«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 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 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 г. 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.

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, расширить ареалы производства и пр. 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. Были созданы различные элементы инфраструктуры, функционирование которых, в большей степени, направлено на генерацию новых знаний, а не на коммерциализацию результатов научной деятельности.

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.

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 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 . 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, РАСХН, 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, 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 масло-жировой промышленности.

Внедряются нанотехнологии 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). Ожидается также 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 г. 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.

Совсем недавно 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, 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.

Будет достигнуто 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, 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.

Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве являются биотехнология, прежде всего это относится к генной инженерии, производству и переработке продукции агропромышленного комплекса, очистке воды, а также проблемам качества продукции и защиты окружающей среды.

В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, но на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.

На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альдегиды, оксид углерода (II) и углеводороды. Степень их воздействия на человеческий организм зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во-вторых, она выступает в роли накопителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наличие сажи в отработавших газах (ОГ) приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр -- 50--180 нм, масса -- не более 10~10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2-10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие (размером 50--200 нм) задерживаются в легких и вызывают аллергию.

Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.

Ученый СССР С. Лабинов, предлагает концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. После израсходования всего порошка топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.

По мнению Дэвида Бича руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Окриджа штата Теннесси (США), металлическое топливо, подобно водороду, -- источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Такое топливо можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.

Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии, чем в современном бензиновом двигателе

Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночастицы можно было получать по разумной стоимости.

Главная проблема двигателя на металлическом топливе -- достаточно большой вес топлива, даже с учетом его большей энергетической емкости. Объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля, эквивалентный 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.

Бор и углерод -- соседи по таблице Менделеева, оба элемента -- неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов небольшие. Главное следствие этого сходства -- быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия -- это, по существу, химия углеводородов и их производных.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липидно-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве, 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. 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.

Огромное значение имеет применение нанотехнологии для очистки и дезинфекции воды. Внедрение мембранных систем очистки, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра способствует упрощению и повышению качества содержания сельскохозяйственных животных, обеспечению их качественной питьевой водой.

Не менее актуальна проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3%, из которых только 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.

Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования, в том числе, недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и систем фильтрации нового поколения .

нанотехнология строительство медицина мембранный

Середа Алина

Работа посвещена нанотехнологиям в сельском хозяйстве.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Нанотехнологии в сельском хозяйстве Работу подготовила обучающаяся 11 «Д» класса МБОУ Бутурлиновская СОШ Середа Алина Руководитель: Абрамова Тамара Ивановна

С каждым годом в мире происходит все больше изменений. Повышается температура, ухудшается экологическая ситуация, - все это и многое другое негативно сказывается на развитии сельского хозяйства. Серьезная угроза – микотоксины, заражающие урожаи. В помощь приходят нанотехнологии, возможности которых поражают и вселяют надежду на безоблачное будущее. С применением нанотехнологий появилась возможность решать проблемы в сельском хозяйстве и в частности с микотоксинами.

Нанотехнологии – это новое направление науки и технологии, активно развивающееся в последние десятилетия. Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров

Проблема распространения микотоксинов появляется с периодичностью во многих странах мира. Сами микотоксины представляют собой разновидность грибка, угрожающего жизнедеятельности живых организмов. Животные, зараженные таким грибком подвержены больше других различным заболеваниям и инфекциям, у них снижается репродуктивная функция, нарушается питание. Растения теряют свою питательность, срок хранения снижается, многие зараженные культуры становятся не пригодными для приема в пищу. Это далеко не все проблемы, решение которых очень важно и значимо для всех стран.

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

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 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 статуса.

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

Применение наноэлектротехнологий в производстве зерновых культур Биологически активные наночастицы железа могут помочь повысить урожайность некоторых зерновых культур от 10 до 40%.

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.

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. Применение нанотехнологий в растениеводстве закрытого грунта

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. Исследователи отмечают, что семена некоторых видов растений способны накапливать тяжелые металлы, такие как барий или свинец. Известно, что некоторые наноразмерные частицы будут также проникать сквозь оболочку семян и влиять на их прорастание. Применение наночестиц при проращивании семян

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.

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 Нанотехнологии в борьбе с нитратами

Нанотехнологии в кормопроизводстве 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.

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.

Так, в растениеводстве применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности почти всех продовольственных и технических культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального статуса.

