Применение удобрений позволяет сохранить и увеличить до 30-40% урожая, что значительно повышает продовольственную безопасность и экономическую отдачу от сельского хозяйства. Поскольку развитие безотходного производства в России — одна из ключевых задач национального проекта «Экологическое благополучие», особенно актуальным удобрением сегодня считается струвит. Он изготавливается из отходов сточных вод – азота и фосфора, – тем самым позволяя очистить их. Еще одно преимущество в том, что в отличие от других видов он медленно растворяется в почве и не вымывается дождем, сохраняя полезные свойства на весь сезон. Однако само по себе изготовление струвита не является полностью безотходным: из-за маленького размера кристаллов в уже очищенной воде остается около 1% частиц. Из-за содержания в них фосфора и азота даже такого количества достаточно, чтобы вызвать цветение водоемов и, как следствие, гибель его обитателей. Ученые Пермского Политеха разработали полностью безотходную технологию производства струвита, которая позволяет избавляться от его остатков с помощью дрожжей. Методика позволяет удалять 100% аммонийного азота и 96,7% фосфора, то есть сохранять воду абсолютно чистой.
Результаты исследования опубликованы в статье. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Для роста и развития растениям критически необходимы два ключевых элемента: азот и фосфор. Азот является основным строительным материалом для белков, хлорофилла и нуклеиновых кислот. Он отвечает за быстрый рост зеленой массы, насыщенный цвет листьев и общее состояние растений. Фосфор же играет жизненно важную роль в энергетическом обмене клеток, способствует развитию мощной корневой системы, ускоряет цветение и плодоношение, а также повышает устойчивость к заболеваниям и стрессам.
Обычно растения получают азот и фосфор из природных источников: из воздуха и разложения органических остатков (навоз, компост). Однако в интенсивном земледелии или на бедных кислых и песчаных почвах естественных запасов часто недостаточно — элементы вымываются дождями или поглощаются микроорганизмами. Поэтому без дополнительных удобрений достичь высокой урожайности невозможно, особенно в регионах с неблагоприятными почвенно-климатическими условиями, например, на Северо-Западе России.
Проблема традиционных удобрений тоже заключается в их быстрой растворимости. Они помогают урожаю, но до 50% азота и фосфора все равно вымывается из почвы после полива или дождя, при этом загрязняя водоемы. Поэтому все чаще используют «умное» удобрение – струвит, который получают из переработанных сточных вод. В отличие от обычных подкормок он отдает растениям азот и фосфор постепенно, медленно растворяясь в почве в течение всего сезона, что повышает усвоение элементов до 90%. Кроме того, он снижает нагрузку на экосистемы и экономически выгоден в долгосрочной перспективе.
– Одна из современных технологий позволяет получать струвит почти безотходно. Сперва сточные воды, богатые азотом и фосфором, поступают в специальный реактор, куда добавляют раствор с магнием. Затем эти три компонента (магний, аммоний и фосфат) соединяются и образуют твердые мелкие кристаллы, которые и представляют собой струвит. Они оседают на дно, их отделяют от воды, сушат — и получается готовое удобрение для растений, – рассказывает Дарья Нестерова, студентка кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.
Технология хороша тем, что для синтеза не требуется избыток компонентов и в сточные воды не попадает большое количество фосфора и азота. Однако получаемые кристаллы очень малы, поэтому до 1% их массы все же может проходить через фильтры и попадать в уже очищенную воду. Концентрация в 1%, может показаться незначительной, но это может запустить цветение ядовитых водорослей, привести к гибели рыбы и сделать воду непригодной для питья и купания.
Чтобы снизить эти риски, важно до конца очищать воду от проскочивших частиц струвита. В настоящее время для этого пробовали использовать микроорганизмы, которые питаются этими элементами – зеленые микроводоросли Chlorella sp., Scenedesmus sp. Однако они не справляются с высокими концентрациями фосфора и не могут перерабатывать нерастворимые вещества.
Ученые ПНИПУ предложили использовать дрожжи Yarrowia lipolytica. Они исследовали процесс очистки стоков от производства струвита с их помощью. На первом этапе выращивали дрожжи в жидкой среде 11 дней. На втором этапе эксперимента к ним добавили порошок струвита и отслеживали, как меняется кислотность среды при комнатной температуре 20°C. Это позволяет понять, насколько успешно происходит растворение струвита дрожжами.
– Эксперимент показал, что Yarrowia lipolytica эффективно очищают воду от остатков удобрения. При добавлении 1 г/л их рост ускорялся, но при повышении концентрации до 2 г/л – замедлялся из-за «передозировки». При добавлении даже такой критически высокой концентрации струвита дрожжи смогли удалить 100% аммонийного азота и 96,7% фосфора. То есть, идеально справились со своей задачей, – комментирует Юлия Кузнецова, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат технических наук.
После эксперимента требовалось узнать, можно ли такую очищенную воду повторно использовать для производства новых партий удобрения. После проверки инфракрасным спектрометром выяснилось, что она оказалась чистой и пригодной для повторного синтеза струвита.
Так, методика ученых Пермского Политеха помогает на 100% очистить сточную воду от азота и на 96.7% от фосфора. Это позволяет создать замкнутый цикл на производстве удобрений и сэкономить огромное количество водных ресурсов.
Внедрение такой технологии на предприятиях позволит предотвратить попадание азота и фосфора в реки и озера, сохраняя водоемы чистыми. Технология делает производство струвита полностью безотходным. Это шаг к более устойчивому и зеленому сельскому хозяйству.
