Нанотехнологии приходят в земледелие

Область науки, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Но сегодня она открывает фантастические перспективы взаимодеийствия человека с миром, позволяет использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул. Наноматериалы содержат структурные элементы, размеры которых не превышают 100 нм и обладают качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. При уменьшении размера частиц до 100-10 нм все свойства материалов существенно изменяются.

Передовые государства выводят вопрос развития нанотехнологий на национальный уровень, отводя ему одно из первых мест в бюджете страны. Ожидается, что уже в недалекой перспективе они резко увеличат стоимость валового внутреннего продукта и принесут значительный экономический эффект в отдельных отраслях экономики.

В 1974 году японский физик Норио Танигучи первым ввел в научный оборот слово «нанотехнология», означающее прогресс, направленный в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных технических решений. Создание в 1982 году немецкими физиками специального микроскопа для изучения объектов наномира имело огромное значение для развития нанотехнологий, которые уже в 1986 году стали известны широкой публике. Однако считается, что «новая техническая революция» стала частью жизни человечества лишь с 2001 года.

Нанонаука рассматривается как начальная стадия нанотехнологии и используется для обозначения исследований на атомном и молекулярном уровнях. Ее целью является получение нанопродуктов. Продукт нанотехнологий гораздо сложнее атомов и молекул, но при этом не требует многотоннажного производства, поскольку даже 1 грамм такого вещества способен решить множество проблем.

Наноматериалы — не просто очень мелкие частицы. Это сложные микро- и макрообъекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноструктуры рассматриваются в качестве особого состояния вещества, поскольку их свойства, образованные с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам обычного вещества.

Изменения основных характеристик веществ и материалов обусловлены не только малыми размерами, но и проявлением квантово-механических эффектов. Эффекты наступают при критическом размере, который соизмерим с так называемым «корреляционным радиусом» того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов и др.).

Важной особенностью наноматериалов при их использовании в пищевой промышленности и АПК является низкая токсичность. Установлено, что токсичность наночастиц металлов во много раз ниже токсичности ионов металлов (меди — в 7 раз, цинка — в 30 раз, а железа — в 40 раз).

Существуют химические и физические способы получения металлических наноматериалов. Наноматериалы, полученные с помощью химических способов, практически всегда несут в себе не лучшую «наследственность» исходных химических соединений. Это делает проблемным их использование в отраслях с определенными требованиями к чистоте материалов, в том числе и в АПК. Поэтому наиболее приемлемыми для таких отраслей являются нанотехнологии, основанные на использовании физических явлений.

Физическими способами получения металлических наноматериалов владеет незначительная часть компаний-производителей, расположенных в США, Великобритании, Германии, России и Украине. С помощью эрозионно-взрывных нанотехнологий Украина получает наноматериалы и вместе с Россией занимает ведущие места в этом направлении. К настоящему времени на основе таких металлов, как Au, Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe, получены технические условия (ТУ 24.6-35291116-001:2007) и налажено их производство.

Нанотехнологии и наноматериалы (наносеребро и наномедь) находят широкое применение для дезинфекции сельхозпомещений и инструментов при упаковке и хранении пищевых продуктов.

Крупнейшие научные центры, занимающиеся разработками нанотехнологий, расположены в Германии (Creavis, корпорации Degussa). В США центры развития нанотехнологий включают 13 организаций (Национальная сеть нанотехнологической инфраструктуры), где ведущей организацией является Корнелльский университет. В России созданы Государственная корпорация «Роснанотех», ЗАО «Нанотехнология МДТ» и ООО «АИСТ-НТ» (г. Зеленоград) и многие другие. На балансе г. Москвы расположено 48 объектов инфраструктуры наноиндустрии. В Свердловской области находится 16 объектов инфраструктуры наноиндустрии, в Санкт-Петербурге — 6. Исследованиями в области нанопродуктов занимаются ученые не только развитых, но и развивающихся стран. Научные лаборатории Мексики и Индии объединенными усилиями пытаются создать нетоксичный наногербицид.

