Колоїдно-хімічні закономірності біоагрегації грунтових колоїдів - Автореферат

Ґрунтові колоїди - найбільш динамічна, збагачена біогенними елементами частина твердої фази ґрунту схильна до коагуляції з утворенням агрегатів, що захоплюють більш крупні частинки ґрунту. Метою дослідження було вивчення колоїдно-хімічних закономірностей та механізмів агрегації ґрунтових колоїдів, їх взаємодії з метаболізуючими мікроорганізмами та розробка наукових основ біоколоїдного процесу покращання/відновлення структури ґрунту. дослідити взаємодію ґрунтових колоїдів та мікроорганізмів із сполуками металів, вивчити взаємозвязок процесів біовилуговування металів з ґрунту та агрегативної стійкості ґрунтових дисперсій; В роботі вперше сформульовано колоїдно-хімічні закономірності біоагрегації ґрунтових колоїдів: визначено умови незворотної коагуляції частинок ґрунту та мікроорганізмів, співставлено кінетику коагуляції з особливостями культивування мікроорганізмів, досліджено зміну поверхневих властивостей ґрунтових колоїдів в процесі біоагрегації. Окремий підрозділ присвячено проблемі взаємодії мікроорганізмів з ґрунтовими колоїдами, в якому показано, що мікробіота в процесі своєї життєдіяльності чинить різноманітний вплив на стан ґрунтової екосистеми.Досліджено колоїдно-хімічні процеси та механізми агрегації в системі грунт - асоціат біоколоїдів мікробоценозу “активний мул”. Отримані результати стали науковою основою нового ефективного біоколоїдного процесу оструктурювання різних типів ґрунтів. Показано, що в процесі розвитку мікробоценозу активного мулу при використанні глюкози або поліпептидів/ацетату в якості джерел вуглецю відбувається синтез екзополімерів, що зумовлює коагуляцію грунтових гетеродисперсій. Встановлено, що реалізація процесу переважно незворотної коагуляції з мінімальним барєром іонно-електростатичної взаємодії відбувається при значній різниці поверхневих потенціалів, розмірів частинок ґрунту та асоціатів біоколоїдів активного мулу в присутності мікробних полісахаридів. Встановлено наступний порядок зміни електричних та гідрофобних властивостей ґрунтових та мікробних колоїдів: гідрофобність - активний мул >> лучно-чорноземний > сірий лісовий > дерново-підзолистий грунт > Bacillus cereus ВКМ 4368; негативний ж-потенціал - Bacillus cereus ВКМ 4368 > лучно-чорноземний > сірий лісовий > дерново-підзолистий грунт > активний мул.

1. Досліджено колоїдно-хімічні процеси та механізми агрегації в системі грунт - асоціат біоколоїдів мікробоценозу “активний мул”. Встановлено, що висока ефективність гетерокоагуляції між клітинами та частинками ґрунту з формуванням агрегатів відбувається при низьких значеннях ж-потенціалу, підвищеній гідрофобності, в присутності біоекзополімерів в умовах алкалігенного вектору мікробного метаболізму. Отримані результати стали науковою основою нового ефективного біоколоїдного процесу оструктурювання різних типів ґрунтів.

2. Показано, що в процесі розвитку мікробоценозу активного мулу при використанні глюкози або поліпептидів/ацетату в якості джерел вуглецю відбувається синтез екзополімерів, що зумовлює коагуляцію грунтових гетеродисперсій. При рості мікроорганізмів на поліпептидах/ацетаті (алкалігенний метаболізм) утворюються більш щільні, менш схильні до пептизації водою осади в порівнянні з ростом на глюкозі (ацидогенний метаболізм). Встановлено кореляцію між вмістом органічного вуглецю в системі та стійкістю агрегатів ґрунтових колоїдів.

3. Виявлено, що мікробоценоз активного мулу має сильну флокулюючу дію по відношенню до ґрунтових дисперсій, близьку до такої поліакриламіду. Процес гетерокоагуляції колоїдів інтенсифікується введенням розчинів хлоридів кальцію та заліза (ІІІ).

4. Досліджено взаємодію ґрунтових колоїдів та мікроорганізмів з катіонами металів (міді та стронцію), а також фульватними та цитратними комплексами на їх основі. Встановлено, що кількість металів, що сорбується фракціями ґрунтів та міцність їх утримування тісно корелює з вмістом в них органічного вуглецю. Показано, що величини граничної сорбції сполук металів активним мулом відповідають послідовності: Cu2 > Sr2 > Sr-фульват > Sr-цитрат > Cu-фульват > Cu-цитрат. Встановлено, що в слабо звязаних формах активний мул та грунти можуть містити до 7% міді та до 40% стронцію від пулу металів.

