Нанобиотехнологии в кормлении животных, производстве и переработке сельхозпродукции. Учебное пособие

По активности научных исследований в области нанотехнологий и наноматериалов и расходам на эти цели в настоящее время лидируют США и Япония.

ВГерманиисозданыспециальныенаучно-исследователь- скиецентрыпонанотехнологиям.ВАнглииихразвитиемруководит Совет по физико-техническим исследованиям, разработана национальная инициатива по нанотехнологиям. Во Франции стратегию развития этого направления определяет центрнаучныхисследований,которыйвыработалпрограмму исследований нанопорошковых и нанокомпозиционных материалов.ВШвецииассигнованиянаисследованиявобласти нанотехнологий составляют около 10 млн долл. в год. Большое внимание уделяется созданию нанопокрытий. В Швейцарии утверждена государственная программа исследований по нанотехнологиям и внедрению их результатов в промышленное производство. Над проблемой нанотехнологий работает ряд крупных исследовательских центров.

ВЯпонии нанотехнологии находятся в числе четырех наиболее важных направлений научных исследований (медицина и здравоохранение, информационные технологии, экология, нанотехнологии).

Прогноз капиталовложений в коммерческие исследования в области нанотехнологий и наноматериалов свидетельствует, что наиболее перспективными отраслями являются информационные технологии: электроника (50 % всех капиталовложений), охрана окружающей среды, энергетика, биология и медицина.

ВРоссии имеется существенный научный задел по нанонауке: разработаны различные модели наноструктур

инанокристаллических материалов для медицины и сельского хозяйства.

Следует отметить, что термин «нанотехнология» также пока не утвердился в России. Вместо международного

51

термина «нанотехнология» используются десятки других, аналогичных по функциональному понятию и назначению, например: квантовая, лазерная, волновая, микроволновая, прецизионная терапия – в медицине; электротехнология – использование электрических, магнитных, оптических излучений; электромагнитные высоко- и сверхвысокочастотные поля, озон – в технологиях сельскохозяйственного производства.

Неоспоримо огромные перспективы использования нанотехнологий открываются в области увеличения производства и переработки сельскохозяйственного сырья, получения высококачественной пищевой продукции и кормов, повышения сроков исохранности продукции заданного качества при минимуме трудовых и ресурсоэнергетических затрат.

К сожалению, механизм реализации системного подхода в области нанотехнологий и организации производств на их базе не выработан, не определен вектор создания новой наукоемкойотраслипромышленности–наноиндустрии.От- сутствиереальныхпрактическихдействийвсферепромышленноговнедрениянанотехнологийведеткотставаниювсей отечественной индустрии в сфере наиболее перспективных, революционных технологий XXI в. и, как следствие, к потере конкурентоспособности российской промышленности и сельского хозяйства на внутреннем и зарубежном рынках, снижению уровня национальной безопасности России и ослаблению ее международных позиций.

В настоящее время подавляющее большинство российских ученых, работающих в области нанотехнологий, сосредоточено в институтах РАН и вузах, поэтому результаты разработок, как правило, реализуются в виде научных публикаций, отчетов и лабораторных образцов либо внедряются через систему грантов на зарубежных фирмах. Не подкрепленная международными патентами и промышленным

52

внедрением разработок, из страны идет массовая утечка научных знаний. Нет ни одной государственной или реально поддерживаемой государством специализированной науч- но-производственной структуры, сосредоточенной на разработке и внедрении в сельскохозяйственное производство нанотехнологий, наноматериалов и изделий на их основе.

В связи с этим необходимо разработать организационные приемы, которые будут способствовать выходу России на передовые рубежи мирового развития и внедрения нанотехнологий в сельском хозяйстве. Прежде всего, необходима федеральная целевая программа, ориентированная на решение системных задач, реализация которых, кроме непосредственнопрактическойпользы,дастсуммуновыхтехнологий, включая механизм все ускоряющегося прогресса и активного импортозамещения.

Появлениенарынкенанопродукциинашломгновенный отклик во всем мире. В 2002 г. была создана Европейская ассоциация нанобизнеса, ориентированная на коммерциализацию нанотехнологий. Сегодня центры ассоциации функционируют в Осло, Хельсинки, Копенгагене, Лондоне, Мюнхене,Мадриде,Будапеште,Софии–всегов12странах. Создан Азиатско-Тихоокеанский нанотехнологический форум, объединяющий усилия правительств, промышленности и ведущих научно-исследовательских институтов Ази- атско-Тихоокеанского региона, т. е. Россия движется, хотя и с опозданием, но по уже апробированному пути.

Чтобы достичь реальных результатов в сфере нанотехнологий в сельском хозяйстве, необходима кооперация предприятий различных направлений деятельности и разных форм собственности.

