Микроорганизмы как нанотехнология для восстановления нарушенных почв

Для решения данной проблемы учеными разработаны инновационные агромелиоративные приемы повышения почвенного плодородия и продуктивности сельскохозяйственных культур. Эта технология может применяться во всех районах и под все сельскохозяйственные культуры.

Для практического использования энергоинформационных агротехнологий изобретены малообъемные препараты-адаптогены (ПА), не имеющие аналогов в аграрной науке. ПА – образец наноагротехнологий, получающий все более широкое распространение в сельхозпроизводстве. Препараты-адаптогены апробированы на массивах рисовых полей в Алматинской области. Авторские разработки защищены двумя патентами Республики Казахстан.

Препараты-адаптогены получают из бурых углей месторождений Ой-Карагай и Киякты, дикорастущих лекарственных растений Казахстана и других веществ специального ингредиентного состава. Весной в период закладки полевых опытов семена кукурузы сорта «пионер» были обработаны препаратом-адаптогеном С-1–1 и гомеопатическим препаратом П-1.

Такая обработка растений ПА позволяет вводить в почвенный оборот деградированные сельскохозяйственные угодья. Препарат повышает биоэнергетику семян и растений в период раннего развития в 2–3 раза по сравнению с контрольным посевом на участке без применения новых технологий. Дополнительный энергетический потенциал, полученный семенами на стадии предпосевной обработки, является основой для повышения экологической устойчивости и урожайности сельхозкультур на низкопродуктивных землях.

Допустимые уровни засоления почв для обработанных ПА семян в 9–11 раз выше по сравнению с необработанными. Ученые акцентировали внимание земледельцев на том, что гуминовые препараты-адаптогены не являются источником минерального питания и не заменяют его, а лишь повышают коэффициент использования питательных веществ из почв и вносимых удобрений. Поэтому применять их надо в смеси с минеральными удобрениями или на их фоне.

Имеется 39 модификаций адаптогенов, пригодных для обработки зерновых, овощных, плодово-ягодных и прочих культур, которые ускоряют созревание зерновых, зернобобовых, кормовых, масличных, технических, бахчевых, плодово-ягодных, овощных культур открытого и защищенного грунта на 7–15 суток, увеличивая урожайность в среднем на 20–65%. [10]

 

3. «Лигногумат»  – натриевые и калийные гуматы

Еще одним препаратом на основе гуминовых веществ является продукт «Лингогумат», выпускаемый в Санкт-Петербурге. Данные полисинтетические наноразмерные гуминовые вещества получают из отходов целлюлозной промышленности.

Эти "зеленые» технологии имеют широкий спектр применения. Так, например, они используются как рост-стимулирующие агенты в агрономии. Также «Лигногумат» способствует активизации почвенных микробиологических сообществ, что приводит к усилению процессов очищения почвы от антропогенных загрязнений. При этом максимальной эффективностью обладает применение Лигногумата в сочетании с биопрепаратами. Лигногумат увеличивает сроки хранения биопрепаратов и приводит к синергизму эффективности их применения. [11]

В 2004 году под руководством компании Экопром было проведено тестирование комбинированного продукта – BAC + Лингогумат для очистки почвы от нефти.

Нефть и нефтепродукты в почве разлагаются, непосредственно под действием самих живых организмов, которые являются частью биологического компонента ВАС, так и благодаря стимуляции местной флоры.

Опыт показал, что такое комплексное сочетание гуминовых веществ и биологической составляющей может значительно уменьшить нефтяное загрязнение почвы, стимулируя функции естественного грунта. Скорость разложения нефти в почве под воздействием комплексного препарата возрастает на 25-35%.

Доказано, что бинарная смесь препаратов для одного вегетационного сезона существенно снижает нефтяное загрязнение почвы (масла - от 100 мг/г до 0,15 мг/г почвы).

Данный препарат содержит в своем составе бактерии - нефтедеструкторы вида Rhodococcus и Acinetobacter. Лигногумат же ускоряет рост и развитие микробной составляющей, причем действие его однонаправленно – активизирует бакетрии-нефтедеструкторы.

Таким образом, использование смеси продуктов при минимальном негативном воздействим на окружающую среду может вернуть в пользование большие участки земель, имея при этом относительно низкую себестоимость.

Время восстановления почвы в этом случае уменьшается в 3-4 раза в сравнении с аналогами. [12]

Существует много вопросов, связанных с их структурой, составом и биологической активностью.

