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Nano et Agricultures (4/8) : Des promesses et des questions

image dossier_agriculture_et_nano_3.jpg (19.9kB)
Par DL, MD - août 2018 DL

Cette fiche fait partie de notre Dossier Nano et Agricultures
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Voir notre synthèse :

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Les recherches dans différents pays



France (2006 à 2018)


Depuis 2006, en France, l’INRA travaille avec des partenaires internationaux sur des nanobiosenseurs olfactifs dont les applications visent plus l’alimentation que l’agriculture. Ces nez électroniques seraient utilisés pour la sécurité alimentaire et des contrôles qualité.

L'équipe NANO de l’unité BIA du centre Inra Angers-Nantes de l'Inra travaille sur des biopolymères et des nanocelluloses, matériaux biosourcés dont un des enjeux est de remplacer des matières premières issues du pétrole par de la biomasse transformée, produisant des molécules complexes.
Les 3 thématiques du colloque Biopolymers 2015 sont liées au projet MATIERES (Matériaux et Interfaces pour l’Environnement et des RESsources biologiques) projet "thématiques structurées" de la Région des Pays de la Loire, coordonné par Bernard Cathala, Directeur de Recherche au sein de l’unité BIA (équipe NANO) du centre Inra Angers-Nantes, avec Marie Lebreton, ingénieur d'études chargée de projet Matières :
  • Transformation de déchets bois et élastomères en nouvelles matières 1ères exploitables
  • Matériaux Biosourcés Innovants
  • Biocapteurs pour la détection de polluants dans le cadre du recyclage des matériaux

Le programme Cellmach vise à créer des matériaux intelligents à partir de cellulose. L'enjeu est une valorisation de productions forestières ou de gisements de déchets de bois.
D'autres recherches pour rendre les fibres de celluloses hydrophobes concernent la transformation pour l'industrie et non la conduite agronomique des forêts.

En viticulture, c'est la nanofiltration qui intéresse pour produire des vins moins alcoolisés, il s'agit là aussi de la transformation et non de la production agricole.

La région Pays de Loire développe aussi des partenariats avec l'Asie, avec le programme Innovasia, pour développer des Matériaux Fonctionnels Innovants pour la Sécurité des Aliments.

La transformation des proteïnes du lait dont les mycelles naturelles sont de taille nano occupe une place importante, toujours pour les industries d'aval de l'agriculture.C'est le cas du programme DREAM, qui vise à prédire la structure et la texture d’un dessert lacté pour développer des aliments au goût et à la texture satisfaisant le consommateur, ce qui représente un défi pour l’industrie agroalimentaire... mais ne résoud pas la faim dans le monde...
En savoir plus sur les assemblages des protéines à la taille nano http://www.cepia.inra.fr/Le-departement-Les-recherches/Nos-resultats/autoassemblage

Des nanosomes végétaux sont utilisés pour contrôler la fabrication de nanoparticules d'or, destinées à marquer des biopolymères...pour l’imagerie des systèmes biologiques. Les biopolymères, polymères largement présents dans le monde végétal ou animal présentent un intérêt dans le domaine alimentaire (mousse, émulsions) ou non alimentaire (biomatériaux). Leur étude nécessite des outils d'investigation performants tant pour les caractériser de façon précise que pour les suivre dans leur environnement. Un but est de coupler des nanoparticules d'or à des biopolymères ou à des anticorps pour suivre leur évolution dans des systèmes naturels ou modèles d'intérêt agroalimentaires.
En savoir + ici

En 2018, le labex Serenade teste un biocide nommé SNICKER associant cellulose et nanoargent, pour contrôler l'activité du nanoargent.
" Dans ce matériau hybride cellulose/nanoargent la cellulose constitue un substrat sur lequel est greffé l’argent. Outre l’aspect biodégradable de la cellulose, une gestion optimale de l'argent comme biocide sera obtenue par un greffage d’argent adapté à la surface des nanocelluloses pour un relargage contrôlé des ions Ag+".
Le projet prévoit également de tester ces biocides dans des applications et notamment avec l'UMR IATE de Montpellier dans les films alimentaires.
.

