На протяжении более 100 лет биоуголь, богатое углеродом, похожее на древесный уголь вещество, получаемое из лишенных кислорода растений или других органических веществ, одновременно восхищает и озадачивает ученых. В качестве добавки к почве биоуголь может накапливать углерод и, таким образом, сокращать выбросы парниковых газов, а также медленно высвобождать питательные вещества, действуя как нетоксичное удобрение.
Но точный химический состав биоугля сохраняет питательные вещества и способствует росту растений, остается загадкой, поэтому его коммерческий потенциал сильно ограничен.
Теперь международная группа исследователей, при ключевом вкладе экспертов Университета штата Колорадо, осветила беспрецедентные детали и механистическое понимание, казалось бы, чудесных свойств биоугля. Исследование Nature Communications, проведенное под руководством немецкого университета Тюбингена и опубликованное 20 октября, продемонстрировало, как компостирование биоугля создает очень тонкое органическое покрытие, которое значительно улучшает удобряющие способности биоугля. Сочетание передовых аналитических методов подтвердило, что покрытие усиливает взаимодействие биоугля с водой и его способность накапливать почвенные нитраты и другие питательные вещества.
Это улучшенное понимание свойств биоугля может привести к более широкой коммерциализации биоугольных удобрений. Такое изменение может снизить глобальную зависимость от неорганических азотных удобрений, которые уже более века служат современными рабочими лошадками в производстве продуктов питания.
В международном сотрудничестве приняли участие Томас Борх из CSU, профессор кафедры почвоведения и растениеводства, занимающий совместные должности в области химии, гражданского и экологического строительства, и научный сотрудник Роберт Янг. Команда CSU представила масс-спектрометрию высокого разрешения, выполненную в Национальной лаборатории сильного магнитного поля Университета штата Флорида. Их данные помогли подтвердить состав наноразмерного углеродного покрытия биоугля.
«Охарактеризовать сверхтонкое углеродное покрытие на углеродной подложке практически невозможно», - сказал Борх. «Наша международная команда использовала множество различных передовых методов для проведения анализа. Роберт Янг руководил вкладом нашей группы в масс-спектрометрию сверхвысокого разрешения для исследования покрытия и изучения его элементного состава».
Исследование провели Андреас Капплер из Центра прикладных геолого-геофизических исследований Тюбингенского университета и геоэколог Никола Хагеманн. Авторы задались целью исследовать биоуголь до и после компостирования смешанного навоза. Используя комбинацию микроскопического и спектроскопического анализов, исследователи обнаружили, что растворенные органические вещества играют ключевую роль в компостировании биоугля и создают тонкое органическое покрытие.
«Это органическое покрытие делает разницу между свежим и компостированным биоуглем», - сказал Капплер. «Покрытие улучшает свойства биоугля сохранять питательные вещества и формировать дополнительные органические вещества почвы». Хагеманн добавил, что покрытие образовалось и при внесении в почву необработанного биоугля, только намного медленнее. Эксперименты по компостированию проводились в небольших коммерческих масштабах с использованием инфраструктуры и опыта Института Итаки в Швейцарии.
Чрезмерное использование азотных минеральных удобрений или жидкого навоза в сельском хозяйстве оказывает серьезное воздействие на окружающую среду. Такие удобрения вызывают выброс закиси азота и приводят к вымыванию нитратов в грунтовые воды. В качестве экологически чистой альтернативы ученые предложили добавлять в почву биоуголь в качестве носителя питательных веществ. Но использование биоугля в больших масштабах было экономически нецелесообразным, потому что было так мало известно о том, как именно он накапливает и выделяет нитраты.
«В сельскохозяйственном растениеводстве более высокие урожаи обычно достигаются только тогда, когда биоуголь применяется вместе с питательными веществами из необожженной биомассы, такой как жидкий навоз», - сказал Хагеманн. «Использование биоугля без добавления питательных веществ или с чистыми минеральными питательными веществами во многих экспериментах оказалось гораздо менее успешным».