CC BY
24Внедрение концепции устойчивого образования: на примере преподавания «зелёной» химии в аграрном вузе
Григорьева Марина Викторовна,
канд.пед.наук, доцент кафедры химии Российского государственного аграрного университета-МСХА имени К.А. Тимирязева E-mail: marina_gry@inbox.ru
Обоснована целесообразность включения в образовательный процесс философии зеленой химии при обучении студентов аграрного профиля. Приведены примеры исследований, направленных на использование принципов зеленой химии в сельскохозяйственном производстве. Применение природных низкотоксичных препаратов в качестве пестицидов и стимуляторов роста растений. Разработка методов переработки отходов сельскохозяйственного производства. Термохимические исследования в области сельского хозяйства. Изучение каталитических процессов. Разработка тест-методов для своевременного контроля объектов агросферы. Представлен опыт использования принципов зеленой химии в преподавании химических дисциплин обучающимся аграрного профиля. Показаны дополнения к содержанию тем «Термохимия», «Каталитические процессы» в контексте формирования у обучающихся готовности к решению профессиональных задач по минимизации энергетических расходов в сельском хозяйстве и использованию собственных возобновляемых источников энергии.
Ключевые слова: химическая подготовка специалистов агропромышленного комплекса, «зеленая» химия, устойчивое образование, устойчивое развитие.
о с
U
см см о см со
Введение
Все понимают приоритетность задач, связанных с сохранением здоровья нашей планеты. Экоценцен-трическое мышление должно проходить стержнем процесса обучения молодого поколения. Тем более это важно, когда мы говорим о будущих специалистах аграрного профиля, профессиональная деятельность которых связана с активным воздействием на окружающую среду. Концепция устойчивого развития предполагает разработку вопросов, определяющих устойчивость, долговременность любых технологий и процессов, осуществляемых на благо человека. Удовлетворение потребностей нынешнего поколения должно осуществляться таким образом, чтобы не ограничивать и не подвергать опасности возможности удовлетворения потребностей будущих поколений. Чтобы эта концепция была реализована в действительности, система образования должна опираться на принципы, определяющие устойчивое развитие, что было отмечено UNISEF, как одна из задач при реформировании систем образования. В аграрных вузах (а также и во многих других направлениях высшего образования), ключевой составляющей устойчивого образования может быть именно зеленая химия. В нашей стране изучение принципов зеленой химии началось, главным образом, при подготовке специалистов-химиков (Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева), что понятно и целесообразно. Вместе с тем, мы считаем, что будущие специалисты агропромышленного комплекса также должны руководствоваться в своей профессиональной деятельности принципами устойчивого развития и зеленой химии. Сельскохозяйственное производство основывается на знании физико-химических природных процессов и умении ими управлять. Философия управления сельскохозяйственными процессами с опорой на принципы устойчивого развития в настоящее время актуальная необходимость.
Зеленая химия - это новый способ мышления в сфере химических и иных технологий, основанных на использовании химических процессов. Это новые способы решения экологических вопросов. При этом, это не отказ от химии, это разработка новых технологий, новых материалов, новых энергоносителей на основе философии устойчивого развития.
Материалы и методы
Методологическая база исследования базируется на концепции устойчивого развития и принци-
пах зеленой химии. Мы опирались на положения Х. Брундтланда в определении задач концепции устойчивого развития, а также на принципы зеленой химии, сформулированные П. Анастасом и Дж. Уо-рнером [1-3]. Работы В.В. Лунина, Е.С. Локтевой и Е.В. Голубиной [4], Л.М. Кустова и И.П. Белецкой [5] позволили познакомиться с опытом развития зеленой химии в России.
Практическое внедрение результатов исследования осуществлялось в Российском государственном аграрном университете-Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева (РГАУ-МСХА) (г. Москва).
Результаты и обсуждение
Широко известны двенадцать принципов зеленой химии, сформулированные Анастасом и Уорнером [1]. Они касаются любых производств, связанных с использованием химических процессов. Большая часть из них применима к сельскохозяйственному производству. Предлагаем к рассмотрению примеры применения принципов зеленой химии в образовательном процессе студентов-аграриев.
