CZ2010612A3 - Použití ultramalých cástic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních kvetu sinic - Google Patents
Použití ultramalých cástic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních kvetu sinic Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2010612A3 CZ2010612A3 CZ20100612A CZ2010612A CZ2010612A3 CZ 2010612 A3 CZ2010612 A3 CZ 2010612A3 CZ 20100612 A CZ20100612 A CZ 20100612A CZ 2010612 A CZ2010612 A CZ 2010612A CZ 2010612 A3 CZ2010612 A3 CZ 2010612A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- cyanobacteria
- iron particles
- cyanobacterial
- nanoiron
- prevention
- Prior art date
Links
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 85
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 40
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 238000011161 development Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000002265 prevention Effects 0.000 title claims abstract description 15
- 241000192710 Microcystis aeruginosa Species 0.000 title claims description 5
- 241001464430 Cyanobacterium Species 0.000 title 1
- 241000192700 Cyanobacteria Species 0.000 claims abstract description 60
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 14
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 8
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 8
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 20
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 abstract description 17
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 abstract description 17
- 239000003053 toxin Substances 0.000 abstract description 12
- 231100000765 toxin Toxicity 0.000 abstract description 12
- 108700012359 toxins Proteins 0.000 abstract description 12
- 230000003449 preventive effect Effects 0.000 abstract description 10
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 abstract description 3
- 230000003311 flocculating effect Effects 0.000 abstract description 2
- BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N hydridophosphorus(.) (triplet) Chemical compound [PH] BHEPBYXIRTUNPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 29
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 15
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 229960004887 ferric hydroxide Drugs 0.000 description 12
- IEECXTSVVFWGSE-UHFFFAOYSA-M iron(3+);oxygen(2-);hydroxide Chemical compound [OH-].[O-2].[Fe+3] IEECXTSVVFWGSE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 10
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 9
- 239000000047 product Substances 0.000 description 9
- SRUWWOSWHXIIIA-UKPGNTDSSA-N Cyanoginosin Chemical compound N1C(=O)[C@H](CCCN=C(N)N)NC(=O)[C@@H](C)[C@H](C(O)=O)NC(=O)[C@H](CC(C)C)NC(=O)[C@H](C)NC(=O)C(=C)N(C)C(=O)CC[C@H](C(O)=O)N(C)C(=O)[C@@H](C)[C@@H]1\C=C\C(\C)=C\[C@H](C)[C@@H](O)CC1=CC=CC=C1 SRUWWOSWHXIIIA-UKPGNTDSSA-N 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 108010067094 microcystin Proteins 0.000 description 8
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 8
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 6
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005189 flocculation Methods 0.000 description 6
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 5
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 5
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 4
- 239000013068 control sample Substances 0.000 description 4
- 230000016615 flocculation Effects 0.000 description 4
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 4
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 3
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 238000005202 decontamination Methods 0.000 description 3
- 230000003588 decontaminative effect Effects 0.000 description 3
- 230000008029 eradication Effects 0.000 description 3
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 3
- 230000036542 oxidative stress Effects 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 3
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 241000238578 Daphnia Species 0.000 description 2
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000002363 herbicidal effect Effects 0.000 description 2
- 239000004009 herbicide Substances 0.000 description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 2
- -1 iron ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000010534 mechanism of action Effects 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- FIKAKWIAUPDISJ-UHFFFAOYSA-L paraquat dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].C1=C[N+](C)=CC=C1C1=CC=[N+](C)C=C1 FIKAKWIAUPDISJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000000550 scanning electron microscopy energy dispersive X-ray spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 235000006463 Brassica alba Nutrition 0.000 description 1
- 241000342020 Cladophora glomerata Species 0.000 description 1
- 241001494246 Daphnia magna Species 0.000 description 1
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 description 1
- 238000004813 Moessbauer spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001669 Mossbauer spectrum Methods 0.000 description 1
- 241000276427 Poecilia reticulata Species 0.000 description 1
- 241000220262 Sinapis alba Species 0.000 description 1
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000005273 aeration Methods 0.000 description 1
- 239000003619 algicide Substances 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000006907 apoptotic process Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 1
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000004637 cellular stress Effects 0.000 description 1
- 238000002144 chemical decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 150000003841 chloride salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000000701 coagulant Substances 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009297 electrocoagulation Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000008394 flocculating agent Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate (anhydrous) Chemical class [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002207 metabolite Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000006385 ozonation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003504 photosensitizing agent Substances 0.000 description 1
- 230000029553 photosynthesis Effects 0.000 description 1
- 238000010672 photosynthesis Methods 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012502 risk assessment Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- ODJLBQGVINUMMR-HZXDTFASSA-N strophanthidin Chemical compound C1([C@H]2CC[C@]3(O)[C@H]4[C@@H]([C@]5(CC[C@H](O)C[C@@]5(O)CC4)C=O)CC[C@@]32C)=CC(=O)OC1 ODJLBQGVINUMMR-HZXDTFASSA-N 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
- A01N59/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing elements or inorganic compounds
- A01N59/16—Heavy metals; Compounds thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/50—Treatment of water, waste water, or sewage by addition or application of a germicide or by oligodynamic treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/22—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from the processing of animals, e.g. poultry, fish, or parts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
- C02F2103/42—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated from bathing facilities, e.g. swimming pools
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2303/00—Specific treatment goals
- C02F2303/04—Disinfection
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2305/00—Use of specific compounds during water treatment
- C02F2305/08—Nanoparticles or nanotubes
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Agronomy & Crop Science (AREA)
- Pest Control & Pesticides (AREA)
- Plant Pathology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Dentistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
- Purification Treatments By Anaerobic Or Anaerobic And Aerobic Bacteria Or Animals (AREA)
Abstract
Použití ultramalých cástic železa k likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních kvetu sinic, které vykazují vysokou a selektivní toxicitu vuci sinicím spocívající v multiplikativním a soubežném úcinku zahrnujícím soucasnou destrukci bunek sinic, imobilizaci uvolnených toxinu a zabránení jejich masivního uvolnení do vodního sloupce, koagulacne-flokulacní efekt a preventivní úcinek spojený s vyvázáním fosforu jakožto hlavního nutricního elementu sinic.
Description
POUŽITÍ ULTRAMALÝCH ČÁSTIC ŽELEZA PRO LIKVIDACI, PREVENCI A OMEZENÍ MASOVÉHO ROZVOJE VODNÍCH KVĚTŮ SINIC
Oblast techniky
Vynález se týká použití ultramalých částic železa pro likvidaci, prevenci a omezení rozvoje sinic a jejich růstu a spadá do oblasti čištění všech typů povrchových vod, například vod v rekreačních, vodárenských, technologických a rybochovných vodních nádržích, ve vodních tocích, rybnících, jezerech a jiných vodních útvarech.
Dosavadní stav techniky
Doposud jsou a byly k likvidaci vodních květů sinic z vodních ploch využívány nebo testovány různé fyzikální, chemické a biologické metody a technologie, které se liší mechanismem, selektivitou a efektivitou účinku vůči sinicím, mírou prevence růstu sinic, mírou ovlivnění vodního ekosystému po aplikaci technologie a v neposlední řadě technickým řešením a ekonomickou náročností. Níže uvedený přehled charakterizuje existující využívané technologie s důrazem na jejich nedostatky a nevýhody, plynoucí z jejich fyzikální či chemické podstaty:
Techniky založené na eliminaci fosforu jako hlavního nutričního elementu sinic (např. Conley DJ, Paerl HW, Howarth RW, Boesch DF, Seitzinger SP, Havens KE, Lancelot C, Likens GE, Science 323 (2009) 1014) Nevýhody - nedochází k destrukci buněk sinic ani k odbourání toxických metabolitů sinic. Tyto techniky jsou dominantně založené na vysrážení fosforu pomocí síranů a chloridů železa, resp. solí hliníku.
Chemické metody využívající algicidy (např. Maršálek B, Drábková M, Maršálkové E, Feldmannová M, Jančula D_, Omezení masového rozvoje planktonních sinic: sumarizace metod. In: CYANOBACTERIE 2006 (Maršálek B, Feldmannová M, Maršálkové E, editors); 2006, Botanický ústav AV ČR, Průhonice, ČR, pp 114 - 131). Nevýhody - krátkodobý účinek, neselektivita účinku s negativním dopadem i na vyšší organismy, nemají preventivní charakter.
