ในระหว่างการงอก เมล็ดพืชต้องผ่านช่วงที่ละเอียดอ่อนที่สุดช่วงหนึ่งในวงจรการเกษตร นั่นคือ พวกมันต้องการน้ำอย่างต่อเนื่อง และในขณะเดียวกันก็ต้องต่อสู้กับ... สารกำจัดวัชพืชและสารเคมีอื่นๆ ที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมในสถานการณ์นี้ ความล้มเหลวในช่วงสองสามวันแรกของชีวิตพืชจะส่งผลให้ต้องปลูกใหม่ เสียค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม และผลผลิตลดลง นั่นคือเหตุผลที่มันมีประโยชน์ เรียนรู้วิธีปกป้องเมล็ดพืชที่เพิ่งงอกใหม่.
เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ สถาบันหลายแห่งในเครือข่าย Fraunhofer ได้พัฒนาระบบขึ้นมาภายใต้โครงการ SeedPlus สารเคลือบเมล็ดพันธุ์อเนกประสงค์และย่อยสลายได้ทางชีวภาพ นอกจากจะทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันแล้ว ยังช่วยประคองต้นกล้าในช่วงแรก โดยให้ความชุ่มชื้นและลดผลกระทบจากสารกำจัดวัชพืชโดยไม่ทิ้งเศษพลาสติกไว้ในดิน
สารเคลือบย่อยสลายได้ทางชีวภาพ SeedPlus คืออะไร และอะไรที่ทำให้มันแตกต่างจากสารเคลือบชนิดอื่น?
แนวคิดนี้ ซึ่งได้รับการส่งเสริมโดยสถาบันเทคโนโลยีเคมี Fraunhofer (ICT) ร่วมกับสถาบันวิศวกรรมไมโครและระบบไมโคร (IMM) และสถาบันชีววิทยาโมเลกุลและนิเวศวิทยาประยุกต์ (IME) นั้น มีพื้นฐานมาจาก สารเคลือบเมล็ดพันธุ์แบบหลายชั้นที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพอย่างสมบูรณ์ออกแบบมาเพื่อให้เมล็ดงอกได้ดียิ่งขึ้นแม้ในสภาวะแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น ภัยแล้งเป็นครั้งคราว หรือการมีสารกำจัดวัชพืชในดิน
จุดเด่นของเทคโนโลยีนี้คือการรวมสองฟังก์ชันสำคัญเข้าไว้ในระบบเดียว: การบำรุงรักษาแหล่งน้ำและการปกป้องแบบเลือกเฉพาะจากสารกำจัดวัชพืชกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เมล็ดพืชถูกห่อหุ้มด้วยเมทริกซ์ที่สามารถกักเก็บน้ำได้ในปริมาณมากและค่อยๆ ปล่อยออกมา ในขณะที่เยื่อหุ้มพิเศษจะช่วยลดผลกระทบของสารป้องกันพืชโดยไม่ขัดขวางการงอก
จากข้อมูลของทีมวิจัย สารเคลือบนี้ประกอบด้วย หลายชั้นที่มีความหนาปรับได้ ที่ปรับตัวให้เข้ากับชนิดและขนาดของเมล็ดพืช ทำให้สามารถปรับแต่งรูปร่างและองค์ประกอบได้ตามพืชผล ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเกษตรกรรมในยุโรป ที่มีพืชหลากหลายชนิดอยู่ร่วมกัน ตั้งแต่พืชไร่ขนาดใหญ่ เช่น บีทน้ำตาล ไปจนถึงพืชที่อ่อนไหวต่อสภาพแวดล้อม การรู้ว่า... เมล็ดพันธุ์ มันช่วยในการปรับแต่งการตั้งค่าต่างๆ ได้
