CC BY
11
УДК 544.35+539.21
Корчагина М.Г., Широких С.А., Вайнерман Е.С., Градова Н.Б., Королёва М.Ю.
ТОКСИЧНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЫСОКОПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СШИТОГО КОЛЛАГЕНА ДЛЯ СОРБЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Корчагина Мария Георгиевна, студентка 4 курса наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: maria.seminar@ya.ru,
Широких Сергей Александрович, магистрант 2 года кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Вайнерман Ефим Семенович, д.х.н., в.н.с., НИИ детского питания,
Научно-исследовательский институт детского питания, филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи, 143500, Московская область, г. Истра, ул. Московская, д. 48
Градова Нина Борисовна, д.б.н., профессор, главный специалист кафедры биотехнологии, Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047 Москва, Миусская пл., д. 9
В выполненной работе была исследована эффективность высокопористого материала из нановолокон коллагена при его использовании в качестве материала для ликвидации последствий аварийного разлива нефтепродуктов на поверхность грунта путем отслеживания динамики роста семян сельскохозяйственных культур. После смоделированного разлива нефти через четыре недели после использования высокопористого материала на основе сшитого коллагена в качестве сорбента наблюдалось увеличение доли нормально проросших семян пшеницы яровой до 88%, что соответствует доли нормально проросших семян в чистой почве.
Ключевые слова: высокопористый полимерный материал, сорбция нефтепродуктов, нановолокна, сшитый коллаген
TOXICITY AND EFFICIENCY OF HIGH-POROUS MATERIAL BASED ON CROSSLINKED COLLAGEN FOR OIL SORPTION
Korchagina M.G., Shirokikh S.A., Vainerman E.S., Koroleva M.Yu. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, and efficacy of the highly porous material from collagen nanofibers for eliminating of accidental oil spills on the soil surface by monitoring the dynamics of growth of seeds of agricultural crops was studied. After four weeks of using highly porous material based on crosslinked collagen as a sorbent after a simulated oil spill, an increase in the proportion of normally germinated spring wheat seeds to 88% was observed, which corresponds to the proportion of normally germinated seeds in initial soil.
Keywords: highly porous polymer, oil sorption, nanofibres, crosslinked collagen
Одной из значимых экологических проблем являются аварийные разливы нефти на поверхность суши, т.к. такие загрязнения негативно влияют на геологическую среду. При достижении некоторой критической концентрации нефти в почве и грунтах нарушается экологическое равновесие в почвенной системе, что приводит к гибели почвенной биоты, снижению продуктивности или гибели растений и многим другим неблагоприятным последствиям. Особую опасность несёт загрязнение подземных и поверхностных вод в результате попадания в них нефтепродуктов из почвы или грунта.
Аварийные разливы нефти наносят урон целому ряду экосистем, а также ставят под угрозу здоровье людей. Поэтому чрезвычайно важно исследовать и разрабатывать технологии, которые способны в кратчайшие время и без ущерба для окружающей среды ликвидировать разливы нефти. Одним из наиболее эффективных методов по ликвидации разливов нефти является сорбция [1,2]. Сорбенты нефтепродуктов могут быть использованы и в процессе рекультивации и биоремедиации почв при разливах нефтепродуктов. Они способны в совокупности с использованием микроорганизмов,
разлагающих нефтепродукты до безопасных для биомассы почвы компонентов, удерживать нефтепродукты от попадания в грунтовые воды и облегчать процессы ликвидации последствий разливов.
В качестве сорбентов нефтепродуктов для ликвидации аварийных разливов с поверхности почвы необходимо использовать высокопористые биоразлагаемые материалы, не оказывающие токсического воздействия на объекты окружающей среды. Таким материалом может выступать высокопористый сорбент, полученный на основе дисперсии нановолокон коллагена [3].
В выполненной работе были исследованы токсикологические свойства высокопористого материала из сшитого коллагена и его потенциальная эффективность при ликвидации последствий аварийных разливов нефтепродуктов на поверхности почвы путём отслеживания динамики роста семян сельскохозяйственных культур. Водная дисперсия нановолокон коллагена для получения сорбента была получена из предварительно очищенной шкуры крупного рогатого скота.
Образцы высокопористого материала на основе сшитого коллагена были получены по методике, описанной в патенте [4].
