Наноуровень чернозема: что скрывается в плодородной почве России

Почва — это не просто смесь минералов и органики, а сложная трехмерная структура, от которой зависит плодородие. Для ее изучения ученые часто применяют компьютерную томографию — метод, аналогичный медицинской КТ. Однако его разрешение ограничено микронным уровнем, что не позволяет увидеть мельчайшие поры и органические компоненты. Чтобы заглянуть глубже, коллектив исследователей применил гибридную технологию FIB-SEM, сочетающую ионный "скальпель" и электронный микроскоп.

Как работает FIB-SEM и что он показал

Фокусированный пучок ионов галлия буквально срезает слой почвы за слоем, обнажая ее внутреннюю архитектуру. Затем сканирующий электронный микроскоп делает снимки с разрешением до 4 нанометров. В качестве объекта выбрали образец чернозема из Центрально-Черноземного заповедника — эталона самых плодородных почв России.

Сравнение с компьютерной томографией показало принципиальную разницу. Томография дает общий план с разрешением около 1 микрона, но мелкие поры и органику практически не различает. FIB-SEM же фиксирует поры размером от 75 нанометров и четко выделяет органические фрагменты, которые на томограммах сливаются с фоном. Оказалось, что на наноуровне чернозем пронизан не округлыми порами, как думали раньше, а множеством трещин и вытянутых изрезанных пустот. Именно эти микротрещины образуют "почвенный лабиринт", отвечающий за удержание влаги и прохождение воздуха.

Впрочем, у метода есть ограничение — поле зрения составляет всего 30 на 50 микрон, поэтому он не заменяет томографию, а дополняет ее. Вместе два подхода позволяют строить полную 3D-карту почвы от макро- до наноуровня.

Практическое значение и планы ученых

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант №23-74-00061) и опубликована в журнале «Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение». Как отметил Кирилл Герке, директор по науке Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ, его группа впервые применила FIB-SEM к почвам еще в 2021 году, а теперь на основе полученных данных разрабатывает модели на молекулярном уровне и уровне пор. Эти модели помогут описать динамику структуры почвы, ее фильтрационные свойства и, в конечном счете, процессы формирования плодородия.

Исследование открывает путь к мультимасштабным моделям почвенной структуры, необходимым для устойчивого землепользования и повышения урожайности. Ученые планируют продолжить изучение органо-минеральных соединений на наноуровне совместно с коллегами-почвоведами.