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

По мнению ученых и экспертов международной исследовательской организации ЕТС Group, применение нанотехнологий при выращивании зерна, овощей, растений и животных, а также при переработке и упаковке продукции приведет к рождению нового класса пищевых продуктов — «нанопродуктов», которые со временем вытеснят с рынка ГМ-продукты.

Согласно общепринятой научной терминологии, продукт можно назвать «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, которые будут содержать лекарственные или дополнительные питательные вещества, а также увеличение производительности и уменьшение цен на пищевые продукты.

Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха. В животноводстве и птицеводстве при изготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности, сопротивляемости стрессам и инфекциям.

Переработчики продукции сосредоточены на том, чтобы создать нанодатчики, которые могли бы идентифицировать в продуктах токсины и патогены, системы их удаления, повышать питательную ценность продуктов, уменьшать содержание жира и т.д. Нанооптиметр может блокировать холестерол или аллергены, улучшать переваримость.

Упаковки могут содержать наночастицы, которые изменяют цвет, когда продукт начинается портиться. Над таким проектом, названным «электронным языком», работают ученые из Rutgers University в США и компания Kraft Foods. Нанооптиметры восприимчивы к газам, которые образуются в процессе порчи продукта. Разрабатываются наночастицы, реагирующие на время, изменение температуры и влажности.

Учеными португальского Университета Минью создана съедобная наноупаковка для пищевых продуктов. При этом она практически невидима, не имеет вкуса и запаха, а, главное, ее можно есть без риска для здоровья. Продукты просто покрывают жидким веществом, которое содержит наночастицы — элементарные полисахариды, применяемые в изготовлении сухих кубиков для бульона. В процессе высыхания на продуктах образуется тонкая, невидимая человеческому глазу пленка, которая защищает их от агрессивных воздействий внешней среды и вредных микроорганизмов. Результаты исследований показали, что использование новой упаковки позволило повысить срок хранения ягод земляники примерно на 30%. И при этом они сохраняли характеристики, присущие ягодам, которые только что сорвали с гряды. Сейчас решается вопрос удешевления нового материала. Самый надежный способ нанести нановещество на продукт — это полностью погрузить плоды в раствор. Именно поэтому тратится большое количество дорогостоящего материала. Разработчики хотят попробовать добавлять новый раствор в воду, которую используют при индустриальной мойке овощей и фруктов. Также к испытаниям готовы образцы пленки, подобные той, которую сейчас используют для упаковки продуктов, но используя в ее составе нанораствор.

Продолжается изучение воздействия наноматериалов на живые организмы, однако исследований, относящихся к растениям, не слишком много.

Достаточно успешно разрабатываются новые системы доставки питательных элементов растениям. Основываются они на 60-атомных угольных капсулах, которые содержат внутри себя питательные элементы — главным образом, микроэлементы. Микроэлементы в таком виде способны высвобождаться в ответ на физиологический сигнал — дефицит элемента или вторжение патогенного гриба. Особое внимание для этих целей уделяется меди, которая в форме единичных атомов показывает сильное противогрибковое действие.

Продолжается работа и над созданием нанокапсул для инсектицидов, которые должны высвобождать свое смертельное содержимое только после попадания в пищеварительный тракт вредителя. Кроме того, одновременно в препарате будет содержаться нанодатчик, определяющий вид насекомого.

Считается, что углеродные нанотрубки могут стать открытием для всего сельского хозяйства, открыв эру удобрений нового типа. Исследователи Арканзаского университета Литл-Рокского Нанотехнологического Центра установили, что экспозиция семян томатов в питательном растворе, содержащем углеродные нанотрубки, приводит к их более быстрому и усиленному прорастанию. Благодаря своим микроскопическим размерам, нанотрубки легко проходят сквозь кожицу семени, способствуя лучшему проникновению воды и питательных веществ, что отражается на скорости прорастания семян.

Предварительная проверка показала, что углеродные нанотрубки не токсичны для клеток растений табака. Однако полученных данных пока недостаточно, чтобы установить возможность поглощения из окружающей среды и аккумуляции наноматериалов в растениях. Неизвестно, как это повлияет на биологические и биохимические процессы в растении и что может произойти с продовольственными культурами и получаемыми из них продуктами питания?

