Российские ученые показали, как устроен чернозем на наноуровне

Почва — это уникальное природно-историческое тело, которое сочетает в себе живые компоненты, продукты их обмена веществ и минералы. Почвенный профиль имеет уникальные свойства, изучению которых посвящена отдельная наука — почвоведение. Ученые исследуют почву на самых разных уровнях организации: от полей до микроскопической структуры, и на каждом описывают особые процессы. Для исследования мельчайших деталей подходит метод компьютерной томографии, его принципы те же, что у медицинской КТ. По сути это получение множества рентгеновских снимков, позволяющих реконструировать трехмерную структуру почвы, в том числе сеть мелких пор, связанных между собой.

Однако даже у такого продвинутого метода есть свои ограничения: он позволяет увидеть только крупные «магистрали» пор, но не более мелкие пустоты, образованные другими почвенными процессами. Очевидно, что почвоведы для этого нуждаются в новых методах, один из которых опробовали ученые из МФТИ, МГУ им. М. В. Ломоносова, Почвенного института им. В. В. Докучаева и Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН. Это использование фокусированного ионного пучка, совмещенного со сканирующей электронной микроскопией (FIB-SEM). По сути — связка из сверхточного «скальпеля» и мощного микроскопа: фокусированный ионный пучок буквально срезает слой почвы за слоем, обнажая внутреннюю архитектуру. Далее сканирующий электронный микроскоп «видит» тонкие детали поверхности размером менее одного микрона, то есть на субмикронном разрешении. Работа выполнена при поддержке РНФ (грант №23-74-00061) и опубликована в журнале «Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение».

Объектом исследования стал образец самой плодородной почвы России — чернозем из Центрально-Черноземного заповедника. FIB-SEM сравнили с традиционно используемой для таких задач компьютерной томографией. На первом этапе с помощью томографа была создана трехмерная модель частицы почвы (агрегата) с разрешением один микрометр. Чтобы отделить пустоты от твердых компонентов, ученые использовали компьютерные алгоритмы сегментации изображения. Затем применяли ионный «скальпель»: пучок ионизированных атомов галлия буквально вырезал в почве «микротраншею», обнажая ее внутренние слои. Следом электронный микроскоп делал снимки с разрешением до четырех нанометров. Из-за высокой сложности полученной поверхности (глины и органики) границы пор выделяли вручную, это гарантировало максимальную точность.

Работа показала, что томография и FIB-SEM видят почву по-разному: один дает общий план, а другой — «макросъемку» мельчайших деталей. Компьютерная томография работает с микронным разрешением, в то время как ионный микроскоп (FIB-SEM) видит объекты размером всего 0,075 микрона (75 нанометров). Кроме того, второй метод описывает более широкий диапазон масштабов: он фиксирует как нанопоры, так и крупные пустоты. Исследователи также обнаружили важное преимущество этого метода: он отлично различает органическое вещество внутри почвенного агрегата. На снимках органика выглядит как однородные серые пятна размером 1–10 микрон. И если на компьютерных томограммах эти фрагменты практически сливаются с фоном, то ионный микроскоп четко фиксирует их границы.

Более того, на томографии почвенные поры кажутся округлыми, тогда как для FIB-SEM становится различимым огромное число трещин и вытянутых изрезанных пор. Судя по всему, именно такие микротрещины составляют основу «почвенного лабиринта» на самом мелком уровне. Это объясняет, как чернозем удерживает влагу и пропускает воздух внутрь. Однако из-за очень узкого поля зрения (примерно 30 на 50 микрон) использовать только FIB-SEM недостаточно. Поэтому ученые пришли к выводу, что опробованная технология не заменяет томографию, хотя отлично ее дополняет. Вместе два метода могут позволить создать полную 3D-карту почвы — от крупных структур до мельчайших частиц органики, делая возможным детальное понимание почвенных процессов. Такое сочетание технологий открывает новые перспективы в изучении того, как именно рождается и сохраняется знаменитое почвенное плодородие.

«Наш коллектив впервые применил метод микроскопии с ионной резкой к почвогрунтам еще в 2021 году, что позволило получить первые точные данные об их наноструктуре. Теперь на основе тех результатов мы разрабатываем ряд моделей на молекулярном уровне и уровне пор. Они нужны для описания динамики структуры, а также фильтрационных и прочих свойств почвы на разных масштабах. Изображения были получены на базе Центра коллективного пользования МФТИ. Мы продолжим изучать особенности строения органо-минеральных соединений на наноуровне, в том числе совместно с коллегами-почвоведами из Почвенного института имени Докучаева. Это позволит перейти к мультимасштабным моделям почвенной структуры и описать процессы агрегатообразования — они необходимы для устойчивого землепользования и повышения плодородия почв», — прокомментировал Кирилл Герке, директор по науке Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ.