Можно ли обуздать эвтрофикацию?
Для этого разработан особый полимерно-текстильный материал
Эвтрофикация, то есть повышенное содержание питательных для водорослей веществ в водоемах, опасна для жизни водных организмов. Но справиться с ней можно благодаря новому полимерно-текстильному материалу, разработанному специалистами РГУ им. А. Н. Косыгина и НИЦ «Курчатовский институт».
Фото: Александр Миридонов, Коммерсантъ
Фото: Александр Миридонов, Коммерсантъ
Нет ничего более удручающего в жаркий летний полдень, чем водная гладь, покрытая сине-зеленой пленкой цветущих водорослей. И если раньше эти микроскопические пришельцы оккупировали в основном пруды и озера, то в последнее время они все активнее осваивают прибрежные воды морей и океанов. «Цветение» Черного моря впервые было зафиксировано в 2010 году, и с тех пор зеленые пятна с завидным постоянством появляются на побережье каждое лето, а в 2020 году даже был поставлен своеобразный рекорд — они отравляли жизнь курортников целых два месяца. Цветущие водоросли могут не только испортить отдых, но и причинить куда больший вред. Повышенная концентрация питательных веществ (соединений фосфора и азота) в воде, так называемая эвтрофикация, способствует интенсивному развитию растительности, особенно водорослей, что мешает купанию и изменяет среду обитания водных организмов, становясь причиной гибели рыб и других обитателей прудов и озер. И с годами эта проблема становится все более и более актуальной, поскольку негативно влияет на экосистему, здоровье человека и экономику.
Нельзя сказать, что она не находит должного внимания в научной и исследовательской среде. К настоящему времени разработано свыше двадцати методов снижения негативного эффекта эвтрофикации. Однако, как показывает практика, ни один из них самостоятельно не способен предотвратить губительный процесс. Очевидно, что решить проблему можно, лишь задействовав самые разные подходы. «Одной из перспективных методик борьбы с эвтрофикацией может стать использование нашего комплексного полимерно-текстильного материала, который обладает несколькими важными, можно сказать, ключевыми свойствами,— говорит профессор кафедры материаловедения и товарной экспертизы РГУ им. А. Н. Косыгина Елена Кирсанова.— Во-первых, он хорошо сорбирует клетки микроводорослей. Во-вторых, надежен и долговечен и может успешно выполнять свою функцию на протяжении длительного времени. Ну и, наконец, в-третьих, наш полимерно-текстильный материал экологически безопасен».
Стоит отметить, что разработаны несколько вариантов такого материала. В одном из них используются специальные пористые полимерные мембраны, способные абсорбировать микроводоросли из поверхностной воды. В другом предусмотрены специальные текстильные фильтры или сетки, которые перехватывают излишки питательных веществ, препятствуя их попаданию в водоемы. Известно, что эффективность фильтрующих материалов, их иммобилизационная способность во многом зависит от их пористой структуры, позволяющей фиксировать биомассу не только на поверхности, но и в толще воды. А применение композитного материала на основе полипропилена и целлюлозных волокон позволяет осуществлять иммобилизацию более действенно.
Создание такого материала происходит в несколько этапов. На первом выбираются полимерные компоненты с учетом их химической структуры, физико-механических свойств и способности сорбировать питательные вещества из воды. Затем определяют, из какого типа ткани или нетканого материала будет изготавливаться текстильная основа, обращая особое внимание на ее плотность и пористость. Потом проводится модификация поверхности материала для улучшения его сорбционных свойств. На втором этапе он подвергается испытаниям на лабораторных стендах и в полевых условиях. Оценивается эффективность очистки им загрязненной воды, скорость и степень сорбции биомассы, а также возможность повторного использования после регенерации. Изучается его влияние на биологическую активность водоема и экосистему. Данные о прочности нетканых сорбентов позволяют определить их устойчивость к действию таких негативных факторов, как механическое напряжение, агрессивная химическая среда и повышенная влажность.
В частности, предметом исследования ученых из РГУ им. А. Н. Косыгина стал иглопробивной нетканый материал изо льна (80%) и полипропиленовых волокон (20%), созданный на основе ранее разработанных композитов в НИЦ «Курчатовский институт» и РГУ им. А. Н. Косыгина. В качестве модельной культуры использовались микроводоросли Tetradesmus obliquus. Их культивировали в модифицированной среде Bold’s Basal Medium с добавлением микроэлементов определенного состава. Иммобилизацию клеток этих водорослей на сорбентах проводили в специальных пластиковых контейнерах. Их помещали в орбитальный шейкер и инкубировали в течение 168 часов. Наблюдение за процессом осуществлялось спектрофотометрически. Прочностные характеристики материала определялись на разрывной машине Instron. Эксперимент показал, что эффективность иммобилизации нетканых сорбентов на основе льна с добавлением полипропиленовых волокон в течение 24 часов составляла 38%, а за 168 часов — 76%. Впрочем, есть возможность улучшить эти показатели. Если, например, на поверхность материала нанести специальные добавки или покрытия, которые будут усиливать его способность к абсорбции биомассы микроводорослей. В том, что касается экологической безопасности, полимерно-текстильные материалы зарекомендовали себя с самой лучшей стороны: они не содержат опасных веществ и могут быть переработаны после использования.
Достоинства новой разработки очевидны. Что дальше? Нужно наладить производство полимерно-текстильных материалов и найти способы их использования в различных системах очистки воды. И тогда мы сможем увидеть озера, реки и пруды в их первозданной красоте.