Фиксация азотаФиксация атмосферного азота – важнейший природный процесс, в ходе которого микроорганизмы переводят химически малоактивный азот в азотсодержащие неорганические соединения. Эти соединения, в свою очередь, в результате цепочки превращений в живых организмах сначала превращаются в органические азотсодержащие соединения, например, в растительные белки. Обычно почвенного азота, особенно в нитратной форме, недостаточно для интенсивного земледелия. Для производства азотных удобрений было разработано много промышленных процессов. Самый известный из них – процесс синтеза аммиака Габера – Боша. Для достижения сбалансированного содeржания в почве различных химических веществ важное значение имела разработка в 1956 г. автоматического анализатора, измеряющего содержание азота в органических соединениях методом Кьельдаля.

Процесс Габера – БошаК концу XIX в. все большее беспокойство стало вызывать ограниченность пищевых ресурсов для растущего населения Земли. Содержание азота в пахотных почвах к тому времени уменьшилось, а проблeма промышленного производства азотных удобрений оставалась нерешенной. Некоторые ученые предсказывали голод в мировом масштабе. Перед человечеством встала неотложная задача получения азотсодержащих соединений из азота воздуха. Проблема была решена в Германии в 1908 г., когда Фриц Габер на основе всех имеющихся в то время возможностей, как научных, так и технических, разработал принципы синтеза аммиака. Реакция шла на железном катализаторе при высоких давлении и температуре. Работавший в фирме БАСФ ( ｫ Баденская анилино-содовая фабрика ｻ ) химик Карл Бош довел процесс Габера до промышленного воплощения, что привело в 1913 г. к началу массового производства азотных удобрений на современном техническом уровне. Это дало возможность расширить сельскохозяйственное производство и привело в ХХ веке к росту населения Земли.

Новые химические удобренияНачавшееся в 1913 году промышленное производство синтетических удобрений привело к резкому повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Однако на этом инновации в области производства химических удобрений не закончились. Так, в 1930 г. началось производство гранулированных удобрений, а в 1965 г. на американский рынок поступили удобрения в виде суспензии. В 1970-е гг. произошло усовершенствование процесса получения гранулированных удобрений, что позволило использовать их также в домашних условиях.

Среди самых последних достижений в этой области – промышленный выпуск удобрений в капсулах, что приводит к замедленному их поступлению в почву и предотвращает передозировку, которая может отрицательно повлиять на окружающую среду.

ｫ Зеленая революция ｻ и гибридные растенияГибридные растения были выведены еще в 1870-х гг. с целью использовать нужные характеристики растений и повысить производство и качество продуктов. Методами органической химии можно идентифицировать желательные генетические признаки, последовательно перенести их из одного гибрида в следующий и добиться максимального усвоения растением азота их химических удобрений.

Все эти достижения привели к ｫ зеленой революции ｻ . А началась она в 1943 г., когда Мексика впервые смогла обеспечить себя пшеницей. К 1964 г. большинство населения азиатских стран стало обеспечиваться продуктами, произведенными новыми гибридными сортами растений и с помощью химических удобрений. В настоящее время американские фермеры пользуются новыми сортами гибридных растений, таких как кукуруза и картофель. Эти растения сами вырабатывают пестициды в своих листьях и стеблях.

Фриц Габер

IV. Продовольствие и сельское хозяйство

Клубеньки на корня

Круговорот азота в природе]

IV.1. Удобрения и питательные элементы почвы

Бордоская жидкость и фунгицидыВ 1882 г. французский ботаник Пьер Милларде использовал смесь из водного раствора сульфата меди и взвеси гашеной извести (бордоскую жидкость). Она оказалась эффективной против грибкового вредителя французских виноградников – ложномучнистой росы. И сейчас бордоскую жидкость применяют для борьбы с некоторыми грибковыми вредителями растений. Этот препарат оказался первым фунгицидом, который использовался в больших масштабах и полностью изменил методы, используемые для химической защиты урожая. Затем последовало открытие других химических веществ – фунгицидов для применения в сельском хозяйстве; с 1934 г. началось применение дитиокарбаматных фунгицидов, а с 1996 г. начали применять стробилурины.

