Stability of Lead Immobilization by Hydroxyapatite and Biochar in a Typical Brown Soil (Haplic Cambisol)

मिट्टी केवल धूल नहीं है; यह उस भोजन और पानी के लिए एक जीवित, सांस लेती नींव है जिसका हम उपभोग करते हैं। हालाँकि, जब यह नींव लेड (सीसा) जैसे भारी धातुओं से दूषित हो जाती है, तो यह एक शांत, रेंगते हुए खतरे के रूप में सामने आती है। लेड एक विषैला तत्व है जो टूटता या गायब नहीं होता; इसके बजाय, यह पृथ्वी की ऊपरी परतों में जमा हो जाता है, जहाँ पौधे उगते हैं और जानवर चरते हैं। एक बार जब लेड मिट्टी में प्रवेश कर जाता है, तो इसे फसलों द्वारा ग्रहण किया जा सकता है, और यह खाद्य श्रृंखला में ऊपर की ओर बढ़ते हुए मानव आहार तक पहुँच जाता है, जो हर चरण पर स्वास्थ्य के लिए खतरा पैदा करता है। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती केवल इस जहर को हटाना नहीं है, जो अक्सर मिट्टी को नष्ट किए बिना असंभव होता है, बल्कि इसे बांधना (लॉक करना) है। 'इमोबिलाइजेशन' (स्थिरीकरण) नामक यह प्रक्रिया का उद्देश्य लेड को उस रूप से बदलने का है जिसे पौधे आसानी से अवशोषित कर सकें, और उसे एक ठोस, स्थिर अवस्था में बदलने का है जो जमीन में फंसा रहे। लक्ष्य ऐसे पदार्थों को खोजना है जो स्थायी लंगर (एंकर्स) के रूप में कार्य कर सकें, जिससे धातु को यथास्थान थामे रखा जा सके ताकि बारिश और समय इसे वापस एक खतरनाक, गतिशील अवस्था में न बहा ले जाएं।

रशियन फार ईस्ट के दक्षिणी क्षेत्रों में, शोधकर्ताओं को इस सटीक समस्या का सामना करना पड़ा, जो एक विशिष्ट प्रकार की मिट्टी थी जिसे 'ब्राउन सॉइल' या 'हैप्लिक कैम्बिसोल' (Haplic Cambisol) कहा जाता है। यह मिट्टी स्वाभाविक रूप से अम्लीय है और इसमें कार्बनिक पदार्थ प्रचुर मात्रा में हैं, फिर भी इसमें लेड को स्थायी रूप से थामने की प्राकृतिक क्षमता की कमी है। मिट्टी को सुरक्षित करने के सर्वोत्तम तरीके की जांच करने के लिए, रूसी विज्ञान अकादमी की दूर पूर्वी शाखा और फार ईस्ट फेडरल यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों की एक टीम ने एक विस्तृत अध्ययन किया। उन्होंने लेड को स्थिर करने के इरादे से दो अलग-अलग सामग्रियों का परीक्षण किया: एक सिंथेटिक खनिज जिसे 'हाइड्रॉक्सीएपेटाइट' कहा जाता है, और चारकोल का एक रूप जिसे 'बायोचार' (biochar) कहा जाता है। शोधकर्ता यह जानना चाहते थे कि क्या ये सामग्रियां अकेले काम कर सकती हैं या यदि उन्हें आपस में मिलाने से एक 'सुपर-मटेरियल' बन सकता है जो समस्या को अधिक प्रभावी ढंग से हल कर सके। उन्होंने एक प्रयोग स्थापित किया जहाँ उन्होंने विभिन्न स्तरों के लेड संदूषण वाले मिट्टी में इन सामग्रियों को मिलाया और तीन महीने की अवधि के दौरान मिट्टी के व्यवहार को देखा।

पहली बात जो टीम ने खोजी वह यह थी कि मूल मिट्टी में, अपने आप में, लेड को थामने की बहुत सीमित क्षमता थी। हालांकि यह थोड़ी मात्रा में इसे बांध सकती थी, लेकिन यह एक प्रतिवर्ती (reversible) प्रक्रिया के माध्यम से करती थी, जिसका अर्थ था कि स्थितियाँ बदलने पर लेड आसानी से पर्यावरण में वापस मुक्त हो सकता था। शोधकर्ताओं ने पाया कि मिट्टी की लेड को पकड़ने की प्राकृतिक क्षमता लगभग 24 से 25 मिलीग्राम प्रति ग्राम मिट्टी थी। एक बार जब मिट्टी में लेड की मात्रा इस सीमा से अधिक हो गई, तो अतिरिक्त लेड मुक्त और खतरनाक बना रहा। वैज्ञानिकों ने अपना ध्यान दो योजकों (additives) की ओर लगाया। उन्होंने पाया कि सिंथेटिक हाइड्रॉक्सीएपेटाइट इसकी तुलना में एक शक्तिगृह (powerhouse) था। यह सामग्री लगभग 1,100 मिलीग्राम लेड को अवशोषित कर सकती थी, जो मिट्टी की अपनी क्षमता से लगभग 45 गुना अधिक थी। इसके विपरीत, बायोचार, जो बर्च की लकड़ी से बना था और जिसमें खनिज राख की मात्रा कम थी, बहुत ही साधारण प्रदर्शन करता था। इसकी लेड को थामने की क्षमता मिट्टी की अपनी प्राकृतिक क्षमता के समान थी, जो केवल एक छोटा, अस्थायी उछाल प्रदान करती थी।

