Welkom bij
Moderne landbouw
!
Liever, het is het werk van Harper in het laboratorium dat haar met de grond verbindt.
Een wetenschapper aan de Oregon State University in Corvallis, Harper doet hardnekkig onderzoek naar kleine, door mensen gemaakte stoffen genaamd nanodeeltjes, met als doel te bepalen welke een zegen zal zijn en welke een vloek voor boeren, consumenten en het milieu. nanodeeltjes, welke de grootte van moleculen zijn, worden al in alles gebruikt, van zonnebrandcrème tot biomedische apparaten. Hun minuscule formaat maakt ze efficiënt, maar ook onvoorspelbaar. Dat is wat Harper zorgen baart:de eerste nano-formuleringen van pesticiden vinden stilletjes hun weg naar landbouwvelden, en ze wil weten wat er daarna gebeurt.
Zowel een ingenieur als een toxicoloog, Harper heeft een uniek perspectief. Ze gelooft dat nanotechnologie een revolutie teweeg kan brengen in de landbouw, net als bij medicijnen. Maar ze ziet zowel het potentieel als de risico's van nanopesticiden. "Ik denk dat de overgrote meerderheid van nanopesticiden niet giftig zal zijn" - of, minstens, niet giftiger voor niet-doelwitorganismen dan de huidige pesticiden, zegt Harper. "We hebben alleen een manier nodig om dat handjevol dat gevaarlijk kan zijn te identificeren."
Door de grootte van individuele nanopesticidedruppels te verkleinen, er is brede consensus - van de industrie tot de academische wereld tot de Environmental Protection Agency - dat de totale hoeveelheid gifstoffen die op landbouwgronden wordt gespoten, aanzienlijk kan worden verminderd. Kleinere druppeltjes hebben een groter totaal oppervlak, die over het algemeen meer contact met gewasongedierte biedt. Ook, deze kleine deeltjes kunnen zo worden ontworpen dat, bijvoorbeeld, een fysiek omhulsel, een capsule genaamd, is beter bestand tegen degradatie in het milieu, biedt een duurzamere bescherming dan conventionele bestrijdingsmiddelen. Maar die schil kan de voorspelbare fysieke eigenschappen veranderen, zoals hoe oplosbaar het pesticide is in water.
En Harper is zich er ook terdege van bewust dat de unieke fysieke eigenschappen van de nanoschaal het lot van de deeltjes in het milieu in twijfel trekken. Als ze eenmaal op velden zijn gespoten, zullen ze op gewassen klonteren of door de grond in waterlichamen glijden? Meest zorgelijk, Harper vraagt zich af of ze gemakkelijk zullen worden opgenomen door organismen die geen ongedierte zijn (zoals bijen of vissen), en hoe lang ze in de omgeving zullen blijven bestaan - eigenschappen die radicaal kunnen veranderen met de grootte. “We weten het gewoon niet, " ze zegt.
“Het potentieel voor pesticiden met nanotechnologie is ongelooflijk, maar op dit moment is het nog een droom, " zegt Sonny Ramaswamy, directeur van het National Institute of Food and Agriculture van de USDA. En de droom gaat verder dan pesticiden. Hij beschrijft plannen voor sensoren van nanoformaat die een laag stikstofgehalte kunnen detecteren en een bericht kunnen sturen naar de mobiele telefoon van een boer of nanosensoren in plastic voedselverpakkingen die oplichten als ze in contact komen met listeria of salmonella. "De zorg is dat er onbedoelde gevolgen kunnen zijn verbonden aan nanodeeltjes - dat is de grote vraag waar federale agentschappen naar kijken, " hij voegt toe. "Mensen zoals Stacey Harper bieden die yeoman-service om ervoor te zorgen dat we mogelijke onbedoelde gevolgen aanpakken."
“Het potentieel voor pesticiden met nanotechnologie is ongelooflijk, maar het is nog steeds een droom op dit moment.”
Harper herinnert zich de eerste keer dat ze de term 'nanotechnologie' hoorde. Het was tien jaar geleden tijdens een bijeenkomst bij het U.S. Environmental Protection Agency in Las Vegas, waar ze werkte als postdoctoraal student. Haar team kreeg de opdracht om de gezondheidsrisico's van nanomaterialen in te schatten. “De grote discussie was ‘wat zijn ze en waarom maken we ons er zorgen over, ’”, herinnert ze zich.
