Ученые из Южного федерального университета (ЮФУ) улучшили способность биоугля – природного пористого материала – поглощать из почвы тяжелые металлы (свинец и медь). Полученный в результате исследования композит удалил до 99% этих элементов из образцов загрязненной почвы. По словам ученых, улучшение состояния почв приведет к повышению их плодородия и увеличению урожайности сельхозкультур. Подробностями делится портал «Научная Россия».

Проблема загрязнения почв тяжелыми металлами особенно актуальна для промышленных регионов России, например Челябинской, Свердловской и Кемеровской областей, где исторически развита металлургия, а также южных аграрных районов, где интенсивно применяются агрохимикаты. В частности, Ростовская область, являясь одним из ключевых аграрных регионов страны, также имеет на своей территории ряд крупных предприятий, оказывающих негативное влияние на окружающую среду.

Экологически чистым поглотителем тяжелых металлов может служить биоуголь, который, как губка, впитывает металлы благодаря своей пористой структуре. Однако площадь поверхности, которой он взаимодействует с загрязнителями, не очень велика, и из-за этого его поглотительная способность ограничена. Улучшить свойства этого поглотителя можно, присоединив к его частицам вещества, активнее связывающие металлы, а также формирующие дополнительные поры и увеличивающие площадь поверхности.

Ученые ЮФУ создали нанокомпозит на основе биоугля и высокопористого металл-органического каркаса. Биоуголь получили из соломы пшеницы, железосодержащий металл-органический каркас синтезировали в лаборатории, используя железный порошок и органическую кислоту. Компоненты будущего нанокомпозита смешали и выдержали 20 минут при 120°С.

Металл-органический каркас в 6 раз увеличил площадь поверхности биоугля за счет дополнительных пор, т.е. он должен эффективнее «собирать» тяжелые металлы. Чтобы доказать это, ученые внесли нанокомпозит в образцы почвы, загрязненные заранее известными количествами свинца и меди. Для сравнения использовали биоуголь, в структуру которого не вводили металл-органический каркас.

Выяснилось, что нанокомпозит удаляет до 99% тяжелых металлов из почвы даже при их высоком содержании в образцах, тогда как у биоугля при сильном загрязнении эффективность падает до 82%. Помимо большего количества пор, авторы определили два основных механизма, за счет которых нанокомпозит эффективнее удерживает тяжелые металлы.

Во-первых, металлы образуют комплексы с кислородсодержащими группами в составе металл-органического каркаса.

Во-вторых, между железосодержащими центрами в композите и загрязненной почвой происходит обмен катионами – положительно заряженными частицами металлов. Это обеспечивает надежную фиксацию загрязнителей в порах нанокомпозита.

Разработанный материал можно использовать при восстановлении сильно загрязненных тяжелыми металлами почв возле крупных металлургических заводов, автодорог и химических предприятий. Сорбент позволит не только восстанавливать загрязненные почвы, улучшая их свойства, но и предотвращать дальнейшее загрязнение. Это повысит плодородие земель, что важно для сельского хозяйства и обеспечения продовольственной безопасности. Кроме того, уменьшение концентрации тяжелых металлов в почвах снизит риски развития заболеваний и отравлений при употреблении продуктов питания, выращенных в регионах, подверженных загрязнению.

В дальнейшем мы планируем изучить эффекты долгосрочного применения нашего нанокомпозита. Также мы хотим повысить функциональность материала, а именно создать на его основе платформы для доставки в растения различных полезных биодобавок, например, гуминовой кислоты или ауксинов, чтобы повысить выживаемость растений в условиях засухи. Это расширит возможности сельского хозяйства в регионах с засушливым климатом.

Владимир Поляков - участник проекта, кандидат химических наук, инженер международной исследовательской лаборатории функциональных наноматериалов ЮФУ

https://glavagronom.ru/news/uchenye-pridumali-kak-na-99-ochistit-pochvu-ot-tyazhelyh-metallov