Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Новомосковский институт (филиал)

Кафедра «Общая и неорганическая химия»

Реферат

по предмету: Медицинская и фармацевтическая химия

на тему: Нанотехнология: проблема фиксации азота и искусственного фотосинтеза

Выполнила:

Говоровская Е.В.

Новомосковск 2015

Азотофикация

Азот является абсолютно необходимым элементом для всех живых организмов. Основным резервуаром азота служит земная атмосфера. Эукариотические организмы не способны усваивать азот непосредственно из атмосферы. Такой способностью обладает ограниченное количество видов прокариот, которых называют азотфиксаторами, а процесс связывания азота этими организмами - биологической азотфиксацией. Многие растения, животные и грибы способны вступать в симбиоз с азотфиксирующими прокариотами. Биологическая азотфиксация представляет собой глобальный процесс, обеспечивающий существование жизни на Земле.

Различают три типа биологической азотфиксации:

· Свободноживущими бактериями самых разнообразных групп.

· Ассоциативная азотфиксация бактериями, находящимися в тесной связи с растениями (в прикорневой зоне или на поверхности листьев) и использующие их как источник органического вещества. Азотфиксаторы живут в кишечнике многих животных

· Симбиотическая. Наиболее известен симбиоз клубеньковых бактерий с бобовыми растениями. Обычно происходит корневое заражение, но известны растения, образующие клубеньки на стеблях и листьях.

Открытие азотфиксирующих организмов привело к созданию так называемых микробных удобрений. Уже в 1895 году запатентован препарат микробной культуры Nitragin. Он выпускался в 17 вариантах для различных растений. Препарат представлял собой культуры азотфиксирующих микроорганизмов, смешанных с почвой, торфом, песком, навозом и другими субстратами. Внесение нитрагина в почву или обработка семян назывались инокуляцией и позволяли фермеру повысить качество и количество продукции. В первой половине XX века наблюдался неуклонный рост научно-исследовательских работ по созданию перспективных микробных препаратов для бобовых и небобовых культур.

После второй мировой войны начался период химизации сельскохозяйственного производства и работы по исследованию микробиологических препаратов стали свертываться. Возможности большой химии, дешевизна азотных удобрений, простота их использования как бы отодвигали на второй план микробные препараты. Однако выяснилось, что интенсивное использование синтетических азотных удобрений кроме положительного эффекта (роста урожайности) несут в себе большую опасность. Происходит загрязнение азотсодержащими веществами почвы, подпочвенных вод, рек и озер. Минеральные удобрения вымываются из почвы, выщелачиваются и становятся вредными для человека соединениями - нитритами, нитрозаминами и т.д. поэтому в последнее время отдаётся предпочтение микробным препаратам.

Сейчас спектр применяемых микропрепаратов под бобовые, злаковые и другие культуры довольно широк. Штаммы ризобий, используемые для инокуляции сельскохозяйственных бобовых культур, обычно выделяются из клубеньков этих же видов, однако в качестве источника таких штаммов могут быть использованы и некоторые дикорастущие виды бобовых.

В конце XX века во многих странах нитрагенизации подвергается 70-80 % бобовых культур. На почвах, где бобовые культуры ранее не возделывались и в которых нет специфичных для них клубеньковых бактерий, дополнительный сбор сельскохозяйственной продукции за счет применения препаратов клубеньковых бактерий достигает 50-100 % и более.

Искусственный фотосинтез

Роль растений в жизни планеты и её обитателей огромна: они способны создавать органические вещества из неорганических, служат источником кислорода, которым дышат животные и люди, а также являются богатой полезными веществами пищей. Команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) придумала, как сделать растения ещё более функциональными и использовала для этого современные методики в области нанотехнологий.

Способность растений к фотосинтезу выросла на 30% после внедрения углеродных нанотрубок в хлоропласты -- органеллы, где происходит собственно процесс захвата энергии света и образования органических веществ и воды. Использование другого типа углеродных нанотрубок привело к созданию растений, чувствительных к оксиду азота.

