8 Minutės
Tyrėjai iš Masačusetso universiteto Amherst (University of Massachusetts Amherst) ir Jiangnan universiteto praneša apie lauko sąlygomis išbandytą technologiją, leidžiančią ūkininkams naudoti gerokai mažiau azoto trąšų ryžiams nepadarant žalos derliui — kartu gerinant grūdų mitybinę vertę, dirvos sveikatą ir klimato rodiklius. Inovacija: nanoskalės seleno aerozolinis purškalas, tepamas ant ryžių augalų, kuris skatina fotosintezę ir azoto įsisavinimą bei mažina šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas realiuose poterynuose.
Tyrimai parodė, kad nanoskalės seleno purškalai gali reikšmingai sumažinti trąšų poreikį ryžiams, tuo pačiu išlaikant arba pagerinant derlių ir gerinant dirvos ekosistemą. Šis metodas didina fotosintezės efektyvumą, gerina azoto naudojimo efektyvumą (NUE) ir žymiai mažina šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas lauko bandymuose — todėl nano-selenas išryškėja kaip perspektyvi priemonė tvariam žemės ūkiui.
Why fertilizer efficiency matters for global rice production
Žinant, kodėl trąšų vartojimo efektyvumas yra svarbus pasaulinei ryžių produkcijai, lengviau įvertinti nano-seleno potencialą. Žalioji revoliucija ryškiai išaugo maisto gamybą pasaulyje, daugiausia pasikliaudama sintetinėmis azoto trąšomis. Tačiau toks augimas turi sąnaudas: azoto trąšų gamyba sunaudoja daug energijos ir sukelia CO2 emisijas, o lauke paskirtas azotas dažnai nepakliūna į augalų audinius. Daugelio javų azoto naudojimo efektyvumas (NUE) svyruoja nuo 40–60 %, o ryžių atveju jis gali būti vos apie 30 %, tai reiškia, kad iki 70 % paskirtų trąšų prarandama nuotekomis, išgaruoja arba transformuojasi į kitus aplinkai kenksmingus junginius. Tokie nuostoliai reiškia ekonominę žalą ūkininkams ir skatina aplinkos problemas — eutrofikaciją, gruntinių vandenų užterštumą ir didesnę šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą.
„Turime pagerinti azoto naudojimo efektyvumą,“ teigia Baoshan Xing, universiteto išskirtinis aplinkos ir dirvos chemijos profesorius ir vienas iš darbo bendraautorių. Naujas daugiainstitucinis tyrimas, kurį bendrai vadovauja UMass Amherst ir Jiangnan universitetas, sprendžia šią problemą taikant žemės ūkio nanotechnologijų sprendimą, išbandytą ne tik laboratorijoje, bet ir realiuose poterynuose. Tokie lauko bandymai suteikia vertingos informacijos apie paviršinį foliarinį taikymą, mechanizmus ir galimą mastelio didinimo praktiškumą.
Baoshan Xing, University Distinguished Professor of Environmental and Soil Chemistry, director of UMass’ Stockbridge School of Agriculture. Credit: University of Massachusetts Amherst
Field trial findings: less fertilizer, similar — or better — yields
Lauko bandymuose švelnus ryžių augalų purškimas seleno nanodalelių suspensija leido tyrėjams sumažinti azoto kiekius maždaug 30 %, išlaikant — ir vietomis net pagerinant — augalų produktyvumą. Komanda naudojo orlaivius be pilotų (dronus) nano-selenui ant lapų ir stiebų purkšti, o toks foliarinis metodas dažniausiai skatina tiesioginį įsiskverbimą per lapų kutikulę, palyginti su tradiciniu dirvos taikymu. Foliarinis taikymas taip pat gali sumažinti tiesioginius nuostolius į dirvą ir pagerinti azoto sinergiją su kitais mikroelementais.
(a) Rice receiving selenium and 30% less fertilizer (RF+ Se ENMs) is far bulkier than rice receiving less fertilizer (RF) and comparable to conventionally grown rice (CK). (b) Field experiment testing the greenhouse gas emissions of rice with nano-treatments of selenium.
Pagrindiniai empirinių bandymų rezultatai apėmė kelis reikšmingus parametrus ir rodiklius, svarbius tiek ūkininkams, tiek mokslininkams bei politikos formuotojams:
- Fotosintezės aktyvumo padidėjimas daugiau nei 40 % po nano-seleno apdorojimo — tai reiškia, kad augalai fiksavo daugiau atmosferinio CO2 ir transformavo jį į angliavandenius, kurie palaiko augimo procesus ir derliaus formavimą.
- Azoto naudojimo efektyvumo pagerėjimas nuo maždaug 30 % iki apie 48,3 %, sumažinant sintetinių trąšų poreikį ir didinant ekonominį efektyvumą ūkiuose.
- Nitrozinių dujų (N2O) ir ammo-nio emisijų sumažėjimas 18,8–45,6 %, reikšmingai mažinant žemės ūkio sektoriaus indėlį į klimato kaitą; tai ypač svarbu, nes N2O turi daug didesnį globalinį šiltnamio efektą nei CO2.
- Didesnis grūdų baltymų kiekis, padidėjusios kelios esminės aminorūgštys ir padidintas seleno kiekis grūduose — potenciali mitybinė nauda populiacijoms, kurių mityboje trūksta seleno. Tokia biofortifikacija gali pagerinti žmonių sveikatą, bet reikalauja griežtos dozės kontrolės.
(a) One of the experimental fields in Kunshan City, China; (b) and (c) comparing yield and grain weight of conventionally grown rice (CK), rice treated with 30% less fertilizer (RF), and rice treated with 30% less fertilizer and nano-selenium (RF+Se ENMs).
How nano-selenium works: plant physiology and soil microbiology
Tyrėjai siūlo sujungtą augalo ir mikrobinį mechanizmą, paaiškinantį nano-seleno efektyvumą. Selenas nanoskalėje, matyt, stimuliuoja ryžių fotosintetinę aparatūrą — chloroplastų aktyvumą ir elektronų pernašą — dėl to lapai gamina daugiau angliavandenių. Padidėjęs angliavandenių kiekis yra pernešamas į šaknis, skatinant jų augimą, šaknų plėtrą ir ekssudaciją (organinių junginių išskyrimą į rizosferą), o tai toliau keičia dirvos cheminę aplinką.
Stiprūs šaknų ekssudatai maitina naudingas dirvos mikroorganizmų populiacijas, ypač rūšis, kurios yra susijusios su azoto mineralizacija, nitrifikacija ir amonifikacija, taip pat mikrobus, padedančius fiksuoti ir transformuoti amoninį azotą į augalams prieinamas formas. Tokia simbiozė pagerina azoto įsisavinimą augalo audiniuose (didėjantis NUE), sumažina azoto nuostolius į vandenis ir atmosferą bei skatina didesnę dirvos mikrobiologinę įvairovę ir funkcionalumą. Šie pokyčiai sukuria kaskadinius agronominius ir aplinkos privalumus: ūkininkai išleidžia mažiau pinigų trąšoms, o laukai išskiria mažiau klimato kaitą skatinančių dujų.
Be to, nano-selenas gali veikti kaip mikroelementas, kuris prisideda prie augalų antioksidacinės sistemos stabilizacijos, mažindamas oksidacinį stresą ir pagerindamas augalų atsparumą nepalankioms sąlygoms — pavyzdžiui, trumpalaikiams drėgmės svyravimams ar temperatūros stresui. Tai reiškia, kad technologija siūlo daugiasluoksnį poveikį: tiek tiesioginį fiziologinį augalų pagerinimą, tiek netiesioginį ekologinį mikrobiomų palaikymą.
Implications for sustainable agriculture and climate goals
Ryžiai suvartoja apie 15–20 % pasaulio sintetinių azoto trąšų. Todėl skalaujasi technologija, galinti sumažinti trąšų poreikį ryžių sistemose 30 %, galėtų suteikti reikšmingų sumažinimų trąšų gamybos emisijose taip pat ir lauko lygiu. Tai reiškia, kad tvaraus žemės ūkio praktikos (precision agriculture, foliar application, nano-fertilization) integravimas gali prisidėti prie nacionalinių ir tarptautinių klimato tikslų įgyvendinimo, mažinant tiek gamybos, tiek taikymo metu išmetamų teršalų kiekį.
Mažiems ūkininkams ekonominiai pagerėjimai buvo aiškūs bandymuose: tyrime pranešta apie maždaug 38,2 % didesnę vienos tonos ekonominę naudą, palyginti su tradicinėmis praktikomis, kai įvertinami sutaupymai medžiagoms ir išlaikomas derlius. Tokie rodikliai yra svarbūs tiek valstybinėms mitybos politikoms, tiek žemės ūkio investicijų sprendimams, ypač regionuose su ribotais ištekliais ir didelėmis trąšų sąnaudomis.
Be ekonomikos, yra ir visuomenės sveikatos aspektų: selenas yra būtinas mikroelementas žmonėms, o grūdų biofortifikacija saugiu seleno kiekiu gali padėti kovoti su mitybos trūkumais tam tikruose regionuose. Tačiau bet kokios plačios programos, taikančios seleną kaip mikroelementą, turi būti griežtai valdomos, kad būtų išvengta perdozavimo — seleno paros norma yra gana siauroje riboje tarp rekomenduojamo kiekio ir toksiškumo. Todėl kokybės kontrolė, sertifikavimas ir reguliavimas yra būtini komponentai, jei technologija būtų plačiau diegiama.
Expert Insight
„Šis tyrimas yra įtikinamas, nes jis pereina nuo kontroliuotų šiltnamio sąlygų prie tikrų poterynų,“ pažymi dr. Anna Lopez, dirvos ekologė, turinti dvidešimties metų patirtį ryžių agroekosistemose. „Pagerėjusi fotosintezė, stipresnės šaknys ir matomas nitrozinių dujų mažėjimas iš lauko bandymų rodo, kad tai gali būti praktiškas įrankis ūkininkams. Kitas žingsnis — daugiamečiai ir daugiaklimatiniai bandymai bei kruopštus dirvos ir grūdų seleno koncentracijų stebėjimas.“
Future prospects, risks, and next steps
Lauko patvirtinimas yra didelis šio darbo privalumas, tačiau mastelio didinimas reikalauja atsižvelgti į keletą veiksnių: stabilios seleno nanodalelių gamybos kaštai ir logistika, saugių taikymo protokolų parengimas (dronai suteikia tikslumą, bet reikalauja investicijų), taip pat teisiniai reglamentai, reguliuojantys nanoparticulių naudojimą ir mikroelementų biofortifikaciją. Ilgalaikė dirvos mikrobiomų ir seleno ciklo stebėsena yra būtina, kad būtų išvengta nepageidaujamų ekologinių padarinių — pavyzdžiui, toksiškumo dirvos organizmams ar nepageidaujamų elementų kaupimosi vandens sluoksniuose.
Susijusios technologijos, tokios kaip taikytinės foliarinės purškalų formulės, tikslioji tręšimo strategija (precision-fertilizer management), integruotas kenkėjų ir maistinių medžiagų valdymas, gali būti derinamos su nano-seleno apdorojimais, siekiant dar labiau sustiprinti tvarų ryžių auginimą. Tokia integracija gali apimti duomenų tvarkymą iš palydovų ir dronų, dirvos mėginių analizę, ir vietinių agroklimatinių sąlygų optimizavimą, taip užtikrinant, kad technologija veiktų plačiame ūkininkavimo diapazone.
Jei metodas bus plačiai patikrintas ir priimtas, jis galėtų prisidėti prie klimato kaitos mažinimo, mažinti gamybos kaštus ūkininkams ir gerinti pagrindinio maisto produkto — ryžių — maistinę kokybę milijardams žmonių. Tuo pačiu būtina skirti dėmesį rizikų valdymui, saugos standartams ir prieinamumo užtikrinimui mažiems ūkininkams, kad technologija netaptų prieinama tik didelėms komercinėms struktūroms.
Conclusion
Foliarinis nano-seleno apdorojimas yra perspektyvi, lauke išbandyta strategija azoto trąšų priklausomybės mažinimui ryžiuose, kartu išlaikant derlių, gerinant maistinę vertę ir mažinant šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas. Pereiti nuo kontrolinių bandymų prie plačiosios diegimo praktikos reikės kruopštaus ilgalaikio aplinkos saugumo vertinimo, gamybos logistinių sprendimų ir pritaikymo prie vietinių agronominių sąlygų — tačiau turimi įrodymai rodo praktišką kelią link tvaresnės ryžių gamybos. Tolimesni daugiamečiai tyrimai, reglamentavimo standartai ir švietimas ūkininkams bus svarbiausi žingsniai šiai technologijai pereiti į plačią praktiką.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą