Фильтрующие и поглотительные системы углекислого газа, созданные из таких цеолитных материалов для автомобильной техники и тепловых электростанций, могут заметно снизить выбросы парниковых газов в атмосферу, что предусмотрено требованиями Киотского протокола.
Основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в агропромышленном комплексе (АПК) – биотехнология (прежде всего это относится к генной инженерии), производство и переработка продукции агропромышленного комплекса, очистка воды, а также проблемы качества продукции и защиты окружающей среды (в частности, сельскохозяйственных угодий).
Одной из самых главных проблем ближайших десятилетий станет проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3 %, из которых лишь 1 % потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.
Огромное значение имеет применение нанотехнологий для очистки и дезинфекции воды. Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и фильтрации нового поколения.
Другой важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность мирового населения в настоящее время составляет около 6,5 млрд человек, а к 2050 году достигнет 8,9 млрд, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.
Несмотря на протесты мировой общественности, в ряде регионов, особенно с большим приростом населения и неблагоприятными условиями для сельскохозяйственных работ, продовольственную проблему не удастся решить без разработки, создания и производства методами био– и нанотехнологий трансгенных высокопродуктивных растений, устойчивых к вирусной ин фекции.
Предполагается, что применение нанотехнологий позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.
В растениеводстве применение нанопорошков, совмещенных с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например картофеля, зерновых, овощных и плодово-ягодных.
Рассмотренные выше цеолитные материалы, вследствие значительной суммарной емкости пор и способности к ионному обмену с питательными микроэлементами (молекулами) удобрений, могут успешно применяться для обеспечения более длительного действия (эффект пролонгирования), предотвращения вымывания питательных веществ после внесения, а также в качестве носителя пестицидов. Установлено также положительное воздействие цеолитов на оптимизацию кислотности песчаных, заливных, вулканических и дерново-подзолистых почв, а также на предотвращение слеживания минеральных удобрений в процессе хранения.
Применение цеолитных материалов в земледелии из расчета 0,5–2 т на 1 гектар сельскохозяйственных угодий способствует повышению урожайности моркови на 63 %, баклажанов – на 55 %, риса – на 35 %, томатов и перцев – на 33 %, яблок – на 28 %, кукурузы – на 10 %, пшеницы – на 15 % и т. д.
В результате отмечается не только прирост урожайности, но и улучшение всхожести семян, повышение устойчивости растений к заболеваниям (например, ячменя – к мучнистой росе), а также длительное удержание влаги в почве, что особенно актуально для южных регионов или возможных периодов засухи.
Будет получен новый тип нанотехнологических препаратов для борьбы с фитопатогенными бактериями на основе использования новых микроорганизмов, впервые выделенных учеными Российской Федерации, – хищных нанобактерий, своего рода «живых антибиотиков» для растений.
В настоящее время создаются микробные препараты на основе ассоциативных, эндофитных и симбиотических бактерий для использования в качестве продуцентов и транспортеров в растения различных ферментов и низкомолекулярных биологически активных веществ (нанообъектов), которые способны улучшать адаптацию растений к неблагоприятным факторам среды: загрязнению токсичными металлами, засолению, повышенной кислотности почвы и засухе.
На основе металлоорганических наноразмерных структур микробного и растительного происхождения будут созданы технологии выведения токсичных элементов из системы ризосфера-микроорганизмы-растение, что позволит повысить устойчивость широкого набора сельскохозяйственных культур к неблагоприятным агроклиматическим факторам и условиям.
Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липидно-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве (табл. 16), а также для создания биосовместимых материалов, перестройки, облагораживания и восстановления тканей, создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточная организация) в животноводстве и для снижения вредного воздействия автотракторного парка на природную среду.
Таблица 16. Идентификация сортовъх нанопризнаков методами оптической флуоресценции и отражения
В животноводстве нанодобавки находят широкое применение в приготовлении кормов, где обеспечивают повышение продуктивности животных в 1,5–3 раза, а также способствуют повышению их сопротивляемости инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых добавок позволяет не только значительно снизить их расход, но и обеспечить более полное и эффективное усвоение животными.
Например, уже упоминавшиеся цеолиты успешно используются при производстве комбикормов и кормовых концентратов, которые подаются в пищу скоту и птице. При введении в рацион молодняка жвачных животных цеолитов учитываются их ионообменные свойства, способствующие ослаблению токсичного действия аммиака. В качестве иммуномодулирующей антитоксической кормовой добавки для животных предлагается использовать нано– и микропорошковые твердофазные ферменты (Bacillus subtilis ) тонкоизмельченных фитосубстратов.
Другое направление нанотехнологических работ в сельском хозяйстве – исследования в области применения бионанотехнологий. К ним относятся технологии по направленному белковому синтезу для получения пептидов с желаемыми иммуногенными свойствами. Создаются векторные системы для клонирования иммунологически значимых белков возбудителей особо опасных болезней животных и вакцины нового поколения, обладающие высокой активностью и безопасностью.
Активно ведутся исследования по получению наночастиц генно-инженерных протеинов, разработке биочипов и тест-систем для биологического скрининга, иммунологического мониторинга и прогнозирования опасных и экономически значимых инфекционных заболеваний животных (бешенства, бруцеллеза, кампилобактериоза, клостридиозов, гриппа свиней, некробактериоза, болезни Марека, гриппа птиц, бешенства).
Внедрение мембранных систем очистки, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра будет способствовать упрощению и повышению уровня содержания сельскохозяйственных животных, обеспечению их качественной питьевой водой.
Проводятся исследования по разработке нанобиотехнологических методов выявления маркеров, сцепленных с хозяйственно=ценными признаками, вирусными, бактериальными и паразитарными заболеваниями рыб и их возможному применению в практике рыбоводства при культивировании основных объектов аквакультуры.
В настоящее время во всем мире пищевыми компаниями проводятся интенсивные исследования в области нанобиотехнологий функциональных пищевых добавок и веществ с применением методов ультра– и нанофильтрации, нанокапсулирования, дезинтеграции, а также использованием направленной контролируемой ферментативной модификации нанобиоструктур, например сыров, йогуртов и т. д.
Пищевые компании все чаще применяют в продовольственных товарах (продукты питания, напитки, жевательная резинка) биологические наночастицы размерами в несколько сотен атомов.
«Нанотехнологически видоизмененные продукты позволят улучшить здоровье людей», – считает химик из института прикладной химии Еврейского университета в Иерусалиме (Casali Institute ofApplied Chemistry in the Hebrew) Ниссим Гарти (Nissim Garti), предложивший создавать наноконтейнеры из витаминов и пищевых кислот по аналогии с косметическими разработками.
