Выращивание риса — основного злака для более чем 3,5 миллиарда человек по всему миру — сопряжено с чрезвычайно высокими экологическими, климатическими и экономическими издержками. Однако новая исследовательская работа, выполненная учеными из Массачусетского университета в Амхерсте и Китайского университета Цзяннань, указывает на возможное изменение этой ситуации.
Исследователи продемонстрировали, что наноразмерное применение элемента селена позволяет сократить количество удобрений, необходимых для возделывания риса, при этом сохраняя урожайность, повышая пищевую ценность, улучшая микробное разнообразие почвы и снижая выбросы парниковых газов. Более того, как показано в новой статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, эти наноприложения эффективно работают в реальных условиях.
Баошань Син, почетный профессор химии окружающей среды и почв, а также директор Школы сельского хозяйства Стокбриджа при Массачусетском университете, отмечает, что «Зеленая революция» середины прошлого века значительно увеличила сельскохозяйственное производство, но ее потенциал исчерпан. Он подчеркивает необходимость поиска новых решений.
Значительная часть успеха «Зеленой революции» была связана с изобретением синтетических, богатых азотом удобрений, которые поддерживали высокую урожайность. Однако их производство дорого, оно сопровождается огромными выбросами углекислого газа, и значительная часть удобрений вымывается из почвы.
Большинство сельскохозяйственных культур используют лишь 40–60% вносимого азота, что отражает показатель эффективности использования азота (NUE). Для риса этот показатель может составлять всего 30%. Это означает, что 70% удобрений, внесенных фермерами, попадают в реки, озера и океаны, вызывая эвтрофикацию, образование мертвых зон и множество других экологических проблем. Кроме того, 70% стоимости удобрений также теряется.
Когда азот попадает в почву, он вступает во взаимодействие со сложной химией и микроорганизмами почвы, что в конечном итоге приводит к значительному увеличению выбросов метана, аммиака и закиси азота — газов, способствующих глобальному потеплению. Помимо этого, само производство удобрений является энергоемким и связано с выделением большого количества парниковых газов. Улучшение NUE — это общепризнанная необходимость.
Баошань Син и его соавторы, в числе которых ведущий автор Чуаньси Ван и профессор Чжэньюй Ван, специалисты по экологическим процессам и контролю загрязнений из Университета Цзяннань, обнаружили, что наноразмерный селен, элемент, критически важный для здоровья растений и человека, при распылении 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.
Чуаньси Ван поясняет, что для распыления суспензии наноразмерного селена на рисовые поля использовался беспилотный летательный аппарат. Такой прямой контакт позволяет растению риса гораздо эффективнее поглощать селен, чем при внесении его в почву.
Селен стимулирует фотосинтез растения, увеличивая его более чем на 40%. Усиленный фотосинтез означает, что растение поглощает больше углекислого газа, который затем преобразует в углеводы. Эти углеводы поступают в корни растения, способствуя их росту. Более крупные и здоровые корни выделяют множество органических соединений, которые культивируют полезные микробы в почве. Затем эти микробы работают в симбиозе с корнями риса, извлекая больше азота и аммония из почвы в растение. Это увеличивает показатель NUE риса с 30% до 48,3% и снижает выбросы закиси азота и аммиака в атмосферу на 18,8–45,6%.
Благодаря большему поступлению питательных веществ сам рис дает более высокий урожай, а его зерно становится более питательным: значительно увеличивается содержание белка, некоторых критически важных аминокислот и селена.
Помимо всего прочего, Син, Ван и их коллеги обнаружили, что применение наноселена позволило фермерам сократить внесение азотных удобрений на 30%. Учитывая, что на выращивание риса приходится 15–20% мирового потребления азота, эта новая техника обещает реальные перспективы в решении тройной угрозы, связанной с ростом населения, изменением климата и увеличением экономических и экологических издержек сельского хозяйства.
