CC BY
38
_ВЕСТНИК ПНИПУ_
2021 Химическая технология и биотехнология № 4
БИОТЕХНОЛОГИЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ
Б01: 10.15593/2224-9400/2021.4.01 УДК 579.6:606
О. И. Бахирева, М.М. Соколова, О.Ю. Маньковская, Л.С. Пан
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
ПОЛУЧЕНИЕ БИОСОРБЕНТА НА ОСНОВЕ ВЕРМИКУЛИТА ДЛЯ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ НИКЕЛЯ
Основным источником загрязнения природных объектов ионами тяжелых металлов выступают сточные воды различных промышленных предприятий. Данная работа посвящена проблеме доочистки сточных вод промышленных предприятий, сбрасываемых после очистки, от ионов никеля. Главной задачей исследований являлась разработка метода получения биосорбента, способного извлекать ионы никеля из растворов, снижая при этом их концентрацию до уровня, не превышающего ПДК.
С этой целью из загрязненной почвы была выделена и всесторонне изучена культура микроорганизмов. Исследованы ее морфологические и физические свойства, а также особенности жизнедеятельности в присутствии ионов никеля. Выяснено, что ионы никеля не оказывают негативного воздействия на рост и жизнедеятельность культуры микроорганизмов. С помощью дискодиффузионного метода были определены границы устойчивости культур микроорганизмов к высоким концентрациям ионов никеля. Для практического применения культуры микроорганизмов в технологическом процессе была проведена ее иммобилизация на поверхность вермикулита - природного материала, находящего достаточно широкое применение в различных сферах человеческой деятельности, в том числе за счет сорбционных свойств.
Сорбцию ионов никеля проводили в динамическом режиме по общепринятым методикам. Было проведено 2 цикла сорбции-десорбции. В качестве сорбентов использовали чистый вермикулит и вермикулит с нанесенными на его поверхность микроорганизмами (биосорбент). Биосорбент был получен методом проточной иммобилизации, путем пропускания культуральной жидкости через колонку с вермикулитом. Результаты эксперимента показывают, что иммобилизация клеток микроорганизмов на поверхности сорбента увеличивает его поглотительную способность по отношению к ионам никеля почти в 9 раз. Во втором цикле наблюдается увеличение сорбционной емкости биосорбента на 20,5 %, в то время как сорбционная емкость чистого вермикулита снижалась на 15 %. Концентрацию ионов никеля в растворах определяли с помощью атомно-абсорбционного спектрометра. Остаточные концентрации ионов никеля в очи-
щенных растворах не превышали уровень ПДК (0,02 мг/л). Таким образом, полученный биосорбент на основе вермикулита может быть использован для доочи-стки никельсодержащих сточных вод.
Ключевые слова: сточные воды, ионы никеля, культура микроорганизмов, иммобилизация, вермикулит, биосорбент, сорбция-десорбция.
O.I. Bakhireva, M.M. Sokolova, O.Yu. Mankovskaya, L.S. Pan
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
OBTAINING BIOSORBENT BASED ON VERMICULITE FOR ADDITIONAL PURIFICATION OF WASTE WATER FROM NICKEL IONS
Waste waters of various industrial enterprises are the main source of pollution of natural objects with ions of heavy metals. This work is devoted to the problem of post-treatment of industrial wastewater discharged after treatment from nickel ions. The main task of the research was to develop a method for producing a biosorbent capable of extracting nickel ions from solutions, while reducing their concentration to a level not exceeding the MAC (maximum allowable concentration).
For this purpose, the culture of microorganisms was isolated from the contaminated soil and comprehensively studied. Its morphological and physical properties, as well as the features of its vital activity in the presence of nickel ions, have been investigated. It was found that nickel ions do not have a negative effect on the growth and vital activity of the culture of microorganisms. Using the disk-diffusion method, the boundaries of resistance of cultures of microorganisms to high concentrations of nickel ions were determined. For the practical application of the culture of microorganisms in the technological process, it was immobilized on the surface of vermiculite - a natural material that is widely used in various spheres of human activity, including due to its sorption properties.
The sorption of nickel ions was carried out in a dynamic mode according to generally accepted methods. Was carried out 2 cycles of sorption - desorption. Pure vermiculite and vermiculite with microorganisms (biosorbent) deposited on its surface were used as sorbents. The biosorbent was obtained by the method of flow immobilization, by passing the culture liquid through a column with vermiculite. The experimental results show that the immobilization of microbial cells on the surface of the sorbent increases its absorption capacity for nickel ions by almost 9 times. In the second cycle, an increase in the sorption capacity of the biosorbent is observed by 20.5 %, while the sorption capacity of pure vermiculite decreased by 15 %. The concentration of nickel ions in solutions was determined using an atomic absorption spectrometer. Residual concentrations of nickel ions in the purified solutions did not exceed the MAC level (0.02 mg /1). Thus, the obtained biosorbent based on vermiculite can be used for additional purification of nickel-containing solutions.
Keywords: wastewater, nickelions, culture of microorganisms, immobilization, vermiculite, biosorbent, sorption - desorption.
Загрязнение окружающей среды ионами тяжелых металлов является одной из важнейших экологических проблем. Известно, что ионы тяжелых металлов оказывают наиболее опасное воздействие на все живые организмы. Основным источником загрязнения природных водоемов ионами тяжелых металлов выступают промышленные сточные воды различных предприятий [1-4].
Примером предприятия, которое накапливает сточные воды с высоким содержанием ионов никеля в городе Перми, является АО «Пермский завод «Машиностроитель» (ПЗХО). В ходе процесса никелирования на этом предприятии в цистернах накапливается жидкий отход, содержащий ионы никеля в высокой концентрации (140-300 г/л). Предварительная обработка стока химическим методом существенно снижает в нем концентрацию тяжелого металла, но не позволяет достичь значения ПДК (0,02 мг/л). В связи с этим возникает необходимость доочистки стоков.
Целью работы является разработка метода доочистки растворов от ионов никеля до уровня ПДК с использованием культуры микроорганизмов, иммобилизованной на поверхности природного сорбционно-го материала вермикулита.
Начальный этап исследований был посвящен выделению культуры микроорганизмов, которая обладала бы поглотительной способностью к ионам никеля, а также изучению ее свойств. Культуру, отвечающую задачам исследования, удалось выделить из загрязненной почвы. Культивирование проводили по общепринятым методикам [5, 6] в жидкой питательной среде PYG (Peptone - пептон, Yeast -дрожжи, Glucose - глюкоза) [7]. Культура представляла собой колонию бежевого цвета с однородной структурой, имела гладкую, блестящую поверхность. В ходе микроскопирования выяснили, что культура представлена грамотрицательными диплококками.
Затем при помощи дискодиффузионного метода определили толерантность выделенной культуры к ионам никеля. Ионы Ni брали в концентрациях 5-500 мг/л. В ходе эксперимента наблюдался активный рост и развитие культуры при концентрациях ионов никеля 5-200 мг/л. При более высоких концентрациях происходило угнетение роста.
В ходе экспериментов было обнаружено, что при внесении соли никеля в питательную среду происходит небольшое подкисление среды. Для развития клеток микроорганизмов это очень важно, так как оптимальный для их жизнедеятельности уровень рН составляет 5,5-6,5, более кислая среда угнетает рост биомассы [8-10].
Для использования культуры в технологическом процессе часто проводят ее иммобилизацию на поверхность материала, обладающего сорбционной активностью [11-13]. В качестве такого материала был выбран вермикулит.
Вермикулит представляет собой природный минерал (группа гидрослюд), который имеет слоистое строение и обладает важной особенностью - он способен вспучиваться, т.е. увеличиваться в объеме в 15 раз при нагревании от 400 до 1000 °С. Вспученный вермикулит, его также называют зонолитом, получают путем обжига природного вермикулита [14].
Структурная формула вермикулита (М§2+; Бе2+; Бе3+)3|(81Л1)4О10| (ОН)2 * 4Н2О, а содержание в нем отдельных оксидов составляет (мас. %): 33-36 БЮ2; до 0,47 Т1О2; 6-18 АШз; 5-17 Бе20з; 0,2-0,29 БеО; 14-25 М§0. В ряде случаев присутствуют также СаО, МпО, N10 и др. (рис. 1) [15].
Рис. 1. Структура вермикулита [15]
Вермикулит имеет широкую область применения. Так, например, в строительстве его используют в качестве изоляционного материала. В металлургии вермикулит выступает в качестве футеровочного материала для покрытия котлов, электролизеров и внутренних стенок печей. С помощью вермикулита можно повысить огнестойкие свойства деревянных конструкций, он выступает своего рода теплоизоляционным слоем. В химической промышленности вермикулит применяют
как поглотитель вредных газов и ядов. Также вермикулит выступает в качестве наполнителя резин и пластмасс. Широкое применение вермикулит находит в сельском хозяйстве и садоводстве, здесь его используют для разрыхления и улучшения аэрации почвы.
Пожалуй, одно из самых важных свойств вспученного вермикулита - способность адсорбировать на своей поверхности различные тяжелые металлы и нефтепродукты, именно поэтому вермикулит можно применять для очистки сточных производственных вод. Немаловажную роль играют также его низкая стоимость и доступность.
Дальнейшие исследования были посвящены изучению поглотительной способности вермикулита по отношению к ионам №2+ в чистом виде и с нанесенными клетками микроорганизмов (вермикулит + м/о).
Поскольку жизнедеятельность культуры микроорганизмов находится в сильной зависимости от рН среды, представляло интерес выяснить характер изменения уровня рН в процессе сорбции. В эксперименте использовали навески сорбционных материалов по 200 мг, помещали их в питательную среду, вносили навеску соли никеля с концентрацией ионов №2+100 мг/л. Далее производили измерение рН при непрерывном перемешивании (рис. 2).
7,000
6,500
6,000
рН
5,500 5,000 4,500 4,000
Л
ч
1 «
- Вермикулит -Вермикулит + м/о
0 10 20 30 40 50 60 70
t, мин
Рис. 2. Изменение рН в процессе сорбции ионов никеля
На графиках отмечены две точки, соответствующие моменту внесения в среду навесок сорбентов (I), а также моменту добавления ионов никеля (II). Проанализируем зависимости. Отчетливо видна разница уже на первом участке (1-11), большее смещение в сторону
щелочной рН в опыте с чистым вермикулитом. Это может означать, что подвижным ионам сложнее высвободиться из иммобилизованного носителя, так как его сразу поглощают клетки микроорганизмов, это позволяет регулировать уровень кислотности питательной среды и удерживать его в более оптимальных для клеток значениях. На следующем участке (II) также существует разница в изменении характера рН после внесения ионов никеля. Для вермикулита с иммобилизованными клетками скорость подкисления будет меньше, чем для вермикулита в чистом виде. Наличие нелинейного участка можно связать с установлением стационарного режима процесса сорбции. Немаловажно, что итоговая величина рН, достигнутая в опыте с вермикулитом и клетками микроорганизмов, приближена к нейтральной. Это хорошо сказывается на жизнедеятельности клеток исходя из предшествующих опытов, где выявлен оптимальный для них уровень рН, равный 5,5-6,5.
Рис. 3. Сорбция и десорбция ионов №2+ на вермикулите (I и II циклы)
Сорбционный эксперимент проводили в динамическом режиме. В две одинаковые сорбционные колонки диаметром 1 см помещали навески вермикулита массой 4 г. В одной колонке сорбцию-десорбцию ионов никеля проводили на чистом вермикулите, а в другой - на биосорбенте (вермикулите с нанесенными клетками микроорганизмов). Биосорбент был получен методом проточной иммобилизации, путем пропускания культуральной жидкости через колонку с вермикулитом. В процессе сорбции через колонки с сорбентами пропускали растворы соли никеля с концентрацией №2+ 100 мг/л со скоростью 0,02 л/ч. За-
тем проводили процесс регенерации 0,1 М раствором азотной кислоты. Промывку после каждого этапа осуществляли дистиллированной водой. Таким образом, было проведено 2 цикла сорбции-десорбции.
2+
Концентрацию ионов N1 в растворах определяли с помощью атомно-
абсорбционного спектрометра. Остаточные концентрации ионов №2+в очищенных растворах не превышали ПДК. Результаты сорбционного эксперимента представлены на рис. 3-5 и в таблице.
Рис. 4. Сорбция и десорбция ионов №2+ на вермикулите с иммобилизованными клетками микроорганизмов (I цикл)
Рис. 5. Сорбция и десорбция ионов №2+ на вермикулите с иммобилизованными клетками микроорганизмов (II цикл)
Результаты сорбционного эксперимента
Сорбент(цикл) Сорбционная емкость, мг №/г сорбента Общий объем пропущенного через колонку раствора, мл Объем, прошедший через колонку до превышения уровня ПДК, мл
Вермикулит (I) 9,60 520 290
Вермикулит (II) 7,00 520 253
Вермикулит + м/о(1) 38,99 1709 612
Вермикулит + м/о(11) 46,25 1709 750
Результаты эксперимента показывают, что во втором цикле поглотительная способность чистого вермикулита уменьшается на 15 %, что может быть связано с наличием необменных ионов в структуре сорбента. Иммобилизация клеток микроорганизмов на поверхности
сорбента увеличивает его поглотительную способность по отношению
• 2+
к ионам N1 почти в 9 раз, что, несомненно, показывает преимущество использования данного биосорбента по сравнению с вермикулитом в чистом виде. Во втором цикле работы биосорбента наблюдается увеличение сорбционной емкости на 20,5 %. Это может быть связано с появлением новых сорбционных центров в исходном материале, которые образуются за счет процессов десорбции и промывки, в ходе которых происходит удаление побочных ионов (например, Бе и М^ ) и замена этих ионов на другие (например, Н+, №+, К+), что облегчает ионный обмен и сорбцию ионов N1 . Улучшение сорбционной емкости вермикулита можно также связать с появлением на поверхности сорбента тонкой пленки, образованной клетками микроорганизмов.
Таким образом, полученный биосорбент является перспективным материалом для извлечения ионов никеля из растворов и может быть использован в технологических схемах комплексной очистки никель-содержащих сточных вод.
Список литературы
1. Ворончихина Е.А., Блинов С.М., Меньшикова Е.А. Технофильные металлы в естественных и урбанизированных экосистемах Пермского края // Экология урбанизированных территорий. - 2013. - № 1. - С. 103-108.
2. Гусев М.В. Микробиология. - М.: Академия, 2003. - 464 с.
3. Войтюк Е. А. Аккумуляция тяжелых металлов в почве и растениях в условиях городской среды (на примере г. Чита): автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Улан -Удэ, 2011. - 22 с.
4. Алыков Н.М. Сорбционное удаление из воды тяжелых металлов // Безопасность жизнедеятельности. - 2010. - Вып. 4. - С. 17-20.
5. Практикум по микробиологии / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук, Н.Н. Колотилова. - М.: Академия, 2005. - 603 с.
6. Васильев Д.А., Золотухин С.Н., Корнеев Е.А. Руководство к практическим занятиям по микробиологии (малый практикум). - Ульяновск : Изд-во ГСХА, 2003. - 102 с.
7. Domingo J.W.S., Radway J.C., Wilde E.W. Industrial Microbiol. Biotech-nol. - 1997. - Vol. 18. - P. 389-395.
8. Изучение методов доочистки производственных растворов от ионов никеля / О.Ю. Маньковская, О.И. Бахирева, М.М. Соколова, Л.С. Пан // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология. - 2019. - № 3. -С.18-28.
9. Маньковская О.Ю., Бахирева О.И., Соколова М.М. Применение биологического метода для доочистки производственных растворов от ионов никеля // Химия. Экология. У рбанистика. - Пермь, 2019. - Т. 1. -С.425-428.
10. Маньковская О.Ю., Бахирева О.И., Соколова М.М. Изучение кинетики игибирующего действия ионов никеля на культуру микроорганизмов // Химия. Экология. Урбанистика. - Пермь, 2020. - Т. 2. - С. 18-22.
11. Куюкина М.С., Осипенко М.А., Няшин Ю.И. Кинетическая модель процесса иммобилизации бактериальных клеток а твердом носителе // Российский журнал биомеханики. - 2007. - № 2. - С. 79-87.
12. Демаков В.А., Максимова Ю.Г., Максимов А.Ю. Иммобилизация клеток микроорганизмов: биотехнологические аспекты // Биотехнология. -2008. - № 2. - С. 30-34.
13. Синицын А.П., Райнин Е.И., Лозинский В.И. Иммобилизованные клетки микроорганизмов. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - С. 50-55.
14. Салтыкова В.С., Захарова А.А., Юркова А.В. Использование природного сорбента для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // Сборник научных трудов Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 105-летию со дня рождения А.Н. Плановского. - М., 2016. - С. 308-310.
15. Ю-Винг Май, Жонг-Жен Ю. Полимерные нанокомпозиты. - М.: Техносфера, 2011. - 688 с.
References
1. Voronchikhina Ye .A., Blinov S.M., Men'shikova Ye.A. Tekhnofil'nyye metally v yestestvennykh i urbanizirovannykh ekosistemakh Permskogo kraya [Technophilic metals in natural and urbanized ecosystems of the Perm Region]. Ecology of Urban Areas, 2013, no. 1, pp. 103-108.
2. Gusev M.V. Mikrobiologija [Microbiology]. Moscow, Akademija, 2003, pp. 49-53.
3. Voitiuk E.A. Akkumuliatsiia tiazhelykh metallov v pochve i rasteniiakh v usloviiakh gorodskoi sredy (na primere g. Chita) [Accumulation of heavy metals in soil and plants in urban environments (for example, Chita). Abstract of Ph.D. thesis. Ulan-Ude, 2011, 22 p.
4. Alykov N.M. Sorbcionnoe udalenie iz vody tjazhjolyh metallov [Sorption removal of heavy metals from water]. Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti, 2010, iss. 4, pp.17-20.
5. Netrusov A.I., Yegorova M.A., Zakharchuk L.M., Kolotilova N.N. Praktikum po mikrobiologii [Microbiology Workshop]. Moscow, Akademija, 2005,603 p.
6. Vasil'yev D.A., Zolotukhin S.N., Korneyev Ye.A. Rukovodstvo k prak-ticheskim zanyatiyam po mikrobiologii (malyy praktikum) [Guide to practical classes in microbiology (small workshop)]. Ul'yanovsk, Ul'janovskaja gosudarstvennaja sel'skohozjajstvennaja akademija, 2003, 102 p.
7. Domingo J.W.S., Radway J.C., Wilde E.W. Industrial Microbiol. Bio-technol. 1997, vol.18, pp. 389-395.
8. Man'kovskaja O.Ju., Bakhireva O.I., Sokolova M.M., Pan L.S. Izuchenie metodov doochistki proizvodstvennyh rastvorov ot ionov nikelja [Study of methods of post-purification of industrial solutions from nickel ions]. Vestnik Perms-kogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Himiches-kaja tehnologija i biotehnologija, 2019, iss. 3, pp. 18-28.
9. Man'kovskaja O.Ju., Bakhireva O.I., Sokolova M.M. Primenenie biolo-gicheskogo metoda dlia doochistki proizvodstvennyh rastvorov ot ionov nikelia [The use of the biological method for the purification of industrial solutions from nickel ions]. Khimiia. Ekologiia. Urbanistika, 2019, vol. 1, Perm', pp. 425-428.
10. Man'kovskaja O. Ju., Bakhireva O.I., Sokolova M.M. Izuchenie kinetiki ingibirujushhego dejstvija ionov nikelja na kul'turu mikroorgaizmov [Study of the kinetics of the inhibitory effect of nickel ions on the culture of microorganisms]. Khimiia. Ekologiia. Urbanistika, 2020, vol. 2, Perm', pp. 18-22.
11. Kujukina M.S., Osipenko M.A., Njashin Ju.I. Kineticheskaja model' processa immobilizacii bakterial'nyh kletok a tverdom nositele [Kinetic model of the process of immobilization of bacterial cells in a solid carrier]. Rossijski jzhurnal biomehaniki, 2007, iss. 2, pp. 79-87.
12. Demakov V.A., Maksimova Ju.G., MaksimovA.Ju. Immobilizacija kletok mikroorganizmov: biotehnologicheskie aspekty [Immobilization of microbial cells: biotechnological aspects]. Biotehnologija, 2008, pp. 30-34.
13. Sinicyn A.P., Rajnin E.I., Lozinskij V.I. Immobilizovannye kletki mikroorganizmov [Immobilized cells of microorganisms]. Moscow, Moskovskij gosudarstvennyj universitet, 1994, pp. 50-55.
14. Saltykova V.S., Zaharova A.A., Jurkova A.V. Ispol'zovanie prirodnogo sorbenta dlja ochistki stochnyh vod ot ionov tjazhelyh metallov [The use of a natu-
ral sorbent for wastewater treatment from heavy metal ions]. Moscow, Moskovskij gosudarstvennyj universitet dizajna i tehnologii, 2016, pp. 308-310.
15. Ju-Ving Maj, Zhong-Zhen Ju. Polimernye nanokompozity [Polymer nanocomposites]. Moscow, Tehnosfera, 2011, 688 p.
Получено 01.11.2021
Об авторах
Бахирева Ольга Ивановна (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Ком -сомольский пр., 29; e-mail: bahirevy@mail.ru).
Соколова Мария Михайловна (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: mmsokolova@mail.ru).
Маньковская Ольга Юрьевна (Пермь, Россия) - магистрант кафедры «Химия и биотехнология» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; email: manechkaolka2212@gmail.com).
Пан Лариса Сергеевна (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия и биотехнология» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: pan.pstu2020@mail.ru).
About the authors
Ol'ga I. Bakhireva (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; e-mail: bahirevy@mail.ru).
Mariya M. Sokolova (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; email: mmsokolova@mail.ru).
Olga Yu. Mankovskaya (Perm, Russian Federation) - Undergraduate of the Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky pr., Perm, 614990; e-mail: manechkaolka2212@gmail.com).
Larisa S. Pan (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; e-mail: pan.pstu2020@mail.ru).
