CC BY
135
D m i-
U
w
CO
О X
О ^
и a
О ^
О
D m i-
U
CD iS
О ^
I-
u
и о
X
и D С
О
со ф
VO ч;
О ^
U
ш
т
о (Г)
УДК 579.695
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОМАССЫ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ СТОЧНЫХ ВОД
DOI: 10.24411/1816-1863-2018-13060
И. Н. Лыков, д. б. н, профессор, научный руководитель Института естествознания Калужского государственного университета КГУ им. К. Э. Циолковского, [email protected],
Р. А. Гаранин, к. б. н, преподаватель КГУ
им. К. Э. Циолковского,
Д. И. Петрухина, соискатель КГУ
им. К. Э. Циолковского,
Основная цель настоящей работы — показать возможность использования биомассы Spirulina subsalsa, Saccharomyces cerevisiae, сухих дрожжей и хитин-глюканового комплекса дрожжей для удаления тяжелых металлов из сточных вод. Было установлено, что Spirulina subsalsa и Saccharomyces cerevisiae обладают наибольшей способностью концентрировать тяжелые металлы (Zn, Cu и Ni). В статье представлены данные о влиянии концентрации биомассы, показателя ионов водорода (рН) и температуры на сорбционную активность исследуемых биосорбентов. Максимальное удаление тяжелых металлов регистрировалось при 20—29 °С с нейтральным рН (8,0) в первые 24 часа.
The main goal of the present work is to show the possibility of using the biomass Spirulina subsalsa, Saccharomyces cerevisiae, dry yeast and chitin-glucan yeast complex to remove heavy metals from sewage. It was found that Spirulina subsalsa and Saccharomyces cerevisiae have the greatest ability to concentrate heavy metals (Zn, Cu and Ni). The article presents data on the influence of the concentration of biomass, the index of hydrogen ions (pH) and temperature on the sorption activity of the investigated biosorbents. The maximum removal of heavy metals was recorded at 20—29 °C with a neutral pH (8.0) in the first 24 hours.
Ключевые слова: биосорбция, биомасса, Saccharomyces cerevisiae, Spirulina subsalsa, тяжелые металлы, сточные воды.
Key words: biosorption, biomass, Saccharomyces cerevisiae, Spirulina subsalsa, heavy metals, wastewater.
Наиболее широко используемые методы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов не всегда обеспечивают их очистку до требуемых параметров [1]. Поэтому в последнее время все большее внимание уделяется биосорбционным процессам. Некоторые микроорганизмы, такие как дрожжи и микроводоросли, обладают свойствами биосорбции и могут быть использованы для снижения концентраций ионов тяжелых металлов в сточных водах [2, 3]. Получение необходимой биомассы (биосорбента) не занимает много времени. Кроме того, весьма перспективным является повторное использования для этих ц елей отходов пивоваренных производств и биомассы спиру-лины [4].
В перспективе применение биомассы микроорганизмов оправдано экономически, поскольку результатом будет являться не только повышение эффективности очистки промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов, но и снижение размера экологических платежей пред-
приятий за загрязнение окружающей среды, но поскольку в литературе существуют различные мнения и приводятся различные результаты биосорбционной способности микроорганизмов, то это послужило основанием для проведения настоящего исследования.
Содержание тяжелых металлов в сточной воде до и после сорбционной очистки определяли методом атомно-абсорбцион-ной спектрометрии [5]. В качестве сорбентов использовали биомассу пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae штамм БС1, биомассу цианеи Spirulina subsalsa штамм РСС 9445, а также сухие дрожжи и хитин-глюкановый комплекс из дрожжевой биомассы.
Хитин-глюкановый комплекс получали из живой биомассы дрожжей Saccharo-myces cerevisiae, которую медленно замораживали до —15 °С в течение 24 час, после чего механически измельчали. Замороженную измельченную биомассу обрабатывали ультразвуком в течение 15 мин в ультразвуковой бане с температурой во-
ды 20 °С. Полученную биомассу депроте-инизировали в 4 %-ном водном растворе едкого натрия при температуре 55 °С течение 60 мин (соотношение дрожжей и щелочи 1:4). Затем раствор охлаждали, промывали до нейтральной реакции, центрифугировали 10 мин при 3000 об/мин. Образовавшийся плотный осадок светлосерого цвета высушивали в сухожаровом шкафу при 55 °C в течение 48 ч. Полученную массу помещали в 96 % спирт для удаления липофильных веществ.
Для целей эксперимента биомассу Saccharomyces cerevisiae выращивали в биореакторе при 20 °С в течение 2 суток с принудительной аэрацией стерильным воздухом; в качестве питательной среды использовали фильтрованное охмеленное сусло; отделение биомассы дрожжей от питательной среды осуществляли методом фильтрования под вакуумом в течение 25 мин.
Биомассу Spirulina subsalsa PCC 9445 выращивали на стандартной питательной среде Заррука [6]. Затем осуществляли перемешивание биомассы сорбента со сточной водой.
Сорбционную способность биомассы Saccharomyces cerevisiae SC1, Spirulina subsalsa PCC 9445 в сравнении с сухими дрожжами и биосорбентом на их основе (активированный хитин-глюкановый комплекс) исследовали на модельной сточной воде, содержащей соли меди, никеля и цинка (хлориды и сульфаты).
Концентрация Saccharomyces cerevisiae SC1 и сухих дрожжей в модельных средах составила 5 и 10 г/дм3, а активированный хитин-глюкановый комплекс добавляли в количестве 1,5 г/дм3. Концентрация меди, никеля и цинка в модельной среде составила соответственно 40, 100 и 20 мг/дм3.
Эффективность биосорбции Е (%) рассчитывали по формуле [2]:
Е (%) = 100 - Ск/Сн s 100,
где Ск — конечная концентрация ионов металла в растворе по окончании эксперимента (мг/дм3); Сн — начальная концентрация ионов металла в растворе до эксперимента (мг/дм3).
Результаты исследования. Установлено, что через 24 ч при температуре 29 °C концентрация тяжелых металлов в модельных средах в присутствии Saccharo-myces cerevisiae SC1 снижалась наиболее
Saccharomyces Хитин-глюкановый cerevisiae комплекс
Сухие дрожжи
:: медь н никель в цинк
Рис. 1. Остаточная концентрация ионов металлов в модельной среде, мг/дм3
медь никель цинк
| в БршШпа БиЬзака д БассЬаготусез сегеу151аес |
Рис. 2. Эффективность (%) извлечения ионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод
интенсивно, чем при использовании в качестве сорбентов хитин-глюканового комплекса и сухих дрожжей (рис. 1).
Проведенные исследования показали высокую эффективность извлечения катионов тяжелых металлов биомассой Бр1-гыПпа зыЬзаЬа РСС 9445 и БассНаготусез се-геУ131ае БС1 из сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов (рис. 2).
Наилучшей способностью концентрировать тяжелые металлы, извлекая их из растворов, обладает биомасса БассНаготусез сегеу1з1ае, аналогичные показатели у БргыНпа зыЬза1за РСС 9445 несколько ниже. Оба вида микроорганизмов более активно поглощают ионы никеля и цинка, чем катионы меди. Возможно, это связано с более высокой адсорбционной специфичностью поверхностных (полисахариды и белки) или внутренних структур микроорганизмов к определенным металлам, а также с особенностями самих сорбируемых ионов металлов.
Увеличение биомассы БрГыНпа зыЬза1за РСС 9445 и БассНаготусез сегеУ131ае с 5 до
О»
О
О -1
х
CD
Г)
О
б
CD ы
О ^
0 Г)
1
о
Г)
Г) -I
тз
о
-I
CD
О-
Г> -I 03
О
О ТЗ О Ш
Г)
о
X
о
ы ш
Г) т
03
О
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а О СР
О
о
т
I-
и
Ф
IX
о ср
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
ю
О ^
и ф
т
о
Рис. 3. Эффективность сорбции (%) ионов тяжелых металлов в зависимости от количества биомассы микроорганизма
10 г на 1 дм3 сточной воды приводит к значительному увеличению биосорбционно-го концентрирования ионов меди и никеля (на 25 и 46,1 % соответственно). В то же время эффективность сорбции солей цинка увеличилась всего на 2,2 % (рис. 3).
Способность микроорганизмов накапливать металлы находится в зависимости от рН сточной воды. Исследования показали, что смещение рН в кислую сторону приводит к снижению биосорбционного извлечения спирулиной ионов меди, цинка и никеля (табл. 1). Наиболее успешно поглощение тяжелых металлов спирулиной реализуются при рН = 8.
В то же время в кислой среде биосорбция цинка, меди и никеля биомассой Saccharomyces cerevisiae БС1 была несколько выше, но затраты на корректировку рН среды не оправдывают незначительное повышение эффективности биосорбции цинка. Увеличение концентрации биосорбентов до 10 г/дм3 снижает влияние рН среды на эффективность сорбции, поэтому наиболее рациональным является использование Saccharomyces cerevisiae БС1 в концентрации 10 г/дм3 без корректировки рН сточных вод.
На эффективность биосорбционного извлечения металлов определенное влияние оказывает температура. Результаты исследования показали, что более выраженное замедление процесса биосорбции наблюдалось при 10 °С. С повышением температуры до 29 °С эффективность биосорбции ионов тяжелых металлов увеличивалась (табл. 2).
Выводы
1. Биомасса цианеи Spirulina subsalsa штамм РСС 9445 и биомасса дрожжей Saccharomyces cerevisiae штамм БС1 могут быть использованы в качестве природных сорбентов для извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод.
Таблица 1
Влияние рН на эффективность биосорбции ионов тяжелых металлов (%)
Биомасса, г/дм3 рН ЗрггыЧпа яиЬяаЬа РСС 9445 ЗассИаготусея сегегтае 8С1
Си2+ М2+ гп2+ Си2+ М2+ гп2+
5 5,5 8 50,1 ± 0,8 54,3 ± 0,6 52,5 ± 0,2 59,9 ± 0,3 48,2 ± 0,2 51,7 ± 0,28 52,1 ± 0,59 46,3 ± 0,3 29,7 ± 0,3 38,3 ± 0,35 96,5 ± 0,98 95,9 ± 0,5
10 5,5 8 74,8 ± 2,1 86,8 ± 1,2 88,0 ± 0,2 91,2 ± 0,3 85,7 ± 0,4 94,0 ± 0,6 76,7 ± 0,6 74,2 ± 0,4 82,5 ± 0,4 72,2 ± 0,4 98,2 ± 0,69 98,1 ± 0,6
Таблица 2
Влияние температуры на эффективность сорбции ионов тяжелых металлов биомассой
микроорганизмов (%)
Т, С рН 8р1гиИна яиЬяаЬа РСС 9445 ЗассИаготусея сегег1э1ае 8С1
Си2+ М2+ гп2+ Си2+ М2+ гп2+
10 5,5 8 72,0 ± 0,49 85,6 ± 0,38 77,1 ± 0,56 88,9 ± 0,25 75,3 ± 0,26 87,1 ± 0,42 61,7 ± 0,28 73,3 ± 0,20 71,7 ± 0,36 73,6 ± 0,43 95,9 ± 0,47 98,0 ± 0,61
20 5,5 8 74,6 ± 0,54 88,0 ± 0,35 85,6 ± 0,42 90,0 ± 0,32 84,8 ± 0,41 93,7 ± 0,35 65,0 ± 0,38 76,7 ± 0,31 73,6 ± 0,48 77,4 ± 0,26 96,4 ± 0,46 98,1 ± 0,41
29 5,5 8 81,3 ± 0,31 90,1 ± 0,57 89,1 ± 0,69 91,6 ± 0,54 87,6 ± 0,61 94,2 ± 0,53 66,7 ± 0,25 78,3 ± 0,55 75,5 ± 0,35 79,2 ± 0,31 97.2 ± 0,56 98.3 ± 0,61
меди.
2. Saccharomyces cerevisiae и Spirulina ного концентрирования ионов меди и ни-subsalsa PCC 9445 более активно погло- келя на 25 и 46,1 % соответственно. к
щают ионы никеля и цинка, чем катионы 4. Спос°бн°стъ микроорганизмов на- §
капливать ионы тяжелых металлов нахо- г
дится в зависимости от рН и температуры 4
3. Увеличение сорбционной биомассы сточной воды. Наиболее успешно био- К Spirulina subsalsa PCC 9445 и Saccharomyces сорбционное извлечение тяжелых метал- q cerevisiae до 10 г на 1 дм3 повышает эф- лов реализуются при рН 8 и температуре б фективность увеличению биосорбцион- 20—29 °С. з
о
■п
Библиографический список с
Г)
Г)
о
л
1. Лыков И. Н., Логинов А. А., Кулишов С. А. Использование процессов биосорбции для повыше- О ния эффективности очистки сточных вод и предотвращения экологического ущерба // Вестник Калужского университета. 2014. — № 3. — С. 5—10.
2. Лыков И. Н., Гаранин Р. А. Способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью штамма дрожжевой культуры Saccharomyces cerevisiae. — Патент на изобретение О № 2509734 от 20 марта 2014 года. е
3. Петрухина Д. И., Лыков И. Н. Использование биомассы Spirulina subsalsa в качестве сорбента тя- л желых металлов // Проблемы региональной экологии. — 2017. — № 1. — С. 5—9. —
4. Ефимов Ю. С., Кирюшин П. А. Особенности создания биотехнологического предприятия по в производству спирулины на территории России // Биотехнология: состояние и перспективы развития: материалы IX международного конгресса. Москва, 20—22 февраля 2017 г. — С. 369—370. г
5. ПНД Ф 14.1:2:4.139—98 Количественный химический анализ вод. Методика выполнения изме- О рений массовых концентраций кобальта, никеля, меди, цинка, хрома, марганца, железа, серебра О в питьевых, природных и сточных водах методом атомно-адсорбционной спектрометрии // Го- О сударственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды. — М., 1998 год к (издание 2010 г.). — 24 с. г
6. Петрухина Д. И., Лыков И. Н. Исследование эффективности сохранения цианобактерии Spirulina ® subsalsa после криоконсервации при -80 °С в присутствии глюкозы // Известия вузов. Приклад- О ная химия и биотехнология. — 2016. — Т. 6. — № 4. — С. 68—73. я
й п
__—I
--03
USE OF BIOMASS OF MICROORGANISMS FOR EXTRACTION OF HEAVY METALS Q FROM WASTEWATER
I. N. Likov, Dr. of Sc.(Biol), Scientific Supervisor at the Institute of Natural Science of Kaluga State University (KSU) K. E. Tsiolkovsky, [email protected], R. A. Garanin, Ph. D. (Biol. Sc.), Teacher at the KGU K. E. Tsiolkovsky, [email protected],
D. I. Petrukhina, Post-graduate Student at the KGU K. E. Tsiolkovsky, [email protected]
References
1. Lykov I. N., Loginov A. A., Kulishov S. A. Use of Biosorption Processes to Improve the Efficiency of Wastewater Treatment and Prevention of Environmental Damage // Herald of Kaluga University. — 2014. — № 3. — P. 5—10.
2. Lykov I. N., Garanin R. A. A method of Biosorption Treatment of Water from Heavy Metal Ions Using a Strain of the Yeast Culture of Saccharomyces cerevisiae. — Patent for Invention № 2509734 of March 20, 2014.
3. Petrukhina D. I., Lykov I. N. Use of Biomass Spirulina subsalsa as a Sorbent of Heavy Metals // Regional Environmental Issues. — 2017. — No. 1. — P. 5—9.
4. Efimov Yu. S., Kiryushin P. A. Features of the Creation of a Biotechnological Enterprise for the Production of spirulina in Russia // Biotechnology: State and Development Prospects: Materials of the IX International Congress. Moscow, February 20—22, 2017. — P. 369—370.
5. HDPE F 14.1: 2: 4.139—98 Quantitative Chemical Analysis of Waters. Method for performing Measurements of the Mass Concentrations of Cobalt, Nickel, Copper, Zinc, Chromium, Manganese, Iron, Silver in Drinking, Natural and Waste Water by the Method of Atomic Adsorption Spectrometry // State Committee of the Russian Federation for Environmental Protection. — M., 1998 (edition of 2010). — 24 sec.
6. Petrukhina D. I., Lykov I. N. Investigation of the Efficiency of Cyanobacterial Conservation of Spirulina subsalsa after Cryopreservation at -80 °C in the Presence of Glucose // Proceedings of Higher Educational Institutions. Applied Chemistry and Biotechnology. — 2016. — V. 6. — No. 4. — P. 68—73.