Лучше предотвращать образование выбросов и побочных продуктов, чем заниматься их утилизацией, очисткой или уничтожением.
Обучающимся следует доносить мысль о том, что сельскохозяйственное производство призвано не только производить какую-то продукцию, но при этом, не должно оставлять отходов. Для этого на кафедре химии РГАУ-МСХА ведется разработка методов переработки отходов сельскохозяйственного производства. С этого года в университете образован институт агробиотехнологий, который объединяет все основные кафедры. Поэтому студенты бакалавриата и магистратуры разных направлений подготовки (агрохимия и агропочво-ведение, агрономия, биотехнология, метерология), выполняя выпускные квалификационные работы и другие исследовательские задания, находятся в единой организационно-методической структуре [6]. В рамках одного института возможны исследования в цепочке Почва-Растения-Животные-Человек. И эти исследования направлены на минимизацию материальных и энергозатрат с целью получения высококачественной сельскохозяйственной продукции с оптимальным химическим составом. Например, с участием обучающихся проведены исследования по переработке костры конопли. Предложены способы экстрагирования из нее растворимых веществ. Разработаны рецептуры изготовления строительных материалов (плит, кирпичей) с добавлением костры конопли. Данная работа имеет не только экологическую выгоду, но и функционально-технологическую и экономическую.
Важным направлением исследований является изучение сорбционных характеристик почв и сорбентов, которые получаются из целлюлозосодер-жащей биомассы растений. Актуальность исследования сорбционных характеристик данных объ-
ектов по отношению к различным газам и парам летучих веществ, в числе прочих факторов, определяется еще и тем, что почва и биомасса растений способна аккумулировать СО2 и токсичные газы, что помогает снижать их концентрацию в атмосфере планеты.
По возможности применять вещества с минимальной токсичностью по отношению к человеку и окружающей среде.
В РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева в настоящее время идет активная работа по подготовке специалистов для органического сельского хозяйства. Соответственно, ведется исследовательская и образовательная деятельность в этом направлении [7]. Одна из актуальных разработок посвящена изучению препаратов, разрешенных в органическом сельском хозяйстве. Совместно с обучающимися систематизирована информация о физико-химических, токсикологических свойствах действующих веществ препаратов, допустимых к применению в органическом земледелии и животноводстве. Изучаются механизмы их действия. Исследованы препараты, действующим веществом которых являются выделенные из растений вещества. Азадирахтин, получаемый из Azadirachta indica, и применяемый как инсектицид. Перетрины, получаемые из Chrysanthemum cinerariaefolium. Инсектициды и репелленты, производимые из Quassia amara. Инсектициды на основе ротенона, получаемые из Derris elliptica, Lonchocarpus spp, Thephrosia spp. Препараты на основе Ryania speciosa.
Производимые химические продукты должны выбираться таким образом, чтобы сохранить их функциональную эффективность при снижении токсичности.
Соблюдение этого принципа весьма важно при создании и использовании агрохимикатов, например, средств защиты растений узкоцелевого действия. Если известен механизм действия аг-ропрепарата, то возможно создание подобного вещества, имеющего ту функциональную группу или фрагмент структуры, участвующий в процессе и определяющий его действие, токсичность же следует стремиться снизить. Кафедра химии занимается синтезом новых соединений руководствуясь этим принципом. Ведется работа над созданием и изучением защитно-стимулирующих комплексов, основным критерием которых является их безопасность.
Требования к экологической безопасности при использовании минеральных удобрений также должны возрастать. Одним из обектов исследований были выбраны фосфорные удобрения, широко применяемые для выращивания различных культур. Для получения фосфорных удобрений часто используют фосфорную кислоту, очищенную с использованием органических растворителей. На кафедре химии РГАУ-МСХА была проведена работа по поиску наиболее эффективного способа очистки фосфорной кислоты для последующего синтеза фосфорного удобрения. На ее основе
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о m О от
З
ы о со
затем было синтезировано удобрение магний-аммонийфосфат (MgNH4PO4), которое применялось для выращивания томатов. Этот исследование также тесно связано со следующим принципом зеленой химии:
Использование безвредных вспомогательных веществ (растворителей, экстрагентов).
Рассмотрение свойств воды как наиболее востребованного растворителя в сельском хозяйстве предусмотрено традиционными программами дисциплин. В процессе обучения химическим дисциплинам обучающиеся знакомятся с новыми растворителями (например, СО2 в сверхкритическом состоянии), которые возможно скоро займут свое место в сельскохозяйственном производстве.
Энергетические расходы должны быть пересмотрены с точки зрения экономии и воздействия на окружающую среду и минимизированы.
Эффективное использование и рекуперация тепла - одна из важнейших задач современного человечества, имеющая как экологическую, так и экономическую перспективу. Традиционно получаемое тепло, с одной стороны, количественно эквивалентно расходуемым нефти и газу, с другой - выбросам углекислого газа в атмосферу. Поэтому сложно переоценить важность этого вопроса, в том числе и в сельскохозяйственной отрасли. Одним из направлений исследований кафедры химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева является определение термодинамических характеристик (ДН, AS, AG) для процессов, протекающих в биологических системах. Для этого на кафедре разработан термо-аналитический комплекс, который позволяет для каждого из исходных веществ и продуктов реакции определить термодинамические характеристики, количественно оценить термохимический эффект (экзо или эндо) процесса и разработать рекомендации по снижению энергетических затрат на проведение тех или иных биохимических реакций.
В исследованиях различных типов почв России очень важно оценить энергию взаимодействия почвенных частиц с водой, оценить термодинамику процесса растворения макро- и микроудобрений. Учитывая, что на полевой опытной станции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева выращивают и испытывают более 200 сельскохозяйственных культур в севообороте и в бессменном режиме, то практически важным является наблюдение за трансформацией почвенно-поглощающего комплекса. Поэтому ежегодно студенты получают с полевой станции образцы и проводят оценку агрохимических свойств почвы. Таким образом, осуществляется контроль динамики изменения термодинамических и других характеристик почвы [7]. Учебная и научно-исследовательская деятельность обучающихся находятся в постоянном 5 взаимодействии [8, 9].
о Мы считаем, что основы термохимии должны й изучать все студенты аграрного вуза. Теоретиче-° ский материал целесообразно дополнить принци-SB пами heat management и информацией об альтер-
нативных возобновляемых источниках энергии. Это тем более актуально именно для сельского хозяйства, поскольку отходы этой отрасли могут являться источником для получения тепла. Целлюлоза и другие виды биомассы, растительные масла - неполный перечень сырья, пригодного для этих целей.
Использование возобновляемых, а не исчерпа-емых ресурсов всегда, когда это возможно, и экономически целесообразно.
Сельское хозяйство обладает значительными ресурсами по развитию стратегии перехода на возобновляемое сырье и топливо. Это весьма актуально в контексте исчерпаемости запасов нефти, природного газа и угля. Студенты должны обучаться в контексте данных мировых устремлений.
Важным возобновляемым сырьем являются лигноцеллюлоза и крахмал, получаемые из биомассы растений. Полученные из них сахара могут быть ферментативно переработаны в органические кислоты (молочную, щавелевую, лимонную и др.), которые в свою очередь, могут быть использованы в дальнейших химических синтезах.
Использование каталитических систем и процессов.
На кафедре химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева проводятся исследования, связанные с интенсивностью роста и развития растений. Катализаторы их процессов - регуляторы роста растений, мы сами разрабатываем и исследуем, либо испытываем по заказам других организаций. Действующие вещества этих препаратов влияют на динамику роста и развития растений, в том числе, на увеличение биомассы. Для технических культур, таких как лён-долгунец - на увеличение содержания целлюлозы в волокне и на уменьшение концентрации лигнина. Это очень важно, потому что появляется возможность снижения периода вегетации. Например, для льна-долгунца, с 90 дней до 80, с получением идентичных показателей урожайности по волокну и семенам [10].
