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.
По словам ученого, капсулы размером 10-100 нм значительно лучше растворяются, а потому подвижнее и эффективнее обычных вкусовых и ароматических капельных добавок. Это метод уже предложен предприятию Nutralease для усиления аромата кофе. Молекулы сахара и аминокислот заключены в особые нанокапли, которые разбрызгивают по кофейным зернам. В обычных условиях ни аромат, ни вкус ничем не проявляются, что, возможно, не является достоинством разработки. Однако под воздействием горячей воды при приготовлении нанооболочки разрушаются, и субстанции смешиваются с кофе, придавая необходимый и стойкий вкус. При этом введением в нанокапсулы тех или иных компонентов можно достичь самых разнообразных вкусовых оттенков.
Похожий метод также используют и для обработки шоколадных кондитерских изделий. Например, нанометровый слой диоксида титана, нанесенный на шоколадный батончик Mars, увеличивает его срок хранения в несколько раз. Фактически получается продукт, упакованный в оболочку (нанофольгу) из оксида титана. При этом сам нанометровый оксид титана также способен усваиваться организмом.
Однако, как и в случае с нанокосметикой, степень безопасности широкого применения нанотехнологических добавок пока однозначно не установлена.
Голландская фирма Friesland Foods — один из крупнейших в мире производителей сыров — разрабатывает технологию применения наноразмерных сит, более приемлемых с точки зрения безопасности конечного продукта. Цель этих работ — высокоэффективное разделение (сепарация) молока на протеины, полисахариды и молекулы жирных кислот.
По мнению участников Международного конгресса Nano 4 Food, проходившего в голландском городе Вагенинген, уже в ближайшем времени нанотехнологические добавки, способные изменять вкус и питательные свойства продуктов, станут обязательным компонентом многих пищевых продуктов.
Становится немного жаль, что в будущем вкус и аромат хрустящих французских булочек, бельгийских шоколадных кремов, изысканных голландских и швейцарских сыров станет не заботой умелых рук и теплотой душ известных всему миру мастеров, а одним из изделий заводов и фабрик по производству синтетических нанодобавок.
Перспективы развития нанонауки
Чтоб все знали — и бизнес, — что если он сегодня не пойдет в нанотехнологии… он пропустит все на свете. И будет в лучшем случае в телогрейке работать на скважине… которой будут управлять наши друзья и партнеры.
М. Фрадков, премьер-министр Российской Федерации (2007 год)
Согласно исследованиям, проведенным Foresight Nanotech Institute в 2005 году, использование нанотехнологий в будущем позволит решить ряд наиболее значимых для человечества проблем.
Как уже неоднократно упоминалось, нанотехнология открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов напрямую из заданных атомов и молекул и новые открытия в химии и физике, способные оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.
В своих работах Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры механических устройств при приближении размера компонентов к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что ученые недооценивали важность электрических, оптических и других эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом, разумеется, осознается, что электрические и другие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.
Произведя соответствующее масштабирование, Э. Дрекслер получил следующие численные оценки различных эффектов:
• позиционирование реагирующих молекул — с точностью около 0,1 нм;
• механосинтез — с производительностью около 106 операций/с на устройство;
• молекулярная сборка объекта массой 1 кг — ориентировочно за 104 с;
• работа наномеханического устройства — с частотой до 109 Гц;
• логический затвор — объемом около 10–26 м3, с частотой переключения менее 0,1 нс и рассеиваемой теплотой 10–21 Дж;
• компьютеры — с производительностью до 1016 операций/с/Вт; компактные вычислительные системы на 1015 млн команд в секунду.
Возможно и молекулярное производство макроскопических объектов. Оценки показывают, что устройство массой около 60 кг («настольная нанофабрика») сможет с молекулярной точностью изготовить объект объемом около 1 л и массой около 4 кг примерно за три часа. Это позволило бы за два дня создать