Gefascineerd, Harper dook all-in, in eerste instantie gericht op biomedische toepassingen zoals gouden nanodeeltjes die worden gebruikt om medicijnafgifte te targeten (een van de eerste producten die de technologie hebben overgenomen). Milieubewuste bedrijven overspoelden haar laboratorium al snel met producten - variërend van zonnebrandmiddelen tot medicijnen tegen acne tot verbindingen die de methicilline-resistente Staphylococcus aureus (MRSA, een vleesetende bacterie) — voor feedback over veiligheid. Ze realiseerde zich al snel dat met deze nieuwe technologie, een oneindig aantal soorten nanodeeltjes kunnen worden gecreëerd, en dat traditionele benaderingen voor risicobeoordeling, die individuele nanodeeltjes zou testen, gingen de uitdaging niet aan. "Het gaat er echt om uit te zoeken welke fysieke of structurele eigenschappen het ene nanodeeltje giftig zouden maken in vergelijking met andere, " ze zegt.
Het vinden van deze antwoorden was allesbehalve eenvoudig. Een probleem is een gebrek aan financiering. In de afgelopen 13 jaar, de Amerikaanse regering miljarden heeft gesluisd naar het National Nanotechnology Initiative (NNI), een gecoördineerd O&O-programma dat 20 federale departementen en agentschappen omvat en tot doel heeft nanotechnologie in alle sectoren te stimuleren. In 2008, het NNI zette een ongekende stap en begon ook onderzoek naar milieugezondheid en veiligheid te financieren. “De noodzaak om de risico's van nieuwe technologie te beoordelen, is een van de lessen die zijn getrokken uit de terugslag van GM (genetische modificatie van voedsel), ’, zegt Harper. Tot dusver, echter, de kleine fractie van dit geld dat beschikbaar is voor risicotests is grotendeels gericht op werknemers die nanodeeltjes kunnen inademen.
Wetenschappers realiseerden zich dat ze sneller, efficiëntere manieren om de risico's van nanodeeltjes te beoordelen. Harper, bijvoorbeeld, een test ontwikkeld om de toxiciteit van nanomaterialen op zebravissen te beoordelen, een aquatische versie van een laboratoriumrat, een die de gevolgen voor de menselijke gezondheid en het milieu kan informeren. Ramaswamy noemt het 'een echt cool modelsysteem'.
“Van de honderden nanotech-verbindingen die we hebben getest, slechts enkelen heffen rode vlaggen, ', zegt Harper. "Het komt er vaak op neer of de oppervlaktechemie van het deeltje een algehele positieve lading heeft, " betekenis, bijvoorbeeld, dat ze zouden kunnen worden aangetrokken door negatief geladen celmembranen als ze in het menselijk lichaam zouden komen. Om de lastige nano-functies bij te houden, ze hielp bij het opzetten van een internationale database van de fysieke structuren en hun toxiciteit. Het doel is om te bepalen welke ontwerpen van nanodeeltjes moeten worden vermeden, deel die informatie vervolgens met de industrie.
Het was de echtgenoot van Harper en de huidige labmanager, bryan, die haar aandacht richtte op de milieu-impact van nanopesticiden. Jaren geleden, hij werkte bij het National Pesticide Information Centre (NPIC), een door de federale overheid gefinancierde hotline op de campus van OSU die de vragen van het publiek over gezondheidsrisico's van pesticiden behandelt. Bryan werd overrompeld toen er telefoontjes binnenkwamen om informatie te krijgen over de milieurisico's van nanozilver. het eerste nanopesticide dat op de markt komt. Het is een antibacteriële verbinding die wordt gebruikt in een breed scala aan consumentenproducten, van kleding tot voedingssupplementen.
Van nature, hij vroeg zijn vrouw om input. In de wetenschappelijke literatuur kon ze niets vinden over de risico's. “Het lot van nanopesticiden in het milieu is een grote, zwart gat, ', zegt Bryan. Om die leegte te helpen vullen, Harper en collega's hebben onlangs financiering ontvangen om te bepalen hoe landbouwnanopesticiden van de eerste generatie zich door bodem en water zouden verplaatsen. en of ze per ongeluk vissen of bijen kunnen schaden.
Om deze scenario's te testen, Harper creëerde ecosystemen van nanoformaat om te testen hoe deze verbindingen door hun omgeving bewegen en interageren met fauna. In haar laboratorium, bijvoorbeeld, plastic containers die slechts een paar gram grond bevatten, bevinden zich boven kwart-sized containers met embryonale zebravissen. Het team brengt pesticiden aan op de bodem en registreert vervolgens het aantal misvormingen in de zebravisembryo's. Harper's OSU-collega, Louisa Hoeven, zal binnenkort beginnen met een experiment om te zien of sprays van nano-pesticideformuleringen vanuit de lucht invloed zullen hebben op hoe bijen stuifmeel naar hun bijenkorven transporteren. Het team verwacht hun bevindingen tegen het einde van het jaar te publiceren.
Maar testen is niet zo eenvoudig als het klinkt. Aangezien het actieve ingrediënt in een bepaald pesticide waarschijnlijk een reeds goedgekeurde chemische stof is, pesticidenbedrijven hoeven geen versie van nanoformaat te testen. Harper is genoeg muren tegengekomen dat ze betwijfelt of pesticidenbedrijven vrijwillig hun verbindingen zullen delen, of zelfs of hun producten nanodeeltjes bevatten.
Dus begon ze landbouwpesticiden van de plank te halen om te zien of die al nanodeeltjes bevatten. die, per definitie, zou ze nano-enabled pesticiden maken. “Stacey is vasthoudend, ” zegt NPIC-directeur David Stone, die samen met Harper co-auteur was van een paper uit 2010 waarin hij uiteenzet waarom "business-as-usual registratie van pesticiden" niet zal werken op nanoschaal. “Ze heeft veel pk’s en creatieve ideeën, " hij zegt, eraan toevoegend dat ze een van de weinige onderzoekers is die producten gaat testen die al op de markt zijn.
Een eerste scan onthulde dat 90 procent van de tientallen pesticidenproducten die Harper en haar collega's hebben getest, deeltjes in het nanoschaalbereik bevatten. Nu moet ze bepalen of de nanodeeltjes een actief ingrediënt zijn, een chemische stabilisator of gewoon een goedaardige component die al die tijd in pesticiden zit, tot voor kort ongezien.
“Het lot van nanopesticiden in het milieu is een grote, zwart gat.”
"Er worden heel weinig milieu-lot- en transporttests van nanodeeltjes gedaan, " zegt Jennifer Sass, een senior wetenschapper gericht op de regulering van giftige chemicaliën bij de Natural Resources Defense Council. “Het is duur onderzoek, en waar bedrijven mogelijk gegevens over milieumonitoring hebben verzameld, ze hebben er geen belang bij om die informatie openbaar te maken, " zij voegt toe.
Maar Harper weet dat het niet lang zal duren voordat fabrikanten verder gaan dan het simpelweg verkleinen van pesticiden tot nanoformuleringen. Ze verwacht multifunctionele nanopesticiden te zien - bijvoorbeeld producten die zijn uitgerust met biosensoren die ongedierte kunnen detecteren voordat het actieve ingrediënt wordt vrijgegeven - binnen de komende 10 jaar. De snelheid waarmee de technologie vordert, versterkt alleen maar haar vastberadenheid om deze vragen snel te beantwoorden.
Elke ochtend reizend over de heuvels van Alsea naar de Willamette-vallei, zij en haar man krijgen soms een scherpe herinnering dat hun onderzoek zou kunnen helpen bij het vinden van duurzame manieren om de behoefte aan zoveel sprays te verminderen. “We ruiken de fungiciden en pesticiden die op velden worden toegepast, " ze zegt. “Hoe meer tijd je besteedt aan het genieten van het prachtige land hier, hoe meer je het wilt beschermen.”
Dit verhaal is geproduceerd door het Food and Environment Reporting Network, een onafhankelijke, non-profit nieuwsorganisatie gericht op voedsel, landbouw, en milieugezondheid.
Correctie:dit artikel identificeerde MRSA ten onrechte als een vleesetend virus. Het is een vleesetende bacterie.