Ученые из Clemson University (США) представили первое свидетельство поглощения и накопления углеродных наночастиц (фуллеренов и нанотрубок) в рисе, культуре, которой питается более половины населения земного шара. Среди авторов исследований — биофизики, материаловеды, специалисты по биологии растений. Полученные ими важные результаты еще раз подтверждают эффективность междисциплинарного подхода к решению таких серьезных вопросов. Ученые показали, как поглощаются и распределяются фуллерены в растениях риса, и даже обнаружили передачу С70 следующему поколению через семена. Было установлено, что подвижность наночастиц усиливалась благодаря присутствию в растворе природных органических веществ. В отличие от фуллеренов, поглощение растениями нанотрубок оказалось незначительным. Черные агрегаты были замечены в сосудистой системе растений, но в тканях они практически отсутствовали. Вероятно, из-за своей формы нанотрубки труднее, чем фуллерены, проникают в корни растений. Однако при высокой концентрации они могут адсорбироваться на поверхности корней и корневых волосков и мешать поступлению питательных веществ и воды, вследствие чего развитие растений замедляется. Дальнейшие исследования позволят прояснить, насколько эти процессы влияют на безопасность продуктов питания и каковы могут быть генетические последствия взаимодействия наноматериалов с растениями.

При посадке томатов в почву, содержащую нанотрубки, и в обычный грунт удалось установить, что в «наногрунте» семена прорастают быстрее. Биологи связывают это с тем, что нанотрубки проникают сквозь семена и служат каналами для поступления воды.

Работы по взаимодействию нанотрубок с растениями воспринимаются многими учеными неоднозначно. Одни считают, что использование подобных «нано-удобрений» может привести к непредсказуемым последствиям. Отдельные опыты с «удобрением» томатов углеродными нанотрубками показали, что плоды оказались «токсичными» для плодовых мушек дрозофил. Некоторые исследователи полагают, что углеродные нанотрубки являются канцерогенами для животных организмов. Безусловно, необходимо изучать биологическую активность этих веществ, поскольку происходит вмешательство в естественное движение процессов, отработанных природой миллионы лет. Неизвестно, как это отразится на организме человека и окружающей среде.

Поскольку массовое производство нанотрубок является практически реализуемым, то теоретически их можно использовать в качестве удобрения. Однако безопасность подобного метода пока представляется сомнительной — в настоящее время воздействие нанотрубок на организм изучено слабо.

В промышленных условиях производятся нанотрубки (МУНТ) различного диаметра (от 2,5 нм до 100 нм) и различной степени очистки в виде порошков, суспензий в органических растворителях, в отдельных случаях — в виде гелей или пленок. По данным консалтинговой компании Clientifica, мировое производство углеродных нанотрубок и нановолокон в 2004 году составило 65 тонн. Производство МУНТ в России активно развивается и скоро достигнет промышленных объемов. Увеличение масштабов производства такого рода наноматериалов неизбежно приведет к их накоплению в окружающей среде, вследствие чего они могут проникать через биомембраны в организмы животных, растений и человека. Это настолько уникальный материал, что корпорациям исключительно выгодно внедрить его как можно быстрее. Никто не будет проводить многолетние клинические испытания, тем более, если первые жертвы со смертельным исходом появятся только через 30-40 лет.

Таким образом, уже сейчас существует актуальная потребность в разработке эффективных методик детекции и мониторинга МУНТ в биотических компонентах экосистем, продукции сельского хозяйства, пищевой продукции с целью своевременного выявления уровней их накопления, опасных для здоровья человека.

В связи с развитием экологического земледелия во всем мире резко возрос интерес к органическим удобрениям. Все больше внимания потребитель уделяет качеству продуктов питания, их экологичности. Соответственно сельхозпроизводителю необходимо учитывать тенденции рынка, уделять внимание качеству производимого продукта и поддержанию плодородия почвы.

