Разработка нанотехнологий для ремедиации и эко-токсикологической оценки химических и радиохимических загрязнений природных сред

Объект исследования - технологии производства магнитоактивных наноструктурированных сорбентов на основе природных полимеров (гуминовых веществ) и химически связанных магнитоактивных наночастиц и оценки их токсичности для последующего использования в магнитной сепарации конгломерата «загрязнитель-сорбент».
Цель 1 этапа работы - поиск научно-обоснованных подходов к созданию магнитоактивного нанокомпозита для сорбции химических и радиохимических загрязнений природных сред и их экотоксикологической оценки.
Методы проведения работы. Аналитические исследования существующих технологий ремедиации по литературным источникам. Поиск публикаций по теме проекта проводился по библиотечным и web ресурсам, включая ресурсы МГУ, ИПХФ РАН, базы данных Chemical Abstracts с 2000 г., www.e-library.ru, ресурсы Elsevier и Cranfield University, другим современным web ресурсам (Science Direct, ISI Web of Science), и on-line подписке на все приоритетные журналы в области научных исследований проекта (напр., Environmental Science and Technology, Geochimica et Cosmochimica Acta, Journal of Environmental Quality, Water Research, Water Resources Research, etc.). Для поиска были использованы следующие ключевые слова: remediation, pollution, toxicant, xenobiotics, humic, binding, detoxification, heavy metals, radionuclides, bioassays. Список цитируемых источников включает 148 публикаций.
Для выполнения экспериментальной части работы привлечен широкий спектр физических, химических и биологических методов исследования. Наноразмерные частицы композита на основе магнетита и гуминовых кислот получены методами твердофазного синтеза в планетарной шаровой мельнице. Для характеристики физико-химических свойств нанокомпозита и прекурсоров использованы данные элементного анализа, ИК-, ЯМР- и Месс-бауеровской спектроскопии, гель-хроматографического и рентгенофазового анализа, электронной микроскопии.
Экотоксикологическая оценка проводилась с применением стандартизованных тест-культур живых организмов разных трофических уровней (продуценты и консументы) и таксономической принадлежности. Применены методики биотестирования, рекомендованные для целей государственного экологического анализа - ФР.1.39.2006.02506; ФР.1.39.2007.03223; ФР.1.31.2009.06301 и др.
Результаты. Обобщены и систематизированы известные в литературе сведения по технологиям ремедиации загрязненных почв и вод, включая нанотехнологии. Препараты на основе гуминовых веществ могут являться перспективными реакционными материалами, в особенности для случаев комплексного загрязнения, так как гуминовые кислоты способны к взаимодействию и с ионами металлов и гидрофобными органическими соединениями.
Проведена детальная характеристика состава и строения органических и неорганических прекурсоров и гибридного магнитоактивного нанокомпозита с привлечением современных методов анализа, изучены свойства магнитного композита , полученного механохимическим способом. Согласно рентгенофазовому анализу, основным магнитоактивным компонентом полученного нанокомпозита является магнетит Fe3O4. Средний размер частиц, рассчитанный по уравнению Шеррера и согласно микроскопическим данным, составляет 7-16 нм. Показано, что основу синтеза составляет образование наночастиц гидратированного оксида железа, стабилизированного функционализованной полимерной оболочкой суспензии ГК. При этом ГК выполняют роль стабилизаторов наночастиц железа, входя наряду с молекулами воды в состав сольватной оболочки коллоидных частиц оксидов железа. Установлено, что исследуемый нанокомпозит обнаруживает ферромагнитное поведение при комнатной температуре и проявляет магнитоуправляемые свойства во внешнем магнитном поле.
Экотоксикологическая оценка прекурсоров и нанокомпозитного сорбента в стандартизоанных биотест-системах позволила установить эффективные концентрации (ЭК) нанокомпозита и его прекурсоров (гуматного компонента и магнетита) для тест-культур продуцентов (водоросли, высшие растения) и консументов (инфузории, культура клеток теплокровных животных). Биологическое тестирование безопасности полученных продуктов показало, что в водных средах для всех стандартных тест-систем концентрации нанокомпозита [Fe3O4/HAmech] ≤ 0.001 % являются безопасными. Одновременно эксперименты позволили выявить возможность оптимизации пропорций прекурсоров при применении нанокомпозита с целью уменьшения их возможного негативного воздействия в меняющихся условиях среды.
Область применения. Результаты разработки решают проблемы природоохранных технологий в области детоксикации природных сред, загрязненных экотоксикантами (актиниды и тяжелые металлы и др.) путем создания нанокомпозитных детоксикантов, полученных на основе биогенного гуминового сырья, поэтому секторами рынка конечного продукта могут являться сорбенты, специальные химикаты, детоксиканты.
Результаты работы способствуют подготовке специалистов в области экологических нанотехнологий, включая: разработку методов механохимического синтеза наночастиц и нанокомпозитов на основе наночастиц оксида железа и гуминовых материалов; характеристику гранулометрического состава, дисперсности, пористости получаемых магнитоактивных нанобиогибридных композитов, размеры магнитоактивных наночастиц и их распределение; исследование магнитных характеристик получаемых магнитоактивных нанобиогибридных композитов; исследование биобезопасности инновационных продуктов, к которым принадлежат магнитоактивные нанобиогибридные композиты, современными методами биотестирования, включая флуоресцентные методы эффективные при экотоксикологической оценки химических и радиохимических загрязнений
Степень внедрения. Результаты работы по теме проекта используются в учебном процессе и при подготовке экологов - специалистов, магистрантов, выполнении кандидатских и докторских диссертаций. Исполнителями проекта подготовлено 2 учебно-методических пособия для студентов ВУЗов, 2 задачи для практикума по нанотехнологиям и лекция для программы повышения квалификации экологов - специалистов природоохранных инспекций и преподавателей ВУЗов «Технологии биотестирования в экологической оценке природных сред и техногенных объектов». Экспериментальные данные представлены в публикациях, а также в материалах международных и всероссийских форумов и конференций. На конец отчетного периода пятью участниками проекта опубликованы статьи в высокорейтинговых рецензируемых журналах, всего подготовлено 14 публикаций при активном участии молодых ученых (10 чел.).

