Сапропель как биоорганическое сырье для многих отраслей

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Опубликовать в Яндекс

А.С. Митюков, ведущий научный сотрудник, д-р с.-х. наук, ИНОЗ РАН – СПб ФИЦ РАН

Фото 7dach.ru

В пресноводных водоемах идет постоянное накопление осаждающихся на дне водоемов органических и неорганических веществ, служащих субстратом для бентоса и пищей для гидробионтов. Это донные наносы и твердые частицы, образовавшиеся и осевшие на дно в результате внутриводоемных процессов, в которых участвуют вещества естественного и антропогенного происхождения. Накопленные донные отложения в течение тысячелетий преобразуются в гнилой ил – сапропель, крупномасштабный источник гуминовых веществ.

Сапропель – вещество преимущественно биологического происхождения, образующееся на дне пресноводных водоемов из остатков планктонных и бентосных организмов при большой роли бактериальных процессов, происходящих в слоях отложений при малом доступе кислорода. Сапропели являются донными озерными отложениями и образуются из следующих основных компонентов: минеральных примесей привностного характера, неорганических компонентов биогенного происхождения, органического вещества отмерших водных растений и организмов, обитающих в воде озера и населяющих его дно и берега.

Для донных отложений, которые являются своеобразной депонирующей средой, характерна способность накапливать вместе с химическими элементами информацию об экологическом состоянии всей водосборной площади, включая виды производств. Темпы и объемы формирования донных отложений, а также уровень загрязненности их слоев различные на всем протяжении существования водного объекта, что позволяет проследить воздействие изменяющейся техногенной нагрузки на речные экосистемы во времени и изменение происходящих естественных процессов.

Органическое вещество сапропеля представляет собой совокупность растительных и животных остатков, а также продуктов их распада. В его состав входят продукты гидролиза биополимеров, полимерные соединения, образовавшиеся в процессе биотической и абиотической деструкции, продукты синтеза органических веществ, а также продукты жизнедеятельности микроорганизмов.

Сильно загрязненные донные отложения, в том числе и сапропели, оказывают серьезное отрицательное влияние на состояние воды. Загрязнения, поступающие в водные объекты, являются источниками «первичного загрязнения», которые, накапливаясь в больших концентрациях в сильно загрязненных донных отложениях, могут, в свою очередь, послужить источником «вторичного» загрязнения, вызывая тем самым ухудшение качества воды. Это является важным обстоятельством, обусловливающим необходимость включения донных отложений в состав основных объектов экологических и эколого-геохимических исследований и использование их для оценки экологического состояния водных систем. В связи с этим изучение «чистоты» донных отложений имеет исключительно важное значение.

Есть огромный класс природных органических веществ, о котором химики надолго и совершенно незаслуженно забыли. Между тем, с точки зрения химии и других отраслей будущего, их возможности безграничны. Речь пойдет о гуминовых веществах – основной органической составляющей почвы, воды, а также твердых горючих ископаемых. Гуминовые вещества образуются при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов и абиотических факторов среды. Образование гуминовых веществ, или гумификация, – это второй по масштабности процесс преобразования органического вещества после фотосинтеза. В отличие от синтеза в живом организме, образование гуминовых веществ не управляется генетическим кодом. В результате получается вероятностная смесь молекул, в которой ни одно из соединений не тождественно другому. Таким образом, гуминовые вещества – это очень сложная смесь природных соединений, не существующая в живых организмах.

Гуминовые вещества есть почти повсюду в природе. Их содержание в морских водах 0,1–3 мг/л, в речных – 20 мг/л, а в болотах – до 200 мг/л. В почвах гуминовых веществ 1–12%, при этом больше всего их в черноземах. Лидерами по содержанию этих соединений являются органогенные породы, к которым относятся уголь, торф, сапропель, горючие сланцы.

Запасы бурого угля в мире превышают 1 трлн т, а торфа –более 500 млрд т. При торфяных разработках нарушаются естественные болотные ландшафты, то есть экосистемы, необходимые для поддержания экологического равновесия, поэтому добычу торфа в мире признали нецелесообразной.

Крупномасштабный источник гуминовых веществ – сапропель. Только в России его запасы составляют примерно 225 млрд м3 . Однако в сапропеле гораздо больше минеральных примесей, чем в торфе и угле, и он существенно разнообразнее по химическому составу, поэтому нужны более сложные технологии его переработки. С другой стороны, для производства сырья на месте и этот вариант может оказаться полезным, тем более что в сапропеле нередко уже содержатся различные микроэлементы, которые нужны в качестве удобрений и кормовых добавок. Параллельно при добыче сапропеля удается очистить заиливающиеся озера.

В 1950–1970-е годы в СССР было создано значительное количество организаций, занимавшихся торфоразработкой и заготовкой сапропеля для использования в сельском хозяйстве и для реализации частному сектору. Были начаты исследования по использованию сапропеля в кормлении животных в качестве кормовых добавок и т. д. Значительное количество сапропеля использовалось в медицине в качестве лечебных грязей, в фармакологии, ветеринарии. В промышленности сапропель начал использоваться в производстве строительных, тепло- и звукоизоляционных материалов, в бетонировании, в бурильных растворах, металлургии, химической промышленности. Перестройка прервала все эти работы, организации развалились, но, к счастью, в последние годы они начинают возобновляться и выходят на новый уровень. В частности, начинаются разработки методик по использованию производных сапропеля.

Основной метод, с помощью которого выделяют гуминовые вещества, – щелочная экстракция растворами пирофосфата калия или натрия. Такая обработка переводит их в водорастворимые соли – гуматы калия или натрия, обладающие высокой биологической активностью. На этой основе нами разработана технология получения ультрадисперсной гумато-сапропелевой суспензии с включением в технологию использование ультразвуковой кавитации. Эта технология получения УДГСС позволяет частично разрушать бензольные кольца с карбоксильными и фенольными группами, что позволяет повысить активность гуминовых веществ в полученной суспензии.

После разработки и освоения методики получения УДГСС проведены практические испытания УДГСС в институте и других научных учреждениях на основе протоколов о научно-техническом содружестве. Было установлено, что полученные суспензии эффективно дезактивируют распространенные в окружающей среде экотоксиканты ряда тяжелых металлов и при включении в рацион питания сельскохозяйственных животных приводят к значительному среднесуточному приросту живой массы. Было правомерно предположить, что ультрадисперсные гумато-сапропелевые суспензии, содержащие наночастицы с высокоразвитой поверхностью и наличием химически активных функциональных групп, должны обладать высокими сорбционными свойствами не только по отношению к неорганическим веществам, но и к субстанциям биологической природы типа вирусов и патогенных микроорганизмов.

Окружающая среда изобилует токсичными веществами и патогенными микроорганизмами как природного, так и антропогенного происхождения. Среди множества экотоксикантов, попадающих в организм живых существ с водой и пищей, особую опасность представляют микотоксины, цианотоксины, фосфор- и хлорорганические соединения, тяжелые металлы, которые обладают высокой токсичностью и способностью к биоаккумуляции. В этой связи на примере культуры рачков Daphnia magna были исследованы биологическая активность некоторых тяжелых металлов (ТМ) и полученные гумато-сапропелевые суспензии. Установлено, что ультрадисперсные гумато-сапропелевые суспензии предотвращают токсическое действие микотоксинов, тяжелых металлов и других природных микотоксикантов.

