Нанотехнологии и ИИ могут стать ключом к решению проблемы глобальной продовольственной безопасности

«Точное земледелие», при котором фермеры в реальном времени реагируют на изменения в росте сельхозкультур с помощью нанотехнологий и искусственного интеллекта (ИИ), может стать практическим решением проблем, угрожающих глобальной продовольственной безопасности.

Изменение климата, рост населения, конкуренция за землю для производства биотоплива и снижение качества почв затрудняют задачу по обеспечению продовольствием населения мира. ООН прогнозирует, что к 2030 году 840 миллионов человек будут страдать от голода.

В исследовании, опубликованном в Nature Plants, международная команда под руководством Бирмингемского университета предлагает дорожную карту по безопасному и устойчивому использованию ИИ и наноматериалов в сельском хозяйстве. Необходимые шаги:

• Изучить долгосрочную судьбу наноматериалов в агросреде: их взаимодействие с корнями, листьями и почвой.
• Оценить долгосрочное воздействие наноматериалов на экосистему, включая влияние повторного внесения на состояние почв.
• Применить системный подход, используя существующие данные о качестве почвы, урожайности и эффективности использования питательных веществ (NUE) для прогнозирования поведения наноматериалов.
• Использовать ИИ и машинное обучение для выявления ключевых свойств, определяющих поведение наноматериалов в сельхозусловиях.

Ключевые проблемы и потенциал нанотехнологий

Интенсификация сельского хозяйства привела к крайне низкой глобальной NUE. Большие объемы питательных веществ теряются, попадая в воду и воздух. На сельское хозяйство приходится почти 11% глобальных выбросов парниковых газов. Особую опасность представляет закись азота («веселящий газ»), образующаяся из-за избыточного азотного удобрения земель. Её потенциал глобального потепления в 300 раз выше, чем у CO₂, и на сельхозсектор приходится около 70% антропогенных выбросов этого газа.

Наноматериалы могут усилить сельское хозяйство четырьмя основными способами:

1. Повышение темпов производства и урожайности.
2. Улучшение здоровья почвы и устойчивости растений.
3. Повышение эффективности использования ресурсов (например, удобрений) и снижение загрязнения.
4. Создание «умных» растений-сенсоров, предупреждающих фермеров о стрессе окружающей среды.

Наноудобрения могут повысить NUE и снизить выбросы закиси азота, что поможет достичь цели по нулевым чистым выбросам парниковых газов к 2050 году.

Роль искусственного интеллекта

Вычислительные подходы, включая ИИ и машинное обучение, будут играть решающую роль. Они уже начинают получать регуляторное признание для оценки безопасности наноматериалов, позволяя создавать «безопасные по замыслу» материалы.

«Интеграция ИИ и нанотехнологий в точное земледелие жизненно важна для определения параметров дизайна наноматериалов, используемых для доставки удобрений и пестицидов, чтобы обеспечить минимальное воздействие на здоровье почвы и минимальные остатки наноматериалов в съедобных частях растений», — отмечает соавтор работы доктор Пэн Чжан.