Нанотехнологии в сельском хозяйстве и промышленности. Применение нанотехнологий в сельском хозяйстве только начинает становиться существенным и как это скажется на
Применение нанотехнологий в сельском хозяйстве только начинает становиться существенным и как это скажется на
экологии, требует пристального внимания целой толпы бездельников.
Необходимо изучение потенциальных рисков, которые могут нанести наноматериалы здоровью, регулировать порядок использования продуктов на основе нанотехнологии. Необходимо
проведение исследований касающихся дальнейшей судьбы и транспортировки произведенных материалов, их влияния на окружающую среду, и в развитии технологий оценки полного жизненного цикла наноматериалов.
Важнейшей задачей нанотехнологии в медицине является разработка диагностических биочипов для экспресс анализа различных заболеваний и состояния организма. Ведущей
организацией в России по разработке и производству биологических микрочипов (биочипов) является Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН (г. Москва) и его дочерние фирмы, основная цель которых - коммерциализация результатов научноисследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в этой области.
Разработанные технологии позволяют реализовывать как двумерные чипы, так и трехмерные. Фотография двумерного чипа приведена на рисунке, реальный размер подложки составляет единицы мм.
Увеличенное изображение двумерного биочипа.
Двумерный и трехмерный чипы.
На двумерных чипах велико влияние подложки, которая вносит существенную
неоднородность в молекулярные взаимодействия и приводит к уменьшению стабильности комплексов между зондами и анализируемыми молекулами, в тоже время в гелевых биочипах взаимодействие между молекулами примерно такое же, как в растворе.
В трехмерной конфигурации ячеек в гелевых биочипах общее число иммобилизуемых молекулярных зондов на 2-3 порядка выше,чем в
поверхностных биочипах, что приводит соответственно к более сильному и достоверному сигналу флуоресценции при проведении анализа.
Основой биочипов, является матрица полусферических гидрогелевых ячеек (диаметром около 100 микрон), каждая из которых содержит молекулярные зонды, специфичные к одной из множества биологических молекул или их фрагментов (например, последовательностям ДНК или РНК, белкам). На 1 см 2 может быть
размещено до тысячи ячеек биочипа для анализа мутаций, определяющих предрасположенность к различным наследственным и онкологическим заболеваниям, для обнаружения патогенных бактерий и вирусов и выявления их лекарственно-устойчивых форм
Научное мировоззрение и наномир
Если исходить из хронологических представлений, то на фоне всей предыдущей человеческой истории, насчитывающей десятки тысяч лет (а по некоторым данным это число больше на один - два порядка) феномен науки и соответствующее ему представление о научном мировоззрении исключительно молоды. Им предшествовали:
1. Мистический путь познания мира
2. Схоластический путь (Аристотель). Среди его рассуждений "неоспоримые" факты: у мухи 8 лап; если жениться рано, то дети от этого брака будут женского пола, потому что кровь женщин темнее, чем кровь мужчин; что слонов, страдающих бессонницей, надо лечить, смазывая их плечи оливковым маслом и пик формы -
доказательство того, что у женщин меньше зубов, чем у мужчин, а у мужчин их 34.
До нас дошло описание многочасового спора Альберта Великого (Альберт фон Больштедт Magnus, 1193-1280) и его ученика Фомы Аквинского (1225-1274) на актуальную и животрепещущую тему - есть ли у крота глаза.
Развитие научного подхода
В специальном трактате монах Роджер Бэкон (1214-1292) призывал расстаться со словами как источником мудрости и обратиться к опыту.Бэкон выдвинул идею о качественно различных
элементах, комбинации которых образуют конкретные вещи.
"Нужно руководствоваться показаниями опыта и разнообразить условия до тех пор, пока мы не извлечем из опыта общих законов, ибо лишь опыт
открывает нам общие законы" . Леонардо да Винчи (1452-1519).
Через 300 лет после Роджера другой монах, между прочим лорд-канцлер, Фрэнсис Бэкон (1561-1626) постулировал основные принципы научного мировоззрения.Они очень просты в формулировке и в то же время не просты в исполнении. Первая заповедь или основной постулат: "критерий истины - эксперимент". И только он .Это значит, что если самая замечательная и
единственно верная теория противоречит эксперименту, то неверна теория, а не эксперимент или его результаты. (Безусловно, эксперимент должен быть абсолютно
что если эксперименты проводятся в одинаковых условиях, то они должны давать одинаковые результаты, где бы они не производились. И результаты
эти должны быть повторяемы и воспроизводимы. Поэтому наука не занимается исследованием таких невоспроизводимых и неповторяемых явлений, как телепатия, телекинез и прочие, несть им числа.
В результате победы научного мировоззрения был достигнут совершенно поразительный результат в области технического прогресса, опиравшегося на результаты научных исследований. Эпоху пара, начавшуюся в 1769 г. с изобретения, вернее факта патентования, паровой машины Джеймсом Уаттом, сменила эпоха электричества, ее эпоха информационных технологий и мы
уже вступаем в эпоху нанотехнологий.
Происходящее на наших глазах становление и развитие нанонауки требует от исследователей определенной ломки привычных научных представлений и принятия новых научных парадигм. Принятие основных положений фрактальной
геометрии и физики, нелинейной динамики и многомерной геометрии уже не вызывает прежнего отторжения и является осознанной необходимостью. Будучи пограничной междисциплинарной областью знания нанотехнология впитала в себя в
числе прочего и различные положения квантовой механики. Вследствие этого,
совокупное, или как теперь модно говорить, синергетическое воздействие этих составляющих нанотехнологии приводит к размытию основных постулатов научного мировоззрения. Малейшее, совершенно незначительное изменение параметра в начальных условиях нелинейной системы приводит к ее эволюции по разному сценарию. Самое неприятное, что количественное изменение этого параметра чаще всего находится за пределами чувствительности нашей аппаратуры. В наносистемах мы чаще всего не имеем
возможности эти изменения проконтролировать, и вопрос о воспроизводимости экспериментов из дискуссионного переходит в область практического, что будет обсуждено далее.
Эксперимент, даже абсолютно корректный, сам по себе не обеспечивает правильное понимание наблюдаемых и регистрируемых этим экспериментов явлений, часто возникает невозможность разделить в эксперименте причину
и следствие изучаемого явления.
Особую опасность в плане неверно трактуемых экспериментов представляют собой так называемые пограничные явления - лежащие на пределе
чувствительности используемой аппаратуры. Это может приводить к "наблюдению" несуществующих феноменов, таких, к примеру, как "обнаруженные" в 1903 г. Р.
Блондло (1849-1930) N-лучи.
Около ста статей о N-лучах были опубликованы в первой половине 1904 года, причем только французскими физиками. N-лучи поляризовали, намагничивали. Жан Беккерель утверждал, что N-лучи можно передавать по проводу, так же, как свет передается по изогнутой стеклянной палочке. Блондло утверждал, что металлы можно «анестезировать» эфиром, хлороформом или спиртом, после чего они переставали испускать и передавать N-лучи. Он установил также, что N-лучи проходят и через черную бумагу и через алюминий. Блондло ставил опыты с кирпичом: заворачивал его в черную бумагу и оставлял на улице, где лучи солнца,
проходя через бумагу, попадали в кирпич. При этом кирпич запасался N-лучами и испускал их, даже будучи завернутым в черную бумагу.Французские физики
«обнаружили», что N лучи испускались растущими растениями, овощами и даже трупом человека. Шарпантье нашел, что слух и обоняние также обострялись
под их влиянием, как и зрение. Колеблющийся камертон испускал сильные N-лучи.
Французская Академия увенчала работу Блондло своим признанием, присудив ему премию Лаланда и золотую медаль – «За открытие N-лучей», но американский физик Роберт Вуд доказал, что никаких таких лучей не существует. Блондло был вполне искренний человек и большой ученый (в отличие от тех его коллег, которые подхватили и растиражировали его «открытие»), но он пал жертвой чрезмерного зрительного воображения после многих лет работы с приборами в темноте, на пороге наблюдаемых явлений.
Многие явления наномира пока лежат на пороге чувствительности имеющейся аппаратуры, и надо очень внимательно и скрупулезно относится к наблюдаемым явлениям и их трактовке, чтобы не повторить путь Блондло.
Смоленская государственная сельскохозяйственная академия.
Кафедра агрономии и экологии.
Реферат
На тему: Основные направления использования нанотехнологий в растениеводстве.
Выполнил студент I курса
Инженерно-технологического факультета
Морозов Алексей.
Проверил: Вьюгин С.М.
Смоленск 2012.
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.
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.
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
2
слайд
Описание слайда:
Нанотехноло́гия - область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
3
слайд
Описание слайда:
Введение Термин «нанотехнология» придумал и ввел в обиход профессор Токийского научного университета Норио Танигучи в 1974 г. По сути, нанотехнологии дают начало третьей, невиданной по своему размаху научно-технической революции
4
слайд
Описание слайда:
Актуальность внедрения нанотехнологий в сельское хозяйство. Сельское хозяйство производит свыше 12% валового общественного продукта и более 15% национального дохода России, сосредоточивает 15,7% производственных основных фондов. Достижения науки и техники позволяют резко повысить эффективность сельскохозяйственного производства Но даже несмотря на высокое качество производимых исследований, Россия значительно отстает от мировых нанотехнологических лидеров. От масштабов и результатов инновационной деятельности, развития высоких технологий зависит будущее России.
5
слайд
Описание слайда:
Актуальность внедрения нанотехнологий в сельское хозяйство. В отличие от традиционных технологий, для агронанотехнологий характерен «индивидуальный» подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как «бездефектные» материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы биосистем с характерными наномеровыми размерами. Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве и пищевой промышленности являются производство и переработка продукции АПК, сельскохозяйственное машиностроение, технический сервис и экология. Конечная цель внедрения нанотехнологий в сельскохозяйственное производство – создание дружественной среды обитания человека и забота о его здоровье в течение всей жизни.
6
слайд
Описание слайда:
Основные направления использования нанотехнологий в АПК. Так, 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, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха.
7
слайд
Описание слайда:
Основные направления использования нанотехнологий в АПК. В животноводстве и птицеводстве нанотехнологии целесообразно использовать в технологических процессах, где они дают вспомогательное превосходство. При формировании микроклимата в помещениях, где содержатся животные и птицы, их использование позволяет заменить энергоемкую приточно-вытяжную систему вентиляции электрохимической очисткой воздуха с обеспечением нормативных параметров микроклимата: температура, влажность, газовый состав, микробиообсемененность, запыленность, скорость движения воздуха, устранение запахов с сохранением тепловыделений животных. В животноводстве и птицеводстве при приготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности в 1,5–3 раза, сопротивляемость стрессам, и падеж уменьшается в 2 раза
Описание слайда:
Риски и возможности дальнейшего применения агронанотехнологий. Станет возможным «внедрение» в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными – от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Будет достигнуто полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Предполагается, что нанотехнологии смогут, наконец, решить проблему бедности и голода путем замены «естественных механизмов» производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами Таким образом, подобное «сельское хозяйство» будет независимо от погоды и не будет требовать тяжелого физического труда и больших затрат на хранение и доставку пищевых продуктов.
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.
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.
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГОУ ВПО Вятская государственная сельскохозяйственная академия
Экономический факультет
Кафедра организации производства и предпринимательства
РЕФЕРАТ
по дисциплине: «Организация производства на предприятии отрасли»:
Использование в растениеводстве
Выполнила: Махнёва В.А., ЭЭ-422
Руководитель: Шабалина Т.В.
Киров 2010
1 История и основные понятия науки нанотехнология 4
1.1 Понятия и терминология науки нанотехнология 4
1.2 Наночастицы 6
Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 (свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. 6
1.3 Наноматериалы 7
2 Перспективы использования нанотехнологий в сельском хозяйстве 10
3. Применение нанотехнологий в растениеводстве 13
3.1 Применение наноэлектротехнологий в производстве зерновых культур 14
3.2 Применение нанотехнологий в овощеводстве 16
3.3 Применение нанотехнологий в растениеводстве закрытого грунта 17
3.4 Применение наночестиц при проращивании семян 18
3.5 Применение нанотехнологий при хранении плодоовощной продукции 19
3.6 Нанотехнологии в борьбе с нитратами 20
3.7 Нанотехнологии в кормопроизводстве 20
3.8 Удобрение из нанотрубок 21
4 Примеры использования препаратов, основанных на нанотехнологиях, в растениеводстве 22
4.1 Препарат Nano–Gro 22
4.2 Нанотехнологичекое удобрение «Биоплант флора» 25
Заключение 29
Список литературы: 31
Введение
В нашу эпоху все более ясным становится, что превосходство будет у тех стран, которые развивают электронику, нанотехнологии и биотехнологии. Развитие технологий в России не стоит на месте. Чуть ли не каждую неделю из уст передовых СМИ мы слышим о новых открытиях. В последнее время большинство из них относится к области столь популярных сейчас нанотехнологий. Эта новая наука, способная управлять атомами, стремительно входит в человеческую жизнь. У России есть значительные возможности, так как имеется существенный научный задел с советских времен по нанонауке. В нашу эпоху нанотехнологии великолепно управляют нанометровыми объектами и позволяют изготовать так называемые супермолекулы из крупных селективно связанных молекул. Что же представляет собой наука нанотехнология?Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
Большие надежды в применении нанотехнологий обнаруживаются и в агропромышленном комплексе. Увеличение производства и качества переработки сельскохозяйственного сырья, увеличение ресурса работы спецтехники, повышения сроков хранения, получение высококачественной пищевой продукции и кормов – все эти задачи агробизнеса могут решить нанотехнологии.
^
1 История и основные понятия науки нанотехнология
1.1 Понятия и терминология науки нанотехнология
Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:
наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.
В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.
При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология - новые области, очень мало исследованные.
Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.
Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап - полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать любое число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле - таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. Принципиальный недостаток такого робота - принципиальная невозможность создания механизма из одного атома.
Изложенные Фейнманом в лекции идеи о способах создания и применения таких манипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931. Но не только. В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» есть любопытный фрагмент:
Если бы, - говорит, - был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, - говорит, - увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал.
Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий, таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории нанотехнологом.
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: грядёт эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых можно было проанализировать работу устройства размерами в несколько нанометров.
1.2 Наночастицы
Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 (свыше 100 нанометров наночастицами можно назвать их условно) нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.
Нанообъекты делятся на 3 основных класса:
1) трёхмерные частицы получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т.д.,
2) двумерные объекты - плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д,
одномерные объекты - вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д.
1.3 Наноматериалы
Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.
Рис. 1 – Нанотрубки под электронным микроскопом
Фуллерены – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
Рис. 2 – Фуллерен С-60
4) Наноаккумуляторы – в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов, плотность энергии в которых будет в
несколько раз больше, чем в традиционных батареях этого типа. На практике это означает возможность создания аккумуляторов меньшего размера при сохранении их первоначальной ёмкости.
Рис. 4 - наноаккумуляторы
^
2 Перспективы использования нанотехнологий в сельском хозяйстве
Важной особенностью металлических наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании в АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими учёными.
Таблица 1 – Токсичность наночастиц металлов
| Дозы Мг/кг | Fe° | FeSO4 · 7H2O | Zn° | ZnSO4 · 7H2О | Cu° | CuSO4 · 7 H2O |
| МДП | 1100 | 20 | 450 | 10 | 25 | 3 |
| ЛД50 | 2200 | 60 | 700 | 25 | 45 | 6 |
| ЛД100 | 3200 | 90 | 1200 | 45 | 60 | 10 |
Оказалось, что токсичность наночастиц металлов во много раз меньше, чем токсичность ионов металлов: медь - в 7 раз, цинк – в 30 раз, а железо – в 40 раз. Это проверено на многочисленных экспериментах с соблюдением всех норм.
Металлические наноматериалы, полученные с помощью химических способов, практически всегда несут в себе не лучшую «наследственность» исходных химических соединений, что делает проблем их использование в отраслях с жёсткими требованиями к чистоте применяемых материалов, в том числе и в АПК.
Наиболее приемлемыми для таких отраслей является применение металлических наночастиц, полученных с помощью технологий, основанных на использовании физических явлений. Физическими способами получения металлических наноматериалов владеет лишь незначительная часть компаний-производителей наноматериалов, расположенных, в основном, в США, Великобритании, Германии, России, Украине. В частности, с помощью эрозионно-взрывных технологий получены такие новые наноматериалы:
1) неионные коллоидные растворы наночастиц металлов;
2) анионоподобные высококоординационные аквахелаты нанометаллов;
3) гадратированные наночастицы биогенных металлов;
4) электрически заряженные коллоидные наночастицы металлов;
5) элекрически нейтральные и электрически заряженные металлические наночастицы в аморфном состоянии и др.
