Развитие инновационных нанотехнологий для АПК России

В настоящее время перед учёными агропромышленного комплекса (АПК) России стоят новые задачи, для решения которых необходимы последние научные достижения как в мире, так и в нашей стране в области использования наночастиц в целях создания на их базе новых процессов хранения и переработки зерна, продуктов питания, кормов, добавок, приборов и т.д.

Основные идеи и направления наноисследований в области хранения и переработки зерна были рассмотрены и одобрены в 2007 г. в Угличе на научно-практической конференции, организованной Отделением хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии [2].

Современная наука, на практике освоив в передовых сферах нано-объекты размером 10-6 м, сегодня успешно изучает нанообъекты масштаба 10-9 м. Приоритетными областями применения результатов исследований являются, в том числе, медицина и АПК. Если в медицине уже есть значительные научно-технические разработки, то в АПК пока ведутся поисковые исследования [1, 4]. Поэтому, по решению Россельхозакадемии, научно-исследовательские работы по применению в АПК наиболее известных нанопрепаратов было принято проводить с учётом успехов, достигнутых в здравоохранении.

Например, в медицине серебро давно зарекомендовало себя в качестве эффективного природного антибиотика, обладающего антимикробными и противовирусными свойствами. В наноразмерном состоянии бактерицидные свойства его значительно усиливаются (Патент РФ на изобретение №2245151. Средство «Арговит» для лечения инфицированных ран / Е.М. Благитко и др.).

Висмут также широко известен в медицинской практике. В мире 45% объёмов потребления висмута приходится на приготовление антимикробных медицинских препаратов широкого спектра действия, например, таких как Де-Нол [8].
Направления применения нанопрепаратов висмута и серебра в АПК – это защита зерна и продуктов его переработки от губительной микрофлоры, разработка кормовых добавок с антимикробными свойствами, заменяющих синтетические антибиотики для сельскохозяйственных животных и птицы, проведение испытаний их действия в условиях АПК России. Непременным условием применения предлагаемых разработок в технологии зерна и зернопродуктов, их внедрения в ветеринарной практике является испытание нанопрепаратов на основе висмута и серебра в целях выявления их возможного токсического действия на живые организмы.

Для развития данного направления был создан коллектив учёных Россельхозакадемии (Сибирского филиала ГНУ ВНИИЗ, ГНУ СибНИИЖ, ГНУ СибНИИРС), Института химии твёрдого тела и механохимии (ИХТТМ СО РАН), Сибирского университета потребительской кооперации (СибУПК), Новосибирского государственного аграрного университета (НГАУ) и ряда научно-производственных фирм г. Новосибирск.

В 2011 г. на совещании рабочей группы в ИХТТМ СО РАН был разработан и утверждён проект «Наноструктуры на основе висмута и серебра для агропромышленного комплекса». Руководителем проекта назначен академик СО РАН В.В. Болдырев. Для реализации проекта разработана одноимённая комплексная программа с непосредственным участием Сибирского филиала ГНУ ВНИИЗ. Основные разделы программы: «Хранение и повышение семенных качеств зерна»; «Хранение и переработка зерна продовольственного назначения»; «Животноводство и птицеводство»; «Производство хлебобулочных изделий».

К настоящему времени получены результаты комплексных поисковых научных исследований применения нанопрепаратов висмута и серебра в растениеводстве, животноводстве и птицеводстве. Всего за 2011-2013 гг. Сибирским филиалом ГНУ ВНИИЗ было выполнено 3 плановые и 3 хоздоговорные работы с научными организациями Новосибирска по согласованным программам.
В исследованиях большое внимание было уделено оценке токсических свойств нанопрепаратов висмута и серебра, проводимой в соответствии с методическими указаниями МУ 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов» [3]. Подопытными животными послужили мыши, поросята, бройлеры и перепела. Работы проводили на кафедре «Птицеводство» НГАУ и в лаборатории кормления ГНУ СибНИИЖ Россельхозакадемии. После определения безопасных концентраций и норм расхода нанопрепаратов серебра и висмута исследования были продолжены на зерне.

