Для изучения мельчайшей структуры почвы обычно используют компьютерную томографию, которая позволяет заглянуть внутрь почвы, не разрушая ее. Однако разрешающая способность метода ограничена, поэтому исследователи МФТИ с коллегами применили сканирующую электронную микроскопию с фокусированным пучком ионов (FIB-SEM). В результате они различили в черноземе поры размером менее 1 микрометра, а также их форму и специфические органические компоненты. Работа выполнена при поддержке РНФ (грант №23-74-00061) и опубликована в журнале «Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение».
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 1 микрона, то есть на субмикронном разрешении.
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 1 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 4 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.
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант №23-74-00061).
Научная статья: Толстыгин К. Д., Романенко К. А., Коростылёв Е. В., Парочкин А. В., Скворцова Е. Б., Герке К. М. Метод сканирующей электронной микроскопии с фокусированным ионным пучком в почвоведении: новые подходы к анализу почвенной структуры. Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение. 2026. №1. DOI: https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2026-81-1-139-149
