Основные направления использования нанотехнологий в АПК

Информация может быть не достоверна

В настоящее время нанотехнологии являются самым финансируемым научным направлением в мире.  Объем рынка наноматериалов сегодня оценивается в более  2,5 млрд. евро. В 2010 г. объем  мирового рынка технологий, основанный на применении наноматериалов, достигнет 100 млрд. евро. К 2015 г. мировой рынок продукции нанотехнологий, по оценкам экспертов, составит триллион долларов США при потребности в специалистах более двух миллионов человек.

В России создана госкорпорация «Роснанотех», разработана «Программа развития наноиндустрии в РФ до 2015 г.». Программа будет реализовываться в два этапа: первый этап рассчитан на 2007-2010 гг., второй - на 2011-2015 гг. Общий объем затрат на реализацию программы составит 138 млрд. руб. Эти деньги будут направлены на финансирование НИОКР в сфере нанотехнологий, а также проектов на их внедрение в промышленности.

Как отмечается в статье «Нанотехнологии в сельском хозяйстве»(http://www.zerno-ua.com/?p=2025), на сегодняшний день  в мировой практике наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности, производстве сельхозтехники и т. д. Для достижения высокой эффективности в сельскохозяйственном производстве в последние годы используются новые агробионанотехнологии (http://www.webagro.net/news.php?id=85488). Под эгидой ФАО создана база данных о 160 проектах использования нанотехнологий в агропромышленном секторе, которые финансировались и разрабатывались с  2006 г.

Аналитическое агентство "Хельмут Кайзер" предсказывает, что вклад нанотехнологий в производство продуктов питания к концу  2010 года в США составит порядка 20 миллиардов долларов. Так, например, правительство США инвестирует до 1,2 миллиардов долларов в программу внедрения нанотехнологий в сельское хозяйство.

Нанотехнологии и наноматериалы (в частности, наносеребро,  наномедь и другие) находят широкое применение в фильтрах и других деталях оборудования молочной промышленности для ингибирования процессов брожения и скисания молока,   дезинфекции сельскохозяйственных  помещений и инструментов, при упаковке и хранении пищевых продуктов ( например,  яблок  в регулируемых средах),  при озонировании воздуха и т.п. Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля и других культур.

В животноводстве и птицеводстве при изготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности, сопротивляемости стрессам и инфекциям Наночастицы железа и других микроэлементов включают в состав премиксов для повышения жизнестойкости животных и их продуктивности.

На основе наноматериалов создано большое число  средств, позволяющих сократить трение и износ деталей, что продлевает срок службы тракторов и другой сельхозтехники

В молочной и молочно-кислой промышленности нанотехнологии используются для создания продуктов функционального назначения. Развивается направление насыщения пищевого сырья биоактивными компонентами (в частности, витаминами  в виде наночастиц и др.).

Незаменимую роль могут сыграть наноматериалы при использовании их в качестве различных катализаторов, например, катализаторов горения для различных видов топлива, в том числе и биотоплива, или катализаторов для гидрирования растительного масла в масло-жировой промышленности. В частности, в Санкт-Петербургском технологическом институте рассматривается возможность использования наноразмерного палладия для гидрирования растительного масла вместо  катализатора на основе никеля, обладающего аллергенным и канцерогенным действием.

Сегодня  активно применяются  в агропромышленном секторе ДНК-технологии, которые позволяют выявить гены, ассоциированные с хозяйственно-ценными признаками, устойчивости к стрессам, инфекционным болезням, а также гены носители рецессивных мутаций – генетических аномалий. В целом вся молекулярная биология может быть названа нанобиотехнологией. Речь идет о создании устройств с использованием биологических макромолекул в целях изучения или управления биологическими системами.  Нанобиотехнология объединяет достижения нанотехнологии и молекулярной биологии. В ней широко используется способность биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы. ДНК используется не только для создания наноструктур, но и в качестве важного компонента наномеханизмов. По мнению ряда ученых, нанобиотехнологии существенно упрощают и ускоряют решение традиционных проблем генетики  и селекции сельскохозяйственных растений.

Суперсовременное направление нанобиотехнологии (нанотехнологии в биологии) в растениеводстве - это создание культурных растений, особенно устойчивых к насекомым вредителям и сорной растительности. Исследованиями в  этой области занимаются ученые не только развитых, но и развивающихся стран.  Например,  научные лаборатории Мексики и Индии объединенными усилиями пытаются создать нетоксичный наногербицид.

Мониторинг разработанных нанотехнологических процессов и наноматериалов подтверждает, что применение нанопрепаратов в растениеводстве обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным  факторам  окружения и увеличение выхода готовой продукции (http://www.nanofab.asia/articles/detail/89)  .В растениеводстве применение нанопрепаратов  , например,  в качестве микроудобрений позволяет повысить устойчивость   растений к неблагоприятным погодным условиям и увеличить  урожайность почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) «статуса».Выявлено положительное влияние, например,  наномагния на ускорение (увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.

