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

Нанороботы (сравнимы по размерам с кровяными клетками или даже меньше их) способны исследовать каждый капилляр. Они поддаются управлению при проведении диагностических операций. Путем применения высокоскоростных беспроводных средств коммуникации нанороботы могут быть объединены в сеть с другими компьютерами, а также образовывать базы данных исследуемых объектов.

Наноустройства, которые могут имплантироваться

врастения, животные, позволяют получать и передавать

вреальном времени данные о скорости роста и других физиологических характеристиках, обеспечивают определение структуры и продуктивности исследуемых объектов, состоянияокружающейсреды,атакжеуровнейхимических и физических рисков.

Ключевой особенностью биологических наноструктур является способность к распознаванию на молекулярном уровне, которая играет очень важную роль в процессах самосборки атомных и молекулярных структур. Процесс самосборки имеет две характерные особенности: молекулы обладают высокой активностью по отношению друг к другу, а в результате образования связей формируется структура с предсказуемыми свойствами. Ученые, которые стремятся создавать определенные наноструктуры, предпочли бы имитировать подобные механизмы сборки. Вместо того чтобы «спускаться» с макроскопического уровня, используя все более точные и дорогостоящие инструменты, удобнее былобысоздаватьнаноконструкции«снизувверх»,начиная с химических систем.

Одно из преимуществ конструирования «снизу вверх» – огромное химическое разнообразие. Поскольку на поверхности компонентов клетки на единицу площади приходится множество функциональных групп, то в ка-

61

честве строительного блока можно использовать всю эту сложную в химическом отношении поверхность. В принципе возможно менять положение и ориентацию такого блока. Конструирование «сверху вниз», напротив, основано на материалах с небольшим химическим разнообразием. Другое преимущество – значительные количества вещества, с которыми приходится иметь дело на химическом уровне. Всего 1 пмоль вещества содержит 1012 молекул. Компонент, который с наибольшим успехом применяется в экспериментах по имитации биологической самосборки, – ДНК.

Обеспечение населения безопасными продуктами питания при минимальном загрязнении окружающей среды – основа выживания человечества. В этом аспекте роль нанотехнологий в сельском хозяйстве развитых и развивающихся стран, в том числе и России, вероятно, будет доминирующей.

Развитие нанотехнологий в сельском хозяйстве в значительной степени зависит от потребности в продуктах питания, а также от изменения доходов населения. Рост потребности в продуктах питания приводит к интенсификации сельскохозяйственного производства и увеличению техногенной нагрузки на окружающую среду. Теоретически эта интенсификация возможна в большинстве развитых стран и приводит к перенасыщению севооборотов, нарушению экологического равновесия.

При этом первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов. С помощью нанотехнологий можно заменить морально устаревшие и неэффективные технологии, особенно в тех областях, где традиционными методами в принципе невозможно достичь требуемых результатов.

62

Ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России позволит решить приоритетные задачи повышения качества жизни населения, достижения экономического роста, развития фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечения обороны и безопасности страны.

Наиболее перспективными в сельском хозяйстве являются биотехнология и генная инженерия. Биотехнология использует наноразмерные объекты для биологических процессов получения ценных кормов, белково-витаминных добавок в пищевой промышленности.

Генная инженерия – это направление биотехнологии, разрабатывающее генно-инженерные клеточные методы

итехнологии создания трансгенных продуктов переработки, новых трансгенных растений как сырья для биотоплива

ибиодизеля, а также трансгенных пород животных и птицы.Вееосновележатспециальныетехнологиинетолькона нано-, но и пикоразмерном уровне (10–12 м).

Использование особых свойств промышленного и сельскохозяйственного сырья на наноразмерном уровне позволит существенно сократить энергоемкость производства единицы продукции, повысить надежность, сроки службы, автоматизировать и внедрить компьютерные технологии в установки и приборы экспрессконтроля и определения качества пищевой продукции.

Внаучных коллективах агропромышленного профиля имеются наработки по использованию нанотехнологий в производстве продукции растениеводства, животноводства и пищевой промышленности. Уже сегодня необходимо особое внимание уделить научным исследованиям, подготовке кадров, использовать достижения в решении проблем нанотехнологий в смежных отраслях.

63

2.1. Нанобиотехнологии в растениеводстве, производстве кормов

Научные исследования и практика показывают, что именно высокоточные агротехнологии обладают наибольшей биологической эффективностью, экономичностью и экологической безопасностью. Их характерной особенностью является механизм воздействия на растительный организм и окружающую среду посредством выбора оптимальных условий, режимов и средств реализации этого воздействия.

Традиционно наночастицы, или наноструктуры, определяют как объекты в диапазоне размеров от 1 до 100 нм. Многие биологические материалы классифицируются как наночастицы.

Бактерии, размерный интервал которых находится между 1 и 1 мкм, принадлежат миру мезоскопических масштабов, в то время как вирусы размерами от 10 до 200 нм находятся в верхней части диапазона наночастиц. Белки, размеры которых обычно лежат между 4 и 50 нм, находятся внизу нанометрового диапазона. Строительные блоки белков (аминокислоты) имеют размеры около 1 нм, что находится вблизи нижней официальной границы наноструктур. В природе встречается более 100 аминокислот, но только 20 из них используются организмами при синтезе белков. При формировании молекулы белка эти 20 аминокислот последовательно соединяются друг с другом прочными пептидными химическими связями и образуют длинные полипептидные цепи, содержащие сотни, а в некоторых случаях – тысячи аминокислот. В некотором смысле их можно уподобить нанопроволокам. В результате изгибов и сворачивания полипептидные наноцепи упаковываются в сравнительно небольшой объем, соответствующий полипептидной наночастице с типичным диаметром в диапазоне 4–50

64

нм. Таким образом, белок – это наночастица, которая представляет собой упакованную определенным образом полипептидную наноцепь.

Генетический материал – ДНК также имеет структуру упакованной наноцепи. Ее строительные блоки– 4 нуклеотида, которые связываются вдлинные двойные спиральные наноцепи. Таким образом, молекула ДНК – двойная наноцепь, две нуклеотидные наноцепи закручены друг вокруг друга с периодом 3,4 и 0,2 нм. Упаковываясь в хромосому длиной около 6 мкм ишириной 1,4 мкм, ДНК вынуждена многократно скручиваться и складываться. Сама по себе хромосома не настолько мала, чтобы считаться наночастицей, поскольку ее размеры лежат в мезоскопическом диапазоне.

Одним из основных направлений нанобиотехнологии в растениеводстве является получение растений, толерантных к воздействию гербицидов. Гербициды широкого спектра действия, уничтожая сорные растения, оказывают угнетающее действие и на культурные посевы. Получение толерантных к гербицидам растений ведется в двух направлениях: прямая селекция резистентных к гербицидам форм растений; создание трансгенных растений путем введения генов гербицид-толерантности любого происхождения, так как гены устойчивости к гербицидам существенно удешевляют процессы получения высокого урожая.

Для создания растений, устойчивых к вредным насекомым, были разработаны различные стратегии. В одном случае использовали ген инсектицидного (энтомоцидного) белка-токсина, в другом – гены растительных белков, эффективных в отношении широкого круга вредных насекомых. Распылять инсектициды в этом случае не требуется, токсинынепопадаютвокружающуюсреду,акрометого,не возникает проблем, связанных с ограничением времени их действия в результате разложения.

65

Вмировойпрактикенакопленполезныйопытпроизводства биотоплива (этанола) из растительного сырья модифицированныхрастений.Вчастности,вБразилиинатранспортеширокоиспользуетсяэтанол,производимыйизсахарного тростника, который выращивают в больших объемах.

Новое направление биоэнергетики – производство биодизельного топлива из растительного масла модифицированныхмасличныхкультур.Долимасличныхкультурвмире как источника сырья при производстве биотоплива следующие: рапс – 84 %, подсолнечник – 13, соя – 1, масличная пальма – 1, другие – 1 %. Биодизельное топливо на основе рапсового масла (из модифицированных растений) используется в Италии, Германии, Франции, Бельгии, Нидерландах, Чехии. Страны Евросоюза ежегодно производят более 600 тыс. т биодизельного топлива. Таким образом, аграрное производство при развитии нанотехнологий постепенно из потребителя энергии становится и ее производителем. Использование биотоплива в аграрном производстве прошло стадию научно-исследовательских работ и приобретает реальное промышленное значение.

Изменяя соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в мембранах растительных клеток, ученые создали холодоустойчивые, засухоустойчивые формы трансгенных растений, а также растения, устойчивые к засолению почв.

Внедрение генной инженерии в сельскохозяйственное производство затрагивает многие сферы экономики, общественных отношений и носит революционный характер. Остановить этот процесс уже невозможно. Генетически модифицированныерастенияипродуктыизнихсулятнетолько экономическую выгоду, но и будут способствовать решению многих социальных и экологических проблем. Развитие нанотехнологийнаосновегеннойинженериидаетвозможность

66

повысить продуктивность и экономическую эффективность сельскохозяйственного производства, расширить потребительские свойства производимых продуктов.

В растениеводстве применение нанопрепаратов, совмещенных с бактериородопсином, обеспечивает повышение урожайности 1,5–2 раза и устойчивости к неблагоприятным погодным условиям почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Нанотехнологии применяются в послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, а также при хранении овощей и фруктов в регулируемой газовой среде.

