İklim Değişikliğine Karşı Tarımı Güçlendirmenin Bilimsel Yöntemleri
- Hüseyin GÜZEL
- Mar 26
- 8 min read
Dünya ısınıyor ve bu durum, gıda üretiminin geleceği için ciddi tehditler oluşturuyor. MIT'deki araştırmacılar bu kritik soruna el atarak, hem daha fazla gıda üretmenin hem de mahsulleri kuraklığın yıkıcı etkilerinden korumanın bilimsel yöntemlerini araştırıyorlar.
Kuraklıkların yaygınlaşması ve bazı toprakların tarıma elverişliliğini kaybetmesi beklenirken, bilim insanları aynı zamanda sürdürülebilir çözümlerin peşinde. Hedef, gezegenin ısınmasına katkıda bulunan tarımsal kimyasallara bağımlılığı artırmadan, sürekli büyüyen bir nüfusu besleyebilmek...
MIT araştırmacıları, iklim değişikliğinin tarım üzerindeki baskısını hafifletmek için yenilikçi çözümler geliştiriyor. Stres altındaki bitkileri tespit eden teknolojilerden kuraklığa dayanıklı tohumlara kadar çeşitli yaklaşımlar, artan dünya nüfusunu beslemek için kritik öneme sahip.
MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü'nden Doçent Benedetto Marelli, temel insan ihtiyaçları sıralamasında suyun hemen ardından gıdanın geldiğini ifade ediyor. Marelli, küresel nüfusun 10 milyara ulaşması beklendiği göz önüne alındığında, mevcut gıda üretim yaklaşımlarının sürdürülebilir olmadığını ve bu nedenle gelecekteki nesilleri besleyebilmek için tamamen yeni yöntemler geliştirmenin zorunlu hale geldiğini dile getiriyor.
MIT'de yakın zamanda başlatılan kapsamlı İklim Projesi, iklim değişikliğinin etkileriyle mücadele etmek amacıyla çeşitli araştırma alanlarına odaklanmış altı ayrı misyondan oluşuyor. Benedetto Marelli, bu önemli projenin yöneticilerinden biri olarak görev alıyor. Marelli'nin liderliğini üstlendiği "Wild Cards" misyonu ise, bilinen sınırların dışına çıkarak, yüksek risk seviyesine sahip ancak başarıya ulaştığında büyük etki yaratabilecek, alışılmadık ve yenilikçi çözüm önerilerini belirlemeyi amaçlıyor. Bu misyon, özellikle endüstriyel karbondan arındırma ve iklim değişikliğine dayanıklı şehirler inşa etme hedeflerine yönelik projeleri destekliyor.
Marelli'ye göre MIT, iklim değişikliğinin karmaşık sorunlarına çözüm bulma konusunda benzersiz bir avantaja sahip. Bu avantaj, enstitünün mühendislik (ölçekli işleme ve altyapı dahil), biyolojik mühendislik gibi temel disiplinlerdeki köklü uzmanlığının, beşeri bilimler, temel bilimler ve ekonomi gibi farklı perspektifler sunan alanlarla başarılı bir şekilde entegre edilmesinden kaynaklanıyor. Bu disiplinler arası iş birliği, iklim değişikliğinin getirdiği zorluklara karşı daha bütüncül ve etkili yaklaşımlar geliştirme potansiyeli taşıyor.
Kuraklıkla Mücadelede Tohumların Korunması
Başlangıçta rejeneratif tıp alanında biyomedikal mühendisi olarak çalışan Benedetto Marelli, kariyer yolculuğunda önemli bir değişim göstererek tarım sektöründeki zorluklara odaklanmıştır. Şu anki araştırmaları, özellikle kuraklık yaşanan veya besin maddeleri açısından yetersiz olan topraklarda ürün verimliliğini artırmaya yönelik yenilikçi yöntemler geliştirmeye odaklanmaktadır. Bu amaçla Marelli, tohumların en kritik gelişim aşaması olan çimlenme sürecinde onları dış etkenlerden koruyabilen ve aynı zamanda gerekli besinleri sağlayabilen ipek ve diğer doğal veya sentetik polimer bazlı özel tohum kaplamaları tasarlamaktadır. Bu kaplamalar, tohumların zorlu koşullarda bile hayatta kalma ve filizlenme şansını önemli ölçüde artırmayı hedeflemektedir.
Normal koşullarda, sağlıklı bir toprak ekosistemi bitkilerin büyümesi için gerekli olan azot, fosfat ve diğer temel besin maddelerini doğal olarak sağlar. Bu süreçte toprakta yaşayan çeşitli mikroorganizmalar hayati bir rol oynar. Ancak kuraklık gibi çevresel stres faktörleri veya aşırı ve yanlış tarım uygulamaları, toprağın bu doğal besin döngüsünü bozarak bitkiler için gerekli maddelerin azalmasına neden olabilir. MIT araştırmacısı Marelli'nin geliştirdiği fikir ise, bu soruna yönelik akıllı bir çözüm sunuyor. Marelli, tohumları bitki gelişimini teşvik eden ve özellikle havadaki serbest azotu alarak bitkilerin kullanabileceği forma dönüştüren ("azot fiksasyonu") özel bakterilerle kaplanabilen bir polimerle sarmalamayı öneriyor. Bu mikrobiyal kaplama sayesinde, bakteriler sadece azot ihtiyacını karşılamakla kalmayıp, aynı zamanda bitkilerin sağlıklı büyümesi için gerekli olan diğer besin maddelerinin de topraktan alınmasına yardımcı olabiliyor.
Marelli'nin geliştirdiği ilk tohum kaplamalarında, daha önce gıda ürünlerinin dayanıklılığını artırmak için kullandığı ipek materyali kullanıldı. MIT'deki laboratuvarında yapılan testler, bu ipek bazlı kaplamaların filizlenen bitkileri kuraklık, ultraviyole radyasyonu ve yüksek tuz konsantrasyonu gibi stres faktörlerine karşı koruyabildiğini ortaya koydu.
MIT'deki çalışmalarının ardından Marelli ve ekibi, şimdi de küresel bir soruna çözüm üretmek için harekete geçiyor. Fas'taki Mohammed VI Politeknik Üniversitesi'ndeki bilim insanlarıyla güçlerini birleştiren araştırmacılar, iklim değişikliğinin acı sonuçlarını yaşayan ve altı yıldır süregelen kuraklıkla mücadele eden Fas'ın kendine özgü bitki türleri için geliştirdikleri teknolojiyi yerel koşullara uygun hale getiriyor.
Araştırmacılar bu çalışmalar için ipek yerine Fas'ta kolayca elde edilebilen gıda atıklarından türetilen bir biyopolimer kaplama kullanıyorlar.
"Biyopolimerleri çıkarmak için yerel topluluklarla birlikte çalışıyoruz, böylece belirli bir ortamda çalışan malzemeler üretebilmek için ölçekte çalışan bir süreç elde etmeye çalışıyoruz." diyor Marelli.
Marelli'ye göre MIT gibi kaynak zengini bir ortamda fikirler üretmek mümkün olsa da, bu fikirlerin hayata geçmesi için yerel topluluklar ve paydaşlarla iş birliği yapmak, onların yaratıcılığından faydalanmak ve çözümleri yerel koşullara uygun hale getirmek gerekiyor.
Mikropların Gübre Olarak Kullanımı
Tarımsal üretimde sentetik gübrelerin önemi yadsınamaz; ister kuraklık yaşansın ister yaşanmasın, bu gübreler genellikle ürün veriminde belirgin bir artış sağlar ve bu nedenle birçok çiftçi için temel bir girdi haline gelmiştir. Ancak, bu faydalarına rağmen, sentetik gübrelerin kullanımı çiftçiler için önemli bir maliyet oluşturmakta ve aynı zamanda çeşitli çevresel sorunlara yol açmaktadır. Dünya genelinde kullanılan sentetik gübrenin büyük bir kısmı, azot ve hidrojeni yüksek sıcaklık ve basınç altında amonyağa dönüştüren Haber-Bosch işlemiyle üretilmektedir. Bu enerji yoğun endüstriyel süreç, küresel sera gazı emisyonlarının yaklaşık %1,5'ini tek başına oluşturmakta ve üretilen gübrenin dünyanın farklı bölgelerindeki çiftliklere nakliyesi de atmosfere ek sera gazlarının salınmasına neden olmaktadır. Bu durum, sentetik gübrelerin hem ekonomik hem de çevresel sürdürülebilirliği konusunda önemli soru işaretleri yaratmaktadır.
