В Сан-Карлосе, штат Сан-Паулу, Бразилия, разрабатывается инновационный продукт, способный заменить полимеры из нефти, используемые в почвенных удобрениях.
Инновация заключается в использовании крахмальных пакетиков, усиленных наночастицами, содержащих порошкообразные или гранулированные удобрения. Крахмал — это биоразлагаемый полимер, и в виде пакетика он может быть наполнен смесью различных питательных веществ, необходимых для сельскохозяйственных культур.
Данная работа стала возможной благодаря сотрудничеству между Национальной лабораторией нанотехнологий для сельского хозяйства (LNNA) EMBRAPA Instrumentation, одним из децентрализованных подразделений EMBRAPA (Бразильской корпорации сельскохозяйственных исследований), и Федеральным университетом Сан-Карлоса (UFSCar).
«Для растений существуют необходимые и незаменимые питательные вещества, такие как трио азота, фосфора и калия (NPK) — обычно вносимые в почву в виде высокорастворимой соли хлорида калия. Фермеры, как правило, вносят большое количество удобрения на поле, чтобы обеспечить его усвоение. Однако культурное растение не может сразу же усвоить все это удобрение. Этот избыток приводит к экономическим потерям и может загрязнять окружающую среду. Цель пакетиков — контролировать высвобождение питательных веществ, чтобы растение питалось постепенно. В этом смысле мы производим разные типы пакетиков в зависимости от того, какие питательные вещества мы собираемся в них добавлять», — объясняет химик Жоау Отавио Донизетт Малафатти.
Малафатти является первым автором статьи, опубликованной в журнале Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials . Его научным руководителем была исследовательница из EMBRAPA Instrumentation Элейн Кристина Парис. Парис — исследовательница в рамках программы для аспирантов по химии (PPGQ) в UFSCar.
Команда Малафатти разработала крахмальные пакетики, обработанные мочевиной и лимонной кислотой и усиленные цеолитом, богатым ионами меди. Цеолит — это пористый минерал с высокой адсорбционной способностью по отношению к ионам, таким как медь.
«Крахмал — это материал, подверженный деградации, — говорит Малафатти. — Поэтому необходима формула, которая позволит пакетикам сохранять свои свойства до момента попадания в почву. В этом процессе ионы меди, присутствующие в цеолите, выполняют двойную функцию: они обладают выраженными антимикробными свойствами как в отношении грибов, так и бактерий, контролируя рост микроорганизмов, и, кроме того, являются источниками минеральных микроэлементов, которые впоследствии поглощаются корнями».
В ходе исследования было установлено, что присутствие меди контролирует рост патогенного гриба Alternaria alternata, поясняет Малафатти: «Цель состоит в том, чтобы найти баланс между сохранением саше при окончательном внесении в почву и последующим обеспечением доступности их содержимого для внешней среды».
По словам Малафатти, биоразлагаемые полимеры и крахмальные матрицы по-прежнему должны преодолеть определенные трудности по сравнению с аналогичными продуктами переработки нефти, особенно в отношении механической прочности и стабильности во времени. Поэтому данное исследование направлено на разработку составов, способных улучшить эти свойства.
В ходе исследования группа оценила различные концентрации цеолита и обнаружила, что максимальное значение в 3% по отношению к крахмалу значительно повышает механическую прочность. Однако выше этого предела частицы склонны к агломерации, что ослабляет пленку. Помимо высвобождения питательных веществ, цеолит выполняет еще одну функцию в периоды засухи.
«Он может удерживать воду, потому что очень пористый и гидрофильный, то есть обладает высокой способностью связывать молекулы воды», — объясняет Парис. Исследователь сравнивает пакетик с чайным пакетиком, в который добавляют гранулированное удобрение.
По словам ученых, пакетики универсальны, поскольку они повышают растворимость хранящихся удобрений и контролируют высвобождение высокорастворимых источников. Это снижает потери удобрений из-за рассеивания по воздуху и вымывания с дождевой водой.
В предыдущей работе под руководством Парис аспирантка UFSCar Камила Родригес Сайена исследовала потенциальный кандидат в удобрения: гидроксиапатит, источник фосфора. Целью было повышение его растворимости. Ученые обнаружили, что подкисление среды с помощью пектина в составе крахмального пакетика увеличивает растворимость в сочетании с наночастицами гидроксиапатита.