Europe (2006)


En 2006, l’institut de nanotechologies du Royaune Uni publie pour l’Europe un rapport concernant l’alimentation et l’agriculture qui souligne les applications ou les espérances :

La vision de l'UE est celle d'une "économie fondée sur la connaissance" au nom de quoi elle envisage de maximiser le potentiel de la biotechnologie au profit de l'économie de l'UE, de la société et l'environnement.
Il y a de nouveaux défis dans le secteur de l'agriculture, y compris une demande croissante pour des aliments sains et sûrs; un risque croissant de maladies, et les menaces sur la production agricole et la pêche à cause de l'évolution des conditions climatiques. Toutefois, la création d'une bio-économie est un processus complexe et difficile impliquant la convergence de différents domaines de la science.
La nanotechnologie a le potentiel de révolutionner l'industrie alimentaire et agricole avec de nouveaux outils pour le traitement moléculaire des maladies, la détection rapide de maladies, l'amélioration de la capacité des plantes à absorber les éléments nutritifs, etc .

Des capteurs intelligents et des systèmes de livraison à puce permettront à l'industrie agricole de lutter contre les virus et d’autres pathogènes des cultures. Dans un proche avenir des catalyseurs nanostructurés seront disponibles pour augmenter l'efficacité des pesticides et herbicides, permettant l’utilisation de plus faibles doses . Les nanotechnologies permettront également de protéger l’environnement indirectement par l'utilisation d'énergie alternative et renouvelable et par des filtres ou des catalyseurs pour réduire la pollution et les polluants existants.

Une méthode de production agricole largement utilisée aux Etats-Unis, en Europe et au Japon, utilise de manière efficace la technologie moderne pour la gestion des cultures. Appelée Controlled Environment Agriculture (CEA) c'est une forme intensive et innovante de culture hydroponique (hors sol, par solution nutritive). Les plantes sont cultivées dans un environnement contrôlé pour optimiser des pratiques horticoles. Le système informatisé contrôle et régule des environnements localisés « comme en plein champ ». la technologie « CEA » Controlled Environment Agriculture ou agriculture en environnement contrôlé, telle qu'elle existe aujourd'hui, constitue une excellente plateforme pour l'introduction des nanotechnologies en agriculture.

Avec beaucoup de systèmes de surveillance et de contrôle déjà en place, des dispositifs nanotechnologiques pour l’agriculture en environnement contrôlé fournissent une maquette des possibilités considérables d’amélioration de la capacité du producteur à déterminer le meilleur moment pour la récolte, la vitalité de la culture, et les questions de sécurité alimentaire, tels que des systèmes microbiologiques ou de contamination chimique

Agriculture de précision
L'agriculture de précision a pour objectif de maximiser la production (les rendements des cultures par exemple) tout en minimisant les intrants (engrais, pesticides, herbicides, etc) grâce à un suivi de paramètres de l'environnement pour l'application de mesures ciblées. L'agriculture de précision utilise les ordinateurs, les systèmes mondiaux de positionnement par satellite, et des dispositifs de télédétection pour mesurer de manière très localisée les conditions environnementales et ainsi déterminer si les cultures sont de plus en plus à un maximum d'efficacité ou d'identifier précisément la nature et la localisation des problèmes. En utilisant des données centralisées afin de caractériser les conditions du sol et le développement des plantes, les quantités de semences, engrais, produits chimiques et l'utilisation de l'eau peuvent être affinés. Coûts de production inférieurs et augment pation potentielle de production sont autant de bénéfices espérés pour l'agriculteur .

Les développeurs de l'agriculture de précision prétendent contribuer à réduire les déchets agricoles et ainsi à limiter la pollution de l'environnement. Bien que n'étant pas pleinement mis en œuvre encore, de minuscules capteurs et systèmes de surveillance permis par les nanotechnologies auront un grand impact sur l'avenir des méthodes d'agriculture de précision.

