Диатомеи (от греч. Diátomos – разделённый пополам), кремнистые водоросли (Bacillariophyta), отдел (тип) водорослей (около 25 тыс. видов).Диатомовые водоросли имеют микроскопические размеры (0,75–1500 мкм). Есть одноклеточные, одиночные или колониальные формы (рисунок 1); среди последних встречаются; виды, живущие в слизистых трубках, образующие бурые кусты высотой до 20 см.

Рисунок 1 – Фотографии скелетов водорослей и их колоний

Клетки диатомовых водорослей имеют твёрдый кремнёвый панцирь (и образуется за счет поглощения и химической переработки («переваривания») растворенных в воде кремниевых кислот), состоящий из двух половинок, так называемых створок, находящих одна на другую. Верхнюю створку называют эпитекой, нижнюю – гипотекой. Стенки панциря имеют поры, через которые осуществляется обмен веществ с внешней средой. Многие Д. в., у которых вдоль каждой половины панциря идёт щелевидное отверстие (так называемый шов), способны передвигаться по субстрату, видимо, за счёт выделения слизи. Клетки содержат одно ядро с одним или несколькими ядрышками и один или несколько хроматофоров жёлто-бурого цвета, из-за присутствия, наряду с хлорофиллом а, бурых пигментов (b-каротина и ксантофиллов); продукты ассимиляции – масло и волютин.

3.1 Размножение диатомовых водорослей

В обычных условиях диатомовые водоросли размножаются в геометрической прогрессии. Водоросль-клетка делится на две каждые 4–8 часов. Если принять, что условия обитания водорослей близки к комфортным и деление повторяется каждые 6 часов, то за сутки число клеток возрастет до 2⁴ , за двое суток – 2^4•2 , за неделю – до 2^4•7 , а за 10 дней – до 2^4•10 .

Размножаются они делением; каждая дочерняя клетка получает половину материнского панциря, другая вырастает заново, при этом старая половина охватывает своими краями новую. Благодаря такому способу деления и тому, что пропитанные кремнезёмом твёрдые панцири мало или совсем неспособны к дальнейшему росту. Диатомовые водоросли по мере размножения постепенно мельчают. При образовании ауксоспор (спор роста) содержимое клетки выходит из оболочки и значительно вырастает, давая начало новому, более крупному поколению. Ауксоспоры могут образовываться и половым путём, в результате слияния (коньюгации) содержимого двух клеток. У некоторых наблюдаются размножение и половой процесс с участием жгутиковых гамет (изогамия, гетерогамия или оогамия). У некоторых родов известны покоящиеся споры. Диатомовые водоросли диплоидны. Гаплоидны у них только гаметы.

3.2 Классы диатомовых водорослей

По строению створок диатомовые водоросли делятся на три класса: Centrophyceae, Mediatophyceae, Pennatophyceae.

1. Центрические диатомовые (Centrophyceae), класс диатомовых водорослей. Клетки одиночные или образуют нитчатые и цепочковидные колонии. Хроматофоры обычно в виде мелких многочисленных зёрен, реже одна или несколько пластинок. Размножение путём вегетативного деления клетки на две половинки, известен половой процесс – оогамия. Панцирь цилиндрический, дисковидный, линзовидный, эллипсоидный, шаровидный, бочонковидный, реже призматический, со вставочными ободками. Створки панциря имеют радиальное строение и всегда лишены шва, к ним относятся главным образом планктонные виды. насчитывают 100 родов, около 4000 видов – ископаемых (известны с мелового периода) и современных, широко распространённых в пресноводных и морских водоёмах. Развиваясь в фитопланктоне. Центрические диатомовые служат пищей для многих беспозвоночных животных и мальков рыб. Отмершие панцири водорослей образуют мощные пласты диатомитов.

2. У Pennatophyceae створки обычно двусторонне-симметричны у некото-рых – асимметричны; многие виды их имеют шов и входят в состав бентоса.

3. Класс Mediatophyceae объединяет формы, переходные между Centro-phyceae и Pennatophyceae; большинство из них известно в ископаемом состоянии, единичные роды встречаются ныне в морях. Диатомовые водоросли – наиболее распространённая в природе группа водорослей. Начиная с юрского периода известны многочисленные ископаемые диатомовых водорослей, образующие мощные отложения, так называемые диатомиты.

4. ДИАТОМИТОВЫЕ ВОДОРОСЛИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время всё возрастающее внимание во всем мире уделяется перспективам развития нанотехнологий, то есть технологий направленного получения и использования веществ и материалов в диапазоне размеров до 100 нанометров. Особенности поведения вещества в виде частиц таких размеров, свойства которых во многом определяются законами квантовой физики, открывают широкие перспективы в целенаправленном получении материалов с новыми свойствами, такими как уникальная механическая прочность, особые спектральные, электрические, магнитные, химические, биологические характеристики.