К настоящему времени применительно к большей группе наноматериалов на основе металлов Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, получены технические условия (ТУ У 24.6-35291116-001:2007) и налажено их производство отнчественным производителем – компанией «Наноматериалы и нанотехнологии».
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. 1
^
3. 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.
^
3.1 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.
^
3.2 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.
^
3.3 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.
^
3.4 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.
Одним из объяснений подобного факта стало то, что нанотрубки, проникая сквозь оболочку семян, облегчают поступление воды к зародышу. Для проверки этого семена высушивали при t 250°С в течение 2 часов и затем определяли изменение массы. Как оказалось: в сухих семенах до высевания на среду содержание влаги составило 18,4%, в выдержанных два дня в питательной среде – 38,9% влаги. В семенах же, высаженных на среду с нанотрубками, было обнаружено 57,6% жидкости. Таким образом, ученым удалось доказать, что нанотрубки, накопление воды и прорастание семян связаны между собой. Ученые надеются, что данная работа (опубликована в ACS Nano) носит не только фундаментальный характер, но и будет иметь практическое значение для сельского хозяйства.
^
3.5 Применение нанотехнологий при хранении плодоовощной продукции
Примером использовании ненотехнологий при хранении плодоовощной продукции служит облучение растений когерентным светом.
Яблоки двух сортов - Антоновка обыкновенная и Синап северный обрабатывали квазимонохроматическим светом с высокой и низкой когерентностью. Высококогерентное излучение с шириной спектральной линии менее 1 нм получено с помощью гелийнеонового лазера.
Источником низкокогерентного излучения служила лампа накали вания с системой светофильтров, вырезающих спектральную полосу шириной 5080 нм с максимумом на длине волны генерации лазера (633 нм). Установлено, что лазерное облучение в течение 20 с снизило поражение яблок как гнилью, так и загаром. Причем в большей степени это проявилось на физиологическом нарушении - загаре.
Через 190 дней хранения эта патология встречалась в 3 раза реже, чем среди необлученных плодов. Исследования, проведенные под руководством академика Россельхозакадемии И. Ф. Бородина, позволяют сделать вывод, что когерентность света является важным параметром рабочего органа оборудования лазерных агротехнологий. Для достижения наибольшего биологического эффекта ширина спектральной линии не должна превосходить 2030 нм. Это условие является необходимым не только при обработке плодов, но и других растительных организмов, что позволяет относить процессы облучения высококогерентным, в частности, лазерным светом к категории нанотехнологий.
^
3.6 Нанотехнологии в борьбе с нитратами
Одним из острых вопросов в растениеводстве является восстановление качества зараженной нитратами почвы. Химические методы по очистке почвы от нитратных соединений не дают желаемых результатов из-за их сложности и больших материальных затрат.
Заслуживают внимания теоретические предпосылки для разработки способа очистки почвы от нитратных соединений, основанного на воздействии энергии УФИ на биологический объект - растение и почва. Для полного восстановления нитратов до усвояемой формы азота требуются затраты энергии 575,6 кДж/моль.
Известно, что длительное воздействие коротковолнового УФИ губительно действует на растение. Кратковременное воздействие излучения влияет положительно. Извлекаемые растением из почвы нитраты с помощью УФИ преобразуются растением в усвояемые формы.
^
3.7 Нанотехнологии в кормопроизводстве
Каротиностабилизирующая СВЧ-обработка витаминной травяной муки сокращает потери каротина в процессе сушки в 2,5 раза с 10 до 4%, а в период шестисемимесячного хранения обеспечивается сохранность каротина в муке до 9%, что в 2,32,8 раза выше, чем без СВЧ-обработки. Удельные энергозатраты сокращаются в 1,52 раза.