L'un des rôles principaux des nanotechnologies sera l'utilisation accrue de capteurs autonomes reliés à un système GPS pour la surveillance en temps réel. Ces nano-capteurs pourraient être distribués dans tout le champ pour surveiller les conditions de sol et de croissance des cultures. Des capteurs sans fil sont déjà utilisés dans certaines parties des Etats-Unis et en Australie.
Par exemple, l'un des vignobles californiens, Pickberry, dans le comté de Sonoma est équipé de wi- fi lié à l'informatique de l'entreprise Accenture.
L'argumentaire pour justifier le coût initial de mise en place d'un tel système est qu'il permet de cultiver de meilleurs raisins qui vont à leur tour produire des vins plus fins, vendus à un prix supérieur. L'utilisation de tels réseaux sans fil n’est bien entendu pas limitée aux vignobles. Par exemple le magazine Forbes a déclaré que des nanocapteurs sont utilisés par Honeywell (une entreprise R & D technologique ayant des succursales mondiales) pour surveiller des magasins dans le Minnesota .

Cette technologie permet aux commerçants d'identifier les produits alimentaires qui ont dépassé leur date d'expiration et leur rappelle également de publier un nouveau bon de commande. Le marché mondial des capteurs sans fil devrait être de 7 milliards d'USD par 2010 .

La convergence entre biotechnologie et nanotechnologie dans les capteurs permettra de créer des équipements d’une sensibilité accrue, permettant une réponse plus précoce aux changements environnementaux.
Par exemple:
• Des biocapteurs utilisant des nanotubes de carbone ou des nano-cantilevers sont suffisamment petits pour piéger et mesurer des protéines individuelles ou même de petites molécules.
• Des nanoparticules ou nanosurfaces peuvent être conçues pour déclencher un signal électrique ou chimique en présence d'un contaminant tels que les bactéries.

En savoir +
Dans espace collectif http://veillenanos.fr/collectif/wakka.php?wiki=NanoforumAgriNanoFood2006


Brésil (2010)



En 2010 un congrès au Brésil s’appuie sur le rapport de la FAO dont l’introduction indique que la perception des risques est au-delà des risques réels, car d’une part la presse grand public en fait grand cas et d’autre part les tests sont réalisés dans des conditions trop éloignées des pratiques.
Les applications en agriculture concernent ici :
-les bioplastiques. Pour remplacer les dérivés du pétrole par des emballages biodégradables, deux types de stratégies : extraire de la biomasse existante ou fabriquer des polymères par des micro-organismes naturels ou génétiquement modifiés. Des « nanoclay » ou argiles artificielles avec une seule dimension nano sont également citées pour des applications dans les emballages (le PLA basé sur des nanoclay1 pour remplacer le PET…).
Cela ne concerne pas la pratique agricole, mais plutôt des débouchés pour des filières de chime verte.
-les énergies renouvelables pour améliorer les performances des cellules photovoltaïques en utilisant des monocristaux de silicium et des nanotubes de carbone. Cela peut concerner l’agriculture, soit pour produire sa propre énergie, soit pour installer des champs solaires.

Si la performance de capteurs solaires peut intéresser les agriculteurs du nord pour être revendeurs d’énergie, l’enjeu pour les agricultures du Sud est l’économie des ressources en bois pour lutter contre la désertification et l’érosion. Ce qui pose les questions du degré d’autonomie : acquisition de nouvelles technologies clef en main ou développement de recherche locale pour des matériaux accessibles pour ceux qui en ont le plus besoin.
En savoir + http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=NanoInegalitesAmisDeLaTerreAustralie201105
Et http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=NanoInegalitesAmisDeLaTerreAustralie201105/download&file=2012juillet_GRET_nano_et_pays_en_devpt.pdf


