Суперабсорбирующий гель сделал почву самополивающейся

Материаловеды из Техаса создали почву, которая может поглощать атмосферную влажность при низкой температуре воздуха ночью и отдавать воду растениям в течение дня. Для этого ученые добавили в обычную песчаную почву суперабсорбирующий гель, который при относительной влажности воздуха в 90 процентов может поглотить до четырех грамм воды на грамм сухого вещества. Исследователи показали, что такой грунт способен удерживать достаточно воды для поддержания стабильной влажности в течение 20 дней без полива. В качестве примера ученые посадили в почву с гелем и без него редис и не поливали их 14 дней: в первом случае ростки выросли до 15 сантиметров, а во втором — погибли. Статья опубликована в журнале ACS Materials Letters.

Без воды невозможна любая агрокультурная деятельность человека, в то время как засушливые регионы составляют примерно 40 процентов всей суши. Изменение климата и антропогенное загрязнение только усугубляют ситуацию, а население планеты растет. Все это делает реальными риски недостатка пригодных для сельского хозяйства земель и дефицит воды для растениеводства. В качестве альтернативного источника влаги все чаще предлагается использовать атмосферу, ведь в ней содержится порядка 14 тысяч кубических километров воды, причем непрерывно восполняемые. Хоть это и всего около 0,001 процента всей воды на Земле, атмосфера — крайне привлекательный ее источник, ведь она общедоступна, а использование солнечной энергии (недостатка которой нет в засушливых регионах) для добычи воды из воздуха позволило бы развивать земледелие в регионах, где сложно или невозможно создать централизованную систему энергоснабжения и водоснабжения.

Еще одним препятствием для выращивания растений на засушливых территориях является качество почвы в данных регионах: она часто песчаная, неспособная удерживать воду, что увеличивает потребность в регулярном поливе. Эту проблему, как и вопрос недостатка самой воды, Синъи Чжоу (Xingyi Zhou) из Техасского университета в Остине предлагает решить путем добавления в почву суперабсорбирующего геля. В его состав входят полипиррол, который способен поглощать водяные пары из воздуха, и поли(N-изопропилакриламид), который крайне термочувствителен и сильно сжимается при увеличении температуры выше порядка 32 градусов Цельсия. Благодаря этому суперабсорбирующий гель в состоянии поглощать до четырех грамм воды на грамм сухого вещества при относительной влажности воздуха 90 процентов, а при увеличении температуры самостоятельно высвобождать накопленную влагу.

Ученые исследовали свойства смеси суперабсорбирующего геля с песчаной почвой, которая, по их мнению, могла бы использоваться в качестве грунта для растениеводства в теплых засушливых регионах. 1 грамм такой смеси при 20 градусах Цельсия способен поглотить 1,1 грамма воды из атмосферы с 90 процентной влажностью, а при 40 градусах цельсия поддерживать в себе содержание воды в 40 процентов от максимального, причем последнее значение сохраняется даже спустя 4 недели без полива (для почвы без геля это значение приближается к 10 процентам через 2 недели).

В качестве демонстрации возможностей почвы с гелем исследователи положили изучаемый грунт в контейнер с прозрачной крышкой, установили его на крыше одного из зданий в Остине и наблюдали за ним в течение жаркого и сухого техасского лета. Ночью у системы был доступ к холодному и влажному воздуху в окружающей среде, что позволяло почве восполнить запасы воды, а днем солнце нагревало грунт, который восполнял недостаток влаги внутри контейнера. В результате ученые добились стабильной влажности воздуха в 70 процентов внутри контейнера, которая сохранялась в течение 20 дней без полива, несмотря на большие скачки влажности в окружающей среде (от 30 до 90 процентов).

Также исследователи вырастили редис в почве с суперабсорбирующим гидрогелем и сравнили результаты с обычной песчаной почвой. Оказалось, что в модифицированной почве все семена проросли вне зависимости от того, сколько раз ученые поливали грунт за первые 4 дня (приблизительный период прорастания редиса), в то время как в песчаной почве без полива все ростки погибли. После этого исследователи наблюдали за ростом редиса без полива: в почве с гелем он в среднем вырос на 15 сантиметров за 14 дней, а в обычной почве через 6 дней погибли все растения.

В будущем авторы планируют оптимизировать состав почвы с суперабсорбирующим гелем для различных типов растений с другими темпами роста, а также добавить в гель минералы, которые бы постепенно выпускались в почву и способствовали сохранению баланса веществ. Но уже сейчас ученые уверены в том, что их разработка может быть использована в сельском хозяйстве.

Хорошей влажности недостаточно для здоровья растений, если в грунте нарушен состав микробиоты: в таких случаях может помочь трансплантация почвы с полезными микробами. Только влажности мало и для плодородия почвы, но тут засушливые регионы могут только выиграть: оказалось, что пустынная пыль поспособствовала плодородию Южного Леванта.