изучение закономерностей сорбции металлов микроорганизмами

'^
"^
На правах рукописи
КОРЕНЕВСКИЙ Антон Александрович
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ СОРБЦИИ
МЕТАЛЛОВ МИКРООРГАНИЗМАМИ
Специальность 03.00.07.— Микробиология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Л\осква— 1997
Работа выполнена в Институте микробиологии Российской
Академии Наук.
Научный руководитель:
член-корреспондент РАН,
доктор биологических наук,
профессор Г. И. Каравдйко
Официальные оппоненты: доктор биологических наук
Н. Н.Медведева
кандидат геолого-минералогнческих
наук Р. А. Амосов
Ведущая организация:
Факультет почвоведения МГУ им.
М. В. Ломоносова
зашита диссертации состоится «,
в, [ Ч - часов на заседании диссертационного совета'в Инсти­
туте 'микробиологии РАН по адресу: г. Москва, проспект
60-летия Октября, д. 7, корпус 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Инсти­
тута микробиологии РАН.
Автореферат разослан «, \'\... »
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.б.н.
/''ССслУ^^
jggj г.
Л. Е. Никитин
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
ппоблемы.
взаимодействия
микроорганизмов
Изучонио
с
закономерностей
металлами
важно
как
для
п о н и м а н и я п р о ц е с с о в м и г р а ц и и металлов в о к р у ж а ю щ е й среде, т а к и п
с в я з и с р а з р а б о т к о й биотехнологических методов о ч и с т к и с т о ч н ы х вод
и извлечения ц е н н ы х элементов из п р о м ы ш л е н н ы х р а с т в о р о в .
ИЗВРСТ1Ю, что способность к о н ц е н т р и р о в а т ь х и м и ч е с к и е э л е м е н т ы
с в о й с т в е н н а всем ж и в ы м организмам. На к о н ц е н т р а ц и о н н у ю ф у н к ц и ю
живого
вещества
как
на
важнейшую
часть
его
геохимической
деятельности у к а з ы в а л В.И. Вернадский.
Достаточно
подробно
изучена
способность
микроорганизмов
н а к а п л и в а т ь металлы в клетках за счет процессов т р а н с п о р т а , а т а к ж е
механизмы
Однако
устойчивости
способность
микроорганизмов
клеток
к
микроорганизмов
тяжелым
к
металлам.
взаимодействию
с
металлами за счет с о р б ц и о н н ы х процессов долгое в р е м я но находила
д о л ж н о г о в н и м а н и я . Т а к и е исследования начали а к т и в н о проводиться с
80 гг. в с в я з и с поиском альтернативных тех1юлогип о ч и с т к и сточных
вод от т о к с и ч н ы х
носили
металлов
выраженную
механизмы
лежащие
и радионуклидов.
технологическую
в
основе
этих
Эти р а б о т ы
направленность,
процессов
обычно
оставляя
за
рамками
закономерностей
сорбции
исследований.
Целью
работы
было
изучение
ра.зличных групп металлов клетками микроорганизмов.
Основные з а д а ч и и с с л е д о в а н и я :
1. И з у ч и т ь в л и я н и е ф и з и к о - х и м и ч е с к и х
(})акторов на
сорбцию
состояния
культуры
различнр,1х металлов микроорганизмами.
2. И з у ч и т ь
влияние
(})из1юлогнчсского
м и к р о о р г а н и з м о в на с о р б ц и ю металлов.
3. И з у ш т ь в л и я н и е элементного состава клеток м и к р о о р г а н и з м о в
на с о р б ц и ю металлов.
4. Выявить
локализацию
сорбированных
возможность
биосорбционного
металлов
в
клетках
извлечения
ценных
микроорганизмов.
5. И з у ш т ь
элементов и з промрлшленных растворов сложного состава и очистки
сточных вод с помои;ью сорбентов на основе м и к р о б н ы х биомасс.
Научная новизна. Изучены закономерности сорбции клетками и
биомассой микроорганизмов следующих групп элементов; металлов,
образующих анионы (Cr(Vl), Mo(Vl), W(VI), металлов, обладающих
высоким (более 700 мВ) электродным потенциалом (Ад, Ид, Аи),
катионов переходных металлов Zn, Cd, Ni, а также редкоземелынлх
элементов (So, Y, La, Sm), железа и алюминия.
Впервые дана количественная оценка сорбционной способности
широкого круга микроорганизмов различных систематических групп.
Обнаружены различия в сорбционной способности не только между
различными видами и штаммами микpoopгaниз^юв, но и между
отдельными клетками популяции. Причем различия в сорбцион1юй
емкости отдельных клеток популяции во много раз превьнили
межвидовые различия.
Установлено, что механизм биосорбции металлов и их локализация в
клетках микроорга1Н13мов зависит от с1)ормы нахождения ионов металлов
в растворе, проницаемости цнтоплазматическои мембраны и элементного
состава клеток. Биосорбция металлов клетками микpoopгaнпз^юp с
неповрежденной ЦПМ осуществляется их гюверхностными структуралт
и в значительной мере определяется значением рИ раствора.
Сорбируемость катиоьюв металлов увеличивается с ростом рН и сгеиенп
их гидролизованности. Биосорбция анионов (VI) молибдена, волы1)рама и
хрома происходит только из кислых растворов.
Показано, что сорбция таких металлов, как серебро, золото и ртуть,
а также шестивалентных ^юлибдeнa, воль(1)рама и хрома сонровождаегся
повреждением ЦПМ клеток микроорганизмов. Поэтому их аккумуляция
происходит как на поверхности клеток микроорганизмов, так и
внутриклеточно.
Установлено, что количество внутриклеточно сорбированных РЗЭ ,
Fe и AJ определяется содержанием (})осфора, а количество серебра, pryiii
и золота - содержанием серы в клетках микроорга1И13мов дрожжей.
Таким образом, элементный состав клеток микроорганизмов м<)Ж1'г
служить показателем их сорбцио1Н1ой способности.
Установлено, что биосорбция ьюлибдена и волы()рама являегс:м
сложным процессом, включающим сорбцию как их катио1Н1ых, так и
анионных форм, в случае молибдена также происходит его частичное
восстановление до пятивалентного состояния.
Проведенные исследования показали, что связьшаиие серебр,!,
золота и ртути клeткa^нl мик1юоргаиизмов происходит • за i чет
л
спя 11.111ПИИЯ
металлов
сул1,(|)гилри'\ь1п,1ми
группами,
а
также,
восстсиюнлепия сорГ)ироплтп.1Х М(-Гс1\лов до lAt-MeHTiioro с о с т о я н и я . П р и
-)гс)м т р , т г ( | ) о р м а ц и я серебра сопровождается вг.1свобол<дением а к т и в н ы х
ц е н т р о в связыва1П1Я.
П р а к т и ч е с к о е з н а ч е н и е п с с л е д о и а н и й . Ра.чработаны способы
получегшя
бносорбентов,
пригод1п,1х
для
использования
в
пpo^и.пIIЛoннocти, а т а к ж е принципы их п р и м е н е н и я для извлечения
Ц1МГНЫХ элементов из п р о и з в о д с т в е т п л х р а с т в о р о в с л о ж н о г о состава и
очистки сточных под от токсичных металлов.
А п р о б а ц и я р а б о т ы . OcnoBHi.ie п о л о ж е н и я д и с с е р т а ц и и были
доложен!.! на 5-м Enponei'iCKOM биотехнологическом к о н г р е с с е (Дания,
1990), !ia 4-м Международном симпозиуме
«Бнотехнологическая
п е р е р а б о т к а топлива» (Италия, 1993), па кон(()ерепции "Очистка
пром1.1!11ленн!>1х сточных вод и водоподготовка» (С-Петербург, 1992), в
лек1Ц1И
«Виосорбция
цветных
и
благородных
металлов»
на
м е ж д у н а р о д т л х учеб!п.1х курсах Ю П Е П «Пиогеометаллургия», Москва,
1991 г. Материалгл диссертации предстпвдялис!, на м е ж д у н а р о д н ы х
науч!1о-техническнх выставках в России, Германии, Ю Л Р , И р а н е в
1995-1997 гг.
П у б л и к а ц и и . По материалам опубликовано 10 работ, в том числе
2 патента.
Объем и структура лисгептации.
Д и с с е р т а ц и я состоит и з
введе!П1я, трех 1-лав, заключения, выводов и списка л и т е р а т у р ы ,
иключа101ЦС1-о 254 п а и м е н о в а п т ! работ. Солержа!1ие р а б о т ы и з л о ж е н о
на /72 с т р а н и ц а х машинописного текста, с о д е р ж и т 23 т а б л и ц ы и 55
рису!!ков.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.
Объекты исследования.
В э к с п е р и м е н т а х использовали кул1,туры м и к р о о р г а н и з м о в и з
коллекции
лаборатории
хемолитотрофных
микроорганизмов
И Н М И РАН,
культуры,
полученные
из
Российской
коллекции
м и к р о о р г а н и з м о в (ВКМ), а т а к ж е штамм!,! м и к р о м и ц е т о в , в ы д е л е н н ы е
из х в о с т о х р а н и л и щ
золотообогатителыюй
фабрики
(Узбекистан).
Кул15тура
микроводорослей
Chlorolla vulgaris шт. А-2
получена
в
Институте ф и з и о л о г и и растений РАН. Использовали м и ц е л и а л ь н ы е
отходы производства антибиотиков (АО «Ферейн» г. М о с к в а , к о м б и н а т
медпрепаратов,
г. Пенза). Кроме того, была
использована
биомасса
пекарских, пивных и кормовых дрожжей.
Методы культивирования микроорганизмов.
К у л ь т и в и р о в а н и е бактерий, д р о ж ж е й и г р и б о в п р о в о д и л и на
с т а н д а р т н ы х средах [Ромапепко, Кузнецов, 1974).
Д р о ж ж и Candida utilis ВКМ Y-1GG8 в ы р а щ и в а л и на с р е д е 1,
содержащей
(г/л) с а х а р о з у - 5,0, (NH4)2S04 - 1,0, К2НРО4 - 0,5,
M g S 0 4 ' 7 H 2 0 - 0,1, р а с т в о р м и к р о э л е м е н т о в [Pfennig a n d Lipperl, 196G) 0,5 мл, р Н = 6,5. К у л ь т и в и р о в а н и е водорослей Cti. vulgaris проводили на
с р е д е Т а м и й и [Андреева, 1975). Время к у л ь т и в и р о в а н и я С. utilis - 12
часов, м и к р о м и ц е т о в - 3-5 суток, Ch. vulgaris - 7-14 суток.
О п ы т ы по и з у ч е н и ю с о р б ц и и и д е с о р б ц и и м е т а л л о в биомассой
микроорганизмов
проводили
следующим
образом.
В
колбы,
с о д е р ж а щ и е по 20 мл р<1стьора метал.\а или соответствуюп;ого
д е с о р б е н т а с з а д а н н ы м значением jill, вносили н а в е с к и б и о м а с с ы (100200 мг сухого веса), затем колбы помещали на качалку (180 о б . / м и н ,
25°С).
Через
20-G0
мин.
биомассу
отделяли
от
раствора
центрифугированием,
либо,
при
изучении
кинетики
процесса,
ф и л ь т р о в а н и е м ч е р е з мембранный [[шльтр, и определяли в paciBoix;
концентрацию
металлов.
Эксперименты
проводили
и
гре.ч
повторностях.
П р о в е д е н и е з а в о д с к и х у к р у п н е н н ы х и с п ы т а н и й биос:о|)беип>11.
Сорбцию
никеля,
молибдена,
вольфрама
и
cepuGjia
б и о с о р б е н т о м на основе биомассы Actinomyces
roscolus проводили в
с т е к л я н н ы х колонках высотой 300 и д и а м е т р о м 35 мм. Высота
р а б о ч е г о слоя 2G0 мм, что соответствует 250 см-' сорбента. С о р б ц и ю
н и к е л я и кадмия биосорбентом на о с н о в е Actinomyces
Irudiuc
п р о в о д и л и в колонках из полистирола, и м е в ш и х
внутренний
д и а м е т р 50 мм и высо-iy 750 мм. Высота рабочего слоя - GOO мм, что
с о о т в е т с т в у е т о б ъ е м у 1,18 л.
Подачу
растворов
в
п е р и с т а л ь т и ч е с к и х насосов.
колонки
осуп1ествляли
с
ном1)т,ыо
И з м е р е н и я э л е к т р о ф о р е т и ч е с к о й п о д в и ж н о с т и клепок дрожжс'й
проводили на приборе' "Parniokvanl 2" Carl ZeLs.s leria (Германия) is
п е р е м е н н о м электрическом поле при и а п р я ж е ш ш на электродах 25175 В и силе тока 2-12 мА. Эти исследования были п р о и е д о т л is
К а з а н с к о м химико-технологическом институте.
К о н ц е н т р а ц и ю м е т а л л о в в растворах определяли м е т о д о м а т о м н о й
а б с о р б ц и и на приборе Perkin-Elnier 3100 (Германия). С о д е р ж а н и е
р а з л и ч н ы х элементов в биомассе м и к р о о р г а н и з м о в о п р е д е л я л и после
ее с ж и г а н и я в р а с т в о р е концоитриропапной HNO3 или в ц а р с к о й водке
при' нагрева1пп1.
Методы получения биосорбентов.
Иммобилизация
биомассы в полимер1и.1е носители.
исследования проводились совместно с Н И И Пластмасс.
Эти
Высуше1П1ую и измельченную в п о р о ш о к б и о м а с с у заливали
с м е с ь ю мономеров, растворителя
и катализатора
н
проводили
о т в е р ж е н и е по о б щ е п р и н я т ы м методам.
По о к о н ч а н и и п о л и м е р и з а ц и и биосорбент д р о б и л и на гранулы
р а з м е р о м 0,25-2,0 мм и обрабатывали острым паром для удаления
растворителя.
Твердьте б и о с о р б е н т ы с полиэтиленовой м а т р и ц е й получены
путем сплавления полиэтилена с пороигком сухой биомассы.
С п л а в л е н и е проводили в процессе вальцевания при 120"С в т е ч е н и е
15 мин., затем массу продавливали ч е р е з (|)ильеры и р а з р е з а л и на
гранул!,! р а з м е р о м 1-3 мм.
Получение сухих гранулированных (|)орм б е з п р и м е н е н и я
полимсрн!.1х носителей. Эта часть работы была в ы п о л н е н а в
М о с к о в с к о м а г р о и н ж е н е р н о м у н и в е р с и т е т е им. В.П.Горячкина.
Установка
для
получения
гранулированных
биосорбентов
включала смеситель, экструдер, аппарат для сушки гранул в к и п я щ е м
слое, термоупрорчнитель.
Проведение
рентгеновского
микроанализа.
Исследования
проводили
на электро1пюм
м и к р о с к о п е JEOL ЛПМ-ЮОСХП
со
сканирующей
приставкой
EM-ASID4D
и
рентгеновским
микроанализатором
н а п р я ж е н и е 60 keV.
Link
860
с
детектором
Е5423.
Ускоряющее
Т о н к и е спезы получали на м и к р о т о м е «Ultratome Nova» (LKB
Instruments, Ш в е ц и я ) . Изугали как н е о к р а ш е н н ы е с р е з ы , т а к и
о к р а ш е н н ы е ч е т ы р е х о к и с ь ю осмия, ураиилацетатом, и / и л и ц и т р а т о м
свинца.
С т а т и с т и ч е с к у ю о б р а б о т к у результатов исследований проводили с
использова1П1ем программ STATISTICA v.4.3 В (StatSoft Inc.) и Microcal
Origin v.3.5 (Microcal Software Inc.).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для изучения закономерностей биосорбции металлов были
выбраны три группы элементов, существенно различающихся по своим
химическим свойствам. Первая группа - металлы, образующие анионы
(Cr{VI), Mo(VI), W(V1)). Вторая группа - металлы, обладающие высоким
(более 700 мВ) электродным потенциалом (Ад, Нд, Аи). Третья группа катионы переходных металлов Zn, Cd, Ni, а также редкоземельных
элементов (Sc, Y, La, Sm), железа и алюминия
Скрининг
микроорганизмов
в отношении
их
сги)Гоб|И)Сти
сорбировать металлы.
При проведении скрининга было показано, что наибольшие и
наименьшие
значения
сорбцнонной
емкости
биомассы
микроорганизмов различных систематических групп различались не
более чем в 2-3 раза (исследования проводили для Ад, Мо, Сг, Ni, Zn,
РЗЭ). Различие в сорбционной способности обнаруживалось но
только между разными видами, 1ю между штаммами одного вида.
Например, штаммы в пределах видов Pcnicillium chrysogciium,
P. vermcosum и Aspergillus nigcr отличались друг от друга по уровню
извлечения серебра примерно в 2 раза.
В то же время изучение отдельных клеток микроорганизмов
методом рентгеновского микроанализа показало их высокую
неоднородность по сорбцнонной активности. Сорбционные емкости
отдельных клеток, как правило, различались в 5-10 раз. В случае
сорбции серебра и золота разница в количестве накопленных
металлов отдельными клeткa^нl С. utilis достигала нескольких
десятков раз. Кроме того, при сорбции серебра из растворов,
содержащих 5 мг Ад/л, до 40% клеток С. utilis вообще не
сорбировали серебро. Таким образом, различия в сорбционной
способности отдельных клеток популяции во много раз превышают
различия обнаруже1И1ые между видами микроорганизмов.
Влияние рН среды на биосорбцию металлов.
Величина рН является важным ([кжтором, онредел}пощим <()орму
нахождения ионов металлов в растворе и степень ионизации
функциональных групп биополимеров клеток микpoopгaниз^юв.
На рисунке 1 представлены результаты изуче1шя влияния рМ среды
на биосорбцию Mo(VI), W(VI) и Cr(VI|. Бносорбция этих элем1мпов
наиболее активно протекает в кислой среде. Причем кривьи;
зависимости адсорбции молибдена и хрома от рН имеют выраженш.и"!
максимум, л е ж а щ и й в диаиачоио значений рП 1,5-3,0. П о в ы ш е н и е р Н
со11ровож^\ается б ы с т р ы м паденис^м с о р б ц и о т ю й е м к о с т и б и о м а с с ы в
о т н о ш е н и и молибдена и хрома. В области р П 6-8 с о р б ц и я этих
металлов практически прекрап1а(!тся. П р и ч е м с н и ж е н и е
уровня
с о р б ц и и хрома (VI) при значениях рП >3 является более р е з к и м , чем в
случае молибдена и вольфрама. При с о р б ц и и в о л ь ф р а м а биомасса
сохраняет
достаточно
Bi.icoKyio с о р б ц н о н н у ю
способность
при
значе1шях р Н 5-7.
Известно, что п р и переходе от Cr(VI) к W(VI) к и с л о т н ы е с в о й с т в а
уменынаются,
а
скло1нюсть
к
полимеризации
возрастает
| Н а з а р е н к о и др., 1979, Зеликман, 1970]. В растворах со з н а ч е н и я м и р Н
вьние 7,5 ш е с т и в а л е н т н ы е хром, молибден и в о л ь ф р а м с у щ е с т в у ю т в
(|)ормо
анионов
(Ме04^'),
при
рН
ниже
7,5
появляются
п р о т о н и р о п а и н ы е с1)ормы ( Н М е 0 4 ' , Н2Ме04", и др.). П р и з н а ч е н и я х рН
н и ж е 0,9 - 1,1 молибден и в о л ь ф р а м представлены п р е и м у щ е с т в е н н о в
виде катионов (МеОг'^^). В случае шестивалентного хрома д а ж е в
с и л ы ю к и с л ы х растворах (>10 N) существует п е р в ы й а н и о н НСГО4", и
доля молеку.\ярной ф о р м ы Н2СГО4 не достигает 100%,
Т а к и м образом, п р о в е д е н н ы е нами и с с л е д о в а н и я
позволяют
говорить, что клетки м и к р о о р г а н и з м о в с о р б и р у ю т
положительно
заряженные, а также протонированные полимерные и мономерные
с|)ормы металлов, обладающие | щ з к и м или н е й т р а л ь н ы м зарядом.
Изу^юние ПЛНЯ1ШЯ с о р б ц и и молибдена на э л е к т р о ф о р е т и ч е с к у ю
п о д в и ж н о с т ь клеток д р о ж ж е й показало, что, наряду с п о л о ж и т е л ь н о
з а р я ж е н н ы м и ф о р м а м и молибдена, сорбируются и его а н и о н н ы е
ф о р м ы . П р и этом KaTHOiuibie ф о р м ы о б р а з у ю т б о л е е п р о ч н ы е
комплекс!,! с функцио!!ал1>!!!лмп группами клеточной поверх!Юсти, чем
а1!ИО!!!П,!е (])ОрМЬ!.
Пpo!^ecc бпосорб!1ии серебра протекал в ш и р о к о м д и а п а з о н е р Н
(рис. 2). Сорб!(ион!!ая
способность биомассы
микроорганизмов
у в е л и ч и в а л а с ь с ростом рН. Наиболее значитель!1Ь!Й р о с т сорбцио!!ной
способ!!ости наблюдался в д и а п а з о н е 3!1аче!!ин р Н 1,5-.4,0.
Извест!!о, что в области значе1!ий р Н 1,5-5,0 с е р е б р о находится в
форме
катио!ГОВ
(Лд + ) [Назарснко,
1979).
В этих
условиях
фу!1К1Ц10наль!1Ые
rpyii!!bi
биопол1!мероп
прото!!изирова!1Ы.
При
взаимоде1"1ствии катио!!ов с е р е б р а с п о т е н ц и а л ь н ы м и
центрами
связь!ва!Н1я
(карбоксильные,
сульфгидрильные
группы
или
ами!10групп!л) происходит высвобожде1!ие протонов. П о э т о м у при
подкислс!!ИИ среды происходит с!!ижо1!ие copб!^иo!^нoй с п о с о б н о с т и
биомассы.
Сорбированно Cr, %
^•
5 го
Сорбировано Мо, %
•а
S
о
о
о
•а
с\
л;
S
X
•а
о
Сорбировано W, %
01
тз
100
00
31
-1-
ш 70
о
'а
о
и
50
Рисунок 2. Влияние pFi па сорбцию
серебра биомассой микромицетов.
Рисунок
3. Влияние
рН
на
.сорбцию цинка, кадмия и никеля
биомассой Act. roseolas.
К а к видно из рисунка 3, с о р б ц и я никеля, к а д м и я и ц и н к а
у в е л и ч и в а л а с ь с ростом р11. К р и в ы е с о р б ц и и металлов имели Sо б р а з н у ю ф о р м у . С о р б ц и я металлов биомассой
микроорганизмов
п р а к т и ч е с к и отсутствовала при значениях рН н и ж е 4. З н а ч е н и я рН,
с о о т в е т с т в у ю щ и е точкам перегиба крив(.1Х с о р б ц и и Zn, Cd и Ni,
составили соответственно 6,0, G,5 и 7,8 (рис. 3). Н а б л ю д а е м ы й рост
с о р б и р у е м о с т и металлов, по-видимому, обусловлен гидролизом и х
катионов. З н а ч е н и я первой константы гидролиза (рК|,.) у в е л и ч и в а ю т с я
в ряду Zn2+ (7,7), Cd2+ (7,9) и N1^+ (9,0) [ Н а з а р е н к о и др., 1979]. Т а к и м
образом, видно, что последовательность с о р б ц и и э т и х металлов
совпадает с порядком увеличения их рК],..
З а в и с и м о с т ь б и о с о р б ц и и РЗЭ, железа и а л ю м и н и я клетками
микроорга1П13мов
от
рН
носит
сложный
характер.
Кривые,
отражающие
эту • зависимость,
имеют
две
точки
перегиба,
с о о т в е т с т в у ю щ и е двум основным механизмам с в я з ы в а н и я (рис. 4).
10
100
Рисунок 4. Влияние рИ на
сорбцию скандия и иттрия
биомассой S. ccrcvisiac.
С помощью метода рентгеновского микроанализа было показано,
что в кислой среде ведущий механизм - взаимодействие с
фосфорсодержащими соединениями, т.е. хемосорбция. Таким образом,
первый перегиб кривой обусловлен изменением
устойчивости
образуемых фосфатных комплексов. Второй перегиб кривой связан с
образованием и сорбцией гидролизованных форм металлов. Очевидно
что, как и в случае сорбции цветных металлов, чем ниже значе1и1я рК),
соответствующего трехзарядпого кат1юна, тем в более кислой области
значений рН будет лежать вторая точка перегиба кривой.
Десорбция металлов с биомассы микроорганизмов.
Показано, что сорбированные металлы могут быть десорбированы
с биомассы микроорганизмов.
Десорбция цветных металлов, молибдена, вольфрама и хрома
происходила при значениях рН, неблагоприятных для сорбции эгих
металлов. Как и в случае ио1Юобме1Н1ых смол десорбция происходит ла
счет вытеснения ионов металлов из центров связывания протонами
или гидроксил-ионами.
Так, эффективность десорбции цветных металлов (Си, Cd, Zn, и
Ni) растворами 1 N серной и соляной кислот достигала 97-99%.
Процесс десорбции молибдена начинался при рН раствора 3-4, а_
при рН 8-10 адсорбированный биомассой молибден практически
11
полностью п е р е х о д и т ri раствор. Хром и мол1.(])рам т а к ж е
Л1'с<)рбмру1отся
с
бпомасси
значений
рН.
В качестве
растворы
NaOH
(рН
м1п<;р()оргапп IMOB
десорбирующих
10), 0,5 М
МагСОз
агентов
и
полностью
И щелочной
области
использовались
(ЫН4)2СОз.
Наилучшие
результаты были получены при использова1П1И 0,5 М (МН4)2СОз.
При
сорбции
комплексов
с
серебра
происходило
сульфгидрильными
образование
прочных
функциональными
группами
б и о п о л и м е р о в , поэтому п р и м е н е н и е в качестве д е с о р б е н т о в р а с т в о р о в
кислот было иеэффективнглм. При и с п о л ь з о в а н и и р а с т в о р о в а м м и а к а
или к а р б о н а т а аммония с е р е б р о легко д е с о р б и р о в а л о с ь с б и о м а с с ы
м и к р о о р г а н и з м о в в виде аммиачных комплексов [Лд(ЫНз)2] """i при этом
э(|5(|)октивность д е с о р б ц и и достигала 99,5%.
В случае восстановления благородных меаллов до металлического
состояния их извлечение предполагается проводить после
сжигания
биомассы.
Д и н а м и к а с о р б ц и и металлов биомассой м и к р о о р г а н и з м о в .
П р и с о р б ц и и Мо, Сг, Ад, Sc, Y, Zn, Cd, и Ni б и о м а с с о й р а з л и ч н ы х
микроорганизмов
первые
15-20
наибольшая
минут
(при
скорость
этом,
процесса
наступало
наблюдалась
практически
н а с ь п ц е н и е биомассы), затем, скорость была незначительной.
образом,
биосорбция
металла
характеризуется
в
полное
Таким
благоприятной
д1П1амикой процесса.
И з о т е р м ы с о р б ц и и ' м е т а л л о в биомассой ^^икpoopгnнизмoв.
П о к а з а н о , что количество сорбирова1ии>1Х металлов у в е л и ч и в а л о с ь
с ростом ИХ ко1щентрации в растворе. Для большинства случаев сумма
квадратов
отклонений,
экспериментальных
меньше,
образом,
чем
при
данных
полученная
уравнением
аппроксимации
изотермы
сорбции
при
уравнением
изученных
аппроксимации
Лэнгмюра,
значительно
Фрейндлиха.
металлов
Таким
биомассой
микрооргаттзмов
могут
быть о п и с а н ы
уравнением
Лэнгмюра:
QmC
Q=^
^ , где О - емкость сорбента при к о н ц е н т р а ц и и C^q , Qm l^. + C ^
м а к с и м а л ь н а я е м к о с т ь сорбента, C^q - р а в н о в е с н а я к о н ц е н т р а ц и я и Kg константа п о л у н а с ы щ е н и я .
Изотермой называют зависимость сорбции от концентрации металлов в
растворе при прочих постоя1И1ых условиях.
12
Параметры уравнения Лэнгмюра составили:
для Ад: Ощ 7,4-22,0 мг/г, К^ 0,0-2,1 мг/л;
для Sc: Qn, 2,3-10,5 мг/г, К^ 0,1«-0,02 мг/л;
для Мо: Qm 125-190 мг/г, К, 11-180 мг/л;
для Сг Qn, 35-05 мг/г, Ks 150-400 мг/л.
Как будет показано ниже, значительную роль в связывании
серебра и скандия играют процессы хемосорбции, для которых
характерна высокая спецнс1)ичность связывания металлов, что и
определяет низкие значения К^.
Для понимания механизмов взаимодействия микроорганизмов с
металлами важно было количестве]П10 оценить различия в способности
отдельных клеток сорбировать металлы, а также определить связь с
элементным составом
клеток, параметром,
связанным
с их
физиологическим состоя1П1ем, с сорбцио1П1ой емкостью. В качестве
модельного организма была выбрана культура С. utilis, котсэрая
является традиционным объектом, для изучения влияния тяжелых
металлов на микроорганизмы.
Было установлено, что в клетках с неповрежде1П10й ЦПМ РЗЭ
(Sc, Y, La, Sm) связываются поверхностными структурами. Сорбция
РЗЭ поверхностными структурами клеток дрожжей становилась
заметной с появле1П1ем в растворе гидролизованных попов мет11Ллов и
отсутствовала при значе1П1ЯХ рН 1П1же 4,5.
Сравнительное изучение топких срезов дрожжевых клеток до и
после сорбции лантана методами просвечивающей электро1П{ой
микроскопии
и
рентгеновского
микроанализа
показало,
что
аккумуляция лантана клетками дрожжей при рН 7,0 происходила
главным образом в пределах маннапового слоя клеточных стенок и на
их внешних поверхностях. При этом отложения лантана состояли из
мелких {5-50 им) игольчатых кристаллов.
В наших экспериментах редкоземельные элементы не оказывали
повреждающего действия на ЦПМ А1южжевых клеток. Поэтому для
изучения характера сорбции РЗЭ клеткалш с поврежденной ЦГ1.М
клетки С. utilis обрабатывали 40% раствором :1тапола. Такие клетки
сорбировали РЗЭ уже при р11 0,5. Поскольку в кислой среде сироцин
13
РЗЭ клеточными поверхностными структурами не происходиу\о, то в
данном случае имела место только внутриклеточная сорбция.
Изучение тонких срезов показало, что при рН 7,0 аккумуляция
лантана клетками С. utilis с нарушенной проницаемостью ЦПМ
происходила в основном внутриклеточно, в результате чего цитоплазма
приобрела зернистую структуру. Наблюдались также отложения
лантана на внешней и внутренней поверхностях клеточной стенки и в
периплазме.
Корреляционный
анализ
показал
существование
прямой
зависимости между количеством сорбированных РЗЭ и содержанием
фосфора в клетках С. utilis с napymeinioft проницаемостью ЦПМ
(Табл. 1). Количество РЗЭ, сорбированных как из кислых, так и из
нейтральных растворов возрастало с увеличением
содержания
фосфора в клетках дрожжей, обработанных этанолом. Зависимость
между количеством сорбированных РЗЭ и содержанием фосфора в
клетках С. utilis с ненарушенной ЦПМ отсутствует.
Коэффициенты корреляции между содержанием серы в клетках
и сорбированными РЗЭ, хотя и ниже, чем таковые между содержанием
(}юсфора и РЗЭ, все же достигают значений 0,86-0,88 (табл. 1). Однако
при обработке клеток 40% этанолом появляется связь между
содержанием фосфора п серы (коэффициенты корреляции составляют
0,86-0,91). Для того чтобы установить, насколько связь между
•содержанием серы и ([юсфора влияет на связь между этими
элементами и количеством сорбированных РЗЭ, были вычислены
частные коэффициенты корреляции [Зайцев, 1973] (Табл. 1). Частные
коэ(1)(|)ициенты корреляции между содержанием серы и РЗЭ
составляют от -0,02 до 0,36, в то время как между содержанием
(|)осфора и РЗЭ, 0,74-0,99. Таким образом, можно предположить, что в
этих случаях связь между серой и РЗЭ обусловлена главным образом
связью серы и фосфора.
Кроме того, при выдерживании клеток в растворе с низкими
значениями рН, а также при сорбции РЗЭ при рН = 2,0, устойчивость
связи между содержанием серы и фосфора в клетках ослабевает, и
коэ(1)с|)ицненты корреляции снижаются с 0,91 до 0,85 в контроле, и с
0,88 до 0,38-0,40 при сорбции лантана и скандия. В то же время,
корреляция между содержанием фосфора и РЗЭ не снижается.
14
Совершенно
очевидно,
что
РЗЭ
взаимодействуют
с
фосфатсодержащими соединениями дрожжевых клеток, такими как
с|)осфаты,
полифосс|эаты, нуклеиновые
кислоты,
(1)ос(|10лнпиды,
фосфорилированные полисахариды.
Изучение сорбции железа (III) и алюминия показало, что
механизм их связывания клетками С. utilis тот же, что и п случае РЗЭ.
Сорбция железа (III) клетками дрожжей с неповрежденной ЦПМ
происходит при значениях рН выше 1,6-1,7, а алюминия при рН выше
4. Клетки, обработанные этанолом, сорбировали железо (III) уже при
рН = 0,5, в то время как алюминий слабо сорбировался при рН 2,0 и не
сорбировался при рН = 0,5.
Как видно из таблицы 1, при сорбции железа и алюми1Н1я из
кислых растворов клетками с поврежденной ЦПМ наблюдается
высокая корреляция между содержанием фосфора и количеством
сорбированных металлов.
При исследовании' тотальных препаратов методом электронной
микроскопии обнаружено, что сорбция серебра из азотнокислых
растворов сопровождалась образованием серебросодержащих гранул,
как связанных с клетками, так и находящихся между ними. Размер
гранул варьировал от 0,01 до 0,25 мкм. Методом рентгеновского
микроанализа в большинстве гранул обнаружено только серебро, хотя
и имеются гранулы состава Ag-S и Ag-Cl.
На тонких неконтрастирова1шых срезах клеток С. utilis,
сорбировавших
серебро,
хорошо
видны
многочисленные
электроноплотные гранулы, располагающиеся во внутриклеточном
пространстве, в пределах и па поверхности клеточной стенки. Размер
гранул варьировал от 0,001 до 0,15 мкм. С помощью рентгеновско1о
микроанализа показано, что гранулы содержат серебро.
Проведенные
эксперименты
по биосорбции
серебра
в
динамических условиях показали, что его транс(})ормация до
металлического состояния сопровождается высвобождением активных
центров связывания.
15
Таблица 1.
Коэффициенты
корреляции
между
количеством
сорбированных металлов и содержанием ((юсфора и серы в клетках
С. utilis.
Коэффициенты
корреляции
Частные
коэффициенты
корреляции
Р : Me S : Me
-Р
-S
Условия сорбции
Вариант
обработки
Р : РЗЭ
S : РЗЭ
Р:S
рН = 7,0 (Контроль)
—
—
—
0.09
—
—
рН = 7,0
40% этанол
—
—
0.91
—
—
рН = 2,0
40% этанол
—
—
0,85
—
—
Sc 0,5 т М , рН = 5,0
—
0,10
0,05
0,53
—
—
Sc 0,5 т М , рН = 5,0
40% этанол
0,99
0,88
0,86
0,94
0,36
Sc 0,5 т М , рН = 2,0
40% этанол
0,99
0,39
0,40
0,87
0,21
U 0,5 т М , рН = 7,0
—
0,32
0,13
0,29
—
—
La 0,5 т М , рН = 7,0
40% этанол
0,87
0,85
0,88
0,7?
0,10
La 0,5 т М , рН = 2,0
40% этанол
0,95
0,12
0,38
0,99
-0,02
Sm 0,5 т М , рН = 7,0
—
0,24
0,18
0,08
—
—
Sm 0,5 т М , рН = 7,0 40% этанол
0,98
0,89
0,88
0,74
0,20
Y0,5 т М , рН = 7,0
40% этанол
0,08
0,15
0,22
—
—
Y0,5 т М , рН = 2,0
40% этанол
0,96
0,38
0,42
0,93
0,09
F e 0 , 5 т М , р Н = 2,0
—
0,12
0,24
0,53
—
—
Fe0,5 т М , рН=1,0
40% этанол
0,95
0,90
0,93
0,79
-0,18
М 5,0 т М , рН = 2,0
40% этанол
0,88
0,40
0,38
0,86
-0,17
С) Критические значения коэффициентов корреляции при уровне значи­
мости 0,05 и объеме выборки 30-35 клеток составляют 0,34-0,36 [Лакин,
1973).
При изучении в ска1трующем микроскопе поверхность клеток
С. utilis, сорбировавших ртуть выглядит бугристой, наблюдается также
расслоение клеточных стенок. На поверхности клеток видны
многочисленные электроноплотные точки и пятна размером 0,02-0,2
мкм. Методом рентгеновского микроанализа установлено, что они
содержат ртуть и серу и, по-видимому, представляют собой сульфид
ртути.
16
Поверхность клеток дрожжей, сорбировавших золото, выглядит
более ровной по сравнению с клетками, сорбировавшими ртуть. 11а
поверхности клеток также наблюдаются электроноплотные точки, хотя
и в меньшем количестве, чем в предыдущем случае (при сорбции
ртути). С помощью рентгеновского микроанализа показано, что оти
точки содержат главным образом золото. По-видимому, золото п этих
точках находится в восстановленном, металлическом состоянии.
Особенностью .этих металлов является то, что OJHI повреждают
ЦПМ и легко проникают внутрь клеток. При этом сорбция серебра,
золота и ртути сопровождалась снижением солержа1шя cjioccjiopa и
особенно калия в клетках. В то же время, содержание серы в клетках
С. utilis при сорбции серебра и золота было выше на 15-44%, чем и
соответствующем контроле, а при сорбции ртути - в 4 раза. Повидимому,
сера
связывается
сорбированными
металлами
и
удерживается в клетках.
Корреляционный анализ показал, что в большинстве случаев
существует связь между содержанием серы в клетках Ch. vulgaris и
С. utilis и количеством сорбированных металлов (табл. 2), а именно,
количество сорбированных металлов растет с увеличе}П1ем содержания
серы в клетках.
При значительных потерях калия клетками С. utilis появляется
связь между содержанием фосфора и серы
(коэффициенты
корреляции составляют 0,73-0,90). Оценить влияние этой связи па
получаемые результаты позволяют приведенные в таблице 2 значения
частных коэффициентов корреляции.
Зависимость сорбции серебра и золота элементов от содержания
серы в клетках микроорганизмов также получает подтверждение при
сравнении сорбционной способности клеток Ch. vulgaris и С. utilis.
Клетки Ch. vulgaris, содержащие большее количество серы и (j)oc{|)opa,
чем клетки С. utilis. также обладали и большей сорбционной емкостью.
Проведенные исследования позволили выделить два этапа
связывания серебра, золота и ртути клетками микроорганизмов. На
первом
этапе
происходит
быстрое
связывание
металлов
сульфгидрильными группами, а также, вероятно, за счет ионного
обмена и хелатировапия. На втором этапе сорбированные металлы
восстанавливаются до металлического состояния. Восстановление
может происходить в результате взаимодействия с сулы1)гидрильными
17
группами
либо с другими
восстановленными
соединениями
клетки
(например, к о м п о н е н т а м и дыхательно11 цепи).
Таблица 2. Коэффициенты корреляции между количеством сорбированных
металлов и содержанием фосфора и сери в клетках С. utilis н СИ. vulgaris.
Микроорганизмы
Р :Ме S : Me
С. uUIis
Ch.
vulgaris
Частные
коэффициенты
корреляции
Р : Me S : Me
-S
-Р
Коэффициенты
корреляции
Концентрация
металла
Р; S
Ад 30 мг/л
0,51
0,55
0,90
0,10
0,46
Нд 50 мг/л
0,63
0,91
0,74
-0,09
0,98
Аи 20 мг/л
0,19
0,43
0,78
-0,40
0,75
Ад 5 мг/л
0,10
0,72
0,38
0,14
0,76
Ад 10 мг/л
0,24
0,60
0,21
0,02
0,60
Аи 10 мг/л
0,72
0,59
0,33
0,59
0,38
И з у ч е н и е клеток С. utilis, с о р б и р о в а в ш и х молибден и в о л ь ф р а м в
с к а н и р у ю щ е м м и к р о с к о п е показало, что п о в е р х н о с т ь к л е т о к п о к р ы т а
слоем
электроноплотного
aMopiliHoro
материала.
С
помощью
р е н т г е н о в с к о г о м и к р о а н а л и з а установлено, что этот м а т е р и а л с о д е р ж и т
М о или W и, очевидно имеет состав т М о О з • п Н г О или m W 0 3 • n H j O .
Т а к ж е п о к а з а н о , что с о р б ц и я молибдена и в о л ь ф р а м а с о п р о в о ж д а е т с я
п р а к т и ч е с к и полной потерей клеточного калия, что с в и д е т е л ь с т в у е т о
. п о в р е ж д а ю щ е м действии, ^юлибдaтoв и в о л ь ф р а м а т о в
на
клеточные
мембраны.
Изучение
тонких
неокрашенных
срезов
клеток
С.
utilis,
с о р б и р о в а в ш и х молибден и вольфрам, показало, что к л е т к и д р о ж ж е й
заполнены
электроноплотным
материалом.
Причем
отложений
металлов не наблюдалось ни на поверхности к л е т о ч н ы х с т е н о к н и в их
толще. Т а к и м образом, м о ж н о сделать вывод, что п р и в н у т р и к л е т о ч н о й
сорбции
происходит более прочное с в я з ы в а н и е э т и х м е т а л л о в
видимому,
за счет взаимодействия
с фосфор-
и
(по-
серусодержащими
с о е д и н е н и я м и ) , чем при сорбции на клеточной с т е н к е .
18
Селективность биосопбции металлов.
Изу^1ение селективности извлечения металлов проводили на
модельных растворах, а также на сложных по составу технологических
растворах.
Знание механизмов связывания различных групп моталлон
позволяет обеспечить высокую селективность
биосорбционных
процессов. Так, селективность извлечения металлов может быть
основана на разнице оптимальных значений рН для биосорбцин
различных металлов.
При изучении влияния ионов металлов на биясорбцию молибдена
показа1Ю, что гп^"*", Си^"*", АР"*" и Сг-'"'" при соотношении Мо/Ме в
растворе равном 7-10 при рН 2,0 снижали емкость биомассы С. scottii
только на 20-30%. В то время как Fe-'"'' и Cr(VI), сами сорбирующиеся
при низких значениях рН, подавляли биосорбцию молибдена в
значительной степени (рис. 4).
Рисунок 4. Влияние ионов
металлов
на
сорбцию
молибдена
биомассой
С. scottii.
О 2 4 6 8 10 12 14
Концентрация металлов, мМ
19
Разница оптимальных значений рН для биосорбции различных
металлов позволяет разделять и близкие по свойствам металлы,
например вольфрам от молибдена, скандий от РЗЭ и aлю^uн^ия (при
сорбции поверхностными структурами клеток).
Различная
устойчивость
фосфатных
комплексов
металлов
позволяет разделять при биосорбции трехзарядные катионы (скандий
от РЗЭ; РЗЭ от А1''''", Сг''*') и отделять их от большинства
двухвалентных катионов.
Установлено, что селективность извлечения Лд, Аи и Нд
обусловлена их высоким сродством к сульф гидр ильным группам и
способностью легко восстанавливаться до элементного состояния.
На основе проведенных исследований были установлены условия,
обеспечивающие селективность сорбции металлов, что позволило
разработать и испытать технологические схемы извлечения молибдена,
поль(1)рама, серебра и цветных металлов из промышленных растворов
сложного состава и сточных вод.
Получение биосорбентов из биомассы микрцорганизмов.
Для получения биосорбентов пригодных для использования в
устройствах
колоночного
типа
(традиционного
сорбционного
оборудования)
были
опробованы
отходы
миробиологической
промышленности, а также биомасса кормовых дрожжей.
Разработка способов полу^1ения биосорбентов проводилась в двух
направлениях:
1. Иммобилизация биомассы в полимерные носители.
2. Получение сухих гранулированных ((юрм без применения
полимерных носителей.
Иммобилизацию биомассы проводили в полимерные носители
следующих
типов:
полиакрилат,
полистирол,
полистирол
гидрос()илизированный глицидилметакрилатом, полиэтилен низкого
давления, кератин.
Содержание биомассы в сорбентах на основе полиакрилата или
полистирола достигало 60%. Увеличение содержания биомассы выше
50% приводило к снижению механической прочности биосорбентов.
Максимальное количество биомассы (70%) удалось включить в матрицы
на основе кератина и полиэтилена низкого давления. Полученные
биосорбенты имели размер зерна 0,5-2 мм, удельный объем в воде 2,7-
20
3,3 CMVr, насыпную массу 0,4-0,8 г/ см'', сорбционно-обменную емкость
по 0,1 N NaOH 0,38-0,9 мг-экв/г.
Получение гранулированных биосорбентов включало следующие
этапы: 1) получение гранул размером 1-3 мм на шнековом прессе,
2) сушка гранул в аппарате кипящего слоя при температурах 85-105"С,
3) термоупрорчнение высушенных гранул при температуре 135-140 "С.
Гранулированные биосорбенты имели насыпную массу 0,37-0,42
г/см^ и удельный объем в воде 3,10-3,25 см-'/г.
Получе1Н1ые укрупненные партии |20 кг сухого веса) биосорбентоп
на основе мицелиальных отходов производства
линкомицина,
неомицина и рибоксина были использованы в заводских испытаниях
по извлечению серебра (Щелковский завод ВДМ), молибдена и
вольфрама (НПО «Гранат») и цветных металлов - Zn, Cd и Ni
(машиностроительный завод им. М.В.Хруничева).
Укрупненные испытания биосорбционного способа извлечения
молибдена и вольфрама из производственных раствопов.
В испытаниях использовали производственные растворы ПО
«Гранат». Разработанная совместно со специалистами МИСиС
технологическая схема предусматривает осаждение основной массы
молибдатов и вольфраматов раствором хлористого кальция и
последующее биосорбционное извлечение металлов. Содержа1Н1е
молибдена в растворе, поступавшем в сорбционную колонку,
составляло 0,3-0,5 г/л, вольфрама 0,02 г/л, кальция 4,8 г/л, натрии
29 г/л. Применение стандартных ионообменных смол для извлечения
молибдена и воль^^рама из этих растворов было мало эс|)фективным изза их недостаточной селективности.
В качестве сорбентов использовали гранулированную биомассу
Act. roscolus и биомассу Saccharomyccs ccrcvisiac ("S. carlsbcrgcnsis"),
иммобилизоварн1ую
в носитель на основе
триэтиленгликольметакрилата. Уровень извлечения молибдена из раствора достигал 9598%, вольфрама - 99,9%.
После элюирования металлов с биосорбентов из десорбата
молибден и вольфрам осаждали раствором хлористого кальция. В
результате получен ко1щентрат, содержащий до 47% Мо, 6% W и 22%
Са, который может быть использован как легирующая добавка в
металлургической промышленности.
21
Извлечение серобра из производственных растворов Щелковского
завода вторичных 'драгоценных металлов.
Эта часть работы была выполнена совместно с МИСиС.
Использовали
технологический
раствор
следующего
состава:
83 мг Ад/л, 190 г Си/л, 5 г Sn/л, 5 г Cd/л, 3 г Zn/л, 10 г N I / A , 5 Г
НЫОз/л (рН 1,0). Существующими традиционными методами серебро
из растворов такого сложного состава не извлекается. Биосорбцию
проводили в колонках заполненных гранулированной биомассой
Act. rosaolus. Уровень извлечения серебра достигал 99,8%, при этом
остальные металлы, присутствующие в растворе, не сорбировались.
Таким образом, наблюдается крайне высокая селективность
процесса биосорбции, на что указывает вычисленный коэ(1)фициент
разделения серебра и меди (КАу/си = КрАц/КрСи. где Крдд и КрСи коэф(1)ициенты распределения соответствующих металлов), который
составил 4,2- 10^. Селективность биосорбента в данном случае во много
раз превосходит селективность ионообме1Н)ых смол по отношению к
благородным металлам.
