توجد الزراعة الحديثة في حالة توازن غير مستقر: فمن جهة، هناك حاجة لإنتاج كميات من الغذاء أكثر من أي وقت مضى، ومن جهة أخرى، هناك حاجة ملحة للقيام بذلك دون تدمير البيئة. ولعقود من الزمن، كان الحل الأسرع هو اللجوء إلى مبيدات حشرية كيميائية واسعة النطاقفعال للغاية على المدى القصير ولكن مع آثار جانبية يصعب تجاهلها بشكل متزايد: التلوث، وفقدان التنوع البيولوجي، والآفات التي تصبح مقاومة.
في هذا السياق، تستند الاستراتيجيات إلى المواد الكيميائية شبهية والمواد الطاردةأي مواد تُغير سلوك الحشرات دون قتلها. وتأتي القفزة النوعية الآن مع تطور من جامعة أليكانتي: جهاز قابل للتحلل الحيوي مصنوع من الكربون المنشط التي تطلق مركبات عضوية متطايرة طاردة ببطء وبطريقة متحكم بها، مصممة لصد الآفات الزراعية بطريقة مستدامة وعملية ودون توليد نفايات بلاستيكية.
من المبيدات الحشرية الكيميائية إلى التواصل الكيميائي ضد الآفات
أدى ازدياد عدد سكان العالم إلى ارتفاع الطلب على الغذاء، مما أدى إلى استخدام هائل لـ المبيدات الحشرية والمبيدات الاصطناعيةلا تقتصر هذه المنتجات على القضاء على الآفة المستهدفة فحسب، بل تؤثر أيضًا على العديد من الآفات الأخرى. الكائنات غير المستهدفةتتأثر الملقحات والحشرات النافعة، وحتى الكائنات الحية الدقيقة الرئيسية في التربة. علاوة على ذلك، تتراكم هذه الملوثات في المياه والرواسب، مما يُسبب عواقب بيئية وصحية وخيمة.
في ضوء هذا السيناريو، يحوّل المجتمع العلمي تركيزه إلى نهج مختلف تمامًا: تسخير التواصل الكيميائي بين الحشرات لإدارتها. بدلاً من استئصالها بأي ثمن، فإن الهدف هو التدخل في إشاراتها، وتضليلها، وإبعادها عن المحاصيل، أو منعها من التكاثر بنجاح.
في إطار هذا التحول النموذجي، تصبح الأمور التالية مهمة: المواد الكيميائية شبه الكيميائيةجزيئات تنقل المعلومات بين الكائنات الحية وتحفز استجابات سلوكية أو فسيولوجية. وهي تُستخدم بشكل متزايد في الإدارة المتكاملة للآفاتالجمع بين أدوات مختلفة لتقليل استخدام المبيدات الحشرية التقليدية.
من بين أشهر المواد الكيميائية شبهية التأثير ما يلي: الفيروموناتهذه مواد تنتجها الحشرات نفسها للتواصل مع أفراد آخرين من نفس النوع. وقد استُخدمت بنجاح في مراقبة السكان، والقبض الجماعي، وتعطيل التزاوج، والارتباك الجنسي أو استراتيجيات الدفع والجذب، حيث يتم طرد الآفة من منطقة ما وجذبها إلى منطقة أخرى.
إلى جانب الفيرومونات تظهر المواد الكيميائية الأليليةوالتي تتوسط التواصل بين الأنواع المختلفة. ومن بينها، طارد الحشرات تعمل هذه المواد كعوامل طاردة للحشرات: فهي ترسل إشارة كيميائية تشجع الحشرة على الابتعاد، غالباً دون حتى ملامسة المنتج. يُعد هذا النهج مثيراً للاهتمام بشكل خاص لمكافحة الآفات بطريقة أقل عدوانية وأكثر توافقاً مع الزراعة العضوية.
المواد الطاردة، والمركبات العضوية المتطايرة، وأنواع الاستجابة لدى الحشرات
يمكن تصنيف المواد الطاردة للحشرات بناءً على كيفية تفاعلها مع الحشرة والاستجابة التي تُثيرها. هذا التمييز أساسي لتصميم مواد طاردة للحشرات فعّالة. استراتيجيات التحكم المصممة خصيصًا للسلوك من كل وباء:
من جهة، هناك طاردات من النوع طاردمما يُنشئ نوعًا من "الحاجز الكيميائي" في الهواء. تستشعر الحشرات الرائحة من مسافة بعيدة، فتقرر عدم الاقتراب من المحصول دون الحاجة إلى لمس السطح المعالج. وهذا ما يُعدّ الأكثر طلبًا في القطاع الزراعي، لأنه يسمح حماية البيئة بشكل وقائي.
المواد الطاردة للحشرات مترابطة بشكل وثيق. مزعجتتسبب هذه المواد في ابتعاد الحشرات عند ملامستها لها. يرتبط هذا التفاعل بشكل أوثق باللمس أو التعرض المباشر، وهو مفيد على أسطح معينة، ولكنه أقل عملية عند الحاجة إلى حماية مساحات واسعة.
تعمل مركبات أخرى كـ وسائل ردع الطعامتصل الحشرة إلى المحصول، وتتذوق أنسجة النبات، فتجد الطعم أو الرائحة كريهة للغاية لدرجة أنها يغادر النبات ويتوقف عن التغذيةيمكن أن تكون هذه الآلية مفيدة كطبقة حماية إضافية عندما يكون الحاجز الشمي غير كافٍ.
وأخيرًا، هناك مواد طاردة للحشرات إخفاء الروائح الرئيسية يؤدي ذلك إلى تقليل جاذبية المحصول بشكل كبير. تفقد الحشرة أثرها لأن الإشارات التي أرشدتها إلى النبات تتلاشى أو تُحجب بروائح أخرى، وهي حيلة مفيدة بشكل خاص عندما تعتمد الآفة بشكل كبير على حاسة الشم لتحديد موقع الطعام.
ركزت معظم تطبيقات المواد الطاردة تقليديًا على الحشرات المرتبطة بصحة الإنسان أو الحيوانات - مثل البعوض والطفيليات التي تصيب الماشية - بينما كان استخدامها في الزراعة محدودًا. ومع ذلك، فقد أدى اكتشاف فتحت الأمراض التي تسببها الفطريات الممرضة للحشرات والفطريات المفترسة للديدان الخيطية مجالاً جديداً، مع تجارب واعدة للغاية ضد آفات مثل الكونيات الدنيئةسوسة الموز السوداء.
تحديات طاردات المركبات العضوية المتطايرة: الفعالية الميدانية وأجهزة الإطلاق
تتمتع المواد الطاردة للمركبات العضوية المتطايرة بإمكانيات هائلة لأنها جزيئات متطايرة من أصل طبيعي قادرة على تعديل سلوك الحشرات بجرعات منخفضة للغاية. تكمن المشكلة عند محاولة استخدامها في الهواء الطلق: فتقلبها الشديد، وهو ما يجعلها مفيدة تحديدًا، يتسبب أيضًا في... إنها تتبخر بسرعة كبيرة وتفقد فعاليتها في وقت قصير.
لكي تنجح هذه المركبات في بيئات العالم الحقيقي، لا يكفي مجرد تطبيقها. فالتصميم أمر أساسي. موزعات قادرة على إطلاق المركبات العضوية المتطايرة ببطء وثبات ولفترة طويلةالحفاظ على تركيز فعال على البيئة لأسابيع بدلاً من بضع ساعات فقط.
تستخدم الأنظمة التقليدية عادةً مصفوفات مصنوعة من البلاستيك أو البوليمرات الاصطناعية الأخرى. تحتفظ هذه المصفوفات بالمركب بداخلها وتطلقه تدريجيًا، ولكن لها عدة عيوب: فهي تولد النفايات غير القابلة للتحلل البيولوجي والجسيمات البلاستيكية الدقيقةإنها تزيد من تكلفة إدارة الحقول، وغالباً ما لا تفي بمتطلبات الحصول على الشهادات للعديد من مخططات الزراعة المستدامة أو العضوية.
في حالة المواد الطاردة المتطايرة التي تنتجها الفطريات الممرضة للحشرات - وهي عوامل مكافحة بيولوجية تتطفل على الحشرات - فقد ثبتت فعاليتها بالفعل في ظروف المختبر. وكانت العقبة الرئيسية هي إيجاد نظام إطلاق يكون متين وعملي وصديق للبيئة، القادرة على تحويل فكرة مختبرية جيدة إلى أداة قابلة للتطبيق للمزارع.
وقد دفعت هذه الحاجة إلى تطوير حل في جامعة أليكانتي، لا يقتصر على تحسين الكفاءة في هذا المجال فحسب، بل يعالج أيضًا مشكلة النفايات البلاستيكية بشكل مباشر، وهو جزء لا يتجزأ من نهج الاقتصاد الدائري واستخدام النفايات العضوية.
الكربون المنشط باعتباره قلب الجهاز القابل للتحلل الحيوي
يكمن مفتاح الابتكار في استخدام مواد كربونية من أصل نباتييُستخدم الكربون المنشط، على وجه الخصوص، كمادة أساسية لاحتجاز وتوزيع المركبات العضوية المتطايرة الطاردة. يتميز الكربون المنشط بمساحة سطحه الداخلية الهائلة وبنيته المسامية المعقدة، والتي تعمل كنوع من... الإسفنج الجزيئي قادرة على امتصاص الجزيئات وإطلاقها تدريجياً.
يمكن الحصول على هذه المادة من مخلفات الغابات أو غيرها من المخلفات الطبيعية من خلال عمليات التفحيم والتنشيط. وبهذه الطريقة، يتحول ما كان في الأصل نفايات إلى مورد ذي قيمة مضافة عالية، يتماشى تماماً مع مبادئ الاقتصاد الدائري وتثمين الكتلة الحيوية.
أظهرت الاختبارات التي أجرتها جامعة أليكانتي أن الكربون المنشط لا يحتفظ فقط بالمركبات العضوية المتطايرة الطاردة بشكل فعال، بل يسمح أيضًا الحفاظ على التركيزات الفعالة لأكثر من 28 يومًا في ظل ظروف الاختبار، يُحدث هذا فرقًا مقارنةً بالتركيبات الأبسط. ويتطلع الباحثون مستقبلًا إلى تمديد هذه الفترة إلى شهرين أو ثلاثة أشهر بإجراء تعديلات على التركيبة.
ومن نقاط القوة الأخرى أن الكربون المنشط المستخدم هو قابلة للتحلل الحيوي وغير ضارة بالنسبة للنظام البيئي. بمجرد أن يؤدي الجهاز غرضه، يمكن أن تبقى المادة في التربة وتساهم في تحسين الاحتفاظ بالماء وتوصيل العناصر الغذائيةيعمل بشكل مشابه للفحم الحيوي الزراعي.
والنتيجة هي نظام إطلاق يجعل المركبات العضوية المتطايرة الطاردة أداة حقيقية في الميدان، دون الحاجة إلى اللجوء إلى المصفوفات البلاستيكية أو الهياكل المعقدة التي تزيد من تكلفة الاستخدام وتولد نفايات إشكالية.
تصميم الجهاز: حبيبات، غلاف مسامي، واستخدام ميداني
يُعرض الجهاز المُطور على النحو التالي: حبيبات صغيرة أو كريات من الكربون المنشط مشبعة بمركب طارد متطاير. توضع هذه الحبيبات في كيس أو غلاف مسامي، قابل للتحلل الحيوي بالكامل ومغلقة بإحكام، مما يسمح بمرور المركبات العضوية المتطايرة إلى البيئة ولكنه يمنع المادة من الانتشار أو الفقدان.
من الناحية العملية، كل ما على المزارع فعله هو ضع الأجهزة مباشرة في المحصولدون الحاجة إلى موزعات إضافية أو حوامل بلاستيكية أو معدات تطبيق متخصصة. هذه البساطة هي إحدى أهم مزايا هذه التقنية للمزارع بجميع أنواعها، من المزارع العضوية الصغيرة إلى أنظمة الزراعة المكثفة.
لقد تطور تصميم الجهاز بمرور الوقت. في المراحل الأولى من البحث، تم استخدام ما يلي: مصفوفات السيليكا بهدف الاحتفاظ بالمواد المتطايرة، ولكن تبيّن أن إطلاقها كان سريعًا جدًا وأن ثباتها في البيئة لم يكن كافيًا. وقد مثّل إدخال الكربون المنشط ذي الأصل النباتي، بفضل التعاون مع مجموعة المواد الكربونية والبيئة في جامعة أليكانتي، نقلة نوعية. احتفاظ أكثر فعالية وإطلاق أبطأ بكثير.
تضمن التجارب الحالية فعالية طاردة للحشرات لمدة 28 يومًا على الأقلتتناسب هذه الفترة بالفعل بشكل جيد مع العديد من جداول إدارة المحاصيل، وتُبذل جهود لتمديدها. وهذا يسمح للمزارعين بتخطيط استبدال الأجهزة بسهولة نسبية، دون الحاجة إلى استبدالها كل بضعة أيام.
من الجوانب المثيرة للاهتمام في التصميم أن الجهاز يتحول إلى قابلة لإعادة الاستخدام لجزء من دورة حياتهابمجرد انقضاء فترة الإطلاق، يمكن إعادة تشريب مصفوفة الكربون بالمواد العضوية المتطايرة الطاردة وإعادة استخدامها، مما يزيد من الكفاءة الاقتصادية ويقلل من توليد النفايات.
نهج يصدّ بدلاً من أن يقتل
الفلسفة الكامنة وراء هذا الجهاز واضحة: فهي لا تتعلق بالإبادة، بل بـ طرد الآفة من بيئة المحصولتعمل المركبات المنبعثة كمركبات شبه كيميائية من نوع الألومون، مما يولد إشارة شمية تجعل الحشرة تدرك المنطقة على أنها معادية أو غير مثيرة للاهتمام وتختار عدم الدخول أو المغادرة.
لهذا التغيير في المنطق عدة مزايا. من ناحية، يقلل من التأثير على الحشرات النافعةلأن الهدف هو الردع، وليس التسميم. علاوة على ذلك، يتم تقليل خطر حدوث مشاكل إلى أدنى حد. السكان المقاومون، وهي مشكلة واسعة الانتشار تتعلق بالمبيدات الحشرية القاتلة.
علاوة على ذلك، يتناسب هذا النوع من الأجهزة تمامًا مع استراتيجيات لـ الوقاية والإدارة المتكاملةعلى سبيل المثال، يمكن وضعها حول محيط قطع الأراضي الصحية لإنشاء نوع من الطوق الطارد الذي يجعل من الصعب على الآفة الدخول، مما يعمل كخط دفاع أول قبل أن تخرج المشكلة عن السيطرة.
ثمة احتمال آخر، وهو مثير للاهتمام للغاية في المزارع المتضررة بالفعل، وهو دمجها مع الفخاخ المغرية في استراتيجية الدفع والسحب المعروفةتعمل المواد الطاردة على "دفع" الحشرات بعيدًا عن المناطق المراد حمايتها، بينما تعمل المواد الجاذبة على "جذبها" نحو نقاط محددة حيث يتم تركيب مصائد مادية أو طعوم معينة، مما يقلل من أعدادها دون تفضيل انتشارها غير المنضبط.
والنتيجة هي نظام أكثر دقة لمكافحة الآفات، والذي يسعى إلى قم بتعديل سلوك الحشرة بدلاً من القضاء عليها.وهذا يتكامل بشكل جيد مع التدابير البيولوجية أو الثقافية أو الفيزيائية الأخرى ضمن الإدارة المتكاملة للآفات.
نتائج فعالة ضد السوسة السوداء والآفات المستهدفة الأخرى
ركز جزء كبير من تطوير التكنولوجيا على معالجة سوسة الموز السوداء (الكونيات الدنيئة)سوسة الموز، وهي خنفساء موطنها الأصلي منطقة الهند وماليزيا، تنتشر الآن على نطاق واسع في جميع مناطق إنتاج الموز تقريبًا، بما في ذلك جزر الكناري. وتُعتبر من أخطر الآفات التي تُصيب هذا المحصول على مستوى العالم نظرًا للأضرار التي تُسببها وصعوبة مكافحتها.
