Проблема радиоактивного загрязнения водных ресурсов приобретает все большую актуальность в мире. Основную угрозу представляет цезий-137, образующийся в результате деятельности АЭС, работы предприятий ядерного топливного цикла и испытаний ядерного оружия. Сохраняя активность в окружающей среде более 30 лет, этот радионуклид способен мигрировать по водным системам и накапливаться в пищевых цепях, вызывая онкологические заболевания. Особая опасность заключается в его биохимическом сходстве с калием.
При попадании в организм он равномерно распределяется в тканях, создавая постоянный источник внутреннего облучения. Существующие сегодня методы очистки воды имеют свои недостатки. Например, природные сорбенты (водоросли, глина, цеолиты) захватывают все подряд и быстро теряют эффективность, а химическая очистка, когда загрязнения осаждаются на дно в виде хлопьев, создает радиоактивный осадок, который сложно и дорого утилизировать. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали новый биосорбент для очистки воды на основе водорослей и ферроцианида железа, способный поглощать до 113,64 миллиграмма цезия на грамм, превосходя природные аналоги в 11 раз.
Проблема радиоактивного загрязнения водной среды приобретает все большую актуальность в мире. Основную угрозу представляет цезий-137, который образуется в результате деятельности человека: при работе и авариях АЭС, испытаниях ядерного оружия и функционировании предприятий топливного цикла. Этот опасный радионуклид обнаруживается по всему миру, однако существуют территории с особо высокой концентрацией, например, в Чернобыле и Японии, районах расположения горно-химических комбинатов на Урале и территориях бывших ядерных полигонов. Цезий-137 сохраняется в окружающей среде более 30 лет, мигрирует по водным системам, накапливается в пищевых цепях и при попадании в организмы животных и человека вызывает тяжелые заболевания.
Его разрушительное воздействие обусловлено совокупностью физических и химических свойств. Прежде всего, цезий-137 — мощный источник гамма-излучения, которое обладает высокой проникающей способностью и может проходить через биологические структуры, нанося повреждения на клеточном уровне. Однако главная угроза кроется не столько во внешнем облучении, сколько в последствиях его попадания внутрь организма. Цезий-137 ведет себя как аналог жизненно необходимого калия, и наши системы метаболизма не способны отличить их друг от друга. В результате тело активно усваивает радиоактивный элемент и равномерно распределяет его по всем тканям и органам, но особенно он накапливается в мышцах, печени и селезенке.
Следовательно, внутри организма он создает постоянный источник облучения. Энергия распада его атомов повреждает ДНК, что ведет к гибели клеток или необратимым мутациям, которые со временем могут вызвать развитие онкологических заболеваний, таких как лейкозы и рак различных органов.
Поэтому эффективные технологии очистки жидких радиоактивных отходов критически важны. Традиционно в промышленности используются несколько методов, однако каждый из них имеет существенные недостатки. Например, природные сорбенты вроде цеолитов (материалы с пористой структурой), глин или водорослей поглощают все подряд — не только цезий, но и обычные соли натрия, калия и кальция, из-за чего быстро теряют эффективность.
Наиболее перспективным способом считается коагуляция. Ее суть заключается в добавлении в воду химикатов, склеивающих загрязнения в хлопья. Но несмотря на свою простоту и способность быстро очищать большие объемы воды, она создает новую проблему — большой объем радиоактивного ила, который сложно и дорого утилизировать. Все это приводит к рискам вторичного загрязнения окружающей среды. Именно поэтому создание селективных, но при этом безопасных сорбентов остается сегодня актуальной задачей.
Решение предложили ученые Пермского Политеха. Они разработали новый биосорбент для очистки воды на основе водорослей и ферроцианида железа. Статья опубликована в журнале «Химия. Экология. Урбанистика», том 1, 2025 год.
Для этого они выбрали три типа водорослей, известных своими очищающими свойствами, с принципиально разной структурой поверхности: волокнистую морскую траву (Zostera marina), пластинчатую красную (Phyllophora nervosa) и ветвистую бурую водоросль (Cystoseira barbata). Все они содержат альгинаты — природные полимеры, способные связывать тяжелые металлы.
Испытания показали, что природные материалы способны поглощать цезий, однако их эффективности недостаточно для промышленного использования. Даже наилучший показатель красной — 97,27 миллиграмма на грамм сорбента — не достигает требуемого для практического применения уровня, который должен составлять не менее 100-200 миллиграммов на грамм.
Чтобы повысить эту эффективность, ученые модифицировали водоросли, создав на их основе принципиально новый материал. Для этого на их поверхность методом послойной сборки (многоэтапного процесса, при котором активное вещество наносится тонкими слоями для создания прочного покрытия) нанесли ферроцианид желе
— Его ключевая роль — создание молекулярных «ловушек» именно для цезия. Это соединение, известное как «берлинская лазурь», обладает уникальной способностью избирательно захватывать и прочно удерживать опасные частицы, даже в присутствии других металлов, — рассказала Лариса Пан, кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ.
К тому же дополнительную прочность связующему слою придают микроскопические «якоря» — функциональные группы на поверхности водорослей, которые предотвращают вымывание активного компонента водой.
— Подготовленные образцы помещали в растворы, содержащие ионы цезия, и измеряли, насколько эффективно каждый из них поглощает радиоактивный элемент. Для точного определения концентрации опасного вещества до и после очистки использовали атомно-абсорбционный спектрометр (прибор для измерения концентрации металлов), позволяющий обнаруживать мельчайшие следы загрязнений, — добавила Лариса Пан.
Результаты эксперимента показали, что обработка «берлинской лазурью» увеличила сорбционную емкость водорослей в 2,5–8 раз. Наибольший прорыв продемонстрировала бурая водоросль, чья способность удерживать цезий выросла в 11 раз, достигнув показателя 113,64 миллиграмма на грамм. Это сделало ее на 15% эффективнее обработанной красной и на 12% лучше морской травы.
Следовательно, эксперимент не только подтвердил эффективность метода модификации, но и выявил оптимальный материал для производства нового сорбента.
В перспективе эта экологичная разработка позволит создавать не только фильтры для очистки воды от опасных веществ, но и безопасные медицинские препараты – энтеросорбенты, способные выводить цезий и другие радионуклиды из организма человека и животных. Это открывает путь к созданию целого ряда природных решений для защиты от загрязнения окружающей среды.