| Аннотация |
Цель проектирования искусственной почвы - воспроизвести физические, химические и биологические функции естественных почв. Целевые свойства почвы зависят от местоположения участка и конечного использования земли. Искусственные почвы предназначены для того, чтобы за ними не требовалось особого ухода, насколько это возможно, что означает, что со временем они станут стабильной и функциональной системой, которая не будет нуждаться в дополнительных затратах, как только установится биогеохимический цикл.
Искусственные почвы должны соответствовать нормативным требованиям, определяющим допустимые пороговые значения для некоторых характеристик почвы. Патогенные микроорганизмы, вредные микроэлементы, степень засоления и pH должны находиться в пределах значений, не представляющих опасности для здоровья человека или окружающей среды. Для обеспечения длительного функционирования почвы также могут потребоваться конкретные значения баланса питательных веществ в почве, включая долю органических веществ, соотношение углерода и азота и общее содержание азота.
При построении полного почвенного профиля необходимо учитывать границы между слоями, а также состав каждого слоя. Резкие различия в свойствах почвы на границах горизонтов (а именно в структуре и объёмной плотности) влияют на гидравлическое функционирование почвы, определяя степень бокового и вертикального потока и наличие застойной воды в почве. Уплотнённые слои с небольшим количеством пор также могут препятствовать росту корней. В некоторых ситуациях слои, богатые глиной, которые действуют как водоемы и отклоняют корни.
Искусственные почвы обычно состоят из трех компонентов: минеральной фракции, органической фракции и источника углерода, а также включают биологический компонент.
Каждый из них вносит в почву свои особенности.
Создание искусственного плодородного слоя основано на последовательных 3-х этапах:
1 этап - управляемый синтез органоминеральной матрицы почв с заданной структурой и физико-химическими свойствами, обладающей способностью к самовоспроизведению. Искусственная органоминеральная основа должна представлять собой устойчиво функционирующее «природное тело», имитирующее высокоплодородные почвы. Матрица формируется из материалов, в которых будут протекать те же физико-химические процессы, что и в естественных почвах, а именно из первичных минералов (песчаная фракция), вторичных высокодисперсных глинистых минералов с расширяющейся кристаллической решеткой (бентонит), карбоната кальция, природоподобных материалов на углеродной основе: биочар, гидрочар, графен, неогумус, грин-органика, торфа и растительных остатков. Компоненты смешиваются в пропорциях, соответствующих квазистатическому равновесию, обеспечивающему стабильность матричной структуры. Рассмотрены различные количественные вариации внесения органических и минеральных фаз и с точки зрения экономической эффективности. На основании аналитических данных рН среды, содержания основных доступных питательных элементов, структуры, водопрочности сформированных агрегатов, плотности сложения выбраны субстраты для второго этапа.
2 этап включает трансплантацию микробиома чернозема в подготовленную органоминеральную матрицу для создания биокосной системы. Данная система создается путем адгезии микроорганизмов и иммобилизации продуцируемых ими ферментов на органоминеральной матрице с запуском реакций полимеризации и поликонденсации. На данном этапе реализуется 2 подхода а) использование водной вытяжки из черноземов, содержащей микроорганизмы; б) внесение выделенных из черноземов штаммов микроорганизмов, отобранных на основе данных метагеномной карты почв и имеющих широкий спектр экологических характеристик, а также различные возможности в использовании гуминовых кислот, торфа, растительных остатков в качестве субстрата роста. Для оценки микробиологического состояния создаваемых искусственных систем определена численность бактерий и измерена эмиссия CO2, свидетельствующие об увеличении биомассы микробиоты. Для создания масштабируемой технологии предлагается производить выделение и накопление консорциумов ризосферных бактерий с использованием искусственных сред, имитирующих корневые экссудаты растений (смесь органических кислот, сахаров и аминокислот). Исследование влияния корневых экссудатов на формирование ризосферного микробиома позволит выявить основные регуляторные функции и взаимодействие с почвенной микробиотой. В настоящее время внесенные консорциумы микроорганизмов инкубируются в различных гидротермических условиях.
На 3-й стадии планируется оптимизация функций искусственной почвы путем а) редактирования трансплантированного микробиома с использованием нейросетевой биоинформатической модели, позволяющей стабилизировать искусственную биокосную систему путем подбора видов бактерий с целевыми экологическими функциями; б) внесения технологических продуктов на основе отходов производства для целей циркулярной экономики. Это линейка «умных» материалов на углеродной основе с программированной подвижностью макро- и микроэлементов и пролонгированным действием позволит снизить затраты на воспроизводство плодородия почв сельхозугодий и биореставрацию деградированных почв.
Данная технология универсальна и открывает возможности для создания искусственных почвенных конструкций как для экспортных целей, так и внутри страны.
Создание теории природного и искусственного почвообразования и разработка на базе этих фундаментальных знаний прорывных биотехнологий искусственного восстановления и воспроизводства почвенных ресурсов является революционным событием в области почвоведения.
Комплексная технология преобразования неплодородных почв в продуктивные сельскохозяйственные земли на текущий момент в России и в мире отсутствует.
В рамках разработки цифрового двойника почв реализован оригинальный подход, объединяющий в себе создание физической и виртуальной модели (цифровой двойник) искусственного почвообразования с привлечением технологии big data и машинного обучения. Цифровые двойники - это динамические виртуальные образы почв – фундаментальная основа сельского хозяйства нового технологического уклада.
Проект реализуется в несколько этапов:
1. Разработка методов унифицированного сбора и оперативного пополнения почвенного дата-центра ЮФУ актуальной информацией о почвенном покрове и факторах почвообразования региона.
2. Разработка математического аппарата для получения оценочных характеристик, обеспечивающих сходимость и производительность алгоритмов машинного обучения по мере пополнения баз больших многомерных пространственно-распределенных почвенных данных.
3. Разработка методов консолидации разнородных аграрно-почвенных данных индикаторов почвенного плодородия и актуального состояния почвенных ресурсов на землях сельскохозяйственного назначения.
4. Разработка программного обеспечения и графических интерфейсов для устойчивого хранения и доступа к большим многомерным пространственно-распределенным почвенным данным.
|
