Reactive Oxygen Species-Mediated Mechanochemical Degradation of Phenanthrene in Soil over MnO2
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि MnO2 को मिलिंग एड के रूप में उपयोग करते हुए मैकेनोकेमिकल बॉल मिलिंग, जाली विरूपण (lattice distortion) और ऑक्सीजन रिक्तियों (oxygen vacancies) से जुड़े एक रिएक्टिव ऑक्सीजन स्पीशीज-मध्यस्थ पथ के माध्यम से मिट्टी में फेनैन्थ्रीन को प्रभावी ढंग से विघटित करती है (98.9% तक), जो अंततः प्रदूषक का खनिजीकरण करती है और मिट्टी की पारिस्थितिक विषाक्तता को कम करती है।
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हमारे पैरों के नीचे की मिट्टी अक्सर केवल धूल से कहीं अधिक होती है; यह इतिहास का एक जटिल संग्रह है, जिसमें कभी-कभी ऐसे रासायनिक रहस्य छिपे होते हैं जो मिटने से इनकार कर देते हैं। इन जिद्दी अवशेषों में पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन शामिल हैं, जो जीवाश्म ईंधन और औद्योगिक प्रक्रियाओं के अधूरे दहन से उत्पन्न प्रदूषकों का एक परिवार है। इस परिवार का एक सदस्य, फिनांथ्रिन (phenanthrene), एक तीन-रिंग वाला अणु है जो मिट्टी के कणों से मजबूती से चिपका रहता है, और बैक्टीरिया के प्राकृतिक अपघटन प्रयासों तथा पानी की धोने की शक्ति का विरोध करता है। क्योंकि ये रसायन दशकों तक बने रह सकते हैं और स्वास्थ्य के लिए जोखिम पैदा कर सकते हैं, इसलिए दूषित जमीन से उन्हें हटाने का तरीका खोजना पर्यावरण विज्ञान के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती है। पारंपरिक तरीकों के लिए अक्सर भारी मात्रा में गर्मी, महंगे रसायनों या लंबे समय की आवश्यकता होती है, और वे कभी-कभी मिट्टी को भी नुकसान पहुँचा सकते हैं। वैज्ञानिक एक स्वच्छ, तेज़ दृष्टिकोण की तलाश में रहे हैं जो इन कठिन अणुओं को बिना किसी जहरीले कचरे के पीछे छोड़े तोड़ सके।
हाल ही में, चीन के लियाओनिंग पेट्रोकेमिकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इस समस्या से निपटने के लिए 'मैकेनोकेमिस्ट्री' (mechanochemistry) नामक एक विधि का पता लगाया। गर्मी या तरल रसायनों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने भौतिक बल की शक्ति का उपयोग किया। टीम ने फिनांथ्रिन से दूषित मिट्टी ली और उसे एक ऐसी मशीन के अंदर रखा जो भारी सिरेमिक गेंदों (ceramic balls) से सुसज्जित थी। जैसे ही मशीन घूमती, ये गेंदें अत्यधिक गति से मिट्टी और इसमें मिलाए गए पदार्थों से टकरातीं, जिससे तीव्र ऊष्मा और दबाव के सूक्ष्म, क्षणिक क्षेत्र उत्पन्न होते। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह हिंसक कंपन प्रदूषक अणुओं को फाड़ सकता है और उन्हें हानिरहित पदार्थों में बदल सकता है। इस प्रक्रिया को और अधिक प्रभावी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने मिट्टी के साथ विभिन्न ठोस सामग्रियों को मिलाने का परीक्षण किया, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए सहायकों के रूप में कार्य करती हैं।
परिणामों से पता चला कि सभी सहायक समान नहीं थे। जब शोधकर्ताओं ने मैंगनीज डाइऑक्साइड (manganese dioxide), जो एक सामान्य खनिज है, का उपयोग किया, तो मिट्टी में नाटकीय सुधार देखा गया। मिलिंग के मात्र तीन घंटों के बाद, मैंगनीज डाइऑक्साइड प्रणाली ने 93.4 प्रतिशत फिनांथ्रिन को तोड़ दिया। यह बिना किसी सहायक के मिट्टी को मिलिंग करने पर प्राप्त 43.1 प्रतिशत निष्कासन दर की तुलना में एक बड़ी छलांग थी। सिलिका सैंड, सोडियम हाइड्रोक्साइड और कैल्शियम ऑक्साइड जैसी अन्य सामग्रियों ने भी मदद की, लेकिन कोई भी मैंगनीज डाइऑक्साइड के प्रदर्शन के करीब नहीं पहुँच सका। अध्ययन में पाया गया कि सर्वोत्तम परिणाम गेंदों के विशिष्ट आकार के मिश्रण और गेंदों का मिट्टी के साथ उच्च अनुपात का उपयोग करने से मिले, जो मशीन को 500 चक्कर प्रति मिनट की गति से घुमा रहा था। इन अनुकूलित स्थितियों के तहत, निष्कासन दर और भी अधिक बढ़ गई, जो लगभग 99 प्रतिशत तक पहुँच गई।
