Applications de la technologie plasma en agriculture : contexte, dispositifs et conditions, et résultats avant récolte (partie 2)
Dans la première partie de la note technique, nous avons exploré les bases de la technologie du plasma froid et donné quelques exemples. Dans cette deuxième partie, nous approfondirons les applications.
Arrière-plan
Cette note technique se concentre sur les opportunités pré-récolte exploitables grâce à la technologie du plasma non thermique pour améliorer la sécurité alimentaire. Ceci est particulièrement important compte tenu de la multitude de stress que les semences et les plantes doivent surmonter pour accroître leur germination et maintenir leur production. Parmi les stress notables, on peut citer, entre autres, la pénurie d'eau, l'engorgement, les niveaux élevés de toxines dans les sols, leur forte salinité et les températures extrêmes dues au changement climatique. Lorsque les plantes sont soumises à ces facteurs de stress, leurs rendements diminuent [1].
Le changement climatique et d'autres facteurs de stress peuvent favoriser l'apparition d'agents pathogènes qui infestent les semences. Divers facteurs environnementaux et naturels peuvent retarder la germination des graines. Les sols peuvent également être attaqués par des agents pathogènes qui pourraient ensuite attaquer les graines une fois plantées. Tous ces facteurs, et bien d'autres encore, ont ouvert la voie à des applications agricoles du plasma non thermique, notamment dans les domaines suivants :
- Stérilisation des graines
- Amélioration de la germination des graines
- Réduction de l'invasion des agents pathogènes dans les sols
Le plasma non thermique peut modifier la morphologie des graines, l’expression génétique et améliorer les niveaux de protéines, augmentant ainsi les rendements [2].
Pour démontrer l'effet biologique du plasma à basse température sur la germination du blé, un surnageant de plantules de blé traité au plasma a été analysé et a montré une activité pour certaines enzymes. L'activité des enzymes suivantes a été testée : l'amylase (ATP), la peroxydase (POD) et la superoxyde dismutase (SOD), qui sont toutes très importantes pour la croissance des plantes. En comparaison avec le blé cultivé dans des environnements contrôlés, les échantillons traités au plasma ont montré une augmentation de l'activité enzymatique de 60 à 143 %, avec une teneur en ATP augmentant de 9,1 à 62,3 %. La teneur en ATP des feuilles des plantes a augmenté de 13,9 à 178,5 %, avec une augmentation du système racinaire d'environ 7,5 %. Le blé traité au plasma a résisté à la sécheresse avec des activités enzymatiques protectrices dues à une forte augmentation de la peroxydase et du superoxyde. [2].
Des espèces réactives telles que les électrons, les ions, l'oxygène et l'azote, ainsi que des espèces neutres, sont générées à partir du plasma. Le plasma génère également un rayonnement UV et des champs électriques. Il modifie également le pH, la conductivité électrique et les potentiels oxydoréducteurs des solutions. Dans les applications agricoles, les graines doivent d'abord être placées dans le plasma et un contact graine-plasma doit être efficacement établi. Une fois en contact avec les substrats des graines, les espèces plasmatiques générées pénètrent dans l'épithélium des graines, modifient le niveau d'activité enzymatique, augmentent le taux de germination des graines et améliorent la croissance des plantes par rapport aux méthodes de traitement conventionnelles. Les avantages comprennent : un temps de traitement court, une accessibilité facile et une basse température pendant le traitement [1-3].
Développement innovant de dispositifs à plasma basse température (LTP) et conditions optimales
Conceptuellement, un système (ou dispositif) plasma basse température est assemblé en sélectionnant d'abord un récipient hermétiquement fermé et en le mettant sous vide pour créer un vide à une pression d'environ 100 Pa. Dans ce récipient hermétique, deux plaques parallèles servent d'électrodes. Ces électrodes sont reliées à l'extérieur par un fil. À une pression de 100 Pa, le système est mis sous tension sous une certaine tension et l'air entre les deux électrodes est ionisé. Le plasma d'air créé est généralement composé d'espèces réactives de l'azote et de l'oxygène (RONS) et d'électrons entre les deux électrodes. Il y a contact direct entre ces espèces et tout échantillon de graine placé entre les électrodes. Après un certain temps et une certaine intensité de traitement plasma, l'activité de la graine peut être améliorée. Des tests ont montré que ces graines traitées au plasma, une fois semées, donnent des plantes à plus grande productivité primaire.
