Глобальний перехід до низьковуглецевої економіки супроводжується стрімким розвитком технологій відновлюваної енергетики та циркулярного управління біологічними відходами. Серед таких технологій особливе місце займає анаеробне зброджування органічної сировини, яке дозволяє одночасно отримувати відновлювану енергію у формі біогазу та вторинний матеріальний продукт — дигестат.
Дигестат формується в результаті мікробіологічного розкладання органічних речовин у безкисневих умовах і за своїм складом являє собою складну багатокомпонентну систему, що включає сполуки азоту, фосфору, калію, кальцію, магнію, сірки, мікроелементи, гумусоподібні речовини, органічні кислоти, амінокислоти та різноманітні біологічно активні метаболіти. Окрім мінеральних поживних елементів, дигестат містить сполуки, які здатні проявляти властивості стимуляторів росту та регуляторів фізіологічних процесів у рослин, що робить його потенційно цінним агрономічним ресурсом.
Разом з тим, пряме застосування дигестату в сільському господарстві стикається з низкою обмежень. По-перше, високий вміст вологи зумовлює значні витрати на транспортування та внесення. По-друге, рідка або пастоподібна форма ускладнює точне дозування та рівномірний розподіл по полю. По-третє, за поверхневого внесення зростають ризики втрат азоту у вигляді аміаку, вимивання нітратів у ґрунтові води та вторинного забруднення довкілля. Додатково, у багатьох країнах діють екологічні нормативи, які обмежують норми та періоди внесення органічних добрив, що ще більше звужує можливості безпосереднього використання сирого дигестату.
У зв’язку з цим, значна кількість наукових робіт присвячена пошуку способів стабілізації та трансформації дигестату у форми, більш придатні для зберігання, транспортування та контрольованого застосування. Одним із найбільш перспективних напрямів вважається поєднання дигестату з вуглецевими та мінеральними матрицями, здатними адсорбувати поживні речовини, зменшувати їхню рухливість і забезпечувати пролонговане вивільнення.
Біовугілля, отримане шляхом піролізу біомаси, привертає особливу увагу як універсальний носій поживних елементів і структуроутворювач. Його висока питома поверхня, розвинена пористість та значна катіонообмінна ємність створюють умови для утримання амонійних іонів, фосфатів та інших поживних форм, знижуючи їхні втрати та підвищуючи доступність для рослин. Окрім цього, біовугілля покращує водоутримувальну здатність ґрунту, знижує щільність складення, підвищує аерацію та створює мікроніші для ґрунтових мікроорганізмів.
Паралельно з розвитком біовуглецевих технологій зростає інтерес до природних кремній- та калієвмісних філосилікатів (переважно глауконіт) як альтернативних мінеральних компонентів добрив. Глауконіт, що належить до групи шаруватих силікатів, характеризується наявністю калію в кристалічній решітці та здатністю до повільного його вивільнення в ґрунтовому середовищі. Крім калію, глауконіт може слугувати джерелом кремнію, заліза, магнію та ряду мікроелементів, а також проявляти буферні властивості щодо реакції ґрунтового розчину.
Незважаючи на наявність значної кількості досліджень, присвячених системам «дигестат – біовугілля» та окремому застосуванню кремнійвмісних мінералів у землеробстві, їх інтеграція в єдину біологічно та структурно спроєктовану гранульовану композицію досі залишається фрагментарно вивченою. Переважна більшість робіт розглядає ці компоненти як окремі добавки, а не як елементи єдиного композитного матеріалу з наперед заданою архітектурою та функціональністю.
У цьому контексті актуальним є розроблення концепції композитного органо-мінерального матеріалу, в якому дигестат виконує роль поживної органічної матриці, біовугілля — пористого вуглецевого каркасу, а глауконіт — мінерального буфера з пролонгованим вивільненням калію та мікроелементів. Такий підхід дозволяє перейти від простого змішування компонентів до цілеспрямованого проєктування гранули як функціональної системи.
