Нанобиочар – надежда на улучшение продовольственной безопасности

Разработка наукоемких технологий, методов и стратегий сохранения и восстановления почвенных ресурсов – важная задача стратегии ЮФУ в рамках программы «Приоритет 2030» и программы развития ЮФУ до 2030 г.  Проект биологов и почвоведов ЮФУ «Nano-biochar: новое решение для устойчивого сельского хозяйства и восстановления окружающей среды» направлен на решение задачи создания принципиально новых материалов для целей устойчивого сельского хозяйства.

В устойчивом сельском хозяйстве защита окружающей среды от загрязнения является важнейшей целью производства, а наноматериалы гарантируют лучшее управление и сохранение ресурсов для получения сельскохозяйственной продукции. Потенциал наноматериалов способствует новой зеленой революции с меньшими рисками в сельском хозяйстве. Нанотехнологии помогают улучшить сельскохозяйственное производство за счет повышения эффективности вложений и сведения к минимуму соответствующих потерь. Ученые Южного федерального университета доказали пользу применения нанобиоугля в сельском хозяйстве. Это может быть многообещающим подходом к устойчивому производству сельскохозяйственных культур и улучшению здоровья почвы, а также биологических характеристик. Загрязнение почвы представляет собой серьезную угрозу в продовольственной безопасности нашей планеты. Ухудшение состояния почвы может привести к множеству проблем: появлению новых вредителей и болезней, изменению баланса экосистем, исчезновению хищников, распространению устойчивых бактерий. Кроме того, загрязнение уже сейчас влияет на ухудшение качества почвы, что затрудняет выращивание сельскохозяйственных культур. В последние годы биоуголь эффективно применяется для регулирования подвижности микро- и макроэлементов, а также для устранения токсичных элементов в почве.

По словам ученых Южного федерального университета, применение биоугля может устранить данную проблему. Эффективность биоугля зависит от его исходных материалов, условий процесса пиролиза и свойств полученного биосорбента. Сотрудники Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского ЮФУ провели совместное исследование с коллегами из Парижского университета (Франция), Университета Юннам (Республика Корея), Индуистского университета Банарас (Индия) и трех китайских университетов из Гуанси, Ханчжоу и Гуйчжоув, в котором были синтезированы наноразмерные частицы биоугля (размер от 1 до 100 нм), а также изучены преимущества нанобиоугля. Исследование «Nano-biochar: новое решение для устойчивого сельского хозяйства и восстановления окружающей среды» проводилось при финансовой поддержке проекта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по поддержке молодежной лаборатории «Агробиотехнологии для повышения плодородия почв и качества сельскохозяйственной продукции» в рамках программы развития межрегионального научно-образовательного центра Юга России (ЛабНОЦ-21-01АБ), а также Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19–34–60041).

«Нанобиочар показал различный элементный состав, ароматическую/ полярную природу, рН, катионообменную способность, большую площадь удельной поверхности, улучшенные характеристики пор. Было обнаружено, что нанобиоуголь, полученный из лигнина, содержит различные функциональные группы, включая гидроксильные, карбоновые, карбонильные, эфирные и ароматические свойства, что полезно для восстановления загрязненной почвы», – рассказал ведущий научный сотрудник Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского ЮФУ Вишну Раджпут.

Размер нанобиоугля в основном контролируется во время пиролиза биомассы, особенно за счет увеличения продолжительности температуры пиролиза и степени измельчения материала. Измельчение производилось со скоростью 500 оборотов в минуту, в результате чего получался высокодисперсный нанобиочар. Механическое измельчение также является еще одним многообещающим методом синтеза нанобиочара высокого качества. Высококачественный нанобиоуголь был получен из отходов растительного сырья с использованием высокотемпературной карбонизации (800 °C в течение 2 ч.) в потоке азота с последующим процессом шарового помола, который может свести к минимуму отходы, а также является важным аналогом круговой экономики.

Применение нанобиоугля (0,1–1,0%) существенно улучшает качество почвы, повышает пригодность для роста и развития сельскохозяйственных растений, обеспечивает подходящую среду для микробов за счет увеличения пор почвы и способности удерживать воду с последующим улучшением ее плодородия. Взаимодействие нанобиоугля с почвами модулирует различные микробные процессы и мобилизацию макроэлементов, таких как фосфор. К тому же нанобиоуголь легко поглощается корнями растений и улучшает рост.

«На сегодняшний день стратегии нановосстановления продемонстрировали значительный вклад в охрану окружающей среды и предотвращение загрязнения. Нанобиочар открывает огромные возможности в сельскохозяйственной практике. К настоящему времени проведенные исследования отразили существенные изменения в физико-химических и биологических характеристиках почв после внесения в почву нанобиочара. Чрезвычайно малый размер нанобиочаров, предлагающий значительную площадь поверхности, делает их незаменимым препаратом для восстановления окружающей среды от неорганических и органических загрязнителей, улучшает качество почвы и, следовательно, урожайность», – поделилась один из исполнителей проекта ЛабНОЦ-21-01АБ Светлана Сушкова.

«Для полевого применения нанобиоугля требуются долгосрочные исследования, основанные на адсорбции-десорбции загрязняющих веществ окружающей среды или питательных веществ растений. Однако, основываясь на настоящем исследовании, можно утверждать, что применение нанобиоугля в сельском хозяйстве может быть многообещающим подходом к устойчивому производству сельскохозяйственных культур и улучшению здоровья почвы, а также улучшению биологических характеристик», – отметила руководитель проекта РФФИ Татьяна Бауэр.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Environmental Research (импакт-фактор: 6.4).

Напомним, Южный федеральный университет вошел в число победителей базовой части и исследовательского трека федеральной программы «Приоритет 2030». В своей программе развития ЮФУ формулирует пять основных стратегических проектов, которые должны ответить на глобальные долгосрочные вызовы, стоящие перед человечеством, страной и миром. Среди них направление «Управление почвенными ресурсами и агроклиматология».

Информация и фото предоставлены Центром общественных коммуникаций ЮФУ