny Ramaswamy, Direktor des National Institute of Food and Agriculture des USDA. Und der Traum geht über Pestizide hinaus. Er beschreibt Pläne für Sensoren in Nanogröße, die Stickstoffmangel erkennen und eine Nachricht an das Handy eines Bauern senden können, oder Nanosensoren in Lebensmittelverpackungen aus Kunststoff, die bei Kontakt mit Listerien oder Salmonellen aufleuchten. „Die Sorge ist, dass Nanopartikel unbeabsichtigte Folgen haben könnten – das ist die große Frage, mit der sich Bundesbehörden beschäftigen. " er addiert. "Leute wie Stacey Harper bieten diesen Freibauern-Service an, um sicherzustellen, dass wir mögliche unbeabsichtigte Folgen angehen."
„Das Potenzial von nanoaktivierten Pestiziden ist unglaublich, aber im Moment ist es noch ein Traum.“
Harper erinnert sich an das erste Mal, als sie den Begriff „Nanotechnologie“ hörte. Es war vor einem Jahrzehnt während eines Treffens der US-Umweltschutzbehörde in Las Vegas, wo sie als Postdoktorandin tätig war. Ihr Team hatte die Aufgabe, die Gesundheitsrisiken von Nanomaterialien zu bewerten. „Die große Diskussion war ‚Was sind sie und warum machen wir uns Sorgen um sie? ’“, erinnert sie sich.
Fasziniert, Harper tauchte all-in, Der Schwerpunkt lag zunächst auf biomedizinischen Anwendungen wie Gold-Nanopartikeln, die zur gezielten Wirkstoffabgabe verwendet werden (eines der ersten Produkte, die die Technologie übernahmen). Schon bald überfluteten umweltbewusste Unternehmen ihr Labor mit Produkten – von Sonnenschutzmitteln über Akne-Medikamente bis hin zu Wirkstoffen zur Bekämpfung von Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA, ein fleischfressendes Bakterium) – für Rückmeldungen zur Sicherheit. Sie erkannte bald, dass mit dieser neuen Technologie, eine unendliche Anzahl von Nanopartikeltypen erzeugt werden könnte, und dass traditionelle Risikobewertungsansätze, die einzelne Nanopartikel testen würde, würden der Herausforderung nicht standhalten. „Es geht wirklich darum herauszufinden, welche physikalischen oder strukturellen Eigenschaften ein Nanopartikel im Vergleich zu anderen toxisch machen würden. " Sie sagt.
Diese Antworten zu finden war alles andere als einfach. Ein Problem ist die fehlende Finanzierung. In den letzten 13 Jahren, die US-Regierung hat Milliarden in die National Nanotechnology Initiative (NNI) gesteckt. ein koordiniertes F&E-Programm, das 20 Bundesministerien und -behörden umfasst und darauf abzielt, die Nanotechnologie in allen Sektoren voranzutreiben. In 2008, das NNI unternahm einen beispiellosen Schritt und begann auch mit der Finanzierung von Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsforschung. „Die Notwendigkeit, neue Technologierisiken zu bewerten, ist eine der Lehren, die aus der Gegenreaktion von Gentechnik (genetische Veränderung von Lebensmitteln) gezogen wurden. “, sagt Harper. Bisher, jedoch, Der kleine Teil dieses Geldes, das für Risikotests zur Verfügung steht, konzentrierte sich hauptsächlich auf Arbeiter, die Nanopartikel einatmen könnten.
Wissenschaftler erkannten, dass sie schneller, effizientere Möglichkeiten zur Bewertung der Risiken von Nanopartikeln. Harper, zum Beispiel, einen Test zur Bewertung der Toxizität von Nanomaterialien bei Zebrafischen entwickelt, eine Wasserversion einer Laborratte, eine, die über Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt informieren kann. Ramaswamy nennt es „ein wirklich cooles Modellsystem“.
„Von den Hunderten von Nanotech-Verbindungen, die wir getestet haben, nur wenige hissen rote Fahnen, “, sagt Harper. „Es läuft oft darauf hinaus, ob die Oberflächenchemie des Partikels insgesamt positiv geladen ist, " Bedeutung, zum Beispiel, dass sie von negativ geladenen Zellmembranen angezogen werden könnten, wenn sie in den menschlichen Körper gelangen. Um den Überblick über die problematischen Nanofunktionen zu behalten, sie half beim Aufbau einer internationalen Datenbank der physikalischen Strukturen und ihrer Toxizität. Ziel ist es zu bestimmen, welche Nanopartikeldesigns vermieden werden sollten, teilen Sie diese Informationen dann mit der Industrie.
Es war Harpers Ehemann und derzeitiger Laborleiter, Bryan, die ihre Aufmerksamkeit auf die Umweltauswirkungen von Nanopestiziden richtete. Vor Jahren, er arbeitete im National Pesticide Information Center (NPIC), eine vom Bund finanzierte Hotline auf dem Campus der OSU, die sich mit Fragen der Öffentlichkeit zu Gesundheitsrisiken durch Pestizide befasst. Bryan wurde überrascht, als Anrufe eintrafen, um Informationen über die Umweltrisiken von Nanosilber zu erhalten. das erste Nanopestizid auf dem Markt. Es ist eine antibakterielle Verbindung, die in einer Vielzahl von Konsumgütern verwendet wird. von Kleidung bis Nahrungsergänzungsmittel.
Natürlich, er bat seine Frau um Input. In der wissenschaftlichen Literatur konnte sie nichts zu den Risiken finden. „Das Umweltschicksal von Nanopestiziden ist ein großes, schwarzes Loch, “, sagt Bryan. Um diese Lücke zu füllen, Harper und Kollegen erhielten kürzlich Mittel, um zu bestimmen, wie sich landwirtschaftliche Nanopestizide der ersten Generation durch Boden und Wasser bewegen würden. und ob sie versehentlich Fischen oder Bienen schaden könnten.
Um diese Szenarien zu testen, Harper schuf „Ökosysteme in Nanogröße“, um zu testen, wie sich diese Verbindungen durch ihre Umgebung bewegen und mit der Fauna interagieren. In ihrem Labor, zum Beispiel, Plastikbehälter, die nur wenige Gramm Erde fassen, werden über viertelgroßen Behältern mit embryonalen Zebrafischen balanciert. Das Team trägt Pestizide auf den Boden auf und erfasst dann die Anzahl der Missbildungen in den Zebrafischembryonen. Harpers OSU-Kollege, Louisa Hooven, wird in Kürze ein Experiment beginnen, um zu sehen, ob das Sprühen von Nano-Pestizid-Formulierungen aus der Luft den Transport von Pollen zu ihren Bienenstöcken beeinflusst. Das Team erwartet, seine Ergebnisse bis Ende des Jahres zu veröffentlichen.
Aber das Testen ist nicht so einfach, wie es klingt. Da der Wirkstoff in jedem Pestizid wahrscheinlich eine bereits zugelassene Chemikalie ist, Pestizidfirmen müssen keine Version in Nanogröße testen. Harper ist auf genug Mauern gestoßen, dass sie bezweifelt, dass Pestizidfirmen ihre Verbindungen freiwillig teilen werden. oder ob ihre Produkte Nanopartikel enthalten oder nicht.
Also fing sie an, landwirtschaftliche Pestizide aus dem Regal zu holen, um zu sehen, ob sie bereits Partikel in Nanogröße enthalten. welcher, per Definition, würde sie zu nanoaktivierten Pestiziden machen. „Stacey ist hartnäckig, “ sagt NPIC-Direktor David Stone, der 2010 zusammen mit Harper ein Papier verfasst hat, in dem dargelegt wird, warum die „business-as-usual-Pestizidregistrierung“ auf der Nanoskala nicht funktioniert. „Sie hat viel PS und kreative Ideen, " er sagt, Sie sei eine der wenigen Forscherinnen, die bereits auf dem Markt befindliche Produkte testen werden.
Ein erster Scan ergab, dass 90 Prozent des Dutzends von Pestizidprodukten, die Harper und ihre Kollegen getestet haben, Partikel im Nanobereich enthalten. Jetzt muss sie feststellen, ob es sich bei den Nanopartikeln um einen Wirkstoff handelt, ein chemischer Stabilisator oder einfach ein gutartiger Bestandteil, der schon immer in Pestiziden enthalten war, bis vor kurzem nicht gesehen.
„Das Umweltschicksal von Nanopestiziden ist ein großes, Schwarzes Loch."
„Es werden sehr wenig Umweltverträglichkeits- und Transporttests von Nanopartikeln durchgeführt. “ sagt Jennifer Sass, ein leitender Wissenschaftler, der sich beim Natural Resources Defense Council mit der Regulierung giftiger Chemikalien beschäftigt. „Das ist teure Forschung, und wo Unternehmen möglicherweise einige Umweltüberwachungsdaten gesammelt haben, Sie haben kein Interesse daran, diese Informationen zu veröffentlichen, " Sie fügt hinzu.
Aber Harper weiß, dass es nicht lange dauern wird, bis die Hersteller über das einfache Schrumpfen von Pestiziden in Nanoformulierungen hinausgehen. Sie erwartet multifunktionale Nanopestizide – zum Beispiel Produkte, die mit Biosensoren ausgestattet sind, die Schädlinge erkennen können, bevor der Wirkstoff freigesetzt wird – innerhalb der nächsten 10 Jahre. Die Geschwindigkeit, mit der die Technologie voranschreitet, stärkt ihre Entschlossenheit, diese Fragen schnell zu beantworten.
Jeden Morgen über die Hügel von Alsea zum Willamette-Tal reisen, Sie und ihr Mann werden manchmal eindringlich daran erinnert, dass ihre Forschung dazu beitragen könnte, nachhaltige Wege zu finden, um den Bedarf an so vielen Sprays zu reduzieren. „Wir können die Fungizide und Pestizide riechen, die auf den Feldern ausgebracht werden, " Sie sagt. „Je mehr Zeit du damit verbringst, das schöne Land hier zu genießen, desto mehr willst du es schützen.“
Diese Geschichte wurde vom Food and Environment Reporting Network produziert, ein Unabhängiger, gemeinnützige Nachrichtenorganisation mit Fokus auf Lebensmittel, Landwirtschaft, und Umweltgesundheit.
Korrektur:Dieser Artikel identifizierte MRSA fälschlicherweise als fleischfressendes Virus. Es ist ein fleischfressendes Bakterium.
