Нанотехнологии и их роль в области сельского хозяйства

Особый интерес среди  новых наноматериалов, синтезированных  с помощью эрозионно-взрывных технологий, представляют для АПК высококоординационные анионоподобные аквахелаты нанометаллов, которые являются наиболее перспективными для применения в биосистемах в силу нетоксичности, хорошей биосовместимости с живой клеткой, а также своих антиоксидантных свойств.

На сегодняшний день наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически  во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности.

В растениеводстве применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные и плодово-ягодные) и технических (хлопок, лён) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счёт наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.

Ожидается также положительное  влияние наномагния на ускорение (вернее увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.

Нанотехнологии применяются при  послеуборочной обработки подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок  в регулируемых средах, озонировании воздуха.

По мнению учёных, применение нанотехнологий в сельском хозяйстве (при выращивании зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведёт к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов – «нанопродуктов», которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированные продукты. К примеру, такое мнение высказывается экспертами международной исследовательской организации ЕТС Group.

Согласно общепринятой научной терминологии, продукт может  считаться «нанопродуктом», если при  его выращивании, производстве, переработке или упаковке использовались наночастицы, нанотехнологические разработки и инструменты. Разработчики нанопродуктов обещают более совершенный процесс производства и упаковки продуктов питания, их улучшенный вкус и новые питательные свойства. Ожидается также производство «функциональных продуктов (продукт будет содержать лекарственные или дополнительные питательные вещества). Ожидается также увеличение производительности и уменьшение цен на пищевые продукты. Уже через пару десятков лет использование нанопродуктов будет повсеместным, говорится в докладе, подготовленным для Королевского научного общества Великобритании (Royal Society).

Размах исследований в области  нанопродуктов поражает также, как  и количество инвестиций в них. За последние насколько лет крупнейшие производители продуктов питания, такие как Kraft, Nestle, Heinz, Altria, Unilever, инвестировали значительные суммы в разработки нанотехнологий. По последним оценкам, стоимость рынка нанопродуктов уже составляет 410 млн. долларов, а к 2010 г. ожидается рост до 5,8 млрд. долларов.

4. Применение нанотехнологий в растениеводстве

В России создана госкорпорация  «Роснанотех», разработана «Программа развития наноиндустрии в РФ до 2015г.». Программа будет реализовываться  в 2 этапа: первый этап рассчитан на 2007 – 2010 гг., второй на 2010 – 2015 гг. Общий объём затрат на реализация программы составит 138 млрд. руб.

В мае 2006 г. Президент Российской Федерации  утвердил приоритетные направления  развития науки, технологий и техники  и перечень критических технологий, в числе которых нанотехнологии и наноматериалы. Для развития нанотехнологий в России созданы концерн «Наноиндустрия» и 16 региональных центров нанотехнологий в Нижнем Новгороде, Саратове, Иванове, Астрахани, Калужской области, Петрозаводске, Краснодарском крае и других субъектах Российской Федерации. В АПК наибольшее число исследований проведено по применению наноэлектротехнологий. Такие исследования ведутся в МГАУ им. В. П. Горячкина, ВИЭСХ, Мичуринской ГСХА, АЧГАУ, ГОСНИТИ и других научных организациях и вузах.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве предполагают использование  для защиты растений препаратов новейшего  поколения, которые отличаются максимальным проникновением в листья, стебли и  корни активных действующих веществ за счет необычайно малых размеров. Проводится разработка проектов с использованием наноматериалов для более точной и безопасной доставки пестицидов к биологическим мишеням, питательных веществ – к растениям. В этих проектах используются следующие технологии: транспортные процессы, биоселектирующие поверхности, биоразделение, и микроэлектромеханические системы, нанобиопроцессинг, биоинженерия нуклеиновых кислот, адресовка веществ. Размер частиц этих веществ в десятки и даже сотни раз меньше, чем микроны (10^-9). Их применение дает возможность при минимальных дозах препаратов достигать гораздо больших эффектов и экономить деньги.

Использование наноэлектротехнологии  в растениеводстве связало молекулярную и клеточную биологию с помощью  внешних электромагнитных полей и биополей живых клеток в общем нанопроцессе, что должно привести к внедрению в практику АПК принципиально новых технологий по производству сельскохозяйственного сырья, материалов, продовольственной пищи и кормов.

В сельскохозяйственных научных организациях России, в том числе и в Московском государственном агроинженерном университете им. В. П. Горячкина (МГАУ), получены результаты использования наноэлектротехнологий в производстве продуктов растениеводства.

4.1 Применение наноэлектротехнологий в производстве зерновых культур

Биологически активные наночастицы железа могут помочь повысить урожайность некоторых зерновых культур от 10 до 40%.

Новые нанотехнологии СВЧ-предпосевной обработки семян и дезинсекции осуществлялись как альтернатива химическим методам. Для дезинсекции зерна и семян был использован импульсный режим СВЧ-обработки, который за счет сверхвысокой напряженности ЭМП в импульсе обеспечивает гибель вредителей и насекомых. Установлено, что для 100%-го эффекта СВЧ-дезинсекции необходима доза не более 75 МДж на 1 т семян. 

Новая наноэлектротехнология  комбинированной сушки зерна  осуществляется циклично: конвективный нагрев зерна до 50°С, а затем кратковременная  СВЧ-обработка его, при которой  в нагретом зерне создается избыточное давление влаги при температуре ниже температуры кипения воды. Вследствие этого ускоряется фильтрационный перенос влаги из зерновки на поверхность в капельножидком состоянии. С поверхности влага удаляется подогретым воздушным теплоносителем. Удельный расход энергии на сушку зерна по сравнению с традиционной конвективной сокращается в 1,3 раза и более, снижаются микроповреждения семян до 6%, их посевные качества улучшаются на 5%. Для низкотемпературной досушки и обеззараживания зерна дополнительно использовали озон, что повысило эффективность обеззараживания в 24 раза и снизило в 1,5 раза энергозатраты.

Наноэлектротехнология СВЧ-микронизации зерна основана на эффекте декстринизации зерен крахмала — расщепление полисахаридов крахмала и переход их в усвояемые питательные вещества. Степень декстринизации увеличивается с 12% до 80%, энергосодержания корма — в 2 раза с 7,7 до 15,7 МДж/кг.  По сравнению с ИК-микронизацией, широко распространенной за рубежом, удельные затраты энергии сокращаются более чем в 2 раза с 250300 до 130150 кВт·ч на 1 т зерна.

По данным государственных приемочных испытаний, зоотехнические показатели откорма поросят СВЧ-микронизированным ячменным ингредиентом комбикорма увеличились по среднесуточному привесу на 36%, а за месячный срок — в 2 раза.

По мнению специалистов-агрохимиков, от эффективности защиты растений зависит до пятидесяти процентов урожайности всех сельхозкультур. Наноэмульсии рассчитаны на применение при возделывании различных культур, в том числе зерновых, сахарной свеклы. Специалисты представляют несколько самых последних разработок. Например, предпосевная обработка микроэмульсиями «Тебу 60», «Скарлетт», которые показали высокую эффективность при применении на 700 га собственной базы «Щелково Агрохима». Эти препараты не расслаиваются под воздействием тепла и света, приготовленный рабочий раствор может храниться не часы или дни, а годы, оставаясь при этом активным. Но самое главное – нанопродукты, в отличие от традиционных ядохимикатов, обеспечивают полное смачивание поверхности растений, полностью всасываются растениями, не смываются дождем.

Производители не скрывают, что наноэмульсии недешевы, но в итоге они дают гораздо больший эффект. Например, обработка озимой пшеницы препаратом «Титул Дуо, КРР», аналогов которому нет, может обеспечить до 400% рентабельности и дополнительный урожай до 17 центнеров с гектара. Но даже небогатые сельхозпредприятия уже могут воспользоваться продуктами нанотехнологий благодаря товарным кредитам, предоставляемым производителями.

4.2 Применение нанотехнологий в овощеводстве

Мониторинг разработанных  нанотехнологических процессов  и наноматериалов подтверждает, что  применение нанопрепаратов в овощеводстве обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение выхода готовой продукции. Почти для всех технических и продовольственных культур – картофеля, овощных, плодово-ягодных, хлопка и льна показатели урожая увеличились в 1,5-2 раза. Нанотехнологии уже активно внедряются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздушной среды.

В свете последних  открытий нанотехнологий была изучена биологическая роль кремния в живых организмах и изучена биологическая активность органических соединений кремния – силатранов. Силатраны, являющиеся клеточным образованием и содержащие кремний, оказывают физиологическое действие на живые организмы на всех этапах эволюционного развития от микроорганизмов до человека. Применение кремнеорганических биостимуляторов в овощеводстве позволяет повысить холодостойкость, выносливость к жаре и засухе, помогает благополучно выйти из стрессовых погодных ситуаций (возвратные заморозки, резкие перепады температуры и т. д.), усиливает защитные функции растений к болезням и вредителям. Препараты снимают угнетающее, седативное действие химических реагентов по защите растений при комплексных обработках.

Суперсовременное направление нанобиотехнологии (нанотехнологии в биологии) в овощеводстве – это создание культурных растений, особенно устойчивых к насекомым вредителям.

4.3 Применение нанотехнологий в растениеводстве закрытого грунта

Ультрафиолетовое излучение (УФИ) в растениеводстве — наименее исследованная часть спектрального диапазона оптического излучения. Для повышения урожайности и качества продукции теплиц имеются резервы, пока не получившие широкого распространения, но которые могут быть использованы в решении основных проблем растениеводства защищенного грунта.  УФИ применяют в селекционных целях и при предпосевной обработке семян. При непосредственном воздействии на растения излучение может служить эффективным регулятором основных процессов метаболизма в живых биообъектах. В результате разработки и применения методов УФИ получены положительные данные по борьбе с вредителями сельскохозяйственных растений, а также гипотетические предпосылки по денитратизации почвы.  Предпосевная обработка семян УФИ вышла на уровень индустриальных методов подготовки семенного зерна к посеву и, как показали исследования, они вдвое эффективнее, чем солнечный или воздушнотепловой обогрев. Облучение семян в оптимальных дозах стимулирует общее развитие растений, повышает урожайность. Воздействие УФИ на семена основано на дезинфекции, дезинсекции и способности вызывать стимуляцию фотохимических превращений в облучаемом семени.

В прорастающих семенах  и растениях роль регуляторов  скорости биохимических процессов  выполняют ферменты, ростовые вещества и витамины. Находясь в небольших количествах, эти вещества оказывают влияние как на скорость роста, так и на направление синтеза клетки и растения в целом. Поэтому даже небольшие, на первый взгляд, химические и биохимические изменения в семенах, связанные с поглощением энергии УФИ, могут оказать существенное влияние на развитие растения и его продуктивность.

Антимикробное действие УФИ проявляется в фотохимических повреждениях ДНК в клеточном  ядре микроорганизмов, что приводит к гибели микробной клетки в первом или последующих поколениях.

В тепличных хозяйствах остро стоит проблема борьбы с  вирусными инфекциями. Для практики важно установить летальную дозу УФИ для растений и изучить  относительную сопротивляемость различных  видов. Значение пороговой дозы для растений при облучении необходимо при использовании гербицидных устройств. При умеренных дозах излучения можно применять бактерицидные лампы для уничтожения микроорганизмов растений, не нанося вреда самим растениям.

Примером сельскохозяйственной нанотехнологии может служить и облучение растений когерентным светом. Растения обрабатывают квазимонохроматическим светом с высокой и низкойкогерентностью.

4.4 Применение наночестиц при проращивании семян

Наночастицы, благодаря  своему малому размеру, исчисляемому в нанометрах, легко проникают в клетки животных и человека, чуть труднее – в клетки растений по причине их прочной, твёрдой клеточной стенки. Не так давно ученые задались еще одним вопросом: могут ли наночастицы проникать в семена растений, оболочка которых еще более толстая? Исследователи отмечают, что семена некоторых видов растений способны накапливать тяжелые металлы, такие как барий или свинец. На основании этого существует предположение, что некоторые наноразмерные частицы будут также проникать сквозь оболочку семян и влиять на их прорастание. Для участия в эксперименте (работа американских учёных по воздействию наночастиц на семена растений) были использованы семена самого миниатюрного сорта помидор – Micro-Tom, а в качестве объектов исследования – многостенные углеродные нанотрубки. Стерильные семена высевали на твёрдую питательную среду с содержанием 10, 20, 40 мкг/мл нанотрубок. В контрольной группе семена росли в такой же среде, только без добавления наночастиц. Уже на 3-ий день на средах с нанотрубками проросло более 30% семян. Здесь проростки быстрее набирали биомассу и имели большую длину побегов в отличие от растений контрольной группы: там подобные показатели были достигнуты только к 12-му дню. Наличие нанотрубок внутри семян было показано при помощи рамановской спектроскопии. В клетках корня при помощи микрофотографии корневой системы проростков также были обнаружены нанотрубки.