CC BY
102
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ группового КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ИОНОВ СВИНЦА, КАДМИЯ И МЕДИ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ БИОСОРБЕНТАМИ НА ОСНОВЕ КЛЕТОЧНЫХ СТЕНОК ДРОЖЖЕЙ SACCHAROMYCES CEREVISIAE
Аронбаев Сергей Дмитриевич
старший научный сотрудник, химический факультет, Самаркандский государственный университет, 140104, Узбекистан, г. Самарканд, Университетский булъвар,15
E-mail: diron51 @mail. ru
THE STUDY OF PRINCIPLES OF GROUP CONCENTRATION OF LEAD NUCLEI, CADMIUM AND CUPRUM FROM WATER SOLUTIONS BY BIOSORBENTS BASED ON CELL WALLS OF BUDDING FUNGI SACCHAROMYCES CEREVISIAE
Sergey Aronbaev
Senior Research Scientist, Faculty of Chemistry,
Samarkand State University, 140104, Uzbekistan, Samarkand, University Boulevard, 15
АННОТАЦИЯ
Стационарным методом изучена биосорбция ионов РЬ(11), Cd(П) и Си(11) в ди- и три-ионных системах. Показано, что присутствие постороннего иона в растворе приводит к снижению (ингибированию) сорбционной емкости биосорбента. Установлено, что лучшей адсорбционной способностью обладают ионы РЬ(11) как в случае индивидуального иона, так и в ди- и три-ионных системах. Дается объяснение этого явления с позиций теории Льюиса-Пирсона о характере специфического связывания «жестких» и «мягких» ионов-комплексообразователей с соответствующими лигандами - функционально-
Аронбаев С.Д. Изучение закономерностей группового концентрирования ионов свинца, кадмия и меди из водных растворов биосорбентами на основе клеточных стенок дрожжей Saccharomyces cerevisiae // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2016. № 5 (23) URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/3152
активными группами биополимеров клеточных стенок дрожжей. Выдвигается предположение, что относительная электроотрицательность элемента по шкале Полинга может стать показателем сравнительной сорбционной способности ионов тяжелых металлов.
ABSTRACT
By the stationary method ions biosorption Pb(II), Cd(II) and Cu(II) in di-and tri-ionic systems is studied. It is shown that the presence of extraneous ion in solution leads to a reduction (inhibition) of biosorbent sorption capacity. It is set that ion Pb (II) has the best adsorption capacity as in the case of individual ions, and in di-and tri-ionic systems. The explanation of this phenomenon from the point of the Lewis-Pearson theory of the nature of the specific binding of "hard" and "soft" ion-complex with the appropriate ligands - functionally active groups of biopolymers budding fungi cell walls is given. It is offered that the relative electronegativity of the element on the Pauling scale can be an indicator of the relative sorption capacity of heavy metal ions.
Ключевые слова: клеточные стенки дрожжей, тяжелые металлы, мультиионные системы, сорбционное концентрирование, специфическое связывание, ингибирование.
Keywords: cell walls of yeast, heavy metals, multi-ion systems, sorption concentration, specific binding, inhibition.
1. Введение
Практика применения инженерно-технологических методов ремедиации сточных и поверхностных вод подтверждает преимущество сорбционных методов их очистки от ионов тяжелых металлов, радионуклидов, органических веществ и прочих поллютантов [6; 7]. Вместе с этим все острее стоит проблема поиска дешевых и доступных сорбентов из возобновляемых сырьевых ресурсов, которые могли бы составить достойную конкуренцию дорогостоящим и дефицитным синтетическим сорбентам. В этом отношении
сорбенты на основе отходов пищевой, сельскохозяйственной и фармацевтической промышленности могут составить разумную альтернативу целому ряду синтетических и природных сорбционных материалов. Как показывают исследования последних десятилетий, применение осадочных дрожжей Saccharomyces cerevisiaе в биосорбционных технологиях по извлечению из сточных и поверхностных вод экотоксикантов не находят должного освещения, несмотря на то, что именно избыточные пивоваренные дрожжи являются наиболее доступным, практически неисчерпаемым и недорогим сырьем для создания на их основе биосорбентов [1; 4; 18]. Возможно, это связано с тем, что в распоряжении исследователей имелись другие, более эффективные микроорганизмы. Не следует исключать и тот факт, что такие признанные авторитеты в области биосорбционных технологий, как Б. Валеский, Д. Краточвил, З. Холан, предрекли невостребованность дрожжей Saccharomyces cerevisiaе из-за посредственных, как ими было установлено, сорбционных возможностей сахаромицетов по отношению к ионам тяжелых металлов [11; 19]. Однако уже в начале двухтысячных годов турецкими [12], а затем китайскими [20] и индийскими [10; 13] учеными были показаны весьма приемлемые биосорбционные возможности как для живых, так и мертвых клеток пивоваренных дрожжей, в ряде случаев даже превосходящих по сорбционной емкости многие природные и синтетические сорбционные материалы.
К сожалению, в подавляющем большинстве эти исследования рассматривали взаимодействия только индивидуального иона металла с биосорбентом в гетерогенной фазе раствор - сорбент, что практически не встречается в природе. Исследования по совместному действию двух и более ионов тяжелых металлов с биосорбентом крайне малочисленны, а с клеточными стенками дрожжей Saccharomyces cerevisia - отсутствуют вовсе. Кроме того, взаимодействие ионов тяжелых металлов с сорбентом в мультиионной системе не может быть предсказано на основании результатов исследований биосорбции одного вида ионов тяжелых металлов.
Цель данной работы заключается в исследовании конкурентной сорбции клеточными стенками дрожжей Saccharomyces cerevisia тяжелых металлов в мультиионных системах, содержащих ионы Cd (II), Си (II) и РЬ(11).
2. Материалы и методы 2.1. Биосорбент
Биосорбент на основе клеточных стенок дрожжей получали из осадочных дрожжей Saccharomyces cerevisiae штамм '-37, отобранных из цилиндро-конического танка после фильтрации основного продукта - пива. Осадочные дрожжи подвергали следующей обработке: биомассу центрифугировали с использованием центрифуги РС-6 при 5000 об/мин (~3600 g),осадок дрожжей отмывали водой до получения прозрачного раствора, автоклавировали в присутствии 1-3 % раствора едкого натра в 70 % этиловом спирте при 120 0С в течение 1,5 ч и высушивали в вакуумном шкафу при 65 °С.
Высушенную биомассу дрожжей размельчали в электромельнице и просеивали через сито с диаметром отверстий 0,3-0,5 мм.
Физико-химические свойства биосорбента были охарактеризованы с использованием элементного анализа, оценки площади сорбционной поверхности по БЭТ-методу с использованием адсорбции СО2, а также потенциометрических и ИК-спектроскопических исследований и описаны в наших ранее опубликованных работах [2, 3].
2.2. Адсорбат
Исходные растворы свинца (II), меди (II) и кадмия (II), (1000 мг/л) готовили растворением солей квалификации «хч» и «чда» РЬ (NOз)2,
^ (NO3)2•3H2O и Cd (N0^^^ соответственно в бидистиллированной воде, а в дальнейшем были разбавлены до требуемых концентраций. Значения рН 5,5 регулировали 0,1 н №0Н и 0,1 н. HNOз.
Двойные и тройные смеси ионов получали смешиванием исходных растворов с таким расчетом, чтобы концентрация каждого из ионов составляла 1,0 мМ/л.
Определение равновесных концентраций изучаемых ионов в растворах проводили с использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра «Сатурн-1» в воздушно-ацетиленовом пламени.
2.3. Эксперименты по сорбции Исследование биосорбционной способности биомассы клеточных стенок дрожжей по отношению к ионам исследуемых металлов осуществляли методом равновесных концентраций. Для этого в коническую колбу Эрленмейера со 100 мл раствора с известной концентрацией ионов металлов вносили 0,25 г сухого сорбента и встряхивали на горизонтальном шейкере АВУ-6С с частотой 150 об/мин в течение 120 минут. По истечении времени активации содержимое колб центрифугировали при 4000 об/мин и определяли остаточную концентрацию ионов металлов в надосадочной жидкости. Сорбционную емкость биомассы рассчитывали по разности концентраций исходного и конечного растворов по формуле:
(С0 — С равн) • К
1 =-, (1)
т
где: q - емкость сорбента мг/г;
С0 и Сравн. - начальная и конечная концентрации ионов металлов в растворе, мг/л;
V - объем раствора, Л; m - масса сорбента, г.
По полученным данным строили изотермы адсорбции и рассчитывали ее параметры в координатах Фрейндлиха и Ленгмюра.
3. Результаты и обсуждение 3.1. Теоретические представления о биосорбционном концентрировании ионов металла на поверхности биосорбента. Специфическое и неспецифическое связывание
Биосорбционное концентрирование ионов тяжелых металлов на поверхности клеточных стенок дрожжей может осуществляться
по соответствующим механизмам специфического и неспецифического связывания. Первый из них предполагает химическое взаимодействие катионов тяжелых металлов со специфическими функциональными группами биополимеров клеточных стенок дрожжей с образованием комплексов ион-металла-сорбент по схеме:
M + aмS ^ KмMSaм (2)
где: М - ион металла (степень окисления не указана);
S - монодентантный сайт связывания на биополимере клеточной стенки дрожжей;
КМ - константа связывания, величина которой обусловливается сродством иона тяжелого металла к специфической функциональной группе биополимера;
аМ - стехиометрический коэффициент, соответствующий заряду иона металла
В. Плазинский [14, 15], исходя из допустимости математического описания биосорбции, как обменным, так и адсорбционном механизмами, предлагает формулу для расчета КМ,
Км =-^--(3)
м ( \ам К '
с
см
"Е агЯм,
V
где: qм - адсорбированное количество ионов металла; См - молярная концентрация ионов металла;
N8 - общее число сайтов связывания на поверхности биосорбента.
г \
Тогда выражение адм. представляет собой количество свободных
V > ' У
сайтов связывания на поверхности биосорбента.
Эта формула в случае сорбции в мультиионной системе должна быть дополнена также другими уравнениями, аналогичными уравнению (2). Тогда, в случае биосорбции двух ионов X и Y, обладающих близким сродством по отношению к однородным сайтам связывания, уравнение (3) примет вид:
$ х адсорб $ у адсорб / л \
кх =-;-— и КУ = —;-— (4)
( ЛаХ 1 / \аУ
СХ
^ "ЕЧЯщ Сг агдМ1
у
Эти уравнения выражают количество связанного иона как функцию его концентрации в растворе и количества свободных (незанятых) мест связывания на биосорбенте.
Уравнение (2) интуитивно понятно, однако стехиометрия реакции специфического связывания не является очевидной даже для простой одно-ионной системы. Кроме того, биополимеры клеточных стенок дрожжей содержат различные сайты связывания, обусловленные наличием специфических функциональных групп, каждая из которых является химически неоднородной по отношению к различным ионам, а поэтому их конкретный вклад в общую картину биосорбции предсказать довольно сложно. Так, например, карбоксильные и аминогруппы, которые, как установлено, в большей степени ответственны за биосорбцию, способны осуществлять комплексообразование моно-и бидентатным связыванием. При этом даже для сравнительно простой гетерофазной системы ион-металла в водном растворе - биосорбент следует допустить наличие лигандов в растворе, конкурирующих с биосорбентом за связывание с ионом металла. Это могут быть молекулы воды, потенцирующие гидролиз, и ОН- - ионы при более высоких значениях рН, да и сами продукты гидролиза могут быть адсорбированы на поверхности сорбента.
