CC BY
53
УДК 579.26
О.И. Бахирева, Н.С. Ефимова, Г.А. Козлова
Пермский государственный технический университет
ПОЛУЧЕНИЕ БИОСОРБЕНТОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИОНОВ РЬ2+
Выделены культуры бактерий, способных утилизировать ионы свинца. Среди выделенных культур определен вид с наибольшей продуктивностью. Выявлена динамика их роста. Удельная скорость роста, характеризующая прирост биомассы за малый промежуток времени, составила 0,09 ч. Выделенные культуры микроорганизмов были использованы в эксперименте по культивированию на производственных сточных водах. Иммобилизованы клетки микроорганизмов на твердый носитель (Л120з, активированный уголь, вермикулит). Изучены сорбционные характеристики полученных биосорбентов в статических и динамических условиях.
В настоящее время можно перечислить много областей применения свинца: производство аккумуляторов, освинцовка внутренней поверхности химической аппаратуры, труб для перекачки кислот, сточных труб химических лабораторий, производство электрических кабелей и т.д. Но не решена проблема загрязнения окружающей среды выбросами данных производств. Антропогенное поступление свинца в окружающую среду значительно превышает природное. Свинец является очень токсичным металлом для живых организмов, прочно связывается с низкомолекулярными белками тканей животных. Одним из источников загрязнения водоемов, приводящего к ухудшению качества воды и нарушающего условия обитания в них гидробионтов, являются сточные воды заводов, содержащие разбавленные растворы тяжелых металлов, в том числе свинца. Тяжелые металлы в природных водах находятся в растворенном и адсорбированном состоянии. Попадая в воду в ионной форме, они накапливаются в осадках в виде гидрооксидов, карбонатов, сульфидов или фосфатов.
Проводимая в настоящее время очистка стоков от тяжелых металлов химическими, физическими, электрохимическими способами по сравнению с биологическими и биохимическими дорога, громоздка, причем не всегда обеспечивает высокую степень очистки. Биологические методы очистки сточных вод и почв находят все более широкое
применение и в нашей стране, и особенно за рубежом. Они основаны на способности различных групп живых организмов в процессе жизнедеятельности разлагать или аккумулировать в своей биомассе многие загрязнители. Биологические методы имеют ряд преимуществ, в первую очередь это экологическая чистота и безопасность [1, 7, 8].
BNF Metaly Technology Centre и British Texstile Technology Group с 1989 г. ведут исследования по биосорбции металлов микроорганизмами и обосновывают перспективность использования биосорбентов, отличающихся определенной селективностью к ионам тяжелых металлов, исключительно высокими сорбционными свойствами для ограничения круговорота этих ионов в природе [2, 6].
В данном исследовании были поставлены следующие задачи:
1) выделение чистой культуры микроорганизмов, утилизирующих ионы свинца;
2) определение скорости роста, диапазона устойчивости микроорганизмов к различным концентрациям Pb2+, глубины утилизации ионов свинца из растворов и выхода биомассы микроорганизмов в аэробных условиях;
3) иммобилизация клеток микроорганизмов на твердые носители (Al2O3, активированный уголь, вермикулит);
4) изучение сорбционных характеристик полученных биосорбентов в статических и динамических условиях.
Из пробы воды и почвы, взятой на территории ОАО «Камкабель», на питательной среде РТМ [3] было выделено несколько штаммов микроорганизмов. Для наиболее эффективного из них (по степени поглощения ионов Pb2+ из раствора) определена динамика роста (рис. 1). Скорость роста микроорганизмов составила 0,09 ч.
Далее была произведена проверка бактерицидно-бактериостатичес-кой устойчивости полученной культуры к соли свинца (Pb(CH3COO)2). Проверка проводилась диско-диффузионным методом. Диапазон концентраций - от 0 до 1000 мг/л. Бактериостатическое действие проявлялось при концентрациях > 60 мг/л.
Проверка способности исследуемого вида микроорганизмов удалять из воды Pb производилась на жидкой питательной среде РТМ [3] в присутствии исследуемой культуры и соли свинца с концентрациями от 50 до 80 мг/л. Наращивание биомассы проводили при 28 °С на орбитальных шейкерах со скоростью 120 об/мин. О росте культуры судили по величине оптической плотности, которую определяли на
КФК-2 при X = 690 нм. Концентрация свинца определена по
ГОСТ 2874-73 [4]. Наибольшая степень извлечения РЬ2+ из раствора
наблюдалась при концентрации 60 мг/л РЬ2+ и составила 40,5 %.
