Научно- исследовательская работа: «Нанотехнология в XXI веке. Мастерство плодородия в области сельского хозяйства»

Муниципальное общеобразовательное учреждение - средняя общеобразовательная школа №8 города Аткарска Саратовской области             

Научно- исследовательская работа:

«Нанотехнология в  XXI веке. Мастерство плодородия  

в области сельского хозяйства»

                                                             Аткарск, 2021

Оглавление

Введение……………………………………………………………………………...3

1.Обзор литературы……………………………………..…………………………...4

2. Применение наночастиц при проращивании семян………………………….…5

3. Возможности применения нанотехнологий в сельском хозяйстве в  XXI

веке…………………………………………………………………………6

3.1.Примеры использования  препаратов,  основанных   на   нанотехнологиях,   в растениеводстве.  Препарат Nano Gro…………………………………………...…7

3.2 Нанотехнологичекое  удобрение «Биоплант флора»…………………….…....8

4. Био опасность сопряженная с нанотехнологиями…………………………..…..9

Заключение………………………………………………………………………..…10

Список литературных  источников…………………………...………………..…..11

Приложение………………………………………………………………………... .12

                                                            Введение

В настоящее время всё ещё немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Главная цель моей работы - это изучение и выяснения применения этой науки в различных отраслях и узнать, могут ли нанотехнологии быть опасны для человека. Экологически безопасны ли эти технологии для жизнедеятельности человека.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны. Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. Например, нанометр - одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами молекул и атомов. Точное определение нанотехнологий звучит так: нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Большие надежды в применении нанотехнологий обнаруживаются и в агропромышленном комплексе.                                                                                                

При написании данной темы ставились цели и задачи:

Цель исследования: Разобраться в сущности понятия «нанотехнологии», раскрыть суть нанонауки и узнать насколько экологически безопасный этот метод науки для  в  XXI веке.

Задачи:

• Подобрать и проанализировать соответствующую литературу по теме;
• изучить применение нанотехнологий в сельском хозяйстве в  XXI веке;
• узнать опасны ли нанотехнологии для человека в  XXI веке.;
• собрать сведения о проектах нанотехнологий будущего;

Методы исследования:

• изучение научной литературы;
• сравнительный анализ

                                         1. Обзор литературы

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. Данный эффект 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.

Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха.

         Нанотехнологии и наноматериалы (в частности, наносеребро и наномедь) находят широкое применение для дезинфекции сельхозпомещений и инструментов, при упаковке и хранении пищевых продуктов.

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. К примеру, подобное мнение высказывается экспертами международной исследовательской организации ЕТС Group.

          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.

Проникновение нанотехнологии в сферы человеческой деятельности можно представить в виде дерева нанотехнологии, где ветви представляют основные сферы применения, а ответвления от крупных ветвей представляют дифференциацию внутри основных сфер применения на данный момент времени.

2.  Применение наночастиц при проращивании семян

  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. Не так давно ученые задались еще одним вопросом: могут ли наночастицы проникать в семена растений, оболочка которых еще более толстая? Исследователи отмечают, что семена некоторых видов растений способны накапливать тяжелые металлы, такие как барий или свинец. На основании этого существует предположение, что некоторые наноразмерные частицы будут также проникать сквозь оболочку семян и влиять на их прорастание. Для участия в эксперименте (работа американских учёных по воздействию наночастиц на семена растений) были использованы семена самого миниатюрного сорта помидор – Micro-Tom, а в качестве объектов исследования – многостенные углеродные нанотрубки. Стерильные семена высевали на твёрдую питательную среду с содержанием 10, 20, 40 мкг/мл нанотрубок. В контрольной группе семена росли в такой же среде, только без добавления наночастиц. Уже на 3-ий день на средах с нанотрубками проросло более 30% семян. Здесь проростки быстрее набирали биомассу и имели большую длину побегов в отличие от растений контрольной группы: там подобные показатели были достигнуты только к 12-му дню. Наличие нанотрубок внутри семян было показано при помощи рамановской спектроскопии. В клетках корня при помощи микрофотографии корневой системы проростков также были обнаружены нанотрубки. Одним из объяснений подобного факта стало то, что нанотрубки, проникая сквозь оболочку семян, облегчают поступление воды к зародышу. Для проверки этого семена высушивали при t 250°С в течение 2 часов и затем определяли изменение массы. Как оказалось: в сухих семенах до высевания на среду содержание влаги составило 18,4%, в выдержанных два дня в питательной среде – 38,9% влаги. В семенах же, высаженных на среду с нанотрубками, было обнаружено 57,6% жидкости. Таким образом, ученым удалось доказать, что нанотрубки, накопление воды и прорастание семян связаны между собой. Ученые надеются, что данная работа (опубликована в ACS Nano) носит не только фундаментальный характер, но и будет иметь практическое значение для сельского хозяйства.

3. Возможности применения нанотехнологий в аграрном хозяйстве в  XXI веке.

 На сегодняшний день наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности. 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 и плодово-ягодные) и технических (хлопок, лён) культур.

          Ожидается также положительное влияние наномагния на ускорение (вернее увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.  Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработки подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха.

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. К примеру, такое мнение высказывается экспертами международной исследовательской организации ЕТС Group.

Согласно общепринятой научной терминологии, продукт может считаться «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, говорится в докладе, подготовленным для Королевского научного общества Великобритании (Royal Society).

Размах исследований в области нанопродуктов поражает также, как и количество инвестиций в них. За последние насколько лет крупнейшие производители продуктов питания, такие как Kraft, Nestle, Heinz, Altria, Unilever, инвестировали значительные суммы в разработки нанотехнологий. По последним оценкам, стоимость рынка нанопродуктов уже составляет 610 млн. долларов, а в 2020 г. ожидается рост до 7,8 млрд. долларов.

3.1.Примеры использования препаратов, основанных на нанотехнологиях, в растениеводстве.  Препарат Nano–Gro

 Nano–Gro – это органический регулятор роста растений, в основе которого лежит новый революционный подход к повышению урожайности растений, улучшению качества урожая и укрепления иммунитета сельскохозяйственных культур. Производителем и создателем данного продукта является компания Agro Nanotechnology, Corp. Созданию Nano–Gro предшествовали 10 лет исследований влияния различных био-активных соединений на растения и их семена. Результаты позволил сделать вывод о степени воздействия веществ в наномолекулярной концентрации на биологические организмы. Технология в основе Nano–Gro была разработана как естественный, простой и недорогой метод повышения эффективности с.х. производства без использования синтетических химикатов.  В момент, когда раствор ингредиентов в наномолекулярной концентрации попадает на растение или семя, растение воспринимает их присутствие как определённый фактор стресса. Данный стресс является лишь воображаемым, тем не менее растение начинает готовиться к борьбе за существование, что выражается в увеличении массы и длины корней, к увеличению поглощаемого атмосферного азота и, следовательно, стимулированию синтеза белков растением, приращению биомассы и увеличению урожая.  Для обработки зерновых культур (пшеница, рожь, рис, кукуруза, ячмень, овёс) препаратом Nano–Gro необходим раствор концентрацией 24 гранулы на 10 литров воды. Семена обрабатываются с использованием протравливающей машины. При этом расходуется 10 литров раствора на обработку 1 тонны семян. Для экономии трудовых затрат и воды Nano–Gro можно применять совместно с практически всеми удобрениями и пестицидами. (Приложение 1).                                                                                        

       Как видно из  таблицы, обработка пшеницы препаратом Nano-Gro, повысила значения большинства анализируемых признаков. Показатель увеличения урожая складывается из увеличения роста листьев, биомассы, плодов и семян в отдельности. Также тесты показали увеличение, в среднем на 10%, содержания в обработанных растениях белков и сахара в большинстве из проведённых опытов.

3.2 Нанотехнологичекое удобрение «Биоплант флора» в  XXI веке.

        Революционная формула удобрения «Биоплант Флора» позволяет увеличить урожай сельскохозяйственных культур минимум на 40–50 % при снижении себестоимости продукции в два и более раз. Полученные молекулярные структуры в наноразмерном состоянии, гораздо лучше усваиваются клетками растений, что повышает все биометрические показатели с.х. растений. «Биоплант Флора» повышает иммунную устойчивость растений в условиях различных внешних неблагоприятных факторах: резких перепадов температур, заморозков, засух, переувлажнения, недостатка суммы активных температур. Имеет мощное ростостимулирующее действие – стимулирует все физиологические процессы в растении: увеличивает энергию прорастания и всхожесть семян (до100%), стимулирует корнеобразование, способствует цветению и образованию завязей и плодов, активизирует процессы жизнедеятельности растений.  Многочисленные испытания «Биоплант Флора» наразличных сельскохозяйственных культурах вразных климатических зонах РФ, подтвержденные рядом научных учреждений. Высокую оценку удобрение «Биоплант Флора» получило ГНУ«ТатНИИСХ» Россельхозакадемии  (г.Казань) по применению на пшенице, ячмене, рапсе; ГНУВНИПТИОУ Россельхозакадемии (г.Владимир) по применению на зеленных культурах; ГНУАФИ Россельхозакадемии (г.Санкт-Петербург) по применению на томатах; ГНУНИИСХ Юго-Востока (г.Саратов) по применению на пшенице и нуте.

