Отвечать принципам «зелёной химии»

Учёные из ФИЦ Коми НЦ УрО РАН и ВятГУ занимаются созданием перспективных экологически чистых и безопасных удобрений для органического земледелия на основе природного сырья Кировской области

В агропромышленном комплексе потребность в производстве фосфорных удобрений вызвана значительным обеднением почвы и снижением урожайности сельскохозяйственных культур.  Пашни загрязняются патогенными микробами, подвергаются заселению инвазионными (неаборигенными) растениями и оскудевают. Разработка новых видов удобрений (удобрений-защитников), особенно на базе натуральных органических продуктов, поможет улучшить условия для полезной флоры, снизить кислотность почвы и обеспечить минимальную биодоступность микроэлементов, а в итоге – позволит производить чистую продукцию с пониженным содержанием токсичных или радиоактивных элементов. Например, в составе фосфоритов (полезных ископаемых, представляющих собой осадочные горные породы) есть агрохимически ценные компоненты, что делает их хорошими кандидатами для производства фосфорно-калийных удобрений с микроэлементами для органического земледелия.

Сотрудники Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН (г. Сыктывкар) совместно с коллегами из Вятского государственного университета (ВятГУ, г. Киров) ведут длительные исследования с целью получения удобрений с положительными технологическими показателями на основе фосфоритов одного из крупнейших месторождений России – Вятско-Камского фосфоритного рудника. Специалисты разработали оригинальную рецептуру состава и авторскую технологию переработки фосфоритов в натуральные удобрения, которые содержат фосфор, калий, серу и различные микроэлементы, столь необходимые для их восполнения в почве. Предложенные специализированные натуральные удобрения для органического земледелия востребованы как в промышленном сельском хозяйстве, так и пользуются спросом у садоводов-любителей.

Тамара Яковлевна Ашихмина – доктор технических наук, профессор Вятского государственного университета, главный научный сотрудник и заведующая лабораторией биомониторинга Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар), главный редактор журнала «Теоретическая и прикладная экология» – рассказала, на  чем основана уникальная технология переработки фосфоритов в натуральные удобрения, созданная научным коллективом, и в чем очевидные преимущества используемых для этого природных компонентов, а также указала на проблемы, волнующие ученых, занимающихся подобными разработками экологически чистых удобрений в области природопользования.

В научном сообществе накопилось очень много вопросов, связанных с актуальностью проведения исследовательских работ по созданию новых технологий получения органических удобрений, в частности на базе фосфоритов, что напрямую связано с проблемой общей консолидации исследователей и взаимопомощи. Почему так?

«Ученые, в том числе нашего региона, работают в этом направлении много лет, но их действия и усилия не скоординированы. То есть каждая научная школа, лаборатория, отдельно ученый продвигаются в этом плане по-своему, занимаются каким-то отдельным направлением: кто-то биопротекторами, кто-то микропрепаратами или органоминеральной рецептурой.  Поэтому на пленарном заседании «Биокластера Кировский» в сентябре 2021 г. возникло предложение (и оно было поддержано всеми участниками) создать рабочую группу для координации усилий учёных региона в продвижении научных разработок по созданию и внедрению в практику органического земледелия разработок удобрений, прежде всего, из природного местного сырья. Координатором всей этой деятельности может стать Консорциум вузов и НИИ, в который могут войти Вятский государственный агротехнологический университет, Вятский государственный университет, ФГБНУ НИИСХ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого, Кировский государственный медицинский университет, а также предприятия агротехнологического профиля в регионе. 

Кроме того, наработок уже немало, но они с трудом внедряются. Видимо сельское хозяйство не имеет сегодня возможности, прежде всего финансовой, чтобы поддерживать научные веяния в своей практике. Действительно, как верно сказал министр сельского хозяйства РФ Дмитрий Николаевич Патрушев, сегодня надо максимально уделить внимание земледелию, причем не только плодородным почвам, но и развивать территории, на которых нужно повысить плодородие за счет внедрения различных научных разработок.

 Федеральный закон об органической продукции в нашей стране принят и вступил в силу с 1 января 2020 года, данный документ формирует нормативно-правовую базу для выпуска и предложения в РФ продукции, принципы производства которой исключают использование традиционных удобрений, получаемых методом химической переработки сырья. Однако Закона об органическом земледелии пока, также как и подзаконных актов, нет. Например, существует много неясностей по поводу того, что есть органическая продукция и какой перечень сюда должен входить. Предприятия должны иметь «зеленые сертификаты» и стремиться их получить, но сегодня этот вопрос крайне не проработан. Чтобы решать эти вопросы, нужен серьезный научный подход. Справедливы слова президента РФ Владимира Путина о том, что вузовская наука должна внести значимый вклад в развитие данных научных исследований. В этой связи члены правления «Биокластер Кировский» приняли решение консолидироваться учёным НИИ, вузов города Кирова, представителям бизнеса, чтобы помочь земледелию и сельскому хозяйству двигаться вперед в данном направлении. Я считаю, что это серьезная задача для науки.

В агропромышленном комплексе потребность в использовании удобрений обусловлена дефицитом элементов минерального питания растений в агроземах. Недостаток агрохимически ценных элементов приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур и общей деградации агроэкосистем. Следует отметить, что традиционные минеральные удобрения не способны полностью решить проблему деградации агроземов. В настоящее время сложилось четкое понимание того, что подходы к организации и ведению сельского хозяйства требуют серьезной корректировки, особенно в отношении соблюдения экологических норм и принципов. Снижению агрогенного давления на окружающую среду может способствовать совершенствование системы удобрений. В настоящее время ведущим трендом передового сельского хозяйства становится снижение доли стандартных удобрений и переход к использованию «умных» удобрений, позволяющих уменьшить интенсивность обработки почвы, повысить плодородие, улучшить экологическое состояние и устойчивость агросферы к природно-антропогенным нагрузкам. Высокотехнологичному сельскому хозяйству требуются не просто минеральные и органические удобрения, а удобрения, соответствующие требованиям почвозащитного земледелия. Вместе с тем, отечественная химическая промышленность ориентируется на выпуск традиционных удобрений, а научные исследования в этой отрасли фокусируются на решении проблем снижения себестоимости выпускаемой продукции и расширении рынков сбыта. Недостаточный интерес к разработке новых перспективных форм удобрений, в том числе удобрений для органического земледелия, приводит к технологическому отставанию страны, как в сфере выпуска инновационной агрохимической продукции, так и в сфере внедрения новых прогрессивных технологий в сельскохозяйственное производство», – Тамара Ашихмина определила необходимость поиска путей технических решений и существующих проблем поддержания плодородия сельхозземель и агроландшафтов.  

Исследования ученых ФИЦ Коми НЦ УрО РАН и ВятГУ включают 2 направления: разработку составов и технологии удобрений для органического земледелия и разработку составов и технологии удобрений для почвозащитного земледелия (удобрения-дефендеры). Тамара Ашихмина отмечает, что «к разрабатываемым технологиям предъявляется следующее основное требование: соответствие принципам «зеленой химии», т.е. минимальное количество образующихся отходов, низкая энергоемкость, низкий «углеродный след». По удобрениям для органического земледелия нам удалось выйти на уровень практически безотходных технологий».

Удобрения для органического земледелия учеными разрабатываются на основе фосфоритов Вятско-Камского месторождения, крупнейшего в РФ месторождения фосфоритовой руды.

Как уточняет Тамара Ашихмина, «по имеющимся оценкам, мировой рынок органических продуктов в настоящее время является самым быстрорастущим рынком в сфере материального производства. Большой интерес к органическому земледелию проявляют и российские аграрии. 1 января 2020 г. в нашей стране вступил в силу Федеральный закон «Об органической продукции и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Согласно этому закону, применение традиционных агрохимикатов в ОЗ резко ограничено действующими в РФ национальными, межгосударственными и международными стандартами, касающимися производства органической продукции. Традиционные минеральные удобрения в перечень разрешенных агрохимикатов для ОЗ не входят. Таким образом, на современном рынке минеральных удобрений появляется новая свободная ниша, которая должна быть заполнена специализированными натуральными удобрениями, предназначенными для органического сельского хозяйства».

 Чем отличаются по химическому составу используемые вами фосфориты Вятско-Камского фосфоритоносного бассейна? Что позволяет их рассматривать как перспективное сырьё для переработки в натуральные удобрения для органического земледелия?

«Согласно нашим исследованиям, вятско-камские фосфориты являются вполне подходящим сырьем для производства таких удобрений. Для наших фосфоритов (в форме фосфоритной муки) характерно: относительно высокое содержание доступного для растений фосфора; наличие в составе руды глауконита (ценный почвенный мелиорант, источник калия и микроэлементов); низкое содержание кадмия и других токсичных элементов. Агрохимическую ценность представляют как фосфориты, так и глаукониты. Раньше из руды извлекались только фосфориты, глауконит сбрасывался в хвостохранилище.

