Priklausomai nuo šalies ekonominio išsivystymo, apie 10-50 proc. visus metus žemdirbių auginamo derliaus įvairiose stadijose „pasisavina" ir sunaikina  mikroorganizmai. Turint omenyje gilėjančią maisto krizę pasaulyje, tokios derliaus „dalybos" yra nepriimtinos. Ar gali padėti išsaugoti sunkiai užauginamą derlių bei pagamintus maisto produktus nanotechnologijos, kurios sėkmingai taikomos medicinoje, farmacijoje, kosmetikoje, elektronikoje, tekstilėje ir net gynybos industrijoje?

Nano išvertus iš graikų kalbos reiškią nykštuką, o 1 nanometras (nm) yra milijardinė metro dalis. Palyginimui 1nm yra 60 tūkst. kartų mažesnis už plauko storį, popieriaus lapo storis yra 10 tūkst. nm, eritrocito (raudonojo kraujo kūnelio) 2-5 tūkst. nm, DNR skersmuo - viso labo 2,5 nm. Taigi, norėdama pamatyti nanodalelę, net 0,5 mikrono (μm) skersmens ir apie 2,0 μm ilgio E. coli bakterija turėtų „pasitelkti" didinamąjį stiklą. Kaip taisyklė, nanopasaulis atveria kartais visai netikėtas fizines, biologines ir chemines tos pačios medžiagos savybes. Pavyzdžiui, cinko oksido (ZnO) nanodalelės turi antimikrobinių savybių, tačiau tuo nepasižymi mikrodalelės. Nors nanostruktūros gamtoje egzistuoja nuo žemės susiformavimo laikų, tačiau nanotechnologijų koncepcijos autoriumi laikomas Ričardas Fainmanas (Richard Feynman), 1959 metais pristatęs ją Amerikos fizikų draugijoje. Na, o šiandienos žinių lygis leidžia drąsiai teigti, kad visos gamtos ir žmogaus sukurtos gyvos ir negyvos sistemos žemiausiame organizacijos lygyje yra nanostruktūros.

Moksliniai tyrimai rodo, kad sparčiai augant maisto poreikiui pasaulyje, nanotechnologijos gali pasitarnauti įvairiuose maisto gamybos etapuose „nuo lauko iki stalo": pradedant galimybe sumažinti pesticidų poreikį, pagausinti derlių, išvengti infekcijų, baigiant galimybe gauti saugesnius, ilgiau galiojančius maisto produktus. Būtina pabrėžti, kad daugelis maisto produktų, kuriuos vartojame iš kartos į kartą tūkstančius metų, turi nano dydžio komponentų: baltymai, riebalai, krakmolas maisto paruošimo metu keičia savo struktūrą į nanometrinę ir mikrometrinę.

Nanojutikliai skverbiasi į žemės ūkį

Auginant grūdines kultūras vis dar naudojami pesticidai ir trąšos. Kasmet pasaulyje išpurškiama apie 4,6 mln. tonų pesticidų. Tik 1 proc. viso šio kiekio tarnauja pagal paskirtį, likę 99 proc. patenka į aplinką ir nusėda dirvoje, vandenyje, o galiausiai kaupiasi beveik kiekviename organizme. Nanotechnologijos galėtų padėti įvertinti, kada pesticidai, trąšos ar herbicidai būtų naudingiausi, ar nustatyti tikslią vietą, kur juos panaudoti. Nanojutikliais galima užfiksuoti mažiausius dirvos pokyčius, joje esančių veikliųjų medžiagų kiekį bei naujų kenkėjų atsiradimą. Žinant laiką ir vietą, būtų galima tikslingai naudoti naujos kartos pesticidus, kurių veikliosios medžiagos „apvilktos" nanodalelėmis. Tai užtikrintų, kad medžiagos poveikis pasireikštų tik jai patekus į konkretaus kenkėjo organizmą.

Neseniai mokslininkai atrado naują jutiklį, kuris fiksuoja anglies dvideginio koncentraciją grūdų sandėliuose. Anglies dvideginis išsiskiria gendant grūdams; užfiksavus jo padidėjimą, galima išgelbėti derlių nuo sugedimo, taip pat sumažinti cheminių medžiagų naudojimą ir pagerinti grūdų kokybę.

Talkina kovojant su augalų kenkėjais

Ne vien žmogus, bet ir augalai yra nuolat atakuojami įvairiausių mikroskopinių ligų sukėlėjų  - pelėsinių grybų, bakterijų, virusų. Įvairiose žemės ūkio kultūrų auginimo stadijose, pradedant sėklos dygimu dirvoje ir baigiant derliumi, šių mikrobų veikla sumažina auginamos kultūros produktyvumą. XX amžiuje plačiai pasaulyje naudoti cheminiai preparatai kovai su augalų kenkėjais tapo ne itin priimtini ir paklausūs XXI amžiuje. Tausojant žemę, augmeniją, gyvūniją bei žmogų, ieškoma necheminių antimikrobinių kovos su kenkėjais priemonių. Kaip puiki alternatyva cheminėms technologijoms galėtų būti aplinkai draugiškos ir nebrangios nanotechnologijos. Pavyzdžiui, antimikrobinis cinko oksidas (ZnO) jau naudojamas miško medienai apsaugoti nuo kenkėjų. Manoma, kad tokių nano-biopesticidų naudojimas yra labiau priimtinas, nes saugesnis augmenijai, mažiau teršia aplinką, palyginti su cheminiais pesticidais. Pvz., cinkas žmogui net būtinas, nes dalyvauja nervų sistemos signalų perdavimo procesuose ir yra reikalingas tinkamam baltymų ir ląstelės membranų struktūros palaikymui. Be to, jo yra fermentuose, jis dalyvauja hormonų išskyrimo procese, padeda reguliuoti ląstelių augimą. Cinko oksidas naudojamas kaip maisto papildas kovojant su cinko trūkumu organizme. Jo dedama į miltus, dribsnius, į kūdikiams skirtą maistą ir pan.

Vilniaus universiteto Taikomųjų mokslų instituto (VU TMI) mokslininkai tiria ZnO nanodalelių antibakterines ir antigrybines savybes. Pasirodo, jų antimikrobinis aktyvumas priklauso nuo jų dydžio, kiekio, veikimo laiko bei šviesos intensyvumo. Žinant šias jų savybes,  planuojama kartu su Lietuvos agrarinių ir miškų mokslų centro Sodininkystės ir daržininkystės instituto darbuotojais pritaikyti cinko oksido nanodaleles kovoje su  greitai gendančių uogų kenkėjais - pelėsiniais grybais. Nacionalinės mokslo programos  ,,Sveikas ir saugus maistas" projekto, finansuojamo Lietuvos mokslo tarybos, metu numatoma ištirti ne tik cinko oksido nanodalelių veiksmingumą naikinant kenksmingus mikromicetus laboratorinėmis sąlygomis, bet ir įvertinti galimybę naudoti cinko oksido nanodaleles kaip alternatyvą fungicidams braškių uogų apsaugai lauko sąlygomis. Lygiagrečiai planuojama išsamiai tirti žmogaus ligų sukėlėjų, perduodamų per braškes, destrukciją cinko oksido nanodalelėmis. Darbą vainikuos paveiktų uogų mitybinės vertės, organoleptinių savybių bei prekinės išvaizdos įvertinimas. Preliminariais duomenimis, nuskintas braškes apipurškus nanodalelių tirpalu ir apšvietus matoma šviesa, jų išsaugojimas kambario temperatūroje pailgėja 40 proc. Jokio poveikio uogų išvaizdai ar antioksidantų kiekiui nepastebėta.

Išmaniosios ir aktyviosios maisto pakuotės

Pakuotės ne tik apsaugo maisto produktus nuo žalingos mikroorganizmų veiklos, pailgina jų vartojimo trukmę, bet  ir gali įspėti vartotoją apie užkrėstą mikroorganizmais maistą (išmaniosios pakuotės) ar stabdyti jo gedimą (aktyviosios pakuotės).  Tradicinės pakuotės gaminamos iš nesenstančių, ilgai nesuyrančių polimerų. Pastaraisiais metais intensyviai kuriamos visiškai naujos bioskaidžios polimerinės pakuotės galėtų išspręsti maisto saugos bei aplinkos taršos problemas. Be to, iš biopolimerų (krakmolo, želatinos) taip pat gali būti gaminamos valgomosios plėvelės, kuriomis „apvilkti" vaisiai, daržovės, konditerijos gaminiai, mėsa, greitas maistas apsaugomi nuo mikroorganizmų, stabdomas drėgmės mažėjimas.

Jutikliai, kurie fiksuoja, ar maistas dar tinkamas vartoti, - jau rinkoje! Jungtinių Valstijų prekybos centruose galima aptikti pakuočių su  mažais lipdukais, kurie keičia spalvas, priklausomai nuo produkto pagaminimo laiko. Mokslas nori žengti dar toliau ir pailginti šių produktų galiojimo laiką iki rodos neįmanomų terminų. Kartu su nanojutikliais integravus antimikrobines ir antioksidantines nanomedžiagas, būtų galima užkirsti kelią baterijų plitimui.

