Загрязнение сельскохозяйственных почв кадмием угрожает безопасности урожая, поскольку этот токсичный металл может поглощаться корнями растений и попадать в пищевую цепочку. Новое исследование показывает, что сочетание биоугля с некоторыми компонентами органических удобрений поможет перевести кадмий в менее подвижные формы, при этом более крупные органические молекулы обычно обеспечивают более надежную защиту.
Исследователи Шэньянского сельскохозяйственного университета приготовили серию биоугольных композитов, используя растворенное органическое вещество, или DOM, извлеченное из органического удобрения. Они разделили DOM на три группы по молекулярной массе и проверили, как каждая из них влияет на адсорбцию кадмия, химический состав почвы и поглощение кадмия пекинской капустой.
Результаты показывают, что размер молекул DOM, полученных из органических удобрений, является важным фактором, определяющим эффективность иммобилизации кадмия биоуглем.
«Органические удобрения содержат очень сложную смесь растворенных соединений, но эти соединения взаимодействуют с тяжелыми металлами по-разному», — говорит автор исследования Яньхун Ван. «Результаты показывают, что выбор подходящих молекулярных фракций поможет разработать биоугольные добавки, которые будут лучше удерживать кадмий в почве и препятствовать его попаданию в сельскохозяйственные культуры».
Исследователи получили биоуголь из веток помело и смешали его с фракциями органического вещества с молекулярной массой менее 3 килодальтон, от 3 до 10 килодальтон и более 10 килодальтон. Лабораторные адсорбционные тесты показали, что добавление органического вещества к биоуглю повышает его способность поглощать ионы кадмия. В целом эффективность адсорбции повышалась с увеличением молекулярной массы органического вещества.
Самый прочный композит достиг максимальной адсорбционной способности по кадмию в 84,25 миллиграмма на грамм, по сравнению с 54,53 миллиграмма на грамм для исходного биоугля.
Химические анализы показали, что фракции DOM иммобилизуют кадмий с помощью различных механизмов. Высокомолекулярный DOM основан главным образом на взаимодействии кадмия с ароматическими π-электронами, в то время как низкомолекулярный DOM обеспечивает кислородсодержащие функциональные группы, которые могут образовывать комплексы с кадмием.
Затем команда добавила композиты в загрязненную кадмием сельскохозяйственную почву. В ходе 90-дневного эксперимента по инкубированию почвы добавки повысили ее pH на 0,43–0,84 единицы и снизили содержание доступного кадмия на 71–74% к концу эксперимента.
Ученые также изменили химическую форму металла. Содержание водорастворимого и легкоподвижного кадмия снизилось, а остаточная фракция, которая считается более стабильной и менее доступной для организмов, увеличилась на целых 123,77%.
Наиболее эффективные методы обработки снижали концентрацию кадмия в побегах на 74,46%. Композиты, содержащие более крупные молекулы органического вещества почвы, также более эффективно снижали обогащение растений кадмием и его перенос из корней в побеги.
При использовании материалов с самой высокой молекулярной массой наблюдалось наибольшее снижение концентрации кадмия, но при этом в некоторых экспериментальных условиях уменьшалась биомасса пекинской капусты. Это открытие подчеркивает необходимость оптимизации норм внесения удобрений, чтобы повышение безопасности пищевых продуктов не происходило за счет снижения урожайности.
Исследование, опубликованное в журнале Agricultural Ecology and Environment, дает молекулярное обоснование для превращения компонентов органических удобрений и сельскохозяйственных отходов в материалы для рекультивации. В будущих исследованиях необходимо протестировать композиты в полевых условиях, на разных типах почв и с более широким спектром культур.