Рис. 1. Динамика роста микроорганизмов
Для возможности более широкого применения исследуемой культуры методом физической адсорбции осуществлена иммобилизация клеток выделенных бактерий на различные носители (А1203, активированный уголь, вермикулит), изучены сорбционные характеристики полученных биосорбентов в статических и динамических условиях [5].
В статических условиях исследование способности данного вида микроорганизмов удалять из воды ионы свинца при концентрации 60 мг/л проводилось в присутствии исследуемых сорбентов.
Соответствующий эксперимент проводили на среде РТМ в трех колбах на 1 л с объемом питательной среды 200 мл, в которые вносили 20 мл суточной исследуемой культуры, 10 мл соли свинца (РЬ(СН3С00)2) с концентрацией 60 мг/л, а также 10 г исследуемого сорбента, соответственно в первую колбу - вермикулит, во вторую - активированный уголь, в третью - А1203.
Влияние ионов свинца на рост микроорганизмов в присутствии различных сорбентов показано на рис. 2. Изменение степени извлечения свинца во времени в присутствии различных сорбентов показано на рис. 3.
1 2 3 4 5 6
3,5 л--------------------------------------
Время, сут
—*— контроль без сорбента -А— вермикулит
—к— БАУ —оксид алюминия
Рис. 2. Динамика роста микроорганизмов в присутствии различных сорбентов
0,5
1 2 3 4 5 6
Время, сут
—без сорбента —вермикулит —д— БАУ —и— оксид алюминия Рис. 3. Степень извлечения свинца на различных сорбентах
Прирост биомассы происходит преимущественно в первые трое суток. Наиболее интенсивное поглощение ионов свинца наблюдается для сорбента БАУ в присутствии микроорганизмов (степень извлечения 43,7 %).
В динамических условиях исследование проводилось с использованием тех же сорбентов. Культивирование микроорганизмов проводили в колбах на 1 л по вышеописанной методике. Для проведения сорбции в динамических условиях использовались стеклянные ионообменные колонки (ё = 5 мм). Для работы было подготовлено 6 коло-
нок с исходными чистыми сорбентами и сорбентами в присутствии микроорганизмов (м.о.). Соотношение высоты слоя сорбента к диаметру колонки во всех опытах было не менее 2. В ходе проведения эксперимента использовали раствор ацетата свинца с концентрацией 70 мг/л, пропускание раствора соли свинца велось с постоянной скоростью, равной 200 мл/ч. Контроль за измерением концентрации ионов Pb2+ осуществляли путем отбора проб равного объема (50 мл). Сорбцию вели до выравнивания концентрации исходного раствора и элюата. Результаты исследования представлены в табл. 1.
Таблица 1
Изменение содержания ионов свинца при использовании различных сорбентов и биосорбентов, мг/л
т, ч БАУ БАУ + м.о. Вермикулит Вермикулит + м.о. ^3 Al2Oз + м.о.
0 0 0 0 0 0 0
0,25 0 0 0 0 0 0
0,50 0,006 0,002 0,015 0,011 0,009 0,005
0,75 0,015 0,005 0,079 0,071 0,021 0,009
1,0 0,095 0,012 0,424 0,360 0,106 0,021
2,0 0,391 0,094 0,685 0,610 0,431 0,123
3,0 0,873 0,293 0,833 0,750 0,925 0,332
4,0 3,561 0,987 3,212 2,980 3,873 1,984
5,0 9,983 4,677 9,346 8,750 10,234 5,685
6,0 22,675 10,216 23,574 21,370 23,141 12,341
7,0 41,786 23,754 44,235 43,110 42,785 25,563
8,0 56,893 44,654 57,334 56,230 57,342 46,125
9,0 69,345 58,562 69,782 68,450 69,791 61,892
10,0 70,000 70,000 70,000 70,000 70,000 70,000
Полученные данные показывают, что все изученные сорбенты способны поглощать ионы свинца. При этом иммобилизация микроорганизмов на сорбенты БАУ и Al2O3 приводит к увеличению величины обменной емкости этих сорбентов, наилучшие показатели у БАУ+м.о., что видно по приведенным сравнительным характеристикам сорбентов и биосорбентов, полученным путем иммобилизации на соответствующий носитель (рис. 4).
Динамическая активность сорбента характеризуется временем от начала пропускания сорбата до его проскока, с учетом того, что ПДК сточной воды для свинца 0,03 мг/л, отметим проскок < ПДК:
БАУ - 48 мин, 160 мл;
БАУ и м.о. - 63 мин, 210 мл;
Вермикулит - 33 мин, 110 мл; Вермикулит и м. о. - 35 мин, 115 мл; Оксид алюминия - 46 мин, 155 мл;
Оксид алюминия и м.о. - 61 мин, 205 мл.
Рис. 4. Сравнение поглотительной способности БАУ и БАУ + м.о. (а), вермикулита и вермикулит+м.о. (б), Л120з и Л120з + м.о. (в)
Обработка графиков зависимости скорости поглощения ДС/Дґ = = и = [мг/л-с] ионов РЬ2+ (одна из зависимостей приведена на рис. 5) для исследованных сорбционных материалов позволила определить основные их характеристики (табл. 2).
Полная динамическая емкость исследуемых сорбентов представлена на диаграмме рис. 6, которая еще раз подтверждает преимущество биосорбентов.
280 260 240 220 % 200 5
« 140
< 120 100 80 60 40 20 0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
Время, ч
БАУ + м.о.
Рис. 5. Зависимость скорости поглощения ионов РЬ2+ для БАУ + м.о.
Таблица 2
Сравнение емкостных характеристик сорбентов и биосорбентов
Сорбент или биосорбент Время проскока до ПДК, мин Объем очищенной воды до проскока, мл Емкость до проскока, мг/г сорбента Полная динамическая емкость, мг/г сорбента
БАУ 48 160 133,6 278,0
БАУ+м.о. 63 210 177,8 325,3
Вермикулит 33 110 101,3 236,0
Вермикулит+м.о. 35 115 107,6 248,0
АЪОз 46 155 122,0 254,0
А1203 + м.о. 61 205 165,0 305,0
Таким образом, в результате проделанной работы выделена чистая культура микроорганизмов и исследованы ее основные свойства; определена скорость роста культуры микроорганизмов, утилизирующих ионы свинца, которая оставила 0,09 ч; определены диапазон устойчивости микроорганизмов к различным концентрациям РЬ2+ (060 мг/л), глубина утилизации ионов свинца из растворов и выхода биомассы микроорганизмов в аэробных условиях. Клетки микроорганизмов иммобилизированы на твердые носители А1203, активированный уголь, вермикулит и изучены сорбционные характеристики полученных биосорбентов в статических и динамических условиях. Максимальная полная динамическая обменная емкость биосорбента на основе БАУ составила 325,3 мг/г сорбента, емкость до проскока (до ПДК) - 177,8 мг/г сорбента и составляет 55 % от полной.
я 300
и
ю
Он
1 250
"Ен
£ 200
о
§
2 150 к
СЗ
И
£ 100 я
0-1—-------—,—------—,—------—,—------—,—-----—,—------—
БАУ БАУ + м.о. Верми- Вермику- АШ3 АШ3
кулит лит + М.О. + м.о.
Рис. 6. Диаграмма зависимости емкости по ионам свинца (ПДОЕ) от вида сорбента
Использование сорбентов обеспечивает глубину очистки до 45 % при больших начальных концентрациях и до 90 % при маленьких, как в статических, так и в динамических условиях.
Применение биосорбентов позволит сделать окружающую среду чище и экологически безопаснее.
Список литературы
1. Мур Дж.В, Рамамурти Сита. Тяжелые металлы в природных водах: контроль и оценка влияния. М., 1987.
2. Некоторые аспекты детоксикации ионов тяжелых металлов при очистке сточных вод / Н.И. Павленко [и др.] // Химия и технология воды. 1991. Т. 13, № 4. С. 371-374.
3. Использование ассоциативных бактерий для инокуляции ячменя в условиях загрязнения почвы свинцом и кадмием / А.А. Бели-мов, А.М. Кунакова, В.И. Сафронова [и др.] // Микробиология. 2004. Т. 73, №1. С. 118-125.
4. ГОСТ 2874-73. Вода питьевая. Метод определения свинца.
5. Синицын А.П., Райнина Е.И., Лозинский В.И. Иммобилизованные клетки микроорганизмов. М.: Изд-во МГУ, 1994. 288 с.
6. Смирнов А. Д. Сорбционная очистка воды. Л.: Химия, 1982, С.155-168.
7. Garrels R.M., Hunt С. Chemical cycles and the global environment. William Kaufmann Inc., Los Altos, California, 1975. 206 p.
8. Hart В.Т., Davies S.H.R. Trace metal speciation in the freshwater and estuarine regions of the Yarra River, Victoria. Estuarine, Coastal and Shelf Science 12: 1981. P. 353-374.
Получено 17.06.2009