Эта картина может быть еще более усложнена при биосорбции ионов тяжелых металлов из мультикомпонентных растворов.
Очевидно, что оба иона, имеющих одно сродство по отношению к сайту связывания должны обладать равными биосорбционными возможностями. С другой стороны, ионный обмен ионов X и Y, связанных с поверхностью биосорбента и находящихся в растворе, можно представить в виде:
а7Х + ахУЗаГ < к1 >а-^ХЗах + ахУ (5)
где: а: и аХ - стехиометрические коэффициенты
у
Подразумевая под YSaY и XSax - сорбционную емкость сорбента ^у и qx, соответственно), а под X и У - равновесные концентрации ионов этих металлов в растворе и после сокращения общей переменной, т. е. количества свободных сайтов связывания в (4), получим уравнение, описывающее обмен иона Y, сорбированного на поверхности биосорбента, на ион X, находящегося в растворе:
Конечно, приведенные выше рассуждения имеют только общий характер и исходят из предположения об осуществлении специфического связывания ионов тяжелых металлов поверхностью биосорбента и строгого соблюдения стехиометрии реакции связывания.
Помимо специфического связывания ионов металла с поверхностью биосорбента, биосорбция может осуществляться за счет неспецифического связывания, или физической сорбции. Неспецифическая сорбция может быть качественно охарактеризована как увеличение концентрации катионов в твердой фазе сорбента без образования комплекса катион-сорбент. Известно, что поверхность клеточных стенок дрожжей Saccharomyces cerevisiae несет на себе отрицательный заряд порядка -15 - -18 мв [3]. Это обусловливает электростатическое притяжение положительно заряженных катионов металлов.
Согласно работе [9] имеет место соотношение:
Здесь Ъ - концентрация иона, несущего заряд Ъу ;
у (I) - потенциал Доннана (вольт), являющийся функцией от ионной силы I раствора;
Б - постоянная Фарадея, 96500 кулон.; Я - газовая постоянная; Т - температура, К.
Л - безразмерная величина. Для катионов Л>1; для анионов Л<1; для нейтральных частиц Л=1.
к
(тг \ау п ау (^аХ
\КХ ) _ [УХ (адсорб) СУ
(6)
(К )- Щу (адсорб). СХ
Дэвис [9] определил значение Л экспериментально для ионов Cd(П) и показал, что значения Л могут меняться от 2,5 до 4,2 в зависимости от ионной силы раствора.
Это говорит о том, что концентрация катиона металла в приадсорбционном слое существенно выше, чем концентрация этих катионов во всем объеме раствора. Так как q = $С\, C2.--.Ci), то представленные в настоящей статье выше рассуждения не совсем точно характеризуют реальное термодинамическое равновесие между ионами металла, находящимися в растворе и уже сорбировавшимися на биосорбенте.
Следствием этого является то, что константы Км, КХ и Ку в уравнениях (3), (4) и (6), обозначенные нами как константы, характеризующие сродство ионов металла к биосорбенту, можно считать только условными. При этом выделить исключительно специфическое или неспецифическое связывание ионов тяжелых металлов на поверхности биосорбента, равно, как и их вклад в величину qpaBн0BeCн., задача практически неразрешимая.
Неспецифическая сорбция также может быть осложнена присутствием в адсорбате других анионных лигандов, конкурирующих с биосорбентом за связывание с ионом металла, или, уже описанное выше, влияние ОН -ионов, приводящее к образованию осадков металлов с малым значением произведения растворимости ПР.
Таким образом, резюмируя, мы приходим к тому, что неспецифическая сорбция катионов тяжелых металлов будет обусловлена, в первую очередь, отрицательной величиной потенциала поверхности сорбента, зарядом ионов, их радиусом и гидратируемостью, концентрацией в растворе, пористостью и характером пор сорбента.
3.2. Изотермы сорбции ионов тяжелых металлов в мультиионных системах
На рисунке 1 представлены изотермы адсорбции для индивидуальных ионов Си (II) и Cd (II), а также их смесей.
Из рисунка 1, показывающего зависимость биосорбционной емкости клеточных стенок дрожжей от равновесной концентрации ионов ^ (II) и Cd (II), следует, что процесс характеризуется классической сорбцией, сопровождающейся образованием мономолекулярного слоя адсорбата на поверхности адсорбента. При этом наблюдается существенное снижение эффективности сорбции в бинарной смеси ионов металлов как по отношению к ионам Cd(II), так и Си(11). Этот факт можно объяснить прямой конкуренцией ионов металлов за места связывания на поверхности биосорбента, которые обусловлены наличием специфических функциональных активных групп биополимеров клеточных стенок дрожжей [2].
, мг/г
40 30
20
10
0 50 100 150
Рисунок 1. Изотермы адсорбции ионов Cd (II) и Си (II) клеточными стенками дрожжей Saccharomyces cerevisia для одиночного иона и бинарной системы. Условия: рН 5,5; концентрация биомассы 2,5 г/Л; t = 25 0С; скорость встряхивания 150 об/мин; время активации -120 мин.
На рисунках 2 и 3 представлены метаморфозы изотерм адсорбции в линеаризованных системах координат моделей сорбции Фрейндлиха
^ ----- -о-
и Ленгмюра.
Рисунок 2. Изотермы (метаморфозы) сорбции для одиночных ионов Cd(II) и Си(11) и их бинарной смеси клеточными стенками дрожжей ЗассНаготусез сегеу1з1а в координатах Фрейндлиха
Рисунок 3. Изотермы (метаморфозы) сорбции для одиночных ионов Cd(II) и Си(11) и их бинарной смеси клеточными стенками дрожжей ЗассНаготусез сегеуЬзЬа в координатах Ленгмюра
Из полученных графических зависимостей были вычислены основные параметры, характеризующие биосорбцию индивидуальных ионов Си (II) и Cd (II), а также их смесей.
Значения этих параметров представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Характеристические параметры изотерм адсорбции ионов Cd(П) и Cu(П) клеточными стенками дрожжей Saccharomyces cerevisiae в координатах
Фрейндлиха и Ленгмюра
Ион металла Расчеты по линеаризованному уравнению Фрейндлиха 1П Яравн. ~ 1П КР + С р п Расчеты по линеаризованному уравнению Ленгмюра 1 Я = 1/ Оах + 1/ Ох С
п & R2 Qmax, мг/г Ь R2
Сё (II) 2,35 3,417 0,976 34,96 0,030 0,997
Си (II) 2,32 3,150 0,982 27,93 0,035 0,998
Сё (II) [Си (II)] 2,88 3,670 0,982 20,24 0,058 0,997
Си (II) [Сё (II)] 3,35 3,916 0,981 17,85 0,065 0,996
Как видно из таблицы, значения коэффициентов регрессии R2 обеих моделей близки друг к другу, как для одиночных ионов металлов, так и для их смесей, что констатирует адекватность описания эксперимента. В то же время модель Ленгмюра несколько в лучшей степени подходит для описания процесса биосорбции.
Присутствие постороннего иона в растворе приводит к снижению биосорбционной емкости - ртах сорбента относительно основного компонента. Так, присутствие ионов Cd(II) снижает сорбционную емкость ионов Си(11) ~ на 36 %, наличие в бинарной смеси ионов меди снижает емкость сорбента относительно ионов Cd(П) - более чем на 40 %. Присутствие постороннего иона также приводит к изменению и других сорбционных параметров, учитываемых при описании биосорбционного процесса: коэффициент Ь, характеризующий интенсивность сорбции для модели Ленгмюра, Кр и п -для модели Фрейндлиха. Это свидетельствует о том, что биосорбция в бинарной системе ионов Сd(II) и Си(11) может протекать по тому же механизму, что и для одиночного иона металла, и зависит, в первую очередь, как от сродства самих ионов металлов к функциональным активным группам
биополимеров клеточных стенок дрожжей, так и от начальной концентрации ионов.
