Прорывное открытие может сделать рис дешевле, полезнее и чище
Международные исследования, проводимые совместно Массачусетским университетом в Амхерсте, открывают большие возможности для решения трех основных глобальных проблем: растущего населения, последствий изменения климата и усиливающегося экономического и экологического давления на сельское хозяйство.
Выращивание риса, обеспечивающее пропитание более чем 3,5 миллиардам человек во всем мире, сопряжено со значительными экологическими, климатическими и финансовыми трудностями. Новые исследования ученых из Массачусетского университета в Амхерсте и Цзяннаньского университета в Китае могут указать путь вперед.
Их работа показывает, что применение селена в наноразмерном масштабе может снизить количество удобрений, необходимых для выращивания риса, при сохранении урожайности, улучшении питательной ценности, увеличении микробного разнообразия почвы и снижении выбросов парниковых газов. В исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, команда также представила первые реальные доказательства эффективности этих наноразмерных методов вне контролируемых лабораторных условий.
«Зеленая революция значительно увеличила сельскохозяйственное производство в середине прошлого века», — говорит Баошань Син, заслуженный профессор кафедры химии окружающей среды и почв, директор Стокбриджской школы сельского хозяйства Массачусетского университета и соавтор нового исследования. «Но эта революция теряет темп. Нам нужно найти способ исправить ситуацию и заставить ее работать».
Баошань Син
Баошань Син, заслуженный профессор кафедры химии окружающей среды и почв, директор Стокбриджской школы сельского хозяйства Массачусетского университета. Фото: Массачусетский университет в Амхерсте
Одним из главных факторов успеха Зеленой революции стало создание синтетических удобрений, богатых азотом, что позволило фермерам значительно увеличить урожайность. Однако у этих удобрений есть существенные недостатки. Их производство дорогостоящее, при его изготовлении выделяется большое количество углекислого газа, и большая часть азота, внесенного в поля, не остается в почве.
Как правило, сельскохозяйственные культуры усваивают лишь около 40–60% получаемого азота, что называется эффективностью использования азота (NUE). В случае с рисом NUE может падать до 30%, а это значит, что 70% удобрений попадает в реки, озера и океаны. Этот сток способствует эвтрофикации, образованию мертвых зон и ряду других экологических проблем, а также приводит к потере 70% средств, которые фермеры тратят на удобрения.
После попадания в почву азот взаимодействует со сложной смесью химических реакций и микробной активностью. Эти процессы приводят к повышению уровня метана, аммиака и закиси азота, которые являются мощными парниковыми газами. Кроме того, само производство азотных удобрений — это энергоемкий процесс, который еще больше увеличивает глобальные выбросы.
«Всем известно, что нам нужно повысить NUE», — говорит Син, — вопрос в том, как?
Наноразмерный селен как проверенное в полевых условиях решение
Син и его соавторы, включая ведущего автора Чуаньси Вана и еще одного старшего автора, Чжэнью Вана, профессоров экологических процессов и контроля загрязнения в Цзяннаньском университете, обнаружили, что наноразмерный селен, элемент, имеющий решающее значение для здоровья растений и человека, при нанесении на листья и стебли риса, снижает негативное воздействие азотных удобрений на окружающую среду на 41% и увеличивает экономическую выгоду на 38,2% на тонну риса по сравнению с традиционными методами.
«Мы использовали беспилотный летательный аппарат для легкого опрыскивания риса, растущего на рисовом поле, суспензией наноразмерного селена», — говорит Ван. «Этот прямой контакт означает, что растение риса гораздо эффективнее поглощает селен, чем если бы мы вносили его в почву».
Как нано-селен стимулирует рост растений и улучшает здоровье почвы
Селен стимулирует фотосинтез растений, который увеличился более чем на 40%. Усиленный фотосинтез означает, что растение поглощает больше CO2, который затем превращает в углеводы. Эти углеводы поступают в корни растения, вызывая их рост. Более крупные и здоровые корни выделяют множество органических соединений, которые способствуют развитию полезных микроорганизмов в почве, и именно эти микроорганизмы затем работают в симбиозе с корнями риса, извлекая больше азота и аммония из почвы и передавая их растению, увеличивая его эффективность использования азота с 30 до 48,3%, а также снижая выбросы закиси азота и аммиака в атмосферу на 18,8–45,6%.
