Холодная война, ядерная гонка. В этих условиях в конце 1970-х в лаборатории химии полимеров Института химической физики им. Н.Н. Семенова начали разрабатывать препарат для ликвидации последствий радиоактивного и других видов заражений. Во время испытаний выяснилось, что синтезированный полимер обладает еще и антисептическими свойствами. Доработав состав, руководитель исследовательской группы Михаил Черкашин предложил провести тесты на растениях: надо было проверить, способно ли вещество защитить урожай от бактерий и грибков. Дальше известная история: развал СССР, потеря интереса к науке. Но редкий случай: Михаил Черкашин не забросил дело. Более того, ему с коллегами удалось вывести препарат из лаборатории в реальную жизнь. Первый опыт проводился в Казахстане. Дважды обработав средством яровую пшеницу, с одного гектара удалось собрать 18 центнеров, в то время как при традиционной технологии было 12. А в Беларуси, на Чернобыльской земле, получилось вырастить не зараженные радионуклидами овес и ячмень.
«Живой» полимер
Синтезированный на основе пирролидиниевого полимера препарат уже опробовали в инкубации уток
«Полученные результаты стали основанием для начала регистрации соединений в системе защиты растений», – говорит Павел Жеглатый, совладелец компании-патентодержателя «Новая формула». Заявка на первый в России регулятор роста растений «Матрица роста», созданный на базе полимеров, была подана в Минсельхоз в конце 2000-х. В роли главного действующего вещества выступает полипирролидиниевый полимер – поли-N,N-диметил-3-4-диметиленпирролидиний галогенид.
Препарат зарегистрирован для применения на 21 культуре: разных зерновых, свекле, картофеле, перце, томате, огурце, землянике, смородине, яблоне, винограде и т.д. Для каждого растения свой регламент. Исследователи уверяют: если обработать составом пшеницу, то не только урожай вырастет, но и повысится качество зерна за счет увеличения содержания клейковины и белка. «Это антистрессант с фунгицидным и бактерицидным действием. А еще полимерная молекула способна собирать и удерживать влагу, чтобы постепенно отдавать ее», – говорит Павел Жеглатый.
Обрабатывать полимером можно не только растения, но и почву для дезактивации радиоактивных элементов – собственно, это показали опыты в Беларуси. В результате содержание в грунте наиболее доступной растениям водорастворимой формы цезия-137 снижается в 5 раз, свинца – в 2,8 раза, стронция-90 – в 2 раза, кадмия – в 1,8 раза.
В 2015 году Роспатент включил препарат для почвы в перечень 100 лучших изобретений России. Дальше – больше. Синтезированный на основе пирролидиниевого полимера препарат уже опробовали в инкубации уток – скороспелого вида птиц, мясо которых превосходит по биологической ценности свинину и говядину. После обработки яиц аэрозолем соединения увеличилась как выводимость птиц, так и число кондиционных утят.
Могут быть и другие варианты. «За счет модификации полимера можно направленно изменять свойства веществ и расширять возможности их применения», – говорит Павел Жеглатый. По его словам, уже разработано более 10 новых решений в области защиты растений, хранения готовой продукции, а также линейка дезинфектантов. Актуальная задача – продвигать их на рынке, а это не так просто, ведь у потребителя есть стойкое предубеждение против «вредной» химии.
Исторически именно химизация была одним из главных направлений развития сельского хозяйства. В СССР такой вектор был задан еще в 1920-х. Правда, в советские годы аграрии имели почти неограниченный доступ к удобрениям. Как итог, в погоне за перевыполнением плана химией посыпали поля без соблюдения дозировки. В итоге и сформировалось мнение о вреде удобрений. Сегодня даже производителям инновационной продукции приходится сталкиваться с предубеждениями, не говоря уже о том, что на рынке представлено большое количество различных минеральных и «органических» удобрений, с которыми также нужно конкурировать.
Молекулярный насос
Повысить урожайность можно не только за счет наращивания объемов удобрений, но и увеличив эффективность потребления растениями полезных элементов. В этом тоже могут помочь полимеры. В 2000-х отечественная компания «Робелл Технолоджи СПБ» начала разработку, а затем выпуск не имеющей аналогов в мире системы. «Совершенствование технологии заняло около 15 лет, но результат того стоил», – говорит ее исполнительный директор Андрей Спиридонов.
Исторически химизация была одним из главных направлений развития сельского хозяйства. В СССР такой вектор был задан в 1920-х
Удобрения представляют собой высокомолекулярные водно-полимерные комплексы длинных углеводородных цепочек с закрепленными на них микро-, мезо- и макроэлементами. В них функциональные группы атомов полимерной основы формируют разветвленную сеть – матрицу, которая удерживает в своей структуре азот, фосфор и калий за счет образования водородных, ионных связей и электростатических взаимодействий.
Как правило, полимерные удобрения вносятся в малых количествах мелкодисперсным распылением по листу, а также применяются корневым методом и в гидропонике. «При корневом применении полимерная матрица сначала отдает удерживаемые элементы, а потом работает как «молекулярный насос»: захватывает новые питательные вещества из самой почвы и внесенных удобрений, включает их в свою структуру, а потом передает растению», – объясняет принцип действия Андрей Спиридонов. А еще полимерная основа выполняет роль диспергатора, то есть, образно говоря, дробит труднорастворимые удобрения, повышая их доступность для растений.
В результате растет и урожай, и качество продукции. Например, по зерновым культурам прибавка составляет до 20%, схожие результаты по сое и овощам. Составы экологически безопасны. Через две-три недели после применения полимерная матрица, отдав все питательные вещества, распадается на углекислый газ и воду. Также полимеры помогают решить проблему деградации окружающей среды. «Минеральные удобрения, смываемые с полей в реки и озера, провоцируют заболачивание водоемов, что сопровождается гибелью водных растений, замором рыб и других гидробионтов. Наши продукты резко увеличивают потребление растениями азота, фосфора и калия из почвы, тем самым удобрения расходуются для повышения урожая, а не подкормки тины и камышей», – объясняет Андрей Спиридонов.
Также полимерная матрица повышает эффективность пестицидов при совместном применении в составе баковой смеси. Одновременно снижается токсический эффект агрохимикатов. «Действующие вещества средств защиты растений высвобождаются из полимерной матрицы постепенно, что снижает их негативное влияние на сельхозкультуры и пролонгирует действие агрохимикатов», – говорит исполнительный директор «Робелл Технолоджи СПБ». Он говорит, что продукция компании сегодня применяется не только в России, но и экспортируется в Китай, а эта страна, которая давно уже стала мировой фабрикой, завозит к себе не так много. «Китай прежде всего заинтересован в импорте технологий. В планах – строительство в КНР предприятия для обеспечения потребностей стран Юго-Восточной Азии. В целом же рынок удобрений только для листовой подкормки оценивается в 6 млрд долл.», – рассказывает Андрей Спиридонов.
Минеральные удобрения, смываемые с полей в реки и озера, провоцируют заболачивание водоемов, что сопровождается гибелью водных растений, замором рыб и других гидробионтов
Удобрениями линейка инновационных полимерных составов, предназначенных для сельского хозяйства, не ограничивается. Выпускаются и препараты для защиты животных – йод-полимерное лекарственное средство «Монклавит-1», которое применяется в промышленном птицеводстве и животноводстве для лечения и профилактики инфекционных заболеваний. «При включении в молекулу высокополимера йод теряет свои токсические и раздражающие свойства, но полностью сохраняет активность как микроэлемент и антисептик», – говорит Андрей Спиридонов. По его словам, препарат позволяет получать продукты питания без содержания антибиотиков и выращивать так называемую функциональную пищу, например обогащенные йодом куриные яйца. «В таком продукте микроэлемент сохраняется даже при термической обработке, чего не скажешь о яйцах, обогащенных неорганическими соединениями йода», – замечает Андрей Спиридонов.
Клубничные поля
А вот другим продуктам нефтехимии уже не приходится бороться за сердца покупателей: они стали традиционными для сельхозпроизводителей. Например, на Сахалине, в зоне рискованного земледелия, есть ферма, где почти десятилетие выращивают местную клубнику именно благодаря использованию продукции отрасли.
Раньше ягода завозилась только с материка, даже не из России, а из Китая. Сейчас «Клубника от Наташи» –единственный на острове промышленный производитель лакомства. Бизнес появился еще в 1990-х, когда учитель физики и математики Наталья Одинцова получила по программе, подобной нынешнему «Дальневосточному гектару», землю. Начала она с картошки, но выращивала ее недолго: предложили интересную работу в офисе.
В 2010 году Наталья решила вновь стать фермером, взявшись за необычную для острова культуру. «Точно сказать, почему выбор пал на эту ягоду, сложно. В какой-то мере это отсылка к детству, которое прошло в Беларуси. Отчасти попытка восстановить то, что было в СССР. Сахалинцы, которым сегодня по 50–60 лет, помнят, как ездили на сбор клубники в совхоз «Пятиречье». Его уже давно нет. Но такой опыт давал надежду, что даже в нашем климате рискованная затея может быть удачной», – говорит Артем Одинцов, сын Натальи, который сегодня управляет бизнесом.
Сначала ягоду выращивали в открытом грунте. Плантации покрывались специальным материалом для мульчирования. Эта технология изобретена еще в XVII веке. Тогда при мульчировании почву вокруг растений укрывали опилками, корой деревьев или сеном, которые мешали росту сорняков, задерживая влагу и обогащая землю полезными элементами. Позже традиционную мульчу, которая привлекала насекомых-вредителей и грызунов, заменила полиэтиленовая пленка. А потом появился геотекстиль – материал, состоящий из полимерных волокон. Его и используют в экохозяйстве «Клубника от Наташи».
Геотекстиль позволяет растению дышать, снижая риски гниения корней
По словам Надежды Чирковой, гендиректора «ЭМИЛИ Групп», которая выпускает геотекстиль, перед пленкой у этого материала есть два преимущества: он пропускает воздух, позволяя растениям дышать, и влагу, снижая риски гниения корней. «Особой популярностью пользуется нетканый геотекстиль из полиэфира. Он дешевле, а со своими задачами справляется не хуже», – говорит Надежда Чиркова.
Однако, по словам Артема Одинцова, у геотекстиля есть свои недостатки, поэтому сейчас в хозяйстве хотят вновь попробовать использовать полиэтиленовую пленку. «При мульчировании в геотекстиле делают отверстия, в которые высаживают клубнику. Но проблема в том, что куст растет: в начале ширина пучка – 2 см, а через год – уже 11 см. Изменить размер сложно, а делать прорези сразу побольше неэффективно, в «запасе», который пригодится позже, появляются сорняки. Пленка же растягивается, принимая нужный размер. Да и делать отверстия в ней легче, есть специальное оборудование, не надо резать руками», – говорит он.
Проблема, с которой столкнулись сахалинские фермеры, – ограниченный срок сбора урожая на открытом грунте. Даже при хорошей погоде первые ягоды появляются в начале июня, а пропадают к концу лета. «Поэтому несколько лет назад начали проектировать теплицы, первые уже построены», – говорит Артем Одинцов, добавляя, что теперь клубнику можно собирать с ранней весны до поздней осени. Парник покрыт пленкой из EVA на основе этиленвинилацетата, она многолетняя, хорошо пропускает свет.
Многослойный пирог
Выбрать пленку для парника – задача непростая, ассортимент велик. «Дешевые полиэтиленовые пленки, которые делают без специальных добавок, не служат и сезон», – говорит гендиректор научно-производственной фирмы «Шар» Наталья Алексеева. Качественные изделия могут служить в укрытии много сезонов. Секрет в рецептуре: в состав пленок для парников вводят различные добавки, которые придают особые свойства. Например, этиленвинилацетат делает пленку устойчивой к морозам, светостабилизаторы защищают от воздействия ультрафиолета, антистатики отталкивают пыль, которая преграждает дорогу солнечным лучам.
Но некоторые из добавок со временем перемещаются к поверхности пленки, а затем улетучиваются или смываются дождем. Бороться с этим можно, сделав полотно толще или увеличив количество добавки, что сказывается на цене. Другой способ – многослойные пленки. Здесь верхняя часть выполняет роль барьера, средняя – резервуара для добавок, а нижняя, обращенная к растениям, – это «рабочий» уровень. Такая структура дает возможность гибко модифицировать свойства пленок, вводя в разные слои нужные добавки. Кроме того, изменение строения материала помогает избавиться от такого недостатка, как неоднородность прочности, – надежность пленки повышается примерно на 25%. Правда, как замечает Наталья Алексеева, для производства подобных материалов нужно более сложное и дорогое оборудование.
По многослойной технологии в фирме «Шар» делают пленку собственной разработки на основе этиленвинилацетатных сополимеров, а также различных полиэтиленов высокой, средней и низкой плотности. Эта петербургская компания была организована в начале 1990-х группой специалистов, уже имевших опыт создания и применения полимерных материалов. Поэтому она не продает чужую продукцию, а ведет собственные разработки. Кстати, именно в Северной столице в свое время шли серьезные исследования по различным технологиям мульчирования. И впервые этот способ для выращивания картофеля был применен на Меньковской опытной станции Агрофизического института Ленинграда, а сегодня он используется в различных странах: США, Великобритании, Италии и др.
Многослойные пленки выдерживают град, резкие перепады температур. Также современные их виды гидрофильны – конденсат на пленке не образует крупные капли, которые могут попадать на растения и вредить им, а стекает. «Под таким укрытием в теплицах растения дают лучший урожай, что было подтверждено при проведении испытаний Санкт-Петербургского аграрного университета», – говорит Наталья Алексеева.
Пластиковые «соты»
Альтернатива пленке – поликарбонат, из которого делают не только парники, но и строения для содержания птиц и животных, а также выращивания аквакультур.
Он получил широкое распространение в 1970-х годах в Израиле. Война Судного дня, в результате которой возник нефтяной кризис, сделала многие полимерные материалы дорогими. Страна в принципе переживала трудные экономические времена. Одним из выходов было развитие кибуцев (сельхозкоммун). В жарком климате эффективным способом выращивания растений стали теплицы с капельным орошением.
Поликарбонат – популярная альтернатива пленкам при строительстве теплиц
«Использовать для покрытия стекло оказалось дорого. К тому же это хрупкий материал. Не подошло и оргстекло: оно не способно удерживать нужную температуру. Решением стал поликарбонат», – говорит Юлия Горбенко, главный архитектор Polygal Vostok. Это дочернее предприятие израильской фирмы Polygal Plastics Industries, которой и удалось создать альтернативу дорогому стеклу, выпустив первый в мире поликарбонатный структурный лист.
Он появился как результат многочисленных экспериментов: изучались возможности сырья, синтезированного еще в 1950-х, и оборудования, на котором уже выпускались ячеистые листы из других полимеров, например полипропилена. Полученный в результате материал одновременно легок, прозрачен и прочен: способен выдерживать сильные порывы ветра, град. В сравнении со стеклом монтаж поликарбоната достаточно прост. «Воздушная прослойка в сотовых плитах создает теплоизоляцию, что дает экономию энергии при поддержании нужной температуры в помещениях», – отмечает Юлия Горбенко.
Кроме того, созданы специальные добавки и покрытия, за счет которых можно расширить возможности поликарбоната. Например, плиты цвета гринфиш предотвращают развитие зеленых водорослей в прудах. А в инкубаторах цыплят в первые две недели содержат около источника тепла, так называемого приемного забора, сделанного из плит черного сотового поликарбоната.
В теплицах плиты можно покрыть специальным лаком «антифог» – он предотвращает появление конденсата, который губителен как для самого строения, так и для растений и животных, поскольку снижает прозрачность, вызывает коррозию, может привести к развитию плесени, болезнетворных бактерий. Еще один вариант усовершенствовать поликарбонат – добавить пигмент, за счет которого плиты будут поглощать большую часть инфракрасного и теплового излучения. «Это снижает нагрузку на помещение в солнечные дни», – поясняет Юлия Горбенко.
В России поликарбонат стал активно применяться в начале 2000-х. Сегодня знают его не только сельхозпроизводители, но и рядовые дачники. «Но в этом есть подвох. Используя любовь к садоводству у россиян, которые не всегда обладают большим достатком, некоторые производители начали выпускать дешевый низкопробный поликарбонат», – говорит Юлия Горбенко. По ее словам, делать такие листы могут из некачественного китайского сырья и переработанных бутылок, экономя на ультрафиолетовой защите. Как итог, листы не переносят град, быстро ломаются, в то время как сделанные по всем нормам аналоги могут служить 10 лет и более.
Это подтверждено практикой. Первым крупным строением в России, где использовали поликарбонат, стал стадион «Локомотив», в 2002 году из таких листов сделали светопрозрачное покрытие трибун. «Перед чемпионатом мира по футболу, который прошел в 2018 году, ФИФА проводила ревизию сооружения, и ни одной претензии к поликарбонату не было», – подчеркивает Юлия Горбенко. Стадион «Локомотив» на время первенства стал базой для арбитров.
Бережный подход
Полимеры используются и в технике для сельского хозяйства. Например, еще в советские годы во Всероссийском научно-исследовательском институте зерна и его переработки (ВНИИЗ) начали развивать идею о применении таких материалов в оборудовании технологических линий хлебоприемных предприятий. Такой опыт уже был в капиталистических, как было принято говорить, странах. Выражался он в конкретных цифрах: в США, Канаде, Франции, ФРГ и Японии использование полимеров увеличивало производительность оборудования в полтора – два с половиной раза.
Полимерные препараты в животноводстве и птицеводстве помогают снизить зависимость от антибиотиков
Повторить результат удалось во ВНИИЗ. А в начале 1990-х, когда ученым во всей стране приходилось особенно туго, руководитель исследований Масхут Тухватуллин с коллегами организовал компанию «Агрополимер». Она была одним из пионеров, предлагавшим заместить традиционные детали машин зерноперерабатывающих и хлебоприемных предприятий на произведенные из нефтехимических материалов.
Замена даже небольших деталей заметно влияет на экономические показатели, повышает безопасность. Например, из полиэтилена и различных полиамидов делают ковши для норий (машин, выполненных в виде движущейся по трубе замкнутой ленты с укрепленными на ней черпаками). Такая техника предназначена для подъема сыпучих или жидких грузов. Вес ковшей из металла велик, что сказывалось на энергопотреблении. Кроме того, на материал часто налипают трудносыпучие массы, что снижает производительность. «Коэффициент трения легких полимерных ковшей вдвое ниже. Вдобавок при перемещении ковши не травмируют зерно, меньше риск снижения качества продукции. И пыли создается меньше», – говорит замглавы компании «Агрополимер» Александр Миронов.
Полимеры помогают решить проблему деградации окружающей среды
Футеровочными листами из полиуретана можно покрыть быстроизнашивающиеся участки технического и транспортного оборудования, например самотеков. Обычно на зерноперерабатывающих предприятиях используют стальные самотеки, но при активной работе буквально за полгода они могут износиться до дыр в прямом смысле слова. Отремонтировать такую поломку на месте по технике безопасности нельзя: от искры в запыленном помещении может начаться пожар. Поэтому самотек нужно демонтировать, что требует и времени, и усилий. «Часто проблему решают заплатками из ткани или других материалов. Практика показывает, что это не самая эффективная мера: зерно все равно может высыпаться. Лучше покрыть самотек футеровочным износостойким листом», – говорит Александр Миронов. По его словам, за счет полимеров срок службы быстроизнашивающихся поверхностей можно увеличить в 10 раз, а травмирование зерна и семян – уменьшить в 5 раз.
Тем не менее в России в отличие, например, от США внедрение инновационных элементов в сельском хозяйстве идет довольно медленно. По словам Александра Миронова, это связано со многими факторами. Главный – нехватка средств. Технику чаще всего чинят, используя устаревшие материалы, хотя инвестиции в инновации окупаются очень быстро. И очевидно, что все же за ними будущее.
Юлия Громадская