2.1. Проведение патентных исследований о технологиях, в том числе нанотехнологиях ремедиации загрязненных почв и вод;
2.2.Получение магнитоактивных нанокомпозитов методами химического осаждения ex situ и in situ и их экотоксикологическая оценка
2.3. Физико-химическая характеристика магнитоактивных наногибридных сорбентов

3.1. Синтез темплатно-настроенных сорбентов на целевые металлы;
3.2. Оценка сорбционных свойств полученных сорбентов по отношению к модельным экотоксикантам
3.3. Магнитные характеристики наногибридных сорбентов

4.1. Исследования детоксикации загрязнения модельных объектов при применении сорбентов и природных полимеров (гуминовых веществ) с помощью биотестов;
4.2. Разработка учебно-методического материала для пособия по условиям отбора и подготовки проб, в том числе сорбентов и природных полимеров (гуминовых веществ) к биотестированию;
4.3. Подготовка методических материалов для учебного пособия «Технологии биотестирования природных сред и техногенных объектов» для студентов экологических специальностей ВУЗов, слушателей программы повышения квалификации;
4.4. Разработка учебных заданий для лабораторного практикума по оценке экотоксичности промышленных наноматериалов
4.5. Исследование детоксицирующих свойств полученных магнитоактивных нанобиогибридных сорбентов по отношению к радионуклидам.

5.1. Масштабирование технологии получения магнитоактивных наногибридных сорбентов;
5.2. Исследование детоксицирующих и экотоксикологических свойств полученных магнитоактивных нанобиогибридных сорбентов по отношению к комплексному загрязнению (тяжелые металлы, радионуклиды).

5.3. Контроль качества получаемых продуктов по показателям магнитной, сорбционной и экотоксикологической активности

6.1. Исследование детоксицирующих свойств нанокомпозита в случае комплексного загрязнения (тяжелые металлы, радионуклиды) в присутствии почвенных компонентов;
6.2. Создание действующего макета лабораторной магнитосепарационной линии

  
6.3. Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
6.4. Выработка практических рекомендаций по производству и применению магнитоактивных нанобиогибридных сорбентов