Проблема вредоносного цветения водорослей (ВЦВ) становится все более острой по всему миру, требуя незамедлительных научных решений. Глобальное распространение ВЦВ, подтвержденное исследованиями в Италии, Китае и Атлантическом бассейне, указывает на критическую необходимость разработки эффективных стратегий по управлению водными экосистемами. В частности, высокое соотношение азота к фосфору, обнаруженное во многих водоемах, подчеркивает роль фосфора как ключевого фактора, способствующего развитию ВЦВ. Эффективное управление содержанием фосфора является важнейшим шагом для сдерживания распространения ВЦВ и защиты уязвимых экосистем.
В контексте поиска инновационных решений, все больше внимания уделяется переработке биомассы водорослей, которая часто представляет собой проблемный побочный продукт, в ценные материалы. Этот подход открывает возможности для превращения водорослей в разнообразные продукты, такие как биопластики, биоудобрения и биотопливо. Кроме того, биомасса водорослей исследуется как перспективный материал для очистки окружающей среды от тяжелых и редкоземельных металлов, красителей, углекислого газа и летучих органических соединений.
Несмотря на растущий интерес к переработке водорослей, исследования по использованию биомассы водорослей, особенно цианобактерий (сине-зеленых водорослей), для создания материалов, предназначенных для удаления фосфатов из воды, остаются ограниченными. Эта исследовательская лакуна подчеркивает необходимость дальнейших разработок в этой области, особенно учитывая, что цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли, часто являются основной причиной ВЦВ.
Инновационное решение было найдено исследователями из Инженерно-компьютерного колледжа Флоридского Атлантического Университета (FAU). Они разработали адсорбционные материалы на основе биомассы цианобактерий, чтобы эффективно удалять фосфор из воды. Ученые смогли превратить биомассу цианобактерий, которая обычно считается опасным отходом, в специально разработанные адсорбенты. Эти материалы обладают способностью извлекать вредный фосфор из воды, эффективно связывая молекулы на своей поверхности. Важно отметить, что адсорбенты отличаются от абсорбентов тем, что улавливают молекулы на поверхности, а не впитывают вещества внутрь своей структуры.
Процесс создания и модификации адсорбционных материалов для повышения эффективности удаления фосфатов включал несколько ключевых этапов. Биомасса цианобактерий была собрана из озера Окичоби во Флориде. Затем биомассу обрабатывали перед активацией, используя быстрый и энергоэффективный метод микроволнового нагрева. Для улучшения способности адсорбентов удалять фосфаты, материалы были модифицированы хлоридом лантана и хлоридом цинка. Лантан, относительно распространенный металл, относящийся к группе редкоземельных элементов, и хлорид цинка, используются в различных областях, включая очистку окружающей среды, промышленные процессы и химическое производство. Предыдущие исследования не выявили рисков для здоровья человека, связанных с использованием лантана для удаления фосфора.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Algal Research, продемонстрировали высокую эффективность материалов, модифицированных хлоридом лантана, в удалении фосфора. Материалы, обработанные хлоридом лантана, удалили более 99% фосфора даже при начальной концентрации фосфора, достигающей 20 миллиграммов на литр воды. Лучший материал был синтезирован всего за три минуты и продемонстрировал 90% эффективность удаления фосфора при использовании всего 0,2 грамма материала на литр загрязненной воды и времени контакта всего 30 минут. Важно отметить, что материал эффективно работал в присутствии природных органических веществ, избирательно удаляя фосфор. Исследование предполагает, что адсорбенты на основе водорослей, модифицированные лантаном, могут помочь снизить ВЦВ за счет удаления фосфора из воды. Эффективность материала объясняется образованием соединения LaPO4.H2O (рабдофан), которое необратимо связывает фосфор.
Масуд Джахандар Лашаки, доктор философии, старший автор исследования и доцент, а также руководитель аспирантской программы в Департаменте гражданской, экологической и геоматической инженерии FAU, подчеркивает потенциал материалов на основе водорослей, модифицированных лантаном, для удаления фосфора и предотвращения ВЦВ. Он отмечает, что эти материалы могут стать эффективным решением для удаления фосфора и предотвращения ВЦВ в более широком масштабе. Разработка адсорбента с использованием доступных отходных материалов, таких как биомасса водорослей и лантан, позволяет эффективно нацеливаться и удалять избыточный фосфор из воды, который является основным фактором, способствующим ВЦВ, приводящим к токсичным водным условиям, потере водной жизни и значительным экономическим последствиям для таких отраслей, как рыболовство и туризм.
Исследование демонстрирует многообещающий инновационный подход к управлению качеством воды и потенциально может стать важным инструментом для управления загрязнением питательными веществами после дальнейшей доработки и масштабирования. Цель этого подхода – сохранение водных экосистем по всему миру.
Стелла Баталама, доктор философии, декан Инженерно-компьютерного колледжа FAU, подчеркивает высокую эффективность этих материалов в удалении фосфора в широком диапазоне концентраций. Она отмечает, что этот подход может предоставить экологически чистое и экономически эффективное решение для смягчения последствий эвтрофикации, процесса, при котором избыток питательных веществ, особенно фосфора, стимулирует рост вредных водорослей в озерах, реках и прибрежных районах.
Применение материалов на основе водорослей, модифицированных лантаном, в регионах, подверженных ВЦВ, может помочь сообществам значительно сократить возникновение ВЦВ, улучшить качество воды, защитить экосистемы и обеспечить безопасную воду для использования человеком и дикой природой.
Соавторами исследования являются Витулан Сутакаран, инженер-строитель и докторант Инженерно-компьютерного колледжа FAU, Райан Томас и Митчелл Гуирард, инженеры-экологи и выпускники FAU, а также Даниэль Мееров, доктор философии, профессор и декан программ бакалавриата Департамента гражданской, экологической и геоматической инженерии FAU.
Изображение носит иллюстративный характер
В контексте поиска инновационных решений, все больше внимания уделяется переработке биомассы водорослей, которая часто представляет собой проблемный побочный продукт, в ценные материалы. Этот подход открывает возможности для превращения водорослей в разнообразные продукты, такие как биопластики, биоудобрения и биотопливо. Кроме того, биомасса водорослей исследуется как перспективный материал для очистки окружающей среды от тяжелых и редкоземельных металлов, красителей, углекислого газа и летучих органических соединений.
Несмотря на растущий интерес к переработке водорослей, исследования по использованию биомассы водорослей, особенно цианобактерий (сине-зеленых водорослей), для создания материалов, предназначенных для удаления фосфатов из воды, остаются ограниченными. Эта исследовательская лакуна подчеркивает необходимость дальнейших разработок в этой области, особенно учитывая, что цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли, часто являются основной причиной ВЦВ.
Инновационное решение было найдено исследователями из Инженерно-компьютерного колледжа Флоридского Атлантического Университета (FAU). Они разработали адсорбционные материалы на основе биомассы цианобактерий, чтобы эффективно удалять фосфор из воды. Ученые смогли превратить биомассу цианобактерий, которая обычно считается опасным отходом, в специально разработанные адсорбенты. Эти материалы обладают способностью извлекать вредный фосфор из воды, эффективно связывая молекулы на своей поверхности. Важно отметить, что адсорбенты отличаются от абсорбентов тем, что улавливают молекулы на поверхности, а не впитывают вещества внутрь своей структуры.
Процесс создания и модификации адсорбционных материалов для повышения эффективности удаления фосфатов включал несколько ключевых этапов. Биомасса цианобактерий была собрана из озера Окичоби во Флориде. Затем биомассу обрабатывали перед активацией, используя быстрый и энергоэффективный метод микроволнового нагрева. Для улучшения способности адсорбентов удалять фосфаты, материалы были модифицированы хлоридом лантана и хлоридом цинка. Лантан, относительно распространенный металл, относящийся к группе редкоземельных элементов, и хлорид цинка, используются в различных областях, включая очистку окружающей среды, промышленные процессы и химическое производство. Предыдущие исследования не выявили рисков для здоровья человека, связанных с использованием лантана для удаления фосфора.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Algal Research, продемонстрировали высокую эффективность материалов, модифицированных хлоридом лантана, в удалении фосфора. Материалы, обработанные хлоридом лантана, удалили более 99% фосфора даже при начальной концентрации фосфора, достигающей 20 миллиграммов на литр воды. Лучший материал был синтезирован всего за три минуты и продемонстрировал 90% эффективность удаления фосфора при использовании всего 0,2 грамма материала на литр загрязненной воды и времени контакта всего 30 минут. Важно отметить, что материал эффективно работал в присутствии природных органических веществ, избирательно удаляя фосфор. Исследование предполагает, что адсорбенты на основе водорослей, модифицированные лантаном, могут помочь снизить ВЦВ за счет удаления фосфора из воды. Эффективность материала объясняется образованием соединения LaPO4.H2O (рабдофан), которое необратимо связывает фосфор.
Масуд Джахандар Лашаки, доктор философии, старший автор исследования и доцент, а также руководитель аспирантской программы в Департаменте гражданской, экологической и геоматической инженерии FAU, подчеркивает потенциал материалов на основе водорослей, модифицированных лантаном, для удаления фосфора и предотвращения ВЦВ. Он отмечает, что эти материалы могут стать эффективным решением для удаления фосфора и предотвращения ВЦВ в более широком масштабе. Разработка адсорбента с использованием доступных отходных материалов, таких как биомасса водорослей и лантан, позволяет эффективно нацеливаться и удалять избыточный фосфор из воды, который является основным фактором, способствующим ВЦВ, приводящим к токсичным водным условиям, потере водной жизни и значительным экономическим последствиям для таких отраслей, как рыболовство и туризм.
Исследование демонстрирует многообещающий инновационный подход к управлению качеством воды и потенциально может стать важным инструментом для управления загрязнением питательными веществами после дальнейшей доработки и масштабирования. Цель этого подхода – сохранение водных экосистем по всему миру.
Стелла Баталама, доктор философии, декан Инженерно-компьютерного колледжа FAU, подчеркивает высокую эффективность этих материалов в удалении фосфора в широком диапазоне концентраций. Она отмечает, что этот подход может предоставить экологически чистое и экономически эффективное решение для смягчения последствий эвтрофикации, процесса, при котором избыток питательных веществ, особенно фосфора, стимулирует рост вредных водорослей в озерах, реках и прибрежных районах.
Применение материалов на основе водорослей, модифицированных лантаном, в регионах, подверженных ВЦВ, может помочь сообществам значительно сократить возникновение ВЦВ, улучшить качество воды, защитить экосистемы и обеспечить безопасную воду для использования человеком и дикой природой.
Соавторами исследования являются Витулан Сутакаран, инженер-строитель и докторант Инженерно-компьютерного колледжа FAU, Райан Томас и Митчелл Гуирард, инженеры-экологи и выпускники FAU, а также Даниэль Мееров, доктор философии, профессор и декан программ бакалавриата Департамента гражданской, экологической и геоматической инженерии FAU.
