Метод сканирующей электронной микроскопии с фокусированным ионным пучком в почвоведении: новые подходы к анализу почвенной структуры

Аннотация

В работе рассмотрено применение технологии фокусированного ионного пучка, совмещённого со сканирующей электронной микроскопией (FIB-SEM), для исследования субмикронной структуры почвенных агрегатов. Объектом исследования выступил миграционно-мицеллярный чернозём из Центрально-Черноземного заповедника. Сравнительный анализ проводился между изображениями, полученными методами FIB-SEM и рентгеновской компьютерной томографии. В работе изучен вопрос, могут ли исследования с использованием FIB-SEM дополнить исследования, выполненные с применением только компьютерной томографии. FIB-SEM продемонстрировал возможность определения пор радиусом менее 1 мкм, недоступных для томографии, а также выявления органических включений и специфических морфотипов пор (трещиновидные, вытянутые изрезанные), что отражает физико-химические процессы в наномасштабе, то есть масштабе пор в области менее микрона. Однако ограниченное поле зрения и высокая трудоёмкость сегментации снижают репрезентативность метода. Полученные результаты подтверждают применимость FIB-SEM как дополнения к традиционной томографии при изучении структуры почв, открывая перспективы для анализа органического вещества и уточнения механизмов структурообразования на субмикронном уровне.

Литература

1.    Абросимов К.Н. и др. Томография в почвоведении: от первых опытов к современным методам (обзор) // Почвоведение. 2021. Т. 55, № 9. С. 1097–1112. https://doi.org/10.31857/S0032180X21090021
2.    Герке К.М., Скворцова Е.Б., Корост Д.В. Томографический метод исследования порового пространства почв: состояние проблемы и изучение некоторых почв России // Почвоведение. 2012. № 7. С. 781–781.
3.    Иванов А.Л., Шеин Е.В., Скворцова Е.Б. Томография порового пространства почв: от морфологической характеристики к структурно-функциональным оценкам // Почвоведение. 2019. № 1. С. 61–69. https://doi.org/10.1134/S0032180X19010064
4.    Полевой определитель почв. М., 2008. 182 с.
5.    Романенко К.А., Абросимов К.Н., Курчатова А.Н. и др. Опыт применения рентгеновской компьютерной томографии в исследовании микростроения мерзлых пород и почв // Криосфера Земли. 2017. Т. 21, № 4. С. 75–81. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2017-4(75-81)
6.    Скворцова Е.Б. и др. Влияние многократного замораживания-оттаивания на микроструктуру агрегатов дерново-подзолистой почвы (микротомографический анализ) // Почвоведение. 2018. № 2. С. 187–196. https://doi.org/10.7868/S0032180X18020065
7.    Скворцова Е.Б. и др. Микротомографический метод изучения и оценки почвенной структуры // В сб.: Новые методы и результаты исследований ландшафтов в Европе, Центральной Азии и Сибири. 2018. С. 84–89. https://doi.org/10.25680/1044.2018.79.91.114
8.    Скворцова Е.Б. Строение порового пространства естественных и антропогенноизмененных почв: Дис. … д-ра с.-х. наук. М., 1999. 397 с.
9.    Толстыгин К.Д., Фомин Д.С., Юдина А.В. и др. Анализ гидрофизических свойств почв с использованием поросетевых моделей // Бюлл. Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2025. Т. 123. С. 30–64. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2025-123-30-64
10.    Фомин Д.С., Валдес-Коровкин И.А., Голуб А.П. и др. Оптимизация анализа агрегатного состава почв методом автоматического рассева // Бюлл. Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2019. № 96. С. 149–177. https://doi.org/10.19047/0136-1694-2019-96-149-177
11.    Шеин Е.В. Курс физики почв: Учебник. М., 2005. 432 с.
12.    Abràmoff M.D., Magalhães P.J., Ram S.J. Image processing with ImageJ // Biophotonics International. 2004. Vol. 11, № 7. P. 36–42.
13.    Andrew M. A quantified study of segmentation techniques on synthetic geological XRM and FIB-SEM images // Computational Geosciences. 2018. Vol. 22, № 6. P. 1503–1512. https://doi.org/10.1007/s10596-018-9768-y
14.    Arachchige P.S.P., Hettiarachchi G.M., Rice C.W. et al. Sub-micron level investigation reveals the inaccessibility of stabilized carbon in soil microaggregates // Scientific Reports. 2018. Vol. 8, № 1. P. 16810. https://doi.org/10.1038/s41598-018-34981-9
15.    FitzPatrick E.A. Soil Microscopy and Micromorphology. Chichester, 1993. Т. 158. Vol. 16.
16.    Fomin D.S., Yudina A.V., Romanenko K.A. et al. Soil pore structure dynamics under steady-state wetting-drying cycle // Geoderma. 2023. Vol. 432. P. 116401. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116401
17.    Gao W., Schlüter S., Blaser S.R. et al. A shape-based method for automatic and rapid segmentation of roots in soil from X-ray computed tomography images: Rootine // Plant and Soil. 2019. Vol. 441. P. 643–655. https://doi.org/10.1007/s11104-019-04053-6
18.    Gerke K.M., Korostilev E.V., Romanenko K.A. et al. Going submicron in the precise analysis of soil structure: A FIB-SEM imaging study at nanoscale // Geoderma. 2021. Vol. 383. P. 114739. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114739
19.    Gerke K.M., Vasilyev R.V., Korost D.V. et al. D Determining physical properties of unconventional reservoir rocks: from laboratory methods to pore-scale modeling // SPE Asia Pacific Unconventional Resources Conference and Exhibition. SPE, 2013. Paper SPE-167058-MS. https://doi.org/10.2118/167058-MS
20.    Groeber M.A., Haley B.K., Uchic M.D. et al. 3D reconstruction and characterization of polycrystalline microstructures using a FIB–SEM system // Materials Characterization. 2006. Vol. 57, № 4–5. P. 259–273.
21.    Gui-Yuan L.I., Hao-Ming F.A.N. Effect of freeze-thaw on water stability of aggregates in a black soil of Northeast China // Pedosphere. 2014. Vol. 24, № 2. P. 285–290. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(14)60015-1
22.    Hashemi M.A., Khaddour G., François B. et al. A tomographic imagery segmentation methodology for three-phase geomaterials based on simultaneous region growing // Acta Geotechnica. 2014. 9. P. 831–846. https://doi.org/10.1007/s11440-013-0289-5
23.    Karsanina M.V., Gerke K.M., Skvortsova E.B. et al. Universal spatial correlation functions for describing and reconstructing soil microstructure // PLoS One. 2015. Vol. 10, № 5. Paper e0126515. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0126515
24.    Kelly S., El-Sobky H., Torres-Verdín C. et al. Assessing the utility of FIB-SEM images for shale digital rock physics // Advances in Water Resources. 2016. Vol. 95. P. 302–316. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2015.06.010
25.    Kizilyaprak C. et al. FIB-SEM tomography in biology // Electron microscopy: methods and protocols. Totowa, NJ, 2013. P. 541–558. https://doi.org/10.1007/978-1-62703-776-1_24
26.    Kravchenko A.N., Guber A.K. Soil pores and their contributions to soil carbon processes // Geoderma. 2017. Vol. 287. P. 31–39. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2016.06.027
27.    Lastoskie C., Gubbins K.E., Quirke N. Pore size distribution analysis of microporous carbons: a density functional theory approach // The Journal of Physical Chemistry. 1993. Vol. 97, № 18. P. 4786–4796. https://doi.org/10.1021/j100120a035
28.    Lavrukhin E.V., Gerke K.M., Romanenko K.A. et al. Assessing the fidelity of neural network-based segmentation of soil XCT images based on pore-scale modelling of saturated flow properties // Soil and Tillage Research. 2021. Vol. 209. Paper 104942. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.104942
29.    Li L., Wen K., Li C. et al. FIB/SEM imaging of microbial induced calcite precipitation in sandy soil // Microscopy and Microanalysis. 2017. Vol. 23, № S1. P. 310–311.
30.    Li Y., Dick W.A., Tuovinen O.H. Fluorescence microscopy for visualization of soil microorganisms—a review // Biology and fertility of soils. 2004. Vol. 39. P. 301–311. https://doi.org/10.1007/s00374-004-0722-x
31.    Liu S., Qi X., Han C. et al. Novel nano-submicron mineral-based soil conditioner for sustainable agricultural development // Journal of Cleaner Production. 2017. Vol. 149. P. 896–903. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.02.155
32.    Milani M., Drobne D., Tatti F. How to study biological samples by FIB/SEM // Modern Research and Educational Topics in Microscopy. 2007. Vol. 2. P. 787–794.
33.    Miranda-Velez J.F., Leuther F., Koehne J.M. et al. Effects of freeze-thaw cycles on soil structure under different tillage and plant cover management practices // Soil and Tillage Research. 2023. Vol. 225. Paper 105540. https://doi.org/10.1016/j.still.2022.105540
34.    Mitchell R.L., Davies P., Kenrick P. et al. Correlative Microscopy: a tool for understanding soil weathering in modern analogues of early terrestrial biospheres // Scientific Reports. 2021. Vol. 11, № 1. Paper 12736. https://doi.org/10.1038/s41598-021-92184-1
35.    Nan N., Wang J. FIB‐SEM three‐dimensional tomography for characterization of carbon‐based materials // Advances in Materials Science and Engineering. 2019. Т. 2019, № 1. P. 8680715. https://doi.org/10.1155/2019/8680715
36.    Sleutel S., Cnudde V., Masschaele B. et al. Comparison of different nano-and micro-focus X-ray computed tomography set-ups for the visualization of the soil microstructure and soil organic matter // Computers & Geosciences. 2008. Vol. 34, № 8. P. 931–938. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2007.10.006
37.    Vogel C., Mueller C.W., Höschen C. et al. Submicron structures provide preferential spots for carbon and nitrogen sequestration in soils // Nature Communications. 2014. Vol. 5, № 1. P. 2947.
38.    Vogel H.J., Balseiro‐Romero M., Kravchenko A. et al. A holistic perspective on soil architecture is needed as a key to soil functions // European Journal of Soil Science. 2022. Vol. 73, № 1. P. e13152. https://doi.org/10.1038/ncomms3947
39.    Voltolini M., Taş N., Wang S. et al. Quantitative characterization of soil micro-aggregates: New opportunities from sub-micron resolution synchrotron X-ray microtomography // Geoderma. 2017. Vol. 305. P. 382–393. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.06.005
40.    Wang W., Kravchenko A.N., Smucker A.J.M. et al. Comparison of image segmentation methods in simulated 2D and 3D microtomographic images of soil aggregates // Geoderma. 2011. Vol. 162, № 3–4. P. 231–241. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2011.01.006
41.    Watteau F., Villemin G. Soil microstructures examined through transmission electron microscopy reveal soil-microorganisms interactions // Frontiers in Environmental Science. 2018. Vol. 6. P. 106. https://doi.org/10.3389/fenvs.2018.00106
42.    Wen K., Li L., Zhang R. et al. Micro-scale analysis of microbial-induced calcite precipitation in sandy soil through SEM/FIB imaging // Microscopy Today. 2019. Vol. 27, № 1. Р. 24–29. https://doi.org/10.1017/S1551929518001293
43.    Xu C.S., Hayworth K.J., Lu Z. et al. Enhanced FIB-SEM systems for large-volume 3D imaging // LIFE. 2017. Vol. 6. Paper e25916. https://doi.org/10.7554/eLife.25916
44.    Yudina A., Kuzyakov Y. Dual nature of soil structure: The unity of aggregates and pores // Geoderma. 2023. Vol. 434. Paper 116478. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116478
45.    Zheng J., Hryciw R.D. Segmentation of contacting soil particles in images by modified watershed analysis // Computers and Geotechnics. 2016. Vol. 73. P. 142–152. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2015.11.025