Учёные ЮФУ создали проект по улучшению продовольственной безопасности

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.

Разработка наукоёмких технологий, методов и стратегий сохранения и восстановления почвенных ресурсов - важная задача стратегии ЮФУ в рамках программы «Приоритет 2030» и программы развития ЮФУ до 2030 года.

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 зелёной революции с меньшими рисками в сельском хозяйстве.

Нанотехнологии помогают улучшить сельскохозяйственное производство за счёт повышения эффективности вложений и сведения к минимуму соответствующих потерь. Учёные 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 серьёзную 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 учёных Южного федерального университета, применение биоугля может устранить данную проблему. Его эффективность зависит от 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 тремя китайскими университетами из Гуанси, Ханчжоу и Гуйчжоув, 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 загрязнённой 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 счёт 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 ещё 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 счёт 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 нано-восстановления продемонстрировали значительный вклад в охрану окружающей среды и предотвращение загрязнения. Нанобиочар открывает огромные возможности в сельскохозяйственной практике. К настоящему времени проведённые 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, улучшают 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 вошёл 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».