В настоящее время для развития нанотехнологий в России созданы концерн «Наноиндустрия» и 16 региональных центров.

53

С точки зрения системного подхода необходимо также формирование комплексно-целевых программ по отдельным направлениям развития наноиндустрии. Необходимо укреплять международное сотрудничество по вопросам нанотехнологий и наноматериалам.

Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям свидетельствует о необходимости выделения некоторых ключевых проблем в области разработки нанотехнологий и наноматериалов:

• формирование круга наиболее перспективных потребителей, которые могут обеспечить максимальную эффективность применения современных достижений. Необходимо выявить, а затем и сформировать потребности сельского хозяйства в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство;

• повышение эффективности применения нанотехнологий и наноматериалов. На начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем обычных, но более высокая эффективность их применения будет давать прибыль, поэтому необходимо среднесрочное и долгосрочное финансирование НИОКР по нанотехнологиям и наноматериалам с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования. Государство заинтересовано в быстрейшем развитии перспективного направления и должно взять на себя основные расходы на проведение фундаментальных и прикладных исследований, формирование инноваций;

• собственно разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить определенные приоритеты в науке и производстве;

54

• обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики;

• широкомасштабноеразвитиефундаментальныхисследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий;

• создание исследовательской инфраструктуры: − организация центров коллективного пользования уни-

кальным технологическим и диагностическим оборудованием;

− современное приборное оснащение научных и производственных организаций инструментами и приборами для проведения работ в области нанотехнологий;

− обеспечение доступа научно-технического персонала к синхронным и нейтронным источникам (как российским, так и зарубежным), сверхпроизводительным вычислительным комплексам;

− разработка специальной метрологии и государственных стандартов в области нанотехнологий;

• развитиефизическихиаппаратно-методическихоснов адекватной диагностики наноматериалов на базе электронноймикроскопиивысокогоразрешения,сканирующейэлектронной и туннельной микроскопии, поверхностно-чув- ствительных рентгеновских методик с использованием синхронного излучения, электронной микроскопии для химического анализа, электронной спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии;

• создание финансово-экономического механизма формирования оборотных средств у институтов и предприятий – разработчиков нанотехнологий и наноматериалов, а также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех

55

стадиях–отвыполнениянаучно-техническихразработокдо реализации высокотехнологической продукции;

• привлечение, подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обоснованного технологического комплекса Российской Федерации.

Продолжают развиваться наноэлектротехнологии

всельском хозяйстве. В 2006 г. был проведен научно-тех- ническийсеминар,посвященныйпроблемамиспользования нанотехнологий для развития сельскохозяйственного производства и повышения качества продукции.

Помимо решения проблем развития, ученые всего мира пытаются оценить риск применения и совершенствования нанотехнологий во всех отраслях, в том числе и в сельском хозяйстве. Однако ассигнования на анализ потенциальных угроз применения наноматериалов пока оченьневелики,несмотрянамножествотревожныхпредупреждений со стороны специалистов. Наночастицы легко проникают в организмы людей и животных через кожу, дыхательную систему и желудочно-кишечный тракт. Уже не подлежит сомнению, что некоторые нанообъекты могут оказывать токсичное действие на клетки различных тканей. В частности, такое воздействие оказывают углеродные нанотрубки, которые считаются одним из самых перспективных наноматериалов будущего. Наночастицы способны накапливаться в воздухе, почве и сточных водах, однако данных для точного моделирования таких процессов пока недостаточно. Наночастицы разрушаются под действием света и химических веществ, а также при контактах с микроорганизмами, но и эти процессы до конца не изучены. Как правило, наноматериалы легче вступают

вхимическиереакции,чемболеекрупныеобъектытогоже состава, и поэтому способны образовывать комплексные

56

соединения с ранее неизвестными свойствами. Это обстоятельство увеличивает технологическую перспективность нанообъектов и в то же время заставляет с особым вниманием относиться к связанным с ними рискам.

Для выработки и практической реализации необходимых и достаточных мер в области создания и развития нанотехнологий должна быть сформирована государственная политика, рассматриваемая как часть общей государственной научно-технической политики, определяющей цели, задачи, направления, механизмы и формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации по поддержке научно-технологических разработок и использованию их результатов.

Зарубежный опыт показывает, что развитие нанотехнологий зачастую требует создания совершенно иных, корпоративных, т. е. «горизонтальных» систем управления и связи. Поэтому государственная стратегия ускоренного развития нанотехнологии должна включать в себя усилия по объединению разнообразных разработок.

Анализируя отечественные разработки, следует отметить, что нанотехнологии и наноматериалы имеют значительные перспективы в биологии и генной инженерии, растениеводстве, животноводстве и переработке сельскохозяйственной продукции.

