Нанотехнологии в сельском хозяйстве

Опубликовано 18.03.2014
Юрий Гордеев   |   просмотров - 9703,   комментариев - 3
Нанотехнологии в сельском хозяйстве
В истории человечества очень часто наиболее смелые и невероятно 
творческие идеи выдвигались не самими учеными, а дилетантами, 
наделенными даром активно и красочно пропагандировать новые теории, 
однако в последние десятилетия с неожиданными проектами 
к общественности и власти все чаще обращаются серьезные исследователи. 
/ Уве Хартманн

Мука и хлеб в России продолжают дорожать. Председатель правления Русской продовольственной компании Валерий Чешинский напомнил, что за последние полгода (данные на начало 2013 года) зерно подорожало практически в два раза, а цены на хлеб выросли в среднем на 13 процентов. А президент Российского зернового союза Аркадий Злочевский заявил, что отечественные пекарни смогут производить качественный хлеб, если его розничная цена составит 50-60 рублей за батон (в два раза больше сегодняшней отметки). Кроме того эксперты уверены, что даже в случае неплохого урожая в нынешнем году (2013 год) цена на зерно не упадет, а значит искать пути решения проблем отрасли следует совсем в другой плоскости. Современные технологии позволили бы повысить экономическую эффективность АПК. Все чаще говорят о создании благоприятной инновационной среды, и, в частности, о нанотехнологиях. Именно здесь ученые ищут новые точки роста.

Введение.

Термин «нанотехнология» придумал и ввел в обиход профессор Токийского научного университета Норио Танигучи в 1974 году. По мнению Танигучи, нанотехнология включает обработку, разделение, объединение и деформацию отдельных атомов и молекул вещества, при этом размер наномеханизма не должен превышать одного микрона, или тысячи нанометров.

В настоящее время под термином «нанотехнология» подразумевают совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы макромасштаба.

По сути, нанотехнологии дают начало третьей, невиданной по своему размаху научно-технической революции – появлению новой реальности, которая изменит облик мира уже к началу второго десятилетия XХI в. (рис. 1).

Рис. 1

Но, к глубокому сожалению, на сегодняшний день, земледелие остается одной из отраслей с наиболее низкой наукоемкостью, что определяет отставание агропромышленного комплекса в нанотехнологической гонке, хотя сельское хозяйство является одной из важнейших отраслей экономики любого государства. Оно дает жизненно необходимую человеку продукцию: основные продукты питания и сырье для выработки предметов потребления.

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 и расширить ареалы производства. Поэтому основное направление дальнейшего развития сельского хозяйства - его всемерная интенсификация.

Анализ состояния отечественной инфраструктуры наноиндустрии показывает, что, несмотря на высокое качество проводимых исследований и созданные научно-технологические заделы, инфраструктура наноиндустрии в России все еще значительно отстает от мировых нанотехнологических лидеров (рис. 2 и 3). Были созданы различные элементы инфраструктуры, функционирование которых, в большей степени, направлено на генерацию новых знаний, а не на коммерциализацию результатов научной деятельности.
 
Рис. 2


Рис. 3

При этом следует отметить, что создание лишь отдельных элементов инфраструктуры наноиндустрии, а не инфраструктурного комплекса, направленного на поддержку всех этапов коммерциализации технологий, не позволило полностью решить проблемы поддержки процесса коммерциализации технологий.

В период поиска оптимальной модели хозяйственного развития агропромышленного комплекса России, когда разрабатываются основы национальной инновационной системы, способной генерировать и коммерциализировать научные идеи, как никогда остро встает проблема разработки и внедрения новых высокоэффективных, экономически и экологически целесообразных технологий. От масштабов и результатов инновационной деятельности, развития высоких технологий зависит будущее России.

Особенно важно это для земледелия и в связи с тем, что уровень техногенного воздействия на биосферу и ее важнейшую составляющую часть - почву - будет постоянно возрастать. Увеличение антропогенной нагрузки снижает устойчивость природных экосистем в целом и требует все больших затрат энергии на поддержание агроэкосистем.

Конкретным примером может служить ощутимый недостаток натуральных продуктов питания. Продукция, которая производится сейчас, вредна для здоровья человека (рис. 4).

 

Рис. 4

Исходя из поставленных государством целей, необходимы новые подходы к земледелию, обеспечивающие максимальное снижение степени зависимости величины и качества урожая от внешних факторов. При этом нецелесообразно ориентироваться на дальнейшее увеличение применения агрохимикатов и технологий, входящих в конфликт с природной средой. Именно такие тенденции, противоречащие экологическим законам, ускоряют приближение природных катастроф. Становится совершенно ясно, что начинается новый этап развития аграрной науки и сельскохозяйственного производства. На этом этапе необходимы новые подходы к земледелию, обеспечивающие максимальное снижение степени зависимости величины и качества урожая от все больших дотаций энергии и неблагоприятных факторов окружающей среды.

Научная новизна агронанотехнологий заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров. «Сырьем» являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. 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 нанометровыми 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. Наиболее перспективными нанотехнологиями в сельском хозяйстве являются биотехнология и генная инженерия. Основными потребителями агронанотехнологий являются, в первую очередь, российские сельхозпроизводители.

Для внедрения достижений биофизически обоснованных агронанотехнологий необходима заинтересованность заводов и предприятий, выпускающих сельскохозяйственную технику. Выпуск такой малоэнергозатратной и высокорентабельной техники нового поколения должен заинтересовать и хозяйства всех форм собственности. Применяя на своих полях такую сельхозтехнику, принцип работы которой основан на современных достижениях нанонауки, возможно получать высокие урожаи экологически чистой продукции.

Потребителями экопродукции высокого качества должны стать в первую очередь граждане России. При дальнейшем развитии этих технологий, рынок сбыта продукции может быть расширен на страны ближнего и дальнего зарубежья.

Нельзя забывать и заинтересованность в этих технологиях различных научных учреждений (Минсельхоз, РАН, НИИ и ВУЗы сельскохозяйственной направленности). Применяя и изучая эти технологии, научные учреждения могут их модернизировать и совершенствовать для дальнейшего более эффективного использования на полях и фермах нашей страны.

Конечная цель внедрения нанотехнологий в сельскохозяйственное производство – создание дружественной среды обитания человека и забота о его здоровье в течение всей жизни.

Основные направления использования нанотехнологий в АПК.

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.

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. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.

Ожидается также положительное влияние наномагния на ускорение (вернее сказать, на 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.

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

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.

Российские ученые применяют на практике экологически чистую нанотехнологию электроконсервирования силосной массы зеленых кормов электроактивированным консервантом. Делается это взамен дорогостоящих органических кислот, требующих соблюдения строгих мер техники безопасности. Такая новая нанотехнология повышает сохранность кормов до 95%. Наночастицы железа и других микроэлементов включают в состав премиксов для повышения жизнестойкости животных и их продуктивности.

В животноводстве и птицеводстве при приготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности в 1,5-3 раза, сопротивляемость стрессам, и падеж уменьшается в 2 раза. Наноустройства, которые могут имплантироваться в растения и в животных, позволяют автоматизировать многие процессы и передавать в реальном времени необходимые данные.

В молочной промышленности нанотехнологии используются для создания продуктов функционального назначения. Развивается направление насыщения пищевого сырья биоактивными компонентами (витамины в виде наночастиц). 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 молочно-кислых пищевых продуктов.

В механизации на основе наноматериалов создано большое число препаратов, позволяющих сократить трение и износ деталей, что продлевает срок службы тракторов и другой сельхозтехники.

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 масложировой промышленности.

Нанотехнологии внедряются также и в переработке агропродукции. Так, новая наноэлектротехнология комбинированной сушки зерна основана на том, что 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 выпаривается горячим воздухом. 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 используют озон, что уменьшает количество бактерий в 24 раза и снижает в 1,5 раза энергозатраты.

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.

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 продукты.

Согласно общепринятой научной терминологии, продукт может называться «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). С нанопродуктами связывают увеличение производительности и уменьшение цен на пищевые продукты. 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 агронанотехнологий. По последним оценкам, стоимость рынка нанопродуктов уже составляет $410 млн., а к 2015 году ожидается рост до $5,8 млрд.!

Риски и возможности дальнейшего применения агронанотехнологий.

До недавнего времени никто даже не предполагал, что нанотехнологии будут иметь столь обширное практическое применение. Однако при этом возникают определенные опасения, насколько мудрыми люди окажутся в использовании этих достижений.

Естественно, что появляется огромная угроза возможной потери контроля человеком над этими процессами. Если в Японии перспектива развития нанотехнологий представляется преимущественно в радужном свете, то в других странах этот путь считается не столь очевидным по причине определенной и достаточно обоснованной тревоги по поводу возможного неблагоприятного воздействия продукции нанотехнологий на человека и на окружающую среду. Достаточно большое число влиятельных людей и организаций в западном мире призывают к установлению моратория на производство и на коммерческое применение материалов и изделий, изготовленных при помощи нанотехнологий. До тех пор, пока не будет достоверно определены все возможные последствия их применения, и до тех пор, пока не будет создан и одобрен всем мировым сообществом строгий свод правил для защиты человечества от угрозы для его существования. Аналогия с угрозами генной инженерии достаточно очевидная.

В связи с этим конгресс США принял закон, обязывающий американское правительство изучить все возможные формы воздействия продуктов нанотехнологии на общество, окружающую среду и здоровье человека. Правительство Великобритании сформировало консультативный совет по этическим проблемам, связанным с применением нанотехнологии. Главным предметом изучения совета являются возможные злоупотребления при попытках создания биологического оружия. У нас также ученые достаточно осторожно выражаются по этому поводу, считая, что до реального производства нанороботов еще далеко. О государственной оценке потенциальной угрозы неконтролируемого развития нанотехнологий тоже пока не известно.

