Ученые ЮФУ совместно с коллегами из Института генетики и экспериментальной биологии растений Академии наук Республики Узбекистан улучшили биоуголь — природный материал, способный поглощать тяжелые металлы, — соединив его с наночастицами высокопористого железосодержащего металл-органического полимера. Новый материал в шесть раз эффективнее обычного биоугля переводит кадмий, свинец, медь и цинк в безопасные формы и тем самым не дает им попасть в растения и грунтовые воды из почвы. Технология поможет сделать восстановление загрязненных земель в промышленных регионах России более эффективным и доступным, предотвращая попадание токсичных элементов в живые организмы.
Вблизи заводов, электростанций, горнодобывающих и металлургических предприятий в почвы попадают тяжелые металлы — свинец, кадмий, медь, цинк и другие. Они не разлагаются в природе, а потому остаются в почве десятилетиями, попадают в растения и с грунтовыми водами переносятся в реки и озера. В итоге тяжелые металлы по пищевым цепям попадают в организм животных и человека, накапливаясь в органах и тканях. В больших количествах эти элементы приводят к поражению нервной ткани, почек, сердца и других органов, поэтому их содержание в окружающей среде важно контролировать и при необходимости очищать от них почву.
Один из дешевых и простых способов очистки — использование биоугля. Этот пористый углеродистый материал, который получают из растительных отходов (соломы, шелухи, лузги и других), устойчив к разложению и может сохраняться в почве от сотен до тысячи лет. Он хорошо поглощает и закрепляет тяжелые металлы, а потому не дает им поступать в грунтовые воды, растения и другие живые организмы. Однако для сильно загрязненных земель его возможностей часто оказывается недостаточно из-за небольшой площади поверхности, что ведет к большому расходу материала и снижает эффективность очистки.
Ученые из Южного федерального университета с коллегами из Института генетики и экспериментальной биологии растений Академии наук Республики Узбекистан (Узбекистан) улучшили способность биоугля поглощать загрязнители, покрыв его поверхность наночастицами железосодержащего металл-органического каркаса.
Биоуголь авторы получили из соломы пшеницы, нагревая ее без доступа кислорода до 700°C в течение 45 минут. Затем биоуголь смешали с порошком железа и органической кислотой, нагревали 20 часов при 120°С, в результате чего на его поверхности сформировались наночастицы металл-органического полимера. Исследователи изучили структуру полученного материала и выяснили, что за счет наночастиц площадь поверхности биоугля выросла в шесть раз. Это значит, что у композита появилось гораздо больше «рабочих зон» для связывания тяжелых металлов.
Ученые протестировали полученный сорбент в эксперименте с черноземами, загрязненными тяжелыми металлами. Спустя полгода после внесения сорбентов исследователи оценили, сколько в почвах осталось подвижных форм металлов — опасных, легко попадающих в грунтовые воды и растения, — а сколько перешло в прочно связанные, безопасные и практически не мигрирующие формы. Оказалось, что «улучшенный» биоуголь на 24–32% уменьшил количество подвижных форм кадмия, на 8–12% — свинца и на 7–11% меди и цинка. Это объясняется тем, что, когда металлы попадали в поры поглотителя, они прочно связывались с ними и не могли больше выйти наружу. Для сравнения, чистый биоуголь поглотил примерно вдвое меньше загрязнителей.
«Предложенный материал эффективен даже при низких дозировках — достаточно внести его в количестве 1-2% от массы почвы. Это делает технологию экономически выгоднее дорогостоящего снятия и вывоза грунта на полигоны. Разработка позволит эффективно восстанавливать почвы промышленных зон, городских территорий и сельскохозяйственных угодий. В дальнейшем мы будем работать над тем, чтобы адаптировать технологию под разные типы почв — от черноземов до песчаных грунтов, а также под различные климатические условия», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Татьяна Бауэр, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории «Агробиотехнологии для повышения плодородия почв и качества сельскохозяйственной продукции» ЮФУ.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management.
Читай свежие новости ЮФУ в МАКС