كانت نقطة البداية هي التعاون مع كوبلاكاأعربت الجمعية الرئيسية لتعاونيات الموز في جزر الكناري عن قلقها لجامعة أليكانتي بشأن الأثر الاقتصادي والصحي الهائل لسوسة الموز السوداء. وانطلاقاً من هذا التحدي الحقيقي، بدأ فريق علم أمراض النبات بالبحث عن بدائل أكثر استدامة للمبيدات الحشرية التقليدية.
في الأبحاث السابقة، كانت هذه الفرق تعمل بالفعل مع الفطريات المسببة للأمراض الحشرية نشأت هذه الفطريات من مزارع الموز في جزر الكناري، وهي معروفة بقدرتها على إصابة الحشرات وقتلها. وخلال هذه الدراسات، لاحظوا أن الفطريات التي تنتجها مركبات عضوية متطايرة ذات تأثير طاردومن بينها، أظهر أحد المركبات الرئيسية، والذي يسمى C5، نشاطًا ملحوظًا للغاية ضد السوسة السوداء.
وبعد هذا الاكتشاف، كانت الخطوة التالية هي إيجاد طريقة لـ لإيصال هذه المواد المتطايرة إلى الميدان بطريقة فعالة ودائمةبعد اختبار مواد مختلفة والتخلص من السيليكا بسبب ضعف استمراريتها، تم تطوير المادة الكربونية الحالية، المشتقة من نفايات الغابات، والتي تسمح بالاحتفاظ بـ C5 في بنيتها المسامية وإطلاقها ببطء.
أظهرت الاختبارات التي أجريت في المختبر وفي بيئات خاضعة للرقابة في الجامعة نفسها أن الأجهزة القائمة على الكربون المنشط تحافظ هذه المواد على فعاليتها الطاردة ضد السوسة السوداء لأكثر من 28 يومًايُربك هذا الإجراء الحشرة، ويُغير إدراكها للغذاء، ويُقلل من وجودها في المنطقة المحمية. وتُجرى حاليًا تجارب في مزارع حقيقية في جزر الكناري، بالتعاون مع المجموعة الإقليمية لتعاونيات الموز.
الاختبار، والنضج التكنولوجي، والسلامة البيئية
وصل تطوير هذا الجهاز إلى مستوى من النضج التكنولوجي. تي ار ال 5-6وهذا يعني أنها اجتازت بنجاح المراحل المختبرية الأولية وانتقلت إلى نماذج تجريبية تم التحقق من صحتها في ظل ظروف أقرب إلى ظروف الحقل الواقعية. ويشمل ذلك تجارب النباتات، والاختبارات في البيوت الزجاجية أو المساحات شبه المفتوحة، والتقييمات الأولية في المزارع التجارية.
في جميع هذه الخطوات، تم إيلاء اهتمام خاص لـ سلوك الحشرات المعرضة للجهازفي حالة السوسة السوداء، لوحظ أن الحشرات البالغة تصبح مشوشة، وتقل قدرتها على تحديد مصدر الغذاء، وتميل إلى الابتعاد عن المناطق التي توضع فيها الأجهزة، مما يؤكد التأثير المتوقع للمواد الطاردة المتطايرة.
ومن الأولويات الأخرى تقييم سلامة النظام من أجل البيئةتُستخلص المادة الكربونية من مخلفات نباتية وتندمج بشكل طبيعي في التربة، دون أن تترك أي بقايا بلاستيكية أو مواد مستعصية. ولا تتطلب معدات تطبيق خاصة أو تدريبًا تقنيًا متقدمًا، مما يعني سهولة الاستخدام. توفير الوقت وتكاليف العمالة للمزارعين.
من منظور تنظيمي ومن منظور الملكية الفكرية، فإن التكنولوجيا محمي بموجب طلب براءة اختراع، سواء فيما يتعلق باستخدام المركبات العضوية المتطايرة الطاردة المحددة التي تنتجها الفطريات الممرضة للحشرات والفطريات التي تتغذى على الديدان الخيطية، وفيما يتعلق بتصميم مصفوفة الكربون والجهاز القابل للتحلل الحيوي على هذا النحو.
هذا الدعم يسهل النقل المستقبلي إلى القطاع الإنتاجي ويوفر إطارًا واضحًا للتعاون مع الشركات المهتمة بتوسيع نطاق التكنولوجيا، واختبارها على محاصيل أخرى، وفي النهاية، تسويق متغيرات مختلفة من الجهاز مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات كل آفة مستهدفة.
الاقتصاد الدائري، والاستخدامات المحتملة، والقفزة إلى السوق
وبعيدًا عن مكافحة الآفات المباشرة، يمثل الجهاز حالة عملية لـ الاقتصاد الدائري في القطاع الزراعيتُستخدم النفايات العضوية، مثل مخلفات الغابات، في تصنيع الكربون المنشط الذي يعمل كقالب؛ وتُستخدم المركبات العضوية المتطايرة، والتي يمكن أن تأتي من الفطريات الممرضة للحشرات أو الفطريات المتغذية على الديدان الخيطية تُزرع في المنتجات الثانوية الزراعية، وفي نهاية الدورة، يساهم الجهاز نفسه في تحسين نوعية التربة.
أصبحت هذه الفلسفة ممكنة بفضل التعاون بين مجموعات مختلفة في جامعة أليكانتي. فريق من علم أمراض النبات، بقيادة لويس فيسينتي لوبيز يوركا وفيديريكو لوبيز مويالقد ساهمت بمعرفتها حول الآفات والفطريات والمركبات الفعالة. أما الأساتذة، فقد أشادوا بها. ماريا أنجيليس ليلو روديناس وماريا ديل كارمن رومان مارتينيزقام فريق من مجموعة المواد الكربونية والبيئة بتصميم مصفوفة الكربون المنشط وتحسين خصائصها لإطلاق المركبات العضوية المتطايرة.
تتميز هذه التقنية بالمرونة: حيث يسمح نفس الدعم بالكربون النشط يشمل ذلك المركبات العضوية المتطايرة ذات الأصل البيولوجي والجزيئات الاصطناعية.يُتيح هذا التصميم إمكانية تكييف الجهاز مع مختلف الآفات والمحاصيل دون الحاجة إلى تغيير المنصات. ويفتح هذا المجال أمام تطبيقات في الزراعة العضوية، والمحاصيل ذات القيمة العالية، والبيوت الزجاجية، والأنظمة المُتحكَّم بها، بالإضافة إلى نباتات الزينة، حيث يجري بالفعل استكشاف استخداماته لمكافحة آفات مثل... سوسة النخيل الحمراء.
وقد صُمم الجهاز أيضاً ليكون من السهل التعامل معهابحسب نوع الحشرات المستهدفة، يمكن وضع الجهاز بالقرب من الأرض في حالة الحشرات الزاحفة، مثل سوسة النخيل السوداء، أو في أجزاء أعلى من النبات، مثل تاج أشجار النخيل عند استهداف سوسة النخيل الحمراء. ولا يتطلب ذلك بنية تحتية معقدة أو استثمارات أولية كبيرة من المزارع.
يكمن التحدي الكبير الآن في الانتقال إلى قطاع الأعمالكما هو الحال غالبًا مع العديد من التطورات الأكاديمية، لا تمتلك المجموعات البحثية القدرة على إنتاج الجهاز على نطاق واسع، لذلك تبحث جامعة أليكانتي عن الشركات والتعاونيات المهتمة في ترخيص براءة الاختراع، أو المشاركة في مشاريع البحث والتطوير المشتركة، أو تعزيز عمليات التوسع والتحقق في المزارع الكبيرة.
في ظل سيناريو يتسم بالضغط على النظم الغذائية وأزمة المناخ، توضح هذه التقنية كيف يمكن تحقيق ذلك حماية المحاصيل عن طريق طرد الآفات دون اللجوء إلى المبيدات الحشرية القاتلةيساهم هذا في التخلص من النفايات البلاستيكية من الموزعات، ويعتمد على المواد الطبيعية لإعادة تدويرها. وإذا ما لاقى رواجاً في السوق، فقد يصبح أداةً أساسيةً للعديد من المزارعين الساعين إلى اتخاذ خطوة حقيقية نحو نماذج إنتاج أنظف وأكثر استدامة، دون المساس بفعالية مكافحة الآفات.
