Микроорганизмы как нанотехнология для восстановления нарушенных почв

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………… …….. ……4

1. Неорганические нанотехнологии в рекультивации земель………………….6
1. Нанотехнологии с применением железа…………………………………. ……7
1. Геохимические барьеры на основе железа……………………………………8
1. Искусственные барьеры на основе Fe(0)……………………………………8
2. Барьеры на основе сульфидов железа……………………………………...10
3. Барьеры на основе Fe(II)-силикатов………………………………………..11
2. Нанотехнологии с применением биметаллов………………………………..12
3. Нанопузыри в борьбе с радиационным загрязнением почв…………….. …..15
2. Органические вещества в рекультивации земель……………………………16
1. Гуминовые вещества – органические наночастицы………………………….16
1. Строение гуминовых веществ…………………………………………………17
2. Применение гуминовых веществ……………………………………………...19
1. Препарат «Гумат»………………………………………………………….21
2. Малообъемные препараты-адаптогены в рекультивации земель сельскохозяйственного значения………………………………………..……… …..22
3. «Лигногумат»  – натриевые и калийные гуматы…………………………..24
4. Гуминовые кислоты – сорбенты тяжелых металлов………………………26
3. Модификация гуминовых веществ для получения препаратов с заданными свойствами…………………………………………………………………………….31
1. Модификация ГК с наночастицами железа………………………………..33
2. Физико-химическая обработка гуминовых веществ………………………34
2. Микроорганизмы как нанотехнология для восстановления нарушенных почв………………………………………………………………………………. …..36
1. Нефтепоглощающие бактерии………………………………………………...36
2. Биоремидиация почв, загрязненных ураном…………………………………38
3. Биоорганическое удобрение Feranat L в восстановлении плодородия земель……………………………………………………………………………… …..40

Заключение…………………………………………………………………………….42 

Список литературы…………………………………………………………………..44

 

 

Введение

 Термин «нанотехнология» придумал и ввел в обиход профессор Токийского научного университета Норио Танигучи в 1974 г. По мнению Танигучи, нанотехнология включает обработку, разделение, объединение и деформацию отдельных атомов и молекул вещества, при этом размер наномеханизма не должен превышать одного микрона, или тысячи нанометров.

В настоящее время под термином «нанотехнология» подразумевают совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы макромасштаба. [1]

На территории Российской Федерации понятие нанотехнологий установлено в ГОСТ Р 55416-2013 «Нанотехнологии. Часть 1. Основные термины и определения».

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты. [2]

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей.

Особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения. [3]

К сожалению, мир нанотехнологий сегодня до конца не изучен. Исследования же и разработки ведутся во многих областях, среди которых можно выделить охрану и восстановление свойств почв.  Ниже представлены различные модификации таких технологий, непосредственно применяемых в рекультивации земель.

 

1. Неорганические нанотехнологии в рекультивации земель

Рекультивация - комплекс мер по экологическому и экономическому восстановлению земель и водоёмов, плодородие которых в результате человеческой деятельности существенно снизилось. Целью проведения рекультивации является улучшение условий окружающей среды, восстановление продуктивности нарушенных земель и водоёмов.

Работы по рекультивации обычно имеют два основных этапа — технический и биологический. На техническом этапе проводится корректировка ландшафта (засыпка рвов, траншей, ям, впадин, провалов грунта, разравнивание и террасирование промышленных терриконов), создаются гидротехнические и мелиоративные сооружения, осуществляется захоронение токсичных отходов, производится нанесение плодородного слоя почвы. На биологическом этапе проводятся агротехнические работы, целью которых является улучшение свойств почвы. [4]

Биологическая рекультивация подразумевает использование различных технологий и методов, позволяющих вернуть плодородие почв, полностью возобновить почвенную флору и фауну. Неорганические нанотехнологии занимают свою нишу в данной области. Их отличает высокая степень очистки, простота в применении, низкая токсичность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Нанотехнологии с применением железа