Практическое использование УДГСС на базе Псковского НИИ сельского хозяйства проведены исследования по изучению влияния препарата на среднесуточные приросты живой массы телок черно-пестрой молочной породы. Включение в рацион кормления в качестве кормовой добавки 20 мл на голову позволило:

• повысить среднесуточные приросты живой массы телок за опытный период по сравнению с контрольной группой на 18,0–20,6%;

• в втором опыте телкам давали УДГСС через месяц (месяц кормили, месяц перерыв), но продуктивность сохранилась как в первом опыте;

• в третьем опыте сократили время кормления телок до одного месяца (давали УДГСС только в первый месяц опыта). Телки дали среднесуточные приросты живой массы за опытный период по сравнению с контрольной группой на 16,0% выше.

Эти эксперименты показали высокую эффективность использования УДГСС в животноводстве, и не только при постоянном использовании в качестве кормовой добавки, но и в краткосрочные периоды, то есть УДГСС имеет пролонгированный характер действия в организме животных. Все опыты проходили три года в зимний стойловый период (с октября по май).

Высокие результаты были получены и в растениеводстве – при выращивании пшеницы на базе Псковского НИИ сельского хозяйства. Трехкратное опрыскивание всходов пшеницы (не корневая подкормка) при всходах, в период кущения и при выходе в трубку позволило повысить урожайность на 20,4%.

Исследования, проведенные совместно с Научно-исследовательским институтом экспериментальной медицины, показали, что суспензия сапропеля обладает адаптогенным свойством, повышает устойчивость клеток к неблагоприятным условиям, увеличивает функциональный резерв иммунных клеток животных. Исследованный препарат обладает, как минимум, стресс-протективным и ранозаживляющим свойствами.

Совместно с университетом ИТМО изучено бактерицидное действие ультрадисперсных гумато-сапропелевых суспензий на микрофлору зерновых культур при их хранении. Целью работы было исследовать бактерицидное и бактериостатическое действие ультрадисперсных гумато-сапропелевых суспензий на бактериальную микрофлору зерна ржи и овса. Выраженный эффект получен при выдерживании бактериальных клеток в ультрадисперсной гумато-сапропелевой суспензии. Сделан вывод о том, что ультрадисперсные гумато-сапропелевые суспензии оказывают заметное бактериостатическое действие. Таким образом, ультрадисперсные гумато-сапропелевые суспензии могут быть использованы для разработки технологии хранения зерна, обеспечивающей длительное «консервирование» и предотвращение развития бактериальной микрофлоры.

Проведены поисковые исследования по дальнейшему углублению изучения и получению новых продуктов из сапропеля. Из УДГСС нами были выделены фульво (фулевые) кислоты путем осаждения гуминовых кислот в кислой среде. Таким образом, мы имеем три отдельно выделенных продукта из сапропеля – УДГСС, гуминовые и фульво (фулевые) кислоты. Надеемся, что все эти продукты мы сумеем хорошо исследовать и в дальнейшем найти возможность их практического применения. Основную ставку мы делаем на разработку и использование фульво (фулевых) кислот.

Фульвовая кислота – естественное природное соединение, образующееся в процессе расщепления гуминовых веществ почвенными микроорганизмами и обладающее исключительными свойствами. По мнению ученых фульвокислота – источник жизни на земле, ключ к здоровью, без нее не может существовать ни один живой организм. Она улучшает обменные процессы, восстанавливает энергетические запасы в клетках, обладая антиоксидантными свойствами, нейтрализует тяжелые и ядовитые металлы, способствует выведению токсинов из организма. В ее составе 18 аминокислот, 10 витаминов и 74 органических минерала, представляющих собой мельчайшие ионы, что и позволяет им легко усваиваться. Ученые настаивают, что без фульвовой кислоты и фульватов жизнь растений, животных и человека была бы невозможна.

В заключение хочу привести сравнение учеными двух углеводородов – нефти и сапропеля. Нефть очень долго не использовалась человечеством, пока не были разработаны методы ректификации. В современном мире невозможно обходиться без нефти. Точно так же будет и с сапропелем, только вот он значительно сложней и многогранней. Так же просто и быстро разложить его на составляющие, как «черное золото», не удастся.

Создать комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *