Китайские ученые совершили открытие на стыке наноматериалов и биотехнологий, решив многолетнюю проблему медленного гниения растительных остатков на полях. Они объединили углеродный наноматериал — оксид графена — с уже знакомым многим исследователям полезным грибом Trichoderma harzianum штамма BJ9. Эксперименты показали, что в микроскопических дозах этот технологичный материал работает как допинг для микроорганизмов. Он заставляет гриб выделять на 59% больше ферментов для расщепления жесткой стерни, превращая грубую кукурузную солому в питательный гумус и кратно увеличивая содержание азота, фосфора и калия в почве.
Ежегодно после уборки кукурузы на полях остаются миллионы тонн жесткой соломы. Самый экономичный и экологичный способ избавиться от нее — просто запахать в землю. Однако в естественных условиях кремниевые и лигниновые оболочки стеблей разлагаются крайне медленно. В результате недогнившая солома мешает росту новых молодых всходов, снижает накопление углерода в почве и становится инкубатором для опасных патогенов. Чтобы ускорить этот процесс, агрономы подселяют на поля специальные грибы-деструкторы, но их естественной силы часто не хватает. Ученые из Китая решили проверить, сможет ли наноматериал активизировать спящий потенциал природы, и добавили оксид графена к культуре полезного гриба.
Нанооксид графена — это передовой углеродный наноматериал, который представляет собой структуру толщиной всего в один атом углерода, модифицированную кислородсодержащими группами. Простыми словами, это химически измененный и расщепленный до ультратонких слоев обычный графит (тот самый, из которого делают стержни для карандашей). Приставка «нано-» подчеркивает его размер: толщина одной пластинки составляет менее одного нанометра, что примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса. Благодаря наличию атомов кислорода (в виде гидроксильных, эпоксидных и карбоксильных групп) этот материал, в отличие от чистого графена, отлично растворяется в воде и может легко взаимодействовать с живыми организмами, например, с клетками полезных грибов.
Результаты лабораторных тестов превзошли ожидания: нанооксид графена в концентрациях 5, 25 и 50 миллиграммов на литр сработал как эффективный катализатор роста. Скорость развития грибного мицелия подскочила на 32.04%, 40.74% и 39.51% соответственно. Однако исследователи нащупали и опасную границу: при дозировке в 100 миллиграммов на литр наноматериал начинал угнетать живые клетки. Оптимальной золотой серединой стала концентрация в 25 миллиграммов на литр. Полевые тесты с использованием специальных сетчатых мешков для мусора показали, что именно эта доза оксида графена за 60 дней привела к колоссальной потере массы соломы, ускорив её превращение в труху по сравнению с обычным грибным заселением без нанодобавок.
Секрет такой эффективности биологи раскрыли с помощью ферментативного анализа и глубокого РНК-секвенирования генома гриба.
Оксид графена на молекулярном уровне перевел экспрессию генов семейства гликозидгидролаз в экстремальный режим. В результате штамм BJ9 начал массово синтезировать ключевые ферменты, разрушающие лигноцеллюлозу. Выработка целлюлазы, расщепляющей прочные растительные волокна, выросла на рекордные 59.02%, а лигнинпероксидазы, которая буквально «разгрызает» жесткий природный клей лигнин, увеличилась на 39.13%.
Финальный анализ почвы показал, что этот технологичный дуэт не просто уничтожил пожнивные остатки, а удобрил землю. Совместное применение наноматериала и гриба резко повысило содержание ценного органического вещества, гуминовых кислот, общего и аммонийного азота, а также доступных для растений форм калия и фосфора.
Это открытие закладывает прочный фундамент для создания принципиально нового класса «наноинокулянтов» — умных удобрений будущего, способных превращать аграрные отходы в высококачественное питание для новых урожаев.