Очистка промышленных сточных вод от кадмия и никеля.
Укрупненные испытаний биосорбционных методов очистки
сточных вод гальванического производтва на заовде им. М.В.
Хруничева проводили совместно со специалиствами ВНИИХТ и
МИСиС. Очистке подвергали растворы, содержащие (мг/л) кадмия
33,2, никеля 53,4, кальция 50-150, магния 15-45. Наиболее эффективным
сорбентом для тяжелых металлов оказалась гранулированная биомасса
Act. fradiae. Уровень извлечения никеля и кадмия достигал 97,2 и
99,85% соответственно.
Сорбция кадмия и никеля эффектив1ю протекала в присутствии
катионов кальция и магния, а глубина извлечения резко возрастала в
щелочной области значений рН. Это указывает па то, что наиболее
цолесообраз1Ю использовать биосорбционные методы для доочисткн
сточных вод после осажле1Н1я тяжелых металлов известью на станциях
нейтрализации.
22
ВЫВОДЫ
1. Показано, что способность сорбировать цвот1н.1е, редкие,
редкоземельные
и
благородные
металлы
присуща
микроорганизмам,
принадлежащим
к
различным
систематическим
группам.
Сорбцио1Н1ая
способность
исследованных микроорганизмов определяется в большей мере
их физиологическим состоянием (стадией роста, составом
микробных
клеток,
целостностью
ЦПМ),
чем
их
систематической принадлежностью
2. Показано, что главными физико-химическими факторами!
влияющими на биосорбцию металлов являются величина рН,
определяющая формы нахождения ионов металла в растворе и
степень ионизации функциональных групп биополимеров, а
также
солевым
составом
раствора
и
концентрация
сорбируемого элемента.
3. Биосорбция шестивалентных молибдена, воль(1)рама и хрома
наиболее активно протекает в диапазоне рН 1,5-3,0, что
связано с процессами протонизации и полимеризации анионов
металлов. Показано, что биосорбция молибдена является
сложным
процессом,
включающим
сорбцию
как
его
катионных, так и анионных форм, а также его частичное
восстановление до пятивалентного состояния.
4. Биосорбция серебра, золота и ртути также происходит в
широком диапазоне рН, увеличиваясь с ростом его значений.
Проведенные исследования позволили выделить дна этапа
связывания
серебра,
золота
и
ртути
клетками
микроорганизмов. На первом этапе происходит быстрое
связывание металлов сульфгидрильными группами, а также, за
счет ионного обмена и хелатирования. На втором этапе
сорбированные металлы восстанавливаются до металлического
состояния. При этом трансформация серебра сопровождается
высвобождением активных центров связывания.
5. Сорбируемость микроорганизмами катионов цветных металлов
(цинка, KaANHiH и никеля) увеличивается с ростом рН и
степени их гидролизованности.
6. Биосорбция катионов РЗЭ, Fe и А1 происходит в широком
диапазоне значений рН и определяется как степенью их
23
гндролизованности, так и высокой устойчивостью образуемых
комплексов с фос[|юрсодержищимн биополимерами клеток
микроорганизмов.
7. Выявлена высокая селективность биосорбционных процессов,
которая обеспечивается с одной стороны разнообразием
с1)ункциональных групп биополимеров, высокой удельной
поверхностью микробной биомассы, и содержанием в ней
соединений-восстановителей, и с другой стороны различной
степенью
гидролизованности,
протонизированностн
^и
полимеризоваиности сорбируемых ионов металлов, а также в
их различным сродством к с|юсфатным и сульфгидрильным
группам и способностью восстанавливаться до металлического
состояния.
8. Разработаны способы полу^1ения биосорбентов методами
иммобилизации в полимерные носители следующих типов;
стирол-днв1П1Илбензолы1ые,
глицидилметакрилатные,
полиэтиленовые и кератиновые, а также методами грануляции
биомассы без применения полимерных связующих.
9. Проведение укрупненных испытаний на машиностроительном
заводе им. М.В. Хруничева, ПО «Гранат», Щелковском заводе
вторичных драгоценных металлов и Московском заводе
полиметаллов
показало
перспективность
использования
биосорбентов
для
селективного
извлечения
редких,
редкоземельных и благородных металлов из сложных по
составу растворов, для разделения близких по свойствам
элементов (молибдена и вольфрама, РЗЭ), и для глубокой
доочистки промышленых сточных вод от цветных металлов .
24
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Кореневский А.А., Каравайко Г.И. Сорбция молибдена биомассой
микроорганизмов. / / Микробиология, 1993, т.62, № 4, С. 709-716.
2. Кореневский А.А., Сорокин В.В., Каравайко Г.И. Взаимодействие
ионов серебра с клетками Candida utilis. / / Микробиология, 1993,
т.62, № 6. С.1085-1091.
3. Кореневский А.А., Сорокин В.В., Каравайко Г.И. Взаимодействие
ионов редкоземельных элементов с клетками Candida utilis. //
Микробиология, 1997, т.66, № 2 , С. 198-205.
4. Karavaiko G.I., Kareva AS., Avakian Z.A., Zakharova V.I., and
Korenevsky A.A. Biosorption of scandium and yttrium from solutions. / /
Biotechnology Letters, 1996, V.IB, P. 1291-1296.
5. Каравайко Г.И., Авакян 3.A., Карева. A.C., Захарова В.И.,
Хайрулина Р.Т., Романцева Т.Н., Кореневский А.А., Мешин В.В.,
Устинов В.К., Фролов А.И., Фомичев Ю.А. / / Способ извлечения
скандия из разбавленных растворов. Заявка No 4706787.31-13,
положит, решение от 28.12.90.
6. Каравайко Г.И., Галицкая Н.Б., Авакян З.А., Кореневский А.Л.,
Захарова В.И., Щербак В.В. / / Способ получения тверд1лх
биосорбентов. / / Заявка на патент No 92-015643/13061554, положит.
решение от 23.06.94.
7. Кореневский А.А. Биосорбция цветных и благородных металлов.
/ / Тезисы конференции "Очистка промышленных сточных вод и
водоподготовка. С-Петербург, НПО "Радиевый институт", 1992
8. Каравайко Г.И., Авакян З.А., Кореневский А.А., Захарова В.И.
Дмитриева Т.В., Бабина Ж.П., Петрик П.М. / / Комбинированная
технология
извлечения
металлов
из
пpoизвoдcтвeнlПJIX
гальванических растворов с использованием биосорбентов на основе
. микробной
биомассы.
//
Тезисы
конференции
"Очистка
промышленных сточных вод и водоподготовка. С-Петербург, НПО
"Радиевый институт", 1992
9. Korenevsky А.А., Karavaiko G.I. Adsorption of molybdenum by
biomass of microorganisms. / / Proc. of the V-th European Biotechnology
congress, V. 1, P. 561-564, Copenhagen, Munksgaard, 1990.
10. Korenevsky A.A. Silver biosorption. / / Proc. of the 4-th Int. Symp. on
Biological processing of fossil fuels., 1993, Algero, Italy, EPRl, P. P-27-P28.