Действие регуляторов роста сказывается на интенсивности проращивания семян и скорости роста на первоначальных этапах развития растений. Нами было предложено проводить описание динамики роста проростков технических культур через кинетическое уравнение в виде полинома 6-й степени, где коэффициент при линейном члене соответствует эффективной константе роста. При этом проведение процесса проращивания при различных температурах позволяет определить энергию активации и термодинамические характеристики процесса проращивания.
Одним из исследованных нами экологически безопасным препаратов является Рафитур. Он представляет собой растительный экстракт, полученный из картофеля сорта Импала в юве-нильный период. Обладает ростостимулирующим и иммуномодулирующим эффектом. Рафитур представляет собой сбалансированный белково-углеводный комплекс, содержащий гликозиды, свободные оксикарбоновые и аминокислоты, ми-
кро- и макроэлементы, и фитогормоны. Действие препарата исследовалось на различных культурах, в том числе успешные испытания были проведены на льне. Результаты эксперимента показали положительное влияние этого препарата на скорость прорастания семян, динамику роста и развития растений, а также на содержание белков и липидов в составе семян [10].
Нужны аналитические методы контроля в реальном режиме времени с целью предотвращения образования вредных веществ.
Аналитические методы в сельскохозяйственном производстве в настоящее время чрезвычайно востребованы по разным причинам [6]. Одной из важнейших является экологический контроль за состоянием объектов агросферы (почв, водных источников, воздуха и т.д.). Методы химического и инструментального анализа обучающиеся изучают на соответствующих дисциплинах бакалавриата. Созданы учебные пособия по методам анализа, используемым для объектов сельскохозяйственного производства. Традиционно в РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева существует объемный лабораторный практикум по аналитической химии. Кроме того, уже более 10 лет является весьма востребованной магистерская программа «Химико-токсикологический и микробиологический анализ объектов агросферы». Аналитические приборы и оборудование позволяют познакомить обучающихся с самыми современными методами анализа: ближней инфракрасной спектроскопией, сканирующей электронной микроскопией совместно с энергодисперсионным анализом, термогравиметрией и другими физико-химическими методами, которые позволяют производить экспресс-анализ качества сельхозпродукции. Разработан ряд учебных и справочно-методических пособий, где подробно рассмотрено применение аналитических методов в сельскохозяйственных исследованиях.
Особое внимание на кафедре химии РГА-У-МСХА имени К.А. Тимирязева уделяется разработке аналитических тест-методов для сельскохозяйственных объектов. Проводятся комплексные исследования по разработке тест-методов анализа катионов, анионов и комплексных соединений. Предложен блистерно-колориметрический вариант определения фосфат-ионов в блистерной ячейке, содержащей смесь су-хих реагентов в виде россыпи. Метод позволяет полуколичественно определять фосфор в различных объектах без приготовления растворов реагентов, используя россыпь, упакованную в ампулу или блистер. Данный метод может быть использован для контроля потребления фосфора растениями, что, в свою очередь, позволяет регулировать внесение питательных веществ в виде подкормок.
Выводы
Современное состояние планеты требует от всех нас приоритетного выбора в пользу наиболее экологичных решений в сфере любых технологий и про-
изводств, в том числе и сельского хозяйства. Получившая признание и распространение концепция устойчивого развития может быть реализована в области сельскохозяйственного производства путем применения принципов зеленой химии. Для того, чтобы современное сельское хозяйство на практике смогло применить принципы зеленой химии, в первую очередь необходимы:
1. Научные исследования, направленные на разработку новых более экологичных методик, технологий, материалов, позволяющих более бережно относиться к природным ресурсам при сохранении и улучшении производительности.
2. Системная образовательная деятельность, направленная на формирование у будущих специалистов агропромышленного комплекса: устойчивых экоцентрических мировоззренческих установок, понимания ценности природы и необходимости бережного к ней отношения; определенного набора знаний в области зеленой химии, основанных на самых современных научных достижениях; опыта практической и исследовательской деятельности, в которой реализуются принципы концепции устойчивого развития и зеленой химии.
В РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева ведется и научно-исследовательская и образовательная работа в области зеленой химии. Разрабатываются методы переработки отходов сельскохозяйственного производства; изучается сорбционная способность почв и растительной биомассы; исследуется возможность замены токсичных агро-химикатов (пестицидов, стимуляторов роста растений) более безопасными; проводятся синтезы и разрабатываются новые способы очистки веществ согласно принципам зеленой химии; осуществляются определения термодинамических характеристик почв и биохимических процессов с различными целями, в том числе для выявления путей снижения энергетических затрат; разрабатываются аналитические тест-методы и др.
При организации образовательной деятельности уделяется внимание формированию соответствующего мировоззрения, базовые химические курсы дополняются информацией о исследованиях ученых в области зеленой химии, исследовательскими заданиями данной направленности. На занятиях, посвященных термохимии рассматриваются вопросы, связанные с альтернативными возобновляемыми источниками энергии, получаемыми из отходов сельскохозяйственной деятельности. При изучении каталитических процессов обосновывается их преимущество над стехиоме-трическими реакциями, приводятся примеры каталитических процессов в сельскохозяйственном производстве. Активное применение проектного обучения позволяет обучающимся получить опыт практической и исследовательской деятельности, необходимый для формирования способности и готовности к решению задач в будущей профессиональной деятельности, руководствуясь философией зеленой химии.
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о т О от
З
и о со
Литература
1. P.T. Anastas, J.C. Warner, Eds., «Green Chemistry: Theory and Practice», Oxford University Press, 1998.
2. Anastas P. Green Chem., 2003, April, p. G29.
3. Anastas P., Bartlett L.B., Kirchhoff M.M., Williamson T.C. Catal. Today, 2000, v. 55, p. 11
4. Инновационные образовательные программы в области химии. Научно-образовательный центр. «Химия в интересах устойчивого развития - зеленая химия» / В.В. Лунин, Е.С. Локтева, Е.В. Голубина. - М.: Изд-во МГУ, 2007. -117 с.
5. Кустов Л.М., Белецкая И.П. «Green Chemistry -новое мышление. Рос. хим.ж., 2004, т. XLVIII, № 6, с. 3-12.
6. Григорьева М.В., Белопухов С.Л. Химические дисциплины в системе «бакалавриат - магистратура - аспирантура аграрного вуза». История и педагогика естествознания. 2020. № 2. С. 5-8. DOI: 10.24411/2226-2296-2020-10201
7. S.L. Belopukhov, M.V. Grigoryeva, I.I. Dmi-trevskaya and A.V. Zhevnerov. Agroecological approach to quality assessment of organic aromatic products. International Conference "Ensuring Food Security in the Context of the COVID-19 Pandemic" (EFSC2021) E3S Web of Conferences, Volume 282 (2021 DOI: https://doi.org/10.1051/e3s-conf/202128202004
8. Белопухов С.Л., Старых С.Э., Куприянов А.Н., Григорьева М.В. Исследование качественного состава гумусовых кислот дерново-подзолистой почвы методом термического анализа. Природообустройство. 2020. № 3. С. 36-45. DOI: 10.26897/1997-6011-2020-336-45
9. Григорьева М.В., Багнавец Н.Л., Белопухов С.Л. Проектные работы при обучении по магистерской программе «Химико-токсикологический анализ объектов агросферы». Агроинженерия. 2020. № 2 (96). С. 64-69. DOI: 10.26897/26871149-2020-2-64-69
10. Григорьева М.В., Багнавец Н.Л., Белопухов С.Л. Учебно-исследовательская работа студентов как компонент системы преемственности между бакалавриатом и магистратурой. История и педагогика естествознания. 2021. № 1-2. С. 5-10. DOI: 10.24412/2226-22962021-1-2-5-10
11. Дмитревская И.И., Белопухов С.Л., Багна-вец Н.Л., Григорьева М.В. Применение стимулятора роста растительного происхождения Рафитур для выращивания льна. Агрохимический вестник. 2020. № 3. С. 53-56. DOI: 10.24411/1029-2551-2020-10040
IMPLEMENTATION OF THE CONCEPT OF SUSTAINABLE EDUCATION: ON THE EXAMPLE OF TEACHING «GREEN» CHEMISTRY IN AN AGRICULTURAL UNIVERSITY
Grigorieva M.V.