В качестве сельскохозяйственной культуры были выбраны семена Пшеницы яровой («Гавриш» РФ, ГОСТ Р 52325-2005). Показателем безопасности и эффективности сорбента на основе нановолокон сшитого коллагена является всхожесть (доля нормально проросших семян) в условиях смоделированного разлива нефтепродукта по сравнению с всхожестью в отсутствии загрязнителя почвы.
Перед применением пшеницы в качестве модельной сельскохозяйственной культуры была определена всхожесть семян согласно ГОСТ 12038—84, которая составила 100%. В качестве контрольных экспериментов для сравнения были также определены доли проросших семян в предварительно подготовленной почве, в смеси
т 3
почвы и 2 см высокопористого материала из сшитого коллагена и в загрязненной 2 см3 нефти. Средние значения всхожести для почвы и смеси почвы и сорбента составили 84 и 88% соответственно, для почвы, загрязненной нефтью, всхожесть составила 0%.
В ходе выполненной работы была проведена имитация посева сельскохозяйственных культур после разлива нефти на почву. В чашки Петри с предварительно подготовленными 45-50 г почвы разливали нефть в объеме 2 см3, после чего в каждую из чашек было добавлено по 2 см3 пористого материла из сшитого коллагена, затем смесь тщательно перемешивалась. После приготовления смесей в чашки Петри осуществлялся посев семян пшеницы яровой с интервалом в одну неделю. Спустя период времени, необходимый для прорастания, семена извлекались из почвы для определения доли нормально проросших семян (всхожести). На рисунках 1 и 2 для сравнения приведены фотографии пророщенных семян, посеянных на первой и четвертой неделе соответственно.
Рис. 1. Пророщенные семена пшеницы яровой посева первой недели
Рис. 2. Пророщенные семена пшеницы яровой посева четвертой недели
Из представленных изображений видно, что при присутствии в загрязненной нефтью почве высокопористого материала на основе нановолокон коллагена даже в течение одной недели позволяет успешно прорасти части семян модельной сельскохозяйственной культуры. При использовании же данного сорбента в течение четырёх недель семена пшеницы яровой демонстрируют лучшую всхожесть.
На основе пророщенных семян была определена средняя доля нормально проросших семян в интервале посева от одной недели после разлива и использования сорбента до четырех недель. На рисунке 3 показаны соответствующие рассчитанные доли нормально проросших семян.
щ
Рис. 3. Доля нормально проросших семян при посеве
пшеницы в интервале от одной до четырех недель
Из приведенного рисунка видно, что с увеличением времени использования сорбента после разлива нефти возрастает доля нормально проросших семян, причем уже на второй неделе всхожесть семян пшеницы яровой примерно равна всхожести семян, посеянных в не загрязненную нефтью почву (80 и 84% соответственно). Дополнительно также была оценена длина ростков нормально проросших семян пшеницы (рисунок 4).
12 3 4
Количество недель
Рис. 4. Средний размер ростков у нормально проросших семян при посеве пшеницы в интервале от одной до четырех недель
Из представленного изображения видно, что средняя длина ростков пшеницы увеличивается от 4,1 ± 0,2 до 11,7 ± 0,5 см при увеличении времени использования сорбента до 4 недель.
Согласно приведенным данным высокопористый материал на основе нановолокон коллагена не оказывает токсикологического воздействия на почву и не препятствует росту сельскохозяйственных культур при его нахождении в грунте. Также, он
является потенциально эффективным при использовании его в качестве материала для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов на поверхности почвы, так как его использование при разливе значительно увеличивает долю нормально проросших семян и размер ростков.
Список литературы
1. Koroleva M.Yu., Shirokikh S.A., Khasanova L.Kh., Babusenko E.S., Yurtov E.V. Highly porous polymeric sponges for oil sorption // Mendeleev Communications. - 2019. - Vol. 29. - P. 176-177.
2. Королева М. Ю., Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Ракитин А.И., Широких С.А., Юртов Е.В. устойчивость обратных высококонцентрированных эмульсий и структура высокопористого полистирола, полученного на их основе // Коллоидный ж. - 2018. - Т. 80. - №. 3. - С. 290-299.
3. Широких С.А., Загоскин П.С., Вайнерман Е.С., Королёва М.Ю. Биоразлагаемый пористый материал для сорбции нефтепродуктов с поверхности воды // Успехи в химии и химической технологии. - 2019. -Т. 33, № 10. - С. 62-63.
4. Vainerman E. S., Portnaya I. B. Porous polymer material and process for production thereof: Pat. 5494939 USA. - 1996.