Были изучены Масс-Спектры (EI, 70 эВ), 13С (150 МГц) и 1H (600 МГц) ЯМР спектры препарата и его фракций и были сделаны следующие выводы:

13С и 1Н ЯМР-спектры «Лигногумата» более информативны, чем аналогичные спектры  гуминовых веществ, производимых из угля, торфа и почвы. Это объясняется существованием низкомолекулярных компонентов в их структуре.

Полученные данные могут быть успешно использованы для экспресс-диагностики активности конечных наноудобрений. [11]

 

 

 

 

 

 

 

4. Гуминовые кислоты – сорбенты тяжелых металлов

Еще одним ярким примером доказательства свойств гуминовых веществ может служить эксперимент, проведенный группой ученых из  Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН (г. Архангельск) по изучению влияния условий процесса сорбции (рН и ионная сила) на сорбционные свойства гуминовых кислот (ГК) по отношению к ионам тяжелых металлов Cd2+ и Pb2+.

Исследование сорбции ионов Cd2+ и Pb2+ ГК из водных растворов солей ТМ проводили в статических условиях в системе сорбент – модельный раствор (массовое соотношение 1:1000) при варьировании рН от 4,0 до 7,0, температуре 25±0,25оС и ионной силе 0,01 M. Ионная сила задавалась введением KNO3. Изучение процесса сорбции ионов Cd2+ полиэлектролитными комплексами (ПЭК) гуминовых кислот с хитозаном проводили при рН=6,0, температуре 25±0,25оС и ионной силе раствора 0,01 M. Исследование влияния ионной силы на сорбцию ионов Cd2+ и Pb2+ ГК проводилось при рН 4,0 и температуре 25±0,25оС. Равновесную концентрацию ионов Cd2+ и Pb2+ в растворах определяли методом потенциометрии при помощи иономера «Эксперт-001» и ион-селективных электродов ЭЛИС-131-Pb, ЭЛИС-131-Cd.

Для количественной характеристики сорбционной способности ГК и ПЭК на их основе было выбрано уравнение Ленгмюра, наиболее точно описывающее процесс сорбции ионов ТМ.

Основные результаты. ГК – основные компоненты органической части почвы и, в силу своего строения, являются анионными полиэлектролитами, что, с одной стороны, характеризует их как хорошие комплексообразователи для многих катионов металлов, а с другой – позволяет им вступать в интерполиэлектролитные реакции.

Ионная сила раствора оказывает существенное влияние на избирательность ионного обмена за счет экранирования функциональных групп сорбента ионами фонового электролита, снижения активности ионов и набухаемости обменников, а также изменения степени гидратации ионов в растворе. На рисунке приведен график, иллюстрирующий изменение предельной адсорбции при заданной ионной силе (A) к ее максимальному значению (Amax) для свинца (II) и кадмия (II). Атомный радиус свинца (II) составляет 0,175 нм, а кадмия (II) 0,156, следовательно, ионы кадмия (II) в большей степени подвержены гидратации, чем объясняется лучшая сорбционная способность ГК по отношению к свинцу (II).

При повышении ионной силы раствора наблюдается рост сорбционной способности ГК по отношению к обоим металлам: при увеличении ионной силы в 100 раз прирост сорбционной емкости ГК по отношению к ионам Pb2+ составляет 66 %, тогда как эта величина для ионов Cd2+ не превышает 30 %.

Механизм взаимодействия гуминовых кислот с катионами тяжелых металлов определяется как сорбционными процессами, так и процессами хелатного комплексообразования, причем вклад последних увеличивается при повышении рН раствора, что объясняется переходом гуминовых кислот из коллоидного состояния в истинно-растворенное и приводит к увеличению способности функциональных групп гуминовых кислот к процессу ионного обмена. В таблице 3 представлены величины предельной адсорбции для кадмия (II) и  свинца (II) при разных значениях рН.

