Микроорганизмы как нанотехнология для восстановления нарушенных почв

Совершенно другой тип модификации был использован для того, чтобы сделать гуминовые вещества более активными окислителями и восстановителями. Дело в том, что именно восстановительные свойства определяют активность при обеззараживании самых опасных веществ в окружающей среде. Гуминовые вещества, полученные из окисленного угля – основного сырья для промышленного производства гуминовых препаратов – имеют самое высокое содержание ароматического углерода (свыше 60%) и в них нет углеводных фрагментов. К ним были присоединены различные хиноидные фрагменты (фенолформальдегидная и бензохинонная конденсация). В результате были получены высокоактивные гуминовые редокс-полимеры. Они действительно лучше восстанавливали радионуклиды. Более того, чтобы сделать реакцию «зеленой» при производстве в промышленном масштабе, ученые отработали такую окислительную полимеризацию, для проведения которой не нужен токсичный формальдегид. Оказалось, что такой способ позволяет ввести хиноидный фрагмент в гуминовые вещества «по выбору» — достаточно одного незамещенного положения в фенольном фрагменте гуминового каркаса. В результате получается целый набор хиноидно-обогащенных гуминовых производных с различными электрохимическими свойствами.

Следующий шаг – получение гуминовых производных с повышенной сорбционной способностью на минеральных матрицах. Зачем это нужно? Основное, что останавливает применение гуминовых веществ в природоохранных технологиях – после того, как детоксикант вносят в почву, и он адсорбирует металл, непонятно, как предотвратить его дальнейшее передвижение. Идеальным решением проблемы было бы заставить гуминовые вещества необратимо прилипать к минеральным поверхностям (например, к песку или глинам). Учитывая, что основная составляющая природных минералов — кремнезем, то самый удобный способ – это создать связь Si-O-Si и тем самым посадить гуминовые вещества на матрицу в виде органической пленки.

Образование органоминеральных соединений - характерная и неотъемлемая черта почвообразования. В результате адсорбции гумусовых кислот на почвенных минералах происходит образование органоминеральных коллоидов, при этом конформационное состояние гумусовых кислот существенно изменяется. В результате адсорбционная емкость образующегося минералорганического комплекса по отношению к гидрофобным органическим веществам значительно превышает суммарную адсорбционную емкость исходных компонентов (глинистого минерала и гумусовых кислот).

Гуминовые вещества, иммобилизованные на  минеральной поверхности могут быть использованы как емкие селективные сорбенты для связывания органических веществ из растворов. Такие сорбенты должны совмещать сорбционные свойства ГВ с термической стабильностью и химической устойчивостью минеральной матрицы. [3]

1. Модификация ГК с наночастицами железа

Модификация гуминовых кислот (ГК) с наночастицами железа (Fe3O4) сегодня все чаще используется для целей экологической реабилитации. Их восстановительные и сорбционные свойства снижают биодоступность а, следовательно, и токсичность органических соединений и тяжелых металлов.

Группой молодых ученых МГУ им. Ломоносова была проведена работа, целью которой являлось сравнение эффектов восстановления почв, загрязненных тяжелыми металлами.

В качестве материала для эксперимента послужили образцы урбаноземов на основе дерново-подзолистой почвы, отобранные в городе Кирове из верхнего почвенного горизонта (0-5 см). Эксперимент длительностью 21 сутки проводился в лабораторных условиях (комнатные условия). Отработка почвы гуминовыми препаратами проводилась в сосудах. Заключение об эффективности ремедиации гуминовыми препаратами (BC-HumNa и Fe3O4/ГК) давали на основе данных исследования бактериально-грибного сообщества и откликов стандартизированных тест организмов до и после эксперимента. Эффект восстановления и биодоступность гуматов оценивались по динамике роста растений.

Результаты ясно показали, что внесение препаратов BC-HumNa и Fe3O4/ГК является эффективным способом ремедиации урбаноземов.  Экотоксикологическими методами исследования было показано снижение токсичности проб до биобезопасных величин. Выявлено, что наноструктурирование гуминовых препаратов дает возможность повысить сорбционную емкость гуматов к тяжелым металлам. Выявлено положительное влияние препаратов на структуру микромицетов в убаноземах. [14]

 

 

2. Физико-химическая обработка гуминовых веществ

В настоящее время известно несколько физико-химических методов обработки гуминовых веществ, которые могут увеличить сорбционную емкость ГК.