Technologie využívající flokulanty a koagulanty (např. Maršálek B, Bláha L, Bláhová L, Babica P, Czech Republic - Management and regulation of the cyanobacteria and cyanotoxins. In: Current approaches to cyanotoxin risk assessment, risk management and regulations in different countries (Chorus I, ed.); 2005, WaBoLu
Federal Environmental Agency, (Umweltbundesamt), Dessau, Germany; pp. 37-39). Nevýhody - nedochází k destrukci buněk, reverzibilní proces s krátkodobým účinkem, neselektivita účinku s negativním dopadem i na vyšší organismy, především na zooplankton, nemají preventivní účinek.
Oxidační technologie - např. ozonizace a metody založené na použití peroxidu vodíku (např. Annadotter H, Cronberg G, Aagren R, Lundstedt B, Nilsson PA, Strobeck S, Hydrobiologia 396 (1999) 77). Nevýhody - neselektivita účinku s negativním dopadem i na vyšší organismy, uvolnění toxinů sinic do vodního sloupce, nemají preventivní účinek, jsou z technického a bezpečnostního hlediska náročně realizovatelné.
Fyzikální techniky - např. elektrokoagulační a ultrazvukové technologie (např. Zhang GM, Zhang PY, Fan MH, Ultrasonics and Sonochemistry 16 (2009) 334). Nevýhody obtížné technologické řešení pro dekontaminaci velkých ploch, krátkodobý a pouze lokální účinek, neselektivita účinku s negativním dopadem i na vyšší organismy, uvolnění toxinů sinic do vodního sloupce, nemají preventivní účinek.
Ekotechniky - např. destratifikace či aerace (např. Becker A, Herschel A, Wilhelm C, Hydrobiologia 559 (2006) 85; Cooke GD, Welch EB, Perterson SA, Nichols SA, Restoration and Management of Lakes and Reservoirs, 3rd. Edition., 2005, Boca Raton, Taylor and Francis; Graneli E, Jefferson T, Timer T, Ecology of Harmful Algae, 2008, Berlin, Springer). Nevýhody - obtížné technologické řešení pro dekontaminaci velkých ploch, vysoká energetická a finanční náročnost.
Metody založené na biotických interakcích - např. interakce bakterie - plísně - viry siníce (např. Jorgensen SE, Logffler H, Rast W, Straskraba M, Lake and Reservoir Management, 2005, Amsterdam, Elsevier; Nimptsch J, Wiegand C, Pflugmacher S, Environmental Science & Technology 42 (2008) 8552, Slováčková H, Maršálek B, Biotické vztahy ve vodních ekosystémech a možnosti omezení rozvoje sinic. In: Cyanobacterie 2008 (Maršálek B, Vinklárková D, Maršálkové E, editors); 2008, Brno, Czech Republic, pp 84-93). Nevýhody - technologicky obtížné řešení pro dekontaminaci velkých ploch, omezená a nepředvídatelná účinnost, ovlivnění jiných biotických vztahů, např. ryby - zooplankton - sinice, se ukazuje pro management rozvoje sinic nepoužitelné.
Metody využívající fotodynamický efekt za použití fotosenzitizátorů (např. Maršálek et al. Užitný vzor ČR 20504). Nevýhody - nutnost inicializace světlem, nemají preventivní účinek, uvolnění toxinů sinic do vodního sloupce.
Společným nedostatkem a nevýhodou všech zmíněných a používaných postupů a technologii je většinou pouze jeden dominantní mechanismus účinku, který neřeší komplexně problematiku likvidace sinic a prevence jejich růstu, tj. žádná z uvedených technik nedokáže současně:
- nevratně destruhovat buňky sinic
- zabránit masivnímu uvolnění toxinů z buněk
- vyvázat fosfor jako klíčový nutriční element a plnit tudíž preventivní roli
- plnit koagulačně-flokulační efekt zabraňující fotosyntéze a podporující sedimentaci degradované biomasy
- mít selektivní účinek vůči sinicím s výrazně nižší toxicitou vůči vyšším organismům v ekosystému.
Podstata vynálezu
Vynález si klade za úkol navrhnout použiti železa ve formě ultramalých částic železa k likvidaci, prevenci a omezení rozvoje vodních květů sinic způsobem nevratné destrukce buněk sinic za podmínky vyvázání fosforu a selektivního účinku na sinice.