Russian State Agrarian University-Moscow State Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev
The expediency of including the philosophy of green chemistry in the educational process when teaching agricultural students is substantiated. Examples of studies aimed at using the principles of green chemistry in agricultural production are given. The use of natural low-toxic drugs as pesticides and plant growth stimulants. Development of methods for processing agricultural waste. Ther-mochemical research in the field of agriculture. Study of catalytic processes. Development of test methods for timely control of agricultural objects. The experience of using the principles of green chemistry in teaching chemical disciplines to students of agricultural profile is presented. Additions to the content of the topics «Thermochemistry», «Catalytic processes» are shown in the context of the formation of students' readiness to solve professional tasks to minimize energy costs in agriculture and the use of their own renewable energy sources.
Keywords: chemical training of specialists of the agro-industrial complex, «green» chemistry, sustainable education, sustainable development.
References
1. P.T. Anastas, J.C. Warner, Eds., «Green Chemistry: Theory and Practice», Oxford University Press, 1998.
2. Anastas P. Green Chem., 2003, April, p. G29.
3. Anastas P., Bartlett L.B., Kirchhoff M.M., Williamson T.C. Catal. Today, 2000, v. 55, p. 11
4. Innovative educational programs in the field of chemistry. Scientific and educational center. «Chemistry in the interests of sustainable development - green chemistry» / V.V. Lunin, E.S. Lok-teva, E.V. Golubina. - M.: Publishing House of Moscow State University, 2007. - 117 p.
5. Kustov L.M., Beletskaya I.P. «Green Chemistry - new thinking. Ros. chem. zh., 2004, vol. XLVIII, No. 6, pp. 3-12.
6. Grigorieva M.V., Belopukhov S.L. Chemical disciplines in the system of «Bachelor's - master's - postgraduate studies of an agrarian university». History and pedagogy of natural science. 2020. No. 2. pp. 5-8. DOI: 10.24411/2226-2296-2020-10201.
7. S.L. Belopukhov, M.V. Grigoryeva, I.I. Dmitrevskaya and A.V. Zhevnerov. Agroecological approach to quality assessment of organic aromatic products. International Conference "Ensuring Food Security in the Context of the COVID-19 Pandemic" (EFSC2021) E3S Web of Conferences, Volume 282 (2021 DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202128202004
8. Belopukhov S.L., Starykh S.E., Kupriyanov A.N., Grigorie-va M.V. Investigation of the qualitative composition of humic acids of sod-podzolic soil by thermal analysis. Environmental management. 2020. No. 3. pp. 36-45. DOI: 10.26897/1997-60112020-3-36-45
9. Grigorieva M.V., Bagnavets N.L., Belopukhov S.L. Design work during the master's program «Chemical and toxicological analysis of agricultural objects». Agroengineering. 2020. No. 2 (96). pp. 64-69. DOI: 10.26897/2687-1149-2020-2-64-69
10. Grigorieva M.V., Bagnavets N.L., Belopukhov S.L. Educational and research work of students as a component of the succession system between bachelor's and master's degrees. History and pedagogy of natural science. 2021. No. 1-2. pp. 5-10. DOI: 10.24412/2226-2296-2021-1-2-5-10
11. Dmitrevskaya I.I., Belopukhov S.L., Bagnavets N.L., Grigorieva M.V. Application of the plant-derived growth stimulator Rafi-tur for flax cultivation. Agrochemical Bulletin. 2020. No. 3. pp. 53-56. DOI: 10.24411/1029-2551-2020-10040.
о с
u
CM CO