         В удобрении «Биоплант Флора» нет веществ, полученных химическим путем. «Биоплант Флора» изготавливается только из природных экологически чистых компонентов, а это значит, что с его помощью получается экологически чистая продукция. Что идеально подходит для органического земледелия, в том числе для хозяйств, выращивающих продукцию для детского питания. Это особенно важно в наше время, когда все прилавки заполонили опасные продукты, созданные при помощи генной инженерии, отравленные нитратами и пестицидами. Благодаря применению «Биоплант Флора» восстанавливается нарушенное химикатами плодородие. Важным фактом является практически полная переработка пестицидов в почве. Что приводит к восстановлению плодородия земель сельскохозяйственного назначения (Приложение 2-4).

4. Био опасность сопряженная с нанотехнологиями.

При всех преимуществах нанотехнологий, они могут представлять и угрозу здоровью человека. Многие крупные ученые современности не зря пытаются привлечь внимание не только к позитивным перспективам будущего, но и к возможным негативным последствиям. Некоторые учёные, например Билл Джой, призывают к тому, чтобы исследования в области нанотехнологий и других областях должны быть остановлены до того, как это навредит человечеству.  Страхи перед нанотехнологиями начали появляться с 1986 года, после выхода в свет произведения Дрекслера «Машины созидания».

Например, известно, что крошечные частички углерода могут попасть в мозг человека через дыхательные пути и оказать на организм разрушительное воздействие. Речь идёт о C60 — одной из трёх основных форм чистого углерода. Чтобы определить токсичность молекул, американский ученый-биолог Ева Обердёрстер для начала испытала C60 на водяных блоках — добавила эти молекулы в 10-литровые резервуары с этими маленькими ракообразными. По прошествии 48 часов биолог заглянула к дафниям и увидела в аквариуме повышающуюся смертность. Выявленный эффект делает наноматериал "умеренным ядом": он немного более ядовит, чем никель, но всё же не так опасен, как химикалии, который содержатся в сигаретном дыме и автомобильных выхлопах. Конечно же, не все наноматериалы обладают такими же вредными для живых существ свойствами.

Заключение

Анализ разработанных нанотехнологических процессов и наноматериалов показал, что основными областями их применения в растениеводстве является применение нанопрепаратов, совмещенных с бактериородопсином, которое 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. 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) Создать в отрасли сельского хозяйства специализированный научно-исследовательский центр по координации и информационному обеспечению исследований по нанотехнологиям, наноматериалам, применяемым в сельском хозяйстве.

Прояснив понятие нанотехнологии, обозначив её перспективы и остановившись на возможных опасностях и угрозах, хочу сделать вывод. Я считаю, что нанотехнология – это молодая наука, результаты развития которой могут до неузнаваемости изменить окружающий мир. И каковы будут эти изменения - полезными, несравненно облегчающими жизнь, или вредными, угрожающими человечеству - зависит от взаимопонимания и разумности людей. А взаимопонимание и разумность напрямую зависят от уровня гуманности, предполагающей ответственность человека за свои поступки.

Ученые говорят не только о возможных выгодах в применении нанотехнологий, но и возможных рисках. Ведь наночастицы легко проникают через кожу, дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, взаимодействуют друг с другом, приобретая, таким образом, неизвестные свойства. Поэтому переход от микротехнологий к нанотехнологиям требует специальных фундаментальных исследований.

Список литературных  источников

1. Глазко В.И. «Направления использования нанотехнологий в сельском хозяйстве» // «Овощи России»// № 1-2, 2008 г.
2. Третьякова Ю.Д. Нанотехнологии. Азбука для всех. 2-е изд. М..Физматлит. 2010 368с.
3. Интернет-ресурсы:   http://www.nanonewsnet.ru/ 

Приложение 1.  Результат эффективности использования препарата Nano–Gro для обработки зерновых культур.

Приложение 2. Слева контроль озимой пшеницы, справа обработанные «Биолант флора» (агрохозяйство «Томорев»)

Приложение 3. График экономической эффективности применения удобрения «Биоплант флора» в агрохозяйстве «Томарев»:

Приложение 4. Эффективность применения «Биоплант флора»