«При контакте с водой крахмал превращается в желеобразную массу и удерживает удобрение в почве, делая его доступным для растения, что позволяет минимизировать будущие потери из-за дождя или ветра. Цель состоит в том, чтобы уменьшить просачивание (прохождение воды через пористый материал, вызывающее извлечение соединений) и перемещение твердых частиц удобрения внутри пакетика», — говорит Сайена.
В работе Малафатти группа использует высокорастворимое удобрение, которое быстро растворяется при контакте с водой.
«В данном случае предполагается постепенное высвобождение удобрения, чтобы избежать потерь из-за вымывания или рассеивания в воздухе. Это будет пролонгированное высвобождение, которое будет зависеть от состава пакетиков», — говорит Парис.
Для проверки способности к высвобождению питательных веществ пакетики выдерживали в водной среде в течение 30 дней. Эксперимент продемонстрировал частичное высвобождение ионов меди (7 мг/л) и мочевины (300 мг/л). Гидрофильные свойства пакетиков способствовали контакту с внешней средой, помогая проникновению воды и высвобождению хлорида калия.
«Полученные пакетики позволяют минимизировать потери при внесении удобрений, а также контролировать количество питательных веществ, контактирующих с почвой», — утверждают авторы.
Также были проведены тесты на растворимость и цитотоксичность медного цеолита для определения его свойств и потенциального взаимодействия с окружающей средой после высвобождения из пакетиков. Тесты на цитотоксичность, проведенные на корнях кресс-салата, показали 92% жизнеспособности всхожести после одного часа воздействия цеолита, что указывает на его потенциальное использование в сельском хозяйстве.
Для проверки доступности меди были проведены тесты на растворимость в воде (нейтральный pH) и лимонной кислоте. Эффективность десорбции, или процесс высвобождения вещества из массы или поверхности другого вещества, повысила доступность меди в кислой среде, увеличив ее с 5% до 45% от ожидаемого общего количества.
Парис рассказала, в настоящее время проводятся исследования по поиску альтернативных способов снижения стоимости процессов и материалов для удобрений с пролонгированным высвобождением питательных веществ.
«Крахмал — перспективное сырье, хотя добавление дополнительных компонентов может повлиять на конечную стоимость материала. В работе Малафатти мы не использовали крахмал из других источников, например, из отходов. Это коммерческий крахмал. Но для удобрения почвы нет необходимости использовать высокочистый крахмал, такой, какой используется в пищевой промышленности. Поэтому цель состоит в том, чтобы сделать его как можно дешевле, чтобы агробизнес мог его использовать. Таким образом, пакетики имеют больший потенциал для эффективного сбыта, способствуя технологическому прогрессу в сельском хозяйстве», — говорит исследователь.
Еще одно преимущество заключается в том, что добавленное удобрение не влияет на состав или форму пакетика в процессе обработки.
«В пакетик можно поместить любое гранулированное или мелкодисперсное удобрение, что является еще одним преимуществом его использования в промышленности», — отмечает Малафатти. Кроме того, пакетик избавляет сельскохозяйственных рабочих от необходимости непосредственно работать с удобрениями в виде частиц.
Технология все еще находится на лабораторной стадии, как говорит Парис. Первоначальные области применения — ландшафтный дизайн, садоводство, гидропоника и теплицы. Однако для крупномасштабного сельскохозяйственного производства необходима оптимизация масштабов и экономической целесообразности, что и планируется группой в качестве следующих шагов.
Сайена отмечает, что пакетик можно использовать для обработки различных культур. «У винограда другие потребности, чем, например, у помидоров. Это своего рода индивидуальное удобрение, при котором можно адаптировать смесь питательных веществ и тип пакетика. Один пакетик может быть более кислым для улучшения растворимости плохо растворимых удобрений, а другой — менее кислым для медленного растворения растворимых удобрений», — резюмирует она.
Источник: FAPESP. Автор: Карина Нинни.
На фото: крахмальные пакетики для удобрений, обработанные мочевиной и лимонной кислотой и усиленные цеолитом, богатым ионами меди. Автор фото: Жоау Отавио Донизетт Малафатти.