Uvedené nevýhody výše zmíněných technologií a postupů řeší navrhované použiti ultramalých částic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních květů sinic, které vykazují vysokou a selektivní toxicitu vůči sinicím, jehož podstata spočívá v multiplikativním a souběžném účinku zahrnujícím současnou destrukci buněk sinic, imobilizaci uvolněných toxinů a zabránění jejich masivního uvolnění do vodního sloupce, koagulačně-flokulační efekt a preventivní účinek spojený s vyvázáním fosforu jakožto hlavního nutričního elementu sinic.
K destrukcí buněk sinic dochází v důsledku oxidativního stresu vyvolaného aplikací nanočástic železa a v důsledku pronikání uvolňovaných iontů železa buněčnou membránou a následné precipitaci hydroxidu (hydroxid-oxidu) železitého uvnitř buněk. Výhodou navrhovaného způsobu tedy je destrukce buněk a tudíž nevratný a dlouhodobý účinek.
Při aplikaci nanočástic železa, přestože dochází k výrazné destrukci buněk, není vyvolán masivní nárůst toxinů sinic ve vodním sloupci. Zabránění uvolnění toxinů souvisí s jejich imobilizací na povrchu produktů oxidace nanoželeza, vykazujících velkou plochu povrchu (až 400 m2/g) a vysokou sorpční kapacitu, a s následnou postupnou degradaci toxinů. Další výhodou navrhovaného použití je tedy imobilizace a degradace uvolněných toxinů sinic.
Netoxické produkty oxidace nanočástic železa vykazují flokulačni vlastnosti a vytváří společně s biomasou rozložených sinic dobře sedimentujrcí agregáty. Další výhodou navrhovaného použití je flokulačni efekt nanočástic železa a produktů jejich oxidace. Aplikace nanočástic železa ve vodném prostředí způsobí vysrážení biodostupného fosforu ve formě nerozpustných fosforečnanů a tudíž výrazné snížení obsahu rozpustného fosforu jako hlavního nutričního elementu sinic. Další výhodou navrhovaného použití je tedy preventivní účinek.
Výhodou navrhovaného použiti je také vysoká a selektivní toxicita nanočástic železa vůči sinicím. Toxicita nanočástic železa vůči vyšším organismům jako jsou řasy, dafnie, vodní rostliny a ryby je 20x až 100x nižší v porovnání s toxicitou vůči sinicím.
Výhodou navrhovaného použití je snadné přizpůsobení způsobu jeho technické realizace podmínkám daného ekosystému (možnost aplikace nanoželeza v disperzích, v prášku, ve formě bariér, na pevných nosičích; aplikace přímo na vodních nádržích nebo na přítocích). Jako zvláště výhodné pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních květů sinic se jeví použiti kapalné disperze ultramalých částic železa. Ultramalé částice železa mohou být s výhodou pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních květů sinic použity také v pevné fázi pomocí prášku tvořeného ultramalými částicemi železa.
V neposlední řadě výhodou navrhovaného použití je souběžný a multiplikativní účinek všech výše zmíněných mechanismů (destrukce buněk sinic, imobilizace uvolněných toxinů, flokulačni účinek, odstranění fosforu, selektivní toxicita) umožňující dlouhodobou likvidaci sinic a prevenci jejich růstu bez negativních vlivů na vyšší organismy a vodní ekosystém.
Ultramalé částice železa mohou také při likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních květů sinic s výhodou tvořit součásti jiných přípravků používaných k likvidaci a prevenci růstu sinic.
Přehled obrázků na výkresech
Vynález bude blíže osvětlen na přiložených výkresech, kde obr. 1 znázorňuje ekotoxikologická data prokazující vysokou a selektivní toxicitu nanočástic železa vůči sinicím. Toxicita je zde vyjádřená v jednotkách toxicity TU (TU=1/EC50, kde EC50 je střední efektivní koncentrace), obr. 2 znázorňuje snímky ze skenovacího elektronového mikroskopu: A - buňky sinic před interakcí s nanočásticemi železa, B - nanočástice železa před interakcí se sinicemi, C - roztrhané buňky sinic po interakci s nanoželezem a obklopené produktem oxidace nanoželeza, D - výrazně deformované buňky sinic obalené produktem transformace nanoželeza, obr. 3 vlevo znázorňuje — Mossbauerovo spektrum změřené po interakci nanoželeza se sinicemi v kultivačním médiu demonstrující tvorbu Fe (OH)3 jako oxidačního produktu, zatímco obr. 3 vpravo znázorňuje snímek sinice z transmisního elektronového mikroskopu po interakci s nanoželezem; vysoký kontrast naznačuje průnik iontů Fe membránou a tvorbu hydroxidu železitého uvnitř i na povrchu buněk. Ve výřezu je pro srovnání povrch buňky sinice, která nebyla v interakci s nanoželezem, obr. 4 ukazuje snímek ze skenovacího elektronového mikroskopu demonstrující flokulační efekt hydroxidu železitého a tvorbu kompaktní biomasy obsahující destruované a deformované buňky sinic. Ve výřezu — SEM/EDX prvková analýza biomasy vzniklé v kultivačním médiu po aplikaci nanoželeza (AI pochází z podložky pro měření), obr. 5 znázorňuje koncentraci microcystinu uvolněného do vodního sloupce po aplikaci nanoželeza o různé koncentraci (10-500 mg/L) ve srovnání s aplikací herbicidu Paraquat (50 mg/L) a úrovní microcystinu v kontrolním vzorku sinic bez aplikace jakýchkoliv přípravků a obr. 6 nahoře zobrazuje odměrné válce se sinicemi bez přídavku nanoželeza (kontrolní vzorek, vlevo), s přídavkem vodné disperze nanoželeza o koncentraci 10 mg/L (uprostřed) a s nanoželezem o stejné koncentraci 10 mg/L dávkovaným v prášku (vpravo), foceno bezprostředně po dávkování nanoželeza. Obr. 6 dole zobrazuje odměrné válce se sinicemi bez přídavku nanoželeza (kontrolní vzorek, vlevo), s přídavkem vodné disperze nanoželeza o koncentraci 10 mg/L (uprostřed) a s nanoželezem o stejné koncentraci 10 mg/L dávkovaným v prášku (vpravo), foceno tři dny od přídavku nanoželeza.
Příklady provedení vynálezu
Vysokou a selektivní toxicitu ultramalých částic železa vůči sinicím lze demonstrovat na příkladu komerčních povrchově nestabilizovaných nanočástic elementárního železa se střední velikostí 50 nm (produkt Ecopure, dodavatel NANOIRON, s.r.o), jejichž toxicita byla testována vůči sinicím Microcystis aeruginosa a také vůči řadě dalších vodních organismů (obr. 1).
Ekotoxikologická data ukazují, že toxicita ultramalých částic železa vůči sinicím je o 2-3 řády vyšší než vůči dafniím a rybám. Například hodnota EC50 pro Daphnia magna byla stanovena 1093 mg/L a pro testované ryby (Poecilia reticulata) byly hodnoty EC50 opakovaně vyšší než 2500 mg/L.
Vysoká selektivita účinku nanočástic železa je patrná také z hodnot EC50 zjištěných pro vodní rostliny (Sinapis alba). Hodnota EC50 stanovená pro zelené vláknité řasy Cladophora glomerata je dokonce vyšší než 5000 mg/L, tj. o dva řády vyšší než hodnota EC50 stanovená pro sinice Microcystis aeruginosa (50 mg/L).
Vysoce selektivní toxicita nanočástic železa vůči sinicím souvisí s vícenásobným mechanismem účinku. Především, při interakci nanočástic železa se sinicemi dochází prokazatelné k destrukci buněk a porušení buněčné membrány, jak je patrné ze snímků ze skenovacího elektronového mikroskopu na obr. 2 (C a D). Pro srovnání jsou na obr. 2 (A a B) uvedeny také snímky původních buněk sinic a nanočástic železa před vzájemnou interakcí.
Schopnost destrukce buněk sinic pomocí nanoželeza pravděpodobně souvisí s oxidativním stresem, který nanoželezo ve vodném prostředí vyvolá a který byl pozorován také v případě účinku na jiné gram-negativní bakterie typu Escherichia coli (Lee et al. 2008). Tento buněčný stres je vyvolán především OH' radikály, které jsou intenzivně produkovány při reakci nanoželeza s vodou. Odlišný charakter a složení buněčné membrány u vyšších organismů zabezpečuje jejich dostatečnou ochranu před oxidativním stresem vyvolaným aplikaci nanoželeza a je důvodem selektivní toxicity nanoželeza vůči sinicím.
K selektivní toxicitě nanoželeza vůči sinicím a schopnosti destrukce buňky může ovšem také přispívat obecně známá vysoká afinita sinic k iontovému Fe, které nanoželezo produkuje reakci s vodou. Iontové Fe tak prochází buněčnou membránou a uvnitř buňky pak dochází v prostředí nadbytku kyslíku k jeho vysrážení ve formě hydroxidu železitého. Tvorba hydroxidu železitého jako oxidačního produktu při interakci nanoželeza se sinicemi byla jednoznačně prokázána Móssbauerovou spektroskopií (obr. 3 vlevo). Skutečnost, že sinice mohou svou nadměrnou afinitou vůči Fe spáchat „buněčnou sebevraždu“ dokumentuje i vysoce kontrastní snímek z transmisního elektronového mikroskopu naznačující tvorbu hydroxidu železitého uvnitř i na povrchu buňky (obr. 3 vpravo). Tvorba hydroxidu železitého na povrchu a v okolí buněk souvisí s interakcí iontového Fe s radikály, které sinice produkují. Bylo jednoznačně prokázáno, že obsah hydroxidu železitého vzniklého oxidací nanoželeza v kultivačním roztoku se sinicemi je až čtyřikrát vyšší než v případě, když je nanoželezo ponecháno po stejnou dobu ve stejném roztoku bez přítomnosti sinic.
Hydroxid železitý vznikající po interakci nanoželeza se sinicemi třemi uvedenými mechanismy (precipitace uvnitř buněk po průniku iontového Fe, vznik na povrchu buněk interakcí iontového Fe s radikály produkovanými sinicemi a vznik reakcí s vodou) má silně flokulačni charakter a vytváří společně s roztrhanými či deformovanými buňkami sinic kompaktní biomasu (obr. 4), která nemá nadále nanodimensionální charakter a může postupně ochotně sedimentovat ke dnu, kde dochází k přirozenému rozkladu biomasy. Prvková analýza provedená s využitím SEM/EDX analýzy na části biomasy (obr. 4 výřez) ukazuje kromě prvků přítomných v kultivačním médiu pouze na přítomnost Fe a O (ze struktury hydroxidu železitého) a také C (z degradovaných buněk sinic).
Přestože objektivně dochází po aplikaci ultramalých částic železa k destrukci buněk sinic, provedená měření potvrzují, že se nezvyšuje obsah toxinů sinic ve vodním sloupci (obr. 5). Uvolněný microcystin je imobilizován na povrchu nanoželeza a produktů jeho transformace a nedochází tudíž kjeho uvolnění do vodního sloupce. Tato schopnost imobilizace je dána stanovenou obrovskou specifickou plochou povrchu hydroxidu železitého (až 400 m2/g) a tudíž jeho velkou sorpční kapacitou. Schopnost imobilizace může být navíc významně podpořena přitažlivou interakcí microcystinu a hydroxidu železitého v důsledku jejich opačného náboje. Ke skutečnosti, že nedochází k nárůstu microcystinu ve vodním sloupci může také přispívat částečná chemická degradace microcystinu v důsledku aplikace nanoželeza. Z obr. 5 je patrné, že při aplikaci nanoželeza o koncentraci 50 mg/L, která odpovídá hodnotě EC50, je množství uvolněného microcystinu o řád nižší ve srovnání s aplikací komerčního herbicidu (Paraquat) o stejné koncentraci.
Kromě výše demonstrovaných efektů nanoželeza, které byly potvrzeny při interakci se sinicemi typu Microcystis aeruginosa (selektivní toxicita, destrukce buněk, imobilizace microcystinu, fiokulační efekt), byl také potvrzen výrazný pokles fosforu, jakožto klíčového nutričního elementu sinic. Bylo prokázáno, že nZVI v koncentraci 50 mg/L je schopno odstranit až 80% biodostupných rozpustných fosforečnanů z původní koncentrace (100 Mg/L), která je běžná v povrchových vodách obsahujících sinice. Schopnost nanoželeza vysrážet fosfor ve formě nerozpustných fosforečnanů má ve vztahu k sinicím také významný preventivní účinek.
