Использование рисовой шелухи в составе абсорбирующих композитов поможет аграриям улучшить водообеспеченность культур, уменьшив число поливов. Свойства отходов риса способствуют поглощению и длительному удержанию композитами влаги в корнеобитаемом слое, уменьшая потери на фильтрацию.
Более 60% Украины находится в зоне рискованного земледелия. Для этих территорий характерно недостаточное количество осадков в период роста и активного набора вегетативной массы основными сельскохозяйственными культурами. Стресс засухи инициирует нарушения развития растений — уменьшение длины стеблей, ухудшение развития корневой системы, уменьшение содержания влаги в органах растений. Недостаток влаги уменьшает количество клубеньков на корнях бобовых (фасоли, сои). Опыт последних лет показывает высокую вероятность гибели посевов по причине аномальной жары в случае недостаточного полива.
Использование отходов рисовых растений способно помочь аграриям оптимизировать режим орошения культур. Абсорбирующие композиты на основе измельчённой рисовой шелухи находясь в почве способны впитывать и удерживать воду длительное время.
Исследования показали, что почва теряет всю поглощенную воду через 14 дней после обильного полива. Внесение в грунт композита содержащего рисовую шелуху (концентрация 1 г продукта на 100 г почвы) позволяло увеличивать длительность удержания влаги до 32 дней.
Продукт на основе рисовой шелухи имеет высокий потенциал использования в сельском хозяйстве для лучшего управления водными ресурсами. Измельчённые частицы шелухи действуют как небольшие резервуары воды в почве, высвобождающие влагу в зависимости от потребности растений из-за образовавшейся разницы в осмотическом давлении.
Свойства рисовой шелухи
Использование шелухи для смягчения последствий стресса засухи возможно благодаря её способности к набуханию, водоудержанию, биоразлагаемости.
Исследователи называют несколько положительных эффектов от её возможного применения для мелиорации почв:
- снижение частоты поливов;
- снижение тенденции к уплотнению почвы;
- увеличение аэрации почвы и микробной активности почвенной биоты.
Благодаря устойчивости рисовой шелухи к воздействию влаги, на ней не расселяются болезнетворные грибковые споры. Вместе с удержанием воды она сохраняет в почве питательные вещества для растений. Исследователи установили положительное влияние содержащих шелуху абсорбирующих композитов на содержание хлорофилла в листьях растений (удерживаемые вместе с водой питательные микроэлементы способствовали улучшению биосинтеза хлорофилла). В рамках различных исследований, повышенное содержание хлорофилла в условиях засухи (вызванное применением композитов) было зарегистрировано у кукурузы и пшеницы. Следствием улучшения влагосодержания в почве также является повышение выживаемости посевного материала.
Доступность материала для использования аграриями
.jpg)
Рис — вторая по популярности культура после пшеницы. Побочная продукция рисовой переработки (шелуха, солома, отруби) составляет около 600 млн тонн отходов ежегодно. Лишь небольшая часть этих отходов используется повторно, чаще шелуха просто сжигается или выбрасывается в поле (может использоваться в качестве мульчи).
В Украине рис выращивают в Одесской и Херсонской областях, на общей площади 10,4 тыс. га. Это как раз те области, в которых хозяйства сильнее всего страдают от недостаточных осадков. Общий объём производства риса в двух областях в 2020 году составил 580,8 тыс ц. С учётом того, что массовая часть рисовой шелухи может достигать 20% (всего отходы 30% собранного урожая), в 2020 году в Украине было получено около 166 тыс ц шелухи. Эти отходы плохо горят и их утилизация представляет головную боль для агрария.
Абсорбирующий композит содержащий рисовую шелуху
Реакции растений на водный дефицит сильно различается в зависимости от степени стресса, фазы роста растения, генетических особенностей сорта и факторов окружающей среды. Однако биохимическая реакция у всех растений схожа. Недостаток влаги останавливает метаболические процессы, вследствие чего теряется тургор, закрываются устьица, ухудшается ферментативная активность и деление клеток. Применение абсорбирующего композита с рисовой шелухой позволит удерживать в почве влагу на протяжении длительного периода после полива.
