Чтобы токсины не попали в еду: ученые создали «ловушку» для загрязнителей почвы
Решения на стыке химии, биологии и агрономии позволили ученым ЮФУ обратить проблему утилизации отходов в эффективное экологическое решение, разработав сорбент на основе биоугля усиленного специальным пористым материалом — металлоорганическим каркасом MOF. О том, как полученный сорбент помогает удерживать в почве тяжелые металлы и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), снижая их поступление в растения, рассказал кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Агробиотехнологии для повышения плодородия почв и качества сельскохозяйственной продукции» Михаил Киричков.
Загрязнение почвы тяжелыми металлами и ПАУ представляет серьезную экологическую проблему. Тяжелые металлы могут быть токсичны даже в небольших концентрациях, а многие ПАУ относятся к канцерогенным или потенциально канцерогенным соединениям.
«Главная проблема в том, что тяжелые металлы и ПАУ не просто находятся в почве, а могут переходить в растения, воду и дальше по пищевой цепи, создавая риск для экосистем и человека», — отмечает Михаил Киричков.
В основе исследования лежит принцип «отходы в ресурс». Ученые одновременно решают две задачи: использовать отходы в качестве сырья и получить материал, способный связывать загрязнители. Осадок сточных вод образуется в больших количествах и требует утилизации. Пшеничная солома — доступный сельскохозяйственный ресурс, который также часто рассматривается как отход.
Смесь нагревали до 700 °C в среде азота — без доступа кислорода. Такой процесс называется пиролизом. В результате из исходного сырья получили углеродистый материал — биоуголь.
Однако биоуголь стал не конечным продуктом исследования, а основой для создания более эффективного сорбента. Обычный биоуголь обладает сорбирующими свойствами, но его поверхность и количество центров, способных связывать загрязнители, ограничены. Поэтому ученые решили модифицировать его с помощью MOF (Металл-органические каркасы (Metal-Organic Frameworks), класс пористых материалов, представляющих собой трехмерные кристаллические структуры). Так ученые ЮФУ превратили проблему утилизации отходов в эффективное экологическое решение.
По сути, структура MOF напоминает губку, пронизанную множеством микроскопических пор-карманов. Благодаря такому строению материал может связывать и удерживать молекулы различных веществ. Сам каркас — это высокопористый кристаллический материал, состоящий из металлических «узлов» и органических «перемычек», а его структуру и свойства можно изменять еще на этапе получения.
Для усиления биоугля ученые использовали MIL-100(Fe) — MOF-материал на основе железа. Его нанесли на поверхность и в результате биоуголь получил дополнительную пористую структуру и новые центры, способные связывать загрязнители. Кроме того, после модификации MIL-100(Fe) площадь поверхности биоугля увеличилась с 25 м²/г до 196–243 м²/г. Это повысило эффективность для взаимодействия данного материала с загрязняющими веществами.
Эффективность сорбента ученые проверили в лабораторном эксперименте с загрязненной почвой, где выращивали люцерну и горчицу — растения, которые хорошо известны в исследованиях по фиторемедиации и способны расти на загрязненных грунтах.
Ключевой результат эксперимента показал, что общее содержание ПАУ в корнях растений снизилось в 3,4–3,7 раза, а в побегах — в 1,6–1,7 раза. Одновременно уменьшились концентрации таких тяжелых металлов, как марганец, никель, медь, цинк и свинец, в корнях и побегах растений.
В отличие от исходного биоугля, модифицированный MOF-материал эффективно справляется сразу с двумя группами загрязнителей — ПАУ и тяжелыми металлами. Это делает такой сорбент перспективным для территорий со смешанным загрязнением.
Это особенно важно, поскольку растения — первое звено, через которое загрязняющие вещества попадают в пищевую цепь. Снижение содержания тяжелых металлов и ПАУ в растениях уменьшает потенциальный перенос загрязнителей дальше — к животным и человеку.
«Такая технология может быть полезна на территориях индустриальной промышленности, перерабатывающих предприятий, а также вблизи хвостохранилищ, углеотвалов и прочих территорий с высокой техногенной нагрузкой», — рассказал Михаил Киричков.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда в рамках проекта № 22-76-10054 «Наноплатформа на основе металлоорганических полимеров для контроля качества и безопасности загрязненных почв промышленных и сельскохозяйственных ландшафтов». Руководитель проекта — кандидат биологических наук Татьяна Бауэр. Также это направление активно развивается в рамках реализации стратегического технологического проекта ЮФУ «Технологии биоинженерии почв» программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»). Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Environmental Research.
Telegram 
Дзен 
VK 
