Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Сравнительные особенности биосорбции, биоаккумуляпии и детоксикации катионов тяжелых металлов микроорганизмами и дрожжами (S.CEREVISIAE) .10
1.1; Особенности нахождения и миграции тяжелых металлов в биосфере Земли... ; 10
1.2.1 Обзор принципов очистки промышленных сточных вод с высоким содержанием тяжелых металлов . 13
1.2.1. Метод Электрофлотации... : 14
11212; Реагентный метод 15
1.2.31 Электрокоагуляционный метод 16
1.2.4. Гальванокоагуляционный метод... ;. 17
1.215; Ионообменная очистка ! .18
1.2.6. МетодЭлектродиализа .:... 19;
1.2.7. Метод обратного осмоса и ультрофильтрации 20
1.2.8. Метод электролиза, в том числе на объемно-пористых электродах
1.2.9 Адсорбционный метод .
1.2.10 Метод Жидкостной Экстракции 1 22
1.3. Биосорбция и биоаккумуляция металлов микроорганизмами... 24
1.3111 Факторы, влияющие на биосорбцию тяжелых металлов
микроорганизмами. 25
1.3.2. Микроскопические грибы биосорбенты тяжелых металлов .30
з
1.4. Механизмы устойчивости микроорганизмов к действию тяжелых металлов 32
1.5. Способы утилизации промышленных отходов содержащих тяжелые металлы 46
ГЛАВА 2. Методы исследования 48
2.1. Обоснование выбора дрожжей в качестве биосорбента 48
2.2. Подготовка биомассы дрожжей 48
2.3. Получение высушенных дрожжей 50
2.4. Получение хитин-глюканового комплекса из дрожжевой биомассы 51
2.5. Подготовка сусла 52
2.6. Исследование содержания тяжелых металлов в модельных растворах и сточных водах 52
2.7. Математико-статистичсская обработка экспериментальных данных 53
ГЛАВА 3. Результаты собственных исследований 55
3.1. Сравнение биосорбционных свойств дрожжей и биосорбентов на их основе 55
3.1.1. Исследование сорбционных свойств дрожжей на модельной жидкой среде 58
3.1.2. Исследование тенденций выживаемости дрожжей при различных концентрациях катионов тяжелых металлов 62
3.2. Выявление оптимальных условий биосорбции тяжелых металлов
дрожжами из промышленных сточных вод 66
3.2.1. Влияние количества биомассы дрожжей на эффективность сорбции тяжелых металлов 66
3.2.2. Влияние условий среды на эффективность сорбции дрожжами тяжелых металлов 70
3.2.3. Исследование влияния экспозиции на эффективность дрожжевой сорбции тяжелых металлов 83
3.2.4. Влияние температуры среды на эффективность сорбции тяжелых металлов дрожжами 89
ГЛАВА 4. Технологический регламент выполнения работ по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием дрожжевой культуры saccharomyces cerevisiae 95
4.1. Назначение и область применения 95
4.2. Общие сведения 95
4.3. Оборудование, материалы и культуры 96
4.4 Требования к материалам и оборудованию
4.5. Описание технологии биологической очистки 104
4.6. Расчет экономической эффективности технологии биологической очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием
дрожжевой культуры Saccharomyces cerevisiae 109
Обсуждение полученных результатов 117
Выводы 121
Литература:
- Обзор принципов очистки промышленных сточных вод с высоким содержанием тяжелых металлов
- Получение хитин-глюканового комплекса из дрожжевой биомассы
- Исследование тенденций выживаемости дрожжей при различных концентрациях катионов тяжелых металлов
- Оборудование, материалы и культуры
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время проблема химического загрязнения природных пресных и морских водоемов является крайне актуальной. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в воде растворенного кислорода, ее pH, прозрачности, цветности и других свойствах. Все это отрицательно влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность водоемов к самоочищению.
Среди химических веществ, загрязняющих гидросферу, тяжелые металлы и их соединения образуют значительную группу токсикантов, оказывающих негативное воздействие на человека и окружающую среду. Основными источниками тяжелых металлов загрязняющих окружающую среду являются металлургия и гальванические цеха промышленных предприятий.
Традиционно воду от соединений тяжелых металлов очищают путем перевода их в нерастворимые в воде соединения, которые затем удаляют отстаиванием, флотацией, фильтрацией и другими способами разделения твердой и жидкой фаз. Но, несмотря на существующее разнообразие физико–химических методов, они не всегда отвечают требованиям экологической безопасности и экономической эффективности. Так, в ряде случаев после очистки гальванических сточных вод традиционными методами, в относительно чистой воде присутствует остаточное количество тяжелых металлов. Часто отмечается перегруженность и низкая эффективность работы очистных сооружений. Поэтому проблема очистки сточных вод на сегодняшний день остается актуальной. Решать ее можно не только физико-химическими методами, но и с использованием биологических методов, а возможно и комплексно.
Использование биологических методов является одним из перспективных направлений в очистке сточных вод, как бытовых, так и промышленных. Одним из таких методов является биосорбция металлов из растворов, в основе которой лежит способность микроорганизмов аккумулировать катионы различных металлов, извлекая их из растворов. Это может быть использовано для очистки промышленных сточных вод от металлов.
На сегодняшний день пивоваренные компании России имеют значительное количество дрожжевых отходов, которые могли бы быть использованы в качестве сорбентов тяжелых металлов в технологической схеме очистки промышленных сточных вод.
Однако в литературе приводятся противоречивые данные о поведении микроорганизмов в присутствии токсикантов, в частности тяжелых металлов, о специфической и неспецифической сорбционной способности микробных клеток.
Это определило актуальность проблемы, а также цель и задачи настоящей работы.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка метода биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
-
Исследовать показатель эффективности сорбции тяжелых металлов живыми пивоваренными дрожжами Saccharomyces cerevisiae в сравнении с биосорбентами на их основе в модельных средах.
-
Исследовать и выявить пороговые концентрации цинка, никеля и меди в модельной среде, при которых живая культура дрожжей сохраняет высокие значения выживаемости и эффективности сорбции.
-
Исследовать процесс биосорбции тяжелых металлов дрожжами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод. Выявить оптимальные условия эффективности биосорбции тяжелых металлов. Разработать оптимальные технологические параметры для очистки или доочистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
-
Разработать технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Научная новизна
В работе впервые получены экспериментальные данные, подтверждающие возможность использования живых культур пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в качестве биологического сорбента тяжелых металлов из сточных вод промышленных предприятий.
Впервые получены данные о микробиологических и физико-химических особенностях процесса биосорбции тяжелых металлов живыми дрожжами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод, содержащих тяжелые металлы, c привлечением показателей выживаемости и эффективности сорбции дрожжей.
Выявлены основные принципы, этапы и условия, при которых эффективность сорбции тяжелых металлов живыми дрожжами достигает максимальных значений.
Определены оптимальные технологические параметры процесса биосорбции (рН, температура, концентрация биосорбента, продолжительность экспозиции) очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Разработан технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Оценена возможность эффективного использования предлагаемой технологии в производственных условиях.
Выполненные исследования вносят дополнительный вклад в понимание механизмов пассивной и активной биосорбции живыми дрожжевыми клетками тяжелых металлов, содержащихся в сточных водах промышленных предприятий.
Практическая ценность
Практическая значимость настоящей работы состоит в том, что предлагаемые технологические параметры и технологический регламент могут быть использованы для очистки или доочистки сточных вод промышленных предприятий (имеющих в своем составе гальванические цеха и т.п.) от тяжелых металлов.
Сорбционные способности живых дрожжей Saccharomyces cerevisiae позволяют значительно снизить концентрацию тяжелых металлов в промышленных сточных водах. В случае загрязнения сточных вод цинком, никелем и медью живые дрожжи Saccharomyces cerevisiae способны снижать концентрацию тяжелых металлов в 75, 15 и 6 раз соответственно.