Многие хозяйства, основной деятельностью которых является производство мясного и молочного скотоводства, самостоятельно занимаются выращиванием фуражного зерна. Курским НИИ агропромышленного производства было показано, что протравливание посевного материала и обработка посевов в период кущения полимерным биоцидом (БИОПАГ) повышает урожайность ярового ячменя, яровой пшеницы и гороха. Это дает возможность снизить себестоимость кормов, а следовательно, решить поставленную задачу развития молочного и мясного скотоводства.
^
3.8 Удобрение из нанотрубок
Исследователи Арканзаского университета Литл-Рокского Нанотехнологического Центра установили, что экспозиция семян томатов в питательном растворе, содержащим углеродные нанотрубки приводит к их более быстрому и усиленному прорастанию. Учёные считают, что углеродные нанотрубки могут стать открытием для всего сельского хозяйства, открыв эру удобрений нового типа.
Принцип воздействия углеродных нанотрубок следующий. Благодаря своим микроскопическим размерам, нанотрубки легко проникают сквозь кожицу семени, способствуя лучшему проникновению воды и питательных веществ внутрь семян. Это и сказывается на скорости прорастания семян.
Тем не мене многие учёные считают, что использование подобных «нано-удобрений» может привести к непредсказуемым последствиям. Так некоторые опыты с «удобрением» томатов углеродными нанотрубками показали, что плоды оказались «токсичны» для плодовых мушек дрозофил. Кроме того, согласно некоторым исследованиям, углеродные нанотрубки являются канцерогенами для животных организмов.
^
4 Примеры использования препаратов, основанных на нанотехнологиях, в растениеводстве
4.1 Препарат Nano–Gro
Nano–Gro – это органический регулятор роста растений, в основе которого лежит новый революционный подход к повышению урожайности растений, улучшению качества урожая и укрепления иммунитета сельскохозяйственных культур. Производителем и создателем данного продукта является компания Agro Nanotechnology, Corp.Созданию Nano–Gro предшествовали 10 лет исследований влияния различных био-активных соединений на растения и их семена. Результаты позволил сделать вывод о степени воздействия веществ в наномолекулярной концентрации на биологические организмы. Технология в основе Nano–Gro была разработана как естественный, простой и недорогой метод повышения эффективности с.х. производства без использования синтетических химикатов.
В момент, когда раствор ингредиентов в наномолекулярной концентрации попадает на растение или семя, растение воспринимает их присутствие как определённый фактор стресса. Данный стресс является лишь воображаемым, тем не менее растение начинает готовиться к борьбе за существование, что выражается в увеличении массы и длины корней, к увеличению поглощаемого атмосферного азота и, следовательно, стимулированию синтеза белков растением, приращению биомассы и увеличению урожая.
Преимущества использования Nano–Gro:
повышает урожайность в среднем на 20%;
повышает сопротивляемость растений неблагоприятным условиям внешней среды, уменьшая зависимость с.х. от погодных условий;
продукт прост в использовании, поэтому может применяться в любых хозяйствах как в крупных, так и в малых;
позволяет уменьшить объём внесения азотных удобрений.
Для обработки овощей (огурцы, томаты, лук, салат) необходим раствор концентрацией 1 гранула на 1 литр воды. Семена замачиваются на 30 секунд в растворе Nano–Gro. Затем семена высушиваются в тени, а после того как семена высохнут, высаживаются в ящички.
Рис. 5 – Результат обработки растений препаратом Nano–Gro
Предпосадочная обработка семян препаратом Nano–Gro была испытана в США, Израиле, России, Китае, странах Евросоюза, Украине на зерновых и овощных культурах. Данное испытание показало хорошие результаты в каждом из тестов (15% - 60 % прирост урожая). Также препарат был испытан как средство защиты растений против грибковых и вирусных заболеваний, таких как, фузариазные гнили, серая гниль, бактериальные заболевания плодовых деревьев и пр. В данных испытаниях препарат Nano–Gro показал высокий эффект стимуляции иммунной системы.
Таблица 2 – Прирост урожая при использовании препарата Nano–Gro
В результате испытания самый большой прирост урожая был выявлен по озимому ячменю с 222 ц/га до 355 ц/га или на 59%. Ниже прироста урожайности овса и сахарной свеклы в 24% в испытании не наблюдалось.
Таблица 2 –Изменение некоторых признаков роста, развития и урожайности пшеницы под действием регуляторов роста в хозяйстве Пушкинское Нижегородской области
| Культура | Вариант | Высота растений перед уборкой, см | Урожайность, ц/га | Количество зёрн в колосе, шт. | Масса 1000 зёрен, г | Натура, г/л | Содержание сырой клейковины, % | Стекловидность, % |
| Яровая пшеница | Контроль | 102,1 | 41,7 | 31,2 | 37,1 | 744,4 | 20,3 | 69 |
| Раксил | 100,8 | 47,2 | 37,1 | 39,3 | 711,2 | 22,4 | 75 |
|
| Раксил + Nano-Gro | 97,1 | 48,9 | 32,6 | 38,6 | 729,6 | 24 | 81 |
|
| Nano-Gro | 98,5 | 50,6 | 38,3 | 38,9 | 725,4 | 24,7 | 83 |
Как видно из таблицы, обработка пшеницы препаратом Nano-Gro, повысила значения большинства анализируемых признаков.
П
оказатель увеличения урожая складывается из увеличения роста листьев, биомассы, плодов и семян в отдельности. Также тесты показали увеличение, в среднем на 10%, содержания в обработанных растениях белков и сахара в большинстве из проведённых опытов.
Тесты, проведённые в лабораторных условиях имели цель выявить изменения в биомассе корней, стеблей и листвы. Тесты показали увеличение биомассы корней на 9%, а биомассы листвы и стеблей на 40%. 2
Рис. 6 – Влияние Nano–Gro на увеличение биомассы корней, листвы и стеблей
^
4.2 Нанотехнологичекое удобрение «Биоплант флора»
Революционная формула удобрения «Биоплант Флора»позволяет увеличить урожай сельскохозяйственных культур минимум на40–50 процентов при снижении себестоимости продукции в два и более раз.
Полученные молекулярные структуры в наноразмерном состоянии, гораздо лучше усваиваются клетками растений, чтоповышает все биометрические показатели с.х. растений. «Биоплант Флора» повышает иммунную устойчивость растений в условиях различных внешних неблагоприятных факторах: резких перепадов температур, заморозков, засух, переувлажнения, недостатка суммы активных температур. Имеет мощное ростостимулирующее действие – стимулирует все физиологические процессы в растении: увеличивает энергию прорастания и всхожесть семян (до100%), стимулирует корнеобразование, способствует цветению и образованию завязей и плодов, активизирует процессы жизнедеятельности растений.
Многочисленные испытания «Биоплант Флора» наразличных сельскохозяйственных культурах вразных климатических зонах РФ, подтвержденные рядом научных учреждений. Высокую оценку удобрение «БиоплантФлора» получило ГНУ«ТатНИИСХ» Россельхозакадемии (г.Казань) по применению на пшенице, ячмене, рапсе; ГНУВНИПТИОУ Россельхозакадемии (г.Владимир) по применению на зеленных культурах; ГНУАФИ Россельхозакадемии (г.Санкт-Петербург) по применению на томатах; ГНУНИИСХ Юго-Востока (г.Саратов) по применению на пшенице и нуте.
Преимущества «Биолант флора»:
Увеличения урожайности на 20-50%, в некоторых случаях в 2-3 раза;
Повышение качества урожая (уменьшение уровня нитратов, повышение содержания витаминов);
Защита растений от болезней (биологическая эффективность в среднем 40-80%);
Повышение засухоустойчивости растений (на 10-60%);
Повышает выносливость к экстремальным погодным условиям, восстанавливает посадки после повреждений морозами;
Повышение эффективности минеральных удобрений (с возможным снижением их норм расхода на 30-50%);
Сокращение сроков вызревания до 30%;
Ростостимулирующий эффект у обработанных растений сохраняется в течение 2-3 месяцев.
Наночастицы гумилиновых кислот
Рис. 7 – Механизм действия удобрения «Биоплант Флора»
Благодаря применению «Биоплант Флора» восстанавливается нарушенное химикатами плодородие. Важным фактом является практически полная переработка пестицидов в почве, за счет активизации биоценоза корневой системы растений, улучшаются физические, химические и биологические свойства почвы, поддерживается плодородие, переводятся микро- и макроэлементы почвы в легкоусвояемые формы, увеличивается образование гумуса, а также подавляется развитие почвенных болезнетворных микроорганизмов. Что приводит к восстановлению плодородия земель сельскохозяйственного назначения.
Агротехника и применение:
Удобрение выпускается в концентрированном виде и перед применением разбавляется водой; расход от 0,25 до 6 литров на 1 га (в зависимости от обрабатываемой сельскохозяйственной культуры), фасуется в ёмкости от 5 мл до 1, 4.5, 8, 200 и 1000 литров;
Применение удобрения БИОПЛАНТ ФЛОРА не требует внесения изменений в существующие агроприёмы;
Обработка растений осуществляется опрыскиванием (опылением) растений и замачиванием семян водным раствором удобрения «Биоплант Флора» в зависимости от вида растения и периода внесения удобрений;
Удобрение «Биоплант Флора» имеет 4 класс опасности (малоопасное вещество);
Производится из органического субстрата, переработанного бактериями. Содержит воду, наногуматы, естественные органические кислоты, наноразмерные микроэлементы питания Mg, Mn, Mo, Fe, Co, Zn, Sи натуральные биологически активные вещества.
Рис. 8 – Слева контроль озимой пшеницы, справа обработанные «Биолант флора» (агрохозяйство «Нива Татарстана»)
Ниже представлены графики экономической эффективности применения удобрения «Биоплант флора» в агрохозяйстве «Нива Татарстана»:
Рис. 9 – Эффективность применения «Биоплант флора»
Рис. 10 – Структура себестоимости при производстве с.х. продукции (на примере зерновых) 3
Заключение
Пока не все могут объяснить, что такое нанотехнологии, но для всех ясно, что без них невозможен прогресс в аграрной отрасли.
Как считает директор Федерального государственного научного учреждения (ФГНУ) «Росинформагротех», профессор Вячеслав Федоренко: «Исследования, проводимые нашими учеными, показывают хорошие результаты. Они дают нам возможность говорить о том, что нанотехнологии могут использоваться буквально во всех отраслях сельского хозяйства, начиная от животноводства и заканчивая производством сельхозтехники».
За рубежом нанотехнологии применяются для улучшения качества упакованных продуктов питания. Рассеивание наночастиц в номерной матрице модифицированных слоев глины увеличивает сроки хранения упакованных продуктов.
Анализ разработанных нанотехнологических процессов и наноматериалов показал, что основными областями их применения в растениеводстве является применение нанопрепаратов, совмещенных с бактериородопсином, которое обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздушной среды.
Учитывая особую важность нанотехнологических исследований, их влияние на развитие настоящего и будущего сельского хозяйства России, необходимость увеличения объемов инвестиций в приоритетные направления модернизации сельскохозяйственного производства, необходимо:
1) Выработать ведомственную стратегию организации научно-исследовательских работ, ориентированных, прежде всего, на основные научно-технические цели, позволяющие рационально распределить ресурсы и быстро достичь намеченных показателей развития сельскохозяйственного производства.
2) Организовать взаимодействие и сотрудничество с многочисленными центрами и лабораториями, разнообразными организациями и учреждениями и, прежде всего, с концерном «Наноиндустрия» и его региональными центрами.
3) Создать в отрасли сельского хозяйства специализированный научно-исследовательский центр по координации и информационному обеспечению исследований по нанотехнологиям, наноматериалам, применяемым в сельском хозяйстве.
4) Пересмотреть систему подготовки кадров с учетом реализации приоритетных направлений развития науки и техники, в том числе - нанотехнологий и наноматериалов.
Ученые говорят не только о возможных выгодах в применении нанотехнологий, но и возможных рисках. Ведь наночастицы легко проникают через кожу, дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, взаимодействуют друг с другом, приобретая, таким образом, неизвестные свойства. Поэтому переход от микротехнологий к нанотехнологиям требует специальных фундаментальных исследований.
^
Список литературы:
В.Г. Каплуненко, Н.В. Косинов, А.Н. Бовсуновский «Растения и вещества» // «Зерно»// №4 (апрель), 2008 г.
В.И. Глазко «Направления использования нанотехнологий в сельском хозяйстве» // «Овощи России»// № 1-2, 2008 г.
http://nanogro.ru/Dominanta_site/o_Nano-Gro