К аналогичному заключению мы пришли и в случае изучения биосорбции других ди-ионных систем: Си(11) - Pb(II) и Cd(II) - Pb(II).
В дальнейшем мы усложнили изучение биосорбции, применив разработанные модели для тройной системы РЬ(11) - Cd(П) - ^(П).
Результаты этих исследований представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Сорбционная емкость клеточных стенок дрожжей S. сerevisiae по отношению к ионам ГЬ(Н) , Cd(П) и Cu(П) для одиночной и мультиионной системы
Ион тяжелого металла Максимальная сорбционная емкость Qмах. Общая сорбционная емкость ионов металлов в ди-и тройной системах, ммоль/г
мг/г ммоль/г
Система индивидуального иона металла
ГЬ2+ 125,0 0,603
Cd2+ 34,96 0,311
^2+ 27,93 0,439
Система с двумя ионами металлов
рь2+ + са2+ 0,605
бь2+ 102,53 0,495
Cd2+ 8,64 0,11
РЬ2+ + Си2+ 0,628
ГЬ2+ 92,83 0,448
Cu2+ 11,43 0,18
са2+ + Си2+ 0,460
Cd2+ 20,24 0,18
Cu2+ 17,85 0,28
Система с тремя ионами металлов
РЬ2+ + Са2+ + Си2+ 0,567
ГЬ2+ 65,68 0,317
Cd2+ 7,85 0,07
Cu2+ 11,4 0,18
Как видно из таблицы, наилучшей адсорбционной способностью обладают ионы РЬ(11) как в случае одиночного, так и в ди- и три-ионных системах. Присутствие посторонних ионов значительно снижают адсорбцию ионов кадмия. В целом адсорбция каждого из ионов в смеси меньше, чем для одиночного иона.
В три-ионной системе также наблюдается конкуренция ионов за места связывания, которая предпочтительнее для ионов свинца и отчасти меди, что, очевидно, указывает на большее сродство функциональных групп биополимеров клеточных стенок дрожжей, к этим ионам.
Из таблицы 2 (последняя колонка) также следует, что суммарная молярная адсорбционная емкость близка к таковой или несколько выше (но в рамках статистической погрешности < 5 %) значений максимальной емкости одиночного иона металла с предпочтительной сорбцией (для ионов РЬ2+ в би-ионной системе и для ионов Си2+ в системе Cd2+ + Си2+). Для Cd2+ в тройной системе присутствие РЬ2+ и Си2+ ингибирует поглощение ионов кадмия в еще большей степени, в связи с чем суммарная молярная емкость для трех ионов уже заметно меньше, чем для одиночного иона РЬ2+ .
Теоретическое объяснение этому факту заключается в следующем: специфическое связывание осуществляется за счет комплексообразования иона металла с лигандом, в качестве которого выступает одна или несколько функционально-активных групп биополимеров клеточной стенки дрожжей. Эффективность донорно-акцепторного взаимодействия лиганда и комплексообразователя, то есть прочность связи, определяется их поляризуемостью - способностью трансформировать электронные оболочки под внешним воздействием. По этому признаку ионы-комплексообразователи и лиганды, в соответствии с теорией Льюиса-Пирсона о кислотно-основном равновесии условно подразделяются на «жесткие», трудно поляризуемые, и «мягкие», легко поляризуемые [5]. «Мягкие» катионы образуют более устойчивые комплексы с «мягкими» донорами электронов, а «жесткие» катионы - с «жесткими».
Также является общепризнанным то, что сорбционная способность сорбентов по отношению к ионам, несущим одинаковый заряд, зависит от их ионного радиуса [16]. Большую сорбционную способность проявляют ионы с большим радиусом, так как они менее склонны к образованию гидратной оболочки, снижающей силы электростатического притяжения. Так как свинец
имеет больший ионный радиус (1,19 А), чем ионы меди (0,74 А) и кадмия (0,95 А), он в лучшей степени сорбируется на полярном сорбенте, которым являются клеточные стенки дрожжей.
К «жестким» лигандам, в соответствии с теорией Льюиса-Пирсона, следует отнести фосфатные, сульфо-, карбоксо- и гидроксо-группы биополимеров клеточных стенок дрожжей, а к «мягким» - сульфогидрильные и амино-группы. И, в соответствии с этим, ионы РЬ2+, относящиеся в большей степени к «жестким» катионам, будут первыми образовывать донорно-акцепторные связи с «жесткими» лигандами.
При осуществлении физической сорбции также следует учитывать размеры радиуса гидратированного иона, самих пор поверхности сорбента и их форму. Так, гидратированные радиусы ионов Pb 2+, ^2+ и Cd2+ составляют 4.01, 4.19 и 4.26 А соответственно. Поэтому гидратированные ионы РЬ2+ , обладающие меньшим радиусом, имеют больший доступ к порам биосорбента, по сравнению с гидратированными ионами Си2+ и Cd2+.
В работе [16] авторы высказывают мысль, что относительная электроотрицательность элемента может стать показателем для сравнительной сорбционной способности ионов тяжелых металлов. Это наблюдение имеет свое подтверждение и в нашем случае: относительная электроотрицательность элементов по шкале Полинга убывает в ряду РЬ (2,33) > ^ (1,90) > Cd (1,69).
Таким образом, у свинца в этом ряду наибольшая электроотрицательность, и ионы РЬ2+ обладают лучшей сорбционной способностью. В тройной системе ионы Cd2+ находятся в менее выгодном для сорбции положении.
На рисунке 4 приводится диаграмма сравнительной сорбции ионов РЬ(П), Cd(II) и Си(11) в моно- ди- и три-ионной системах, которая наглядно иллюстрируют снижение биосорбции индивидуальных ионов тяжелых металлов в присутствии посторонних ионов, что связано с конкуренцией ионов за места связывания на поверхности биосорбента.
мМоль/г
1 -0,90,80,70,60,50,40,30,20,1-
■ - РЬ
м - Сй
■ - Си
Моно-ионная система
Ди-ионная системя
Три-ионная система
Рисунок 4. Сравнение сорбции ионов свинца, кадмия и меди в моно-, ди- и три-ионной системах
К такому же заключению приходят и другие исследователи, изучающие процесс биосорбции в мультиионной системе для других микроорганизмов [8: 17].
Этот вывод очень важен для практической реализации биосорбционных технологий в мультикомпонентных растворах, которые в большей степени применимы к сточным водам промышленных предприятий.
Выводы
Проведенные исследования позволили сделать следующие заключения:
1. Присутствие постороннего иона металла в растворе приводит к снижению сорбционной емкости биосорбента.
2. Наилучшей сорбционной способностью обладают ионы свинца как в случае индивидуального иона, так и в ди- и три-ионных системах, что можно объяснить характером специфического связывания «жестких» и «мягких» ионов-комплексообразователей с соответствующими лигандами -функционально-активными группами биополимеров клеточных стенок дрожжей.
3. Относительную электроотрицательность тяжелого металла по шкале Полинга можно использовать как качественный показатель сравнительной сорбционной способности иона этого металла.
Список литературы:
1. Аронбаев С.Д. Тенденции развития биосорбционной ремедиации сточных вод // Сб. трудов VI межд. научн. конф. молодых ученых и талантливых студентов «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Под эгидой ЮНЕСКО). - М., 2012, - С. 169-172.
