Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение закономерностей
взаимодействия микроорганизмов с металлами важно как для понимания процессов миграции металлов в окружающей среде, так и в связи с разработкой биотехнологических методов очистки сточных вод и извлечения ценных элементов из промышленных растворов.
Известно, что способность концентрировать химические элементы свойственна всем живым организмам. На концентрационную функцию живого вещества как на важнейшую часть его геохимической деятельности указывал В.И. Вернадский.
Достаточно подробно изучена способность микроорганизмов накапливать металлы в клетках за счет процессов транспорта, а также механизмы устойчивости микроорганизмов к тяжелым металлам. Однако способность клеток микроорганизмов к взаимодействию с металлами за счет сорбционных процессов долгое время не находила должного внимания. Такие исследования начали активно проводиться с 80 гг. в связи с поиском альтернативных технологий очистки сточных вод от токсичных металлов и радионуклидов. Эти работы обычно носили выраженную технологическую направленность, оставляя механизмы лежащие в основе этих процессов за рамками исследований.
Целью работы было изучение закономерностей сорбции различных групп металлов клетками микроорганизмов.
Основные задачи исследования:
-
Изучить влияние физико-химических факторов на сорбцию различных металлов микроорганизмами.
-
Изучить влияние физиологического состояния культуры микроорганизмов на сорбцию металлов.
-
Изучить влияние элементного состава клеток микроорганизмов на сорбцию металлов.
-
Выявить локализацию сорбированных металлов в клетках микроорганизмов.
-
Изучить возможность биосорбционного извлечения ценных элементов из промышленных растворов сложного состава и очистки сточных вод с помощью сорбентов на основе микробных биомасс.
Научная новизна. Изучены закономерности сорбции клетками и биомассой микроорганизмов следующих групи элементов: металлов, образующих анионы (Cr(VI), Mo(Vl), W(VI), металлов, обладающих высоким (более 700 мВ) электродным потенциалом (Ag, Нд, Аи), катионов переходных металлов Zn, Cd, Ni, а также редкоземельных элементов (Sc, Y, La, Sm), железа и алюминия.
Впервые дана количественная оценка сорбционной способности широкого круга микроорганизмов различных систематических груші. Обнаружены различия в сорбционной способности не только между различными видами и штаммами микроорганизмов, но и между отдельными клетками популяции. Причем различия в сорбционной емкости отдельных клеток популяции во много раз превышли межвидовые различия.
Установлено, что механизм биосорбции металлов и их локализация в клетках микроорганизмов зависит от формы нахождения попов металлов в растворе, проницаемости цитоплазматическои мембраны и элементного состава клеток. Биосорбция металлов клетками микроорганизмов с неповрежденной ЦПМ осуществляется их поверхностными структурами и в значительной мере определяется значением рН раствора. Сорбируемость катионов металлов увеличивается с ростом рН и степени их гидролизованности. Биосорбция анионов (VI) молибдена, вольфрама и хрома происходит только из кислых растворов.
Показано, что сорбция таких металлов, как серебро, золото и ртуть, а также шестивалентных молибдена, вольфрама и хрома сопровождается повреждением ЦПМ клеток микроорганизмов. Поэтому их аккумуляция происходит как на поверхности клеток микроорганизмов, так и внутриклеточно.
Установлено, что количество внутриклеточно сорбированных РЗЭ , Fe и AJ определяется содержанием фосфора, а количество серебра, ртути и золота - содержанием серы в клетках микроорганизмов дрожжей. Таким образом, элементный состав клеток микроорганизмов может служить показателем их сорбционной способности.
Установлено, что биосорбция молибдена и вольфрама является сложным процессом, включающим сорбцию как их катионных, так и анионных форм, в случае молибдена также происходит его частичное восстановление до пятивалентного состояния.
Проведенные исследования показали, что связывание серебра, золота и ртути клетками микроорганизмов происходит за счет
сиячиплння металлов сульфгидрим.ными группами, а также, восстановления сорбированных мета\лов ло элементного состояния. При этом трансформация серебра сопровождается высвобождением активных центров связывания.
Практическое значение исследований. Разработаны способы
получения биосорбептов, пригодных для использования в промышленности, а также принципы их применения для извлечения цепных элементов из производственных растворов сложного состава и очистки сточных под от токсичных металлов.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на 5-м Европейском бнотехнологическом конгрессе (Дания, 1990), на 4-м Международном симпозиуме «Биотехнологическая переработка топлива» (Италия, 1993), на конференции "Очистка промышленных сточных вод и в одо подготовка» (С-Петербург, 1992), в лекции «Биосорбция цветных и благородных металлов» на международных учебных курсах ІОНПП «Пиогеометаллургия», Москва, 1991 г. Материалы диссертации представлялись на международных научно-технических выставках в России, Германии, ЮАР, Иране в 1995-1997 гг.
Публикации. По материалам опубликовано 10 работ, в том числе 2 патента.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, выводов и списка литературы, включающего 254 наименований работ. Содержание работы изложено на 172 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы и 55 рисунков.