Всем растениеводам, особенно занятым в биологизированном АПК, известно, что гумус полезен для урожая. Но почему? Гумус содержит гуминовые вещества. Эти вещества имеют многочисленные преимущества для почвы. В частности, плодородная почва содержит около 3% гуминовых кислот, а торф содержит около 3%-10%.
Польза гуминовых веществ в том, что они связывают влагу и полезные минералы в почве, способствуя созданию здоровой экосистемы для микроорганизмов, которые преобразуют биомассу в богатые питательными веществами, по сути являются биостимуляторами для поддержки роста растений. Фермерам нужно меньше поливать и меньше удобрять, а почва восстанавливается в течение нескольких лет. Гуминовые вещества также действуют как буфер pH, а азот, например, из минеральных удобрений, имеет тенденцию оставаться в почве, что защищает грунтовые воды.
Гуминовые вещества встречаются в природе и образуются в течение многих лет в ходе биологических процессов, высвобождая множество парниковых газов. Наиболее известным примером этого является компостирование. Гуминовые вещества в больших количествах содержатся в мягком лигните, образованном из естественно сжатого торфа. Он состоит примерно на 85% из гуминовых веществ и является предшественником твердого лигнита – бурого угля.
В последние десятилетия многочисленные компании специализировались на комплексной добыче и тщательной переработке гуминовых веществ, чтобы сделать их доступными, например, для сельского хозяйства. Однако эти ресурсы конечны, поэтому исследователи Института Лейбница по аграрной технике и биоэкономике (ATB) прибегли к гидротермальному процесс. С оглушительным успехом, сообщает Джессика Литце в релизе университета.
Доктор Надер Марцбан, научный сотрудник ATB и эксперт по биоуглю и гуминовым веществам, говорит об этом так: «То, что природа может сделать за годы с помощью микроорганизмов, мы можем сделать за минуты или часы в контролируемом процессе с использованием тепла, давления и воды. В сельском хозяйстве, а также в сфере ландшафтного благоустройства или в частных домохозяйствах образуется много органических отходов. Мы смогли доказать, что многие из них идеально подходят для гумификации. В реакторе высокого давления мы смешиваем биомассу с водой в приблизительном соотношении 0,1 к 0,4. Затем волокнистые компоненты, целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин расщепляются под высоким давлением (от 6 до 60 бар) и при высокой температуре (от 160°C до 240°C). В зависимости от значения pH и температуры в реакторе мы получаем либо больше гидроугля, либо искусственную гуминовую кислоту. Оба вещества представляют собой твердые вещества, цвет которых варьируется от коричневатого до черного».
Сухая карбонизация, также известная как пиролиз, использовалась углежогами на протяжении столетий. Напротив, гидротермальная конверсия, в частности гидротермальная гумификация, все еще очень нова. Однако исследования и ее применение на практике в настоящее время набирают обороты. Многие параметры все еще неясны. «Здесь, в ATB, мы провели новаторскую работу за последние годы! Только несколько научно-исследовательских институтов по всему миру изучали этот тип производства гуминовых веществ в какой-либо степени», - говорит доктор Марцбан.
В конце 2023 года Марцбан с отличием (suma cum laude) защитил докторскую диссертацию «От гидротермальной карбонизации к гидротермальной гумификации биомассы: роль условий процесса». Вскоре после этого он и его коллеги из Германии и Ирана опубликовали две статьи в журнале Biofuel Research Journal.
«С точки зрения содержания, мы - коллеги из научно-исследовательских институтов по всему миру - спрашиваем: какие исходные материалы биомассы можно искусственно гумифицировать? Какие параметры процесса оказывают наиболее существенное влияние на производство гуминовых веществ? Как мы можем проектировать характеристики наших продуктов? Конечно, помимо воздействия на сельское хозяйство, мы спрашиваем о воздействии на окружающую среду. Сколько углерода мы можем постоянно хранить в почве, если добавим гуминовые вещества? И, наконец, какого успеха мы можем достичь? Новый тип микроудобрения на основе гуминовых веществ — одна из наших отправных точек. Первоначальные результаты показали, что добавление всего 0,01% продуктов гидротермальной гумификации в почву может значительно повысить индекс прорастания и помочь растениям усваивать больше питательных веществ, таких как фосфор», - рассказывает исследователь.
«Проект в историческом парке Сан-Суси в Потсдаме, Германия, также является особенно показательным. Старые деревья там боролись с многолетней засухой, теряя жизненную силу и становясь восприимчивыми к болезням. Операторы парка прилагают большие усилия для сохранения деревьев. В рамках совместного проекта с Институтом коллоидов и интерфейсов Макса Планка, профессором Маркусом Антониетти и Фондом прусских дворцов и садов мы попытались спасти 150–160-летний бук. Для этого мы произвели искусственные гуминовые вещества и внесли их в почву вокруг дерева. Первое применение было в 2022 году, и результаты впечатляют! Бук чувствует себя очень хорошо по сравнению с необработанными деревьями. Конечно, мы проводим параллельные испытания примерно на 100 небольших деревьях, чтобы проверить результаты», - говорит доктор Марцбан.
В настоящее время он работает над несколькими проектными предложениями для дальнейшего развития своих исследований и использования огромного потенциала этой технологии, включая недавнюю статью, опубликованную в Biochar.
«Гидротермальная гумификация может также способствовать другим процессам. Например, в ATB мы используем процессы биоконверсии для производства высококачественной молочной и янтарной кислоты или источника энергии биогаза с помощью микроорганизмов. Гумификация позволяет нам полностью валоризировать остаточные материалы. При производстве биогаза, например, углеводы трудно расщепляются, а лигнин тормозит этот процесс. Однако, если мы добавим искусственную гумфикацию, мы сможем гумифицировать до 37% сухого вещества из остатков ферментации биогаза. Это приведет к образованию побочных продуктов, таких как растворимые органические соединения в технологической жидкости. Если мы снова добавим их в анаэробный процесс во время производства биогаза, мы сможем удвоить выход метана. Кроме того, образуется богатый гумусом дигестат, который может заменить химические удобрения в качестве медленно высвобождающегося биоудобрения», - говорит ученый.
Для доктора Марцбана будущая жизнеспособность этого процесса очевидна. «Мы замыкаем циклы и заменяем ископаемые ресурсы в соответствии с устойчивой и круговой биоэкономикой. Если мы гарантируем, что наши гуминовые кислоты ни в чем не уступают природным отложениям по качеству и преимуществам - а мы можем это доказать - у нас будет быстрый, контролируемый процесс, который использует возобновляемое сырье и позволяет каскадное, т. е. многоэтапное, использование этой биомассы. Я считаю, что гидротермальная гумификация внесет значительный вклад в биоэкономику посредством комплексного управления отходами и устойчивого преобразования сельского хозяйства. Интегрируя гидротермальную гумификацию в биоперерабатывающие заводы, твердые и жидкие остатки можно преобразовывать в гуминовые вещества, продвигая усилия по достижению нулевых отходов и секвестрации углерода в почве», -резюмирует доктор Марцбан.
Источник: Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB). Автор: Джессика Литце.
На фото - доктор Надер Марцбан у гидротермального реактора. Фото: Институт аграрной техники и биоэкономики им. Лейбница (ATB).
