Биоуголь, модифицированный железом, усилил активацию перуксусной кислоты для удаления имидаклоприда: эффективность, активные виды и каталитический механизм

Почему важно удалять сельскохозяйственные пестициды из воды

Современное сельское хозяйство опирается на мощные инсектициды для защиты урожаев, но следы этих химикатов могут смываться в реки и озёра, где они вредят насекомым, рыбам и даже млекопитающим. В этом исследовании рассматривается более продуманный способ удаления одного из таких пестицидов — имидаклоприда — из воды с помощью недорогого материала из растительных остатков и распространённого дезинфектанта, с целью сделать воду безопаснее без появления новых загрязнений.

Преобразование сельхозотходов в полезный фильтр

Исследователи начали с соломы рапса — сельскохозяйственного остатка, который часто сжигают или выбрасывают. Нагревая эту солому в отсутствии кислорода, они получили углеобразный материал, называемый биоуглём, который естественно обладает множеством мелких пор. Затем они добавили железо к соломе до прокалки, получив железосодержащую версию биоугля с более развитой пористой структурой и блестящими частицами, содержащими железо, на поверхности. Эти изменения увеличили площадь поверхности и создали множество активных участков, где могут протекать химические реакции, превратив растительное сырьё в полезный инструмент для очистки воды.

Использование мягкого окислителя против стойкого пестицида

Имидаклоприд сконструирован так, чтобы быть стабильным в воде и долго защищать посевы, но эта же стабильность затрудняет его удаление, когда он попадает в ручьи и грунтовые воды. Команда сочетала свой железомодифицированный биоуголь с перуксусной кислотой — дезинфицирующим средством, уже применяемым в пищевой и медицинской сферах. В воде, содержащей имидаклоприд, железо-биоуголь взаимодействовало с перуксусной кислотой, генерируя высокореактивные краткоживущие частицы, которые способны разрывать сложные молекулы. При оптимальных проверенных условиях эта пара удалила более четырёх пятых пестицида в течение часа, значительно превосходя эффективность только биоугля или только окислителя.

Как скрытая химия обеспечивает очистку

Чтобы понять происходящее на микроскопическом уровне, учёные использовали несколько продвинутых методов анализа. Они показали, что железо на поверхности биоугля постоянно меняло степень окисления при контакте с перуксусной кислотой — циклическое переключение, которое способствовало образованию реактивных фрагментов, таких как гидроксил- и кислородсодержащие радикалы. Эти энергичные частицы атаковали пестицид в нескольких уязвимых местах, разрывая его хроманы и боковые группы и постепенно расщепляя молекулу на более мелкие фрагменты. Процесс работал эффективно в широком диапазоне кислотности воды, что означает, что он может применяться к разным реальным сточным водам без точной настройки условий.

Проверка безопасности образующихся продуктов

Уничтожение загрязнителя полезно только тогда, когда образующиеся фрагменты сами менее опасны. С помощью компьютерных моделей, оценивающих воздействие химикатов на рыбу, мелких ракообразных и водоросли, команда оценивала токсичность основных продуктов распада, образовавшихся в ходе обработки. Большинство этих дочерних соединений, по прогнозам, были менее вредны, чем исходный пестицид, хотя некоторые всё ещё демонстрировали заметные эффекты для отдельных организмов. Такие природные компоненты воды, как хлорид, бикарбонат и гуминовые вещества, также были протестированы: некоторые из них замедляли очистку, связывая реактивные фрагменты, но система на основе железо-биоугля в целом и при этом показывала хорошую работоспособность и могла быть использована повторно несколько раз с лишь умеренной потерей активности.

Что это означает для более безопасной воды

Проще говоря, исследование показывает, что материал из сельскохозяйственных отходов и железа в сочетании с уже существующим дезинфицирующим средством способен быстро разрушать стойкое сельскохозяйственное химическое соединение в воде и в основном превращать его в менее опасные фрагменты. Подход избегает сложного оборудования, работает при мягких условиях и повторно использует доступный сельскохозяйственный остаток. Хотя необходимы дополнительные исследования для полной проверки безопасности всех побочных продуктов и испытаний метода на реальных сточных водах, результаты указывают на практичный и относительно щадящий способ предотвращения попадания остатков пестицидов в реки и питьевые источники.

Цитирование: He, J., Wang, B., Sun, H. et al. Iron-modified biochar enhanced the activation of peracetic acid for removal of imidacloprid: efficiency, active species and catalytic mechanism. Sci Rep 16, 15947 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46438-5

Ключевые слова: имидаклоприд, биоуголь, перуксусная кислота, удаление пестицидов, очистка сточных вод