Suisse (2012)



https://www.nanowerk.com/news2/newsid=27162.php
Cet article a été relayé en UK Voir http://www.farmingfutures.org.uk/blog/nanomaterials-plant-protection-products-and-fertilizers

En novembre 2012, les auteurs d’un article « nanomatériaux dans la protection des végétaux et la fertilisation : état actuel, applications prévues, et les priorités de recherche» écrit dans le cadre du Programme national de recherche suisse «Opportunités et risques des nanomatériaux» ( PNR 64 ) concluent que l'utilisation de nanomatériaux dans l'agriculture pourrait, d'une part, réduire les coûts et les efforts, accroître l'efficacité et conduire à plusieurs applications respectueuses de l'environnement. D'autre part, il peut également y avoir un effet négatif sur les micro-organismes présents dans le sol.
Bien qu’il n’y ait pas de produits phytosanitaires ou d'engrais contenant des nanomatériaux disponibles sur le marché en novembre 2012, les nanomatériaux vont prendre de plus en plus d'importance dans l'agriculture, en particulier comme additifs ou agents dans les engrais ou les produits phytosanitaires. Le nombre de publications scientifiques et des brevets sur les nanomatériaux dans ce domaine a augmenté de façon exponentielle depuis le tournant du millénaire, selon un article de synthèse publié récemment par des chercheurs de la Station de recherche Agroscope Reckenholz -Tänikon et de l'Office fédéral de l'agriculture (*). Avec près de 70 articles publiés jusqu'à présent, il est possible pour les chercheurs d'acquérir une vue d'ensemble du sujet. Les Etats-Unis et l'Allemagne sont en tête du domaine en ce qui concerne les brevets, mais la plupart des articles scientifiques ont été écrits dans les pays asiatiques.

Environ 40 % des publications traitent de nanomatériaux à base de carbone, suivie par du dioxyde de titane, d'argent, de silice et d'aluminium. Les nanomatériaux peuvent être intégrés dans des formulations sous différentes formes et états - des particules solides dans des polymères et des émulsions. Il est à noter que le matériau développé est souvent à base de substances naturelles dégradables (voir argile, nanoclay). Les nanomatériaux utilisés sont souvent de plus de 100 nanomètres et donc, par définition, se trouvent en dehors de la gamme de nano classique. Dans les nouveaux produits de protection des plantes, en particulier, les nanomatériaux servent souvent un additif qui permet de libérer l'agent de façon contrôlée.

Le potentiel d'amélioration de produits phytosanitaires et d'engrais par les nanomatériaux est compensé (ou contrarié ?) par leur flux significativement plus élevé dans les sols si les nanomatériaux sont utilisés. Les experts prédisent actuellement que ce taux peut être jusqu'à 1000 fois plus élevé que la charge libérée dans l'atmosphère. Par conséquent, les organismes sols et de cultures seraient également plus exposés à ces substances.

En Suisse, les entreprises sont déjà tenues de déclarer les nanomatériaux contenus dans les nouveaux produits phytopharmaceutiques qu'ils désirent inscrire. Cependant, les principes internationaux d'évaluation des risques propres aux nanomatériaux sont encore au stade de développement. Dans le cadre du Programme national de recherche «Opportunités et risques des nanomatériaux » (PNR 64 ) , le projet NANOMICROPS ( effets des nanoparticules sur les microbes et les cultures bénéfiques du sol ) contribue à ces efforts en développant des systèmes de tests écotoxicologiques pour les micro-organismes sols et de cultures avec les méthodes d'analyse disponibles pour quantifier les nanomatériaux dans les compartiments de l'environnement importants en agriculture tels que le sol et l'eau.

À propos du programme PNR 64
L'objectif Programme national de recherche du «Opportunités et risques des nanomatériaux » (PNR 64) est de combler les lacunes de la recherche afin que les opportunités et les risques de l'utilisation de nanomatériaux peuvent être évalués avec plus de précision . Les résultats des projets de recherche 23 serviront de base à l'élaboration de lignes directrices pour la production, l'utilisation et l'élimination des nanomatériaux . Cela permettra de soutenir le développement et l'application de technologies de sécurité , d'optimiser les avantages de l'utilisation des nanomatériaux et de minimiser les risques pour les humains et l'environnement . PNR 64 dispose d'un budget de 12 millions de francs et se poursuivra jusqu'en Octobre 2016.
Source : Schweizerischer Nationalfonds



Etats Unis (2013)



En 2013, Aux USA, l’IATP décrit ceshttp://www.iatp.org/documents/nanomaterials-in-soil-our-future-food-chain applications de nanotechnologies en agriculture : réduire le volume de pesticides en ajoutant du nanoargent, ajouter des oxydes métalliques nano pour limiter les risques pathogènes liés à des fumiers non compostés, ajouter de la nanosilice pour augmenter l’efficience de l’eau dans les plantes, développer des nanobiosensor pouvant répondre aux signaux des racines pour libérer les fertilisants à la demande des plantes. Des nanofertilisants seraient commercilisés.
La question des impacts sur la faune du sol est posée, avec des incertitudes sur de possible bioaccumulation. (a priori impact d’oxyde métaliique nano différent de nanoargile, support d’autres matières actives)

Inde (2013)



En 2013, en Inde :
"l'un des facteurs clés dans le contrôle de la morphologie et du rendement lors de la fabrication de nanoparticules de carbone est le matériau précurseur. Compte tenu de l'épuisement des ressources pétrolières, leurs impacts négatifs sur l'environnement, et la demande croissante de nanomatériaux à base de carbone dans divers domaines émergents, les ressources de carbone renouvelables telles que la biomasse de plantes, des extraits de plantes et d'hydrocarbures ont été explorées pour la fabrication de nanostructures de carbone."
voir en quoi le bambou seul peut avoir un rôle de dépollution, ou si c'est les nanospheres de carbone qui sont la promesse de dépollution?
  • une autre étude compare les performances de nanotubes de carbone à parois multiples (CS-CNT) dont certains peuvent être produits en masse simplement par pyrolyse de l'huile de moutarde.
Ces deux points de vue développés en Inde montrent un aspect d'une stratégie de subsitution de ressources végétales au pétrole comme base de l'industrie chimique. Mais ce n'est pas parce que l'on utilise une matière végétale que la chimie devient "verte" au sens de la réduction d'impacts indésirables sur l'environnement...
(renvoyer à fiche ou brève sur les variations de vocabulaire et de sens autour de la chime verte)



Australie (2014)



http://web.mit.edu/newsoffice/2014/need-a-water-filter-peel-a-tree-branch-0226.html
Des chercheurs australiens misent sur l’utilisation de diatomées contenant des nanostructures de silice pour avoir un effet mécanique de destruction des insectes mettant en péril le stockage des céréales.
La présence de silicium organique (provenant de bactéries et de diatomées) dans des sables ayant un effet désinfectant utilisé en Afrique a par ailleurs été observée depuis 1972 : http://www.silicium-organique.net/?gclid=CJz0g7fv6bwCFSbnwgod0WcA2A


Allemagne (2014)



Dans un rapport de juin 2014 publié lors de la consultation sur le registre européen nano, les perspectives du programme allemand à horizon 2015 sont citées :
Ce qui concerne l’agriculture :
- la protection des cultures,
- des systèmes permettant de contrôler le relargage de matières actives,
- l’évaluation d’impact chimique physique et écotoxicologique de ces matières actives et des supports – encapsulation – sur l’environnement et les flux de matières premières,
- des diagnostics précoces et précis de maladies animales et végétales,
- la fourniture d’énergies renouvelables liées à l’agriculture.
Ce qui concerne l’alimentation (voir dossier veillenanos) :
- des surfaces faciles à nettoyer pour le stokage, le transport et la transformation,
- des emballages avec des fonctions nouvelles,
- une biodisponibilité accrue d’éléments nutritifs privilégiés,
- des méthodes d’analyse pour détecter des nanoparticules dans les aliments.
http://ec.europa.eu/DocsRoom/documents/5546/attachments/1/translations/en/renditions/native


Nano-pesticides

En juin 2012, l'Université Vienne/Autriche ( département géosciences/environnement) publie une analyse des risques et avantages des nanopesticides pour la santé humaine et l'environnement.