Таблица 3 – Коэффициенты уравнения Ленгмюра для процесса сорбции ГК ионов Cd2+ и Pb2+

pH	Cd2+			Pb2+
	A∞, ммоль/г	k	r	A∞, ммоль/г	k	r
4	0,19	37,6	0,988	0,80	73,6	0,984
5	0,61	8,74	0,962	0,84	569	0,996
6	0,83	1,67	0,995	0,82	608	0,987
7	0,85	85,5	0,999	0,90	219	0,990

 

 

В рассматриваемом случае смещение рН в щелочную область вызывает увеличение сорбционной способности ГК, что, вероятно, связано с увеличением массовой доли растворимых ГК в системе. При этом для ионов Cd2+ в области pH от 4 до 7 наблюдается равномерное увеличение сорбционной емкости ГК, тогда как для ионов Pb2+ в кислой области сорбционная емкость ГК практически не зависит от рН и составляет 0,82 ± 0,02 ммоль/г, а при переходе в нейтральную область pH наблюдается возрастание до 0,90 ммоль/г, что, вероятно, связано с особенностями ион- молекулярного состояния кадмия и свинца в  растворе.

Максимальное извлечение ионов ТМ гуминовыми кислотами в изученном диапазоне pH соответствует рН = 7.

При всех изученных значениях рН и ионной силе раствора сорбционная способность по отношению к ионам свинца выше, чем по отношению к ионам кадмия, что находится в соответствии с хромотографическим рядом  вытеснения ионов на ионообменных смолах.

Высокая степень связывания ионов кадмия (II) и свинца (II) ГК свидетельствует об их ярко выраженных протекторных свойствах, благодаря которым они играют важную роль в процессах самоочищения водных и почвенных экосистем, связывая как тяжелые металлы, так и органические экотоксиканты. однако использование ГК как сорбентов для концентрирования ТМ затруднительно, т. к. при рН = 6 ГК ионизированы лишь частично и представляют собой дисперсную систему. Для решения этой задачи перспективным представляется метод интерполимерного комплексообразования.

ПЭК, полученный на основе ГК и ХТ, обладает преимуществом перед ГК, т. к. он нерастворим при рН характерным для природных вод, что позволяет использовать его в качестве сорбента при очистке воды от ионов ТМ.

В таблице 4 приведены значения предельной сорбции и степень извлечения ионов кадмия (II) ГК и комплексом ГК-ХТ при рН = 6,0.

 

 

Таблица 4 – Сравнительная характеристика процесса сорбции ионов Сd2+ из раствора ГК и ПЭК ГК – ХТ

Образец	A∞, ммоль/г	Степень извлечения Cd2+, %
ГК	0,83	81,8
ГК-ХТ	1,24	93,3

 

Водонерастворимый полиэлектролитный комплекс ГК-ХТ извлекает из водной среды более 90 % ионов кадмия (II). Модификация ГК методом интерполиэлектролитного комплексообразования позволяет повысить их сорбционную емкость по отношению к иону Cd2+ практически на 50 %, а степень извлечения ионов из раствора при этом возрастает на 11,5 %.

Рисунок 3. Влияние ионной силы на сорбционную способность ГК по отношению к ионам свинца (II) и кадмия (II)

 

Сорбенты на основе ГК представляют несомненный практический и научный интерес и могут рассматриваться как эффективные поглотители ионов ТМ.

Таким образом, ГК являются одними из основных компонентов торфа, отвечающими за связывание ТМ, активно участвуют в регулировании потока ТМ на территории Европейского Севера России, а также могут быть использованы для получения высокоэффективных сорбентов тяжелых металлов. [13]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Модификация гуминовых веществ для получения препаратов с заданными свойствами

На Химическом факультете МГУ было проведено сульфирование гуминовых веществ. Дело в том, что, когда речь идет о микроудобрениях с гуминовыми кислотами, растворимость комплексов гуминовых веществ с металлами ниже, чем у синтетических аналогов. Чтобы решить эту задачу, была введена дополнительная сульфогруппа, после чего, как показали эксперименты, растворимость гуматов железа действительно увеличилась. Для решения другой задачи — увеличения гидрофобности гуминовых веществ, был проведен кислотный гидролиз гуминовых веществ. Гуминовые молекулы состоят из двух строительных блоков, различающихся по химической природе: ароматического каркаса и углеводнопептидной периферии. При этом известно, что в зависимости от того, какой фрагмент преобладает — гидрофобный ароматический или гидрофильная периферия, — будут сильно изменяться поверхностная активность и способность гуминовых веществ к гидрофобным взаимодействиям. Эксперименты подтвердили, что если разложить гуминовые вещества на составляющие, то, например, каркасные фрагменты на 20% лучше связывают пирен, чем исходные препараты.