​Даже небольшой образец почвы может многое рассказать: насколько плодородной она может быть, какие процессы в ней проходили и каковы ее физические свойства. Российские ученые предложили метод подробного анализа образцов почвы, который поможет почвоведам, гидрологам, агротехнологам, криминалистам и исследователям других планет узнать все об имеющемся образце земли. Исследователи совместили высокоточное травление с помощью ионной пушки, обнажающее внутренние структуры почвы, и сканирование поверхности с помощью электронной микроскопии. Подробнее об исследовании можно узнать в журнале Geoderma, где статья была отмечена наградой «Editor’s choice». Исследование поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).
Сельское хозяйство — одна из ведущих отраслей мировой экономики, требующая больших площадей плодородной земли. Выращивание съедобных и кормовых растений стоит в основе пищевой промышленности, и при росте популяции человечества размеры сельхозугодий тоже должны увеличиваться. Тем не менее, для выращивания ценных сортов пригодны далеко не все доступные участки. Кроме того, земля со временем истощается и урожайность снижается. Для того, чтобы разобраться, что изменяется в почве и какие ее характеристики влияют на урожайность, ученые из Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта, Почвенного института имени В. В. Докучаева и Московского физико-технического института предложили новый метод внутреннего анализа образцов почвы на принципиально новом масштабе — до нескольких нанометров.

Ставшим уже классическим способом изучения пористых образцов изнутри является 3D-сканирование с помощью рентгеновской томографии. Этот метод широко распространен в медицине для визуализации внутренних органов: в частности, востребованная в последнее время компьютерная томография (КТ) легких делается именно с помощью рентгеновских лучей, формирующих объемную картинку. Тем не менее, чтобы рассмотреть самые крошечные полости и трещины внутри образца, возможностей этой методики может оказаться недостаточно. Для более подробного анализа ученые покрывали кусочек земли тонким слоем металла и получали подробное изображение поверхности при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). В отличие от обычного микроскопа, в СЭМ вместо лампы используется источник ускоренных частиц — электронов, — а вместо увеличивающих линз — большие магниты, направляющие и фокусирующие электронный пучок. Этот прибор позволяет рассмотреть гораздо более мелкие детали, но только на поверхности почвы.

Ключевым для дальнейшего анализа является получение двухмерных данных и их совмещение в объемную картинку. Для этого необходимо срезать часть образца и очистить строго двухмерный срез, чтобы увидеть подробности его внутреннего строения. Ионный луч (ИО) — инструмент, позволяющий аккуратно снимать только верхний слой частичек вещества. Такое травление ионным пучком помогает открыть внутреннюю структуру даже самых хрупких и пористых образцов. Совместив две методики — ИО и СЭМ, — российские геофизики смогли подробно проанализировать внутреннюю структуру почвенных образцов и впервые количественно описали пористость почвы на наноуровне.

Для анализа ученые выбрали два типа почвы: дерново-подзолистую и чернозем — одни из ключевых в России. Как известно, чернозем считается самым плодородным; во многом это достигается за счет фрагментов перегноя и высокой пористости. Методом КТ ученые получили примерные размеры пор в образцах земли, а с помощью СЭМ-анализа на поверхности почвы смогли различить часть минеральных включений. Комбинация ИО-СЭМ дала геофизикам возможность рассмотреть еще и участки органо-минеральных соединений внутри образцов. При сравнении результатов выяснилось, что из-за небольшой плотности органического вещества КТ не позволяет отличить их от внутренних полостей. Полученные этим методом данные по количеству пор и их размерам оказались не совсем верными: чернозем обладает значительно большей пористостью по сравнению с дерново-подзолистой почвой, чего нельзя увидеть с помощью КТ.

«Наш комбинированный метод ИО-СЭМ позволяет более точно определять пористость и внутреннюю структуру образцов, показывает наличие минеральных и органических включений, которые являются важными показателями не только плодородности почвы, но и других свойств. Полученные нами изображения в будущем позволят моделировать характеристики, которые сейчас невозможно зафиксировать в лабораторных условиях. Например, это способность проводить и удерживать воду и воздух, а также доступность питательных веществ для растений и микроорганизмаов. Сейчас мы работаем над совмещением методики с другими подходами, в том числе на основе синхротронного излучения, для быстрого исследования структуры почв на наноуровне» — поделилась Марина Карсанина, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта РАН.

Фото: Общая схема всех необходимых шагов для изучения структуры почвы в наномасштабе. Gerke et al / Geoderma, 2020

Похожие новости

  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    1680
  • 08/09/2020

    Супрамолекулярные комплексы для яровой пшеницы

    Для подавления развития болезней и увеличения урожайности пшеницы традиционно применяются различные фунгициды. Массовое использование пестицидов в сельском хозяйстве существенно нарушает экологические взаимосвязи в природной среде, что может негативно сказаться на состоянии почвы и качестве полученной продукции.
    2156
  • 28/12/2020

    Топ-10 ярких научных открытий 2020 года

    В этом году несомненным и главным научным итогом года стали разработки в области борьбы с коронавирусом. Но, несмотря на важность этих исследований, не стоит забывать о не менее интересных работах ученых из других научных областей.
    499
  • 24/12/2020

    Молодым омским ученым дают квартиры

    ​Омский аграрный научный центр обеспечивает сотрудников служебными квартирами – и это только часть социальной политики учреждения. Молодые научные сотрудники Омского аграрного научного центра получают от учреждения благоустроенные служебные квартиры.
    225
  • 18/06/2018

    Сибирские ученые превратили сельхозотходы в уникальную наноцеллюлозу

    Сотрудники Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) разработали новый дешевый способ получить важный для промышленности материал – бактериальную наноцеллюлозу.
    1872
  • 03/12/2020

    Академику Анатолию Власенко присуждена премия РАН за теоретические основы почвозащитных технологий в земледелии Сибири

    ​Постановление Президиума РАН №192 от 24.11.2020   Присудить золотую медаль имени Т.С. Мальцева 2020 года академику РАН Власенко Анатолию Николаевичу за серию работ по совершенствованию теоретических основ почвозащитных технологий в земледелии Сибири.
    357
  • 13/10/2020

    И быстрых разумом Ньютонов…

    ​Первую в мире вакцину от коронавируса под названием «Спутник V» создали наши, российские ученые. И сколько бы там ни говорили скептики по поводу того, что наука, мол, у нас в загоне, что лучшие отечественные умы утекают за рубеж, – факт остается фактом.
    545
  • 05/05/2018

    Российские химики нарушили симметрию ради создания противогрибковых препаратов

     Российские ученые разработали новое соединение, ускоряющее химические реакции, которое можно использовать для синтеза лекарств. Благодаря несимметричной структуре оно позволяет соединять в единую систему две молекулы, точно контролируя их расположение в пространстве.
    821
  • 29/12/2018

    Самый большой российский телескоп будет изучать массивные звезды

    ​В Нижнем Архызе начались плановые астрономические наблюдения на БТА с обновленным шестиметровым зеркалом. Российские астрономы ждали этого больше 10 лет. В Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (САО РАН), что находится в Нижнем Архызе в Карачаево-Черкесии, наконец-то возобновились плановые наблюдения на Большом азимутальном телескопе (БТА) с самым большим в Евразии шестиметровым зеркалом.
    1691
  • 11/11/2020

    АгроНОЦ против барьеров, мешающих эффективному агробизнесу

    В Новосибирской области РФ подготовлено около 50 различных проектов, направленных на решение актуальных задач в области сельского хозяйства и животноводства, в рамках которых планируется наладить взаимодействие аграрной науки, бизнеса и агропромышленного комплекса.
    363