کاربرد فناوری نانو در پرورش دام، طیور و آبزیان
نمونه‌هایی از کاربردها و پتانسیل‌های بالقوه نانوزیست‌فناوری و فناوری نانو (علم ساخت مواد در سطح نانو) در کشاورزی و صنایع غذایی، شامل سیستم‌های جدید آزادکننده دارو برای درمان بیماری‌ها (گیاهی و جانوری)، ابزارهای جدید بیولوژی سلولی و مولکولی، امنیت زیستی و تضمین سلامتی محصولات کشاورزی و غذایی، تولید مواد جدید مورد استفاده برای شناسایی عوامل بیماری‌زا و حمایت از محیط زیست است. تحقیقات اخیر، امکان استفاده از نانوپوسته‌ها و نانولوله‌ها را در سیستم‌های جانوری برای تخریب سلول‌های هدف، به‌روشنی ثابت کرده است. امروزه از نانوذرات، که اجرام بسیار کوچک‌تر از حد میکرون هستند، برای رهاسازی داروها یا ژن‌ها به داخل سلول‌ها استفاده می‌کنند و انتظار می‌رود که این فنّاوری‌ها در ۱۰ الی ۱۵ سال آتی مورد بهره‌برداری کامل قرار گیرند. تصور امکان تزریق نانوذرات به دام‌ها و فعال شدن تدریجی ماده مؤثر همراه با این نانوذرات در بدن حیوان برای از بین بردن و تخریب سلول‌های سرطانی، افق تحقیقاتی جدیدی را به روی محققان باز کرده است. در این مقاله سعی بر این است که به‌طور اجمالی کاربرد زیست‌فناوری و فناوری نانو در علوم دامی بررسی شود.
۱- مقدمه
طبق آمارهای رسمی سهم بخش کشاورزی از تولید ناخالص ملی حدود ۲۵ درصد است که از این میزان ۴۵ درصد آن مربوط به دامپروری است (حدود ۱۱% از تولید ناخالص ملی) و تقریباً حدود ۳ میلیون نفر مستقیماً به امر دامپروری در کشور اشتغال دارند. حدود ۸ میلیون رأس گاو، ۷۰ تا ۸۰ میلیون رأس گوسفند و بز و چندین برابر آن‌ها نیز طیور و ماکیان و آبزیان در کشور وجود دارند که رقم قابل‌توجهی را دارند، لذا با کمک فناوری زیستی و انجام طرح‌های زودبازده ضمن جلوگیری از آلودگی محیط‌زیست، با افزایش ضریب تبدیل غذا می‌توان سود کلانی را نصیب تولیدکنندگان کرد. به‌عنوان مثال تولید شیر در کشور ۶ تا ۷ میلیون لیتر در سال است. اگر تولید شیر در کشور ۵% افزایش یابد، تولید شیر سالانه ۳۵۰ هزار تن افزایش می‌یابد. فناوری نانو به‌عنوان یک علم جدید، توانایی ایجاد تغییر و تحول اساسی در کشاورزی و سیستم‌های غذایی را در سراسر دنیا دارد. نمونه‌هایی از عملکردهای بالقوه فناوری نانو در علم مهندسی و کشاورزی و سیستم‌های غذایی، موادی مانند سیستم‌های درمان بیماری‌ها، ابزارهای جدید برای زیست سلولی و مولکولی با حفاظت سیستم‌های کشاورزی و غذایی، مواد جدید برای تشخیص عامل بیماری‌زا و محیط‌زیست را دربر می‌گیرد .
نانوذرات مصنوعی (ساخت دست بشر) به دلیل ماهیت فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی برای هدفی خاص و کاربرد تجاری آن‌ها مثلاً در کرم‌های ضدآفتاب، خمیردندان‌ها یا پوشش‌های بهداشتی دیگر استفاده می‌شوند. از نانوزئولیت و نانونقره به‌عنوان ضدعفونی‌کننده در آب استخرهای پرورش ماهی، خوراک دام‌ها و طیور نیز در قالب چند طرح تحقیقاتی استفاده شده است که جهت تصمیم‌گیری قطعی نیاز به بررسی و انجام طرح‌های تحقیقاتی بیشتری در این زمینه است. در فناوری نانو علوم را به درخت‌هایی تشبیه کرده و کاربرد این فناوری در آن‌ها به‌صورت مجزا نشان داده شده است. بخش درخت‌های علم نانو از سه درخت جدا از هم تشکیل می‌شود که شامل موارد زیر است :
۱- درخت عناصر پایه:
با استفاده از مواد نانو مانند نانوذرات و نانولوله‌ها.
۲- درخت روش‌های ساخت و مدل‌سازی: با بهره‌گیری از رویکرد تقلید از طبیعت نسبت به تولید مواد اقدام می‌شود و شامل موارد ذیل است:
الف) از بالا به پایین،
ب) از پایین به بالا،
ج) رویکرد تقلید از طبیعت
د) رویکرد نانومحاسبات.
۳- درخت روش‌های تعیین مشخصات:
روش‌های مختلف آنالیز مواد نانوساختار جهت درک بهتر ماهیت فیزیکی، شیمیایی یا زیست‌فناوری نانومواد (ساخته‌شده به دست انسان) مورد بحث قرار می‌گیرند.
با توجه به تغییر و تحولات پرشتاب نانوفناوری لازم است این درخت دائماً در حال به‌روزرسانی باشد. با کمک راهکارهایی نظیر خودآرایی در محلول، سل-ژل، پلیمریزاسیون و کامپوزیت کردن و … رویکردهای مختلف ساخت مواد از پایین به بالا و از بالا به پایین و تقلید از طبیعت با استفاده از عناصر پایه نظیر آنتی‌ژن‌ها و نانوذرات طبیعی یا مصنوعی جهت تولید واکسن‌ها، هورمون‌ها، افزودنی‌های خوراک دام، تولید دام‌های برتر و فرآوری محصولات و تولیدات دامی و بسته‌بندی آن‌ها و همچنین اصلاح نژاد دام‌ها، طیور و آبزیان را می‌توان از موارد مهم استفاده علم نانو در دامپروری و صنایع وابسته به آن دانست. مواردی از کاربرد علم نانو در علوم دام و دامپزشکی، به شرح جدول ۱ ارائه می‌شود .
جدول ۱- کاربردهای مواد مطرح در فناوری نانو در علوم دامی
تحقیقات اخیر، استفاده از نانوپوسته‌ها و نانولوله‌ها را در سیستم‌های جانوری برای تخریب سلول‌های هدف به‌ویژه سرطانی به‌روشنی ثابت کرده است.
۱-۱- زمینه‌های فعالیت فناوری نانو در علوم دام و طیور
۱- کنترل بهداشت و بیماری‌ها: استفاده از سیستم‌های شناسایی و ردیابی عوامل بیماری‌زا با نمونه‌گیری از بزاق حیوان در مدت چند روز و حتی چند هفته قبل از شروع علائم بیماری، از فواید استفاده از دانش فناوری نانو است (شکل ۱).
شکل ۱- ابزار مورد استفاده جهت نمونه‌گیری از بزاق و مخاط بینی دام جهت انجام آزمون DNA
۲- مبارزه با عوامل بیماری‌زا در مقاطع مدت‌دار زمانی: به‌عنوان مثال در استفاده از سیستم‌های آزادکننده دارو می‌توان به ایمپلنت‌های ابداع‌شده مینیاتوری در حیوان اشاره کرد که با کنترل بزاق و سایر ترشحات بدن دام‌ها، بیماری را تشخیص داده و می‌توانند به کمک سیستم رهاکننده خاصی داروها را به‌تدریج در بدن آزاد کنند.
۳- تولید واکسن‌های دامی با استفاده از نانومولکول‌ها مورد توجه زیادی است.
۴- تعیین و شناسایی بسیار جزئی آلودگی‌های شیمیایی، ویروسی یا باکتریایی: خصوصاً در کشاورزی، دامپروری و صنایع غذایی به کمک حسگرها در سطوح انتخابی بیولوژیکی، کاتالیست‌ها و توانایی جداسازی یا خالص‌سازی مخلوط‌های زیست‌مولکول‌ها از هم از این مواد استفاده می‌شود.
۵- تولید ساختارهای کروی توخالی یا C60: به نام فولرن که شامل مجموعه‌ای از اتم‌های کربن متحدالشکل‌اند که هر اتم کربن با ۳ اتم کربن دیگر متصل می‌شود (شکل ۲). از این امر برای رهاسازی داروها یا مواد رادیواکتیو در محل‌های مبتلا به عوامل بیماری‌زا در حیوان استفاده می‌شود.
شکل ۲- شمایی از کره فولرن C60، قطر این کره حدود nm 0/7 است.
۶- تولید نانولوله‌ها: ساختارهای توخالی دیگری که از دو طرف بازشده‌اند و گروه‌های اتمی دیگری به آن‌ها اضافه شده‌اند و یک ساختار شش‌گوشه را تشکیل می‌دهند و می‌توانند به‌عنوان یک ورقه گرافیت در نظر گرفته شوند که به دور یک لوله پیچیده شده‌اند و به عناصر مختلف قابل اتصال هستند.
۷- تولید پلیمرهای سنتزی: این مواد در داروسازی مدرن (پزشکی و دامپزشکی) کاربرد دارند. این فرآورده‌ها شکل دارویی مؤثر خود را با یک روند از پیش تعیین‌شده و برای زمان معلوم به‌صورت سامان‌مند در عضو هدف آزاد می‌کنند. دانشمندان قادرند نانوپوسته‌هایی را بسازند که مولکول‌های آنتی‌ژن‌ها بر روی آن‌ها سوار شوند و در مجموع، سلول‌های سرطانی و تومورهای موجود را تحت تأثیر قرار دهند. این ویژگی مخصوصاً در رابطه با نانوپوسته‌ها است که این ساختارها قادرند فقط تومورهای موجود را تحت تأثیر قرار دهند و سلول‌های مجاور تومور دست‌نخورده باقی می‌ماند (نظیر داروی جدید ضدسرطان اکسین جی). از طریق حرارتی که به‌طور انتخابی در سلول‌های توموری ایجاد می‌کند، منجر به از بین بردن این سلول‌ها می‌شود. این پلیمرها نه‌تنها می‌توانند به‌عنوان منابع ذخیره دارو در غشاء و ماتریکس‌های نگه‌دارنده عمل کنند بلکه می‌توانند سرعت انحلال، آزادسازی و تعادل جذب و دفع آزاد را در بدن نیز کنترل کنند.
۸- تولید دندریمر: این مواد طبقه جدیدی از مولکول‌های سه‌بعدی مصنوعی هستند. دندریمرها از توالی‌ها و شاخه‌های تکراری حاصل آمده‌اند (مسیر نانوسنتزی). ساختار چنین ترکیباتی از درجه بالایی از تقارن برخوردار است. این مواد در سنتز ترکیبات جدید شیمیایی کاربرد دارند (نظیر داروها و مواد جاذب و …) (شکل ۳).
شکل ۳- تصویری از ساختار کلی یک دندریمر و قرارگیری دارو در آن
۹- جذب مواد: جذب مواد مختلف خصوصاً سرب و روی در جلوگیری از آلودگی فاضلاب‌های صنعتی و فضولات دامی کاربرد دارد. فناوری مواد جاذب در کشاورزی، باغبانی و خاک‌شناسی نیز کاربردهای زیادی دارد.
