Российские исследователи выявили субмикронную структуру пор чернозёма с помощью ионно-лучевой сканирующей электронной микроскопии

Исследователи Московского физико-технического института и их коллеги недавно провели детальную характеризацию микроструктуры образцов чернозёма с использованием сфокусированного ионного пучка со сканирующим электронным микроскопом (FIB-SEM). Исследование показало, что данная технология позволяет выявлять поры размером менее 1 микрона, их морфологию и отдельные органические компоненты в почве, что предоставляет новый инструмент наблюдения для понимания механизмов формирования и поддержания плодородия чернозёма. Работа выполнена при поддержке проекта Российского научного фонда и опубликована в 17-м выпуске «Вестника Московского университета», серия «Почвоведение».

Почвенные исследования обычно требуют перехода от полевого масштаба к микроскопическому. Компьютерная томография (КТ), благодаря способности реконструировать трёхмерную структуру почвы без разрушения образца, широко используется для наблюдения внутренней сети пор в почве. Однако разрешение КТ имеет ограничения: она позволяет видеть в основном крупные поровые каналы, тогда как более мелкие поры, формирующиеся в результате сложных почвенных процессов, трудно различить в полной мере.

Для восполнения этого пробела учёные из Московского физико-технического института, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, Почвенного института имени В.В. Докучаева и Института физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН применили FIB-SEM для исследования образцов чернозёма из Центрально-Чернозёмного заповедника. Данный метод заключается в послойном срезании образца почвы пучком ионизированных атомов галлия с последующим получением изображений высокого разрешения с помощью сканирующего электронного микроскопа, что можно сравнить с использованием «ионного скальпеля» в сочетании с высокоувеличительной микроскопией для наблюдения внутренних деталей почвы.

Сначала исследователи использовали КТ-сканер для построения трёхмерной модели почвенного агрегата с разрешением 1 микрон и применили алгоритмы сегментации изображений для разделения пор и твёрдых компонентов. Затем с помощью FIB-SEM они вырезали в почве микроканавки и получали изображения с разрешением до 4 нанометров. Поскольку поверхность образца содержит сложные структуры, такие как глина и органические вещества, исследовательская группа вручную обводила границы пор для повышения точности распознавания.

Результаты показали, что две технологии предоставляют взаимодополняющую информацию о структуре почвы. КТ даёт общее представление о структуре на более крупном масштабе, тогда как FIB-SEM позволяет обнаруживать структуры размером до 0,075 микрона, то есть 75 нанометров, одновременно фиксируя как нанопоры, так и более крупные поры. Исследование также показало, что FIB-SEM позволяет чётко различать органическое вещество в почвенных агрегатах. На изображениях это органическое вещество проявляется в виде однородных серых пятен размером от 1 до 10 микрон, тогда как на КТ-изображениях его трудно отличить от фона.

Что касается морфологии пор, на КТ-изображениях поры почвы имеют преимущественно округлую форму, тогда как FIB-SEM показывает наличие в образце многочисленных трещин, а также вытянутых и зубчатых пор. Эти микротрещины образуют субмикронную сеть пор чернозёма, что помогает объяснить структурную основу его способности удерживать влагу и обеспечивать воздухопроницаемость.

Исследовательская группа также отметила, что поле зрения FIB-SEM относительно узкое — около 30×50 микрон, поэтому данный метод не может полностью заменить КТ. Сочетание двух методов позволяет построить более полное трёхмерное изображение почвы — от крупных структур до нанопор и органических частиц, что обеспечивает поддержку для дальнейшего изучения эволюции структуры почвы, её фильтрационных свойств и процессов формирования агрегатов. Представители Московского физико-технического института заявили, что команда продолжит исследование структурных особенностей органо-минеральных соединений на наномасштабе и разработку многоуровневых моделей структуры почвы.