Jusqu'à présent, la Russie a dominé la production de dispositifs plasma basse température, bien que des départements et unités russes aient introduit des modifications de plasma fabriquées à l'étranger. Ces unités étrangères sont partiellement défectueuses, manquent de reproductibilité des performances et consomment beaucoup d'énergie. Ceci est dû au champ électrique radiofréquence qui a créé un problème de décharge CC. Après un diagnostic minutieux, il a été constaté une asymétrie entre les électrodes assemblées, générant un signal CA de radiofréquence (RF) de 13,56 MHz. Le conteneur métallique (cylindre) servant d'électrode (ou de masse) et se déchargeant vers les autres électrodes (ou cible), une grande quantité de charge ne peut être libérée et un potentiel CC est créé. Cela réduit la puissance du champ électrique RF, ce qui affecte la reproductibilité du procédé.
La technologie de traitement des semences par plasma à basse température est relativement récente et gagne du terrain en Chine. Les unités de traitement des semences par plasma se composent généralement de quatre parties [2] :
a) un adaptateur de radiofréquence ;
b) un système de vide ;
c) un dispositif de génération de plasma ; et
d) un système de transmission de plasma (qui guide l’énergie ou les espèces du plasma vers le substrat).
Un exemple de dispositif de traitement de semences au plasma est présenté dans la figure ci-dessous pour des pousses de radis cultivées avec et sans irradiation au plasma O₂. Dans la partie a), le dispositif RF de 13,56 MHz est fixé au générateur de plasma (équipé d'une électrode) et le gaz est transmis à la cible via un entonnoir [3,4]. Une pompe à vide est fixée pour créer une pression inférieure à la pression atmosphérique. Les résultats de la germination sont représentés schématiquement sur les images du haut et du bas de la figure b.
Différentes configurations de technologies non thermiques sont applicables en agriculture. Parmi elles, on trouve la décharge à barrière diélectrique (DBD), la décharge corona (CD), la décharge par étincelle (SD) et le jet de plasma à pression atmosphérique (APPJ).
En DBD, une haute tension est appliquée à un espace rempli de gaz entre deux matériaux électriques ou à l'une des électrodes parallèles séparées par une barrière diélectrique, agissant comme une couche isolante entre elles. Le DBD crée des microdécharges qui génèrent un nombre important d'électrons et d'ions de haute énergie. Il est principalement utilisé dans les applications où les dommages thermiques doivent être minimisés.
En DC, l'ionisation partielle du gaz entourant un conducteur se produit sous l'effet d'un champ électrique élevé. L'air est principalement utilisé comme gaz plasmagène. Le DC est principalement utilisé pour la décontamination des milieux gazeux et le traitement des échantillons de sol.
Le SD se produit lorsqu'une haute tension est appliquée aux électrodes, créant un champ électrique intense dans l'espace. À mesure que la tension augmente, l'intensité du champ électrique finit par dépasser la tension de claquage du gaz, ce qui entraîne l'ionisation et la formation d'un canal de plasma conducteur. Le SD est applicable au traitement direct des surfaces qui ne subissent pas de variations thermiques importantes. Il est utile dans les applications d'eau activée par plasma (PAW) et de solutions traitées par plasma (PTS).
Dans les applications APPJ, un flux de plasma est expulsé d'une buse ou d'une électrode en soumettant un gaz à un champ électrique intense. Des systèmes à haute énergie peuvent être mis en œuvre à l'aide d'une torche à plasma micro-ondes. Les micro-ondes exciteront le gaz dans une cavité résonante. D'autres domaines d'application incluent la dépollution environnementale et le PAW. En raison de concentrations plus élevées de RONS, les applications PAW gagnent du terrain en agriculture. L'APPJ devient plus attractif que le plasma basse pression en raison de son coût réduit lié à la suppression du besoin de maintenir une source de vide [3].
Les configurations des différents types de NTP utiles en agriculture sont présentées ci-dessous [3,5].
Pour obtenir un plasma reproductible et stable pour des performances optimales, certains facteurs clés doivent être optimisés tels que la puissance appliquée (et donc la tension), le type de gaz plasma, le temps d'application, la valeur RF sélectionnée, etc. Lorsque les conditions optimales sont déterminées et testées, des améliorations de la germination des graines et une croissance accrue des plantes ont été observées dans certaines études.
Dans une autre étude, des graines de blé de Triticum aestivum ont été traitées par décharge luminescente avec un mélange air/oxygène à une pression de 1 333 Pa et une fréquence radio de 3 à 5 kHz pendant 3 à 9 minutes. Un traitement de 6 minutes a permis une germination des graines de 95 à 100 % et une augmentation de 20 % du rendement du blé [8]. D'autres chercheurs, utilisant les mêmes graines de blé sur un plasma RF fonctionnant à une fréquence de 13,56 MHz avec de l'air comme gaz plasmagène, ont observé un rendement accru de 75 % par rapport à l'échantillon témoin [9].
Iqbal et al. ont traité les graines de blé (Galaxy-2013) avec un plasma basse pression Ar à des tensions variables (600-850 V). Ils ont observé que le taux de germination était 57-60 % plus élevé lorsque la tension était modifiée de 600-850 V par rapport aux échantillons non traités avec du plasma [6]. Un autre groupe de chercheurs a utilisé les mêmes graines de blé (Triticum spp.) et les a traitées avec du plasma He pendant 15 secondes à une pression de 150 Pa et une fréquence de 3 x 109 MHz avec une puissance variable de 60-100 W. Le traitement au plasma à 80 W a montré une amélioration de 6 et 6,7 % du potentiel de germination des graines et du taux de germination respectivement par rapport au groupe témoin. De plus, la hauteur de la plante, la longueur des racines et le poids frais ont augmenté respectivement de 20,9 et 21,8 % au stade plantule. Le rendement du blé a augmenté de 5,8 % par rapport au groupe témoin [7].
Dans une autre étude, Bormashenko et al. ont utilisé une décharge de plasma d'air inductif pour traiter des graines de haricots pendant 2 minutes à une fréquence de 10 MHz, une pression de 6 x 10-2 Pa et une puissance de 20 W. Aucun changement significatif dans le pourcentage de germination n'a été observé, mais la vitesse de germination était plus rapide pour les échantillons traités au plasma [10]. Dans une autre étude, un appareil à plasma commercial contrôlé par ordinateur (HD-2N) a traité les graines de soja (Glucine max). L'appareil à plasma HD-2N fonctionnait à une fréquence de 13,56 MHz et une pression de 150 Pa avec une puissance variable de 60 à 120 W. Il y a eu une amélioration de la germination des graines et de la croissance des plantules à une puissance de 80 W. La longueur des pousses, le poids sec des pousses, la longueur des racines et le poids sec des racines ont augmenté respectivement de 13,7, 21,95, 21,42 et 27,51 % [11].
En conclusion, la note technique résume l’application de la technologie du plasma dans l’agriculture.
Références
[[1] Pankaj A, Kenji I, Takamasa O, Kazunori K et Masahuru S. L'agriculture plasma du laboratoire à la ferme : une revue. Processes, 2020 ; 8:1001
[2] Bo Zhang. Application de la technologie plasma basse température aux semences de cultures. Current Investigation in Agriculture and Current Research, 2020 ; doi:10.32474/CIACR.2020.08.000295
[3] Evgeny M K, Namik G, Dmitry E B, Leonid V K, Alexey S D, Andrey Y I, Babak S et Sergey V G. Avancées en agriculture plasma : une revue des études récentes. Journal of Molecular Sciences, 2023 ; 24:15093
[4] Kitazaki S, Koga K, Shiratani M, Hayashi N. Amélioration de la croissance des pousses de radis induite par irradiation plasma par décharge radiofréquence O₂ sous pression. Jpn. J. Appl. Phys., 2012;51:01 AE01
[5] Bychkov V L, Chernikov V A, Deshko K I, Zaitsev E S, Esakov I I, Vysikaylo P I. Décharge corona sur alcool contre les germes présents dans l'air. IEEE Trans. Plasma Sci., 2021; 49:1028-1033
[6] Iqbal T, Farooq M, Afsheen S, Abrar M, Yousaf M, Ijaz M. Traitement au plasma froid et irradiation laser des graines de Triticum spp. pour la stérilisation et la germination. J. Laser Appl. 2019, 31, 042013.
[7] Jiang J, He X, Li L Li J, Shao H, Xu Q, Ye R, Dong Y E. Effet du traitement au plasma froid sur la germination et la croissance des graines de blé. Plasma Sci. Technol. 2014, 16:54–58.
[8] Roy N C, Hasan M M, Talukder M R, Hossain M D, Chowdhury A N. Applications prospectives des plasmas à décharge luminescente basse fréquence sur l'amélioration de la germination, de la croissance et du rendement du blé. Plasma Chem. Plasma Process. 2018, 38:13–28.
[9] Saberi M, Modarres-Sanavy S A M, Zare R, Ghomi H. Amélioration de la photosynthèse et de la productivité photosynthétique du blé d'hiver par traitement au plasma froid en conditions de brouillard. J. Agric. Sci. Technol. 2020;21:1889–1904.
[10] Bormashenko E, hapira Y, Grynyov R, Whyman G, Bormashenko Y, Drori E. Interaction du plasma de radiofréquence froide avec les graines de haricot (Phaseolus vulgaris). J. Exp. Bot. 2015, 66, 4013–4021
[11] Li L, Jiang J, Li J, Shen M, He X, Shao H, Dong Y. Effets du traitement au plasma froid sur la germination des graines et la croissance des plantules de soja. Sci. Rep. 2014, 4:5859.
Auteur : Dr. Eliasu A. Teiseh PhD