ДДТ и пестицидыПестициды защищают урожай от грибков, насекомых, сорняков. В 1939 г. Пауль Мюллер предложил в качестве инсектицида дешевый препарат – дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ) для борьбы с колорадским жуком и другими насекомыми-вредителями. Этот препарат и аналогичные ему пестициды использовались для борьбы с вредителями растений и болезнями растений, вызываемыми насекомыми, в течение более двух десятилетий. В 1960-е гг. пришло понимание того, что ДДТ вреден для окружающей среды, он накапливается в организме человека. Кроме того, появилось все больше насекомых, выработавших устойчивость к этому препарату. В результате были созданы новые пестициды, а применение ДДТ стало идти на убыль. Современные пестициды расходуются в меньших количествах при том же биологическом действии; они дают фермерам большую экономию. Кроме того, эти пестициды безопасны для работающих с ними, а также наносят значительно меньший вред окружающей среде по сравнению с любыми предшественниками.

Успехи ветеринарииПрогресс в лечении сельскохозяйственных животных, либо путем вакцинации, либо лекарственными средствами, позволил увеличить количество пищевых продуктов и улучшить их качество. В 1881 г. Луи Пастер последовательно совершенствовал методику вакцинации животных, что давало им иммунитет против микроорганизмов, вызывающих заболевание сибирской язвой. В 1981 г. в практику вошел противопаразитарный препарат ивермектин, эффективный против разнообразных клещей, гельминтов и других эндопаразитов, вызывающих болезни животных. Современные исследователи работают над созданием средств, предупреждающих губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота, так называемое ｫ коровье бешенство ｻ . Предполагается, что эту болезнь вызывают особые белки в пище животных, в которых имеется возбудитель инфекции.

Механизация в сельском хозяйствеВ последнее столетие мы наблюдали совместное развитие химических производств для нужд сельского хозяйства (удобрения, пестициды), водоснабжения и механизации. Все это значительно повысило эффективность и производительность сельского хозяйства.

В 1904 г. американский изобретатель Бенджамин Холф разработал конструкцию трактора на дизельном топливе. Для современных тракторов, культиваторов, уборочных комбайнов, дождевальных установок требуются компьютеризованное управление и сложные системы глобального позиционирования (GPS). И для нормального функционирования всех этих механизмов необходимы инновации в области химии, которые включают топливо как продукт нефтепереработки, конструкционные материалы (металлические сплавы, современные пластики), компоненты электроники для компьютеров.

IV. Продовольствие и сельское хозяйство

Яйца с тонкой скорлупой из-за

применения ДДТ

Луи Пастер

Современный комбайн для уборки

урожая

Гусеничный трактор Холфа

ДДТ в борьбе с малярией

IV.2. Сохранение урожая и защита от вредителей

Сахарин и другие подсластителиИскусственные заменители сахара нужны как больным диабетом, так и соблюдающим диету.и Синтез таких заменителей возможен только химическими методами. В 1901 г. Джон Ф. Куини начал производство искусственного подсластителя – сахарина. В 1967 г. производится кукурузн ый сиропа с высоким содержанием фруктозы. Для его получения использовался запатентованный фермент, повышающий содержание фруктозы в сиропе с 14 до 42%. Вскоре такой сироп стали использовать в качестве подсластителя во многих безалкогольных напитках. В 1985 г. в США поступил в продажу аспартам. Этот низкокалорийный заменитель сахара, производящийся компанией NutraSweet, был синтезирован в 1955 г. в качестве возможного лекарства для лечения язвы желудка.

Витаминные добавки к пищеУспехи, достигнутые в области биохимии пищевых продуктов, произвели революцию в питании: были предложены методы лечения при пищевой недостаточности, вызванной нехваткой витаминов. Огромные успехи в этой области сделала химия, что можно проиллюстрировать на примере открытия первого витамина. В 1913 г. из сливочного масла и яичных желтков был выделен витамин А (бета-каротин). Это вещество необходимо для нормального зрения и защиты покровных тканей (эпителия). Химическое строение витамина А было установлено в 1931 г., а в 1947 г. он впервые был синтезирован. В 1928 г. венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи выделил из надпочечников гексуроновую (аскорбиновую) кислоту; сейчас она известна как витамин С. В 2001 г. в азиатских странах начали генетически модифицированный ｫзолтой рис ｻ , который сам вырабатывает провитамин А. Это способствовало борьбе со слепотой и другими болезнями, вызванными пищевой недостаточностью.

Успехи в сохранении и обработке продуктовОсновы химии пищевых продуктов заложил немецкий химик Юстус Либих, который в середине XIX в. впервые приготовил мясной экстракт. Успехи в этой области позволили создать современные технологические приемы переработки пищевых продуктов, обеспечивающие их сохранность. Химические исследования повлекли за собой изменения в пищевой промышленности, созданы новые пищевые продукты. Новые технологии увеличили также время хранения продуктов. Один из таких методов (он появился в 1906 г.) – лиофилизация или сублимационная сушка, то есть удаление влаги из замороженного продукта в вакууме. В 1920 г. началась глубокое замораживание продуктов, в 1939 г. появились замороженные полуфабрикаты, в 1946 г. – концентраты из жидких продуктов.

Безопасность продовольствия и контроль за его качествомВ любом сыром или приготовленном продукте могут оказаться нежелательные вещества, наносящие вред здоровью человека. Такие вещества могут попасть в пищу в процессе ее подготовки, приготовления, хранения и употребления. Химики создали методы, повышающие безопасность продуктов. Среди них – быстрые тесты, способные обнаружить бактериальное заражение продуктов. В результате удалось снизить число эпидемических заболеваний, вызванных такими продуктами. Так, в США только с 1997 по 1999 гг. удалось на 20% снизить число заболеваний, вызванных наиболее распространенными пищевыми патогенами.

IV. Продовольствие и сельское хозяйство

Старый плакат, рекламирующий в

стихотворной форме мясной экстракт Либиха

IV.3. Технология производства пищевых продуктов: обработка сырья и безопасность

Упаковка для продуктовПродуктовая упаковка может быть сделана из полимера, металла, стекла или керамики. Она сохраняет продукты в процессе их продажи, транспортировки и приготовления. В 1930-х гг. Ральф Уили изобрел метод промышленного производства мягкой прилипающей пленки для упаковки продуктов (фирменное название – саран), а в 1953 г. она появилась в быту. Такая пленка создает прекрасный барьер для проникновения кислорода, влаги, летучих ароматических и других веществ даже при очень высоких влажности и температуре. Эту пленку изготавливают из сополимера винилиденхлорида и винилхлорида. Среди других инноваций – методы утилизации алюминиевых банок из-под продуктов и напитков (1960-е гг.), замена стеклянных и алюминиевых емкостей на полимерные, из полиэтилентерефталата (РЕТ), пригодные для повторной переработки (1970-е гг.).

Холодильники и фторхлорулеводородыВ 1918 г. появились первые бытовые холодильники. Это произвело переворот в сохранении продуктов. Холодильники позволяли безопасно перевозить и хранить свежие продукты. Однако в начале 1920-х гг. энтузиазм пошел на убыль, поскольку в качестве хладагента тогда использовали токсичный диоксид серы. Вопрос был решен в 1931 г., когда Томас Миджли и Чальз Кеттеринг нашли этому веществу замену в виде газообразного холодильного агента фторхлоруглеводорода ССl2F2 (фреон-12). После этого холодильники быстро получили широкое распространение в домах, ресторанах, продовольственных магазинах. Однако в настоящее время использование фреонов снижается из-за опасений их участия в разрушении озонового слоя Земли.

Микроволновые печиБытовая кухонная техника позволила в ХХ веке отказаться от многих видов ежедневной работы по приготовлению пищи. Один из видов новой техники, в разработку которой внесли вклад химики, – микроволновая печь. Сохранилась история о том, как в 1945 г. Перси Лебарон Спенсер, работавший в компании ｫРайтеон ｻ , стоял около работающей радиолокационного передатчика, когда заметил, что лежащая в его кармане плитка шоколада начала плавиться. Удивленный этим, Спенсер повторил эксперимент с жареной кукурузой, и в результате появилась микроволновая печь. Спустя десятилетие печи ｫ Радарейндж ｻ появились на кухнях предприятий общепита. И сейчас основа столь популярных микроволновых печей – микроволновой передатчик (магнетрон) того же типа, который появился в годы Второй мировой войны.

Чистая водаУспехи химии обеспечили снабжение людей безопасной питьевой водой, не содержащей бактерии, вирусы, вредные вещества. Современные методы очистки воды включают активный уголь, устраняющий плохой вкус и запах воды, химикаты, умягчающие воду и удаляющие из нее тяжелые металлы, технологические приемы обработки, подвода и распределения воды. К 1910 г. был реализован метод дезинфекции водопроводной воды путем ее хлорирования, а в 1913 г. появились реагенты для бытового обеззараживания, содержащие активный хлор. И сейчас такие реагенты продолжают прекрасно предохранять от болезнетворных бактерий приборы и оборудование, предназначенные для приготовления пищи.

IV. Продовольствие и сельское хозяйство

Ящик со льдом для хранения продуктов (1890 г.) и современный холодильник

Молекула хлорноватистой кислоты – дезинфицирующего агента

IV.4. Заготовка продуктов