Наноматериалы для возделывания растительного сырья биотоплива

На практике находят применение два вида жидкого биотоплива – биоэтанол и биодизель. Биоэтанол – это в том или ином виде очищенный продукт брожения, который может изготавливаться практически на любом заводе, производящем этанол. В качестве сырья для производства биоэтанола в США преимущественно используется кукуруза.

Биодизель – это метиловые эфиры жирных кислот, получаемые из кукурузы, рапса и сои. Первая стадия приготовления биодизелья - получение метилового эфира. Для этого к растительному маслу добавляют метанол. В результате химической реакции образуется метиловый эфир и глицерин. Полученный эфир является биотопливом. Он отличается хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом.

В странах Евросоюза биодизель начали производить в 1992 году. В июле 2010 года в странах Евросоюза работали 245 заводов по производству биодизеля суммарной мощностью 22 млн. тонн в год.

Важнейшими культурами для получения биотоплива являются кукуруза и рапс. Повышение продуктивности и качества сырья для биотоплива - проблема актуальная. Известно, что в сельскохозяйственном производстве используется только небольшая доля биологического потенциала зерновых культур [1]. Потенциальная урожайность, например, кукурузы на зерно составляет 27 т/га. Урожаи, полученные в производственных условиях, не превышают 3,5…4,0 т/га. С целью получения более высоких урожаев сырья для биотоплива, в землю вносят большое количество пестицидов, гербицидов и удобрений, что делает невозможным дальнейшее выращивание на этой площади растений, годных для использования в пищу.

Уровень реализации генетического потенциала зерновых культур, по мнению ряда специалистов, можно повысить при комплексном использовании факторов интенсифика­ции производства зерна. Для повышения продуктивности технических культур и увеличе­ния содержания масла в семенах растений, предлагается проведение обработки посевного материала высокоэффективными наноразмерными экологически чистыми биопрепара­тами, приготовленными на основе наноразмерных металлических материалов. Эти меро­приятия не требуют применения в сельскохозяйственном производстве новых машин и механизмов, хорошо вписываются в известные технологии.

Наночастицы металлов обладают биологически активными свойствами, они менее токсичны по сравнению с неорганическими солями тех же металлов, а также выгодно отличаются пролонгированным воздействием на биологические объекты. Если максимально переносимая доза Fe₂SO₄∙7H₂O составляет 20 мг/кг, то для наноразмерного железа - 1100 мг/кг. Соответственно, доза, приводящая к гибели всей группы опытных животных, для Fe₂SO₄∙7H₂O составляет 90 мг/кг, а для наноразмерного железа - 3200 мг/кг. На основе наночастиц металлов созданы высокоэффективные экологически чистые биопрепараты нового поколения, успешно испытанные в растениеводстве и животноводстве [2].

Рис. 1. Микрофотография агрегата частиц

гидроксида железа.

Исследованные в данной работе нанораз­мерные порошки железа получены низкотемпера­турным водородным восстановлением наноразмер­ного гидроксида железа. Электронно-микроскопи­ческий анализ показал наличие гомогенного по­рошка со средним размером частиц около 15 нм Удельная поверхность получен­ного порошка достигала 50 м²/г. Как правило, порошки с частицами таких размеров обра­зуют агрегаты различной величины. На рисунке 1 приведена микрофотография агрегата частиц гидроксида железа, стрелками показаны отдельные частицы.

Приготовленный наноразмерный гидроксид железа восстанавливался в потоке водорода при температуре 400⁰ С. В результате восстановления получены пирофорные наноразмерные порошки α-железа. Они требуют пассивации перед выносом на воздух.

Рис. 2. Микрофотография ансамбля наночастиц железа.

Получены дифрактограммы РСА наночастиц порошка железа с использованием разных источников излучения. Из данных (Fe-Kα) установлено присутствие в нанопорошках железа следующих фаз железа: α-Fe; α-Fe₂O₃; γ-Fe₂O₃; Fe₃O₄; FeO, затем (Co-Kα) определен их количественный состав: α-Fe–47,8%; Fe₂O₃-12,5%; Fe₃O₄–31,9%; FeO-7,8% (об). Частицы таких размеров образуют агрегаты, чаще всего в виде цепочечных или сетчатых структур. Микрофотография ансамбля наночастиц железа приведена на рис 2. Мессбауэровский спектр биологически активного наноразмерного порошка железа [3] приведен на рис. 3.

Рис. 3. Мессбауэровский спектр биологически

активного наноразмерного порошка железа.

Исследовалось влияние наноразмерного железа, полученного вышеуказанным способом, на семена гибридного сорта кукурузы LG 2244, возделываемой в условиях интенсивного земледелия. Гибридные сорта, как известно, выведены с целью обеспечения высоких урожаев в первом поколении. Такие сорта получают перекрестным опылением специально подобранных пар. Первоначально в лабораторных условиях определили оптимальную дозу наноразмерного препарата, позволяющую получать наилучшие результаты. В данном случае исследовались влияния доз 1,25; 2,5 и 3,75 грамм препарата на 1 тонну семян. Для этого были приготовлены 4 опытные партии семян. Среднее значение веса партии составляло 4,78 г. Исследовались следующие варианты: I – контроль; II – концентрация 1,25; III - концентрация 2,5; IV – концентрация 3,75. Всхожесть семян кукурузы сорта LG 2244 во времени приведена в таблице 1.

Таблица 1

Всхожесть семян кукурузы во времени

Вариант	Контроль	Концентрация препарата, г/т
		1,25		2,5		3,75
Время проращивания, час	% всхожести	% всхожести	Отношение к контролю	% всхожести	Отношение к контролю	% всхожести	Отношение к контролю
48	25	65	+40	65	+40	50	+25
72	50	85	+35	85	+35	75	+25
96	70	85	+15	90	+20	90	+20
168	75	85	+10	95	+20	90	+15

Из полученных данных видно, что предпосевная обработка семян гибридного сорта кукурузы LG 2244 положительно влияла как на их лабораторную всхожесть, так и на энергию прорастания семян. Таким образом, обработка семян наноразмерными препаратами повысила их «жизнеспособность». Всхожесть семян в контроле не превысила 75 %. Для оптимальной дозы обработки, равной 2,5 г/т, в конце опыта всхожесть опытной партии семян составила 95 % и превзошла показатели в контроле на 20 %. Предпосевная обработка семян кукурузы сорта Lg 2244 наноразмерными препаратами значительно повысила энергию протекания жизненно важных для семян процессов.

В полевых условиях развитие растений находится под контролем внешних условий, в числе которых ведущую роль играет почвенная влажность. Для получения высоких урожаев в условиях рискованного земледелия важна засухоустойчивость растений. Среди гибридов кукурузы наиболее устойчивым к засухе оказался сорт Lg-2244, в меньшей степени чем гибрид Катерина СВ, снизивший как линейные параметры, так и накопление сухой биомассы. Несмотря на то, что засуха вызвала депрессию у гибридов кукурузы, предпосевная обработка семян наноразмерным железом повысила накопление сухой биомассы. Однако показатель реализации потенциальной продуктивности увеличился у гибрида Катерина СВ в два раза, что также, по-видимому, связано с изменением баланса гормонов у опытных растений. При этом показатели устойчивости к полеганию (длина и толщина 2-го междоузлия) выросли, хотя сама высота растений снизилась.

Многолетние лабораторные исследования по предпосевной обработке семян рапса позволили установить оптимальный диапазон доз, стимули­рующих рост и развитие рапса. Предпосевная обработка семян ярового рапса способствовало повышению энергии прорастания на 8 - 9 % и лабораторной всхожести на 3 - 4%. При этом площадь листьев превышала контроль на 15,1- 27,6 %. Произошло и повышение продуктивности фотосинтеза на 21,3 - 22,5 % по сравнению с контролем. Фитомасса листьев на 28,5 % превышала показателей контроля, стручков - на 26,4 %, соцветий - на 50,4 %. Увеличилась урожайность зеленой массы рапса. Рост уро­жая происходил за счет повышения продуктивности растений и их большего числа на единицу площади. Уро­вень рентабельности производства рапса при этом увеличился с 39,0 % в контроле до 66,8-74,5 % в опытных вариантах.

Содержание в почве железа по­сле уборки опытных растений не подвергалось существенным изменениям.

В целом использование наноразмерного железа для предпосевной обработки семян кукурузы и рапса усилило ростовую функцию опытных растений, увеличило формирование продуктивности также в условиях стресса (засухи).

Автор выражает искреннюю благодарность проф., д.т.н. Коваленко Л.В. за руководство данной работой.

Литература:

1. Зуев В.М. Потенциальные возможности растениеводства: пути их реализации. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1998, № 6, с. 6-7.

2. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006, с. 124.

3. Фолманис Ю.Г. Исследование процесса восстановления гидроксида железа методом мессбауэровской спектроскопии. // Сб. материалов VII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов. М.: Интерконтакт Наука, 2010, с. 211.