۲- کاربردهای فناوری نانو در علوم دامی
استفاده از فناوری‌های نوین در علوم کشاورزی برای افزایش تولید در واحد سطح، تسریع در رساندن محصولات، بارندگی مصنوعی، بهداشت و مبارزه با بیماری‌ها و … بسیار گسترده بوده و جهت امنیت غذایی در کشورهای مختلف از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. تأمین اقلام غذایی برای دام‌های اهلی همواره با افزایش هزینه و نیاز به مراقبت‌های خاص دامپزشکی و تجویز دارو و واکسن همراه بوده است و نانوفناوری توانایی ارائه راهکارهای مناسب برای حل این معضلات را دارد که به بعضی از آن‌ها اشاره می‌شود:
۱-۲- سیستم‌های نانوسنتیتیک آزادکننده مواد دارویی
امروزه مصرف آنتی‌بیوتیک‌ها، واکسن‌ها، پروبیو‌تیک‌ها و عمده داروها از طریق وارد کردن آن‌ها از راه غذا یا آب دام‌ها یا از راه تزریق عضلانی صورت می‌گیرد. رهاسازی یک مرحله‌ای دارو در برابر یک میکروارگانیزم علی‌رغم تأثیرات درمانی و اثرات بازدارنده پیشرفت یک بیماری، معمولاً با بازگشت مجدد علائم بیماری و کاهش اثرات داروی مصرفی همراه است. روش‌های موجود در سطح نانو، قابلیت تشخیص و درمان عفونت، اختلالات تغذیه‌ای و متابولیکی را داراست. سیستم‌های سنتتیک رهاسازی دارو می‌تواند خواص چندجانبه برای حذف موانع بیولوژیکی، افزایش بازده درمانی داروی مورد استفاده و رسیدن آن به بافت هدف داشته باشد که ازجمله این خواص می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد .
الف) تنظیم زمانی مناسب برای آزادسازی دارو.
ب) قابلیت خودتنظیمی.
پ) توانایی برنامه‌ریزی قبلی.
۲-۲- اصلاح نژاد دام
مدیریت تلاقی و زمان مناسب جفت‌گیری دام‌ها، از جمله مواردی است که در مزارع پرورش گاو شیرده به هزینه و زمان طولانی نیاز دارد. از راهکارهایی که اخیراً مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از نانولوله‌های خاص در داخل پوست است که زمان واقعی پیک هورمون استروژن و وقوع فحلی را در دام‌ها نشان می‌دهد و لذا با علائمی که حسگرهای موجود به دستگاه مونیتور می‌فرستد، زمان دقیق و واقعی تلقیح را به دامدار نشان می‌دهد.
۳-۲- استفاده از نانوحسگرهای بر پایه سیلیس (نانوذرات متخلخل سیلیکونی) در فسادپذیری کنسانتره‌های دام، طیور و آبزیان
· توسعه سیستم‌های سنتیتیک رهاسازی داروها، پروبیو‌تیک‌ها، مواد مغذی.
· افزایش سرعت شناسایی علائم بیماری و کاربرد روش‌های درمانی سریع.
· توسعه سیستم‌های رهاسازی اسیدهای نوکلئیک و مولکول‌های DNA
· کاربرد نانومولکول‌ها در تولید واکسن‌های دامی.
· تشخیص بیماری و درمان دام‌ها.
امکان تزریق نانوذرات به دام‌ها و فعال شدن تدریجی ماده مؤثر همراه با این نانوذرات در بدن حیوان برای از بین بردن و تخریب سلول‌های سرطانی وجود دارد. محققان دانشگاه رایس نیز مراحل مقدماتی کاربرد نانوپوسته‌ها را برای تزریق به جریان خون ارزیابی کردند. این ذرات نانو به گیرنده‌های غشاء سلول‌های سرطانی متصل می‌شوند و با ایجاد امواج مادون‌قرمز باعث بالا رفتن دمای سلول‌های مذکور به ۵۵ درجه و ترکیدن و از بین رفتن تومورهای موجود می‌شوند. همچنین نانوذراتی که از اکسیدهای آهن ساخته می‌شوند، با ایجاد امواج مگنتیک در محل استقرار سلول‌های سرطانی باعث از بین بردن این سلول‌ها می‌شوند. یکی از اساسی‌ترین محورهای تحقیقاتی کنونی، توسعه سیستم‌های رهاسازی DNA غیرزنده، با بازدهی مناسب و با حداقل هزینه و عوارض جانبی و سمی است که در ژن‌درمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۴-۲- شناسایی عوامل بیماری‌زا
طی یک سری تحقیقات، قابلیت استفاده از نانوپوسته و نانولوله در سیستم‌های حیوانی، برای ردیابی و تخریب سلول‌های هدف به اثبات رسیده است. در حال حاضر، اگر حیوانی تحت تأثیر بیماری قرار گیرد، ممکن است روزها، هفته‌ها و ماه‌ها در این حالت باقی بماند و علائم ظاهری مشاهده نشود و نتوان بیماری را تشخیص داد؛ مسلماً در این مدت بیماری گسترش خواهد یافت و ممکن است به گله آسیب بزند. با کمک فناوری نانو می‌توان ویروس‌ها یا سایر عوامل عفونی را از روی مقیاس‌ها و اندازه‌های آن‌ها تشخیص داد و قبل از بروز علائم، به تشخیص مناسب رسید. برای مثال، سیستم‌های درمانی هوشمند را می‌توان در بدن حیوان کار گذاشته و مقدار طبیعی بزاق را اندازه‌گیری کرد و قبل از پیشرفت تب، سیستم‌های کنترل‌شده و هشداردهنده می‌تواند وجود بیماری را نشان دهد و دامپزشک را نسبت به شروع درمان آگاه سازد .
