Системы доставки на основе наночастиц на основе хитозана для устойчивого сельского хозяйства

Системы доставки на основе наночастиц на основе хитозана для устойчивого сельского хозяйства

1. Введение
   Самая большая проблема, с которой сталкиваются исследователи сельского хозяйства, заключается в том, чтобы производить достаточное количество и качество продуктов питания для накопления постоянно растущего мирового населения без ухудшения состояния почвенного здоровья и агроэкосистемы. По оценкам, к 2050 году глобальное производство продуктов питания должно увеличиться на 70-100%, чтобы удовлетворить спрос на растущий демографический взрыв [1]. Сельскохозяйственное производство продолжает оспариваться большим количеством насекомых-вредителей, болезней и сорняков, на которые приходится 40% потерь на сумму 2000 млрд. Долл. США в год [2]. Для управления этими потерями и повышения производительности фермеры делают чрезмерное и неизбирательное использование агрохимикатов, что приводит к ухудшению состояния почв, деградации агроэкосистем, проблемам остатков, загрязнению окружающей среды и устойчивости к пестицидам у насекомых и патогенов. Следовательно, существует настоятельная необходимость изменить то, как мы используем агрохимикаты. Изменения могут включать (i) разумное развертывание пестицидов и удобрений, (ii) быстрое и точное обнаружение патогенов и вредителей, а также пестицидов и уровней питательных веществ и (iii) повышение качества почвы путем агрохимической деградации. В этом контексте нанотехнология стала технологическим прогрессом, который может трансформировать сельское хозяйство и смежные сектора, предоставляя новые инструменты для молекулярного управления биотическими и абиотическими стрессами, быстрое выявление заболеваний и повышение способности растений поглощать питательные вещества или пестициды [3] , [4], [5]. Помимо этого, нанобиотехнология также может улучшить наше понимание биологии культур и, таким образом, потенциально может повысить урожайность сельскохозяйственных культур или их питательные ценности. Наносенсоры и наноразмерные интеллектуальные системы доставки являются одними из применений в области нанотехнологий, которые в настоящее время используются в сельскохозяйственной промышленности, чтобы помочь в борьбе с болезнетворными микроорганизмами, минимизации потерь питательных веществ при оплодотворении, повышении продуктивности сельскохозяйственных культур за счет оптимизации управления водой и питательными веществами, а также для улучшения эффективность пестицидов при более низких дозах [6], [7]. Нанотехнологические производные устройства также изучаются в области селекции растений и генетической трансформации [8], [9]. В таблице 1 описаны некоторые из достижений в области сельскохозяйственной нанотехнологии. Среди всех этих достижений инкапсулирование активных ингредиентов, таких как удобрения, гербициды, фунгициды, инсектициды и микроэлементы в матрицах с контролируемым высвобождением, является одним из наиболее перспективных и жизнеспособных вариантов решения текущих проблем в области устойчивости сельского хозяйства и обеспечения продовольственной безопасности изменения климата. Было показано, что инкапсуляция активных ингредиентов в наночастицы повышает эффективность химических ингредиентов, снижает их летучесть и снижает токсичность и загрязнение окружающей среды [40].

Хитозан стал одним из наиболее перспективных полимеров для эффективной доставки агрохимикатов и микронутриентов в наночастицах (рис. 1, таблица 2). Повышенная эффективность и эффективность наноформатов обусловлены более высокой площадью поверхности, индукцией системной активности из-за меньшего размера частиц и повышенной подвижности и меньшей токсичностью за счет устранения органических растворителей по сравнению с традиционно используемыми пестицидами и их составами [62], [ 63]. Наночастицы хитозана были исследованы как носитель для доставки активных ингредиентов для различных применений (рис.1) из-за их биосовместимости, биоразлагаемости, высокой проницаемости, экономической эффективности, нетоксичности и превосходной способности к образованию пленки [64]. В течение последних трех десятилетий для синтеза наночастиц хитозана использовались различные процедуры, такие как сшивание, образование эмульсии, коацервация, осаждение и самосборка и т. Д. [65], [66]. Хитозан также известен своей антимикробной и инсектицидной активностью широкого спектра действия [67], [68]. Кроме того, он биодеградирует, давая нетоксичные остатки с его скоростью деградации, соответствующей молекулярной массе и степени деацетилирования [69], [70]. Однако низкая растворимость объемного хитозана в водных средах ограничивает его активность широкого спектра в качестве противомикробного агента. Поэтому для усиления своего противогрибкового потенциала использовались различные стратегии [41]. Хитозан способен хелатировать различные органические и неорганические соединения, что делает его пригодным для улучшения стабильности, растворимости и биоцидной активности хелатных фунгицидов или других пестицидов [64]. Например, соединения меди (Cu) хорошо известны по своей противогрибковой природе и были использованы с хитозаном для антибактериальной и противогрибковой активности. Большинство исследований по наночастицам хитозана в сельскохозяйственных исследованиях изучали их биоцидное и антагонистическое воздействие на бактерии и грибы и давали обнадеживающие результаты [71], [72], [73]. Нанокомпозитные пленки на основе хитозана, особенно серебросодержащие, проявляли антимикробную активность против нескольких патогенов [74], но некоторый эффект наблюдался только с пленками хитозана [75]. В других исследованиях изучалось использование гидрогелей хитозан-PVA для применения в противомикробных и пищевых упаковках [76], [77], [78]. Комбинация наночастиц серебра в полимерном материале хитозан-PVA также стала одним из наиболее перспективных кандидатов на новые антимикробные материалы [44]. В последнее время было зарегистрировано применение частиц хитозана, загруженных медью, в очистку сточных вод [79], [80]. Учитывая растущий интерес и последние достижения в наноматериалах на основе хитозана в медицинских и фармакологических целях, целью этой статьи является рассмотрение текущих и текущих исследований и разработок в наночастицах хитозана в качестве системы доставки с особым упором на описание методов что было бы целесообразно для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.