Na obrázku 6 je demonstrován toxický účinek ultramalých částic železa vůči sinicím při aplikaci ve formě vodné disperze i při aplikaci v práškové formě s následnou homogenizací. Odměrné válce na obr. 6 vlevo reprezentuji vodnou disperzi obsahující sinice bezprostředně po odebrání z vodní nádrže Vranov, 27. 7 2010, (válec nahoře), zatímco odměrný válec dole reprezentuje stejnou disperzi po třech dnech bez jakýchkoliv úprav (30. 7. 2010). Odměrné válce na obr. 6 uprostřed reprezentují vodnou disperzi obsahující sinice bezprostředně po dávkováni nanoželeza (27. 7. 2010) ve formě vodné diperze o koncentraci 10 mg/L (válec nahoře uprostřed), zatímco odměrný válec dole uprostřed reprezentuje stejnou disperzi po třech dnech působení nanoželeza (30. 7. 2010). Odměrné válce na obr. 6 vpravo reprezentují vodnou disperzi obsahující sinice bezprostředné po dávkování nanoželeza (27. 7. 2010) ve formě prášku o koncentraci 10 mg/L a následné homogenizaci mícháním (válec nahoře vpravo), zatímco odměrný válec dole vpravo reprezentuje stejnou disperzi po třech dnech působení nanoželeza (30. 7. 2010). Z obr. 6 je zřejmé, že po třech dnech působení nanoželeza, dávkovaného jak ve formě vodné disperze, tak ve formě prášku, došlo k výraznému vyčeření vodního sloupce s evidentním usazením degradované biomasy sinic na dně válců. Kontrolní vzorek bez přídavku nanoželeza vykazuje po třech dnech stále vysoký obsah sinic v celém objemu odměrného válce. Pozn. zelené kroužky u vrcholu vodní hladiny reprezentují biomasu usazenou na skle vodního válce v důsledku částečného odparu vody.
Průmyslová využitelnost
Použití ultramalých částic železa je určeno k likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních květů sinic v rekreačních, vodárenských, technologických a rybochovných vodních nádržích, ve vodních tocích, rybnících, jezerech a jiných vodních útvarech.
Claims (4)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Použití ultramalých částic železa pro likvidaci, prevenci a omezeni masového rozvoje vodních květů sinic.
- 2. Použití ultramalých částic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních květů sinic podle nároku 1, vyznačující se tím, že se provádí pomocí kapalné disperze ultramalých částic železa.
- 3. Použití ultramalých částic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních květů sinic podle nároku 1, vyznačující se tím, že se provádí v pevné fázi pomocí prášku tvořeného ultramalými částicemi železa.
- 4. Použití ultramalých částic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních květů sinic podle nároku 1 až 3, vyznačující se tím, že pro likvidaci sinic se využívá ultramalých částic železa jako součásti jiných přípravků používaných k likvidaci a prevenci růstu sinic.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20100612A CZ2010612A3 (cs) | 2010-08-11 | 2010-08-11 | Použití ultramalých cástic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních kvetu sinic |
| PCT/CZ2011/000075 WO2012019570A2 (en) | 2010-08-11 | 2011-08-03 | Use of ultra-small iron particles for removal, prevention, and reduction of mass expansion of cyanobacteria water blooms |
| EP11781997.9A EP2603462A2 (en) | 2010-08-11 | 2011-08-03 | Use of ultra-small iron particles for removal, prevention, and reduction of mass expansion of cyanobacteria water blooms |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ20100612A CZ2010612A3 (cs) | 2010-08-11 | 2010-08-11 | Použití ultramalých cástic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních kvetu sinic |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2010612A3 true CZ2010612A3 (cs) | 2012-02-22 |
Family
ID=44946902
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ20100612A CZ2010612A3 (cs) | 2010-08-11 | 2010-08-11 | Použití ultramalých cástic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních kvetu sinic |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2603462A2 (cs) |
| CZ (1) | CZ2010612A3 (cs) |
| WO (1) | WO2012019570A2 (cs) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115872471A (zh) * | 2022-12-16 | 2023-03-31 | 重庆科技学院 | 一种藻基生物炭负载纳米零价铁治理水体富营养化的方法 |
