Геологи ТПУ совместно с российскими и зарубежными коллегами разработали новые нанокомпозитные удобрения на основе глинистого минерала глауконита. Для понимания процесса контролируемого высвобождения питательных веществ и точного расчета количества всех компонентов ученые использовали цифровой двойник. Он в динамике показывает, как взаимодействуют атомы различных соединений между собой с учетом химических и структурных особенностей минерала. Дальнейшие лабораторные тесты на рост растений показали прирост 16 %, что говорит об эффективности подхода.
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант № 22-77-10002-П). Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Molecular Liquids (Q1, IF: 5,2).
Ранее ученые Томского политеха установили, что глинистый минерал глауконит способен накапливать в своих порах и межслоевых пространствах аммоний — источник полезного для растений азота. Таким образом глауконит может выступать в роли природного контейнера для доставки питательного соединения к растениям. Однако выбор оптимальных соотношений компонентов, а также сам процесс контролируемого высвобождения в контексте устойчивого сельского хозяйства остается недостаточно изученным.
Ученые разработали цифровой двойник, который в динамике показывает, как взаимодействуют атомы на поверхности минерала с атомами полезного компонента. Модель также учитывает состав реагируемых растворов, их физико-химические особенности.
«Молекулярно-динамическое моделирование было проведено для определения режимов координации ионов, водородных связей и организации межфазной границы в ограниченной водной фазе. Поведение контролируемого высвобождения оценивалось с помощью экспериментов по выщелачиванию, а молекулярное моделирование позволило прояснить механизмы сорбции азотных соединений на поверхности глауконита», — рассказывает соавтор исследования, доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов ТПУ Максим Рудмин.
Далее ученые провели лабораторные тесты на рост растений. В качестве экспериментальной культуры использовали овес. Семена выращивали в почве, которая широко используется в сельском хозяйстве в умеренных зонах Западной Сибири, при температуре 22 °С.
Тесты роста овса показали увеличение урожайности до 15,9 %. Оптимальная всхожесть достигается при концентрации аммония 3 %, что указывает на идеальный баланс питательных веществ для прорастания семян при самых минимальных добавках к глаукониту. Более высокие концентрации оказывают меньшее влияние на жизнеспособность семян. Повышенная концентрация аммония в гуминовых удобрениях способствует вегетативному росту и урожайности, при этом максимальная урожайность наблюдается при концентрации аммония 9 %. Это подчеркивает различные потребности в питательных веществах на разных стадиях развития растений.
«Полученные результаты позволили понять сложную взаимосвязь между концентрацией аммония в комплексных минеральных удобрениях и развитием растений. Это является заделом для следующего этапа исследований — разработки мульти-вариантных и оптимальных экспериментальных серий удобрений из глауконита с предсказанием уровней связывания и пролонгации важных ионов», — отмечает Максим Рудмин.
Дальнейшая работа ученых также будет направлена на изучение взаимодействия атомов кристаллической решетки глауконита с атомами питательных соединений в более широких и глубоких зонах минерала.
В исследованиях принимали участие сотрудники Инженерной школы природных ресурсов ТПУ, НИУ «Высшей школы экономики», Гуандунского технологического университета (Китай) и Макаоского университета науки и технологий (Китай).
Источник: Минобрнауки России