Разработан технологический регламент выполнения работ по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием живой культуры дрожжей Saccharomyces cerevisiae, который может быть использован в процессе очистки или доочистки сточных вод гальванических цехов промышленных предприятий. Регламент прошел предварительную апробацию на Калужском заводе телеграфной аппаратуры при очистке сточных вод гальванического цеха от тяжелых металлов.
Личный вклад автора
Личный вклад диссертанта состоял в выполнении исследования сравнительной биосорбционной способности различных биосорбентов на основе дрожжей в отношении к катионам тяжелых металлов.
Автор лично подготовил и провел экспериментальные исследования по выявлению оптимальных условий биосорбции живыми дрожжами катионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод.
Разработан технологический регламент по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием живой дрожжевой культуры Saccharomyces cerevisiae.
Положения выносимые на защиту
-
Установлено, что использование живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в качестве биосорбента для очистки или доочистки промышленных сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов является эффективным методом.
-
Выявлены оптимальные параметры биосорбции тяжелых металлов живыми дрожжевыми культурами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод.
-
Разработан технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Апробация и внедрение результатов исследования
Материалы диссертации докладывались на научных чтениях 6-го Международного конгресса «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК – 2004, г. Москва; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2005; на XL Научных чтениях им. К.Э.Циолковского - 2005, г. Калуга; на «Открытой университетской научно-технической конференции» (секция Ботаники и Экологии) КГПУ им. К.Э. Циолковского – 2006, г. Калуга; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2006; на симпозиуме «The Problems of Space Microbiology» Материалы 4th International Workshop for Space Microbiology Научных Чтений 41 – ST K.E. TSIOLKOVSKY MEMORIAL CONFERENCE - 2006, Калуга; на Региональной научно-практической конференции по теме «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» - 2007; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2008; на XLIII Научных чтениях им. К.Э.Циолковского - 2008, г. Калуга; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2009; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2010.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ФБГОУ ВПО Калужского государственного университета им. К.Э. Циолковского при формировании курса лекций и лабораторно-практических занятий «Экологическая токсикология».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них две в журналах рекомендованных ВАК («Вестник» при МГТУ им. Н.Э. Баумана из цикла «Естественные науки» - 2008 и «АГРО XXI ВЕК» - 2008).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, обсуждения полученных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Объем основного текста составляет 150 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 20 таблиц. Список литературы объединяет 290 наименований источников, из них 98 отечественных и 192 зарубежных автора. Объем приложения – 18 страниц.
Обзор принципов очистки промышленных сточных вод с высоким содержанием тяжелых металлов
В водоемах в качестве сорбентов могут выступать различные коллоидные частицы, взвеси, донные отложения. Некоторые металлы активно сорбируются взвешенными в воде частицами. Например, концентрация ртути, во взвешенной части может в 105 раз превышать ее содержание в воде. Взвеси и коллоидные гидроксиды железа и марганца часто бывают покрыты гумусовыми веществами. Этим можно объяснить повышенную иммобилизацию тяжелых металлов на этих частицах, своего рода эффект «снежного кома» (Линник, 2001; 2005).
Донные отложения рек и водоемов обычно выступают в качестве накопителя тяжелых металлов. Однако при определенных условиях некоторые металлы могут высвобождаться в раствор, в результате чего происходит вторичное загрязнение поверхностных вод (Исидоров, 1999). В растворенном состоянии металлы находятся в поровых водах донных отложений. На скорость их переноса в толщу воды оказывают влияние такие факторы, как градиент концентраций и скорость диффузии. Следовательно, переход из донных отложений будет происходить, быстрее для ионов, которые образуют менее стойкие комплексы с гумусовыми веществами. Например, медь практически не переходит в воду из донных отложений, в отличие от марганца, концентрации которого в поровых водах озер составляют 0,7-7,2 мг/л (Линник, Набиванец, 1986).
Важной формой присутствия некоторых тяжелых металлов, сильно влияющей на их миграционные и токсикологические характеристики, являются метилированные соединения. Установлено, что метилированию подвергаются ртуть, свинец и олово, а также мышьяк и сурьма.
Таким образом, тяжелые металлы присутствуют во множестве форм в природных водоемах и соответственно их физиологическая роль будет проявляться по-разному. Наиболее токсичными являются свободные (гидрати-рованные) ионы металлов, т. е. не включенные в комплексы или в состав взвесей и коллоидов. При этом наибольшую токсичность проявляют катионы переходных металлов в высших степенях окисления, такие как Сг6+ токсичнее Cr3+, Sn4+ опаснее Sn2+(Исидоров, 1999).
Поведение тяжелых металлов в водоемах трудно спрогнозировать, так как многое зависит от постоянно изменяющихся условий таких, как величины рН и Eh, мутность воды, содержание главных ионов (Na+, К+ и др.), состава растворенных органических соединений и их концентрации.
Экологические проблемы гальванотехники привлекают к себе широкое внимание в основном, из-за продолжающегося.загрязнения окружающей среды ионами тяжелых металлов.
Разнообразный ассортимент применяемых гальванических покрытий в гальванотехнике обуславливает многообразие загрязнений, находящихся в сточных водах. Исходя из фазового состояния вещества в растворе, все загрязнения можно подразделить на четыре группы: взвеси в виде тонкодисперсных суспензий и эмульсий; коллоиды и высокомолекулярные соединения; органические вещества, растворенные в воде; соли, кислоты, основания, растворенные в воде. Для каждой из групп загрязнений существуют свои методы очистки. Так, для очистки воды от веществ первой группы загрязнений наиболее эффективны методы, основанные на использовании сил гравитации, флотации, адгезии. Для второй группы,- коагуляционный метод. Загрязнения третьей группы наиболее эффективно извлекаются из воды в процессе адсорбционной очистки, а загрязнения четвертой группы, представляющие собой электролиты, удаляют из воды переводом ионов в малорастворимые соединения, используя для этого реагентный метод или методы обессоливания (Волоцков, 1983; Виноградов, 1998). Если за основу классификации методов принять превалирующий процесс (или основное устройство) того или иного метода, то методы очистки можно разбить на семь групп: 1) механические; 2) химические; 3) коагуляционно-флотационные; 4) электрохимические; 5) сорбционные; 6) мембранные; 7) биологические. Однако ни один из указанных методов самостоятельно не обеспечивает в полной мере выполнение современных требований: очистка до значений ПДК, особенно по ионам тяжелых металлов.
Нереальность достижения экологических норм усугубляется плохим финансовым положением многих предприятий. Одним из путей выхода из этой ситуации являются совершенствование средств и методов очистки стоков и оптимизация организации очистных систем, применение новаторских биотехнологических направлений.
При электрофлотации электролитически полученные газовые пузырьки, всплывая в объеме жидкости, взаимодействуют с частицами загрязнений, в результате чего происходит их взаимное слипание, обусловленное уменьшением поверхностной энергии флотируемой частицы и пузырька газа на границе раздела фаз "жидкость - газ". Плотность образующихся агрегатов меньше плотности воды, что обуславливает их транспорт на поверхность жидкости и накопление там флотошлама, который периодически удаляется из аппарата (Туровский , 1988; Ковалев, 1986; Виноградов, 1998).
Физико-химические процессы, имеющие место в электрофлотационных аппаратах очистки воды, включают в себя электролитическую генерацию газовых пузырьков, адгезию газовых пузырьков и частиц загрязнений, транспортирование образовавшихся агрегатов "пузырек газа - частица загрязнения" на поверхность обрабатываемой жидкости.