Железо в разных формах его проявления является активным элементом в закреплении тяжелых металлов. Не удивительно, что предпринимаются усилия для использования его свойств в искусственном закреплении поллютантов. Сегодня для фиксации тяжелых металлов в загрязненных почвах и осадках широко применяют железосодержащие отходы, природные Fe-минералы (сульфиды) и металлическое железо. [5]

Металлические наночастицы все чаще используются в различных отраслях промышленности. Частицы наноразмерного моно- или биметалла могут быть либо нанесенными на соответствующую матрицу (полимер, углерод, оксид металла, цеолит и т.д.),  либо применяться в виде свободных (голых) форм.

Наночастицы железа способны разрушать различные хлорсодержащие канцерогены, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), ДДТ, линдан и практически все хлорированные органические растворители. Изучены также каталитические эффекты поверхности наночастиц железа. Наночастицы металлического железа и его оксида способны извлекать тяжелые металлы (Hg, Cu, Cr), мышьяк и нитраты из почвы и воды.

При изучении возможности использования металлических наночастиц в области охраны окружающей среды для реабилитации почвы и водных ресурсов, загрязненных экотоксикантами, такими как хлорированные органические соединения, поднимается вопрос о характере воздействия материалов на биоценоз экосистемы, которая находится в контакте с нанотехнологиями.

Токсическое действие наночастиц металлов и продуктов их реакции с токсичными органическими соединениями должны быть устранены или сведены к нулю, если это возможно. Низкая токсичность наноматериалов на основе железа, применяемых в области охраны окружающей среды была продемонстрирована для ряда гидробионтов (Daphnia, водоросли, мидии). [6]

1. Геохимические барьеры на основе железа
1. Искусственные барьеры на основе Fe(0)

Ремидиационные геохимические барьеры широко применяют для очистки загрязненных вод. При этом искусственные барьеры часто формируются из веществ, не характерных для природной обстановки. Для закрепления токсических элементов с переменной степенью окисления активно применяют сильные редокс-барьеры. Искусственные барьеры эффективны при химическом сродстве реактива к поллютанту и могут быть успешны при соблюдении ряда условий: 1) реактив должен образовывать нерастворимый осадок из металлов-поллютантов или обеспечивать их прочную сорбцию; 2) барьер должен сохранять работоспособность долгое время; 3) реактив должен быть доступным и дешевым.

В качестве реактивов для усиления действия ремедиации применяют вещества, не характерные для почв. Для задержания мигрирующих с грунтовой водой тяжелых металлов и металлоидов используют смеси песка, глины и тонко измельченного железного лома (несколько процентов), которые помещаются в траншею, вырытую перпендикулярно движению загрязненного потока.

Металлическое железо Fe(0) резко усиливает действие барьера по сравнению с природными Fe-соединениями.

Чаще всего такие геохимические барьеры устраивают для очистки почвенно-грунтовых вод от хрома, мышьяка и цинка. За счет коррозии металлического железа и образования новых минералов эффективность барьера может снижаться. Со временем на барьере иногда образуются менее активные Fe-минералы, возможно также закупоривание порового пространство барьера и уменьшение фильтрации загрязненной воды.

Один из удачных искусственных барьеров сооружен вблизи г. Элизабет в штате Северная Каролина, США в 1996 г. для очистки перед попаданием в реку грунтовой воды, загрязненной шестивалентным хромом. В течение всех 8 лет наблюдений барьер работал очень эффективно, снижая концентрацию хрома в воде от ~1500 до менее 1 мг/л. На барьере образовалось множество вторичных минералов, в том числе за счет коррозии частиц Fe(0). Среди них кальцит-арагонит, карбонат железа, магнетит, лепидокрокит, макинавит. Эти новообразованные минералы железа обладают высокой сорбционной емкостью и очищают воду от хрома не хуже исходного металлического железа. Хром(VI) в барьере редуцировался до Cr(III) и частично ассоциировался с зернами сульфида железа. В среднем за год в барьере накапливается 4,1 кг Cr, а за 8 лет его работы закрепилось 33 кг Cr.