तो, उस घूमते हुए जार के अंदर वास्तव में क्या होता है? शोधकर्ताओं ने पाया कि भौतिक प्रहार केवल मिट्टी को धूल में ही नहीं बदल देता है। टकराव का बल मैंगनीज डाइऑक्साइड की क्रिस्टल संरचना को विकृत कर देता है, जिससे सूक्ष्म दोष उत्पन्न होते हैं और नई, सक्रिय सतहें सामने आती हैं। यह यांत्रिक तनाव अत्यधिक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (reactive oxygen species) के निकलने को प्रेरित करता है, जो अनिवार्य रूप से ऑक्सीजन परमाणु या अणु हैं जो अन्य रसायनों से इलेक्ट्रॉन छीनने के लिए उत्सुक होते हैं। अध्ययन ने इन प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के दो मुख्य प्रकारों की पहचान की जो प्राथमिक कार्यकर्ता के रूप में कार्य करते हैं: हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स (hydroxyl radicals) और सुपरऑक्साइड आयन (superoxide anions)। ये प्रतिक्रियाशील एजेंट फिनांथ्रिन अणुओं पर हमला करते हैं, उनकी स्थिर रिंग संरचनाओं को छीन लेते हैं और उन्हें चरण दर चरण तोड़ देते हैं।
अपघटन की प्रक्रिया एक स्पष्ट मार्ग का अनुसरण करती है। शोधकर्ताओं ने पता लगाया कि कैसे तीन-रिंग वाले फिनांथ्रिन अणु पर पहले हमला किया गया और उसे एक क्विनोन (quinone) संरचना में बदला गया, फिर उसे एक दो-रिंग वाले एसिड में पुनर्गठित किया गया, और अंततः उसे छोटे, एकल-रिंग वाले एसिड में काट दिया गया। अंततः, अणु को सरल लघु-श्रृंखला वाले फैटी एसिड में कम कर दिया गया और अंततः कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में बदल दिया गया। यह पूर्ण रूपांतरण, जिसे खनिजीकरण (mineralization) कहा जाता है, सफाई के लिए स्वर्ण मानक है क्योंकि यह कोई जहरीला अवशेष नहीं छोड़ता है। टीम ने मध्यवर्ती चरणों की सुरक्षा की भी जांच की, जो मूल प्रदूषक और अंतिम हानिरहित उत्पादों के बीच अस्थायी रूप से मौजूद रहने वाले रसायन हैं। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे प्रक्रिया आगे बढ़ती है, मिश्रण की विषाक्तता काफी कम हो जाती है। मध्यवर्ती रसायन मूल फिनांथ्रिन की तुलना में मछली, जल पिस्सू (water fleas) और शैवाल के लिए बहुत कम हानिकारक थे, और अंतिम उत्पाद लगभग गैर-विषाक्त थे।
यह कार्य बताता है कि मैंगनीज डाइऑक्साइड जैसे सरल खनिज के साथ यांत्रिक बल का उपयोग करना जिद्दी मिट्टी के प्रदूषण को साफ करने का एक शक्तिशाली तरीका प्रदान करता है। यह बड़ी मात्रा में तरल रसायनों या अत्यधिक गर्मी की आवश्यकता के बिना, प्रतिक्रिया चलाने के लिए गति की ऊर्जा पर निर्भर करता है। हालांकि यह अध्ययन प्रयोगशाला सेटिंग में किया गया था, लेकिन इसके निष्कर्ष एक ऐसी विधि की ओर संकेत करते हैं जो कुशल, संचालित करने में अपेक्षाकृत सरल और एक खतरनाक, निरंतर रहने वाले प्रदूषक को पर्यावरण के लिए सुरक्षित चीज़ में बदलने में सक्षम है। मुख्य बात यह है कि कभी-कभी, रासायनिक समस्या को हल करने का सबसे प्रभावी तरीका थोड़ा सा भौतिक दबाव डालना होता है।
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