MIT'de görevli Kimya Mühendisi Ariel Furst, sentetik gübre üretiminin çevresel etkilerini azaltmak amacıyla Haber-Bosch işlemine mikrobiyal tabanlı bir alternatif üzerinde çalışıyor. Bazı çiftliklerde azot sabitleyici bakterilerin doğrudan bitki köklerine uygulanması umut verici sonuçlar verse de, bu mikroorganizmaların kırılgan yapısı uzun süreli depolama ve nakliye sorunlarına yol açıyor, bu nedenle çiftliklerde yerinde üretim yapılması gerekiyor.
Furst, azot sabitleyici mikropların karşılaştığı zorlukların üstesinden gelmek için yenilikçi bir çözüm buldu. Mikropları ısı ve diğer stres faktörlerinden koruyan özel bir kabuk geliştiren Furst, bu sayede mikropların zarar görmesini engelliyor. Bu kaplama aynı zamanda dondurarak kurutma işleminin neden olduğu hasarı da azaltarak mikropların daha kolay taşınabilmesine olanak tanıyor.
Bu özel kabukların içeriği farklılık gösterebilse de, temel olarak iki ana unsurdan meydana gelir. Bunlardan ilki demir, manganez ya da çinko gibi bir metaldir. İkincisi ise tanenler ve diğer antioksidanları içeren, bitki kökenli bir organik bileşik türü olan polifenoldür. Bu iki bileşen, bakterileri içine hapseden koruyucu bir katman oluşturmak için kendiliğinden bir araya gelir.
Güçlü Mikroplar: Koruyucu Polimerlerin Gücü
Furst'e göre, bu mikroplar tohumlarla birlikte verilecek, bu da büyüme sırasında gübreleme ihtiyacını ortadan kaldıracak. Bu durum maliyeti düşürecek, çiftçilere daha fazla bağımsızlık sağlayacak ve tarımsal karbon emisyonlarını azaltacak. Furst, bu yaklaşımın tarımı tamamen yenileyici hale getirerek toprak sağlığını iyileştireceğini, ürün verimini ve besin değerini artıracağını düşünüyor.
Furst, geliştirdiği kaplanmış mikropları ticarileştirmek amacıyla Seia Bio adında bir şirket kurdu ve bu şirket Brezilya'daki çiftliklerde testlere başladı. Ayrıca Furst, laboratuvarında atmosferden karbondioksiti kireç taşına dönüştürerek toprak pH'ını yükseltmeye yardımcı olabilecek kaplama mikropları üzerinde de çalışıyor.
Furst, geliştirdiği mikrobiyal teknolojinin sadece toprak pH'ını dengelemeye yardımcı olmakla kalmayıp, aynı zamanda atmosferdeki karbondioksiti doğrudan yakalamanın da yenilikçi bir yolu olabileceğine dikkat çekiyor. Mevcut durumda çiftçilerin toprak asitliğini düzenlemek için tarlalarına taşıdıkları kireç taşının önemli bir karbon ayak izi yarattığını belirten Furst, mikropların bu süreci doğal yollarla ve emisyonsuz bir şekilde gerçekleştirebileceğini ifade ediyor.
Bitkilerin Hayatta Kalma Stratejileri: Tehlike Sensörleri
MIT Kimya Mühendisliği Profesörü Michael Strano, birkaç yıl önce bitkilerin stres durumlarını algılayıp bildirebilen doğal sensörler gibi kullanılabileceği bir konsept üzerinde çalışmaya başladı. Bitkiler, kuraklık, böcek saldırısı veya diğer olumsuz koşullarla karşılaştıklarında, kendilerini korumak için hormonlar ve çeşitli sinyal molekülleri salgılarlar.
Minik sensörler geliştirmede uzmanlaşmış olan Strano'nun laboratuvarı, bu sensörlerin bitkilerin stres sinyallerini alması için yerleştirilip yerleştirilemeyeceğini merak etti. Strano'nun sensörleri, floresan ışık yayan karbon nanotüplerin özelliklerini kullanıyor ve farklı polimerlerle sarılarak belirli hedefleri tespit edip floresan sinyali verecek şekilde ayarlanabiliyor.
Strano ve meslektaşları, bitkilerde kullanılmak üzere salisilik asit ve hidrojen peroksit gibi sinyal moleküllerini tespit edebilen sensörler geliştirdiler. Daha sonra bu sensörlerin bitkilere zarar vermeden bitki yapraklarının alt tarafına yerleştirilebileceğini gösterdiler. Yaprakların mezofil tabakasına yerleştirilen sensörler, kızılötesi kamera ile okunabilen çeşitli sinyalleri alabiliyor.
Bu sensörler, bir bitkinin çeşitli stresler yaşayıp yaşamadığını gerçek zamanlı olarak ortaya çıkarabilir. Şimdiye kadar, çiftçilerin harekete geçebilmesi için bu bilgileri yeterince hızlı bir şekilde elde etmenin bir yolu yoktu.
Strano, çiftçilerin ürün verimliliğini optimize etmelerine yardımcı olacak hızlı bilgi erişimi sağlayan teknolojiler üretmeye odaklandıklarını ifade ediyor. Strano, aynı zamanda bitkilerin kendi içlerinde ve çevrelerindeki diğer bitkilerle kurdukları karmaşık iletişim ağını algılama konusunda önemli bir dönüm noktasında olduklarını vurguluyor.
Bu tür algılama, çiftçilerin kuraklığa ve diğer streslere daha hızlı yanıt vermesine yardımcı olabileceği tarlalarda veya kontrollü bir ortamda ürün yetiştirmek için teknoloji kullanan seralarda, dikey çiftliklerde ve diğer türdeki iç mekan çiftliklerinde kullanılabilir.
Strano'nun bu yenilikçi sensör teknolojisi üzerine yaptığı araştırmaların önemli bir bölümü ABD Tarım Bakanlığı'nın (USDA) finansal desteğiyle ve Singapur-MIT Araştırma ve Teknoloji İttifakı (SMART) bünyesindeki Tarımsal Hassasiyet için Bozucu ve Sürdürülebilir Teknolojiler (DiSTAP) programı aracılığıyla gerçekleştirildi. Geliştirilen sensörler, Singapur'da faaliyet gösteren kontrollü ortam çiftliği Growy'de gerçek koşullarda test edildi.
Strano, geliştirdikleri temel sensör teknolojilerinin, tarım yönteminden bağımsız olarak (açık tarım veya kontrollü ortam) bitkilerdeki sorunları erkenden saptama potansiyeline sahip olduğunu vurguluyor. Strano'nun dikkat çektiği önemli nokta ise, her iki tarım şeklinde de çiftçilerin verim kayıplarını engellemek için kritik bilgilere genellikle çok geç ulaşıyor olmaları.
Pestisit Kullanımını Azaltmanın Önemi ve Yöntemleri
Pestisitler çiftçiler için bir diğer büyük mali masrafı temsil ediyor: Dünya çapında çiftçiler pestisitlere yılda yaklaşık 60 milyar dolar harcıyor. Bu pestisitin çoğu su ve toprakta birikiyor ve burada insanlar da dahil olmak üzere birçok türe zarar verebiliyor. Ancak pestisit kullanmadan çiftçiler ürünlerinin yarısından fazlasını kaybedebilir.
MIT makine mühendisliği profesörü Kripa Varanasi, çiftçilerin bitkilerine ne kadar pestisit ulaştığını ölçmelerine yardımcı olabilecek araçlar ve pestisitlerin bitkilere daha etkili bir şekilde yapışmasına yardımcı olabilecek, toprağa ve suya akan miktarı azaltabilecek teknolojiler üzerinde çalışıyor.