जब शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों को दूषित मिट्टी के साथ मिलाया और उन्हें 8, 46 और 90 दिनों तक रहने दिया, तो उनके प्रदर्शन का अंतर स्पष्ट हो गया। हाइड्रॉक्सीएपेटाइट एक उल्लेखनीय रूप से स्थिर और प्रभावी अवरोध सिद्ध हुआ। मध्यम से उच्च स्तर के लेड संदूषण वाली मिट्टी में, इस खनिज को मिलाने से पानी में घुलने वाले लेड की मात्रा में 18.5 और 59.1 प्रतिशत के बीच की कमी आई। इसने उस लेड की मात्रा को भी 8.6 और 46.4 प्रतिशत के बीच कम कर दिया जिसे पौधों की जड़ों द्वारा आसानी से बदला (swap) जा सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह सुधार समय के साथ फीका नहीं पड़ा; वास्तव में, प्रयोग के आगे बढ़ने के साथ हाइड्रॉक्सीएपेटाइट की प्रभावशीलता में थोड़ी वृद्धि हुई, जो यह सुझाव देता है कि लेड को अपनी जगह पर लॉक करने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया अभी भी जारी थी। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इस सामग्री ने मिट्टी की अम्लता को महत्वपूर्ण रूप से बदले बिना काम किया। अक्सर, मिट्टी को साफ करने के तरीकों में मिट्टी को अधिक क्षारीय बनाने के लिए चूना मिलाना शामिल होता है, जिसके दुष्प्रभाव हो सकते हैं। हालाँकि, हाइड्रॉक्सीएपेटाइट ने मिट्टी के pH को लगभग समान रखते हुए लेड की गतिशीलता को कम किया, जिससे यह बिना किसी अतिरिक्त रासायनिक समायोजन के इन स्वाभाविक रूप से अम्लीय वातावरणों में सीधे उपयोग के लिए सुरक्षित हो गया।

दूसरी ओर, बायोचार एक अलग कहानी बताता है। हालांकि इसने अल्पकाल में गतिशील लेड की मात्रा को कम किया, लेकिन इसका प्रभाव अस्थिर था और समय के साथ इसमें कोई सुधार नहीं हुआ। 90 दिनों की अवधि के अंत तक, बायोचार की लेड को थामने की क्षमता बढ़ी नहीं थी, और इसका प्रदर्शन मिट्टी द्वारा स्वयं किए जा सकने वाले कार्य के समान ही बना रहा। जब शोधकर्ताओं ने इन दोनों सामग्रियों का एक साथ परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि हाइड्रॉक्सीएपेटाइट लेड को पकड़ने में इतना तेज़ और शक्तिशाली था कि इसने अनिवार्य रूप से पूरी जिम्मेदारी अपने हाथ में ले ली। बायोचार ने हाइड्रॉक्सीएपेटाइट को काम करने से नहीं रोका, लेकिन इसने मिश्रण में कोई महत्वपूर्ण अतिरिक्त शक्ति भी नहीं जोड़ी। लेड इतनी जल्दी कैप्चर कर लिया गया कि बायोचार को अपनी बंधन क्षमता (binding capacity) में योगदान देने का अवसर ही नहीं मिला। इससे वैज्ञानिकों ने निष्कर्ष निकाला कि ये दोनों सामग्रियां एक सहक्रियात्मक (synergistic) तरीके से काम नहीं करती हैं जहाँ संपूर्ण, उसके हिस्सों के योग से अधिक हो। इसके बजाय, वे अलग-अलग कार्यों के लिए हैं।

यह अध्ययन लेड-दूषित भूरी मिट्टी (brown soils) की सफाई के लिए एक स्पष्ट मार्ग सुझाता है। हाइड्रॉक्सीएपेटाइट प्राथमिक रक्षा के रूप में कार्य करता है, जो एक दीर्घकालिक रासायनिक अवरोध है जो लेड को एक स्थिर खनिज रूप में स्थायी रूप से लॉक कर देता है, जिससे इसे खाद्य श्रृंखला में प्रवेश करने से रोका जा सके। बायोचार, हालांकि इस विशिष्ट अम्लीय मिट्टी में लेड को स्थायी रूप से बांधने में अप्रभावी है, फिर भी इसकी एक भूमिका है। इसका उपयोग मिट्टी की भौतिक संरचना को सुधारने के लिए किया जा सकता है, जिससे यह पानी और हवा को बेहतर ढंग से रोकने में मदद मिलती है, जो पौधों के विकास के लिए फायदेमंद है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि सबसे अच्छा दृष्टिकोण यह है कि पहले लेड को सुरक्षित करने के लिए हाइड्रॉक्सीएपेटाइट का उपयोग किया जाए, और फिर, यदि आवश्यक हो, तो मिट्टी की बनावट में सुधार के लिए बाद में बायोचार जोड़ा जाए। यह दृष्टिकोण जटिल रासायनिक उपचारों की आवश्यकता के बिना या भविष्य में लेड के पुनः गतिशील होने के जोखिम के बिना भूमि के सुरक्षित उपचार की अनुमति देता है। निष्कर्ष पुष्टि करते हैं कि जबकि प्रकृति कुछ सुरक्षा प्रदान करती है, जहरीली भारी धातुओं को पृथ्वी में सुरक्षित रूप से दफन रखने के लिए विशिष्ट, स्थिर खनिजों की आवश्यकता होती है।