Перспективы применения агронанотехнологий.

Созданы, промышленно выпускаются и предлагаются на рынке большое число наноматериалов: металлических, гидрооксидов, оксидов и композитных материалов, которые могут найти применение в сельскохозяйственной механизации. Но основным направлением развития нанотехнологий в этой области будет замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами любых механических объектов непосредственно из атомов и молекул. Причем возможно создание «персональных» синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих каждому человеку изготовить любой предмет по своему желанию.

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.

Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.

Нанотехнологии могут стать ключом к решению проблемы бедности во всем мире. Среди главных задач были названы очистка воды, хранение экологически чистого топлива и увеличение плодородности почв.

По мнению экспертов, исследования в этих областях, которые ведутся сейчас, позволяют воспринимать всерьез призыв ООН «победить бедность к 2015 году». Предполагается, что нанотехнологии смогут, наконец, решить проблему бедности и голода путем замены «естественных механизмов» производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами - комплексами из молекулярных роботов. Они будут выполнять те же химические процессы, что происходят в живом организме или в растении, и вырабатывать те же продукты, однако более коротким и эффективным путем.

Например, из цепочки «почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко» будут удалены все лишние звенья. В домах вместо холодильников появятся минифабрики пищевых продуктов, изготавливающих по заказу любой продукт, включая деликатесы. 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. Нанотехнологии позволят решить продовольственную проблему раз и навсегда. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй половине XXI века.

Заключение.

Совершенно очевидно, что сегодня в России имеется все для активного внедрения и продвижения нанотехнологий как во всей сфере экономической деятельности вообще, 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.

Как и другие инновации, нанотехнологии нужны и востребованы в АПК. Они уже находят применение в хозяйствах, в производстве кормов, в диагностике растений. Инновацию определяет много слагаемых, начиная от идеи и заканчивая массовым выпуском инновационной продукции. Каждый этап успешного развития – это и вопрос финансирования, и вопрос нормотворчества. Впереди нас ожидает огромная работа, но хочется отметить, что не только государство должно быть заинтересовано в развитии нанотехнологий, но и частный бизнес на селе должен в первую очередь проявлять инициативу.

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 РОСНАНО и его региональными центрами.

3) Создать в отрасли сельского хозяйства специализированный научно-исследовательский производственный 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.

А в общем и целом необходим усиленный поиск принципиально новых технологий, основанных на достоверном знании функционирования гомеостатических механизмов в живых системах различного уровня: от клетки до биосферы. Их изучение позволит выявить те точки бифуркации (биофизической реакции), в которых желательная ответная реакция системы может быть достигнута небольшим по затраченной энергии импульсом. Именно поэтому приоритетной задачей современного этапа становления сельского хозяйства нашей страны должно стать внедрение в технологические процессы новейших биофизически обоснованных агронанотехнологий.


Комментарии:

Редактировать Цитировать Имя
Равиль Тулумбаев, 24.03.2014 12:50:59
Спасибо большое за интересную и полезную публикацию!
Цитировать Имя
Юрий Гордеев, 21.03.2014 11:05:12
Станислав!
Спасибо за конструктивные замечания, будем над этим работать. Что касается конкретно Смоленской области, где я живу и много лет пытаюсь продвинуть свои научные достижения, то так оно и есть. То есть сельского хозяйства у нас практически нет и всем по барабану, не то что нано.
Цитировать Имя
Станислав Ордин, 20.03.2014 17:29:33
Дорогой Юрий,

Спасибо за добротный обзор, широта обзора впечатляет.
Но насчёт цифр есть некоторые сомнения.

Я привык плясать от печки и, в этом плане все свои рассуждения о значимости НАНО (что я сам неоднократно подчёркивал в своих статьях) обосновываю конкретными физическими и прочими соображениями. Кроме того (что тоже видно из моих статей) – показываю в какой атмосфере, внутринаучной и вообще общественной, ведутся в России научные работы и их внедрения. А в твоей статье этот момент ни как не просматривается. Поэтому и вызывают сомнения озвученные тобой цифры как по производству сельхозпродукции (когда в Ленобласти поля на 90% заброшены и многие заросли ядовитым борщевиком, а на Кубани вместо пшеничных морей – чертополох и перекати-поле), так и цифры по финансированию российскими фондами (это относится и к другой твоей статье) именно россиян (когда РОССИЙСКИЕ фонды финансируют ЗАРУБЕЖНЫЕ МЕГАПРОЕКТЫ, в которых, преподносится как достижение, принимают участие лишь несколько российских исследователей).

Но статья, на мой взгляд, полезная на перспективу, которая намечается, судя по попытками отойти от имитации к реальной политике и в области промышленности, и и во внешнеполитических действиях. Из этих действий следует необходимость восстановления самодостаточности России и в сельхозпродукции.

Успехов,
Станислав.