نانو فن‌آوری در علوم زمین

 

محمد قره داغلی-پدیده‌ها در مقیاس نانو برای علوم زمین مهم و بی‌نظیر هستند. کارهای تحقیقاتی اخیر نشان می‌دهد بسیاری از نتایج و روش‌های فرایندهای ژئوشیمیایی بر مبنای پدیده‌های در مقیاس نانومتر در ذرات است. نیروهای سطحی، تأثیر نامتناسب و غیریکنواختی روی ساختار شیمی و تحرک این نانو ذرات در کره زمین دارند. در بسیاری حالات تفاوت‌های اساسی بین مواد حل شده، کلویید‌ها و جامدات وجود دارد.

دانش نانو زمین به‌طور عام، شامل مطالعه مواد و فرایند‌ها در حد نانو که نقش آن‌ها در فرایندهای زمین‌شناسی در کره زمین و دیگر سیارات مؤثر است، تعریف می‌شود.

جامعه علوم زمین برای پیشبرد اهداف خود نیازمند همسویی با موج سریع انقلاب نانوفن‌آوری است. تحقیقات نانو تأثیر قابل توجهی بر روی فرایندهای شیمیایی و زمین‌شناسی در ترازهای کم‌عمق زمین گذاشته زیرا این پدیده‌ها اساساً مولکولی هستند. فرایندهای نانومقیاس محوراصلی درک ما از نحوه شکل‌گیری خاک، چرخه جهانی عناصر، بهره‌مندی از اقیانوس‌ها، حفاظت زیست‌محیطی و بیوژئوشیمی است. دانش زمین ترکیبی از مشاهدات صحرایی، فعالیت آزمایشگاهی و تلفیق این اطلاعات در یک مدل می‌باشد. نانو زمین نانوکانی شناسی (شکل‌گیری، ساختار، و واکنش‌پذیری سیستم‌های نانو ذره‌ای طبیعی)، ثبات و پایداری نانو ذرات (ترمودینامیک، کینتیک تشکیل، آگرگاسیون)، جابه‌جایی و ژئوشیمی نانو ذرات (آئروسل، جابه‌جایی فازهای مایع، چرخه انواعی از نانو ذرات که از خشکی‌ها به اقیانوس‌ها در چرخه ژئوشیمی نقش دارند)، واکنش‌های زیستی- آلی و نانو ذرات و اندرکنش‌های حاصله گاه به صورت ته نشست اکسید‌های فلزی در برگرفته توسط میکرو ارگانیسم‌ها مثال‌هایی از کاربرد نانوفن‌آوری در مباحث مختلف علوم زمین هستند.

استخراج و فراوری معادن، سبب ر‌ها شدن فلزات سمی و سنگین به خاک‌های اطراف معدن و پساب‌ها می‌شود و جداسازی این فلزات از خاک و آب به روش‌های مرسوم امکان‌پذیر نبوده و یا با هزینه‌های هنگفتی همراه است که مقرون به صرف نمی‌باشد. در بحث بیوفن‌آوری در پاکسازی محیط، از میکروارگانیسم‌های بومی همان معادن استفاده می‌شود. بسیاری از میکروارگانیسم‌‌ها از این فلزات به‌عنوان غذا استفاده می‌کنند و تعدادی دیگر، این فلزات را در سطح سلول و یا در شبکه داخلی خود محبوس کرده و از محیط جدا می‌نمایند. به عنوان مثال بر طبق گزارش Kapoor and Viraraghavan 1994)) باکتری‌هایی چون سودونوماس ائوروگینوسا Pseudonomas aeruginosa همراه با نانوتیوپ‌های کربنی جهت جذب فلزات سنگین بسیار کارایی دارند.

 یکی از عناصری که بسیار سمی و خطرناک است، عنصر اورانیوم است که به دو روش پاکسازی می‌شود: ۱) حذف سطحی ترکیبات اورانیومی بر روی دیواره نانو زیست پلیمری برخی از میکروارگانیسم‌ها و حذف آن‌ها از پساب و ۲) احیای ترکیبات اورانیوم ۶ ظرفیتی محلول به اورانیوم ۴ ظرفیتی قابل رسوب در یک فرایند کاتالیستی میکروبی و حذف اورانیوم از فاز مایع. در این روش‌ها فاضلاب‌ها و آب‌های زیرسطحی حاوی اورانیوم با غلظت‌های بین ۰٫۲۵ ppm تا ۲۳۵ppm مورد تصفیه قرار گرفته و تا زیر ۰٫۰۰۱۴ppm از فاضلاب پاکسازی می‌شوند.

 در دهه‌های اخیر نشان داده شده است، قارچ‌ها توانایی قابل توجهی در جداسازی فلزات سنگین از کانی‌های معدنی و آب‌های آلوده به آن‌ها دارا هستند. همچنین قابلیت حذف رنگ و بسیاری از ترکیبات آلی را دارند. مطالعات اندکی در ایران در زمینه جداسازی فلزات از کانی‌های معدنی و همچنین حذف فلزات سنگین از پساب‌های سنتتیک صورت گرفته است. نگارنده مقاله در سال ۱۳۷۷ تا ۱۳۸۲ تحقیقات گسترده‌ای را در خصوص کاربرد قارچ‌های مختلف در جداسازی فلزات سنگین از آب‌های آلوده و کانی‌های معدنی به انجام رسانیده است. هدف از ارایه این مقاله، آشنایی محققین با متدولوژی استفاده از قارچ‌ها در جدا‌سازی فلزات سنگین از کانی‌ها در معادن و محیط‌های آبی است. آشنایی با بیولوژی قارچ‌ها و محیط کشت‌های ا ختصاصی آن‌ها، غربالگری قارچ‌ها از محیط و خالص‌سازی آن‌ها از طریق مطالعه منابع مختلف علمی و مقالات چاپ شده صورت گرفته است.

 قارچ‌های مورد مطالعه را باید ابتدا از محیط‌های دفع پساب جداسازی نموده، کشت داده و سپس خالص‌سازی کرد. همچنین می‌توان قارچ‌های مورد نظر را از کلکسیون مراکز تحقیقاتی، مانند مرکز تحقیقات بیوتکنولوژی محیط که لیو فلیزه می‌باشد تهیه نمود. از قارچ‌های زنده در جداسازی فلزات سنگین می‌توان از طریق استفاده از اسپور آن‌ها، توده میسیلیومی در یک محیط معلق و یا چسبیده بر یک بستر ثابت و یا شناور استفاده نمود. همچنین می‌توان از سلول‌های مرده قارچ‌ها به صورت‌هایی که به آن‌ها اشاره شد، استفاده نمود. بررسی مکانیسم‌های جذب فلزات توسط سلول‌های زنده و یا مرده قارچ بخش دیگری از مطالعات است که با استفاده از روش‌های شیمیایی و الکترومیکروسکوپی قابل انجام است.

 بررسی میزان بازیافت فلزات جذب شده نیز قابل مطالعه است. با استفاده از اطلاعات فوق می‌توان مدل‌های جذب فلزات را توسط قارچ‌ها تعیین نمود.

 سلول‌های زنده قارچ‌ها قادرند تا بیش از ۹۰ درصد جذب بالایی هستند. مکانیسم جذب فلزات توسط قارچ‌ها از نوع جذب سطحی سلول و جذب متابولیک است. نگارنده مقاله پتانسیل جذب فلز کروم (+۳) را در پساب سنتتیک که با استفاده از کانی کرومیت تهیه شده بود، با استفاده از قارچ‌های آسپرژیلوس نیجر و آسپرژیلوس اوریزا، فانروکیت کرایزوسپوریوم و ریزوپوس اوریزا مطالعه کرده است. میزان حذف کروم توسط سلول‌های زنده و مرده قارچ به ترتیب ۹۰-۹۹ درصد و ۷۵-۸۵ درصد بوده است .

 حذف فلزات سنگین به کمک تکنولوژی بیوفن‌آوری و بازیافت آن‌ها به صورت نانوذرات

 فلزات سنگین آلوده‌کننده‌های سمی هستند که باید از پسماندهای آبی، قبل از این‌که در محیط تخلیه شوند از محیط حذف شوند. فرایندهای فیزیکی و شیمیایی زیادی برای حذف فلزات سنگین از پسماندهای آبی در دسترس است، که شامل تبادل یونی، ته نشینی الکتروشیمیایی، فیلتراسیون و جذب به وسیله کربن فعال شده می‌باشد.

 مشکل اساسی که در مورد روش ته نشینی وجود دارد ایجاد لجن و رسوب گل و لای است که باعث مشکلات اساسی در زمین‌های کشاورزی می‌شود و دو مورد دیگر به دلیل قیمت زیادشان در استفاده از آن‌ها محدودیت‌های زیادی وجود دارد. یکسری موجودات آبزی وجود دارد که ظرفیت بالایی در جذب فلزات سنگین از پسماندهای آبی در مقادیر زیاد دارد و قیمت استفاده از این روش بسیار پایین تر است.

 استفاده از میکروموج‌های چند روشی داخلی یا کوره‌های میکروموج‌های تک روشی برای ساختن‌نانو مواد غیرارگانیکی بسیار رایج شده است. این تکنولوژی در مقایسه با دیگر تکنولوژی‌ها در مدت زمان بسیار کوتاهی انجام می‌شود.

 به‌طور مثال یکی از آن‌ها جذب یون‌های فلزی توسط موجودات آبزی و دیگری تبدیل یون‌های سنگین جذب شده به نانو ذرات فلزی می‌باشد. این روش به ما کمک می‌کند تا فلزات سنگین را از پسماند‌ها حذف کنیم و سپس این فلزات جذب شده را به صورت نانو ذرات فلزی قابل توجهی بازیافت کنیم.

 

 در این مطالعات موجود آبزی((Azolla)) به‌کار برده شده برای جذب یون‌های مانند نقره، سرب، روتانیوم در محلول‌های آبی استفاده می‌شود. این یون‌های فلزی سنگین درفاضلاب‌های صنعتی، معدنی و شهری موجود هستند.