Библиографическое описание:

Фолманис Ю. Г. Наноматериалы для возделывания растительного сырья биотоплива // Молодой ученый. — 2011. — №4. Т.2. — С. 164-166.

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-) установлено присутствие в нанопорошках железа следующих фаз железа: α-Fe; α-Fe2O3; γ-Fe2O3; Fe3O4; FeO, затем (Co-) 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.

Основные термины (генерируются автоматически): наноразмерного железа, обработка семян, гидроксида железа, семян кукурузы, порошка железа, семян кукурузы сорта, наноразмерного порошка железа, ансамбля наночастиц железа, кукурузы сорта lg, сорта кукурузы lg, предпосевная обработка семян, Предпосевная обработка семян, гибридного сорта кукурузы, партии семян, активного наноразмерного порошка, Микрофотография ансамбля наночастиц, опытных растений, наночастиц порошка железа, обработка семян кукурузы, Fe 2SO 4∙7H.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle