微米和纳米科技材料

便便有毒怎么办?纳米材料来帮忙

饲料工业的发展为满足人们对肉类的需求做出了巨大的贡献。为了禽畜健康、提高饲料料肉比及提高饲料产值,动物饲料中通常添加多种添加剂。如添加有机胂和阿散酸,除促进禽畜生长和提高料肉比外,还可提高抗球虫、抗菌能力及机体免疫力,同时提高禽畜产品色素沉着及防治硒中毒等。在饲料中添加铜和锌制剂可抗菌、促进采食、提高营养物质吸收等。

便便里有什么毒?

饲料中大部分砷、铜和锌不会被禽畜利用,所以禽畜粪便特别是猪粪中锌、铜和砷超标现象时有发生。研究表明,施用这些禽畜粪肥会造成锌、铜和砷在土壤中累积,进而引起所生产的粮食中重金属超标。长期食用重金属超标的食物会引起癌症、骨痛症、佝偻病等一系列疾病。该问题已经成为制约禽畜粪便资源化利用和养殖业可持续发展的关键瓶颈,迫切需要发展一种修复禽畜粪便中重金属离子的方法。

纳米材料来帮忙

近期,中国科学院合肥物质科学研究院吴正岩研究员课题组在禽畜粪便中重金属治理方面取得重要突破。课题组利用黏土、生物炭等天然材料制备出一种纳米复合材料—重金属修复剂,具有抓取禽畜粪肥中砷、铜等重金属离子的功能。

其中,黏土是一种环境友好的天然纳米材料,由大量纳米棒组成,具有大比表面积和纳米网络结构;生物炭作为黏土的载体,具有来源广、可再生以及微孔结构等优点。将黏土、生物炭及其他天然材料经过系列物化改性、结构设计与功能化修饰,研制出重金属修复剂。其主要原理为:该修复剂具有大量碳酸根和羟基等活性基团,可以通过静电引力和氢键等相互作用固定粪肥中砷、铜等重金属离子,降低其溶解性,有效抑制其活性和毒性,阻止其与作物根系接触,降低在作物中的富集量,提高粮食安全性。该修复剂的使用方法包括两种:1)按照5%的质量比添加到含有重金属的禽畜粪便中造粒,然后将制得的有机肥均匀撒于土壤表面,然后利用旋耕机将有机肥旋至土壤20cm深处(作物根系通常在土壤表面以下20cm深的土壤中);2)将该修复剂按照5%质量比与有机肥掺混直接施用。

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技术原理示意图:将含有砷和铜的牲畜粪便与该修复剂混合均匀,然后制成颗粒,将该颗粒撒于土壤表面并用旋耕机将其旋至耕作层(土壤下方20cm以内),并种植水稻。结果表明添加该修复剂的水稻长势显著优于未加修复剂的田块,且水稻中重金属含量明显降低

该材料环境友好、工艺简单、成本低,具有较高的应用价值。该技术已在安徽阜阳和池州、杭州萧山、四川成都等地示范推广,结果表明该技术可以大幅降低粪便中重金属的活性,减少土壤中重金属的有效性。

该工作为降低禽畜粪便中重金属的危害提供一种新思路,为破解制约我国养殖业可持续发展的关键问题提供了原创性技术,对于促进禽畜粪便肥料化利用和养殖业可持续发展具有重要意义。相关成果已被美国化学会农业领域核心期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry接收发表(2017, 65, 8999−9005)。

该工作得到国家自然科学基金、中科院青促会项目、中科院STS项目、中科院重点部署项目、安徽省重大专项等资助。

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