CC BY
47
УДК 628.35
СОРБЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ БИОФЛОКУЛЯНТА STR. СНКОШваЕтЪ 8.& 0832
И ЕГО СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© Л.В. Брындина, К.К. Полянский
Ключевые слова: адсорбция белков; биофлокуляция; мясная промышленность; очистка стоков.
Проведена сравнительная оценка адсорбции наиболее распространенных белков отработанных технологических жидкостей мясной промышленности: коллагена, кератина, гемоглобина, миозина на культуре 3^ер^ту1ея оНготг^епея в^. 0832. Установлено, что процесс сорбции лучше протекал с коллагеном и кератином (фибриллярными белками). Это связано с тем, что наряду с процессом биофлокуляции протекает глубокий ферментативный гидролиз белков с образованием большого количества аминокислот, и это увеличивает число полярных групп на поверхности границы раздела фаз и способствует формированию прочного мономолекулярного слоя.
Несмотря на широкое применение в очистке сточных вод традиционных коагулянтов: сульфатов и хлоридов железа ^е2+, Fе3+), алюминия (А13+), в последнее время особый интерес проявляется к флокулянтам, которые не только снижают дозы вышеназванных, но и начинают завоевывать рынок как самостоятельные вещества в очистке сточных вод. Многие страны Запада применяют их уже более 80 лет [1].
Развитие биотехнологии позволило создать новое направление в производстве флокулянтов, а именно, использование биофлокулянтов.
Целью исследования было проведение сравнительной оценки адсорбции наиболее распространенных белков отработанных технологических жидкостей мясной промышленности: коллагена, кератина, гемоглобина, миозина - на культуре Streptomyzes chromogenes в^. 0832.
Сорбционные свойства Streptomyzes chromogenes в^. 0832 изучали в статическом режиме при комнатной температуре.
Исследование сорбционной емкости клеток акти-номицета проводили следующим образом: 3 см3 культуральной жидкости, что соответствует 4 мг ^ = рУ = = 1260-0,003 = 0,004 г), помещали в конические колбы и добавляли 100 см3 раствора белка концентрацией 1000 мг/дм3. Содержимое оставляли в контакте на 1,5 ч при периодическом перемешивании, после чего твердую фазу отделяли декантацией, определяли содержание в нем остаточного белка. Для изучения сорбцион-
ных характеристик актиномицета были взяты белки: миоглобин, гемоглобин (Н-2509), коллаген и кератин (предварительно обработанный) [2].
В табл. 1 показана зависимость оптической плотности (Д) от времени контакта образцов белков с био-флокулянтом, из которого видно, что оптическая плотность образцов исследуемых белков со временем уменьшается. Это говорит о способности Бігеріошугез chromogenes 8^. 0832 извлекать из раствора белок. Оптимальное время для адсорбции составляет около 60 мин. Дальнейшее контактирование образцов белков с биосорбентом не приводило к существенным изменениям оптической плотности. Следует обратить внимание на то, что процесс сорбции лучше протекал с коллагеном и кератином (фибриллярными белками). Хотя известно, что глобулярные белки подвергаются лучшему адсорбционному взаимодействию. Они обладают ярко выраженной поверхностной активностью, которая проявляется при попадании макромолекулы на границу раздела фаз [3].
Возможно, переход коллагена и кератина в растворимую форму за счет ферментативного гидролиза Бґгерґошугез chromogenes 8^. 0832 позволил увеличить количество гидрофильных остатков аминокислот на поверхности белка, что, в свою очередь, привело к увеличению адсорбции. Для подтверждения этого предположения были проведены исследования по определению продуктов ферментативного гидролиза.
Сорбционная способность Streptomyzes chromogenes 8^. 0832 к белкам
Таблица 1
ґ, мин.
Оптическая плотность (Д) в зависимости от продолжительности
Белок 0 15 30 45 60 75 90
Коллаген 0,50 0,25 0,22 0,20 0,19 0,19 0,19
Гемоглобин 0,47 0,38 0,36 0,35 0,35 0,35 0,35
Миоглобин 0,48 0,27 0,25 0,25 0,24 0,24 0,24
Кератин 0,46 0,18 0,16 0,15 0,14 0,14 0,14
Таблица 2
Динамика накопления продуктов ферментативного гидролиза белков
Содержание в 1QQ дм3 гидролизата, %
Продолжительность гидролиза, ч Растворимый белок Пептиды Аминокислоты
кератин коллаген кератин коллаген кератин коллаген
К* Са2+ К Са2+ К Са2+ К Са2+ К Са2+ К Са2+
Q 4,Q 4,2 4,2 4,3 1,1 1,4 Q,5 Q,7 Q Q Q Q
Q,5 18,4 4,5 3Q,3 26,Q 3,9 1,5 6,2 4,7 56,3 82,2 42,Q 57,3
1 18,7 4,7 32,4 28,4 4,5 1,8 9,3 4,4 61,3 87,1 45,3 6Q,2
2 2Q,3 4,7 35,7 3Q,1 4,7 2,2 2,1 2,5 61,3 88,4 46,7 62,4
3 2Q,3 6,1 36,3 28,5 5,4 2,4 2,1 2,Q 63,Q 88,6 48,1 64,5
4 19,7 5,5 35,7 24,6 5,7 3,2 6,Q 7,3 65.67 88,9 49,3 65,1
5 17,5 5,1 36,8 25,3 5,7 3,6 6,7 7,5 69,9 89,Q 49,5 65,2
Примечание. К* - гидролиз белков без добавления ионов Са2+.
Рис. 1. Зависимость степени гидролиза белков от продолжительности воздействия ферментного комплекса Б^р^-myzes chromogenes в^. 0832
Влияние продолжительности ферментативного гидролиза представлено на рис. 1, из которого видно, что интенсивное расщепление белков кератина и коллагена ферментным комплексом Streptomyzes chromogenes s.g. 0832 происходит за первый час и достигает своего наибольшего значения к 4-5 ч. Гемоглобин и миоглобин практически не подвергаются воздействию ферментных систем данного микроорганизма, чем и объясняется отсутствие данных по их гидролизу в табл. 2.
Следует особо подчеркнуть, что ионы Ca2+ являются весьма эффективными активаторами ферментного комплекса данного микроорганизма (рис. 2). Внесение в гидролизуемую среду 0,5-10-3 М этих ионов резко интенсифицирует процесс превращения растворимых кератина и коллагена в конечный продукт гидролиза -аминокислоты. Динамика накопления продуктов гидролиза белков кератина и коллагена представлена в табл. 2 [4].
Из данных, представленных в табл. 2, видно, что ферментные системы предлагаемого биофлокулянта переводят в растворимую форму большую часть белка. При этом происходит глубокий гидролиз белков: аминокислотная фракция составляет от 42 до 82 % в зависимости от условий. Это приводит к образованию большого количества аминокислот, что увеличивает число полярных групп на поверхности границы раздела
фаз и способствует формированию прочного мономолекулярного слоя. На него сорбируется следующий слой и т. д. Образуются прочные пространственные пленочные структуры за счет строгой ориентации молекул по отношению к граничной области.
Экспериментальные исследования по оценке адсорбционной активности рассматриваемого биофлоку-лянта по отношению к белкам представлены на рис. 3.
Уравнение
1/A = 1/A» + [1/( A K) -1/С],
Рис. 2. Зависимость степени гидролиза белков от продолжительности воздействия ферментного комплекса Б^р^-myzes chromogenes в^. 0832 в присутствии ионов Са2+
Рис. 3. Изотермы сорбции белков культурой Streptomyzes chromogenes s.g. 0832
Таблица 3
Сорбционные характеристики Streptomyzes chromogenes s.g. 0832 по отношению к некоторым белкам
Показатели Кератин Гемо- глобин Мио- глобин Колла- ген
Предельная адсорбция Ах, мг/г 167 71,4 125 143
где А„ - предельная величина адсорбции, мг/г; K - константа адсорбционного равновесия; С - концентрация раствора, мг/дм3, позволяет графически найти А„. 1/А„ отвечает отрезку, отсекаемому на оси ординат, а тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен 1/(А„- K), откуда можно определить ^
Предельная адсорбция определяется размерами полярной группы, а адсорбированный слой при этом мо-номолекулярен.
Из данных, представленных в табл. 3, видно, что величины предельной адсорбции кератина и коллагена близки. Это свидетельствует о примерно одинаковой доступности внутренней поверхности клеток актино-мицета для молекул рассматриваемых белков. Адсорбция гемоглобина почти в 4 раза ниже таковой для коллагена и в 5 раз ниже, чем для кератина.
Таким образом, экспериментальные данные позволили нам подтвердить, что в данном случае в процессе
очистки технологических белковосодержащих отработанных жидкостей наряду с сорбционными возможностями биофлокулянта участвуют и его ферментные системы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Величко Б.А., Абрамов Г.А., Шутова А.А. Результаты и перспективы применения биосорбентов при решении некоторых экологических проблем // Экология промышленного производства. 1998. № 12. С. 42-47.
2. Насонова Л.В., Жеребцов Н.А. Способ получения кератиназы. А.С. № 1565888. 24.07.90. Б.И. № 19.
3. Brynda E., Houska M., Pokorna Z., Cepalova N.A., Moisab Yu.V., Kutnl J. Adsorption of human serum albumin and fibrinogen onto a po-lyethilen film // J. Bioengng. 1978. V. 2. № 2. P. 411.
4. Бузов И.П. Определение протеолитической активности молокосвертывающих протеаз // Рукопись ВНИИМС. 1973.
Поступила в редакцию 8 апреля 2013 г.
Bryndina L.V., Polyanskiy K.K. SORPTION ABILITIES OF BIO-FLOCCULATION STREPTOMYZES CHROMOGENES S.G. 0832 AND ITS SPECIFIC PROPERTIES
The comparative evaluation of the adsorption of the most abundant proteins of used process fluids of meat industry such as collagen, keratin, hemoglobin, myosin in culture Streptomyzes chromogenes s.g. 0832 is made. It is found that the sorption is better held with collagen and keratin (fibrous protein). This is due to the fact that along with the process bio-flocculation runs deep enzymatic hydrolysis of proteins to form a large number of amino acids, which increases the number of polar groups on the surface of the interface and promotes lasting monomolecular layer.
Key words: adsorption of proteins; bio-flocculation; meat industry; wastewater treatment.