| CN117303594B (zh) * | 2023-09-14 | 2024-06-28 | 暨南大学 | 一种微囊藻生长的控制方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2728987C (en) * | 2008-05-16 | 2018-12-04 | Verutek Technologies, Inc. | Green synthesis of nanometals using plant extracts and use thereof |
-
2010
- 2010-08-11 CZ CZ20100612A patent/CZ2010612A3/cs unknown
-
2011
- 2011-08-03 WO PCT/CZ2011/000075 patent/WO2012019570A2/en not_active Ceased
- 2011-08-03 EP EP11781997.9A patent/EP2603462A2/en not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2603462A2 (en) | 2013-06-19 |
| WO2012019570A3 (en) | 2012-04-05 |
| WO2012019570A2 (en) | 2012-02-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ogunfowora et al. | Trends in the treatment of aquaculture effluents using nanotechnology | |
| Malakootian et al. | Facile and green synthesis of ZnFe2O4@ CMC as a new magnetic nanophotocatalyst for ciprofloxacin degradation from aqueous media | |
| Marsalek et al. | Multimodal action and selective toxicity of zerovalent iron nanoparticles against cyanobacteria | |
| Noyma et al. | Controlling cyanobacterial blooms through effective flocculation and sedimentation with combined use of flocculants and phosphorus adsorbing natural soil and modified clay | |
| Zheng et al. | Settleability and characteristics of ferrate (VI)-induced particles in advanced wastewater treatment | |
| Deng et al. | Addressing harmful algal blooms (HABs) impacts with ferrate (VI): Simultaneous removal of algal cells and toxins for drinking water treatment | |
| Poynton et al. | Enhanced toxicity of environmentally transformed ZnO nanoparticles relative to Zn ions in the epibenthic amphipod Hyalella azteca | |
| Yuan et al. | Flocculation of cyanobacterial cells using coal fly ash modified chitosan | |
| Sweet et al. | Silver nanoparticles: a microbial perspective | |
| Fan et al. | Nanoscale zero-valent iron coated with magnesium hydroxide for effective removal of cyanobacteria from water | |
| Moriwaki et al. | Interaction between nanoplastics and pectin, a water-soluble polysaccharide, in the presence of Fe (III) ion | |
| Bharti et al. | Water disinfection using fixed bed reactors packed with silver nanoparticle immobilized glass capillary tubes | |
| Georgantzopoulou et al. | Wastewater-aged silver nanoparticles in single and combined exposures with titanium dioxide affect the early development of the marine copepod Tisbe battagliai | |
| Munir et al. | Efficient detoxification of textile wastewater by applying Chenopodium album nanoparticles and its application in simulated metal-bearing effluents removal | |
| Jin et al. | Iron-based technology coupling moderate preoxidation with hybrid coagulation for highly effective removal and moderate growth inhibition of Oscillatoria in drinking water treatment plants | |
| Dlamini et al. | Biosynthesis of bioflocculant passivated copper nanoparticles, characterization and application | |
| Wang et al. | The growth and physiological activity of Microcystis aeruginosa after flocculation using modified tannin | |
| Liu et al. | Comparison of three flocculants for heavy cyanobacterial bloom mitigation and subsequent environmental impact | |
| Oh et al. | Multifunctional in-situ ferrate treatment and its removal mechanisms of membrane bioreactor residual pollutants | |
| Wan Ismail et al. | Conventional wastewater treatment methods for the removal of EPs | |
| Briley et al. | Optimizing ferric sulfate coagulation of algae with streaming current measurements | |
| CZ2010612A3 (cs) | Použití ultramalých cástic železa pro likvidaci, prevenci a omezení masového rozvoje vodních kvetu sinic | |
| Zhu et al. | Effect of chitosan quaternary ammonium salt on the growth and microcystins release of Microcystis aeruginosa | |
| Zhang et al. | Fabrication of amorphous carbon-based zinc oxide for efficient capture of intact Microcystis aeruginosa: Lysis in sedimentation process | |
| Shen et al. | Lanthanum-modified pyroaurite as a geoengineering tool to simultaneously sink Microcystis cyanobacteria and immobilize phosphorus in eutrophic water |