Рис - один из основных продуктов глобальной продовольственной безопасности. Однако, чрезмерное применение химических удобрений привело к накоплению нитратов в оросительной воде рисовых полей, что является одним из основных источников глобального загрязнения грунтовых вод нитратами. Китайские исследователи предложили новаторскую стратегию с использованием электрохимической технологии для обеспечения устойчивых поставок аммония из оросительной воды рисовых полей для удобрения риса, увеличивая урожайность риса на 30,4% и предотвращая вымывание более 70% нитратов в грунтовые воды. Эта концептуальная стратегия открывает возможности для увеличения урожайности зерна при обеспечении безопасности питьевой воды из грунтовых вод.
Ученые из Исследовательского центра эко-экологических наук (RCEES) Китайской академии наук разработали устойчивую технологию для селективного снижения нитратов до аммония. Это нововведение обеспечивает три преимущества: оно увеличивает урожайность риса, снижает использование удобрений и смягчает загрязнение грунтовых вод нитратами. Результаты были недавно опубликованы в Трудах Национальной академии наук, сообщает Ли Яли в релизе Китайской академии наук.
Аммиак является жизненно важным химикатом, используемым в производстве удобрений, и потенциальным энергоносителем высокой плотности. Исторически его производство в значительной степени зависело от энергоемкого процесса Габера Боша (N 2 +3H 2 →2NH 3), который ежегодно генерирует более 420 миллионов тонн CO 2, что эквивалентно 1%–2% мировых выбросов энергии. Между тем, чрезмерное использование удобрений и сброс промышленных сточных вод привели к серьезному загрязнению нитратами (NO 3 -), что создает значительные риски для здоровья человека и экологической стабильности.
В последние годы производство аммиака посредством электрохимического восстановления нитрата стало зеленой альтернативой. Однако большинство современных исследований проводятся в условиях экстремального pH (сильнокислотных или сильнощелочных), в то время как лишь немногие исследования изучают нейтральные условия. Это ограничение возникает из-за слабого межфазного сродства нитрата при нейтральном pH, что приводит к низкой эффективности восстановления.
Черпая вдохновение из широкого распространения ионов Fe (II) в природе, исследователи RCEES разработали стратегию регулирования in-situ для твердо-жидких интерфейсов (см. рис. 1). FeOOH, распространенный гидроксилированный оксид железа, служит источником Fe, генерируя in-situ слой ионов Fe (II) при электрической стимуляции. Этот процесс ограничивает электростатическое отталкивание и усиливает агрегацию ионов нитрата на интерфейсе, значительно повышая эффективность восстановления нитрата.
Рис. 1. Новая стратегия регулирования интерфейса для высокого выхода аммиака. Автор: Лю Чуньлей.
Рис является одной из трех основных культур в мире - наряду с пшеницей и кукурузой - и кормит более половины населения мира. Он зависит от аммония как основного источника азота. На рисовых полях оросительная вода часто содержит большое количество нитрата. Чтобы улучшить усвоение азота и снизить зависимость от химических удобрений, исследователи предложили стратегию преобразования нитрата в аммоний (см. рис. 2).
Рис. 2. Автор: Лю Чуньлэй.
Это преобразование особенно важно на этапе кущения, когда рис поглощает более 90% своего азотного запаса. Эксперименты в лабораторных горшках показали, что данный подход увеличил урожайность риса более чем на 20%, одновременно сократив использование удобрений на 50%, что является значительным улучшением по сравнению с традиционной практикой.
Однако нитрат естественным образом имеет тенденцию восстанавливаться до газообразного азота, а не аммония, что представляет собой серьезную проблему. Чтобы решить эту проблему, исследователи опирались на предыдущие выводы о FeOOH, чтобы ввести одноатомный железный катализатор в свою электрохимическую систему.
Этот катализатор продемонстрировал исключительную способность к восстановлению, достигнув более 90% селективности для преобразования нитрата в аммоний. Кроме того, исследователи использовали передовую технологию отслеживания изотопа 15 N, чтобы подтвердить, что более 80% азота из нитрата окружающей среды было поглощено рисом, что обеспечило устойчивое снабжение азотом для выращивания.
Поскольку эффективность использования азота рисом из химических удобрений составляет всего 30–40%, большая часть азота на рисовых полях вымывается в грунтовые воды в виде нитрата, что создает значительные риски для безопасности питьевой воды. Однако селективное восстановление окружающего нитрата до аммония, разработанное RCEES, предлагает инновационное решение этой проблемы.
Преобразуя «вредный» нитрат в «полезный» аммоний, этот метод предотвращает вымывание более 70% нитрата в грунтовые воды, одновременно улучшая усвоение азота рисом и снижая потребность во внешнем внесении азота.
Анализ затрат и выгод показывает, что этот подход снижает затраты на 19% и увеличивает доход на 27% по сравнению с традиционным удобрением мочевиной. Эти результаты подчеркивают способность технологии одновременно повышать продовольственную безопасность и способствовать экологической устойчивости.
Это исследование, проведенное под руководством исследователей Чжу Гуйбина и Лю Чуньлэя из RCEES, знаменует собой первое применение электрохимической технологии для очистки воды для орошения в сельском хозяйстве, открывая путь инновационным решениям, которые повышают производительность сельского хозяйства и при этом сохраняют природные ресурсы.
Источник: Chinese Academy of Sciences. Автор: Ли Яли.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.