Применение в защищенном грунте светотрансформирующей нанопленки, разработанной в НИИ «Платон», позволяет увеличивать урожайность овощных культур в 1,5 раза и ускорять их созревание.

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, продовольствияикормов.Всельскохозяйственныхнаучных организациях России исследовано использование наноэлектротехнологий в производстве продуктов растениеводства.

Новая наноэлектротехнология комбинированной сушки зерна осуществляется циклично: конвективный нагрев зерна до 50 °C, а затем кратковременная СВЧ-обработка, 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 капельно-жидком состоянии. С поверхности влага удаляется подогретым

67

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 используется озон, что повышает эффективность обеззараживания в 2–4 раза и снижает в 1,3– 1,5 раза энергозатраты.

Наноэлектротехнология СВЧ-микронизации зерна основана на эффекте декстринизации зерен крахмала – расщеплении полисахаридов крахмала и переходе их в усвояемые питательныевещества.Степеньдекстринизацииувеличивается с 12 до 80 %, энергосодержание 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 250–300 до 130–150 кВт·ч на 1тзерна.Поданнымгосударственныхприемочныхиспытаний, зоотехнические показатели откорма поросят СВЧ-ми- кронизированным ячменным ингредиентом комбикорма увеличились по среднесуточному приросту на 36 %, а за месячный срок – в 2 раза.

Каротиностабилизирующая СВЧ-обработка витаминной травяной муки сокращает потери каротина в процессе сушкив2,5раза–с10до4 %,авпериод6–7-месячногохра- нения обеспечивается сохранность каротина в муке до 9 %, что в 2,3–2,8 раза выше, чем без СВЧ-обработки. Удельные энергозатраты сокращаются в 1,5–2 раза.

Новые нанотехнологии предпосевной СВЧобработки 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 обе-

68

спечивает гибель насекомых-вредителей. Установлено, что для 100 %-го эффекта СВЧ-дезинсекции необходима доза не более 75 МДж на 1 т семян.

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. При непосредственном воздействии на растения излучение может служить эффективным регулятором основных процессов метаболизма в живых биообъектах. В результате разработки и применения методовУФИполученыположительныеданныепоборьбесвредителями сельскохозяйственных растений.

Предпосевная обработка семян УФИ вышла на уровень индустриальных методов подготовки семенного зерна к посеву и, как показали исследования, они вдвое эффективнее, чемсолнечныйиливоздушно-тепловойобогрев.Облучение семян в оптимальных дозах стимулирует общее развитие растений, повышает урожайность. Воздействие УФИ на семенаоснованонадезинфекции,дезинсекциииспособности вызывать стимуляцию фотохимических превращений в облучаемом семени.

В прорастающих семенах и растениях роль регуляторов скорости биохимических процессов выполняют ферменты, ростовые вещества и витамины. Находясь в небольших количествах,этивеществаоказываютвлияниекакнаскорость роста, так и на направление синтеза клетки и растения в целом. Поэтому даже небольшие, на первый взгляд, химические и биохимические изменения в семенах, связанные

69

споглощением энергии УФИ, могут оказать существенное влияние на развитие растения и его продуктивность.

Антимикробное действие УФИ проявляется в фотохимических повреждениях ДНК в клеточном ядре микроорганизмов, что приводит к гибели микробной клетки в первом или последующих поколениях.

Втепличных хозяйствах остро стоит проблема борьбы

свирусными инфекциями. Для практики важно установить летальную дозу УФИ для растений и изучить относительную сопротивляемость различных видов. Значение пороговой дозы для растений при облучении необходимо при использовании гербицидных устройств. При умеренных дозах излучения можно применять бактерицидные лампы для уничтожения микроорганизмов растений, не нанося вреда самим растениям.

Одним из острых вопросов в растениеводстве является восстановление качества зараженной нитратами почвы. Химические методы по очистке почвы от нитратных соединений не дают желаемых результатов из-за их сложности

ибольших материальных затрат.

Заслуживают внимания теоретические предпосылки для разработки способа очистки почвы от нитратных соединений, основанного на воздействии энергии УФИ на биологический объект «растение – почва». Для полного восстановления нитратов до усвояемой формы азота требуются затраты энергии 575,6 кДж/моль.

Известно, что длительное воздействие коротковолнового УФИ губительно действует на растение, кратковременное же воздействие излучения влияет положительно.

Примером сельскохозяйственной нанотехнологии может служить и облучение растений когерентным светом. Растения обрабатывают квазимонохроматическим светом с высокой и низкой когерентностью. Высококогерентное

70