۳- مضرات فناوری نانو
نانوذرات از دو جهت می‌توانند بسیار خطرناک باشند :
۱- خیلی سریع از راه پوست و سلول‌های مخاطی بدن جذب می‌شوند.
۲- به دلیل جدید بودن، این مواد، مسمومیت‌های جدید و ناشناخته‌ای را نیز می‌توانند به وجود آورند.
کلیه نانوذرات به دلیل ریزتر بودن و افزایش سطح و ویژگی‌هایی نظیر انحلال‌پذیری، شکل شیمیایی، تحرک زیاد در بدن و توانایی نفوذ به غشاء سلولی می‌توانند برای سلامتی انسان‌ها خطراتی را فراهم کنند. یا با دیگر آلاینده‌های محیط‌زیست سریعاً ترکیب شده و سپس وارد بدن انسان شوند (ذرات کمتر از nm 100 با ورود به مغز استخوان و کمتر از nm 300 با ورود به خون).
آزمایش‌ها نشان می‌دهند که DNA خوراک‌های گیاهی اصلاح‌شده به گوشت، شیر یا تخم‌مرغ انتقال نمی‌یابد. لذا سازمان‌های غذا و داروی آمریکا، کشاورزی و محیط‌زیست و سند ملی زیست فناوری در ایران، تولیدکنندگان محصولات زیست‌فناوری و فناوری نانو را به انجام آزمایش‌ها مختلف کنترلی جهت ارزیابی تغذیه‌ای، تجزیه تقریبی و وضعیت عوامل ضد تغذیه‌ای موجود در خوراک‌های اصلاح‌شده و سایر محصولات با دست‌کاری ژنی و نانوذرات و غیره جهت ساخت واکسن‌ها، داروها، هورمون‌ها و … جهت مصرف دام‌ها و انسان ملزم کرده است. مسئله ایمنی زیستی در فرآورده‌های زیست‌فناوری [۸] و فناوری نانو در غذاهایی که به‌طور مستقیم یا از طریق روغن‌های خوراکی و غیره وارد خوراک انسان می‌شوند، بسیار بااهمیت است. هنوز Nano Safety در مورد مصرف نانوذرات نقره به‌عنوان آنتی‌بیوتیک در خوراک طیور کاملاً مشخص نشده است. نانوذرات نقره به‌عنوان ضدعفونی‌کننده قوی (ضدباکتری و سایر عوامل عفونی) مطرح بوده و با توجه به پایداری آن‌ها و عدم مصرف این ذرات (عدم نیاز به تهیه مجدد) استفاده از آن‌ها در ضدعفونی کردن جایگاه‌های نگهداری دام و طیور کاربرد گسترده‌ای یافته است .