Ученые нанотехнологи много работают на благо развития сельского хозяйства. Помимо вышеперечисленных, разработчики создают новые виды растений и организмов, удобрения и составы. Нанотехнологии развиваются и со временем кардинально изменят нашу жизнь.

Термин «нанотехнологии» уже не первый год на слуху. Однако разбираются в нем далеко не все. Так, считается, будто это наука будущего и применяется она в узкоспециализированных областях. Но это, мягко говоря, не совсем так. Например, нанотехнологии уже активно используются в сельском хозяйстве .

Сельское хозяйство не обходится без спецтехники и от ее работы во многом зависят результаты труда крестьян. Поэтому именно спецтехника стала одним из первых проводников нанотехнологий в сельском хозяйстве. Так, благодаря обработки деталей наночастицами, ресурс узлов и агрегатов вырастает в 7-8 раз.

Например, в фермерских хозяйствах Омской области обрабатывают самую уязвимую часть комбайна, стрельчатые лапы, золотыми наночастицами. В итоге их ресурс вырос с 18 до 120 гектаров на лапу.

Нанотехнологии в овощеводстве

Специалистами доказано, что применение нанопрепаратов в растениеводстве обеспечивает повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Кроме того, нанотехнологии существенно повышают урожайность культур - для картофеля, зерновых, овощных, плодово-ягодных, хлопка и льна в 1,5-2 раза.

Интересная технология разработана Санкт-Петербургским аграрным университетом. Наноудобрения заключаются в микрокапсулы из малорастворимых восков. В результате питательные вещества выделяются постепенно и равномерно. Это позволяет получить не только максимум пользы от удобрений, но и снизить до минимума химическую нагрузку на почву.

В Рязанской сельскохозяйственной академии уже 10 лет проводят исследования по обработке семян наноудобрениями, состоящими из разных металлических порошков. И достигли успеха. Протравливание семян определенной концентрацией железа, кобальта и меди (всего 3-5 мг на 1 га посевов) многократно окупается прибавкой урожая.

Нанотехнологии уже активно внедряются в послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, при хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздушной среды. А недавно было сделано очень важное открытие в изучении биологической роли кремния для живых организмов. 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.

Нанотехнологии в животноводстве

В настоящее время наибольшее распространение в сельском хозяйстве нанотехнологии получили в ветеринарии, животноводстве и птицеводстве . Их применение повышает продуктивность, улучшает качество продукции и условия содержания животных.

К примеру, в Калужском региональном центре «Нанобиотехнология» ведутся исследования по использованию спецдобавок в корм. Разработанный специалистами состав не нарушает геном наследственности, микрофлору пищеварительного тракта. Наоборот, налицо улучшение усвоения пищи, продуктивности животных. Плюс нанодобавки обладают высокими бактерицидными свойствами.

А ещё российские ученые применяют на практике экологически чистую технологию электроконсервирования силосного корма. Делается это взамен дорогостоящих органических кислот, требующих соблюдения строгих мер техники безопасности. Такая нанотехнология повышает сохранность кормов до 95%. В животноводстве и птицеводстве это обеспечивает повышение продуктивности в 1,5-3 раза, сопротивляемость стрессам, и падеж уменьшается в 2 раза.

При формировании микроклимата в помещениях, где содержатся животные и птицы, использование нанотехнологий позволяет заменить энергоемкую приточно-вытяжную систему вентиляции электрохимической очисткой воздуха. Также наноустройства можно имплантировать в животных. Это автоматизирует многие процессы и дает возможность передавать в реальном времени необходимые данные.

Нанотехнологии в переработке агропродукции

Широкое распространение сегодня получает технология мембранной фильтрации . Использование мембран на основе наноматериалов позволяет проводить высокую очистку воды, соков, молока и других жидкостей.

Создана наноэлектротехнология комбинированной сушки зерна. 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 используется озон, что уменьшает количество бактерий в 24 раза и снижает в 1,5 раза энергозатраты.

Перспективно применение нанотехнологий и в хлебопекарной промышленности . Сегодня примерно 60% муки производится из зерна невысокого качества. Это, естественно, отражается и на микробиологических показателях хлеба. Ученым из Сибири удалось создать нанокомпозит. Его незначительное введение в рецептуру хлебобулочного изделия делает его более полезным для потребителя.

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.