CC BY
43
УДК 628.3
М.В. Плетнёва, Е.А. Фарберова, А.В. Виноградова
Пермский государственный технический университет
БИОСОРБЦИЯ ИОНОВ МЕДИ (II) ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
В ходе проведенных экспериментов было выявлено, что биомасса выделенных слизеобразующих микроорганизмов способна поглощать ионы меди (II) из растворов. Однако степень извлечения ионов меди (II) составляет не более 44 %>. Увеличить ее удалось путем иммобилизации клеток слизеобразующих микроорганизмов на поверхность твердого носителя, в качестве которого был выбран активный уголь марки БА У.
Полученный биосорбент способен эффективно поглощать ионы меди из модельного раствора, обеспечивая при этом их максимальную степень извлечения (98,6 %). Наиболее интенсивно процесс идет в течение первых трех часов.
Одним из источников загрязнения водоемов, приводящих к ухудшению качества воды и нарушающих условия обитания в них гидро-бионтов, являются сточные воды заводов, содержащие разбавленные растворы тяжелых металлов. Состав их чрезвычайно разнообразен, он изменяется в процессе появления новых производств и усовершенствования существующих. В сточных водах предприятий металлургической, машиностроительной, приборостроительной, автомобильной и других отраслей промышленности содержится значительное количество загрязняющих веществ, в состав которых входят ионы металлов: &(VI), Fе(Ш), Zn(II), Cu(II), Ni(II), А1(Ш), а также различные органические вещества - спирты, кислоты, поверхностно-активные вещества и нефтепродукты [1].
Тяжелые металлы в природных водах находятся в растворенном и адсорбированном состоянии. Попадая в воду в ионной форме, они накапливаются в осадках в виде гидрооксидов, карбонатов, сульфидов или фосфатов. Содержание различных металлов в водоемах варьирует в широких пределах.
Вопросам очистки сточных вод от различных вредных примесей посвящено много исследований. Проводимая в настоящее время очистка стоков от тяжелых металлов химическими, физическими, элек-
трохимическими способами дорога, громоздка, причем не всегда обеспечивается высокая степень их извлечения. Достигнуты крупные успехи по разработке и внедрению способов биологической очистки бытовых и ряда других сточных вод. В то же время, несмотря на то, что микробиологическая трансформация и детоксикация отдельных металлов и их соединений уже достаточно полно изучена, биологическая очистка от них промышленных сточных вод находится на стадии разработки и становления [2].
Перспективны микробиологические методы сорбции и осаждения ионов металлов. Для извлечения металлов из растворов могут быть использованы представители различных таксономических групп. Так, клетки ТюЪаеИт /вггвх1^т извлекают из раствора ионы Сё (II), Со(11), Си(11), Сг(11), Бе(11), N1(11), А§+, Аи(Ш); КНоёо1оги1а шиЫ^и поьа - Сё(П), Со(11), Си(11), N1(11), 2п (II).
Адсорбция положительно связанных металлов на поверхности клеток, как полагают авторы, связана с присутствием отрицательно заряженных групп анионов: РО43", СОО-, НБ", ОН- в биополимерах, и обусловлена механизмом комплексообразования. Некоторые микроорганизмы синтезируют химические соединения, обладающие высоким сродством к отдельным металлам, в частности, полисахариды. Они содержат остатки сахаров, органические кислоты, аминосахара, ацильные производные и другие соединения, которые способны образовывать комплексы с катионами тяжелых металлов [3].
Это дает основание предположить, что некоторые группы микроорганизмов могут использоваться в качестве биосорбентов для связывания ионов меди.
С целью проверки выдвинутого предположения были выделены и описаны микроорганизмы, способные к слизеобразованию.
Изучено влияние присутствия ионов меди на интенсивность роста выделенных микроорганизмов. Для этого культуру слизеобразующих микроорганизмов засевали в чистую среду МПБ и эту же среду с добавлением Си2+ в количестве 50 мг/л. Культивирование проводили при 30 °С на встряхивателе (160-170 об/мин). Прирост биомассы оценивали по изменению оптической плотности культуральной жидкости с последующим построением кривых роста (рис. 1).
Как видно из представленного графика, присутствие ионов меди (II) в питательной среде не влияет на длительность фаз роста микроорганизмов, но в экспоненциальной фазе снижается удельная скорость роста.