С этой позиции существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами радиационно и химически пораженных почв, показали возможность их восстановления с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодородия за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических. На его основе разработан препарат БИОС (Патент РФ № 2307506 и РФ № 2370957), который проявляет адаптогенные свойства и стимулирующее действие при обработке им семян и при внесении в почву. По биологической активности препарат БИОС превосходит широко используемые в настоящее время стимуляторы роста.

Цель создания данного вида удобрений — это получение здоровой, экологической продукции, с максимальной экономической эффективностью. «Пионерами» в этом области стали наноудобрения на основе гуминовых кислот и микроэлементов.

Из органиминеральных удобрений нового поколения можно назвать «Биоплант Флора» (ТУ 9899-009-75292641-2008). Удобрение содержит микрогуматы, аминокислоты, витамины, микроэлементы (Mg, Mn, Mo, Co, Zn, K, Mg, Mn, Mo, Co, Zn, K). Срок последействия удобрения за счет биологически активных веществ и живой микрофлоры — 1-2 года. Используется при обработке многих полевых, плодовых, овощных и других культур, помогает сократить расходы на средства защиты растений и минеральные удобрения.

Нанопрепараты в качестве микроудобрений повышают устойчивость к неблагоприятным погодным условиям и увеличивают урожайность культур в среднем в 1,2-2 раза. Эффект достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.

Нестабильность свойств традиционных удобрений, содержащих гуминовые вещества, связана с затрудненным переносом гуминовых кислот в клеточных стенках. Это вызвано тем, что размеры пор в клеточной стенке корней и листьев растений варьируют от 3,5 до 5,2 нм, длина молекул фульвокислот составляет 5,3-6,4 нм, а молекул гуминовых кислот — 9,4-10,7 нм.

Для гарантированного прохождения в клетку растения большего количества гуминовых веществ через мембрану клетки разработан и реализован новый способ измельчения длинных гуминовых цепочек на короткие. Биоорганическое комплексное наноудобрение NAGRO содержит в составе минеральную и органическую части и объединяет в себе свойства удобрения стимулятора роста, обладает фунгицидными, инсектицидными свойствами. В растениеводстве применяется при обработке семян и по вегетирующим растениям.

При создании данного препарата применена нанотехнология — холодный молекулярный синтез. В результате получили коллоидный раствор сильной концентрации, который вместил в себя микроэлементы, макроэлементы, мезоэлементы, фитогормоны, микрогуматы, фульвкислоты, аминокислоты, кремниевые неорганические соединения, витамины, споры бактерий, биорастворители и др. Принцип работы наночастиц, из которых состоит NAGRO, заключается в укреплении иммунной системы растений. Особенностью действия биоорганического наноудобрения является его высокая биологическая эффективность в очень низких, строго определенных концентрациях рабочего раствора.

Рецепт увеличения урожайности сельскохозяйственных культур нашли ученые Бийского филиала АлтГТУ, создав биопрепарат с использованием биологически активных веществ в той концентрации, в которой они присутствуют в растениях. В основе нового биопрепарата использованы цисты артемии, яйца рачков, добываемых в соленых озерах Алтайского края. После обработки в мягких условиях из них получают удобрение. Опыты показали, что 40-50 мл этого препарата на 1 т семян пшеницы дают прибавку урожая зерна до 5 ц/га при себестоимости препарата 5 руб./га. Аналогичные результаты получены при возделывании гороха, гречихи и картофеля. Специалисты пока всесторонне изучают препарат, поскольку считают, что, применяя стимуляторы роста растений и аспекты нанотехнологий в сельском хозяйстве, нужно проявлять особую осторожность.

С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологий, которая сегодня быстро развивается. Перспективы этой отрасли грандиозны, поскольку кардинальным образом могут изменить все сферы нашей жизни. Создание нанотехнологической промышленности даст человечеству принципиально новый способ экологически чистого получения продуктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и энергетического кризиса. Вместе с этим требуется доскональное изучение всех потенциальных последствий и рисков широко внедрения нанотехнологий.

Подготовлено по материалам, опубликованным в журнале «Наше сельское хозяйство» (2013 г., № 15).