Принцип действия композита схож с действием наполнителя в одноразовых подгузниках, только в отличии от наполнителя он не содержит неразлагаемых полимеров на основе нефти. Абсорбирующие композиты способны поглощать и удерживать огромное количество воды или других биологических жидкостей, при этом являясь полностью биоразлагаемыми. Исследователи из Египта сравнивали эффект использования натуральной рисовой шелухи и абсорбирующего композита. Последний показал более длительное и качественное удержание воды.
Состав композита
Для применения в виде природного наполнителя, рисовая шелуха обрабатывается химически и измельчается. В рамках исследования 100 г рисовой шелухи вымачивали в 1 л 8% гидроксида натрия NaOH в течение 24 часов, затем промывали дистиллированной водой до нейтрального pH и сушили при 80 °C в течение 24 часов. Высушенный продукт измельчали и просеивали.
Вымачивание в растворе гидроксида снижает содержание в шелухе гидрофобного лигнина и гемицеллюлозы (96% и 74% соответственно) и увеличивает содержание α-целлюлозы (на 400%).
Кроме шелухи абсорбирующий композит состоит из акриламида, акриловой кислоты и акрилата калия. Размер частиц в готовом порошкообразном продукте 0,2–0,25 мм. По сравнению с порошками содержащими средне- или крупнозернистые фракции (0,8–4,0 мм) такая крупность имеет существенные преимущества:
- более высокая скорость набухания;
- вода в виде мелких частиц более доступна для корней растений.
Свойства абсорбирующего композита
Свойства поглощения и удерживания влаги заметно зависят от пористости частиц и среднего размера пор. К образованию высокопористой структуры композита приводит промывка его этанолом с последующей сушкой. Полученные грубые пористые поверхности способствуют лучшему проникновению воды. Наличие гидрофильного компонента целлюлозы из рисовой шелухи облегчает и ускоряет диффузию жидкостей через композит.
Разложение продукта в течение 160 дней приводит к потере около 60% массы от общего внесения. Это свидетельствует о хорошей биоразлагаемости композита в почве.
Факторы, влияющие на эффективность применения
Эффективность применения абсорбирующего композита будет также зависеть от засоленности и кислотности почвы.
Водопоглощающая способность препарата будет снижаться с увеличением показателя засоленности почвы (чем выше разница в концентрации подвижных ионов между связанной в гидрогеле влагой и внешним солевым раствором, тем больше сжатие геля и меньше его способность к поглощению влаги).
Зависимость набухаемости препарата от кислотности нелинейная. Оптимальными являются значения pH в диапазоне от 6,0 до 8,0. С увеличением или уменьшением показателя кислотности падает способность композита аккумулировать большие количества влаги.
Изучения свойств рисовой шелухи
Использование рисовой шелухи в качестве компонента для абсорбирующих продуктов активно изучается учёными всего мира. Так казахстанские учёные изучают эффективность её использования в качестве нефтесорбента для очищения и обеззараживания почв и очистки вод от нефтепродуктов.
Украинские учёные исследуют свойства сорбентов на основе рисовой шелухи для очищения стоков от тяжёлых металлов и уменьшения перехода тяжёлых металлов из почвы в зелёную массу выращиваемых культур. Различные экологические сорбенты вносятся в загрязнённую радионуклидами почву для селективного фиксирования Cs (цезия), Sr (стронция), ионов тяжёлых металлов и трансурановых элементов. Препараты содержащие рисовую шелуху планируется использовать для борьбы с экологическими последствиями Чернобыльской катастрофы.
Рисовая шелуха сегодня — многотонные отходы, загрязняющие окружающую среду. Но продукция рисового производства содержит огромный потенциал для мелиорации почв, улучшения технологии управления водными ресурсами в засушливых регионах и увеличения урожайности выращиваемых культур.