Рис. 1. Кривые роста выделенных слизеобразующих микроорганизмов:
—на среде без Си; —А— на среде с добавлением Си
Проведены исследования по изучению интенсивности поглощения ионов меди в водном растворе биомассой выделенных микроорганизмов. Установлено, что таким образом удается извлечь до 44 % ионов меди, содержащихся в модельном растворе при их исходной концентрации 50 мг/л.
Сделано предположение, что сорбционную способность биомассы можно увеличить путем ее закрепления на поверхности твердого носителя.
Целью данной работы является создание биосорбента на основе активного угля марки БАУ путем иммобилизации на его поверхность клеток слизеобразующих микроорганизмов, и изучение сорбционной способности этого биосорбента по отношению к ионам меди (II).
Для определения оптимальных условий иммобилизации клеток на активный уголь была поставлена задача изучения влияния различных факторов на интенсивность роста выделенной культуры.
Методом зон проверена чувствительность культуры к активному углю марки БАУ. Эксперименты показали, что в присутствии БАУ рост данной культуры не подавляется. Это дает основания полагать, что активный уголь может быть использован в качестве носителя для создания биосорбента при иммобилизации на его поверхность клеток слизеобразующих микроорганизмов.
В связи с тем, что рН поверхности активного угля БАУ находится в пределах 8-10, а водные растворы солей меди (II) имеют слабокислую реакцию среды, было изучено влияние рН среды на интенсивность роста микроорганизмов (рис. 2).
1п (П)
/
< -- => і— * ¡-X
< А г
/ (
//
0 10 20 30
Рис. 2. Кривые роста культуры выделенных микроорганизмов при разных значениях рН среды:
Показано, что наибольшее накопление биомассы в стационарной фазе наблюдается при нейтральной (рН 6) и слабощелочной (рН 8) реакции среды. При рН 6 в среде не наблюдается ярковыраженной лаг-фазы. В слабокислой среде (рН 4) лаг-фаза составляет 5 ч, т.е. наблюдается лимитирование роста культуры.
С учетом результатов проведенных исследований был создан биосорбент на основе активного угля с иммобилизованными на его поверхность клетками слизеобразующих микроорганизмов.
Иммобилизацию клеток на твердый пористый носитель проводили путем обработки образца активного угля суспензией микроорганизмов по коэффициенту пропитки.
Образец биосорбента в количестве 10 г помещали в колбу, куда заливали 200 мл модельного раствора с концентрацией ионов меди (II) 50 мг/дм. Рабочий раствор отделяли от биосорбента путем фильтрования. Остаточные концентрации ионов меди (II) в полученных пробах раствора замеряли методом атомно-адсорбционной спектрометрии. Результаты экспериментов приведены в таблице.
Сравнительная характеристика сорбционной способности полученного биосорбента биомассы выделенных микроорганизмов (начальная концентрация Си2+ в растворе составляет 50 мг/л)
Время, ч Остаточная концентрация ионов меди (II) в растворе, мг/л Степень извлечения ионов меди (II) в растворе, %
Биосорбент на основе АУ с иммобилизованными клетками
0,5 21,79 56,42
1,0 8,66 82,68
2,0 1,61 96,78
3,0 0,71 98,58
4,0 0,97 98,06
Чистая биомасса выделенных микроорганизмов
0,5 39,71 20,58
1,0 34,23 31,54
2,0 29,66 40,68
3,0 28,12 43,76
4,0 28,02 43,96
Показано, что полученный на основе БАУ биосорбент способен поглощать до 98,6 % ионов меди (II) в отличие от чистой биомассы слизеобразующих микроорганизмов, для которой степень извлечения составила не более 44 %.
Список литературы
1. Савранская-Мирецкая Т.М. Исследование процессов удаления тяжелых металлов в технологии очистки сточных вод на городских станциях аэрации: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1997.
2. Жмур М.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. М.:АКВАРОС, 2003
3. Пагенкопф Г.К. Тип иона металла и его токсичность в водных системах // Некоторые вопросы токсичности ионов металлов / под ред. Х. Зингель, А. Зингель; пер. с англ. М.: Мир, 1993.
Получено 17.06.2009