5. Досліджені колоїдно-хімічні закономірності формування біоагрегатів в грунті при культивуванні в ньому активного мулу з алкалігенним вектором метаболізму. Встановлено, що реалізація процесу переважно незворотної коагуляції з мінімальним барєром іонно-електростатичної взаємодії відбувається при значній різниці поверхневих потенціалів, розмірів частинок ґрунту та асоціатів біоколоїдів активного мулу в присутності мікробних полісахаридів.

6. Встановлено наступний порядок зміни електричних та гідрофобних властивостей ґрунтових та мікробних колоїдів: гідрофобність - активний мул >> лучно-чорноземний > сірий лісовий > дерново-підзолистий грунт > Bacillus cereus ВКМ 4368; негативний ж-потенціал - Bacillus cereus ВКМ 4368 > лучно-чорноземний > сірий лісовий > дерново-підзолистий грунт > активний мул. В процесі біоагрегації - при розвитку мікроорганізмів на глюкозі або поліпептидах/ацетаті - відбувається підвищення гідрофобності та зниження негативного заряду ґрунтових колоїдів, особливо чітко виражене у випадку найбільш гумусованого лучно-чорноземного ґрунту в умовах алкалігенного вектору метаболізму.

7. Досліджено очищення та оструктурювання ґрунту, забрудненого важкими металами з використанням біоколоїдних процесів. Показано більш високу ефективність біологічного вилуговування міді з ґрунтів - до 98% в порівнянні з хімічним в мяких умовах. Продемонстровано можливість відновлення структурного стану ґрунту, порушеного після видалення важких металів.

8. Запропоновано новий біоколоїдний процес покращання/відновлення структури ґрунту, що базується на введенні та культивуванні в ньому мікробоценозу активного мулу з переважним алкалігенним вектором метаболізму. При цьому кількість водостійких агрегатів в нативному грунті, а також в грунті після біовилуговування важких металів підвищується в 2-4 рази та зберігається протягом шести місяців.

Основні результати дисертації викладено у роботах: 1. Никовская Г.Н., Ульберг З.Р., Борисова Е.Н. Сорбция-десорбция ионов меди и стронция почвой. Влияние микроорганизмов на состояние металлов // Коллоидный журнал - 2004. - Т. 66., №4. - С. 504-509. (Вивчення літературних джерел, постановка та проведення експерименту, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті).

2. Никовская Г.Н., Ульберг З.Р., Борисова Е.Н., Стрижак Н.П. Сорбция ионов, фульватных и цитратных комплексов меди и стронция из водных растворов флокулирующим микробоценозом // Коллоидный журнал - 2004. - Т. 66., №5. - С. 623-628. (Проведення експерименту та участь у обговоренні результатів досліджень).

3. Никовская Г.Н., Ульберг З.Р., Борисова Е.Н. Влияние различных мелиорантов и микроорганизмов на агрегативную устойчивость коллоидной фракции лугово-черноземной почвы // Коллоидный журнал. - 2006 . - Т. 68, №3. - С. 345-349. (Вивчення літературних джерел, постановка та проведення експерименту, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті).

4. Борисова К.М., Ніковська Г.М., Ульберг З.Р. Обгрунтування біоколоїдної технології покращання структури грунту // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2005. - №6. - 126-129. (Формулювання цілей дослідження, постановка та проведення експерименту, інтерпретація результатів досліджень, написання статті).

5. Патент України, МПК 7В09С1/10, С09К17/32. Спосіб покращення структури грунту / Ніковська Г.М., Борисова К.М., Ульберг З.Р. - 2006. - Бюл. № 9. - І частина. (Участь у підготовці та проведенні експерименту, інтерпретації отриманих результатів, написанні та оформленні патенту).

6. Уманец Е.Н. (Борисова Е. Н.) Коллоидно-химические закономерности поведения тяжелых металлов в почве // Тези доповідей учасників Всеукраїнської конференції молодих вчених з актуальних питань хімії. - Київ: ІХП НАНУ. - 2003. - С. 68. (Постановка та проведення експерименту, написання тез).

7. Борисова Е.Н. Колоидно-химический подход к оструктуриванию почвы // Збірка тез доповідей VIII Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство”. - К.: Національний технічний університет України “КПІ”. - 2005. - С. 59. (Постановка та проведення експерименту, трактування результатів досліджень, написання тез).

8. Борисова Е.Н., Никовская Г.Н., Марочко Л.Г., Стрижак Н.П. Коллоидно-химические аспекты биоагрегации почвенных коллоидов // “Коллоидные системы, свойства, материалы, применение”. Сборник тезисов международной конференции-школы 28 августа-1 сентября 2006 г. - К.: ИБКХ им. Ф.Д. Овчаренко НАН Украины. - 2006. - С. 80. (Постановка та проведення експерименту, трактування результатів досліджень, написання тез).