Учёные предложили стратегию повышения урожайности риса при сокращении использования удобрений
Исследователи из Исследовательского центра экологических наук Китайской академии наук разработали устойчивую технологию для селективного восстановления нитрата до аммония. Инновация даёт три преимущества: повышает урожайность риса, сокращает использование удобрений и снижает загрязнение грунтовых вод нитратами. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Аммиак — ключевой химикат для производства удобрений и потенциальный носитель энергии высокой плотности. Его производство исторически зависит от энергоёмкого процесса Габера (N2+3H2→2NH3), который ежегодно генерирует более 420 млн тонн CO2 (1–2% глобальных энергетических выбросов). При этом чрезмерное использование удобрений и сброс промышленных сточных вод вызывают серьёзное загрязнение нитратами (NO3-), угрожая здоровью человека и экологии.
В последние годы производство аммиака путём электрохимического восстановления нитрата стало экологичной альтернативой. Однако большинство исследований проводятся в экстремальных условиях pH (сильнокислых или сильнощелочных), а нейтральные условия почти не изучены. Это связано со слабым сродством нитрата к поверхности раздела фаз при нейтральном pH, что ведёт к низкой эффективности восстановления.
Вдохновившись широкой распространённостью ионов Fe (II) в природе, исследователи разработали стратегию in-situ регуляции границы раздела твёрдой и жидкой фаз. FeOOH, распространённый гидроксилированный оксид железа, служит источником Fe, генерируя слой ионов Fe (II) in-situ при электрической стимуляции. Этот процесс ограничивает электростатическое отталкивание и усиливает агрегацию ионов нитрата на границе раздела, значительно повышая эффективность восстановления нитрата.
Рис — одна из трёх основных зерновых культур мира (наряду с пшеницей и кукурузой), которой питается более половины населения планеты. Его основным источником азота является аммоний. В рисовых чеках поливная вода часто содержит много нитратов. Чтобы усилить поглощение азота и снизить зависимость от химических удобрений, учёные предложили стратегию конверсии нитрата в аммоний.
Эта конверсия особенно критична на стадии кущения, когда рис поглощает более 90% своей потребности в азоте. Лабораторные горшечные эксперименты показали, что этот подход увеличил урожайность риса более чем на 20%, одновременно сократив использование удобрений на 50%.
Однако нитрат естественным образом стремится восстановиться до газообразного азота, а не до аммония, что представляет серьёзную проблему. Чтобы её решить, исследователи, опираясь на предыдущие данные о FeOOH, внедрили в свою электрохимическую систему катализатор на основе одноатомного железа.
Этот катализатор продемонстрировал исключительную восстановительную способность, достигнув селективности конверсии нитрата в аммоний более 90%. Более того, с помощью передовой технологии мечения 15N-изотопами было подтверждено, что более 80% азота из нитратов окружающей среды поглощалось рисом, обеспечивая устойчивое снабжение азотом для выращивания.
Поскольку эффективность использования азота рисом из химических удобрений составляет лишь 30–40%, большая часть азота с рисовых полей вымывается в грунтовые воды в виде нитратов, создавая серьёзные риски для безопасности питьевой воды. Однако селективное восстановление нитратов окружающей среды до аммония, разработанное исследователями, предлагает инновационное решение этой проблемы.
Превращая «вредный» нитрат в «полезный» аммоний, этот метод предотвращает вымывание более 70% нитратов в грунтовые воды, одновременно усиливая поглощение азота рисом и снижая потребность во внешних азотных добавках.
Анализ затрат и выгод показывает, что этот подход снижает затраты на 19% и увеличивает доход на 27% по сравнению с традиционным удобрением мочевиной. Результаты подчёркивают способность технологии одновременно повышать продовольственную безопасность и способствовать экологической устойчивости.
Исследование под руководством Чжу Гуйбина и Лю Чуньлея знаменует первое применение электрохимической технологии для обработки сельскохозяйственной поливной воды, прокладывая путь инновационным решениям для повышения продуктивности сельского хозяйства при сохранении природных ресурсов.