Метою цієї роботи є формування науково обґрунтованої концепції створення гранульованого органо-мінерального композиту «дигестат – біовугілля – глауконіт», визначення ролі кожного компонента у структурі матеріалу та окреслення очікуваних агрономічних і екологічних переваг запропонованої системи.
У запропонованій концепції як вихідні компоненти розглядаються три функціонально різні, але комплементарні матеріали: тверда фракція дигестату, біовугілля та глауконіту (кремній- та калієвмісний філосилікат).
Отримана тверда фракція дигестату зазвичай містить 20–35 % сухої речовини та характеризується наявністю органічного вуглецю, органічно зв’язаних форм азоту, фосфору, а також значної кількості мезо- і мікроелементів. Перед подальшим використанням тверду фракцію доцільно піддавати попередньому підсушуванню до вологості 25–35 %, що забезпечує оптимальні реологічні властивості для змішування та гранулювання.
Усі три компоненти можуть містити макро-, мезо- та мікроелементи, а також різну кількість вологи, що необхідно враховувати при формуванні рецептури та розрахунку масових співвідношень.
Зазначені діапазони є орієнтовними та можуть коригуватися залежно від цільових характеристик кінцевого продукту, зокрема бажаного співвідношення органічної та мінеральної частки, вмісту калію, вуглецю або сорбційної здатності гранули. Таким чином, рецептура розглядається як гнучка та адаптивна до конкретних агрономічних задач.
Підсушену тверду фракцію дигестату, подрібнене біовугілля та порошок калійвмісного кремнезему змішують у горизонтальних або планетарних міксерах до досягнення однорідної маси. За необхідності проводять корекцію вологості шляхом додавання технологічної води або рідкої фракції дигестату. Оптимальна вологість суміші перед гранулюванням не повинна перевищувати 25 %, що забезпечує достатню пластичність та формування стійких агломератів.
Запропонована технологічна схема може бути реалізована на лабораторному (5–20 кг/партія), пілотному (200–500 кг/партія) та промисловому рівнях (>1 т/партія) з використанням стандартного грануляційного обладнання.
Формування гранул може здійснюватися в барабанних грануляторах чи дискових (тарілчастих) грануляторах, з можливим напиленням і докаткою. Вибір типу обладнання залежить від необхідної продуктивності, енергоспоживання та бажаного діаметра гранули.
У процесі гранулювання частинки біовугілля формують внутрішній пористий каркас, на поверхні якого адсорбуються органічні компоненти дигестату та мінеральні частинки глауконіт (кремній- та калієвмісний філосилікат), що призводить до поступового наростання гранули за принципом «снігової кулі».
Сформовані гранули піддають низькотемпературному сушінню (60–80 °C) до залишкової вологості 8–12 %, після чого охолоджують та просівають для відділення нестандартних фракцій. Крупні частинки можуть бути подрібнені й повернуті в процес.
Синергетична гранула на основі дигестату, біовугілля та кремнійвмісної мінеральної матриці формує не інертний носій поживних речовин, а біологічно активне мікросередовище, придатне для заселення, збереження та функціонування агрономічно корисних мікроорганізмів. Пориста структура біовугілля виконує роль фізичного каркасу, у порах якого мікробні клітини закріплюються, формують біоплівки та отримують захист від висихання, ультрафіолетового випромінювання й температурних коливань. Дигестат у складі гранули слугує поживною органічною матрицею, що забезпечує мікроорганізми доступним вуглецем, азотом і фосфором, створюючи умови для швидкої активації метаболізму та стабільного росту.
Глауконіт (кремній- та калієвмісний філосилікат) додатково виконує буферну функцію, пом’якшуючи коливання pH, адсорбуючи катіони поживних елементів і створюючи мінеральні поверхні для прикріплення клітин. У такому середовищі ефективно функціонують азотфіксуючі, фосфатмобілізуючі, каліймобілізуючі та целюлозолітичні мікроорганізми, які перетворюють органічні й мінеральні сполуки у форми, доступні для рослин. За умови додаткового збагачення гранули спеціально підібраними мікробними консорціумами вона набуває властивостей носія живих систем і переходить із категорії пасивного добрива в категорію біоактивного матеріалу.
Після внесення в ґрунт така гранула зволожується, мікроорганізми активуються та формують навколо себе зону підвищеної біологічної активності, до якої спрямовується ріст коренів. У результаті гранула, що вже відпрацювала в якості транспортного засобу для корисних мікроорганизмів та речовин, навіть при повільному розпаданні – працює як локальний біологічний вузол, що поступово віддає поживні елементи, підтримує розвиток корисної мікрофлори та сприяє формуванню стійкої, функціонально активної ризосфери. Це принципово відрізняє запропоновану систему від традиційних добрив і робить її важливим інструментом регенеративного та біологізованого землеробства.
Запропонований композит на основі Дигестату розглядається не лише як джерело поживних елементів, а як інструмент цілеспрямованого формування функціонально активного ґрунтового біоценозу. Очікувані результати стосуються фізичних, хімічних, біологічних та біогеохімічних процесів, що відбуваються у ґрунті після внесення гранульованого матеріалу.
Однією з ключових проблем органічних добрив є втрати азоту внаслідок аміачної волатилізації, денітрифікації та вимивання нітратів. У запропонованій системі біовугілля та кремнієва матриця виконують функцію сорбційного буфера, здатного утримувати амонійні іони у своїх мікро- та мезопорах. Це створює умови для тимчасової фіксації азоту з подальшим поступовим вивільненням у ґрунтовий розчин.
Очікується, що така сорбційно-буферна дія зменшить пікові концентрації мінерального азоту після внесення добрива, знизить втрати у газоподібній формі та обмежить міграцію нітратів у нижні горизонти ґрунту. У підсумку це повинно призвести до зростання коефіцієнта використання азоту рослинами та стабільнішого живлення протягом вегетації.
Глауконіт (кремній- та калієвмісний філосилікат), інтегрований у структуру гранули, також містить калій у кристалічній решітці, що зумовлює його повільне вивільнення. На відміну від водорозчинних калійних солей, такий механізм забезпечує більш рівномірне надходження калію до кореневої зони та знижує ризик його вимивання.
Окрім калію, очікується надходження кремнію, заліза, магнію та ряду мікроелементів, які беруть участь у формуванні міцності клітинних стінок, фотосинтетичних процесах та антистресовій стійкості рослин. Мінеральна фаза кремнезему також виконує буферну функцію щодо реакції ґрунтового середовища, стабілізуючи pH у зоні гранули.
Біовугілля, кремнієва та органічна матриця дигестату сприяють формуванню водостійких агрегатів, зниженню щільності складення та підвищенню пористості ґрунту. Зростає водоутримувальна здатності, поліпшення інфільтрації та аерації, що створює сприятливі умови для розвитку кореневих систем.
Покращення структури ґрунту безпосередньо пов’язане зі зменшенням ерозійних процесів, підвищенням стійкості до ущільнення та загальним зростанням агрофізичної якості ґрунтового профілю.
Центральним очікуваним результатом є інтенсифікація розвитку ґрунтового біоценозу — сукупності мікроорганізмів, грибів, мікрофауни та їхніх трофічних взаємозв’язків.
Пориста структура біовугілля створює мікроніші, у яких мікроорганізми захищені від різких коливань вологості, температури та хімічного складу. Органічна речовина дигестату виступає джерелом енергії та вуглецю, а мінеральні поверхні глауконіту забезпечують додаткові зони адсорбції та іонного обміну.
Зростає чисельність азотфіксувальних, фосфатмобілізувальних, каліймобілізувальних і целюлозолітичних мікроорганізмів, що призводить до активнішої трансформації поживних елементів у доступні для рослин форми. Таким чином, гранула виступає не лише джерелом поживних речовин, а й інкубатором ґрунтового життя, який запускає самопідтримувані біологічні цикли.
Біовугілля є відносно інертною формою вуглецю з тривалим часом перебування у ґрунті. Його інтеграція в гранульоване добриво сприяє формуванню довготривалих пулів органічного вуглецю та зниженню емісій CO₂ у перерахунку на одиницю продукції.
Очікується, що застосування композиту сприятиме підвищенню потенціалу ґрунтів до секвестрації вуглецю, що робить технологію привабливою з позицій участі у програмах карбонових кредитів та кліматично орієнтованого землеробства.
У сукупності вищезазначені процеси повинні проявлятися у вигляді стабільнішого росту рослин, підвищення ефективності використання поживних елементів, зростання врожайності та поліпшення якості продукції. Водночас ключовим довгостроковим результатом є не лише урожай, а відновлення й нарощування функціонального ґрунтового біоценозу як основи родючості.
Запропонований композит «дигестат – біовугілля – глауконіт (кремній- та калієвмісний філосилікат)» доцільно розглядати не як механічну суміш компонентів, а як біологічно та структурно спроєктовану систему, у якій кожен елемент виконує чітко визначену функцію та одночасно підсилює дію інших. Такий підхід відповідає сучасній парадигмі матеріалознавства в агрономії, де ключовим об’єктом є не окрема речовина, а функціональна архітектура композиту.
Біовугілля формує фізичний «скелет» гранули, його мікро- та мезопориста структуру, що забезпечує велику внутрішню поверхню, на якій можуть адсорбуватися іони поживних елементів, органічні молекули та вода. Завдяки цьому всередині гранули створюється зона локальної концентрації ресурсів, доступних для коренів рослин і мікроорганізмів.
Окрім сорбційної функції, біовугілля виконує роль стабілізатора фізичної форми гранули, зменшуючи її крихкість та схильність до руйнування при транспортуванні й внесенні. Одночасно воно діє як довготривале джерело стабільного органічного вуглецю, що підтримує розвиток гетеротрофної мікробіоти.
Дигестат у структурі композиту виступає як органічна матриця, що заповнює пори біовугілля та зв’язує мінеральні частинки глауконіту. Він містить як легкодоступні мінеральні форми поживних елементів, так і органічно зв’язані сполуки, які поступово мінералізуються в ґрунті.
Така подвійна природа дигестату дозволяє поєднати швидкий стартовий ефект живлення з пролонгованим постачанням елементів протягом вегетації. Крім того, органічні кислоти та гумусоподібні сполуки дигестату можуть хелатувати мікроелементи, підвищуючи їхню доступність для рослин.
Глауконіт (кремній- та калієвмісний філосилікат) виконує роль мінерального буфера, інтегрованого у вуглецево-органічну матрицю, де калій, зв’язаний у кристалічній решітці мінералу, вивільняється поступово внаслідок іонного обміну та вивітрювання, що забезпечує тривале калійне живлення без пікових концентрацій.
Додатково постачаєтся кремній, залізо, магній та мікроелементи, які беруть участь у структуроутворенні рослинних тканин, фотосинтезі та стресостійкості. Поверхні мінеральних частинок слугують місцями адсорбції для органічних молекул і мікробних клітин, що підсилює стабільність біоценозу.
Ключовою відмінністю запропонованої системи від традиційних добрив є перехід від концепції «носія поживних речовин» до концепції «біоактивної платформи». Усередині гранули формується мікросередовище, у якому одночасно присутні:
Це створює передумови для колонізації гранули агрономічно корисними мікроорганізмами та формування локальних мікробних консорціумів, які беруть участь у кругообігу азоту, фосфору, калію та вуглецю.
При цьому, за умови додаткового збагачення композиту спеціально підібраними мікробними культурами (азотфіксатори, фосфатмобілізатори, целюлозолітики, PGPR-бактерії) гранула виконує функцію носія живих мікроорганізмів. У такому випадку добриво переходить у категорію біооргано-мінеральних матеріалів із керованою біологічною активністю.
Таким чином, дигестатний композит інтегрує в межах однієї гранули комплекс функцій:
Саме ця інтегрованість принципово відрізняє запропоновану систему від традиційних органічних, мінеральних та органо-мінеральних добрив і визначає її перспективність для регенеративних та біологізованих систем землеробства.
У межах представленої роботи сформовано, частково перевірено і підтверджено науково обґрунтовану концепцію створення біологічно та структурно спроєктованого органо-мінерального композиту на основі дигестату, біовугілля та кремнезему, призначеного для використання у вигляді гранульованого добрива в системах сталого та регенеративного землеробства. Запропонований підхід ґрунтується на поєднанні органічної, вуглецевої та мінеральної складових у межах єдиної функціональної архітектури гранули.
Показано, що кожен компонент композиту виконує не ізольовану, а взаємодоповнюючу роль: дигестат забезпечує поживну органічну матрицю та джерело енергії для ґрунтової мікробіоти; біовугілля формує пористий вуглецевий каркас із високою сорбційною здатністю та довготривалою стабільністю; глауконіт функціонує як мінеральний буфер і джерело пролонгованого калію, кремнію та мікроелементів. Їх синергія створює передумови для контрольованого вивільнення поживних елементів, зменшення втрат азоту і калію та підвищення ефективності живлення рослин.
Принципово важливим результатом є зміщення фокусу від добрива як пасивного носія поживних речовин до добрива як біоактивної платформи, здатної формувати та підтримувати функціонально активний ґрунтовий біоценоз. У такій системі гранула виступає мікросередовищем, де поєднуються вуглецеві, органічні та мінеральні ресурси, що стимулює розвиток агрономічно корисних мікроорганізмів і запуск самопідтримуваних біогеохімічних циклів у ґрунті.
Додатковим рівнем функціоналізації композиту є можливість його цілеспрямованого збагачення консорціумом агрономічно корисних мікроорганізмів, зокрема представниками родів Azotobacter, Acetobacter, Bacillus, Paenibacillus, Oceanobacillus, Pseudomonas, Streptomyces, Virgibacillus, Lactobacillus, Clostridium. Очікується, що такі мікробні консорціуми забезпечуватимуть ефективну стимуляцію розвитку кореневої системи рослин, підвищення доступності елементів N, P, K, Ca, S, Zn, Fe, а також прискорення мінералізації поживних залишків та трансформацію органічних форм елементів у доступні для рослин сполуки.
Запропонований підхід є одним із найбільш показових прикладів реалізації принципів циркулярної економіки, за яких відходи харчових та аграрних виробництв через біогазові та термохімічні процеси трансформуються у високододану продукцію для сільського господарства, а в кінцевому підсумку — знову в продукти харчування. Такий замкнений цикл не лише мінімізує втрати ресурсів, але й сприяє відновленню родючості ґрунтів, накопиченню стабільного органічного вуглецю та підвищенню екологічної стійкості агроландшафтів.
Таким чином, композит дигестат з біовугіллям на кремнійвмісній мінеральній матриці доцільно розглядати як багатофункціональний живий органо-мінеральний матеріал, що інтегрує в межах однієї гранули функції живлення рослин, кондиціонування ґрунту, мінерального буферування та підтримки ґрунтової мікробіоти. Саме ця інтегрованість визначає його перспективність для регенеративних та біологізованих систем землеробства.
Подальші дослідження мають бути спрямовані на лабораторну та польову валідацію запропонованої концепції, оптимізацію рецептури залежно від типу ґрунтів і культур, а також оцінку довгострокового впливу на ґрунтовий біоценоз, баланс поживних елементів і показники врожайності.
Дигестат з біовугіллям і глауконітом — інноваційний органо-мінеральний композит для зменшення втрат поживних елементів, пролонгованого живлення рослин і підвищення родючості ґрунтів.
Деградація ґрунту та забруднення водойм дедалі більше зливаються в поєднану екологічну кризу, особливо в посушливих та постіндустріальних регіонах.
Вступ Серед перспективних та екологічно прийнятних методів відновлення навколишнього середовища пріоритет надається біологічним підходам (біоремедіація, фіторемедіація), тобто очищенню ґрунтів та води за допомогою специфічних природних…