Во многих Fe(0)-барьерах в ходе эксплуатации образуется высокоактивный грин раст – неустойчивое Fe(II) соединение. Грин раст участвует в закреплении Cr. Доказано проникновение хромата вглубь межслоевого пространства сульфатного грин раста с последующей трансформацией рентгеноаморфного соединения в устойчивый окристаллизованный хромогетит Cr-αFeOOH. Известно, что поллютанты гораздо прочнее закрепляются в форме твердых растворов в составе слаборастворимых минералов, чем в адсорбированной форме на поверхности частиц. Гетит – слаборастворимый гидроксид, а замещение Fe3+ на Cr3+ еще сильнее снижает его растворимость. Если концентрация Cr(VI) высока и превышает стехиометрический предел, определенный долей Fe2+ в грин расте, то формируются слабоокристаллизованные Cr(III)-Fe(III) фазы, менее прочно закрепляющие хром.

В последние годы в качестве активного сорбента используют нанометровые частицы Fe(0), которые в отличие микронных, имеют более высокую эффективность. Так, наночастицы металлического железа с удельной поверхностью 24 м2/г при исходной концентрации As(V) в 1 мг/л сорбировали весь мышьяк всего за 10 мин, тогда как сорбция мышьяка микрочастицами железа с удельной поверхностью 1–2 м2/г полностью заканчивалась только через 4 сут. При этом, благодаря ультравысокой дисперсности частиц, водопроницаемость барьера снижается, и он представляет собой уже не проницаемый, а коллоидный реакционный барьер. Хотя в ходе его эксплуатации частицы Fe(0) корродируют, но это не сказывается на его долговечности, так как новообразованные минералы железа обладают высокой реакционной способностью.

2. Барьеры на основе сульфидов железа

В этом случае восстановителем служит Fe(II), что используется для редукции хрома (VI). Сульфиды железа стоят дешево; это определяет экономичность геохимического барьера. Один из изученных сульфидов – пирротин FeS. Удаление токсичного Cr(VI) включает ряд последовательно идущих процессов: адсорбцию Cr (VI) в форме Cr2О72- или CrО42- на поверхности пирротина, редукцию адсорбированного Cr (VI) до Cr (III), катализируемую сульфидом, и, наконец, осаждение Cr (III) в виде осадков Cr2S3, Cr2О3 и Cr(ОН)3. Для этих реакций благоприятны следующие условия. Пирротин должен быть тонко помолот (до частиц размером ~150 мкм), а среда должна быть слабокислой. Эффективность пиротина связана с тем, что одна его молекула обеспечивает 8 электронов для редукции Cr(VI) до Cr(III).

Кроме пирротина редукционное действие оказывает на хром (VI) пирит FeS2. Пирит – наиболее распространенная форма сульфидов в земной коре. В окислительной среде геохимического барьера пирит растворяется. Выветривание пирита – это сложная комбинация процессов окисления и растворения. Кроме того, пирит очень чувствителен к микробной редукции, которая значительно ускоряет его растворение. Пирит и другие сульфиды действуют как редуктанты на анионы тяжелых металлов, включая Cr(VI).

Показана высокая степень очистки воды от хрома, изучен состав продуктов реакции в разных условиях среды. При редукции Cr(VI) с участием железосодержащих частиц установлено образование твердых растворов «хром-Fe3+. В зависимости от условий развития процесса возможно образование либо Cr(III)-гидроксидов, содержащих железо, либо хоромогетита Cr-αFeOOH, либо хромзамещенного гематита Fe2-xCrxO3, где х варьирует от 0.2 до 1.5.

Учитывая высокую окристаллизованность гематита и гетита, можно считать, что хром депонирован в них очень прочно.