Araştırmaları sıvı damlacıkları ve yüzeyler arasındaki etkileşimlere odaklanan Varanasi, USDA'da bir konferansa katıldıktan sonra on yıldan fazla bir süre önce çalışmalarını tarıma uygulamayı düşünmeye başladı. Orada, yaprak yüzeylerinde meydana gelen etkileşimleri optimize ederek pestisit uygulamasının verimliliğini artırmanın yollarını geliştirmeye ilham aldı.
"Her dönüm ekin üzerine milyarlarca damla pestisit püskürtülüyor ve yalnızca küçük bir kısmı nihayetinde hedefe ulaşıyor ve orada kalıyor. Bana göre bu, çözmeye yardımcı olabileceğimiz bir sorun gibi göründü," diyor Kripa Varanasi.
Varanasi ve öğrencileri, pestisit damlalarının yapraklara daha iyi yapışmasını sağlamak için stratejiler keşfetmeye başladılar, sekmek yerine. Pozitif ve negatif yüklü polimerler eklerlerse, zıt yüklü damlacıkların yaprak yüzeyinde hidrofilik (su çeken) bir kaplama oluşturacağını ve bunun da uygulanan sonraki damlacıkların yaprağa yapışmasına yardımcı olacağını buldular.
Daha sonra, püskürtmeden önce pestisitin içine bir yüzey aktif madde eklendiği kullanımı daha kolay bir teknoloji geliştirdiler. Bu karışım özel bir nozuldan püskürtüldüğünde, yüzey aktif maddeyle "örtülü" küçük damlacıklar oluşturur. Yüzey aktif madde, damlacıkların sekmeden birkaç milisaniye içinde yapraklara yapışmasına yardımcı olur.
2020'de Varanasi ve Vishnu Jayaprakash, teknolojilerini ticarileştirmek ve çiftçilerin eline ulaştırmak için AgZen adlı bir şirket kurdular. Pestisit yapışmasını iyileştirme fikirlerini EnhanceCoverage adlı bir ürüne dahil ettiler.
Bu ürün için yapılan testler sırasında, damlacıkların kaçının bitkide kaldığını ölçmenin iyi bir yolu olmadığını fark ettiler. Bu onları makine görüşüne dayanan RealCoverage adlı bir ürün geliştirmeye yöneltti. Herhangi bir pestisit püskürtücüsüne takılabilir ve pestisit damlacıklarının ne kadarının her yaprağa yapışıp kaldığına dair gerçek zamanlı geri bildirim sunar.
RealCoverage, 2024 yılında Iowa'daki soya fasulyesinden Georgia'daki pamuğa kadar Amerika Birleşik Devletleri genelinde 65.000 dönümlük tarım arazisinde kullanıldı. Ürünü kullanan çiftçiler, verileri dağıtımı optimize etmek ve bazı durumlarda hangi kimyasalların püskürtüldüğünü değiştirmek için kullanarak pestisit kullanımını %30 ila %50 oranında azaltabildiler.
2025 yılı içerisinde piyasaya sürülmesi beklenen EnhanceCoverage ürününün çiftçilerin pestisit kullanımını daha da azaltmalarına yardımcı olacağını umuyor.
Varanasi, projelerinin misyonunu net bir şekilde özetliyor: çiftçilere ekonomik fayda sağlarken daha yüksek verim elde etmelerine yardımcı olmak ve tüm bunları yaparken çevresel etkiyi en aza indirmek, yani atıkları ve zararlı kimyasalların doğaya salınımını azaltmak. Varanasi, bu yaklaşımın MIT'nin özünde yatan gerçek dünya sorunlarını anlama ve pratik çözümler üretme felsefesi olduğunu vurgulayarak, geliştirdikleri bu değerli aracın küresel ölçekte kullanıma sunulmasını ve herkesin bundan yararlanmasını umduğunu ifade ediyor.
by Anne Trafton | MIT News
MIT'nin tarımsal inovasyon yaklaşımı, sürdürülebilir gıda üretimi için umut verici çözümler sunuyor.
Geliştirilen tohum kaplama teknolojileri, küresel ısınmanın tarım üzerindeki etkilerini nasıl azaltabilir?[picapica booth]