Целью работы, проведенной в Новосибирском государственном университете, стало изменение структуры ГК физико-химическими методами для того, чтобы получить растворимые соли и вставить дополнительные функциональные группы с целью чтобы улучшения сорбционных свойств.

В экспериментах был использован бурый уголь, содержащий 26% ГК, растворимых в щелочных растворах. Максимальную емкость среди модельных фракций ГК, которые были извлечены из угля с помощью растворителей различной основности (рис. 4 ), показали ГК, содержащие большое количество фенольных (10 ммоль/г) и карбоновых (7 ммоль/г) групп (210 мг Cd2+ на 1 г ГК).

Рисунок 4. Схема экстракции модельных фракций

В результате использования физико-химической обработки бурого угля с щелочным (NaOH) и щелочно-окисляющими (перкарбоната натрия) реагентами, были получены сорбенты высокой  эффективности (75%).

Содержание функциональных групп в продуктах показывает, что единственным результатом физико-химической обработки щелочным реагентом является образование солей ГК. Обработка угля щелочным окислителем приводит к образованию новых фенольных групп, которые, в свою очередь, приводят к увеличению емкости сорбции.

Полученные сорбенты были испытаны на мульти-загрязнениях (Cd, Pb, Cr, Co). Было обнаружено, что они выводят модельных растворов тяжелые металлы. Наилучший результат был показан на сорбенте, обработанном щелочным окислителем, который коррелирует с его химической структурой.

Проведенный  эксперимент позволяет рекомендовать эти сорбенты для удаления тяжелых металлов из загрязненных вод и почвенных растворов. [15]

 

2. Микроорганизмы как нанотехнология для восстановления нарушенных почв
1. Нефтепоглощающие бактерии

Специалисты из Института химии нефти (ИХН) СО РАН, расположенного в новосибирском Академгородке, предлагают очищать почву от нефтяных загрязнений с помощью микрококков, бацилюсов, плазмодий и псевдомонасов. По словам учёных, эти виды бактерий активно разлагают углеводороды, снижая уровень загрязнения с 19–15% до нуля.

Биологическая «аннигиляция» пятен проходит в два этапа. Сначала нефть смывается поверхностно-активными веществами (ПАВ) для уменьшения её концентрации. Нужные ПАВ также входят в состав собственной разработки ИХН СО РАН. Затем применяется собственно бактериальная очистка. Её выполняют также двумя способами: или добавляют «подкормку» для бактерий в виде различных солей, тем самым увеличивая численность поедающих нефть микроорганизмов, или привносят в загрязнённую почву готовую микрофлору, содержащуюся в биопрепаратах.

Определённую физиологическую группу микроорганизмов учёные получают, сначала выделяя чистые культуры, а затем концентрируя их на твёрдых наночастицах. Этот биологически активный порошок вносится на загрязнённые почвы. Одни содержащиеся в нём бактерии окисляют углеводороды, разделяя их на кетоны и альдегиды (всё ещё очень токсичные), другие – потребляют эти продукты биоценоза.

Когда «пища» для нефтепоглощающих бактерий закончится и они справятся с поставленной перед ними «задачей», микроорганизмы перейдут на другую «еду» органического происхождения, – например, гуминные вещества, содержащиеся в почве.

Двухступенчатая очистка нефтешламов с помощью химико-биологического метода, запатентованная сибиряками, по сравнению с известными химическими методами удаления нефтяных пятен – не токсична: благодаря ей, природа восстанавливается после техногенных катастроф природными же методами. [16]

 

2. Биоремидиация почв, загрязненных ураном

Бактерия Geobacter sulfurreducens способна переводить растворённые в воде соединения урана в менее растворимые формы. Как выяснилось, для повышения эффективности этого процесса нужно подтолкнуть микробов к отращиванию «волос». [17]

Geobacter ‘ы имеют «пили» - волоски размером 3-5 нанометров. [18]

Опыт провели исследователи из университета Мичигана (MSU). Они помещали G. sulfurreducens в различные условия и наблюдали за тем, как бактерия восстанавливает уран, передавая ему свои электроны, которые образуются в ходе метаболических реакций.

Такой процесс приводит к осаждению урана, что представляет ценность в качестве метода очистки воды и почвы от радиоактивного и токсичного элемента.

По информации Nature, биологи установили, что в жёстких (некомфортных) условиях G. sulfurreducens начинают отращивать тонкие и длинные «волоски» (пили), которые резко ускоряют взаимодействие микроорганизма с ураном.

Без пилей процесс восстановления идёт в клеточной оболочке, а это постепенно отравляет бактерию. Пили, выступая в роли электропроводки, позволяют бактерии проводить реакцию с ураном, находящимся на отдалении. Осаждается он также подальше от микроба. А ещё — множество волосков увеличивают площадь контакта микроорганизма с соединениями, находящимися в окружающей среде.

 

 

Рисунок 5. Бактерия (оранжевый цвет) расправляется с ураном при помощи тончайших волосков (жёлтый)

Авторы работы предполагают, что аналогичным образом G. sulfurreducens могла бы справиться с радиоактивными изотопами технеция, плутония и кобальта.

К тому же в дальнейшем бактерию можно было бы усовершенствовать генной инженерией, нацелив её на более эффективный отлов металлов. Биологи предлагают использовать таких микробов для очистки территорий, загрязнённых после аварий или в результате сброса радиоактивных отходов. [17]

 

3. Биоорганическое удобрение Feranat L в восстановлении плодородия земель

Сегодня на рынке микроудобрений и препаратов, препятствующих деградации почв и восстанавливающих деградиролванные почвы, представлено биоорганическое наноудобрение Ferbanat L, особенностью которого является комплексное действие на ситсему «почва-растение». Оно улучшает азотное, фосфорное и калийное питание, стимулирует рост растений, что делает его пригодным для применения в биологической рекультивации земель.

Биоорганическое удобрение Ferbanat L стимулирует имунные силы растений для борьбы с фитопатогенами. Применение Ferbanat L поддерживает биоценоз почвы и повышает ее плодородие.

При производстве Ferbanat L используются технологии молекулярной деструкции и реструктизации стохастических молекул гуминового вещества. В результате в составе Ferbanat L присутствуют микрогуматы с присоединенными микроэлементами и биологически активными веществами природного происхождения. Чем мельче элемент питания, тем меньше энергии тратит клетка на проникновение его сквозь клеточную мембрану. Кроме того в составе Ferbanat L присутствуют споры агрономически полезной микрофлоры.

Такой состав удобрения вызывает эффект синергизма, когда отдельные составляющие не могут вызвать столь мощного действия на растение, как совместные усилия всего биологического комплекса.

Ferbanat L является органическим или биоорганическим наноудобрением. Его действие основано исключительно на биологическом воздействии природных компонентов на клетку растения. Именно по этой причине гектарная норма расхода Ferbanat L при каждой обработке составляет всего 1-3 л/га при ом, создавая для микроорганизмов среду обитания опрыскивании и до 5-7 л/га при капельном орошении.

Как известно, главную роль  в деградации загрязнений почвы играют микроорганизмы. Растение является своего рода помощником, создавая для микроорганизмов среду обитания (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта).

Во-первых, применение Ferbanat L позволяет сокращать применение минеральных удобрений, что само по себе благотворно действует на биоценоз «почва-растение», во-вторых, усиление иммунных сил растения после применения препарата приводит к принципиальному снижению применения фунгицидов и инсектицидов, так как здоровое растение само успешно борется с инфекциями и вредителями.

Заселение агрокомплекса «почва-растение» агрономически полезной почвенной микрофлорой приводит не только к уменьшению техногенного загрязнения почвы, но и к росту гумуса в почве.

Агрономически полезная микрофлора, расселяясь в корневой зоне, не только предотвращает возникновение витопатогенных инфекций, но и стимулирует синтез гуминовых веществ. Гумус, как известно, не является питанием для растений, но является основой плодородия почвы. Падение гумуса в почве приводит к истощению почвы, к снижению не только урожайности, но и плодородия.

Приведенные выше обоснования прекрасно согласуются с многолетними полевыми опытами и полномасштабным применением удобрения в Литве, Румынии, Турции, Бразилии, России. Везде, где применяется Ferbanat L, собирался урожай на 15-55 % выше среднего уровня по соседним хозяйствам в масштабе отдельного района. Не наблюдалось падения уровня гумуса в почве. В отдельных хозяйствах, в течение 4 летнего наблюдения, при снижении химической нагрузки на почву, благодаря сокращению внесения минеральных удобрений до уровня 50-70 кг/га (в физическом весе), наблюдалось увеличение гумуса в почве на 0,3-0,5 %. При этом урожайность увеличивалась, а часть сельскохозяйственной продукции была признана экологически безопасной, что позволило продавать ее под маркой «био». [19]