Günümüzde iklim değişikliğinin çok yönlü etkileri, artan gıda talebi ve nüfus artışı, su tüketimini ciddi ölçüde artırırken, su kaynaklarının kontrolsüzce kullanımı ise su kıtlığına sebep oluyor. Su kıtlığı, tarımsal kalkınma ve gıda güvenliği bakımından da ciddi tehlike oluşturuyor. Bu noktada yüksek miktarda su tutabilme, emilen suyun neredeyse tamamını salabilme ve kuruduktan sonra tekrar kullanılabilme özelliklerine sahip hidrojellerin geliştirilmesi son derece yenilikçi bir çözüm olarak sunuluyor.
Hidrojel, yapısında yüksek miktarda su tutabilen, çapraz bağ yapılı polimerlere verilen isim. Çapraz bağ yapısına sahip olması nedeniyle su ve sulu çözeltilerde çözünmüyor. Sıvı emme kapasitesi ve mekanik direncinin yüksek olması, toksik etkiye sahip olmaması ve düşük maliyetli olması nedenleriyle hidrojeller başta kontrollü salım sistemleri olmak üzere hijyen ürünleri ve tarımsal uygulamalar gibi birçok farklı alanda kullanılıyor.
2030 yılında dünya su talebi yüzde elli artacak
Günümüzde iklim değişikliğinin çok yönlü etkileri, artan gıda talebi ve nüfus artışı su tüketimini ciddi ölçüde arttırıyor. Su kaynaklarının kontrolsüz şekilde azalması ise günümüz küresel sorunlarından biri olan su kıtlığına sebep oluyor. Son derece ciddi bir sorun haline gelen su kıtlığı tarımsal kalkınma ve gıda güvenliği bakımından tehlike oluşturuyor.
Uzmanlar tarafından 2030 yılına kadar dünyada su talebinin yaklaşık %50 artması beklenirken su kaynaklarının bu talep için yeterli olmadığı öngörülüyor. Bu talebin karşılanabilmesi için yapılarında yüksek miktarda su tutabilme, emilen suyun neredeyse tamamını salabilme ve kuruduktan sonra tekrar kullanılabilme özelliklerine sahip hidrojellerin geliştirilmesi son derece yenilikçi bir çözüm olarak öne çıkıyor.
Kuraklıkla mücadelede hidrojeller büyük avantaj sağlıyor
Hidrojeller bitkinin kök kıllarını sararak, fazla suyu osmoz yoluyla emerek daha yavaş ve etkili bir şekilde salımında rol oynuyor. Tarımsal uygulamalarda hidrojel kullanımı toprak geçirgenliğini değiştirerek suyun buharlaşma/süzülme oranlarını etkiliyor. Hidrojel kullanımı sayesinde tarımda doğal çevrenin güvenliği sağlanırken, toprak ve su verimliliği arttırılıyor ve arazi erozyonunun önüne geçilebiliyor. Aynı zamanda toprağın yapısı, geçirgenliği ve havalandırılması iyileştirilerek kuraklıkla mücadele ediliyor ve ürün verimliliğine artış elde ediliyor.
Hidrojeller, tarımda su tüketim miktarını azaltırken, yağmur ve sulama sularını hapsederek uzun süreler boyunca tarım mahsullerinin ihtiyaçlarına bağlı olarak kademeli şekilde salınmasında rol oynuyor. Çok farklı türde toprakla uyumlu, bitki performansını ve verimini arttırıcı etkiye sahip hidrojeller, özellikle kurak bölgelerde bitki gelişiminin ıslah edilmesi, tohumun kolaylıkla çimlendirilmesi ve bitkinin kök bölgesinde bir su deposu görevi görerek bitkinin suyu yeterli miktarda ve kontrollü bir şekilde alması gibi avantajlar sağlıyor. Bunların yanı sıra toprak verimliliğini azaltan zararlı etkilere karşı (böcekler, hastalıklar vb.) kullanılan tarım kimyasallarının düşük dozda dahi yüksek verimlilikle etki etmesine katkıda bulunuyor.
Uygulamalar, hidrojelin avantajlarını ispatlıyor
Sunduğu avantajlar ve su tüketimi için sağladığı yenilikçi yaklaşım nedeniyle tarımsal uygulamalarda hidrojel kullanımı üzerine çok sayıda çalışma bulunuyor. Bu çalışmalardan birinde Koupai ve arkadaşları (2008), Super ABA A200 hidrojeli (4 ve 6 g hidrojel/kg toprak) kullanarak Oval Yapraklı Kurtbağrı bitkisinin gelişimi üzerindeki etkisini incelemiş ve hidrojel kullanımına bağlı olarak kullanılabilir su içeriğinin arttığını böylece sulama sıklığının azaldığını saptamışlar.
Bir diğer çalışmada El-Asmar ve arkadaşları (2017), Fıstık Çamı yetiştirilmesinde kullanılan kil ve kumlu kil karışımı toprağa farklı oranlarda (0, 1, 2, ve 4 g hidrojel/kg toprak) Stockosorb® 660 hidrojeli karıştırmışlar. Çalışma sonucunda hidrojel ilave edilen toprağın su tutma kapasitesinin başlangıçta kullanılan toprağa göre büyük oranda arttığı belirlenmiş.
Luo ve diğerleri (2009) tarafından yapılan bir çalışmada ise Stockosorb K 400 hidrojelinin Fırat Kavağı (Çöl Kavağı) ağacının gelişimi üzerindeki etkisi 22 °C ve nem oranı %67 olan karanlık ortamda üç hafta boyunca incelenmiş. Yapılan inceleme sonucunda hidrojel kullanımına bağlı olarak ağacın gelişiminin olumlu yönde etkilendiği ve su kullanımının iyileştiği görülmüş.
Gonzalez Gomez ve çalışma arkadaşları (2017), kitosan-poli(vinil alkol) (Cs-PVA) hidrojelin karpuz bitkisinin gelişimi üzerindeki etkisini belirli koşullar altında (sıcaklık:30°C, bağıl nem:%60) incelemişler. Bu çalışma ile hidrojel varlığında bitkinin daha iyi büyüyüp geliştiği, hatta gövde uzunluğunun neredeyse %7 oranında arttığı belirlenmiş.
Hidrojeller, sürdürülebilir üretime katkı sağlıyor
Tarımda yüksek verimlilik, uzun süreli kullanım, sıfır toksitite gibi özelliklere sahip hidrojel kullanımı sürdürülebilirlik ve yeşil çevre yaklaşımı bakımından da son derece önemli. Montesano ve arkadaşlarının 2015 yılında yapmış olduğu çalışmada biyobozunur hidrojellerin turp ve salatalık yetiştiriciliğindeki etkisine yer verilmiş. Kumlu toprağa karıştırdıkları biyobozunur süper emici selüloz bazlı hidrojelin (0, 0.5, 1.0 ve 2.0 w/w) bitkiler üzerindeki etkisini belirli şartlarda (25°C, fotoperiyot süresi: karanlıkta 72 saat) inceledikleri çalışma sonucunda fitotoksitite etkisi göstermeksizin turp tohumunun çimlenme hızının arttığı ve hidrojel kullanımına bağlı olarak salatalık bitkisinin gelişiminin, bitki boyunun ve yaprak genişliğinin arttığı belirlenmiştir.
Hidrojeller, ağrılıklarının yüzlerce katı suyu tutabiliyor
Günümüzde gıda güvenliği ve canlı yaşamın devamlılığı için vazgeçilmez bir kaynak olan su; nüfus artışı, iklim değişikliğinin çok yönlü etkileri ve çarpık sanayileşme nedenleriyle hızla tükeniyor. Suyun bu denli kontrolsüz ve bilinçsizce kullanımı tarımsal kalkınma açısından tehlike oluşturuyor. Bu sorunun önüne geçmek için tarımda ağırlıklarının yüzlerce katı suyu tutabilme/salabilme ve tekrar kullanılabilme özelliklerine sahip hidrojellerin kullanımı son derece yenilikçi ve gelişmekte olan bir konu.
Günümüzde tarımsal uygulamalarda hidrojel kullanımının yaygınlaşmasının başlıca nedenleri ise şu şekilde sıralanıyor:
- Su kıtlığının önüne geçilmesi,
- Tarımda su, toprak ve ürün verimliliğinin arttırılması
- Doğal çevrenin güvenliğinin sağlanması ve arazi erozyonunun önlemesi
- Özellikle kurak bölgelerde bitki gelişiminin ıslah edilmesi
- Tarım kimyasallarının kontrollü ve etkili kullanılabilmesi.
Kaynak: Nanoparticle-Templated Molecular Recognition Platforms for Detection of Biological Analytes