В свете последних открытий нанотехнологий изучена биологическая роль кремния в живых организмах и  биологическая активность его различных  (органических и неорганических)  соединений.  В частности, 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 растениеводстве 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.

Разрабатываемые технологии в сельскохозяйственном производстве позволяют:

- повысить безопасность производства и качество продукции;

- сократить затраты при выращивании растений;

- улучшить качество посевного материала;

- снизить заболеваемость и повысить устойчивость к вредителям;

- увеличить урожайность растений;

- получить экологически  чистую (безопасную) продукцию

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

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

Размах исследований в области нанопродуктов поражает так же, как и количество инвестиций в них. За последние несколько 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., а к 2012 г. ожидается рост до $5,8 млрд.

Исследованиями в области нанопродуктов занимаются  различные международные научные центры  не только развитых, но и развивающихся стран. В липецкий АПК также приходят нанотехнологии, которые  направлены на получение экологически чистой продукции и,  в конечном итоге,  сориентированы на   «нанопродукты».

Совместными усилиями ученых Центра «Биоинженерия» РАН, International Nanotechnology Research Center Polymate  (Israel),   Узбекского научно-исследовательского института  защиты растений, ООО «Агро-Л»  и ООО «БиоНаноТех Л» разрабатывается  и апробируется на базе  Государственного научного учреждения Всероссийского НИИ рапса  в Липецке  современная  наноагротехнология предпосевной обработки семян с применением полифункциональных  многокомпонентных (нано)систем природного происхождения. Проводится  эксперимент, как  альтернативное  направление снижения пестицидной нагрузки на агроценозы, основная цель которого — доказать, что получать высококачественную продукцию можно без использования «химии» –химических средств защиты растений с помощью природных полифункциональных  многокомпонентных  веществ (природных агрохимических средств в качестве источников минерального питания полевых культур, природных  элиситоров, повышающих иммунный статус растений, природных стабилизаторов и других физиологически активных компонентов )  и их производных в различных соотношениях и комбинациях, на основе  которых формируются (нано)системы  для предпосевной обработки семян  широкого спектра действия

Современное производство сельскохозяйственной продукции развивается в условиях глобальных природных и техногенных вызовов. В результате изменения климата, загрязнения экосайтов экотоксикантами, формирования крупных засушливых зон, засоления субстратов, дефицита воды  наблюдается сокращение площадей сельскохозяйственных растений, снижение их толерантности к неблагоприятным факторам окружения, формирования новых популяций микроорганизмов – возбудителей заболеваний и вредителей культурных растений, повышение их агрессивности. Все это приводит к уменьшению урожайности сельскохозяйственных культур, ухудшению качества продукции, в том числе и семян, посевные фракции которых не сохраняются длительное время и обладают низкими показателями всхожести, а также способствует росту цен на потребительских рынках.

Для повышения адаптивности культурных растений к внешним негативным факторам при хранении, получения  полноценных  и здоровых всходов, роста и развития растений, повышение их продуктивности и качества семян разработана новая агробионанотехнология, отличающаяся лабильностью и мобильностью состава и свойств, которые могут согласно прогнозам меняться, обеспечивая при этом устойчивое развитие производства посевных семян и растениеводства, а также  агропромышленного  комплекса в целом.

В  разработанной нанотехнологии применен подход, позволяющий использовать природные системы адаптации семени и биологически активные (нано)чипы в порах  кожуры и тем самым создавать дополнительную устойчивость и надежность семени к негативным факторам окружения. Биологически активные (нано)системы содержат все необходимые ингредиенты для прорастания семян и их защиты от воздействия неблагоприятных факторов окружения.

Разработанная  наноагробиотехнология позволяет менять состав физиологически активных веществ, в том числе фитосанитарных,  и  их природу с учетом особенностей формирования (нано)систем и взаимодействия компонентов (наночастиц) на молекулярном  и надмолекулярном уровнях друг с другом в (нано)чипах в зависимости от видов  выращиваемых культур,  конкретных  почвенно-климатических условий возделывания различных растений, специфичности заболеваний, вызванных микроорганизмами, почвенных и других вредителей, а также достичь длительности хранения посевного материала без потерь его посевных качеств.

В едином технологическом процессе объединена  нанотехнология предпосевной подготовки семян, состоящая из процессов создания, стабилизации и нанесения физиологически активных полифункциональных (нано)систем, включающих по крайней мере один природный минерал, стабилизатор (нано)чипа,  регулятор роста и развития растений, ингибитор возбудителей заболеваний растений, микроэлемент питания,  удобрение, иммуномодулятор и другие физиологически активные природные , а также (в случае экологически кризисной ситуации ) и  фитосанитарные вещества.

Принципиально новым в этой нанотехнологии является разработанный комплексный подход к процессу получения высококачественного посевного материала. Он состоит в том, что биологически активные  и фитосанитарные  компоненты, предназначенные для повышения адаптации семян и растений к  реальным негативным условиям окружающей среды, конструируются в виде полифункциональных (нано)чипов, а их встраивание в (нано)поры кожуры семян осуществляется с помошью нанотехнологии.

