Биомаркеры и пестициды в одном флаконе

Что же подразумевается под наноматериалами? Это частицы, которые создаются либо с использованием наночастиц, либо при помощи нанотехнологий. В итоге полученный объект обладает какими-либо уникальными свойствами благодаря включенным в его состав частицам.

Под наноматериалами понимаются частицы размером менее 100нм. Уже на протяжении почти десяти лет наноматериалы применяются в таких областях как медицина, системы для очистки воды, сохранение окружающей среды, пищевая промышленность. Мы даже не подозреваем, как плотно они внедрены в нашу жизнь. Тем не менее, в сельском хозяйстве эта тема является относительно новой и требует более обширного исследования. Что интересно, первые исследования в области наноматериалов в сельском хозяйстве начались благодаря изучению отрицательных свойств химических веществ, распыляемых на полях – пестицидов. Цель была такова: уменьшение их следов в пище и сохранение при этом окружающей среды путем ограничения прямого воздействия пестицидов с землей. Во всем мире только и говорят о вреде пестицидов и о том, как нанотехнологии решат эту проблему. Однако на рынок до сих пор наночастицы не попали, поскольку есть предположение, что они отрицательно повлияют на состояние почвенных микроорганизмов. Во всем мире вкладываются большие деньги для изучения положительных и отрицательных сторон наноматериалов. Так, например, в США правительство на 2013 год уже предоставило 1,6 млрд долларов.

Параллельно ведется другой тип работ, нацеленный на сельскохозяйственный сектор, участвующий в выявлении болезней растений, которые могут негативно влиять на урожайность. Этот тип наноматериалов должен обнаруживать на ранней стадии болезни и определять необходимый ход лечения (питательные вещества и агрохимикаты). Университет Флориды и Массачусетский технологический институт, инноваторы в этой области, заинтересованы в разработке новых приложений: активации прорастания семян и роста растений после введения наночастиц в растение, или обнаружения остатков пестицидов или гербицидов с помощью наносенсоров и наночипов.

Одним из предположений ученых является, что скорость прорастания семян может быть улучшена путем введения в них наноматериалов. Известно, что наноматериалы могут проникать через клеточную стенку растений и тем самым способствовать изменению структуры молекул. Например, включение наночастиц металлов может снизить образование супероксидов кислорода, что поспособствует устойчивости растений к окислительному стрессу-повреждению клетки в процессе окисления. Было проведено исследование, которое должно было подтвердить или опровергнуть эту теорию. Исследовательская команда департамента естественных наук в Китае ввела наночастицы диоксида титана в семена шпината. Эти частицы должны были привести к увеличению поглощения органическими соединениями воды и кислорода в растении и уменьшить долю свободных радикалов, образующихся в процессе фотосинтеза. Результаты показали, что растения после всходов фотосинтезировали втрое эффективней, а также возросло образование хлорофилла более чем на 45%. В рамках второго исследования в этой области, команда из университета Арканзаса использовала внедрение в семена томатов углеродные нанотрубки. Это увеличило всхожесть растений на 90%. Однако нужно быть осторожным с «дозировкой» наноматериалов. Например, переизбыток наноцинка подавляет рост корней таких растений как редька, рапс, салат и огурцы, а внедрение большого количества ионов серебра являются фитотоксичными для растений. Также остается открытым вопрос о непредсказуемости действия некоторых наноматериалов в зависимости от вида растений и влияния размера наноматериалов. От чего же зависит токсичность наночастиц? Ответить на этот вопрос непросто. Токсичность наночастиц зависит от многих параметров: размер, морфология, химический состав. Просто измените один из параметров для изменения токсичности частицы.

Однако вернемся к утверждению, что наночастицы лучше пестицидов. Согласно исследованиям, около 1045 видов химических веществ считаются вредными для здоровья человека.

Для выявления потенциальных остатков пестицидов было запущено несколько программ по разработке наносенсоров. Со временем новый способ вытеснит уже устаревшие методы - такие, как жидкостная хроматография или масс-спектрометрию, которые занимают больше времени и средств. Целью было обнаружение патогенных изменений на ранней стадии и применение своевременного лечения. Таким образом, наночастицы могут быть использованы в качестве биомаркеров для обнаружения бактерий, вирусов и грибков. Для развития иммунологических датчиков используют, как правило, наночастицы золота, благодаря принципу резонанса поверхностных плазмонов для выявления заболеваний, например, грибка Tilletia. Суть метода заключается в том, что золото при контакте с грибком вызывает интенсивную флуоресценцию данного участка – это облегчает поиски.

В заключение можно отметить, что главной задачей все же ставится использование наноматериалов для защиты растений, обнаружения патогенов и пестицидов. Изобретение должно способствовать быстрому прорастанию семян, при этом не вызывая негативных воздействий на окружающую среду. По словам исследователей, наноматериалы в идеале должны разлагаться в почве быстрее пестицидов. Кроме того, наносенсоры могут быть очень интересным вариантом для обнаружения следов пестицидов в земле.

Параллельно с сельским хозяйством вопросы касательно влияния наноматериалов на здоровье человека не остаются без внимания и изучаются в таких областях как токсикокинетика (движение наноматериалов в организме) и токсикодинамика. Таким образом, можно быть уверенным, что, когда наноматериалы заполонят сельскохозяйственный рынок, они будут максимально безвредны для человека и окружающего мира.

Елена Нейра,

по материалам Nanosciences.biz