Скорее всего, большая часть — если не все — продукты на вашей кухне подвержены грибковым заболеваниям. Угроза вырисовывается очень большой для основных продуктов питания в мире, таких как рис, пшеница, картофель и кукуруза. Патогенные грибы также могут быть в нашем кофе, сахаре, бананах и других культурах. Ежегодно грибковые заболевания уничтожают треть всех урожаев и создают серьезную угрозу глобальной продовольственной безопасности.

Чтобы остановить распространение грибковых заболеваний, фермеры окуривают почву ядовитыми химикатами, которые опустошают землю, не щадя даже полезных микробов, кишащих в земле. Или поливают растения фунгицидами. Но использование фунгицидов эффективно только в краткосрочной перспективе — до тех пор, пока патогенные грибы не выработают устойчивость к этим синтетическим химическим веществам.

Теперь укореняется новая идея: помогите растениям отстоять свои позиции, предоставив им инструменты для ведения собственных сражений. Команда во главе с Джейсоном Уайтом, токсикологом-экологом из сельскохозяйственной экспериментальной станции Коннектикута в Нью-Хейвене, обогащает культуры питательными веществами в наноразмерных упаковках, которые повышают врожденный иммунитет растений против патогенных грибов более эффективно, чем традиционное подкармливание растений. За последние несколько лет исследователи разработали различные смеси нанонутриентов, которые повышают устойчивость к грибкам сои, томатов, арбузов и, в последнее время, баклажанов, как сообщается в апрельском издании «Болезни растений».

Эта концепция «решает проблему в самом начале, а не пытается «наложить пластырь» на проблему», — говорит Линн Гилбертсон, инженер-эколог из Университета Питтсбурга. Стратегия Уайта обеспечивает растения питательными веществами, которые им необходимы для запуска производства ферментов для защиты от патогенных атак. По ее словам, без введения каких-либо синтетических химикатов эта стратегия исключает любую возможность для злокачественных грибов развить резистентность.

Подход исследователей к наноматериалам вдохновлен их более ранним открытием, что наночастицы, транспортируемые вверх из корней кукурузы, могут возвращаться обратно вниз из листьев. Исследователи окунули половину корневых волокон одного растения кукурузы в состав с наночастицами меди, а другую половину — в чистую воду. Медь обнаружилась в обмакнутых в воду корнях, указывая на путь от корней до побегов и корней, сообщили Уайт и его коллеги в 2012 году в журнале Environmental Science & Technology. Это открытие предполагает, что наночастицы можно наносить непосредственно на листья в первую очередь, даже если целевым назначением были корни.

Использование листьев в качестве отправной точки позволяет решить многолетнюю проблему: доставка растворенных питательных веществ через почву вряд ли эффективна. Химические вещества могут разрушаться в почве, испаряться в атмосферу или вымываться. Только около 20 процентов поливных питательных веществ в конечном итоге достигают целевых участков на растении. «Используя наноразмерную форму, мы можем более эффективно доставлять питательные вещества туда, где они нужны растению», — говорит Уайт.

Чтобы увидеть, может ли этот подход доставлять питательные вещества, необходимые для защиты от враждебных грибов, Уайт и его коллеги провели тесты на баклажанах и помидорах. Команда распыляла металлические наночастицы на листья и побеги молодых растений, а затем заразила растения патогенными грибами. У растений, обработанных наночастицами, был повышенный уровень питательных металлов в корнях и более высокая урожайность по сравнению с растениями, получавшими легко растворенные питательные вещества, как сообщила команда в 2016 году в журнале Environmental Science: Nano.

Исследователи обнаружили, что наночастицы не причиняют вреда грибам: они все еще процветают среди наночастиц в окружающей среде без присутствия растения-хозяина. Вместо этого противогрибковые свойства наночастиц проистекают из того, что они обеспечивают растения питанием — эквивалентным тому, что люди принимают пищевые добавки, — что позволяет растениям обеспечивать соответствующую защиту по мере необходимости.

По словам Фабьен Шваб, химика-эколога, не принимавшего участия в исследовании, нанонутриенты более эффективны, чем обычные удобрения, благодаря их размерам, которые определяют скорость их растворения. Нанонутриенты в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса и в тысячи раз больше, чем легко растворяемые соли питательных веществ. У них большая открытая поверхность, поэтому они растворяются быстрее, чем более крупный кусок того же питательного вещества. Тем не менее, нанонутриенты достаточно велики, чтобы не растворяться сразу: они могут постепенно высвобождать питательные вещества в течение нескольких недель. Напротив, легко растворяемые питательные вещества дают растениям временный всплеск питательных веществ, похожий на прилив сахара.

«Когда вы используете питательные вещества в наномасштабе, вы можете регулировать растворимость в значительной степени так, как вам нравится», — говорит Шваб из Института Адольфа Меркля во Фрибурге, Швейцария.

Можно настроить не только размер — можно изменить форму, состав и химический состав поверхности, чтобы стимулировать различные уровни реакции растения. Например, Уайт и его сотрудники обнаружили, что листы оксида меди нанометровой толщины лучше, чем сферические наночастицы меди, предотвращают заражение соевыми бобами грибком Fusarium virguliforme. Ключ к их эффективности заключается в более быстром высвобождении из нанолистов заряженных атомов меди и более сильной адгезии к поверхности листа. Медные наноматериалы восстановили массу сои и скорость фотосинтеза до уровня свободных от болезней растений, сообщила команда в Nature Nanotechnology в 2020 году.

«Это очень многообещающая технология», — говорит Шваб, но добавляет, что перед ее внедрением необходимо учесть и другие аспекты. Для того чтобы сельскохозяйственные нанотехнологии получили широкое распространение, необходимо соблюдать экологические нормы и правила техники безопасности, а также — что, возможно, еще более сложно — преодолеть настороженность потребителей. Пока Уайт и его сотрудники не обнаружили в своей продукции остаточных нанонутриентов, которые могли бы оказаться на обеденном столе потребителей. Но другие последствия, такие как стойкость наноматериалов в окружающей среде и опасности, создаваемые людьми, работающими с ними, еще предстоит полностью понять.

«Люди в целом нервничают, когда говорят о нанотехнологиях и продуктах питания», — говорит Уайт. Но он говорит, что его группа не использует никаких экзотических материалов, влияние которых на здоровье остается загадкой. Вместо этого «мы используем питательные вещества, в которых растения нуждаются, которых им просто не хватает».

Уайт говорит, что ел баклажаны, помидоры и арбузы, которые выращивал для своих исследований. И, возможно, это лучшее, что может успокоить потребителей: токсиколог пробует в буквальном смысле плод своего труда.