Биотехнология наряду с термической и механической обработкой исходного сырья является древнейшей в истории цивилизации. По меньшей мере 5 тыс. лет при сбраживании виноградного сусла, заквашивании теста и выпечке хлеба, производстве сыров, пива, кисло-молочных и других продуктов используются эффективные биологические катализаторы – ферменты, делающие возможными и избирательно ускоряющие желательные процессы во много раз

(иногда в 106–109).

57

Нанобиотехнология – сфера науки и производства, занимающаяся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровнях. В ней содержатся ключи к решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения,сельскогохозяйства,наноэлектроники,национальной обороны и безопасности (расшифровка генов человека, животных, растений, генная инженерия, мониторинг окружающей среды, утилизация отходов, хранение и переработка сельхозпродукции, диагностика и лечение болезней).

Свидетельством осознания возможностей и перспектив нанобиотехнологии являются высокие темпы роста инвестиций в эту область. В течение последних нескольких лет они ежегодно удваиваются. Это больше, чем в любой другой сфере нанотехнологии.

Новые направления физико-химических исследований значительно расширили возможности нанобиотехнологии. Прежде всего, это относится к генной инженерии, т. е. к использованию клеток, главным образом микроорганизмов, генетическая программа которых целенаправленно изменена введением в них молекул ДНК, созданных в лаборатории и кодирующих синтез нужного продукта. Таким путем можно получить значительное количество относительно дешевого конечного продукта, малодоступного при использовании других методов производства. Это обстоятельство, а также возможность сочетания различных фрагментов ДНК, в принципе позволяющая создавать необходимые генетические программы, открыли необычайно широкие перспективы.

Второе направление развития нанобиотехнологии связано с клеточной инженерией. Культура растительных клеток может служить, прежде всего, источником свойственных данному растению вторичных продуктов. Пользуясь способностью клеток растений превращаться на специаль-

58

ных средах в сформированное растение, клеточные культуры применяют для получения безвирусных растений, пытаются проводить селекцию форм с нужными свойствами. Клетки животных более требовательны к условиям культивирования, им необходимы дорогостоящие среды. Все более широкое применение находят так называемые гибридомы, служащие источником белков, необходимых для диагностики и лечения болезней человека, животных

ирастений.

Внастоящее время нанобиотехнология становится основой крупного промышленного производства. Исследования по генной инженерии и получению новых материалов все более актуальны. Это, например, относится к применению растениеводческой продукции в качестве биотоплива. Предполагается, что в ближайшем будущем разработки нанобиоиндустрии будут востребованы еще больше.

Всвязи с ростом населения в мире сельскому хозяйству предстоитнетолькоувеличитьпродуктивность,ноиуменьшить потери урожая в процессе уборки, послеуборочной обработки и хранения. Нанобиотехнология может внести существенный вклад в улучшение питания, сопротивляемости культур неблагоприятным погодным условиям, а также болезням и вредителям.

Свойства промышленного и сельскохозяйственного сырья на наноразмерном уровне позволят существенно сократить энергоемкость производства единицы продукции,

повысить надежность, сроки службы, автоматизировать и внедрить компьютерную технологию в установки и приборы экспресс-контроля и определения качества пищевой продукции, лечения и удлинения продуктивной деятельности биообъектов.

В настоящее время большой интерес представляют так называемые наноэлектротехнологии, т. е. биологические

59

ифизиологические процессы, осуществленные с помощью наноэлектрочастиц (электронов, протонов, ионов, фотонов) на уровне живых клеток и микроорганизмов.

Под термином «наноэлектротехнология» понимаются электрофизические воздействия оптического излучения ультрафиолетового (УФ) диапазона на сельскохозяйственные объекты и их составные элементы на уровне биоклеток

иих структур.

КУФ-излучению относится часть оптической области спектра с длинами волн от 10 до 400 нм, которые обладают наибольшей энергетической активностью по сравнению с видимым и инфракрасным (ИК) излучением. Исследованиями воздействия УФ-излучения на организм животных

ирастений установлено выраженное разностороннее биологическое действие как естественного, так и искусственного излучения.

Фитобиологические реакции независимо от того, в каком объекте они протекают, разделяются на две группы: функционально-физиологические и деструктивно-модифи- цирующие.

Внаучных коллективах агропромышленного профиля разработано и обосновано более 100 энергосберегающих наноэлектротехнологий, в том числе с использованием электромагнитных полей сверхвысоких частот (ЭМП СВЧ), оптических и ультразвуковых излучений, электрических зарядов и импульсов, элекроаэрозолей и ионов.

Интерес к нанотехнологиям обусловлен тем, что при воздействии на наноуровне материалы и объекты изменяют свою структуру и приобретают некоторые полезные свойства, включая химические, электрические и оптические. Перспективными направлениями применения нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве могут быть следующие.

60