2. Аронбаев Д.М., Насимов А.М., Аронбаев С.Д. Потенциометрическое определение констант ионизации функциональных активных групп биополимеров клеточных стенок пивоваренных дрожжей // Austrion Jornal of Technical and Natural Sciences. - 2014. - №5. - Р. 174-177.
3. Аронбаев С.Д., Насимов А.М., Аронбаев Д.М. Применение физико-химических методов в исследовании клеточных стенок дрожжей Saccharomyces cerevisiae // Вестник Московского государственного областного университета (МГОУ). - 2013. - № 2. - С. 84-89.
4. Гаранин Р.А. Метод биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae: автореф. дис.... канд. биол. наук. - М., 2011. - 25 с.
5. Неудачина Л.К., Лакиза Н.В. Физико-химические основы применения координационных соединений : [учеб. пособие]. - Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. - 124 с.
6. Сироткина Е.Е., Иванов В.Г., Глазков О.В. и др. Применение новых адсорбентов для комплексной очистки воды // Химия в интересах устойчивого развития. - 1997. - Т. 5, № 4. - С. 429-437.
7. Шадерман Ф.И. Природные цеолиты в технологиях водоподготовки и очистки сточных вод. - М.: Наука, 1998. - 54 с.
8. Apiratikul R., Marhada T., Wattanachira S. et al. Biosorption of binary mixtures of heavy metals by green macro alga, Caulepra lentilifera, Songklanakarin. // J. Sci. Technol. - 2004. - Vol. 26. - Р. 199-207.
9. Davis T.A., Kalis E.J.J., Pinheiro J.P. et al. Cd(II) speciation in alginate gels.// Environ. Sci. Technol. - 2008. - Vol. 42. - P. 7242-7247.
10. Kapoor A., Viraraghavan T. Fungi as biosorbents // Wase J., Forster C., editors. Biosorbents for metal ions. - London, UK: CRC Press, 1997. - P.67-86.
11. Kratochvil D., Volesky B. Advances in the biosorptiou of heavy metals. // Trends Biotechnol. - 1998. - Vol. 16. - P. 291-300.
12. Ozer A., Ozer D. Comparative study of the biosorption of Pb(II), Ni(II) and Cr(VI) ions onto S. cerevisiae: determination of biosorption heats. // J. Hazard. Mater. - 2003. - Vol. 100. - P. 219-229.
13. Padmavathy V., Vasudevan P., Dhingra S.C. Biosorption of nickel (II) ions on baker's yeast // Process Biochem. - 2003. -Vol. 38. - P. 1389-1395.
14. Plazinski W., Rudzinski W., Plazinska A. Theoretical models of sorption kinetics including a surface reaction mechanism: a review // Adv. Colloid Interface Sci. - 2009. - Vol. 152. - P. 2-13.
15. Plazinski W., Rudzinski W. Biosorption of heavy metal ions: ionexchange versus adsorption and the heterogeneity of binding sites.// Adsorpt. Sci. Technol. -2011. - Vol. 29. - P.479-486.
16. Trung N.D., Ping N. Biosorption of Lead(II), Copper(II) and Cadmium(II) in singe- and multi-metal systems by pretreated aerobic granule sludge // VISTER (Vietnam Sci.&Tech.Rev.) - 2014 / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://vister.vn/index.php (дата обращения: 15.04.2016).
17. Tsekova K., Ianisa M., Dencheva V. et al. Biosorption of Binary Mixtures of Copper and Cobalt by Penicillium brevicompactum // Z. Naturforsch. - 2007. -Vol. 62c. - P. 261-264.
18. Vieira R.H.S.F., Volesky B. Biosorption: a solution to pollution? // Int. Microbiol . - 2000. - Vol. 3. -Р. 17-24.
19. Volesky B. Biosorption and me // Water Res. - 2007. - Vol. 41.-Р. 4017-4029.
20. Wang J.L, Chen С. Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae: a review // Biotechnol. Adv. - 2006. - Vol. 24. - P. 427-451.
