Микроорганизмы как нанотехнология для восстановления нарушенных почв

 

 

3. Барьеры на основе Fe(II)-силикатов

 Появился интерес к обогащенным  Fe(II) слоистым силикатам как активным редуктантам хромата. В присутствии Fe(II)-слоистых силикатов эффективность удаления из раствора хрома увеличивается. Редукция хромата с помощью Fe(II)-слоистых силикатов наиболее быстро развивается в кислой среде, где слоистые силикаты растворяются, при этом структурное Fe(II) переходит в раствор, редуцируя Cr(VI) до Cr(III). В нейтральной и щелочной средах Cr(VI) прямо реагирует с Fe(II)-смектитом, образуя осадок на его поверхности в виде оксида хрома. Способность глин редуцировать Cr(VI) коррелировала с содержанием в них Fe(II).Таким образом, грунты, содержащие железистые хлориты с преобладанием Fe(II), можно использовать в качестве активного компонента геохимических барьеров на пути движения загрязненных хромом вод. [5]

 

2. Нанотехнологии с применением биметаллов

Наночастицы железа также используются для разложения хлоорганических веществ из почвы и воды. Однако отмечают их невысокую стабильность. Они быстро окисляются и теряют свою работоспособность. Применение различных стабилизаторов резко ухудшает их эффективность, время разложения хлорорганических веществ составляет от 10 до 30 дней, требуются специальные устройства для введения наночастиц железа в почву, расход наночастиц становится очень высоким. Это сильно повышает стоимость очистки почвы, особенно когда необходима обработка больших площадей.

Экологическим предприятием "Grintek", занимающимся прикладными исследования в области нанотехнологий, разработана технология ремедиации почв с помощью наночастиц биметаллов, в которых используются дешевые, доступные и безвредные металлы. Для демонстрации эффективности метода в качестве хлорорганических соединений были выбраны пестициды линдан С6Н6Cl6 и тетрахлорэтен C2Cl4 . Наночастицы биметаллов имели размеры от 20 до 100 нм, средняя величина – 50 нм. Концентрация наночастиц биметаллов в суспензии составляла 100 мг/л. Исследовались растворы линдана с концентрацией 1 мг/л и тетрахлоэтена с концентрацией 0,1 мг/л. Суспензия наночастиц биметаллов добавлялась в раствор хлорорганических соединений из расчета 10:1 (биметалл: хлорорганическое соединение).  Концентрации хлорорганических соединений определяли с помощью метода газо-жидкостной хроматографии. Проводили дополнительные эксперименты с добавлением в раствор глины из расчета 5:1 (глина:раствор) по массе.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1 - Понижение концентрации хлорорганических веществ в растворе после введения наночастиц биметаллов (мг/л)

Вещество	0 минут	30 минут	1 час	10 часов	24 часа	48 часов
С6H6Cl6	1,0	0,81	0,65	0,12	0,05	<0,01
C2Cl4	0,1	0,075	0,058	0,02	<0,01	<0,01

 

Таблица 2 - Понижение концентрации хлорорганических веществ в растворе с глиной после введения наночастиц биметаллов (мг/л)

Вещество	0 минут	30 минут	1 час	10 часов	24 часа	48 часов
С6H6Cl6	1,0	0,84	0,70	0,15	0,06	<0,01
C2Cl4	0,1	0,079	0,062	0,03	<0,015	<0,01

 

Рис.1. Коллоидный раствор наночастиц биметаллов

 

Таким образом, практически полное разложение хлорорганических веществ наблюдалось через 48 часов. Наличие глины практически не оказывает влияния на процесс. В результате разложения хлорорганических веществ образуются безвредные хлор- ионы и газ  C2Н4.

Известен ряд методов восстановления шестивалентного хрома в загрязненных почвах и воде, однако они имеют низкую эффективность, особенно применительно к почвам с высоким рН. 

 

 

 

Основные преимущества данной технологии:

• технологический процесс получения биметаллов наночастиц является непрерывным, дешевым, высокопроизводительным (100 грамм в час и более) и неэнергоемким (1 Вт-час/1 грамм в час);
• в состав биметаллов входят дешевые и доступные химические элементы;
• в технологическом процессе изготовления биметаллов не используются химические стабилизаторы;
• время жизни наночастиц в приготовленных рабочих растворах не менее 20-30 суток;
• малые размеры наночастиц – 5-10 нм;
• сравнительно высокая скорость взаимодействия наночастиц с хлорорганическими веществами – снижение концентрации в 50 - 100 раз за  24-48 часов;
• наночастицы не взаимодействуют с основными компонентами почв, что обеспечивает их миграцию на сравнительно большие расстояния (20-30 м) вместе с грунтовыми водами; в почве образуются нерастворимые в воде агломераты, которые дальше не переносятся грунтовыми водами;
• наночастицы сохраняют работоспособность при рН почв и грунтовых растворов  в широком диапазоне, вплоть  до значения 10,2;
• результатом взаимодействия наночастиц с хлоорганическими веществами являются безвредные хлор- ионы и газ  C2Н4;
• результатом взаимодействия наночастиц с шестивалентным хромом является нерастворимое в воде соединение трехвалентного хрома с одним из компонентов биметалла FeO·Cr2O3;
• концентрация Cr6+ в почве понижается от 10 мг/кг до < 0,01 мг/кг в течение 4 часов при добавлении в нее коллоидного раствора наночастиц из расчета 10:1 (биметалл: Cr6+). [7]

 

3. Нанопузыри в борьбе с радиационным загрязнением почв

Японские специалисты из университета Киото, которые занимаются изучением технологий нейтрализации радиации, разработали необычный метод борьбы с загрязнением почвы.

Они изобрели «умные» нанопузыри, способные очищать грунт от радиоактивных частиц.

Первоначально был проведен пробный тест недалеко от аварийной АЭС «Фукусима» с применением специальных нанопузырей. Результаты показали, что специалисты смогли на 90% очистить окружающую почву от страшнейших загрязнений. Исследователи провели очистку с использованием необычной жидкости с высокой концентрацией микроскопических пузырей. Выглядит это примерно так: нанопузырьки создают „вихревой поток“, собирающий и уносящий радиоактивные частицы.

Отметим, что на сегодняшний день технологий, которые позволили бы отделить радиоактивные частицы цезия от почвы, не существует. Судя по полученным результатам, японские ученые настроены крайне решительно и будут продолжать свои исследования для того, чтобы доказать эффективность своего метода. [8]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Органические вещества в рекультивации земель

1. Гуминовые вещества – органические наночастицы

Как было отмечено ранее, особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения. К последним, можно отнести гуминовые вещества, природные нанообъекты, для которых размер имеет определяющее значение: в зависимости от размера ассоциата меняются его химико-физические свойства.

Что же представляют из себя гуминовые вещества?

В настоящее время предложено «системное» определение: «Гуминовые вещества – это сложные системы природных неоргано-органических соединений, кинетически устойчивых к биоразложению, образующихся в результате вторичного синтеза путем самоорганизации в молекулярные ансамбли с высокой степенью неупорядоченности структуры и полидисперсности молекулярных масс».

Согласно этому определению, гуминовые вещества — это не простая смесь индивидуальных соединений, а система взаимодействующих между собой веществ. Согласно современным воззрениям, такие системы получили название супрамолекулярных, так как им присуще формирование молекулярных ансамблей с новыми свойствами, не характерными для индивидуальных компонентов. Поэтому определение гуминовых веществ с позиций супрамолекулярной химии могло бы выглядеть так: гуминовые вещества это полимолекулярная система, организованная в супрамолекулярные ансамбли в результате спонтанной ассоциации продуктов разложения биомолекул различной химической природы и компонентов косной среды, за счет которой обеспечивается специфический переход в состояние устойчивости к биоразложению и существование в виде неоргано-органических фаз с различной степенью нано-  и микроорганизации. Тем самым гуминовые вещества представляют собой типичные природные нанообъекты. Следовательно их применение в рекультивации земель можно отнести к нанотехнологиям.

1. Строение гуминовых веществ

Основными элементами, образующими молекулы гуминовых веществ, являются углерод, водород и кислород, азот и сера содержатся на уровне 1-5%, обязательной составной частью являются микроэлементы и вода. Брутто-формулу ГФК можно записать в общем виде следующим образом:

CxHyNzOpSqMr (Al2O3)l (SiO2)m (H2O)n,

где М – ионы металлов,

x, y, z, p, q, l, m, n – стехиометрические  коэффициенты.

Формула гипотетического структурного фрагмента ГК почв,  приведена на рис. 2. Данная формула наиболее полно отражает как стохастический характер строения ГВ, так и набор возможных структурных фрагментов, входящих в их состав.

 

Рисунок 2. Формула гипотетического структурного фрагмента ГК почв

 

Наличие в молекулах гуминовых веществ ароматического каркаса, высоко замещенного функциональными группами, обуславливает их способность вступать в реакции окисления-восстановления и комплексообразования.

Как следствие, ГВ определяют формы существования редокс-активных металлов и органических соединений в окружающей среде, связывают их в комплексы, снижая миграционную способность в окружающей среде и биодоступность для живых организмов.

Гуминовые вещества подразделяют на три составляющих: гумин – неизвлекаемый остаток, не растворимый ни в щелочах, ни в кислотах; гуминовые кислоты – фракция, растворимая в щелочах и нерастворимая в кислотах (при рН<2); фульвокислоты – фракция, растворимая и в щелочах, и в кислотах. Гуминовые и фульвокислоты, взятые вместе, называют «гумусовыми кислотами». Это наиболее подвижная и реакционноспособная компонента гуминовых веществ, активно участвующая в природных химических процессах.

Благодаря сложности строения, гуминовые вещества занимают одну из самых высоких ступенек в иерархии строения органических веществ. В этом они превосходят даже нефти, лигнины и угли. Как следствие, чрезвычайно широк и спектр реакций, в которые могут вступать гуминовые вещества. Они способны связывать различные классы экотоксикантов, образуя комплексы с металлами и с различными классами органических веществ. Тем самым они выполняют функцию своеобразных посредников, смягчающих действие загрязнений на живые организмы.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Применение гуминовых веществ

Сейчас гуминовые вещества используются, главным образом, в качестве регуляторов роста или микроудобрений. В отличие от аналогичных синтетических препаратов, гуминовые препараты не только влияют на обмен веществ растений. При систематическом их использовании улучшается структура почвы, ее буферные и ионообменные свойства, становятся активнее почвенные микроорганизмы. Особого внимания заслуживают адаптогенные свойства гуминовых веществ: ведь они связывают радионуклиды, ионы тяжелых металлов, разрушают пестициды, облегчая и ускоряя детоксикацию растений. Гуминовые препараты повышают способность растений противостоять болезням, засухе, переувлажнению, переносить повышенные дозы солей азота в почве. Преимущества гуминовых препаратов заключаются также в том, что они повышают усваивание питательных веществ, а значит, нужно меньше минеральных удобрений без ущерба для урожая.

В последнее время перспективными считают органоминеральные микроудобрения, содержащие гуматы калия и/или натрия с добавкой Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, Co и B в хелатной форме. Особенно они хороши на карбонатных почвах, где, несмотря на высокие концентрации микроэлементов, содержание их в доступной для растений форме невелико. Надо сказать, что обычно для этих же целей применяют микроудобрения на основе синтетических лигандов (ЭДТА, ДТПА, ЭДДГА). Они эффективны, но в их промышленном производстве используют и монохлоруксусную кислоту, и этилендиамин, получаемые из хлорированных углеводородов. Конечно, такое производство небезопасно для человека и окружающей среды. Кроме того, если регулярно вносить удобрения с синтетическими лигандами, то они накапливаются в почве, а это ухудшает ее свойства. Поэтому создание и использование удобрений на основе гуминовых препаратов куда более безопасно.

Гуминовые вещества пытаются применять для очистки и рекультивации территорий, загрязненных органическими веществами и нефтепродуктами, а также тяжелыми металлами. За рубежом уже разработаны и используются твердые сорбенты на основе гуминовых веществ. [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Препарат «Гумат»

Так, например, Кемеровским технологическим институтом пищевой промышленности разработан препарат, способный перерабатывать загрязнения почвы такие, как фосфаты, тяжелые металлы и многое другое, в удобрения.

 Препарат «Гумат» недавно получил государственный документ о регистрации. В основе препарата обработанные наносеребром гуматы - вещества, представляющие консорциум микроорганизмов (бактерий), которые способны разлагать вещества до микроэлементов. Созданный состав препарата, как говорят ученые, способен «бороться» с загрязнениями почвы - фосфатами и тяжелыми металлами, перерабатывая их. [9]

 

2.   Малообъемные препараты-адаптогены в рекультивации земель сельскохозяйственного значения

Южный Казахстан является уязвимым регионом по засолению почв. 202,6 тыс. га сельскохозяйственных угодий Южно-Казахстанской области подвержены различной степени засоления. При этом 14,2% принято считать сильнозасоленными землями, 70,4% – среднезасоленными и 15,4% относятся к категории слабозасоленных.

Межхозяйственные и внутрихозяйственные оросительные и коллекторно-дренажные сети сегодня зачастую не соответствуют проектным нормам, что привело к интенсивному развитию вторичного засоления почв и подъему уровня и минерализации грунтовых вод. Из-за этого произошло значительное ухудшение почвенно-мелиоративных условий орошаемых массивов, и, как следствие, в почвах зоны орошаемого земледелия области произошло снижение их плодородия и продуктивности. Ученые говорят о снижении гумуса – плодородного слоя – до 40% и более.