Мы предлагаем использовать для производства удобрений оба компонента: фосфориты как источник фосфора; глаукониты как источник калия и микроэлементов, необходимых не только для развития выращиваемых культурных растений, но и для формирования здоровой микрофлоры, в том числе для повышения продуктивности микроорганизмов, способных связывать атмосферный азот и переводить его в доступную для растений форму. Это особенно важно для успешной реализации систем органического земледелия, вводящих запрет на применение любых форм азотсодержащих минеральных удобрений. Эффективность удобрений может быть повышена за счет включения в их состав торфа – источника органического вещества и ценнейших для обеспечения плодородия почвы гумусовых кислот. 

 Содержание Сd в нашей руде не превышает 2 мг на 1кг Р₂О₅, что значительно ниже установленных для органического земледелия нормативов (90 мг/кг Р2О5) [ГОСТ Р 56508-2015]. Низкое содержание Сd существенно повышает экспортный потенциал ОМУ на основе вятско-камских фосфоритов и глауконитов, поскольку страны Евросоюза в настоящее время вводят жесткие ограничения на возможность использования фосфорных удобрений с повышенным содержанием Сd», – ученый указала на достоинства фосфоритов Кировской области.

Основным назначением удобрений-дефендеров (удобрений-защитников) является защита почв от деградации.  По словам Тамары Ашихминой, «почвозащитные и почвоулучшающие свойства таких удобрений могут быть обеспечены за счет включения в состав традиционных минеральных удобрений дополнительных компонентов, благодаря которым можно решить следующие задачи: снизить дозы внесения удобрений без снижения агрохимического эффекта; уменьшить вымываемость удобрений из корнеобитаемого горизонта почвы; обеспечить оптимальную биодоступность элементов минерального питания (включая доступность микроэлементов) на протяжении всего вегетационного периода; снизить или устранить эффект подкисления почвы; минимизировать возможность загрязнения готовой продукции токсичными компонентами; оптимизировать условия для развития полезной микрофлоры».

В качестве компонентов, улучшающих агрохимические характеристики удобрений, могут быть использованы природные сорбенты (глауконит, кремнистая опока, цеолиты и др.), гуминовые вещества, хелатообразующие агенты, пленкообразователи, гидрофобные добавки, ингибиторы ферментов, регуляторы роста растений, антистрессовые препараты, натуральные средства защиты растений от фитопатогенных факторов. Соответствующие компоненты находят широкое применение в агрохимии для решения тех или иных задач, однако возможность и перспективы включения их в состав минеральных удобрений в качестве обязательных компонентов для обеспечения комплекса почвозащитных свойств исследованы пока недостаточно.

«Наши исследования в направлении создания удобрений-дефендеров включают три направления: поиск, изучение свойств и оценка перспектив включения в состав минеральных удобрений компонентов, обеспечивающих почвопротекторный эффект; проектирование составов удобрений-дефендеров; разработка критериев оценки почвозащитных свойств новых форм удобрений. В результате выполненных исследований получены новые данные о влиянии глауконита, кремнистой опоки, силикатов, карбонатов, гуматов и других натуральных материалов на подвижность фосфора, калия, микроэлементов и тяжелых металлов в почвах.

Приведу пример: в настоящее время одним из наиболее востребованных азотных удобрений является аммиачная селитра. Удобрение эффективное, доступное по цене, но взрыво- и пожароопасное. Для устранения этого недостатка в состав аммиачной селитры включают известь. Однако в присутствии извести это удобрение быстро разлагается с выделением аммиака, что приводит к большим потерям азота и оказывает негативное влияние на окружающую среду. Нашими исследованиями было доказано, что включение в состав аммиачной селитры глауконита приводит не только к полному устранению опасности разложения удобрения с выделением аммиака, но и к существенному снижению вымываемости азота из почвы, полностью устраняет пожароопасность удобрения, стимулирует развитие растений (по сравнению с чистой аммиачной селитрой), позволяет снизить нормы внесения удобрения, обеспечивает улучшение физических свойств почвы.

