Контроль качества почв: совместная разработка России, Индии и Китая
Исследование сотрудников Академии биологии и биотехнологий Д.И. Ивановского ЮФУ позволит подбирать оптимальные виды и дозы внесения биосорбента в загрязненные почвы, что значительно повысит качество и безопасность почв промышленных и сельскохозяйственных ландшафтов России. Для этих целей впервые созданы инновационные композитные материалы на основе углеродистых сорбентов и наноразмерных пористых каркасных структур.
В эпоху глобализации загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ) стало одной из центральных проблем глобального масштаба, влияющей на продовольственную и экологическую безопасность населения всего мира. Антропогенная деятельность является одним из ключевых факторов увеличения содержания тяжелых металлов в почвах. Этому способствует развитый промышленный сектор, высокая плотность населения и масштабный рост урбанизированных территорий. Значительные площади загрязнены свалками коммунальных, строительных и промышленных отходов, хвостохранилищами и породными отвалами угледобывающей промышленности.
«Особенно остро проблема загрязнения почв тяжелыми металлами стоит в таких густонаселенных странах, как Китай и Индия. Китай, как государство с интенсивно развивающейся крупнейшей экономикой, пережил в последние десятилетия быстрый экономический рост, сопровождающийся огромным потреблением энергии и сырья, что привело к серьезному загрязнению окружающей среды тяжелыми металлами. Основными источниками загрязнения являются районы добычи полезных ископаемых и промышленные предприятия. Ежегодно в Китае около 0,12 млн акров почвы загрязняются тяжелыми металлами, что приводит к ее деградации, снижению качества сельскохозяйственных культур и урожайности», — отметила старший научный сотрудник АБиБ ЮФУ Татьяна Бауэр.
В Индии функционирует огромное количество промышленных предприятий по переработке и добыче металлов, фармацевтические, текстильные и нефтяные компании. Все эти предприятия наносят колоссальный ущерб экологии государства. Отдельную проблему составляет загрязнение почв канцерогенным шестивалентным хромом в районах добычи хромитовой руды.
Для восстановления почв с высоким уровнем техногенного загрязнения необходимо разрабатывать стратегию создания инновационных композитов на основе углеродистых сорбентов в качестве подложки и наноразмерных металл-органических каркасных полимеров (МОК), отличающихся рекордной удельной поверхностью и модульной структурой, которой можно управлять при синтезе. Использование углеродистых сорбентов представляется эффективным решением текущей экологической проблемы, так как данный вид сорбентов является не только экологически чистым, но и доступным материалом для создания композитов с функциональными наночастицами МОК. По оценкам специалистов ЮФУ, использование этого подхода позволит повысить стабильность МОК за счет поддержания реакции среды, а нанокомпозит на основе углеродистого сорбента и МОК будет обладать улучшенными сорбционными характеристиками и повышенной функциональностью.
Ученые Академии биологии и биотехнологий Д.И. Ивановского ЮФУ и Международного исследовательского института интеллектуальных материалов совместно с коллегами из Турции (Университет Ондокуз Майс), Китая (Университет образования Гонконга) и Индии (Университет Чандигарх) провели систематизацию данных о применении композитных материалов на основе биочаров и наноматериалов для иммобилизации ТМ [прим. соединение фиксируется в почве и не становится доступным для растений или других организмов, находящихся на этой почве]. В ходе исследования был выполнен сравнительный анализ эффективности данных материалов. На основе результатов исследования разработаны подходы для создания биотехнологической многофункциональной платформы, которая позволит в конкретных условиях подбирать оптимальные виды и дозы внесения сорбентов в загрязненные почвы.
«Создаваемые с применением оригинального способа новые нанокомпозиты будут отличаться уникальными адсорбционными характеристиками за счет увеличения удельной поверхности и пористости материала, что обеспечит их способность накапливать и прочно удерживать поллютанты», – рассказала профессор, доктор биологических наук, заведующий кафедрой почвоведения и оценки земельных ресурсов АБиБ ЮФУ Татьяна Минкина.
Кроме того, были рассмотрены механизмы ремедиации, посредством которых наноматериалы влияют на эффективность процесса иммобилизации поллютантов, а также проведена оценка влияния нанокомпозитов на свойства почвы, связанные с миграцией поллютантов, фитотоксичностью и составом почвенных микроорганизмов.
«Выявленные механизмы ремедиации будут использованы при создании комплексных высокоэффективных ресурсосберегающих технологий повышения качества и безопасности загрязненных почв промышленных и сельскохозяйственных ландшафтов. Для этих целей впервые созданы инновационные композитные материалы на основе углеродистых сорбентов и наноразмерных пористых каркасных структур», – отметила Татьяна Бауэр.
Результаты работы ученых ЮФУ, опубликованные в журнале «Science of The Total Environment» (Q1, импакт-фактор 10,754), будут иметь важное значение для восстановления почв в экологически неблагоприятных регионах с высокой техногенной нагрузкой, а также могут быть использованы для эффективного ведения устойчивого сельского хозяйства.
Работа выполнена в рамках реализации проекта «Управление почвенными ресурсами и агроклиматология» программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» (нацпроект «Наука и университеты») и поддержана грантом Российского научного фонда (проект № 22-76-10054).