แนวทางของ SeedPlus ยังช่วยประหยัดทรัพยากรอีกด้วย โดยการดำเนินการโดยตรงกับเมล็ดพันธุ์แต่ละเมล็ด จะมีการฉีดน้ำและทาสารป้องกันเฉพาะบริเวณที่จำเป็นเท่านั้นสิ่งนี้เปิดโอกาสให้ลดปริมาณสารกำจัดศัตรูพืชโดยรวมและเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ปัจจัยการผลิตในแปลงเกษตรได้
วิธีการทำงาน: การกักเก็บน้ำและการป้องกันสารกำจัดวัชพืช
หนึ่งในคุณสมบัติหลักของสารเคลือบย่อยสลายได้ทางชีวภาพ SeedPlus คือ... หน้าที่ในการกักเก็บและจัดการน้ำเมทริกซ์พอลิเมอร์ที่ห่อหุ้มเมล็ดพืชสามารถกักเก็บน้ำได้ในปริมาณที่มากกว่าน้ำหนักของเมล็ดมาก และค่อยๆ ปล่อยน้ำให้แก่ต้นกล้า ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในช่วงที่มีฝนตกไม่สม่ำเสมอ หรือในดินที่มีความสามารถในการกักเก็บน้ำต่ำ
พฤติกรรมนี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษในบริบทต่างๆ เช่น บริบทของยุโรป ซึ่ง ช่วงฤดูใบไม้ผลิมีปริมาณน้ำฝนเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆตัวอย่างเช่น ในเยอรมนี เดือนมีนาคมและเมษายนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีปริมาณน้ำฝนน้อยมาก ทำให้ต้นกล้าเหี่ยวเฉาไปก่อนที่จะพัฒนาระบบรากที่แข็งแรง การใช้วัสดุคลุมดินที่ช่วยส่งน้ำอย่างตรงจุดสามารถสร้างความแตกต่างระหว่างการปลูกที่ประสบความสำเร็จและการสูญเสียอย่างมากในฤดูกาลนั้นได้
ในขณะเดียวกัน ระบบยังรวมเอาองค์ประกอบต่างๆ เข้าไว้ด้วย เยื่อป้องกันแบบเลือกเฉพาะต่อสารกำจัดวัชพืชชั้นนี้ประกอบด้วยวัสดุดูดซับ เช่น ถ่านกัมมันต์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกรอง: ช่วยลดการสัมผัสของต้นกล้ากับสารกำจัดวัชพืชที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อม โดยไม่ปิดกั้นผลิตภัณฑ์อย่างสมบูรณ์หรือรบกวนการงอกของเมล็ด
ผลที่ได้คือ เมล็ดที่เคลือบแล้วจะทนทานต่อผลกระทบของสารกำจัดวัชพืชได้ดีกว่า ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งใน... การเกษตรแบบเข้มข้นและพืชผลที่อ่อนไหวด้วยวิธีนี้ จะสามารถรักษาประสิทธิภาพของการกำจัดวัชพืชได้ ในขณะเดียวกันก็ลดความเสียหายต่อต้นอ่อนให้น้อยที่สุด
การผสมผสานระหว่างการให้น้ำและการป้องกันด้วยสารเคมีนี้ ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มอัตราการรอดชีวิตในช่วงเริ่มต้นของพืชผลเท่านั้น แต่ยังช่วยให้... ทบทวนปริมาณและความถี่ในการใช้สารกำจัดศัตรูพืชสิ่งนี้สอดคล้องอย่างสมบูรณ์กับยุทธศาสตร์ของยุโรปในการลดปริมาณสารเคมีในภาคเกษตรกรรม ซึ่งรวมถึงแนวทางต่างๆ ดังต่อไปนี้ การทำสวนโดยไม่ใช้สารเคมี.
วัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและปราศจากไมโครพลาสติกโดยสิ้นเชิง
หนึ่งในแง่มุมที่น่าสนใจที่สุดของสารเคลือบนี้คือการเลือกใช้วัสดุ แตกต่างจากวิธีการแบบดั้งเดิมที่ใช้โพลิเมอร์สังเคราะห์และส่วนประกอบอื่นๆ ที่ในที่สุดก็จะกลายเป็น... ไมโครพลาสติกตกค้างในดินแนวทางของ SeedPlus อาศัยสูตรผสมที่มาจากธรรมชาติเพียงอย่างเดียว
นักวิจัยได้แทนที่โพลิเมอร์สังเคราะห์ด้วย ส่วนผสมของพอลิแซ็กคาไรด์ โปรตีน ยางธรรมชาติ และวัสดุอนินทรีย์ที่มีรูพรุนส่วนประกอบเหล่านี้รวมถึงถ่านกัมมันต์ มีการทดสอบส่วนผสมต่างๆ เพื่อหาส่วนผสมที่เหมาะสมที่สุดซึ่งให้ความสมดุลระหว่างความสามารถในการกักเก็บน้ำ การป้องกันวัชพืช และการงอกที่ดี
เนื่องจากวัสดุเหล่านี้สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ดังนั้นสารเคลือบจึงมีคุณสมบัติดังกล่าว ย่อยสลายอย่างเป็นระบบในดิน หลังจากทำหน้าที่ของมันเสร็จสิ้นแล้ว โดยไม่ทิ้งขยะที่เป็นปัญหาหรือก่อให้เกิดการสะสมของพลาสติกในพื้นที่เกษตรกรรม ซึ่งก็ช่วยให้... ปรับปรุงคุณภาพดินในสวนอย่างเป็นธรรมชาติ.
เพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุใหม่เหล่านี้จะไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงแอบแฝง สถาบัน Fraunhofer IME จึงได้เปิดตัวโครงการนี้ขึ้น แพลตฟอร์มการคัดกรองพิษวิทยาทางนิเวศวิทยาก่อนที่จะนำเมล็ดพืชไปห่อหุ้ม จะมีการประเมินส่วนประกอบของสารเคลือบแยกกันในสิ่งมีชีวิตต้นแบบจากระบบนิเวศทางน้ำและทางบก โดยมีการทดสอบการย่อยสลายในระยะยาวโดยเฉพาะ
ด้วยวิธีนี้ จึงสามารถตรวจสอบได้ว่าวัสดุดังกล่าวไม่ก่อให้เกิดผลเสียต่อสัตว์ในดินหรือแหล่งน้ำผิวดิน ซึ่งเป็นสิ่งที่ในสารเคลือบแบบดั้งเดิมหลายชนิดแทบไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาเลย นอกเหนือจากพารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพทางการเกษตร
กระบวนการทางอุตสาหกรรมในการห่อหุ้มและปรับให้เข้ากับพืชชนิดต่างๆ
เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นที่ SeedPlus ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงวิธีการเคลือบแบบเดียว ขึ้นอยู่กับชนิดและขนาดของเมล็ดพันธุ์ จึงจะใช้วิธีการที่แตกต่างกันไป กระบวนการห่อหุ้มทางอุตสาหกรรมที่แตกต่างกัน ซึ่งช่วยให้สามารถปรับความหนาของชั้นต่างๆ และเพิ่มกำลังการผลิตได้
ก่อนอื่น กระบวนการฟลูอิไดซ์เบด ระบบนี้ใช้สำหรับเมล็ดพืชที่บอบบางเป็นพิเศษ ในระบบนี้ เมล็ดพืชจะถูกแขวนลอยไว้ด้วยกระแสแก๊สในขณะที่วัสดุเคลือบถูกฉีดพ่นลงบนเมล็ด ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมความหนาของชั้นเคลือบได้อย่างแม่นยำมาก ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการสร้างสมดุลที่ละเอียดอ่อนระหว่างการปกป้องและความสามารถในการงอก
สำหรับการเพาะปลูกในปริมาณมากและพืชผลที่ต้องการเมล็ดพันธุ์ที่ผ่านการบำบัดในปริมาณมาก จะใช้วิธีการดังต่อไปนี้: การเคลือบดรัมในกระบวนการนี้ เมล็ดพันธุ์จะถูกกวนในถังหมุนขณะที่ค่อยๆ เติมสารเคลือบลงไป ผลลัพธ์ที่ได้คือการเคลือบที่สม่ำเสมอเหมาะสมสำหรับการผลิตจำนวนมาก ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการบูรณาการเทคโนโลยีนี้เข้ากับห่วงโซ่อุปทานเมล็ดพันธุ์เชิงพาณิชย์
เมื่อทำการวิจัยกับเมล็ดพืชขนาดเล็กมาก นักวิจัยมักเลือกใช้ วิธีการเตรียมพื้นผิวด้วยสารเคมีเปียกเมล็ดพืชจะถูกแช่ในโครงสร้างเคลือบเหลว และหลังจากระยะเวลาหนึ่งแล้ว จะปล่อยให้ระบายน้ำและแห้งจนกระทั่งชั้นป้องกันก่อตัวขึ้น วิธีนี้ช่วยให้สามารถห่อหุ้มเมล็ดพืชได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเนื่องจากขนาดของเมล็ดพืชทำให้ยากต่อการบำบัดด้วยวิธีอื่น และยังเสริมด้วยเทคนิคที่ใช้ใน แปลงเมล็ดที่ได้รับการคุ้มครอง.