Также в результате наших исследований был разработан способ получения дешевого пожаробезопасного серного удобрения, содержащего молотую серу и гуминовые компоненты натурального торфа (без использования других стабилизирующих добавок). Паста на основе серы и продуктов переработки торфа отличается полифункциональностью и может быть использована в качестве почвенного кондиционера, серосодержащего удобрения с гуматами, фунгицида, акарицида или инсектицида. Доказана высокая эффективность включения соответствующей пасты в состав фосфоритной муки для повышения биодоступности фосфора. В целом, комплекс выполненных на базе НИЛ Биомониторинга исследований свидетельствует о целесообразности и практической значимости новых подходов к проектированию составов удобрений, ориентированных на выпуск удобрений-дефендеров, способствующих снижению агрогенного давления на окружающую среду и защите почв от загрязнения», – подробно информировала Тамара Ашихмина.

Итогом достижений отечественных исследователей стало получение ряда патентов на изобретения в области агроэкологии. Например, предложен оригинальный способ получения органического удобрения на основе молочной сыворотки (как известно, содержащей много полезных компонентов) с добавлением глауконита.  Зачастую на молокозаводах и молочных предприятиях остатки молочной продукции сливаются в сточные воды и окружающую среду. В данном случае, с одной стороны, будет соблюдена экологическая безопасность, а с другой – обедненные почвы агроландшафтов получат недостающие микроэлементы.

Есть патент на устранение запаха вентиляционных выбросов из производственных помещений для содержания свиней. Для нужд промышленного животноводства используются воздухоочистители, но подчас их стоимость высока, либо озон или формалин, но и это не всегда эффективно. Поэтому, чтобы снизить концентрацию запахообразующих и токсичных веществ в воздухе помещений для животных, ученые предложили альтернативный низкозатратный вариант – органоминеральные удобрения из свиного навоза с добавлением отходов производства. Отработанные реагенты утилизируются совместно с навозными стоками, не нанося вред природе.

Сейчас подана заявка на новый способ получения натурального органоминерального удобрения на основе глауконитсодержащих хвостов.

Примечательно, что все предлагаемые разработки российских ученых базируются на ценных и полезных ископаемых Кировской области и являются дешевым и экологически безопасным сырьем, в отличие от растворимых минеральных удобрений.

В данный момент исследователи ВятГУ и ФИЦ Коми НЦ УрО РАН работают над актуальным направлением в сфере органического земледелия – изучением углеродного следа. Территория Кировской области владеет богатым лесным фондом и большим количеством болот, поэтому требуется определить, какое количество углекислого газа выделяется промышленными предприятиями, а какое поглощается природными ресурсами, чтобы отследить выбросы парниковых газов. «В этой связи необходимо межрегиональное сотрудничество и поддержка на законодательном уровне», – заметила Тамара Ашихмина.

В Вятском государственном университете создана экоаналитическая лаборатория, аккредитованная на 246 показателей, что позволяет специалистам проводить детальные научные исследования в области природных сред и объектов, промышленных выбросов и сбросов. Современные высокоэффективные средства измерения могут использоваться для анализа проб и в пробоподготовке воздуха, воды, ила, донных отложений и др. У сотрудников экоаналитической лаборатории есть в планах в дальнейшем получить аккредитацию по определению химического состава удобрений, кормовых добавок, принять участие в сертификации сельскохозяйственной продукции. «Не каждый российский региональный вуз имеет подобный уровень аккредитованной лаборатории, лабораторного её оснащения и научных кадров», – подчеркнула Тамара Ашихмина.

Ваши разработки и рекомендации касательно удобрений находят какую-либо поддержку или заинтересованность со стороны представителей сельского хозяйства и химической промышленности?

«Да, такие контакты есть. На предприятиях ООО «Химинвестойл» и ЗАО «Вятка-Торф» получают жидкие удобрения на основе наших композитов.  Например, у предприятия «Вятка-Торф» существуют проблемы: теперь торф нельзя использовать в качестве горючего материала, так как он оставляет углеродный след, а предприятие обладает высокой мощностью и рассчитано на его переработку. На рынок по получению полезных для плодородия веществ из торфа выйти непросто. А наш научный коллектив предлагает предприятию авторскую рецептуру органического удобрения с добавлением фосфоритов, тем самым способствуя его функционированию.

Мы также сотрудничаем с коллегами из южных регионов, например, из Воронежа и Белгорода, и подготовили по их запросу рецептуру удобрения на основе золы подсолнечника»,– сообщила Тамара Ашихмина.

Таким образом, в основу новаторских разработок специалистов ВятГУ и ФИЦ Коми НЦ УрО РАН ставится акцент на ценные свойства природных сорбентов, использование которых позволяет создавать удобрения со сниженной себестоимостью для повышения плодородия земли и решать задачу комплексной безотходной переработки ценного фосфорсодержащего сырья.