Savaime besivalantys paviršiai

Paviršių užkrėstumas mikroorganizmais dažnai sukelia su maistu perduodamas infekcines ligas, todėl maisto gamybos ir apdorojimo procesuose būtina užtikrinti aukščiausio lygio higieną. Bakterijos ir virusai dažnai patenka į maistą gamybos proceso metu per rankas ar naudojamą įrangą, indus ir kt. Bakterijos ne tik prisitvirtina prie maisto gamyboje naudojamų paviršių, bet ir geba sudaryti bioplėveles, galinčias užkrėsti maisto produktus. Bioplėveles sudaro viena prie kitos prilipusios bakterijos, apvilktos bendru polimerinių medžiagų sluoksniu. Dėl to bakterijos bioplėvelėse yra tūkstančius kartų atsparesnės už pavienes ląsteles, o maisto gamyboje naudojamų paviršių valymui naudojamos cheminės priemonės nepajėgia jų „įveikti". Zinko oksido, sidabro jonų (maisto papildas), titano dioksido (maisto priedas E171) nanodalelės, integruotos į polimerą, gali sukurti metalo, plastiko, stiklo antibakterines dangas ar net savivalį paviršių, garantuojantį jo mikrobiologinę saugą.

Ar viskas aišku?

Aptariant nanotechnologijų panaudojimo derliaus saugai galimybes, reikia paminėti ir kitą medalio pusę - kokius naujus iššūkius nanodalelės atnešė žmonijai. Kadangi nanodalelės skiriasi savo fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis nuo savo pirmtakių makrostruktūrų, jų poveikis gyvai ir negyvai aplinkai gali būti kartais ir netikėtas. Todėl per pastaruosius kelerius metus tiek Europos Sąjunga, tiek JAV išleido milijonus dolerių tam, kad įvertintų nanodalelių poveikį gyvosioms sistemoms. Pavyzdžiui, atlikti išsamūs toksikologiniai tyrimai, siekiant nustatyti, kiek nanodalelės, patekusios į organizmą per plaučius, sąlytį ar virškinimo traktą, gali būti kenksmingos. Eksperimentų, atliktų su pelytėmis, rezultatai parodė, kad inhaliacijų metu, kvėpuojant stipriai nanodalelėmis užterštu oru, dalis jų pasilieka kvėpavimo takuose ir sukelia uždegimines reakcijas. Kai kuriais atvejais buvo stebėta, kad inhaliacijų keliu patekusios į organizmą nanodalelės išplinta per kraujotakos sistemą ir patenka į smegenis. Per odą patenkančių dalelių toksiškumas mažiau ištirtas. Bene geriausiai įvertintas nanodalelių poveikis virškinamajam traktui, kai jos patenka į organizmą su maistu ar vaistais. Tai ir lėmė, kad pirmiausia nanodalelės buvo sėkmingai panaudotos vaistų pramonėje.

Mokslinėje literatūroje trūksta duomenų apie nanodalelių „viso gyvenimo ciklą". Aptinkami pavieniai eksperimentiniai faktai, kad cinko oksido nanodalelės, naudojamos didesniais kiekiais, gali būti toksiškos aplinkoje esantiems augalams, naudingiems mikroorganizmams bei vandens faunai. Bet niekas neįrodė, kad jos yra toksiškesnės už chemines priemones, taip plačiai naudojamas žemės ūkyje.

Nepaisant to, atrodo, kad nanotechnologijos iš laboratorijų veržiasi į gyvenimą ir didžiųjų prekybos centrų lentynas, siūlydamos inovatyvius, saugius ir stabilius produktus. Net prieš dešimtį metų globalios investicijos į nanotechnologijas sudarė 7 mlrd. JAV dolerių per metus. Prognozuojama, kad 2011-2015 metais investicijos į nanotechnologinių produktų gamybą sieks 1 trilijoną JAV dolerių ir sukurs darbo vietų 2 milijonams žmonių.  Vien globali nanomaisto prekyba (pirmaujančios šalys - JAV, Japonija, Kinija) išaugs iki 20 mlrd. JAV dolerių per metus. Jau dabar pasaulyje yra apie 400 žemės ūkio ir maisto pramonės kompanijų, aktyviai perkančių nanotechnologines idėjas ir inovacijas. Visapusiškai įvertinus nanodalelių poveikį gyviems organizmams ir aplinkai, ateityje jos, ko gero, ras savo pritaikymą ne tik medicinoje, elektronikoje, pramonėje, bet ir  žemės ūkyje.

Živilė Lukšienė

Mano ūkis, 2013/09