ความยืดหยุ่นของกระบวนการเหล่านี้ทำให้สามารถปรับการเคลือบให้เหมาะสมได้ พืชผลที่มีความสำคัญเชิงยุทธศาสตร์ในยุโรปเช่น บีทน้ำตาล รวมถึงพืชชนิดต่างๆ ที่สามารถมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนผ่านไปสู่การใช้วัตถุดิบหมุนเวียน เช่น ดอกแดนดิไลออนรัสเซีย ซึ่งใช้ในการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการผลิตยางธรรมชาติ
ผลการทดลองในเรือนกระจกและแปลงปลูก: อัตราการงอกเพิ่มขึ้นสูงสุดถึง 58%
เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพที่แท้จริงของสารเคลือบที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ทีมงานของ Fraunhofer ได้ดำเนินการทดลอง การทดลองทั้งในเรือนกระจกและในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งเมล็ดแดนดิไลออนรัสเซียและเมล็ดบีทรูทถูกนำมาใช้เป็นแบบจำลอง โดยเปรียบเทียบเมล็ดที่เคลือบแล้วกับเมล็ดที่ไม่ผ่านการเคลือบ
ข้อมูลที่ได้รับแสดงให้เห็นว่า ด้วยสูตรที่เลือกไว้นั้น อัตราการงอกของเมล็ดสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 58% เมื่อเทียบกับเมล็ดพันธุ์ทั่วไปการเพิ่มขึ้นนี้หมายความว่า ในทางปฏิบัติแล้ว ความต้องการในการปลูกใหม่จะลดลง การงอกของต้นกล้าจะสม่ำเสมอมากขึ้น และพืชผลจะมีคุณภาพใกล้เคียงกันมากขึ้น ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการวางแผนการชลประทาน การใส่ปุ๋ย และการควบคุมวัชพืช นอกจากนี้ยังช่วยลด... ปัญหาในการทำให้เมล็ดพันธุ์ของคุณงอก.
นอกเหนือจากการงอกแล้ว นักวิจัยยังได้วิเคราะห์แง่มุมด้านโลจิสติกส์ต่างๆ เช่น ความจุในการเก็บรักษาของเมล็ดเคลือบ และสามารถใช้งานร่วมกับเครื่องจักรทางการเกษตรมาตรฐานได้ กล่าวคือ ได้รับการยืนยันแล้วว่าเมล็ดพันธุ์เหล่านี้สามารถจัดการ ตวง และหว่านได้ด้วยอุปกรณ์ที่มีอยู่ โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงเครื่องหว่านเมล็ดหรือวิธีการทำงานของเกษตรกรอย่างมาก
ในขณะเดียวกัน แพลตฟอร์มการประเมินความเป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมที่กล่าวถึงข้างต้น ทำให้สามารถระบุสูตรเคลือบผิวที่ผสมผสานประสิทธิภาพทางการเกษตรที่ดีเข้ากับ... ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อมยกเว้นเมล็ดพันธุ์ที่แม้จะงอกได้ดี แต่ก็อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสิ่งมีชีวิตในดินหรือน้ำได้
แนวทางทั้งหมดนี้ ตั้งแต่การออกแบบวัสดุไปจนถึงการทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริง ชี้ให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อ... เพื่อก้าวข้ามจากห้องปฏิบัติการสู่ภาคสนามซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่ได้เกิดขึ้นเสมอไปกับนวัตกรรมในการเคลือบเมล็ดพันธุ์
ผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อภาคเกษตรกรรมและสิ่งแวดล้อมของยุโรป
การใช้สารเคลือบที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและมีคุณสมบัติหลากหลาย เช่น SeedPlus มีนัยสำคัญที่กว้างไกลกว่าแค่พืชแต่ละชนิด ในระดับระบบฟาร์ม สารเคลือบนี้สามารถช่วยส่งเสริมได้หลายด้าน ลดการใช้สารกำจัดศัตรูพืชปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้น้ำ และจำกัดแหล่งมลพิษที่มองไม่เห็น เช่น ไมโครพลาสติกจากแหล่งเกษตรกรรม
ด้วยการปกป้องเมล็ดพันธุ์ในพื้นที่และให้น้ำเฉพาะจุดที่ต้องการ จึงช่วยลดความจำเป็นในการบำบัดเมล็ดพันธุ์ในวงกว้างในแปลงเพาะปลูก ส่งผลให้... การลดลงของปริมาณสารเคมีที่กระจายอยู่ในสิ่งแวดล้อมสิ่งนี้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์ที่สหภาพยุโรปกำหนดไว้เกี่ยวกับการลดการใช้ผลิตภัณฑ์ป้องกันพืชและการเปลี่ยนผ่านไปสู่ระบบการผลิตที่ยั่งยืนมากขึ้น เช่น สวนอินทรีย์.
ในขณะเดียวกัน การจัดการน้ำที่ดีขึ้นที่เกิดจากสารเคลือบนี้สามารถช่วยให้พืชทนต่อสภาพแวดล้อมได้ดียิ่งขึ้น ภาวะแห้งแล้งระยะสั้นหรือปริมาณน้ำฝนไม่สม่ำเสมอนี่เป็นความเป็นจริงที่พบเห็นได้บ่อยขึ้นในหลายภูมิภาคของสเปนและส่วนอื่นๆ ของยุโรป ความเสถียรในการงอกที่ดีขึ้นในช่วงฤดูกาลเพาะปลูกที่ท้าทาย เป็นปัจจัยที่สามารถส่งผลโดยตรงต่อความมั่นคงในการผลิต
การกำจัดโพลิเมอร์สังเคราะห์ออกไปอย่างสิ้นเชิงและหันมาใช้วัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพแทนนั้น ยังช่วยแก้ปัญหาที่แม้จะไม่ค่อยปรากฏให้เห็นชัดเจนนัก แต่ก็กำลังมีความสำคัญมากขึ้นในวาระด้านสิ่งแวดล้อม: การสะสมของอนุภาคพลาสติกในดินทางการเกษตรเนื่องจากไม่ก่อให้เกิดไมโครพลาสติก สารเคลือบชนิดนี้จึงช่วยหลีกเลี่ยงการเพิ่มภาระให้กับระบบนิเวศที่กำลังเผชิญกับการใช้งานอย่างหนักอยู่แล้ว
สุดท้ายนี้ หากเมล็ดพันธุ์งอกได้ดีขึ้นและพืชผลมีความทนทานมากขึ้น ความจำเป็นในการขยายพื้นที่เกษตรกรรมเพื่อรักษาระดับผลผลิตก็จะลดลง ซึ่งหมายความว่า... ลดแรงกดดันต่อระบบนิเวศทางธรรมชาติและพื้นที่ที่มีคุณค่าทางสิ่งแวดล้อมสูงเรื่องนี้มีความสำคัญเป็นพิเศษในภูมิภาคยุโรปที่พื้นที่เพาะปลูกและพื้นที่คุ้มครองอยู่ใกล้กัน
โดยรวมแล้ว สารเคลือบเมล็ดพันธุ์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพนี้กำลังกลายเป็นเครื่องมือที่สามารถปรับปรุงขั้นตอนเริ่มต้นของการเพาะปลูก เสริมสร้างความมั่นคงของพืชผล และลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการปลูกพืช โดยบูรณาการเข้าไว้ในโซลูชันเดียว การจัดการน้ำ การป้องกันสารกำจัดวัชพืช และการกำจัดไมโครพลาสติกสิ่งเหล่านี้เป็นประเด็นสำคัญที่อยู่ในการถกเถียงเกี่ยวกับอนาคตของการเกษตรในยุโรป