۴- نتیجه‌گیری
در کشاورزی، روندهای بنیادی و اساس زندگی از طریق تحقیقات در سطوح زیست سلولی و مولکولی کشف شده‌اند؛ فناوری نانو اجازه پیشرفت در علم کشاورزی و در زمینه‌هایی مانند جلوگیری از بیماری و درمان بیماری‌ها در حیوانات را به ما خواهد داد. کاربردهای تکنولوژی در سلامت حیوانات، یک موضوع مهم بوده و به‌صورت بالقوه راه‌حل‌هایی را اندیشیده است. فناوری نانو افق وسیعی را در مورد تجویز دارو، تشخیص و درمان بیماری و تولیدمثل روبروی ما قرار می‌دهد. وسایل نانومتری که قادر به تشخیص و درمان عفونت، تشخیص کمبودهای تغذیه‌ای یا سایر مشکلات مرتبط با سلامت قبل از بروز نشانه‌ها، به‌صورت بالینی خواهند بود. سیستم‌های هوشمند تجویز دارو، دارای خصوصیاتی مثل تنظیم از راه دور، خودتنظیمی، کنترل زمان و برنامه‌ریزی از قبل هستند. تشخیص و درمان بیماری با تزریق ذرات نانومتری به حیوان و سپس نابود کردن سلول‌های توموری با فعال کردن عوامل کشنده تومور، با تاباندن نور در بدن حیوانات امکان‌پذیر خواهد بود. طی یک تحقیق، با استفاده از نانوپوسته‌های تزریق‌شده به درون جریان خون حیوان همراه با عوامل نشان‌دار به‌کاربرده شده در نانوپوسته‌ها، ردیابی و چسبیدن ذرات نانو به سطوح گیرنده‌های سلول‌های سرطانی، به انجام رسیده است. تاباندن نور مادون‌قرمز روی بدن حیوان، باعث کشته شدن سلول‌های توموری می‌شود. یکی دیگر از مسائل مهم، تولیدمثل حیوان است که نانولوله‌هایی را در زیر پوست حیوان کار می‌گذارند و به‌عنوان وسایل پیگیری سیکل جنسی، در حیوانات به کار می‌رود. علائم صادر شده از این حسگر به‌عنوان قسمتی از سیستم کنترل و پیگیری مرکزی برای نشان دادن زمان زایش ثبت می‌شود. برخی از کاربردهای فناوری نانو در حوزه علوم دامی شامل استفاده از نانوذرات نقره در افزایش بهداشت دام و جایگاه‌های پرورش دام و طیور است. به‌طور کلی برخی از مهم‌ترین عناوین کاربردی فناوری نانو در کشاورزی و دامپروری به‌صورت زیر خلاصه می‌شود:
· استفاده از نانوحسگرها در بخش‌های مختلف سیستم‌های پرورش دام و طیور و شناسایی انفرادی دام‌ها
· استفاده از نانوحسگرها و نانوزیست‌حسگرها در ماشین‌های شیردوشی
· شتاب تحقیقاتی در اصلاح نژاد انواع دام، طیور و آبزیان مؤثر
· تولید خوراک‌های غیر بیولوژیک و داروهای دامی
· نانو واکسیناسیون DNA با استفاده از نانوکپسول‌ها و روش‌های اولتراسوند
منابـــع و مراجــــع
Rajendran, D. Application of nano minerals in animal production system. Res. J. Biotechnol. Vol 8, 3 (2013)
دفتر فناوری‌های نانو ریاست جمهوری اسلامی کشور ایران، “توضیحات درخت فناوری نانو (ویرایش ۴)”، (۱۳۸۶).
ویمر، پاول، “میکرو بیولوژی و زیست‌فناوری” ترجمه: عادل ارشقی، چاپ اول. تهران: انتشارات مدرسه، (۱۳۶۹).
O’Brien, N. & Cummins, E. Nano-functionalized techniques in crop and livestock production: Improving food productivity, traceability, and safety. Nanotechnol. Agri-Food Sect. (2011)
Wang, H., Zhang, J. & Yu, H. Elemental selenium at nano size possesses lower toxicity without compromising the fundamental effect on selenoenzymes: comparison with selenomethionine in mice. Free Radic. Biol. Med. 42, 1524–۱۵۳۳ (۲۰۰۷)
Wallace, R. J. Ruminal microbiology, biotechnology, and ruminant nutrition: progress and problems. J. Anim. Sci. 72, 2992–۳۰۰۳ (۱۹۹۴)
Simons, J. P. et al. Gene transfer into sheep. Nat. Biotechnol. 6, 179–۱۸۳ (۱۹۸۸)
Group, E. T. C. Down on the farm: the impact of nano-scale technologies on food and agriculture. (ETC Group, 2004)
Wyatt, M. D. & Ferry, J. Nanomaterials–Toxicity, Health and Environmental Issues. Edited by Challa SSR Kumar. (2007)