Немецкие исследователи опубликовали в журнале Plants работу, посвящённую мобилизации нано-гидроксиапатита для кукурузы фосфат-растворяющими бактериями в условиях прохладной центральноевропейской весны. Эксперимент Гёттингенского университета показал: потенциал биопрепаратов, зафиксированный в лабораторных условиях, резко падает при переносе в открытый грунт. Решение учёные видят в изменении технологии внесения удобрений.
Почему обычный фосфор теряется в почве
Растениеводство связывает большие надежды с нанотехнологиями, поскольку традиционные фосфорные удобрения работают крайне неэффективно. Значительная их часть быстро связывается минералами почвы и становится недоступной растениям, из-за чего аграриям приходится вносить избыточные объёмы дорогостоящей агрохимии. Нано-гидроксиапатиты должны обеспечить адресную и постепенную отдачу фосфора.
По химической сути гидроксиапатит — это фосфат кальция с формулой (Ca 10 (PO 4)6 OH 2), в природе он встречается в виде минерала апатита. Апатиты и фосфориты служат основным сырьём для заводского производства обычных фосфорных удобрений — суперфосфата или аммофосфата. Путаница возникает потому, что большинство знает это вещество как главный строительный материал зубов и костей, тогда как в химии и сельском хозяйстве оно играет другую роль.
Проблема традиционных фосфатов в их полной растворимости в воде. Попадая в землю, они вступают в реакцию с железом, алюминием или кальцием — происходит так называемая фиксация фосфора, и фосфаты превращаются в твёрдый нерастворимый осадок. Корни физически не могут усвоить такие конгломераты. В результате до 80-90% обычного фосфорного удобрения остаётся в почве мёртвым грузом, а аграрии увеличивают объёмы химии.
Как работает наноразмер
Учёные пошли от обратного: взяли природный гидроксиапатит, изначально плохо растворимый в воде, и измельчили его до наночастиц размером менее 100 нанометров. При дроблении до наноуровня площадь поверхности растёт многократно, и корни растений вместе с почвенными бактериями получают обширное поле для взаимодействия с удобрением.
В отличие от обычных продуктов, нано-гидроксиапатит не растворяется от первого дождя. Фосфор и кальций высвобождаются порциями — в тот момент, когда растение активно растёт и выделяет через корни слабые органические кислоты. Как природный биосовместимый минерал он нетоксичен для почвенной микрофлоры и, напротив, служит каркасом и источником питания для полезных фосфат-растворяющих бактерий, о которых идёт речь в немецком исследовании.
Весенний сценарий и результат опыта
Гипотеза строилась на том, что объединение наночастиц с фосфат-растворяющими бактериями позволит высвобождать питание для кукурузы в критический весенний период, когда молодым всходам фосфор особенно нужен для развития корневой системы. Весной температура почвы низкая, корни растут медленно, и обычное удобрение успевает заблокироваться до того, как кукуруза его усвоит. Нано-гидроксиапатит закладывается в прикорневую зону и постепенно поставляет фосфор, стимулируя рост корней, а подселенные бактерии работают как микро-заводы: выделяют кислоты, отщепляют ионы фосфора от наноструктуры и передают их напрямую растению.
Лабораторный этап гипотезу подтвердил полностью: в контролируемых условиях пробирок бактерии демонстрировали способность растворять наноструктурированное удобрение и переводить его в биодоступную форму даже при умеренных весенних температурах. Однако вегетационные опыты в реальной почве показали, что эффективность союза микроорганизмов и наночастиц сильно ограничена — естественная почвенная среда подавляет активность внесённых полезных штаммов.
Важно! Главный вывод исследователей: в полевых условиях фосфат-растворяющие бактерии сталкиваются с дефицитом легкоусвояемого углерода — своего главного источника энергии. Без энергетической подпитки они не могут выделять достаточное количество органических кислот для растворения нано-гидроксиапатита в холодной весенней земле.
Что это меняет для практики
Эксперимент доказал: для успешного применения биопрепаратов в связке с наноудобрениями аграриям необходимо менять подход и обеспечивать бактерии дополнительными органическими подкормками, поддерживающими их жизнеспособность в ризосфере.
Работа охлаждает избыточный оптимизм вокруг «чистых» нанотехнологий в сельском хозяйстве и переводит дискуссию в практическое русло. По мнению авторов, чтобы инновационные удобрения приносили реальную пользу на полях, химикам и микробиологам предстоит создавать комплексные органо-минеральные формуляции, где каждая наночастица будет окружена не только бактериями, но и питательным углеродным субстратом для них.