Примерно 15 лет назад диатомовые водоросли привлекли внимание химиков, специализирующихся в области нанотехнологии. Помимо микроскопических размеров (рисунок 2), уникальным свойством диатомовых водорослей оказалось размножаться необычайно высокими темпами, и их разнообразие форм, и наличие крупных месторождений диатомита. Правда, наибольшее значение придается искусственно получаемым, «стандартизованным» материалам с кремнеземными структурами строго определенной формы. Они могли бы использоваться как уникальные фильтры, катализаторы и сорбенты с заданным размером пор, микрокапсулы для лекарств, упрочняющие наполнители композитов, дифракционные решетки оптических датчиков и др.Еще более захватывающие возможности открывает создание структур, повторяющих трехмерный кремнеземный скелет, но имеющих иной химический состав. Задача их создания к простым не относится: ведь кремнезем нерастворим в обычных минеральных кислотах, кроме фтористоводородной, и устойчив ко многим химическим реагентам. Недаром стеклянная посуда (а основа стекла – кремнезем и силикаты) много веков верой и правдой служит исследователям в химических лабораториях.

Рисунок 2 – панцири диатомовых водорослей. Увеличение Х2000

Для решения задачи потребовались новые, матричные методы и не самые «ходовые» реагенты, но химики-неорганики уже провели первые эксперименты в этом направлении.

Сначала SiO₂ удалось заменить на MgO, для этого диатомит выдерживали 4 часа в парах магния при 900°С. Реакцию можно выразить уравнением:

SiO₂ (тв.) + 4Mg (г.) = 2MgO (тв.) + Mg₂ Si (ж.).

В оригинальной публикации указано, что силицид магния выделялся в жидком виде, что позволяло легко отделить его от основного продукта. Температура плавления Mg₂ Si превышает 1000 °С, так что температура синтеза, вероятно, была более 900 °С. Получать трехмерные структуры с воспроизводимой геометрией другим путем, например послойным напылением с помощью молекулярных пучков, в принципе возможно, однако уж очень сложно и дорого.

Более впечатляющим успехом явилось создание трехмерной структуры, повторяющей скелет водоросли, но состоящей из анатаза – одной из форм TiO₂ . Диоксид титана – уникальное вещество, обладающее свойствами фотокатализатора. Развитая поверхность диоксида титана, его микропористая структура значительно усиливают каталитическое действие. Для замены кремния на титан, была использована :

SiO₂ (тв.) + TiF₄ (г.) = SiF₄ (г.) + TiO₂ (тв.)

Успеху способствовало то, что оба тетрафторида летучи (TiF₄ сублимирует при нагревании до 285 °С, а SiF₄ – всего при 91 °С). Насколько полно при этом воспроизводится форма микрообразования можно увидеть на приведенной ниже фотографии (рисунок 3)

.

Рисунок 3 – Созданная из анатаза TiO2 структура (а),повторяющая скелет водоросли (б)

5. ПРИЗВОДСТВО ДИАТОМИТОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

Для применения диатомовых водорослей в нанотехнологиях необходимо провести еще много исследований и опытов.

А на сегодняшний день диатомит широко используется как сырьё для жидкого стекла, глазури, теплоизоляционного кирпича и др.; в качестве строительных тепло- и звукоизоляционных материалов, добавок к некоторым типам цемента; полировального материала (в составе паст) для металлов, мраморов и т.д.; как инсектицид, вызывающий гибель вредителей и т. д.; в качестве носителя катализаторов, в качестве наполнителя в чистящих и абсорбирующих средствах, удобрениях; и пенодиатомитовая крошка; для производства товарного бетона, строительных растворов и сухих строительных смесей различного назначения; являются природными активными минеральными добавками (АМД).

Рассмотрим получение пенодиатомитовыех изделий. Пример: кирпич пенодиатомитовый теплоизоляционный. Предназначен для тепловой изоляции сооружений, промышленного оборудования (электролизных ванн, плавильных печей, котлов, трубопроводов и т.п.) при температуре изолируемой поверхности до 900 ⁰ С. Кирпич относится к группе негорючих материалов и может быть использован для противопожарной защиты стальных, железобетонных и деревянных конструкций, а также в жилищном и гражданском строительстве. Кирпич пенодиатомитовый применяется в строительстве в качестве утеплителя на кровле, используется при возведении кирпичных перегородок и межквартирных ненесущих стен.