CC BY
31
УДК 579.695
10.18286/1816-4501-2016-1-66-71
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ
ИОНОВ ЦИНКА В ОТХОДАХ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОСТВА БИОЛОГИЧЕСКИМ СПОСОБОМ («МИКРОБИАЛЬНЫМ КОКТЕЙЛЕМ»)
Майоров Павел Сергеевич, аспирант кафедры «Микробиология, вирусология, эпизоотология и ветеринарно-санитарная экспертиза»
Феоктистова Наталья Александровна, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Микробиология, вирусология, эпизоотология и ветеринарно-санитарная экспертиза» Васильев Дмитрий Аркадьевич, доктор биологических наук, профессор кафедры «Микробиология, вирусология, эпизоотология и ветеринарно-санитарная экспертиза» ФГБОУ ВО Ульяновская ГСХА
432017, г. Ульяновск, б. Новый Венец, 1; тел.: 8(8422)55-95-47 e-mail: feokna@yandex.ru
Ключевые слова/ бактерии, Bacillus, Pseudomonas, цинк, промышленные сточные воды, биологическая обработка загрязнителей.
В статье представлены результаты исследований по подбору штаммов бактерий с целью создания биопрепарата для снижения концентрации тяжелых металлов в отходах гальванического производства. Установлено, что бактерии рода Bacillus, Pseudomonas alcaligenes и сульфатредуцирующие бактерии (Desulfovibrio desulfuricans) способны к созданию симбиотического микробного сообщества. Эффективность эксперимента изучалась методом измерения массовой концентрации ионов цинка в пробах отходов гальваностоков, содержащих «микробный коктейль», фотометрическим методом с сульфарсазеном. Фотометрический анализ показал, что оптическая плотность пробы с «микробным коктейлем» значительно ниже контрольной пробы с нативным образцом. Установлено, что концентрация ионов цинка в пробе, содержащей микроорганизмы-симбионты, снизилась в 22 раза, что свидетельствует об их способности эффективно адсорбировать ионы цинка в отходах гальванического производства.
Введение
Загрязнение окружающей природной среды - один из факторов, наиболее существенно влияющих на продолжительность жизни и здоровье людей. Загрязнение окружающей природной среды и ее техногенное преобразование приобретают глобальный характер. Одним из наиболее опасных источников загрязнения атмосферы и гидросферы является гальваническое производство. Гальваническое производство связано с образованием большого количества сточных вод и твердых отходов. Наибольшую опасность представляют отходы, образующиеся при реагентной очистке сточных вод. Поиск оптимальных путей выхода из сложившейся ситуации становится все более актуальным [1].
Биологический метод очистки, предполагающий использование симбионтов-
микроорганизмов различных семейств, позволяет эффективно извлекать ионы тяжелых металлов и является наиболее перспективным в настоящее время. Он направлен на решение таких задач, как предотвращение вредного воздействия растворов шламов, полученных в результате гальванического производства по оцинковыванию металлоизделий, на окружающую среду, извлечение тяжелых металлов и превращение их во вторичное сырье и, в конечном итоге, снижение класса опасности отходов до 4-го и 5-го уровней. Отходы данных классов опасности являются относительно безвредными и безопасными для окружающей среды [2, 3].
Цель и задачи исследований
Целью наших исследований является изучение возможности снижения концентрации ионов цинка в отходах гальванического производства при помощи
и
Sä es »1
Si
р Ü ш IS Hi si ■ i
00 s!
бактерий родов Bacillus, Pseudomonas alca-ligenes и сульфатредуцирующих бактерий Desulfovibrio desulfuricans.
Для достижения поставленной цели нами были сформулированы задачи:
- подбор микроорганизмов-симбионтов, способных осуществлять биохимические процессы при достаточно критических значениях pH (от 4 до 10) при средней температуре культивирования 20±2 0С и адсорбировать при этом ионы цинка;
- построение градуировочного графика и определение оптической плотности проб;
- определение массовой концентрации ионов цинка в пробах.
Объекты и методы исследований
В работе использовали референс-штаммы бактерий рода Bacillus, вида Pseudomonas alcaligenes, сульфатредуцирую-щие бактерии Desulfovibrio desulfuricans, полученные из музея кафедры микробиологии, вирусологии, эпизоотологии и вете-ринарно-санитарной экспертизы ФГБОУ ВО «Ульяновская ГСХА», которые хранились при температуре +2-40C и культивировались на мясопептонном бульоне и коммерческой среде Постгейта при температуре +33±30С; полевые штаммы бактерий рода Bacillus, выделенные нами из проб торфосорбен-тов и почвы Приволжского Федерального округа (для идентификации бактерий применяли схему R.Gordon [4], R.A. Slepecky, H.T. Hemphill [5-6] и специфические бактериофаги рода Bacillus [7-11]). Параметры культивирования бактерий рода Bacillus, вида Pseudomonas alcaligenes, сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio desulfuricans были подобраны эмпирическим методом [12-13].
Изучение физико-химических свойств микроорганизмов (рост при значениях pH от 4 до 10) и возможность совместного культивирования проводили на плотных питательных средах при стандартных условиях.
В исследованиях использовали спектрофотометр, позволяющий измерять оптическую плотность при X = 540 нм; кюветы с толщиной поглощающего слоя 50 мм; мерную посуду; рН-метр и буферные растворы, питательные среды, микробиологическое
лабораторное оборудование.
При подготовке к выполнению измерений были приготовлены следующие вспомогательные и градуировочные растворы: раствор натрия тетраборнокислого с молярной концентрацией 0,05 моль/дм3; раствор сульфарсазена с массовой долей 0,05%; раствор сульфита натрия с массовой долей 20%; раствор тиомочевины с массовой долей 10%; раствор сульфосалициловой кислоты с массовой долей 10%; раствор серной кислоты (1:1); раствор аммиака (1:1); основной градуировочный раствор ионов цинка с массовой концентрацией 0,025 мг/см3; рабочий градуировочный раствор ионов цинка с массовой концентрацией 0,0005 мг/см3.
Исследование проводили на основе методики измерений массовой концентрации ионов цинка в природных и сточных водах фотометрическим методом с сульфарсазеном ПНДФ 14.1:2.195-2003 (ФР.1.31.2007.03804), рассмотренной и одобренной федеральным бюджетным учреждением «Федеральный центр анализа и оценки техногенного воздействия» (ФБУ «ФЦАО») [14].
Фотометрический метод определения массовой концентрации ионов цинка основан на взаимодействии ионов цинка в слабокислой среде с сульфарсазеном (плюм-боном) с образованием комплексного соединения красно-оранжевого цвета, интенсивность окраски которого измеряется при длине волны X = 540 нм.
Результаты исследований
Первоначально нами было выделено из проб торфосорбентов и проб почвы с нефтяными загрязнениями 16 штаммов бактерий, которые были типированы по схемам дифференциации бактерий рода Bacillus (по методикам R.Gordon и R.A. Slepecky, H.T. Hemphill), включающие обширный набор биохимических тестов (табл. 1).
Подбор штаммов бактерий-симбионтов был основан на способности сохранять биохимическую активность при pH от 4 до 10 при средней температуре культивирования 20±20С при максимальной длительности культивирования 14 суток.
Для проведения исследования мы ис-
и
es »1
Si
р и ш Hi si ■ i
00 n
Рис. 1 - Образование бактериальной пленки
пользовали 7 колб одинакового размера, куда разливали по 200 мл отходов гальванического производства. При этом pH в колбах доводили до значений от 4 до 10, так как определение кислотности нативного образца дало значение рН=13. Затем добавили в каждую колбу по 0,1 мл суточной культуры каждого штамма бактерий рода Bacillus (20 штаммов), 0,1 мл - культуры Pseudomona alcaligenes, 0,5 мл - сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio desulfuricans. Далее определяли количество бактериальной массы методом последовательных разведений с последующим высевом на мясо-петонный агар.
Опытным путем нами было установлено, что бактерии рода Bacillus, используемые нами в эксперименте, вида Pseudomonas alcaligenes, сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio desulfuricans являются штаммами, способными к созданию симбиотического микробного сообщества. Наиболее благоприятным показателем pH среды для развития вышеназванных микроорганизмов и активного наращивания бактериальной массы в течение 14 суток было значение, равное 6.
Ход основного эксперимента
Для проведения исследования использовались 4 колбы с 200 мл отходов гальванического производства, на основе которых были подготовлены 4 пробы для дальнейшего измерения оптической плотности:
1) отходы гальванического производ-
ства без добавления микроорганизмов (нативный образец) рН=13;
2) отходы гальванического производства со смещенным показателем pH, равным 6;
3) отходы гальванического производства со смещенным показателем pH, равным 6, куда были внесены суточные культуры бактерий рода Bacillus и вида Pseudomonas alcaligenes (21 штамм по 0,1 мл каждой суточной культуры);
4) гальванический материал со смещенным показателем pH, равным 6, куда были
внесены суточные культуры бактерий рода Bacillus, Pseudomonas alcaligenes (21 штамм по 0,1 мл суточной культуры) и сульфатре-дуцирующими бактериями Desulfovibrio desulfuricans (0,5 мл суточной культуры).
Посевы культивировались при температуре 20±20С в течение 14 суток. Стоит отметить, что через 24 часа во второй, третьей и четвертой пробах наблюдали образование небольшого осадка, в третьей и четвертой пробах дополнительно наблюдали образование бактериальной пленки и небольшое осветление проб (рис. 1).
В день проведения измерений (15-е сутки культивирования) был построен гра-дуировочный график на основе образцов для градуировки с массовой концентрацией ионов цинка от 0,02 до 0,5 мг/дм3. Состав и количество образцов для построения граду-ировочного графика приведены в табл. 2.
Анализ образцов для градуировки проводили в порядке возрастания их концентрации. Для построения градуировочно-го графика каждую искусственную смесь фо-тометрировали 3 раза с целью исключения случайных результатов и усреднения данных. По оси ординат откладывают значения оптической плотности, а по оси абсцисс - величину концентрации вещества в мг/дм3.
Далее проводили отбор проб и их измерение, для чего в мерную колбу вместимостью 50 см3 помещали 3 см3 пробы и доводили до объема 25 см3 добавлением
и
Sä es »1
s«
р Ü ш ni ■ i
00 s!
Состав и количество образцов для градуировки
Номер образца Объем рабочего градуировочного раствора ионов цинка с конц. 0,0005 мг/см3, см3 Содержание ионов цинка в мерной колбе вместимостью 25 см3, мг Массовая концентрация ионов цинка в градуировочных растворах, мг/дм3
1 0 0 0
2 2,0 0,0010 0,04
3 5,0 0,0025 0,10
4 10,0 0,0050 0,20
5 15,0 0,0075 0,30
6 20,0 0,0100 0,40
7 25,0 0,0125 0,50
дистиллированной воды. Предварительно пробы фильтровали с помощью фильтровальной бумаги и, поскольку содержание ионов цинка в пробах предположительно превышало 0,5 мг/дм3, пробы разбавлялись дистиллированной водой в соотношении 1:500.
Градуировочный график представлен на рис. 2.
Далее к исследуемой пробе добавляли 1 см3 20 % раствора сульфата натрия, 1 см3- 10% раствора сульфосалициловой кислоты, 1 см3- 10 % раствора тиомочевины и 2 см3- 0,05 % раствора сульфарсазе-на. После тщательного перемешивания раствор доводили до метки 0,05 моль/дм3 раствором натрия тетраборнокислого и вновь перемешивали.
Через 10 минут измеряли оптическую плотность полученного раствора при длине волны 540 нм в кювете с толщиной поглощающего слоя 50 мм и определяли концентрацию цинка в пробе по данным градуировоч-ного графика.
Полученные результаты представлены в табл. 3.
Ввыводы
Проведенные исследования показали, что основное воздействие на адсорбцию цинка в пробах оказал «кислотный коктейль». Так, значение массовой концентрации ионов цинка снизилось во второй пробе по сравнению с первой на 34 пункта и составило 0,11 мг/дм3. Однако наблюдается снижение концентрации цинка и в двух по-
Рис. 2 - Градуировочный график
Таблица 3
Результаты фотометрии подготовленных проб
Номер пробы Значение оптической плотности (D) Массовая концентрация ионов цинка, мг/дм3
1 0,306 0,45
2 0,097 0,11
3 0,07 0,08
4 0,018 0,02
следних пробах. Это свидетельствует о том, что подобранные нами штаммы микроорганизмов (бактерии рода Bacillus, вида Pseudomonas alcaligenes, сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio desulfuricans) также способны адсорбировать ионы цинка. В соответствии с полученными данными в последний пробе, по сравнению со второй, концентрация ионов цинка снизилась более чем в 5 раз.
и
es »1
S«
Р и ш SS ;«! ■ i
00 и
Концентрация ионов цинка в исходных пробах
Номер пробы Концентрация ионов цинка подготовленных проб, мг/дм3 Вторичное разбавление Первичное разбавление Концентрация ионов цинка в первоначальных пробах, мг/дм3
1 0,45 3:25 1:500 1825
2 0,11 3:25 1:500 458,3
3 0,08 3:25 1:500 333,3
4 0,02 3:25 1:500 83,33
Поскольку перед проведением измерений пробы предварительно разбавляли дистиллированной водой, данные значения соответствуют лишь пробам, подготовленным специально для измерения оптической плотности. Концентрация ионов цинка в исходных образцах оказалась значительно выше. Данные представлены в таблице 4.
Таким образом, в пробах с «микроби-альным коктейлем» наблюдается снижение концентрации ионов цинка по сравнению с пробами без микроорганизмов. Данный факт позволяет сделать вывод, что бактерии рода Bacillus, вида Pseudomonas alcaligenes и сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio desulfuricans способны адсорбировать ионы цинка. Особое внимание стоит обратить на четвертую пробу, в которой снижение концентрации ионов цинка, по сравнению с третьей, происходит при введении в «коктейль» сульфатредуцирую-щих бактерий. В целом снижение концентрации ионов цинка в четвертой пробе по сравнению с первой произошло в 22 раза. Но, несмотря на многократное снижение значений концентрации ионов цинка, они все же значительно выше предельно допустимой концентрации.
Научные исследования проводятся при финансовой поддержке государства в лице Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «УМНИК»).
Библиографический список
1. Алясова, A.B. Влияние гальванического производства на окружающую среду / A.B. Алясова // Advances in currnt naturals ciences. - 2011.- №7. - C.68-69.
2. Брындина, Л.В. Совместное использование микроорганизмов в биологической
очистке сточных вод / Л.В. Брындина, С.Н. Петров, О.С. Корнеева // Экологические системы и приборы. -2006.- №11. - С. 13-15.
3. Ксенофонтов, Б.С. Использование микроорганизмов активного ила в качестве флокулянта для очистки сточных вод // Б.С. Ксенофонтов, Е.Е. Гончаренко, Е.В. Сенник // Естественные и технические науки. - 2015. -№3(81). - С.221-226.
4. 4. Феоктистова, H.A. Результаты сравнительного анализа бактериологических методов исследований какао-порошка на наличие бацилл, вызывающих порчу продуктов питания (БВППП) / H.A. Феоктистова, Д.А. Васильев, С.Н. Золотухин // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 1 (29). - С. 69-77.
5. Тест-система ускоренной детекции бактерий рода Bacillus в пищевом сырье и продуктах питания / Д.А. Васильев, H.A. Феоктистова, М.А. Лыдина, А.И. Калдыркаев, H.A. Петрукова // Каталог научных разработок и инновационных проектов. - Ульяновск, 2015. - С.49.
6. Феоктистова, H.A. Распространение Bacillus cereus и Bacillus mycoides в объектах санитарного надзора / H.A. Феоктистова // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - № 1 (25). - С. 68-75.
7. Биосенсорная детекция бактерий рода Bacillus в молоке и молочных продуктах для предупреждения их порчи / Д.А. Васильев, С.Н. Золотухин, H.A. Феоктистова, A.B. Алешкин // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - №4 (24). - С. 36-43.
8. Биоиндикация содержания бактерий Bacillus megaterium в молоке и молочных продуктах / H.A. Петрукова, H.A. Феок-
тистова, Д.А. Васильев //Экология родного края: проблемы и пути их решения. Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Киров, 2014. - С. 375-377.
9. Золотухин, Сергей Николаевич. Создание и разработка схем применения диагностических биопрепаратов на основе выделенных и изученных бактериофагов эн-теробактерий: автореф. дис. ... д-ра биологических наук / С.Н. Золотухин. - Ульяновск, 2007. - 39 с.
10. Золотухин, С.Н. Новый метод определения качества молока и молочных продуктов, контаминированных бактериями рода Bacillus / С.Н. Золотухин, Д.А. Васильев, H.A. Феоктистова //Фундаментальные и прикладные проблемы повышения продуктивности животных и конкурентоспособности продукции животноводства в современных экономических условиях АПК РФ. Материалы Международной научно-практической конференции. - Ульяновск, 2015. - С. 288290.
11. Изучение видового разнообразия бактерий рода Bacillus, контаминирующих корне- и клубнеплоды / К.В. Кудряшова, H.A. Феоктистова, М.А. Лыдина, Д.А. Васильев, Б.И. Шморгун // Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт,
проблемы и пути их решения. Материалы VI Международной научно-практической конференции. - Ульяновск, 2015. - С. 95-98.
12.Шокина, К.В. Определение параметров культивирования бактерий рода Bacillus в сточных водах гальванического производства / К.В. Шокина, П.С. Майоров, H.A. Феоктистова // Новая наука: проблемы и перспективы. Международная научно практическая конференция от 4 ноября 2015 года. - Стерлитамак: РИЦ Ами, 2015. - С. 2229.
13. Майоров, П.С. Определение параметров культивирования бактерий рода Alcaligenes в отходах гальванического производства / П.С. Майоров, К.В. Шокина. H.A. Феоктистова // Новая наука: проблемы и перспективы. Международная научно практическая конференция от 4 ноября 2015 года. - Стерлитамак: РИЦ Ами, 2015. - С. 8-11.
14. ПНД Ф 14.1:2.195-2003 Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовой концентрации ионов цинка в природных и сточных водах фотометрическим методом с сульфарсазеном - NORMASC- система нормативов - URL: http://www.normacs.ru/Doclist/doc/V72U. html - дата обращения 12.11.2015.