Nano-pesticides: Solution or threat for a cleaner and greener agriculture?
Juin 2012 http://phys.org/news/2012-06-nano-pesticides-solution-threat-cleaner-greener.html
« Research has been extremely active over the past few years to develop new pesticides products based on nanotechnology. "Nano-pesticide research is emerging at high speed at the agrochemical labs, however, this topic has not reached public awareness or state authorities so far, nor are any products available at the marked.” 2012

Le principe de précaution suggère que minimiser la dissémination dans l'environnement est le meilleur plan d'action jusqu'à ce que le devenir et la toxicité des nanoparticules soient mieux compris. La recherche sur les nouveaux pesticides basés sur les nanotechnologies a été active ces dernières années dans les laboratoires agrochimiques, cependant, ni les autorités de l'Etat ni le public n’y sont sensibilisés et il n’y aurait pas à ce jour de produit sur le marché. Cela va changer dans un avenir proche avec des nano - pesticides aux propriétés nouvelles ou améliorées , et entraînera inévitablement de nouveaux risques et avantages :
  • potentiel de réduire la contamination de l'environnement par réduction des doses d'application de pesticides et réduction des pertes ,
  • mais possibles nouveaux types de contamination des sols et des cours d'eau, dus au transport amélioré, à une plus grande persistance et à une toxicité + élevée

RQ Avicenn : il ne pas oublier les erreurs de manipulation lors des usages et les difficultés grandissantes de protection pour de petites doses, nos 5 sens ne permettant pas de détecter quoi que ce soit… et cela devrait être intégré aux formations du "permis de traiter" http://agriculture.gouv.fr/Certiphyto-un-certificat-pour,16486

En juillet 2013, l'Europe pointe la diversité des formulations des pesticides : http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10643389.2012.671750#.Uw3tLIVl5n8 publié en juillet 2013 : within the EU regulatory context. The term nanopesticide covers a wide variety of products and cannot be considered to represent a single category. Many nanoformulations combine several surfactants, polymers, and metal nanoparticles in the nanometer size range.


Plus récemment en France : en 2016 à une journée d’information organisé par l’ANSES pour le groupe R31, où Mélanie Kah a fait une intervention sur les pesticides « nano » à l’état de recherche. Le flou demeure sur ce qui est réellement commercialisé en agriculture, avec des différences importantes entre continents. Des nanofertilisants sont davantage identifiables sur les marchés asiatiques ou aux USA qu’en Europe par exemple.


Nano-argiles ou nano-clays


En 2015, information et publicité sur les nanoclay http://www.innovationsinagriculture.com/Event-programme/Project-partners-%281%29/Pages/NanoClay
 NanoClay Technology, which creates in dry sandy, soils the superior topsoil for growing any crop while using one-half to one-third of normal irrigation water, such as, wheat yield increases of over 400%. Combining this innovation with high-density cellulosic biomass provides yields over 650 wet tons/ha/year. This could address larger global issues such as transforming Subsistence Farming, World Hunger, Poverty, Green Energy,  BioFuels, Violent Conflict and Climate Change. Let us show you more. Help us help the World Bank End Poverty 2030.

http://www.transformingthedesert.citymax.com

Des formes naturelles d'argile (silicates d'aluminium hydratés) forment des nanotubes2, étudiés pour stocker, transporter des molécules chimiques, et en retarder les effets


NOTES et REFERENCES :

1 - Voir par exemple : Nanoparticles Make Pesticide Detection Super Sensitive, Asian Scientist Magazine 5 mars 2018

2 - http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/nanoclay-building/halloysite-nanotubes.html