Мир нанотехнологий - прменение в медецине и биологии

 

     Вместе с тем, как это всегда бывает в случае грандиозных открытий, наряду с очевидными, гуманными формами реализации научных открытий, появились новые практические направления, целесообразность которых вызывает серьезные сомнения. Одним из ярчайших представителей такого направления является промышленное производство и применение ГМО. Сегодня целые отрасли промышленности занимаются производством таких ГМО, как растения, животные, рыбы, микроорганизмы.

 

     Оставляя в стороне вопросы эффективности использования ГМО с точки зрения урожайности, пищевой ценности и т.д., следует обратить внимание на проблемы, которые равнозначны угрозам, сопровождающим внедрение ГМО. Масштабное выращивание ГМ растений приводит к драматическим изменениям биоценоза посевных площадей и прилегающих территорий. Вместо ожидаемого уменьшения применения минеральных удобрений и пестицидов при выращивании ГМ растений на практике происходит значительное увеличение их использования. При этом, как правило, трансгенные организмы вытесняют природные, препятствуя сохранению и восстановлению естественного биологического разнообразия и баланса. Это представляет доказанную угрозу экологической безопасности государства.

 

     Применение ГМО в качестве продуктов питания показало, что разрешение на использование получает примерно только 25% трансгенов, направляемых на испытания. Это говорит о том, что 75% трансгенных организмов не могут быть использованы в качестве пищевой продукции. Уже доказано, что некоторые виды трансгенов токсичны, являются причиной аллергических реакций и вызывают подавление активности иммунной системы. В России и США в 4-5 раз увеличились аллергические заболевания, а в Скандинавских странах, где категорически запрещены трансгенные организмы, аллергические заболевания постоянно снижаются. Таким образом, ГМО представляют реальную угрозу продовольственной безопасности.

 

     Оставляя на совести защитников ГМО высказывания о «…встраивании животных или растительных генов в геном человека…», следует откровенно сказать, что ГМО потенциально могут рассматриваться как новые виды биологического оружия, расширяющего пути возможных био-террористических атак. Эффект от применения такого оружия может быть выражен не столько в увеличении летальных случаев в настоящем, сколько в росте онкологических, сердечно-сосудистых, нейро-дегенаративных, аутоиммунных заболеваний, вплоть до изменения психики и поведения человека, других заболеваний в последующие периоды.

 

     Таким образом, неконтролируемый оборот ГМО представляет потенциальную угрозу экологической, биологической и продовольственной безопасности государства.

 

Животноводство

 

 

 

     Наибольшее распространение в сельском хозяйстве нанотехнологии получили в ветеринарии, птицеводстве, кормопроизводстве. Благодаря нанотехнологиям повышается продуктивность, улучшаются качество продукции и условия содержания животных.

 

     В Калужском региональном центре «Нанобиотехнология» впервые были выполнены исследования влияния ультрадисперсных нанопорошков (УДНП) металлов на процессы в желудочно-кишечном тракте молодняка домашних животных. Разработаны перспективные биоцидные нанопрепараты, в которых присутствуют УДНП металлов. Такое противодействие патогенной микрофлоре без нарушения генома наследственности целенаправленно регулирует процессы метаболизма питательных веществ и повышает продуктивность домашних животных за счет повышения усвояемости кормов. Металлы в ультрадисперсной форме имеют наряду с высокими бактерицидными свойствами существенно меньшую токсичность и не накапливаются в организме.

 

     Наночастицы бластомерных эмбриональных клеток, включающие в себя внутриклеточные живые структуры рибосомы, митохондрии, вакуоли и лизосомы, вырабатывают коллоидные жизнеспособные системы, состоящие из полипротеидов, ферментов, иммуннореактивных пептидов. Последние положительно влияют на клеточный иммунитет, обменные процессы в клетке и выполняют восстановительную роль при воспалительных процессах. При внутримышечном введении препаратов оплодотворяемость коров повышается на 8-10%.

 

     Наряду с традиционными химическими лекарствами для животных все более широко применяется биологически активная терапия, дополняющая химическое лечение. Применение препаратов природного происхождения нацелено на использование возможностей организма к саморегуляции. Например, лекарство нанобетулин, используемое как в лечебных, так и профилактических целях в виде аэрозолей или наносуспензий с размерами частиц 250 - 700 нм. Основным действующим веществом является экстракт бересты - бетулин, обладающий биологически активными свойствами: гепатопротекторным, гастрозащитным, желчегонным, гипохолестеринемическим, противовоспалительным, противораковым, антиоксидантным.

 

     Доходности животноводства определяется стоимостью кормов. Разработана нанотехнология электроконсервирования силоса зеленых кормов электроактивированным консервантом на основе электролиза 1%-ного раствора поваренной соли, что принципиально повышает сохранность кормов. Использование электроактивированных растворов позволяет отказаться от дорогостоящих химических консервантов, применяемых для заготовки силоса, повысить сохранность силоса. На обработку 1 т силосуемой массы требуется 10-15 л электроконсерванта, при этом удои молока при скармливании рапсового силоса увеличиваются на 8-10%, а среднесуточный привес коров — на 15-18%.

 

     Строительство свинокомплексов на 100-500 тыс. голов стало опасным для молодняка из-за наличия в воздухе аммиака и углекислого газа, концентрация которых достигает, особенно в летний период, предельно допустимой нормы 0,02 мг/л. Электрохимическая очистка загрязненного воздуха без выброса в окружающую среду возможна путем пропускания его через нанодисперсный раствор воды с гашеной известью.

 

Растениеводство

 

 

 

     Представляет интерес, разработанная Санкт-Петербургским государственным аграрным университетом, технология заключения нанопорошков удобрений в микрокапсулы. Активная часть удобрений включена в оболочки из малорастворимых восков, при этом питательные вещества выделяются постепенно, существенно снижая химическую нагрузку на почву.

 

     Перспективной является технология применения биологически активных нанодобавок, в которых в качестве стимуляторов роста растений и активизаторов обменных процессов применяются микроэлементы. Соли металлов в таких удобрениях заменены ультрадисперсными порошками металлов (УДПМ). В Рязанской государственной сельскохозяйственной академии данные исследования проводятся более 10 лет. Определены оптимальные концентрации УДП железа, кобальта и меди в которых они могут быть использованы как микроудобрения, повышающие накопление биологических активных веществ в растениях. Обработка УДПМ семян растений перед посадкой возможна вместе с их протравливанием, при этом незначительный расход (3-5 мг УДПМ на 1 га посевов) многократно окупается прибавкой урожая.

 

     В последние годы в МГАУ им. В, П. Горячкина разработан ряд наноэлектротехнологий для повышения эффективности в семеноводстве. Электрофизическое воздействие на семена способствует увеличению энергии прорастания, всхожести, ускорению пробуждения семян. Наилучшие результаты стимуляции данный метод показывает на наихудшем посадочном материале. Необходимо отметить, что в случае неправильно выбранной дозы воздействия предпосевная обработка может угнетать развитие растений, поэтому данный метод требует дальнейших научных исследований.

 

     Метод диэлектрического сепарирования семян разработан и применяется для повышения качества семенного материала. В процессе сепарирования удаляются травмированные, поврежденные, и что очень важно, карантинные семена, что имеет большое значение для селекции и семеноводства. При вторичной очистке, сортировке и калибровке семян, на всех этапах селекционно-семеноводческого цикла, использование диэлектрических сепараторов позволит ежегодно экономить до 3,5 млн. т зерна и повысить урожайность на 20-30%.

 

     Обработка семян магнитным полем увеличивает водопоглощение, энергию прорастания и ускоряет развитие растений на ранних стадиях. Разработаны установки для магнитной обработки семян, которые легко устанавливаются на погрузчик или протравливатель любого типа, не требуют энергозатрат при обработке. С помощью обработка магнитным полем активизируется ферментативный процесс в семенах, что интенсифицирует гидролиз питательных веществ эндосперма. Повышается степень воздействия питательных веществ эндосперма на формирование проростка. Увеличивается скорость прорастания семян, у проростка формируется более мощная корневая система. Нанотехнологии предпосевной обработки семян и дезинсекции семян магнитным полем можно использовать как альтернативу химическим методам, что, безусловно, является весьма перспективным экологическим начинанием.

 

     Для исключения самоувлажнения семян разработана технология их хранения под постоянным отрицательным электрическим потенциалом, при котором происходит самовыделение влаги и естественное подсушивание.

 

     Без создания приборов, контролирующих качество семян, невозможно дальнейшее развитие семеноводства. Большие перспективы в этом направлении имеют приборы, основанные на измерении не только электрических свойств, но и спектральных характеристик семян по отражению, поглощению и пропусканию в инфракрасной области. Использование наноэлектротехнологий, в частности взаимодействия внешних электромагнитных полей с биологическими полями семян, открывает широкие возможности для семеноводства. Весьма перспективны исследования низкоэнергетических электромагнитных полей информационного уровня.

 

     Для растениеводства играет большую роль борьба с болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур. Урон, наносимый сельскому хозяйству болезнями и вредителями, составляет до 175 млрд. рублей ежегодно. Насекомые-вредители и болезни семян в период хранения приводят к потере злаковых культур до 10%, бобовых – от 15 до 60%. Используемые тепловые и химические методы дезинсекции и дезинфекции семян являются энергоемкими и экологически опасными. Грамотная обработка семян электромагнитными излучениями СВЧ-диапазона при закладке на хранение полностью обеззараживает их от патогенной микрофлоры и насекомых-вредителей, что исключает применение ядохимикатов и фумигацию семян.

 

     Для дезинсекции семян может быть использован импульсный режим СВЧ-обработки, обеспечивающий сверхвысокую напряженность электромагнитного поля в импульсе и, как следствие, гибель насекомых-вредителей, что дает возможность полностью отказаться от использования ядохимикатов и других средств протравливания. Сущность данной технологии заключается в дозированном воздействии микросекундной длительности на семена. Под воздействием СВЧ-импульсов семенной материал полностью обеззараживается от болезней, очищается от насекомых-вредителей, при этом в семенах активизируются ростовые процессы. Анализ практического использования указанного СВЧ метода показал, что по сравнению с ядохимикатами энергоемкость обработки снижается в 15-20 раз, на два-три порядка сокращается время обработки.

 

     Начаты работы по методам реструктуризации воды для безъядохимикатной предпосевной обработки семян и защиты растений от вредителей и болезней. Новые методы обработки семян «структурированной водой» по сравнению с химическими методами представляются весьма перспективными.

 

     Достаточно перспективный способ повышения эффективности производства продукции растениеводства - применение биологически активных нанопорошков. Железо в форме нанопорошка легко адсорбируется на подготовленных к посеву семенах, активизируя ферментативную активность, что повышает всхожесть семян. Железо в форме нанопорошка повышает урожайность и устойчивость растений к неблагоприятным условиям среды.

 

     Исследование влияния нанопорошка железа на рост, развитие и продуктивность различных культур (кукуруза, пшеница, подсолнечник) показали, что урожайность зерновых повышается в среднем на 15%, зеленой массы растений - на 25%, клубнеплодов - на 30%. При этом увеличивается содержание клейковины в зерне, содержание масла в семенах подсолнечника и содержание незаменимых аминокислот в листостебельной массе кормовых культур. Расход нанопрепарата незначителен и составляет около 3 г на 1 т семян.

 

     Основываясь на исследованиях С.Н. Виноградского, Н.И. Вавилова, в конце 1990-х годов была разработана технология нанодробления и использования микрогуматов (наногуматов) в растениеводстве. Растения, выращенные с применением микрогуматов, отличаются высоким содержанием микроэлементов, что является ценным показателем в кормопроизводстве. Основная препаративная форма - коллоидная суспензия, включающая в себя действующее вещество в виде наночастиц гуматов с присоединенными к ним микроэлементами и биологически активными веществами. Полевые испытания показали высокие прибавки урожаев практически по всем сельскохозяйственным культурам, при этом прибавки урожая по зерновым в условиях полевого опыта составляли до 60%. Данные цифры многократно перепроверялись и на сегодняшний день применение микрогуматов дает гарантированную прибавку урожая по зерновым от 25% (Кубань, Россия) до 68% (Бурса, Турция).

 

     Применение мелкодисперсных аэрозолей играет важную роль в растениеводстве для дезинфекции, дезинсекции и дезодорации. Более 40% собираемого мирового урожая сберегается благодаря защите растений аэрозолями. При конденсации паров аэрозоля на бактериальном субстрате на поверхности стен и оборудования образуется бактерицидная пленка. Воздух помещения обеззараживается за счет испарения дезинфицирующего вещества из капель аэрозоля. Одной из особенностей веществ, переведенных в аэрозольное состояние, является значительное увеличение их поверхности. Площадь поверхности частиц, при одинаковой суммарной массе вещества, увеличивается с уменьшением их размера, поэтому эффективность их использования значительно повышается при уменьшении размеров аэрозольных частиц менее 1 мкм. Удерживание их на поверхностях увеличивается в 5-20 раз, затраты времени на обработку сокращаются в 3 раза при уровне остаточных количеств ядохимикатов в сотни раз меньшем, чем при опрыскивании.

 

     В последние годы созданы и широко применяются наноэмульсии, активное вещество которых заключено в нанокапсулы масла. В зависимости от вида активного вещества возможно активировать как подавление жизнедеятельности клетки, так и стимуляцию в ней биологических процессов. В качестве антибактериального средства могут использоваться наночастицы серебра, уничтожающие до 150 различных типов организмов. Для транспортировки нанокапсул к обрабатываемым объектам используют наноразмерные аэрозоли, при этом качественно улучшатся технология обработки. Придание частицам аэрозоля электрического заряда, способствует управлению процессами распространения и осаждения электроаэрозоля.