Немецкие ученые из Гёттингенского университета выявили скрытые барьеры, мешающие внедрению инновационных наноструктурированных фосфорных удобрений в реальное производство.
В исследовании, опубликованном в журнале Plants, немецкие ученые детально описали результаты эксперимента по мобилизации нано-гидроксиапатита для кукурузы фосфат-растворяющими бактериями в условиях прохладной центральноевропейской весны.
Работа показала, что весь потенциал биопрепаратов, зафиксированный «в пробирке», резко снижается при переносе в открытый грунт, и предложила решение этой проблемы за счет изменения технологии внесения удобрений.
Современное растениеводство возлагает большие надежды на нанотехнологии. Обычные фосфорные удобрения крайне неэффективны: большая их часть быстро связывается минералами почвы и становится недоступной для растений, что заставляет фермеров использовать избыточные объемы дорогостоящей агрохимии. Нано-гидроксиапатиты призваны решить эту проблему, обеспечивая адресную и постепенную отдачу фосфора.
Нано-гидроксиапатит представляет собой инновационное фосфорное удобрение на основе наночастиц природного минерала, разработанное для преодоления проблемы быстрой фиксации фосфора почвой. Благодаря ультрамелкому размеру частиц вещество обеспечивает постепенную адресную доставку питательных элементов и совместимо с полезной почвенной микрофлорой.
Связь между гидроксиапатитом и удобрениями иногда вызывает путаницу, поскольку большинство людей знают это вещество как главный строительный материал наших зубов и костей. Однако в химии и сельском хозяйстве это соединение играет совершенно другую, но не менее важную роль.
По своей химической сути гидроксиапатит — это фосфат кальция (его формула — (Ca 10 (PO 4)6 OH 2)). В природе он существует в виде минерала апатита. Именно апатиты и фосфориты являются основным сырьем, из которого на заводах производят обычные фосфорные удобрения, такие как суперфосфат или аммофосфат.
Проблема традиционных фосфатных удобрений заключается в том, что они полностью растворимы в воде. Когда фермер вносит их в почву, происходит так называемая фиксация фосфора: фосфаты тут же вступают в реакцию с находящимися в земле металлами (железом, алюминием или кальцием) и превращаются в твердый, нерастворимый осадок. Растение физически не может «всосать» эти крупные конгломераты своими корнями. В итоге до 80-90% обычного фосфорного удобрения застревает в почве мертвым грузом, а аграрии вынуждены сыпать на поля всё больше и больше химии.
Для решения проблемы неэффективности ученые решили пойти от обратного: взять природный гидроксиапатит, который изначально плохо растворим в воде, и измельчить его до состояния наночастиц (размером менее 100 нанометров). Когда вещество дробится до наноуровня, площадь его поверхности увеличивается во много раз. Это значит, что корни растений и почвенные бактерии получают огромную площадь для взаимодействия с удобрением.
Нано-гидроксиапатит не растворяется в почве от первого дождя, в отличие от обычных продуктов. Он отдает фосфор и кальций постепенно, порциями, именно тогда, когда растение начинает активно расти и выделять через корни слабые органические кислоты.
Поскольку гидроксиапатит — природный, биосовместимый минерал (из которого, как говорили раньше, состоит костная ткань), он абсолютно нетоксичен для почвенной микрофлоры. Напротив, он служит отличным «каркасом» и источником питания для полезных фосфат-растворяющих бактерий, о которых шла речь в немецком исследовании Гёттингенского университета.
Ученые предположили, что если объединить эти наночастицы с фосфат-растворяющими бактериями, то микроорганизмы смогут высвобождать питание для кукурузы как раз в критический весенний период, когда молодые всходы больше всего нуждаются в фосфоре для развития корневой системы.
Весной фермер высевает кукурузу, температура почвы еще слишком низкая, и корни молодых всходов развиваются медленно. Если внести обычное фосфорное удобрение, оно быстро свяжется почвой и заблокируется до того, как кукуруза успеет его усвоить. Нано-гидроксиапатит закладывается в прикорневую зону. Он начинает постепенно и стабильно поставлять фосфор, стимулируя мощный рост корней. А фосфат-растворяющие бактерии, подселенные к этим наночастицам, работают как «микро-заводы»: они выделяют кислоты, которые отщепляют ионы фосфора от наноструктуры и передают их напрямую кукурузе.
Лабораторный этап исследования полностью подтвердил эту гипотезу. В контролируемых условиях пробирок бактерии демонстрировали феноменальную способность растворять наноструктурированное удобрение, переводя его в биодоступную форму даже при умеренных весенних температурах.
Однако при переходе к вегетационным опытам в реальной почве эффективность союза микроорганизмов и наночастиц оказалась сильно ограниченной. Оказалось, что естественная почвенная среда меняет правила игры, подавляя активность внесенных полезных штаммов.
Главный вывод исследователей заключается в том, что фосфат-растворяющие бактерии в полевых условиях сталкиваются с дефицитом легкоусвояемого углерода — своего главного источника энергии. Без энергетической подпитки бактерии просто не могут выделять достаточное количество органических кислот для растворения нано-гидроксиапатита в холодной весенней земле.
Эксперимент доказал, что для успешного практического применения биопрепаратов в связке с наноудобрениями аграриям необходимо менять подход и обеспечивать бактерии дополнительными органическими подкормками, поддерживающими их жизнеспособность в ризосфере.
Это исследование охлаждает избыточный оптимизм вокруг «чистых» нанотехнологий в сельском хозяйстве и переводит дискуссию в практическое русло. Чтобы инновационные удобрения начали приносить реальную пользу на полях, химикам и микробиологам придется создавать комплексные органо-минеральные формуляции, где каждая наночастица будет окружена не только бактериями, но и питательным углеродным субстратом для них.