Важным в разработанной (нано)технологии является то, что, принимая во внимание прогноз негативных для растениеводства факторов, состав и природу (нано)чипов можно менять с учетом проявления новых рисков, заполняя пассивные (нано)матрицы  соответствующими биологически активными и фитосанитарными (нано)частицами, обеспечивающими  повышение толерантности растений  к новым неблагоприятным факторам окружающей среды, всхожести, урожайности и продуктивности.

В результате мониторинга эффективности нанотехнологии предпосевной подготовки семян выявлены следующие основные преимущества:

-    пролонгация покоя семян – возможность хранения посевного материала без потерь качества длительное время,

-   активация процессов выхода  семян из состояния покоя в меняющихся условиях окружающей среды за счет дифференцированного использования разнообразных по составу и структуре (нано)чипов в предпосевной обработке семян,

-    увеличение всхожести семян,

- повышение толерантности растений к возбудителям заболеваний, засолению, засухе, заморозкам и другим негативным факторам окружения,

-    увеличение урожайности,

- улучшение качества продукции за счет сохранения и повышения показателей, характеризующих хозяйственно-ценные признаки растений,

-  существенное уменьшение норм расхода физиологически активных и фитосанитарных компонентов,

-   высокая экологичность разработанной нанотехнологии,

-   адаптивность к имеющимся технологиям предпосевной подготовки семян.

-получение экологически чистой продукции (нанопродукта)

Указанные преимущества достигаются  за счет  дифференцированной разработки физиологически активных (нано)чипов для обработки семян различных сельскохозяйственных культур. Состав и количество нанесенных на семена (нано)чипов  зависят от результатов мониторинга  условий возделывания сельскохозяйственных культур, статистических данных экоусловий и прогноза на ближайший год по таким показателям как температура почвы и окружающей среды, влажности и атак микроорганизмов, возбудителей заболеваний, характера заболеваний, типов семян, обладающих глубоким или неглубоким покоем, а также их размером и  потенциальными возможностями семени, выражающимися в показателях энергии прорастания и всхожести. Кроме того, состав (нано)чипов формируется с учетом наличия в почвах доступных форм калия, фосфора и азота, а также  различных необходимых для растений микроэлементов питания - цинка, меди, кобальта, железа, лития, марганца, молибдена и других микро – и мезоэлементов питания. Поэтому диапазон составов  компонентов (нано)чипов варьируется в очень широких пределах от 1.10^-10% – 100%. Гомеопатические количества (нано)чипов используются при замочке семян растений, макроколичества  - при опудривании, а промежуточные – при  дражировании.

Составы (нано)чипов варьируются в зависимости от внешних факторов, воздействующих на семена, а также необходимости достижения высокой полевой всхожести. По этому  принципу меняется состав (нано)чипов в зависимости от возделываемой культуры. В нанотехнологии предусмотрена масштабная дифференциация получения (нано)чипов, т.к. предусмотреть все внешние факторы одновременно невозможно, также очень сложно прогнозировать возникновение атак возбудителями заболеваний, а также изменение параметров окружающей среды, которые тесным образом связаны с активацией или затуханием атак, а также продуктивностью растений, особенно при изменении климата, который мы наблюдаем повсеместно, проще говоря, нельзя создать один (нано)чип на все случаи жизни и огромное количество (нано)чипов в ответ на все  реальные, а главное – и возможные вызовы.

Таким образом, в настоящее время предпосевная обработка семян различных сельскохозяйственных культур может  проводиться  с использованием  современных нанотехнологических подходов  и применением экологически чистых природных многокомпонентных  полифункциональных (нано)чипов, состоящих из пористых матриц и заполненных физиологически активными веществами различного спектра действия. Такие (нано)чипы имеют пористую высокоразвитую поверхность, размер пор которых колеблется от нескольких нанометров до микрон. Как правило, эти матрицы  имеют различную природу, физико-химические свойства, эксплуатационные характеристики и другие параметры, определяющие возможности их использования в качестве носителей для получения физиологически активных полифункциональных  (нано)систем. Причем при определенных условиях конструирования (нано)чипов достигается пролонгированное выделение действующих веществ, обладающих биологической активностью. Эффект пролонгации обеспечивает длительное воздействие средств защиты растений на вредителей, возбудителей заболеваний сельскохозяйственных  растений, сорную растительность в посевах и другие неблагоприятные факторы окружения..

Совершенно очевидно, что сегодня в  Липецкой области   имеется  все для активного внедрения и продвижения нанотехнологий как во всей сфере экономической деятельности, так и в сельском хозяйстве, в частности.  Нанотехнологии – шаг к будущему, без которого  в сельском хозяйстве невозможен прогресс. Ясно также и то, что частная инициатива и крупные инвестиции ведущих компаний могут реально ускорить этот процесс.