Новый композит в шесть раз эффективнее традиционного связывает кадмий, свинец, медь и цинк, переводя их в безопасные формы и предотвращая попадание токсичных элементов из почвы в растения и грунтовые воды. Разработка позволит сделать восстановление загрязненных земель в промышленных регионах России более доступным и эффективным, снизив риски накопления вредных веществ в живых организмах. Подробнее об инновации— в материале «Известий».
Что такое биоуголь
Ученые из Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) с коллегами из Института генетики и экспериментальной биологии растений Академии наук Республики Узбекистан улучшили способность биоугля поглощать загрязнители, покрыв его поверхность особыми наночастицами.
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, рассказали специалисты. В итоге тяжелые металлы по пищевым цепям попадают в организм животных и людей, 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.
Одним из наиболее доступных и простых способов очистки почв считается применение биоугля. Этот пористый углеродистый материал получают из растительных отходов — соломы, шелухи, лузги и другого органического сырья. Он устойчив к разложению и способен сохраняться в почве от сотен до тысячи лет, эффективно поглощая и закрепляя тяжелые металлы. Благодаря этому токсичные элементы не попадают в грунтовые воды, растения и другие живые организмы. Однако при сильном загрязнении земель его возможностей нередко оказывается недостаточно: из-за сравнительно небольшой площади поверхности требуется существенный расход материала, что снижает общую эффективность очистки.
Авторы разработки получили свой биоуголь из соломы пшеницы, нагревая ее без доступа кислорода до 700 градусов в течение 45 минут. Затем полученное вещество смешали с порошком железа и органической кислотой, нагревали 20 часов при 120 градусов, в результате чего на его поверхности сформировались наночастицы металлорганического 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.
— 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, — рассказала ведущий научный сотрудник лаборатории «Агробиотехнологии для повышения плодородия почв и качества сельскохозяйственной продукции» ЮФУ Татьяна Бауэр.
Применение нового биоугля
Ученые протестировали полученный сорбент в эксперименте с черноземами, загрязненными тяжелыми металлами. Спустя полгода после их внесения 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. При этом чистый биоуголь поглотил примерно вдвое меньше загрязнителей. В целом новый материал оказался в шесть раз эффективнее, рассказали ученые.
Наиболее эффективно использовать этот сорбент на объектах средней и высокой степени загрязнения, где обычный биоуголь уже не справляется, а полная замена грунта нерентабельна, рассказал «Известиям» член Общественного совета Базовой организации государств — участников СНГ по экологическому образованию, руководитель образовательной организации «Возрождение природы» Владимир Пинаев.
— Это могут быть промышленные зоны и «санитарные пояса» вокруг металлургических заводов, горнодобывающих предприятий и ТЭЦ, городские территории (парки, скверы, жилые зоны), где почва веками накапливала тяжелые металлы; сельскохозяйственные угодья, прилегающие к промышленным гигантам, — чтобы тяжелые металлы не мигрировали в растения и урожай. Учитывая, что материал протестирован на черноземах (самых ценных для сельского хозяйства почвах), для аграрного сектора юга России это может стать спасением, — уверен эксперт.
Но, помимо этапа изобретения, есть этапы апробации в полевых условиях и промышленного производства. И тут важно учесть, как поведет себя новый материал при разных температурах от низких до высоких, отметил специалист.
Говорить о прорывной технологии в данном случае не стоит — скорее, это высокоэффективная эволюционная разработка. Исследователи не изобрели принципиально новый метод, но успешно решили ключевое ограничение традиционного биоугля — низкую удельную площадь поверхности. Это дало существенный рост эффективности поглощения токсинов по сравнению с обычным биоуглем, отметила доцент департамента экологической безопасности и менеджмента качества продукции Института экологии РУДН имени Патриса Лумумбы, член редколлегии научного интернет-журнала «Отходы и ресурсы» Татьяна Ледащева.
— Главное практическое достижение — технология делает рекультивацию реальной и экономически доступной: вместо дорогостоящей замены грунта достаточно внесения всего 1−2% сорбента от массы почвы. При этом требуется дальнейшая работа — необходимо изучить эффективность решения в различных природных условиях, включая осадки, влажность, перепады температур и давления, а также разные типы почв, — отметила она.
В России насчитывается значительное число территорий с загрязненными тяжелыми металлами почвами, отметил координатор программы экологизации промышленности Центра охраны дикой природы Игорь Шкрадюк.
— Речь идет прежде всего о районах добычи металлов, где загрязнены не только почвы, но и в особенности водные ресурсы. Кроме того, серьезную проблему представляют места несанкционированных свалок, — подчеркнул он. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management.
