Подросток изобрел способ переработки и повторного использования нутриентов, загрязняющих водоемы

Фермеры используют удобрения для увеличения объема собираемого урожая. Однако при чрезмерном использовании часть удобрений смывает в ближайшие реки и озера, что представляет собой опасность как для окружающей среды, так и для человека. 17-летний школьник Стефан Вон (Stefan Wan) изобрел метод поглощения излишкев удобрений прежде, чем последние смогут причинить вред. К тому же, его метод позволяет не просто поглощать излишки удобрений, но и повторно использовать их.

Будучи учеником школы искусств имени Александра Дрейфуса (Alexander W. Dreyfoos School of the Arts) в Уэст-Палм-Бич, шт. Флорида, Вон продемонстрировал свое изобретение на конкурсе Regeneron Science Talent Search. Данный конкурс ежегодно собирает 40 учеников страны для демонстрации свои научных проектов. На конкурсе также разыгрывается множество призов общей стоимостью почти 2 млн. долл.. Мероприятие проводится под эгидой организации «Общество для науки и общественности» (Society for Science & the Public) и спонсируется фармацевтической компанией Regeneron.

В каком то смысле наука всегда присутствовала в жизни Стефана. Так, его мать, Джианчанг Кай (Jianchang Cai), инженер по профессии, а его отец, Йонгшан Вон (Yongshan Wan), является ученым, изучающем почву. Однако, подросток не питал особого интереса к науке до 10 класса, в котором он начал изучать химию. По собственному признанию, школьник просто влюбился в новый предмет, и загорелся желанием использовать новые знания для решения экологических проблем.

Подходящая проблема была найдена на фермах недалеко от его родного города Веллингтон, шт. Флорида. На этих фермах используется удобрение на основе нитратов и фосфатов — двух химикатов, необходимых для роста растений. Во время дождей излишки смывает в ближайшие водоемы, провоцируя быстрый рост водорослей. Позже, водоросли умирают, и, разлагаясь, способствуют росту бактерий, активно потребляющих кислород. В результате, от недостатка кислорода в водоеме гибнет рыба и другая фауна. Данный процесс известен под названием эвтрофикация.

Излишки фосфатного удобрения смываются в водоемы и становятся загрязнителем, провоцирующем рост водорослей. На данном фото озера Эри, сделанном в 2011 году, хорошо видны зеленые завихрения цветущих водорослей.

Школьник решил, что может предотвратить в будущем последствия попадания удобрений в водоемы. Отец познакомил Стефана с Юнконгом Ли (Yuncong Li), ученым из Университета шт. Флорида, изучающем почву и воду. Прочитав по рекомендациям последнего ряд научных статей, Стефан начал действовать.

Он начал с биоугля — древесного угля из растительных остатков. Фермеры добавляют биоуголь в почву для удержания воды и нутриентов. Однако биоуголь не способен впитывать фосфаты и нитраты. Слоистые двойные гидроксиды — это химикаты, содержащие пары позитивно заряженных атомов. Таким атомами могут быть атомы магния или алюминия, или магния и железа. Благодаря позитивному заряду, слоистые двойные гидроксиды способны притягивать отрицательно заряженные химикаты, такие как фосфаты. Однако на практике слоистые двойные гидроксиды не особо эффективны по причине особого строения молекул, не позволяющего им выстраиваться в один слой, что необходимо для фильтрации фосфатов. А вот биоуголь хорошо работает в фильтрах. Поэтому Стефан предположил, что если ему удасться соединить биоуголь со слоистыми двойными гидроксидами, то это заставит последние вытянуться в один тонкий слой, что в результате даст возможность «поймать» фосфат.

В процессе приготовления смесей Стефану нужно было соблюдать очень высокую точность измерений

Для проверки своей гипотезы, Стефан начал опыты с биоуглем и двумя типами двойных гидроксидов — на основе магния и алюминия, а также магния и железа. Полученные смеси он помещал в фосфорный раствор и замерял, какой процент фосфора извлекался из воды. В результате экспериментов выяснилось, что лучше всего себя показала комбинация из 60% биоугля и 40% двойных гидроксидов на основе магния и алюминия, способная всего за час впитать до 95% фосфатов.

После этого юный ученый озадачился вопросом, можно ли впоследствии заставить эту смесь высвободить впитанные фосфаты для повторного использования в качестве удобрений. Для ответа на этот вопрос он приготовил несколько небольших чашек с песком и семенами салата. В некоторые чашки он также добавил свою смесь из биоугля и гидроксидов. Через 12 дней школьник сделал замеры на появившихся саженцах салата. В результате выяснилось, что саженцы, выросшие из чашек с биоуглем, были на 20 мг тяжелее саженцев, росших просто в песке. Но основе этого стало ясно, что со временем смесь из биоугля и гидроксидов высвобождает часть поглощенных фосфатов.

«Я все еще считаю, что нужно сделать больше исследований», заявил Стефан. В его планах стоит проведение опытов смеси биоугля на полях. Работы еще предстоит много. Не исключено, что другие комбинации биоугля и двойных гирдоксидов покажут лучшие результаты. В будущем школьник также хочет найти способ поглощения нитратов. Кроме того, Стефан в своих исследованиях использовал только один тип биоугля — на основе бамбука. Он также хотел бы провести опыты с биоуглем на основе сахарного тростника или гикори.

Science News for Students