Одним из приоритетных направлений исследований для АПК России является рецептура добавок в комбикорма нанопрепаратов на основе серебра в целях лечебного и профилактического кормления различных групп сельскохозяйственных животных и птицы, поскольку до 70% причин гибели сельскохозяйственных животных являются желудочно-кишечные заболевания.
По хоздоговору с Сибирским филиалом ГНУ ВНИИЗ в ГНУ СибНИИЖ Россельхозакадемии были успешно проведены научные исследования по теме «Изучение влияния антимикробной активности нанобиокомпозита серебра на основе цеолита на состояние здоровья и продуктивность поросят-сосунов». В комбикорм для поросят добавляли нанокомпозит с содержанием серебра 0,0015%, разработанный в ИХТТМ СО РАН. В опытной группе животных не допускалось применение антибиотиков при возможных диарейных явлениях, в контрольных группах антибиотики использовали при необходимости.

Исследованиями установлено, что нанокомпозит с содержанием серебра 0,0015% на цеолитной основе с размером кластеров 20 нм положительно влияет на продуктивные показатели молодняка свиней в виде 100% сохранности, выравненности поросят по живой массе ко времени отъёма. Среднесуточный прирост массы поросят-сосунов на 42% превысил показатели контрольной группы при одновременном увеличении конверсии корма на 30%. Помимо дополнительного прироста продукции, на 1 руб. затрат получено более 100 руб. прибыли. Также установлено, что определённая норма нанокомпозита серебра, вводимая в комбикорм поросят, не оказывает отрицательного влияния на их кроветворную систему [7].
По хоздоговору с Сибирским филиалом ГНУ ВНИИЗ в НГАУ проведены аналогичные научно-исследовательские опыты с применением серебряного нанокомпозита на основе цеолита при откорме цыплят-бройлеров и цыплят мускусной утки (Патент РФ на изобретение №2434530. Способ профилактики микотоксикозов птицы / Л.И. Мачихина, В.А. Скрябин, В.А. Реймер и др.). Чтобы оценить эффективность нанокомпозита серебра в профилактике микотоксикозов и желудочно-кишечных заболеваний, лекарственные препараты применяли также только в контрольных группах. Наблюдалось увеличение валовой массы цыплят-бройлеров на 7%, утят – на 12,4%, по сравнению с контролем.

Несомненно современные нанотехнологии представляют большой интерес применительно к зерну как к стратегическому сырью и к одному из ключевых факторов продовольственной безопасности страны.
Вредители хлебных запасов причиняют огромный ущерб растениеводству, снижая урожайность сельскохозяйственных культур в среднем на 30-35% при значительном ухудшении качества получаемой продукции.
Например, в Новосибирской области, производящей зерна 3 млн т/год, из-за нарушений технологии обработки и хранения зерна потери от патогенных микроорганизмов составляют не менее 15%, что сопоставимо с объёмами зерна пшеницы (300 тыс. т), необходимыми для обеспечения хлебом населения этой области.

В лаборатории микробиологических исследований СибУПК, совместно с Сибирским филиалом ГНУ ВНИИЗ была проведена работа по оценке эффективности влияния различных концентраций нанопрепаратов серебра и висмута на фитопатогенную микрофлору и семенные качества зерна пшеницы. На примере штамма Вас. mesentericus (картофельная палочка), как представителя микрофлоры зерна и муки, было установлено, что серебряный нанобиокомпозит уменьшает количество возбудителя «картофельной болезни» хлеба до 44%, что положительно влияет на качество муки и выпекаемого хлеба [5].

Один из значимых резервов повышения урожайности и качества зерна – фитосанитарная оптимизация технологии возделывания зерновых культур, основанная на обеззараживании семенного материала от возбудителей болезней (около 75% грибковой природы и более 88% бактериальной), которые в массе передаются с посадочным материалом.

Сибирский филиал ГНУ ВНИИЗ совместно с ГНУ СибНИИРС Россельхозакадемии и ИХТТМ СО РАН провёл комплексные поисковые исследования влияния нанопрепаратов висмута и серебра на фитосанитарное состояние и посевные свойства семян яровой пшеницы в лабораторных и полевых условиях. Согласно результатам экспериментов, применение нанопрепаратов висмута и серебра положительно сказалось на посевных показателях семян яровой пшеницы сортов Новосибирская 29 и Сибирская 12. Их всхожесть и энергия прорастания повысились в 1,2-2,5 раза, по сравнению с контролем и применением импортных протравителей. Поражённость семян фитопатогенными грибами на фоне обработки нанопрепаратами висмута снижалась в 2,3-2,8 раза, что было выше, чем при обработке семян нанопрепаратом серебра [6].

Разработаны оптимальные концентрации и нормы расхода нано-препарата висмута для предпосевной обработки семян яровой пшеницы. Препарат представляет собой коллоидный раствор субцитрата висмута в виде наноразмерных частиц, обладающий стимулирующим действием наряду с фунгицидным и антистрессовым свойствами и безопасный для окружающей среды.

Утверждены рекомендации по применению нанопрепарата висмута в сельском хозяйстве для выращивания зерновых культур и хранения зерна. Нанопрепараты на основе висмута являются более экономичными, чем аналогичные по функциям импортные протравители зерна. Висмут также более, чем в 20 раз дешевле серебра.

Расчётный годовой экономический эффект от применения нанопрепарата висмута, взамен импортных протравителей, для предпосевной обработки семенного зерна пшеницы в объёме 250 тыс. т (для Новосибирской области) определён в 50 млн. руб. При этом предполагаемое повышение урожайности зерна пшеницы может составлять не менее 15-20%.

Результаты исследований неоднократно (более 10 раз) были опубликованы. На них получен патент и оформлена заявка на другой патент. Дважды работы по нанотехнологии экспонировались на Международном форуме по нанотехнологиям в Москве.
На основе данных комплексного исследования влияния нанопрепаратов серебра и висмута на фитосанитарное состояние семян пшеницы и на продуктивные показатели сельскохозяйственных животных и птицы можно сделать следующие выводы:

• современным направлением обеззараживания и хранения зерна может стать применение нанопре-паратов на основе висмута и серебра, которые обладают многофункциональным действием, в частности, способностью подавлять возбудителей болезней, стимулировать рост и повышать устойчивость растений к стрессовым факторам;
• при производстве комбикормов нанопрепараты на основе висмута и серебра перспективно применять в пределах установленных норм в качестве лечебно-профилактических добавок для предупреждения желудочно-кишечных заболеваний у сельскохозяйственных животных и птицы, что позволит полностью отказаться от антибиотиков;
• важно отметить хозяйственное значение применения нанотехнологии в АПК, обеспечивающих рост сельскохозяйственной продукции на 15-20% при существенном сокращении материальных затрат и сохранении экологии окружающей среды. При этом приоритетным является применение нанопрепаратов на основе висмута, как наиболее экономически перспективных.

Литература
1. Благитко, Е.М. Серебро в медицине / Е.М. Благитко [и др.]. – Новосибирск: Наука-Центр, 2004. – С. 256.
2. Мачихина, Л.И. Современная востребованность фундаментальных и фундаментально-прикладных работ в области хранения и переработки зерна // Материалы науч.-практич. конф. «Интеграция фундаментальных и прикладных исследований – основа развития современных аграрно-пищевых технологий» / Углич, ГНУ ВНИИМС. – М.: Россельхозакадемия, 2007. – С. 215-216.
3. Методические указания МУ 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов». – М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. – 43 С.
4. Михайлов, Ю.И. Наноразмерное состояние вещества // Материалы науч.-практич. конф. с международным участием «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины» / Новосибирск: СибУПК, 2007. – Ч. 1. – С. 101-107.
5. Полунина, О.А. Лечебно-профилактические хлебобулочные изделия с антимикробными минеральными сорбентами / О.А. Полунина, Ю.И. Михайлов, В.А. Скрябин// Труды 8-й Межрегион, науч.-практич. конф. «Современное хлебопекарное производство, перспективы его развития». – Екатеринбург, 2007. – С. 15-19.
6. Скрябин, В.А. Наноструктуры на основе висмута и серебра для системы хранения зерна и производства комбикормов / В.А. Скрябин [и др.] // Материалы Всерос. науч.-практич. конф. «Актуальные проблемы в области создания инновационных технологий хранения сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов»/ Углич, ГНУ ВНИИМС. – М.: Россельхозакадемия, 2011. – С. 230-233.
7. Скрябин, В.А. Серебряные нанокомпозиты в кормовых добавках для сельскохозяйственных животных и птицы / В.А. Скрябин [и др.] // Труды VII Междунар. науч.-практич. конф. «Пища. Экология. Качество». – Крас-нообск: Сиб. отд-е РАСХН, 2010. – С. 222-223.
8. Юхин Ю.М. Химия висмутовых соединений и материалов / Ю.М. Юхин, Ю.И. Михайлов. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. – 360 с.
 
 

---