Своё исследование учёные отнесли к новой области, которую назвали "нанобионикой растений".

Растения являются очень перспективной технологической платформой. Они способны к самовосстановлению, экологически стабильны, устойчивы к агрессивным условиям среды и умеют сами себя обеспечивать водой и питанием. нанотехнология азотфиксация фотосинтез растение

Как известно, хлоропласты обладают всем необходимым для проведения двухэтапного фотосинтеза. Сначала пигмент хлорофилл поглощает свет. Кванты света возбуждают электроны, проходящие через тилакоидные мембраны хлоропласта. Затем растение использует полученную электроэнергию для проведения второго этапа фотосинтеза -- создания сахаров.

Даже если удалить хлоропласты из растений, они всё равно не потеряют способности к фотосинтезу, однако после нескольких часов начнут разрушаться, поскольку свет и кислород повреждают фотосинтетические белки. Если растения способны устранить эти повреждения, то автономные хлоропласты не могут этого сделать.

Чтобы продлить производительность хлоропластов, учёные вживили в них наночастицы оксида церия, также известные как наноцерий. Эти частицы являются сильными антиоксидантами, то есть препятствуют окислительным процессам, "нейтрализуя" кислородсодержащие радикалы и другие высокореакционные молекулы. Таким образом хлоропласты защищаются от повреждений.

Для доставки наночастиц в хлоропласты была разработана отдельная методика, которую учёные назвали аббревиатурой LEEP: частицы упаковываются в полиакриловую кислоту, словно в конверт, за счёт чего они приобретают способность проникать в жирные гидрофобные мембраны, которые окружают хлоропласты.

При помощи той же методики исследователи внедрили в хлоропласты полупроводниковые углеродные нанотрубки, покрытые отрицательно заряженной ДНК. Растения обычно используют только 10% солнечного света, но нанотрубки выступили в роли антенн, которые позволили растениям охватить новые длины волн света -- например, ультрафиолетового, зелёного и ближнего инфракрасного диапазонов.

Как показали результаты эксперимента, после внедрения нанотрубок фотосинтетическая активность, измеряемая по скорости потока электронов через тилакоидные мембраны, выросла на 49% по сравнению с обычными изолированными хлоропластами.

Что ещё более интересно, когда наноцерий и углеродные нанотрубки вживили в хлоропласты одновременно, последние оставались активными в течение нескольких дополнительных часов.

В ходе последующего эксперимента учёные взяли живое растение -- резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana), и попробовали вживить ему те же наночастицы, только при помощи другой технологии. На нижнюю сторону листа растения нанесли раствор из наночастиц, и он проник в лист через крошечные поры, которые обычно позволяют углекислому газу проходить внутрь и выпускать кислород.

На этот раз нанотрубки, переместившиеся прямо в хлоропласты резуховидки Таля, увеличили фотосинтетический поток электронов на 30%.

По итогам своей работы учёные задумались, насколько широка может быть область применения данного нововведения: растения потенциально возможно превратить в фотонные устройства с автономным источником питания, и использовать их в качестве детекторов взрывчатых или химических веществ. Помимо этого, можно разработать метод внедрения электроники в сами растения.

Исследователи показали на примере той же резуховидки Таля, что растения могут послужить не только улучшенными "солнечными батареями", но и химическими сенсорами. Надо только внедрить в их хлоропласты углеродные нанотрубки, чувствительные к оксиду азота -- экологического загрязнителя, который синтезируется при горении.

Также учёные планируют создать растения, чувствительные к пестицидам, грибковым инфекциям и бактериальным токсинам, чтобы в будущем обеспечить за счёт этих биосенсоров безопасность человека и животных. Более того, учёные работают над проектом по вживлению в растения электронных наноматериелов, таких как графен. Таким образом можно будет создать целую экосистему, следящую за уровнем чистоты и безопасности окружающей среды, считают изобретатели.

Размещено на Allbest.ru