CC BY
83
УДК 546.71:579.8:582.28:66.081:676.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МАРГАНЦА ИЗ ВОДНЫХ СРЕД
А.А. ШУБАКОВ, Е.А. МИХАЙЛОВА, Ю.С. ОВОДОВ
Институт физиологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар [email protected]
Исследована способность бактерий Bacillus subtilis (штамм Сыктывкарского госуниверситета), дрожжей Saccharomyces cerevisiae ВКМ Y-2549 и мицели-альных грибов Penicillium ochrochloron ВКМ F-1702, Aspergillus niger ВКМ F-1119 сорбировать ионы марганца Mn + из водной среды. Показано, что все испытанные культуры способны эффективно, на 97,4-98,3%, сорбировать ионы Mn + из жидкой питательной среды, содержащей в качестве источника углерода и энергии глюкозу. Изучена способность дрожжей S. cerevisiae Y-2549 сорбировать ионы Mn + из фильтратов, полученных после отбеливания целлюлозы перманганатом калия в кислой среде. Показано, что дрожжи сорбируют из фильтратов ионы Mn2+ на 80,4-84,2%.
Ключевые слова: биосорбция марганца, микроорганизмы, отбелка целлюлозы
A.A. SHUBAKOV, E.A. MIKHAILOVA, |Yu.S. OVODOV|. USE OF MICROORGANISMS FOR EXTRACTION OF MANGANESE FROM AQUEOUS MEDIA
The ability of bacteria Bacillus subtilis (strain of Syktyvkar State University), yeast Saccharomyces cerevisiae ARCM Y-2549 and filamentous fungi Penicillium ochrochloron ARCM F-1702, Aspergillus niger ARCM F-1119 to absorb manganese Mn2+ ions from aqueous medium was investigated. All the tested cultures were shown to absorb Mn + ions effectively up to 97,4-98,3% from liquid nutritive medium, containing glucose as carbon and energy source. The ability of yeast S. cerevisiae Y-2549 to absorb Mn + from filtrates obtained after the pulp
bleaching with potassium permanganate in acid medium was studied. Yeast was shown to absorb Mn2+ from filtrates by 80,4-84,2%.
Key words: biosorption of manganese, microorganisms, bleaching of pulp
Одной из важнейших проблем современности и обозримого будущего является проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, такими как марганец, железо, цинк, хром, никель, мышьяк и др. Соединения этих элементов в силу высокой токсичности, подвижности и способности к биоаккумуляции представляют опасность не только для человека, но и всего живого на планете [1]. Марганец в питьевой воде является весьма токсичным для живых организмов и окружающей среды, он может накапливаться в желудочнокишечном тракте, снижает уровень гемоглобина, нейротоксичен. Этот поллютант попадает в окружающую среду в результате деятельности таких отраслей промышленности, как производство удобрений, нефтехимия, гальванотехника, выделывание кож, металлообработка, горная добыча [2].
Для очистки природных и производственных сточных вод от катионов различных металлов широко применяется сорбционный метод с использованием как природных, так и синтетических сорбентов [3]. В настоящее время весьма перспективным направлением очистки природных и сточных вод является привлечение микроорганизмов, способных к биосорбции и биоаккумуляции тяжелых ме-
таллов [4]. Накопление металлов клетками микроорганизмов носит двухфазный характер: а) начальная фаза не зависит от энергетического состояния клетки и обусловлена сорбцией металлов компонентами клеточной стенки, среди которых хитин и хитозан особенно активны как сорбенты; б) последующая, более медленная фаза - энергозависимое внутриклеточное накопление, происходящее с участием мембранных переносчиков ионов [5].
Одна из актуальных проблем целлюлознобумажной промышленности - создание экологически чистых способов отбеливания лигноцеллюлоз-ных материалов. Общим направлением развития технологии отбеливания в настоящее время является переход к производству целлюлозы, полностью свободной от хлора (TCF-технология). В качестве бесхлорных отбеливающих реагентов наиболее часто используют кислород, озон и пероксид водорода [6]. В Сыктывкарском лесном институте и в Институте физиологии Коми НЦ УрО РАН были исследованы схемы отбелки сульфатной целлюлозы с использованием в качестве отбеливающих реагентов перманганата калия в кислой среде и пероксида водорода в щелочной среде [7, 8]. Известно [9], что перманганаты принадлежат к силь-
ным окислителям, и продукты их восстановления в зависимости от реакции среды различны. В кислой среде восстановление идет до солей марганца (II):
MnO4 “ + 5 e - + 8 H+ ^ Mn2+ + 4 H2O.
После промывки целлюлозы в стоки попадают ионы Mn2+, которые могут накапливаться в окружающей среде. Однако многие бактерии, мицели-альные грибы, дрожжи и водоросли способны к эффективной биосорбции марганца из водных сред [10, 11].
Цель работы заключается в исследовании способности различных микроорганизмов сорбировать ионы Mn2+ из водных сред.
Материалы и методы
Для сорбции марганца из водных сред применяли бактерии Bacillus subtilis, дрожжи Saccharomyces cerevisiae ВКМ Y-2549 и мицели-альные грибы Penicillium ochrochloron ВКМ F-1702, Aspergillus niger ВКМ F-1119. Посевным материалом были двухсуточные культуры, выращенные в среде следующего состава, г/л: глюкоза - 20,0; дрожжевой экстракт - 2,0; (NH4)2SO4 - 0,5; MgSO4 ' 7H 2O - 0,5; KH2PO4 - 1,0. Посев производили в расчете 5 мл посевного материала на 50 мл среды. Культуры выращивали в колбах при перемешивании (220 об/мин) с объемом питательной среды 50 мл при 24 С. В опытах по исследованию сорбции марганца микроорганизмами использовали среду аналогичного состава, в которой модельным источником ионов Mn2+ служил MnSO4 (1%), а условия культивирования были те же самые. Для роста микроорганизмов исходное значение рН среды устанавливали на уровне 5,0 без дальнейшего регулирования.
Культивирование микроорганизмов проводили также на фильтратах, полученных после разных ступеней отбелки лиственной сульфатной целлюлозы (ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК») по схеме: ПМ - П - ПМ - П - ПМ (ПМ - перманганат калия в кислой среде, П - пероксид водорода в щелочной среде). Отбеливание проводилось с различными суммарными расходами KMnO4 (0,31; 0,61; 1,01%) при мольных соотношениях KMnO4 : H2SO4 1 : 100 и 1 : 50 [8].
В части экспериментов фильтраты были дополнены питательными веществами следующего состава, г/л: глюкоза - 10,0; дрожжевой экстракт -2,0; (NH4)2SO4 - 0,5; MgSO4 ■ 7H2O - 0,5; KH2PO4 -1,0. В фильтратах рН во всех случаях доводили до 5,0 1N раствором NaOH. Содержание редуцирующих веществ (РВ) определяли по методу Нельсона-Сомоджи [12, 13].
Количественное определение ионов Mn + в виде перманганата проводили по методу, основанному на количественном окислении ионов марганца (II) до перманганат-ионов в кислой среде действием персульфата аммония в присутствии катализатора -ионов серебра [14].
Массовую долю катионов марганца, сорбированных биомассой исследуемых микроорганизмов (wi, мас. %), рассчитывали по формуле:
wi = 100 . mi / mj , где mi - масса сорбированного марганца, г; mj -масса марганца, введенного в раствор, г [15].
Цифровые данные в статье представляют собой средние величины, полученные в результате трех независимо проведенных друг от друга экспериментов.
Результаты исследований
С целью изучения способности микроорганизмов сорбировать ионы Mn + из водной среды были испытаны несколько штаммов бактерий (Bacillus subtilis), дрожжей (Saccharomyces cerevi-siae Y-2549) и мицелиальных грибов (Penicillium ochrochloron F-1702, Aspergillus niger F-1119). Культуры выращивали в жидкой питательной среде, содержащей в качестве источника углерода глюкозу (2%), а модельным источником ионов Mn2+ служил MnSO4 (1%). Культивирование в течение 10 суток показало, что вне зависимости от таксономической принадлежности все исследуемые микроорганизмы способны эффективно сорбировать ионы Mn + из среды (табл. 1).
Таблица 1
Сорбция ионов Mn2+ из жидкой питательной среды, содержащей 1 %-ный MnSO4, культурами микроорганизмов
Культура Wi, мас. %
1 сут. 2 сут. | 3 сут. 1 7 сут. | 10 сут.
Bacillus subtilis 94,3 95,2 95,6 96,5 98,1
Saccharomyces cerevisiae 95,5 95,7 95,8 96,0 98,3
Penicillium ochrochloron 96,6 96,8 97,0 97,6 97,5
Aspergillus niger 94,1 94,8 95,5 96,0 97,4
Исходная концентрация ионов Мп2+ составляет 3,64 г/л. Уже через одни сутки роста всеми культурами из среды было сорбировано более 90% марганца: от 94,1-94,3% - грибом A. пдег F-1119 и бактериями B. subtШs, до 95,5-96,6% - дрожжами Б. ceгevisiae У-2549 и грибом Р. ochгochloгon F-1702. В последующие сутки культивирования (2-10 суток) количество сорбированного марганца увеличилось незначительно - на несколько процентов. К концу эксперимента (10 суток) ионы Мп2+ из среды были сорбированы на 97,4-98,3% (А. nigeг F-1119 - Б. ceгevisiae У-2549). Исходя из данных табл. 1, можно отметить, что все исследуемые культуры микроорганизмов способны эффективно, более чем на 90%, сорбировать ионы Мп2+ из жидкой питательной среды, содержащей глюкозу в качестве источника углерода и энергии.
Для дальнейших экспериментов были выбраны дрожжи Sacchaгomyces ceгevisiae У-2549, так как они применяются для решения многих экологических задач, среди которых очистка сточных вод, биоремедиация загрязненных почв и т.д. [4], и эффективно сорбируют ионы Мп2+ из жидкой питательной среды - на 98,3%. Была изучена способность дрожжей Б. ceгevisiae сорбировать ионы Мп2+
из фильтратов, полученных после отбеливания целлюлозы КМп04 в кислой среде. В фильтратах определяли содержание редуцирующих веществ (РВ), рН (1,1-2,9) и концентрацию ионов Мп2+ (0,0019 г/л).
Рост дрожжей обычно протекает в слабокислой среде. Фильтраты после перманганатных ступеней отбеливания целлюлозы имеют достаточно низкие значения рН ввиду глубокой деструкции остаточного лигнина до органических кислот, в связи с чем рН фильтратов доводили до 5,0 раствором щелочи. Были проведены две серии экспериментов. В первой серии дрожжи культивировали на фильтратах без добавления питательных веществ. Содержание РВ в фильтратах при этом - низкое. Поэтому во второй серии экспериментов дрожжи культивировали на фильтратах, дополненных питательными веществами, г/л: глюкоза - 10,0; дрожжевой экстракт - 2,0; ^Н4)^04 - 0,5; MgSO4 . 7Н20 -
0,5; КН2Р04 - 1,0. Дрожжи Б. сеге^^'ае в течение 10 суток культивировали на двух вариантах фильтратов и ежедневно в течение первых пяти суток и через 10 суток в фильтратах определяли содержание ионов Мп2+ (табл. 2).
Таблица 2
Сорбция ионов Mn2+ дрожжами Saccharomyces cerevisiae У-2549 из фильтратов, полученных после перманганатных ступеней отбеливания лиственной сульфатной целлюлозы
Среда wi, мас. %
1 сут. 2 сут. 3 сут. 4 сут. 5 сут. 110 сут.
Фильтрат 0,0 10,5 26,3 42,1 52,6 80,4
Фильтрат+ 1% глюкозы 52,6 53,8 55,7 57,9 68,4 84,2
Наименее активно сорбция марганца происходит из фильтратов, не содержащих дополнительных питательных веществ, и наиболее активно марганец сорбируется из фильтратов, содержащих в качестве источника углерода и энергии глюкозу. Через 10 суток роста дрожжи Б. ceгevisiae У-2549 в обоих вариантах фильтратов сорбируют марганец довольно эффективно - на 80,4-84,2%.
Заключение
На основании проведенных исследований по микробиологической сорбции марганца из водных сред можно заключить, что все испытанные культуры бактерий, дрожжей и мицелиальных грибов способны эффективно, на 97,4-98,3%, сорбировать ионы Мп2+ из жидкой питательной среды, содержащей в качестве источника углерода и энергии глюкозу. Дрожжи Б. ceгevisiae способны сорбировать ионы Мп2+ из фильтратов, полученных после отбеливания целлюлозы перманганатом калия в кислой среде, также достаточно эффективно - на 80,484,2%. По-видимому, дрожжи Б. сеге^^'ае являются перспективной культурой для использования ее при очистке водных сред от ионов Мп2+.
Литература
1. Иванов А.И., Костычев АА., Скобанев А.В. Аккумуляция тяжелых металлов и мышьяка базидиомами макромицетов различных эколо-го-трофических и таксономических групп // Поволжский экологический журнал. 2008. № 3. С. 190-199.
2. Hasan HA., Abdullah S.R.S., Kofli N.T., Kama-ruddin S.K. Biosorption of manganese in drinking water by isolated bacteria // J. Appl. Sci. 2010. Vol. 10. №21. P. 2653-2557.
3. Калюкова Е.Н., Письменко В.Т., Иванская Н.Н. Адсорбция катионов марганца и железа природными сорбентами // Сорбционные и хроматографические процессы. 2010. Т.10. Вып. 2. С.194-200.
4. Гаранин РА., Лыков И.Н. Использование дрожжей Saccharomyces cerevisiae в качестве биосорбента и биоаккумулятора катионов тяжелых металлов // АгроХХ1. 2008. № 4-6. С. 73-74.
5. Букреева В.Ю., Грабович М.Ю., Епринцев АТ, Дубинина ГА. Сорбция коллоидных соединений оксидов железа и марганца с помощью железобактерий на песчаных загрузках очистных сооружений водоподъемных станций // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9. Вып. 4. С. 506-514.
6. Демин В.А. Теоретические основы отбелки целлюлозы. СПб.: СПбГЛТУ, 2013. 100 с.
7. Федорова Э.И., Смолева Л.Л., Шубаков АА., Ячменева СА и др. Способ отбелки целлюлозы // Патент на изобретение РФ № 2142529 от 10 декабря 1999 г. (приоритет от 17.05.1999 г.). БИ № 34.
8. Шубаков АА., Елькина ЕА., Федорова Э.И. Отбеливание лиственной сульфатной целлюлозы перманганатом калия // Химия раст. сырья. 2002. № 2. С. 29-31.
9. Руководство к лабораторным работам по общей и неорганической химии / Под. ред. Ф.Я.Кульба. Л.: Химия, 1976. 280 с.
10. Atkinson B.W., Bux F., Kasan H.C. Consideration for application of biosorption technology to remediate metal-contaminated industrial effluents // Water Res. 1998. Vol. 24. P. 129-135.
11. Mohamed ZA Removal of cadmium and manganese by a non-toxic strain of the freshwater cyanobacterium Gloeothece magna // Water Res. 2001. Vol. 35. № 18. P. 4405-4409.
12. Nelson N. A photometric adaptation of the So-mogyi method for the determination of glucose // J. Biol. Chem. 1944. Vol. 153. P.375-380.
13. Somogyi M. A new reagent for the determination of sugars // J. Biol. Chem. 1945. Vol. 160. P.61-68.
14. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984. 448 с.
15. Маркова М.Е., Урьяш В.Ф., Степанова ЕА. и др. Сорбция тяжелых металлов высшими грибами и хитином разного происхождения в опытах in vitro // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2008. № 6. С. 118-124.
Статья поступила в редакцию 22.02.2013