Получение хитин-глюканового комплекса из дрожжевой биомассы
На1 следующем этапе детоксикации ионов металла происходит внедрет ние сульфида в комплексы кадмия с фитохелатинами. Именно на этом этапе происходит формирование кластеров, а затем и кристаллитов; GdS-или MeS; Присутствие лабильного сульфида в комплексе кадмия с ФХ впервые отмечено в работе; (Murasugi, 1984),, в; которой: ФХ называли кадистинами: Впоследствии многочисленньіе;исследованиящ6казали,,что-комплексьііСгі— ФХ, выделенные: из дрожжейj часто содержат в. своем составе неорганический сульфид (Goblenz, Wolf, 1994; Dameron, Reese, 1989; Dameron; Smith; 1989; Dameron; Winge, 1990; Mehra, Wirige, Л 991; Меііщ Mulchandani;, 1995; Rauser, 1995); Внедрение, сульфида в комплекс металл—пептид с образованием сульфида металла, выгодно для микроорганизма, потому что в результате происходит связывание болынего количества кадмия на пептид и увеличивается-кислотная-стабильность комплекса Cd-—ФХ (Dameron, Reese, 1989; Dameron, Smith,. 1989; Damero;.Winge;. 1990): Исследования подтвердили,.что включение сульфида в полученные in vitro или изолированные; из культур дрожжей комплексы Gd-—ФХ с образованием GdS приводит ю значительному увеличению Cd—связывающей способности ФХ (Dameron, Reese, 1989; Dameron, Smit, 1989; Dameron, Winge, 1990;.Mehra, Mulchandani, 1995; Mehra, Miclat,. 1996) и увеличению стехиометрии Cd(II)M X вследствие синтеза CdS (Dameron, Winge, 1990). 0 значимости образования: GdS для микроорганизмов говорит тот факт, что мутанты дрожжей, дефектные по содержащим сульфид Cd—ФХ комплексам; (т.е. комплексам GdS—ФХ), не способны выдерживать повышенное содержание Gd в среде (Hunter, 1998; Mutoh, Hayashi, 1988; Ortiz, Kreppel, 1992, Speiser, Ortiz, 1992). Напротив, увеличение эффек 41 тивности образования комплексов CdS—PC приводит к повышению устойчивости к Cd (Mehra, Mulchandani, 1994). Полная экспрессия устойчивости к Cd дрожжей и растений требует формирования комплексов кристаллитов CdS с ФХ (Hunter, 1998; Ortiz, Kreppel, 1992; Speiser, Ortiz, 1992).
В ряде случаев показано, что биосинтезу комплексов CdS—ФХ предшествует формирование комплексов CdS—GSH (Barbas, Santhanagopalan, 1992). Сульфидные комплексы глутатиона (CdS—GSH) так же, как и сульфидные комплексы фитохелатина (CdS—ФХ), проявляют значительное увеличение способности к связыванию Cd (II) и химически более устойчивы, чем комплексы, не содержащие сульфид (Dameron, Reese, 1989; Dameron, Winge, 1990). В конечном счете, CdS—GSH комплексы заменяются комплексами CdS—ФХ (Barbas, Santhanagopalan, 1992). Изолированные комплексы CdS— GSH и CdS—ФХ могут иметь различные размеры, в зависимости от количества сульфида при их синтезе (Bae, Mehra, 1998; Dameron, Smith, 1989; Dameron, Winge, 1990; Mehra, Mulchandani, 1994).
Образование кристаллитов CdS в клетках S. pombe зависит от того, на какой фазе роста культуры дрожжей добавляется кадмий (Williams, Keshavarz—Moore, 1996). Добавление сульфата кадмия в начале экспоненциальной фазы роста приводит к немедленному внутриклеточному поглощению кадмия, сопровождаемому быстрым его выходом из клеток, долговременному снижению метаболизма клетки и снижению внутриклеточного содержания неорганического сульфида. Максимальное образование CdS наблюдается после добавления сульфата кадмия к культуре в середине экспоненциальной фазы роста. Фракционирование делящихся клеток дрожжей, растущих в присутствии Cd, показало, что различные клетки могут содержать комплексы Cd—ФХ, имеющие различное соотношение сульфид/Cd или не иметь сульфида (Rauser, 1995; Williams, Winge, 1991; Zenk, 1996). В свою очередь фракции, содержащие сульфид, разделяются на компоненты, которые отличаются по размеру и заряду (Mehra, Mulchandani, 1994; Rauser, 1995; Williams, Winge, 1991; Zenk, 1996). Эти наблюдения предполагают, что включение сульфида является процессом, зависящим от времени, и приводит к образованию комплексов ФХ с нанокристаллитами CdS, которые синтезируются в стационарных культурах, имеющих высокое содержание сульфидов (Rauser, 1995; Williams, Winge, 1991; Zenk, 1996). Это заключение поддерживается наблюдениями авторов, сделанными на Cd—устойчивом штамме С. glabrata, производящем сверхвысокие уровни сульфида в присутствии Cd (Mehra, Mulchandani, 1994). Комплексы CdS—ФХ, изолированные из этого штамма, имели одинаковый размер кристаллита. Источники сульфида для образования кристаллитов CdS в дрожжах и локализация участка биосинтеза кристаллитов внутри клеток точно не выяснены. Предполагается включение пути биосинтеза аденина в производство сульфида, используемого для синтеза CdS в S.pombe (Juang, 1993; Ortiz, Kreppel, 1992; Speiser, Ortiz, 1992), и пути восстановления сульфата для синтеза CdS в С. glabrata (Mehra, Mulchandani, 1994).
Внутри клетки связывающие кадмий фитохелатины накапливаются в вакуолях (Vogeli—Lange, 1990; Wu, Sung, 1995), по-видимому, в процессе транспорта, зависимого от АТФ (Salt, Prince, 1995). Предполагается, что вакуоль может быть и местом сборки CdS—ФХ в дрожжах S. pombe (Ortiz, Kreppel, 1992). Однако флуоресцентно—микроскопические исследования показали, что комплексы CdS—ФХ формируются в цитоплазме до их включения в вакуоли (Mehra, Mulchandani, 1994; Vogeli—Lange, 1990). Такой механизм с образованием конечного продукта MeS происходит не во всех случаях, возможны и другие пути которые ведут также к образованию менее токсичных соединений с металлами в клетках дрожжей. Дрожжи в составе вторичных метаболитов синтезируют органические кислоты: лимонную, аспара-гиновую, щавелевую. Детоксикация металлов происходит в результате образования хелатных комплексов, осаждения или трансформации с образованием малотоксичных форм (рис. 3).
Исследование тенденций выживаемости дрожжей при различных концентрациях катионов тяжелых металлов
Сорбционную способность дрожжей (SCI, SC2, SC3, сухие дрожжи) и биосорбентов на их основе (активированный хитин-глюкановый комплекс) исследовали на модельных средах, содержащих соли меди, никеля и цинка (хлориды и сульфаты). Концентрация дрожжей в модельных средах составила 5 г/дм , а активированный хитин—глюкановый комплекс добавляли в количестве 1,5 г/дм3. Концентрация меди, никеля и цинка в модельной среде составила соответственно 40,0 мг/дм , 100,0 мг/дм и 20,0 мг/дм .
Установлено, что через 24 ч при температуре 29 С концентрация тяжелых металлов в модельных средах с дрожжами SCI, SC2, SC3 снижалась до следующих значений: медь (2,7 мг/дм , 3,2 мг/дм и 5,4 мг/дм ), никель (5,3 Х "X "X "X "X мг/дм , 11,5 мг/дм и 15,0 мг/дм) и цинк (0,04 мг/дм , 2,2 мг/дм и 0,60 мг/дм3). Таким образом, концентрация снижалась на 65,2% - 99,6%.
При этом наименьшая сорбционная способность наблюдалась у хитин-глюканового комплекса и сухих дрожжей, и концентрация тяжелых металлов снижалась до следующих значений: медь (11,2 мг/дм3 и 11,9 мг/дм3), никель (32 мг/дм3 и 34 мг/дм3) и цинк (7,2 мг/дм и 7,7 мг/дм ) (рис. 6).
Об этом свидетельствует также сопоставление эффективности сорбции тяжелых металлов. Как показано на рисунке 7, эффективность сорбции тяжелых металлов сухими дрожжами и хитин-глюкановым комплексом значительно ниже, чем при использовании живых дрожжей: SCI, SC2, SC3.
Полученные результаты можно объяснить тем, что хитин-глюкановый комплекс и сухие дрожжевые клетки содержат в своем составе большое количество хитина, характеризующегося большим разнообразием функциональных групп. Он содержит гидроксильные, карбонильные, амидные, аце-тиламидные группы и кислородные мостики. В зависимости от I SCI «SC2 BSC3 Сухие дрожжи ХГК
Эффективность сорбции тяжелых металлов из модельной среды дрожжами и сорбентами условий воздействия.хитина выделяются такие процессы, как: комплек-сообразование,..ионный обмен и поверхностная адсорбция. Однако чаще всего преобладает хелатное комплексообразование, обусловленное высокой электронодонорной способностью атомов.азота и кислорода. .
В тоже время, механизм сорбциютяжелых металлов живыми дрожжами-отличается1 динамичностью за? счет образования! различных веществ, участвующих в: метаболизме детоксикации..К числу таких, веществ можно; отнести» глутатион;. металлотионеины, фитохелатины. и ряд других, промежуточных соединений: Эти, вещества; выступаюткак звенья годной; цепи, приводящей к связьіваниютяжельгхметалловїклетками дрожжей. .
Результаты исследования»показали; что1 доля,сорбции ,приходящаясянаї механизм; «пассивной» метаболизм-независимой сорбции для: живых дрожжей принимает некоторое конечное значение..Неэффективность может быть, выражена? в- процентах:. ЭтоІ значение1 для. исследуемых штаммов дрожжей приблизительно равно;, для меди?( 25 %), никеля ( 27 %) ищинка( 22 %). В таком случае на.долю;«активной» метаболизм-зависимой сорбции1.прихо-. дятся гораздо болыниезначения; которые в. числовом; выражении могут быть представлены :Ввиде;эффективности метаболизм-зависимой сорбцииїдля ме-.: ди(от40 до.58;%), длявникеля;(от40гдо?61 ,%) идлящинка: (от 55-до 78%);- Таким образом; установлено, что:преобладающим: механизмом у живых.культур дрожжей является «активная» метаболизм-зависимая сорбция; неотъемлемосвязанная спроцессомдетоксикации тяжелыхметаллов дрожжами:
Известно, что различные микроорганизмы обладают в той или иной степени способностью сорбировать тяжелые металлы. Однако существующие данные, характеризующие эту способность, разрозненны и противоречивы. Актуальность данной проблемы явилась основанием для проведения исследования сорбционной способности дрожжей на модельных средах, состоящих из 13-ти процентного пивоваренного сусла с добавками солей тяжелых металлов (сульфат меди, сульфат никеля и хлорид цинка).
В эксперименте использовали дрожжи SCI, SC2, SC3 и смесь-штаммов MIX, состоящую из штаммов SC1 - 50%, SC2- 20% и SC3 - 30%. Смесь штаммов МЕХ в таком процентном соотношении соответствует продукту утилизации дрожжей после окончания производственного цикла на пивоваренном заводе. Использование таких отходов для удаления тяжелых метагг--лов из производственных сточных вод может иметь большое экологическое и экономическое значение, что явилось основанием для их использования в наших исследованиях.
Исследования показали, что наилучшая эффективность сорбции хлорида цинка наблюдалась у дрожжей SCI, SC3 и смеси штаммов MIX. Штаммы дрожжей SC2 при равных условиях сорбировали хлорид цинка менее активно.
Следует отметить, что наиболее эффективно сорбция хлорида цинка происходит при его содержании в модельном растворе до 1600 мг/дм3, что соответствует эффективности сорбции более 50% (рис. 8). Для дрожжей штамма SC2 оптимальная эффективность сорбции хлорида цинка ограничивалась концентрацией 600 мг/дм3. Зависимость между концентрацией цинка в среде и его конечной концентрацией после обработки среды дрожжами была изучена с помощью корреляционного анализа. При этом значение коэффициента корреляции (г) составило 0,9836.
Оборудование, материалы и культуры
Проведенные нами исследования полностью подтвердили наши предположения о высокой сорбционной эффективности дрожжевой культуры (Saccharomyces cerevisiae) в отношении катионов тяжелых металлов. Причем дрожжи проявляли высокую сорбционную эффективность, как в модельных средах, так и в промышленных сточных водах с повышенным содержанием тяжелых металлов.
В ходе экспериментальных исследований нами изучены культуры дрожжей, эффективно осуществляющих процесс биологической очистки сточных вод от тяжелых металлов. Были выявлены оптимальные условия среды, повышающие эффективность сорбции, также установлено оптимальное время экспозиции. При различных условиях эффективность сорбции дрожжевых культур составляла от 65% до 99%. На основании этих исследований выявлены наиболее эффективные культуры дрожжей и их ассоциаты, участвующие в процессе очистки сточных вод от тяжелых металлов.
Позитивным обстоятельством является то, что наряду с отдельными культурами дрожжей нами использовались их ассоциации. При этом ассоциации дрожжей по своим биосорбционным характеристикам в отношении тяжелых металлов не уступали отдельным культурам, имеющим высокую эффективность сорбции. Использование ассоциаций было продиктовано тем, что с предприятий, имеющих бродильное производство, дрожжевые отходы утилизируются в виде дрожжевой ассоциации, то есть смеси культур.
Результаты проведенных исследований показывают, что разработанный нами технологический регламент «Выполнение работ по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием дрожжевой культуры Saccharomyces cerevisiae» применим в двух направлениях.
Во-первых, принимая во внимание все расширяющиеся работы в мире по привлечению микроорганизмов в качестве биосорбентов тяжелых металлов, результаты наших исследований могут реализоваться при очистке сточных вод от повышенного содержания тяжелых металлов. Следствием этой очистки сточных вод станет вода свободная от ионов тяжелых металлов, которая может быть применена для повторного технологического использования.
Вторым направлением является реализация отработанных дрожжей в качестве биосорбента с последующей их утилизацией в строительстве, после очистки ими производственных сточных вод от тяжелых металлов.
Можно предположить, в частности, возможность реализации данного технологического регламента на территории среднерусского областного центра. В этом отношении город Калуга является репрезентативным городом средней России по многим характеристикам, в том числе по наличию предприятий, имеющих гальванические цеха, которые являются источником сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов. Также на территории Калуги существует ряд предприятий пищевой промышленности, специализирующихся на бродильном производстве. При этом утилизация отработанных дрожжей осуществляется путем их вывоза на полигоны.
Для Калуги и Калужской области на предприятиях, имеющих в своем составе гальванические цеха, в основном используются физико-химические методы очистки сточных вод от тяжелых металлов. При этом очищенные таким образом сточные воды не всегда отвечают требованиям экологической безопасности и экологической эффективности. Внедрение биологических методов, в частности, разработанного нами технологического регламента по биологической очистке сточных вод от тяжелых металлов, представляется перспективным для решения ряда экологических проблем.
Можно предположить, что технологический регламент по тем же причинам применим для извлечения драгоценных металлов из сточных вод предприятий; связанных с получением и обработкой драгоценных металлов.
Проведенные нами аналитические исследования позволили прийти к заключению о целесообразности использования-разработанного технологического регламента по очистке сточных вод от тяжелых металлов, без необходимости использования механических мешалок. При использовании конвек ционной системы перемешивания (основанной на градиенте температур) происходит не только оптимизация биотехнологического процесса, очистки, но и достигается экономия энергии, поскольку использование электромеханических мешалок связано с потреблением элетроэнергии.
Другим, важным в экономическом плане преимуществом является отказ от использования предварительной физико-химической подготовки сточных вод. Разработанный технологический регламент для биологической очистки сточных вод от тяжелых металлов полностью удовлетворяет поставленным целям и задачам работы. Результаты.наших экспериментов; и проведенная нами предварительная; апробация показали эффективность данного технологического регламента. При этом процент извлечения? тяжелых металлов из сточных вод составлял от 88 до 99%, в течение 24. часов. Разработанный нами технологический регламент по биологической очистке является универсальным и может быть использован: для очисткиг сточных вод от широкого-спектра катионов тяжелых металлов
Следует отметить, что технологический регламент предполагает/использование небольшого количества единиц оборудования и их составных частей, а также доступен для большинства предприятий и. сравнительно дешев,, кроме; того не требует больших трудозатрат в процессе подготовки к использованию. При этом: не требует привлечения- высококвалифицированных специалистов на стадии функционирования. .
