Карабинцева Фармацевтическая технология методички / Экологическая биотехнология

3 ОСОБЕННОСТИ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

К тяжелым металлам относят более 40 металлов с атомной массой свыше 50 атомных единиц. Практически все элементы, относящиеся к группе тяжелых металлов, являются биологически активными. Такие металлы, как Mn, Ni, Сu, Сr, Со, V, Zn, Fe и Мо, входят в состав ферментов или их активаторов и необходимы для жизнедеятельности организмов. Однако эти металлы необходимы в весьма незначительных (следовых) количествах, а при более высоких концентрациях становятся токсичными и канцерогенными. Попадая в живой организм, многие из них склонны к накоплению (аккумуляции), проявляя при этом как синергизм, так и антагонизм совместного воздействия (табл. 2).

Таблица 2

Особенности воздействия тяжелых металлов на клеточные системы

42

Источниками поступления тяжелых металлов могут быть факторы природного (выветривание горных пород и минералов, эрозионныепроцессы,вулканическаядеятельность)итехногенногопроисхождения (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние транспорта, сельского хозяйства). Часть техногенных выбросов, поступающих в окружающую среду в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть поступает в бессточные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются и становятся источником вторичного загрязнения.

Токсичность и биодоступность металла зависят от реакционной способности и растворимости, т. е. химической формы элемента. Форма каждого элемента связана с его степенью окисления и физическим состоянием (находится металл в свободном состоянии или включается в состав комплексов, неорганических или органических частиц, минералов, конкреций и т. п.). Повышение концентрации тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнения, например, с закислением. Выпадение кислотных осадковспособствуетснижениюзначениярНипереходуметалловизсорбированного на минеральных и органических веществах состояния в свободное. Возможны одновременно несколько путей распределения металла при попадании в экосистемы (рис. 8).

Клетки микроорганизмов способны концентрировать значительные количества металлов из среды, независимо от того, имеют ли эти металлыфизиологическоезначениеилиихучастиевметаболических процессах не установлено. Практически во всех случаях микробная биомасса может удерживать более или менее значительные количества ионов металлов путем «пассивной» сорбции и/или комплексообразования. Такой тип взаимодействия получил название биосорбцияи характерен как для живых, так и для мертвых клеток. Наиболее полно поглощаемыми микробиотой металлами из водной фазы являются Zn, Sr, далее Ni, Cu, Pb, Co, Cd. Физиологическое взаимодействие микроорганизмов с ионами металлов может протекать по одному из нескольких механизмов: физической или химической адсорбции, пассивной или энергозависимой аккумуляции клеткой, детоксикации металла при протекании окислительно-восстановительных реакций, внеклеточному осаждению с продуктами метаболизма или кластеризации.

43

Рис. 8. Формы распределения металлов в экосистемах

Механизмами, с помощью которых ионы металлов связываются с поверхностью клетки, наиболее часто выступают электростатическое притяжение, ван-дер-ваальсовые силы, ковалентное связывание, восстановительное взаимодействие, внеклеточное осаждение или некоторые комбинации этих факторов. Физическая адсорбция ионов металлов на поверхности клетки, являющаяся обратимым процессом, протекает гораздо быстрее, чем энергозависимая внутриклеточная аккумуляция. Химическая адсорбция ионов металлов на поверхности клетки происходит посредством их связывания с отрицательно заряженными группами анионов (PО43–, COO–, HS–, OH–). При адсорбции ионов тяжелых металлов в водной среде наибольшей адсорбционной емкостью обладают грамположительные бактерии по сравнению с грамотрицательными. Адсорбция ионов на поверхности клетки зависит от фазы роста микроорганизмов: наибольшая степень биосорбции наблюдается в логарифмической фазе роста, что частично обусловлено созреванием пептидогликанового слоя.

Адсорбция происходит быстро, обратимо, не зависит от температуры и энергетического метаболизма. Например, грибы и дрожжи адсорбируют уран из сточных вод в таком количестве, что он может составлять от 10 до 18,5 % от массы сухой биомассы соответственно,

44

что в 2 раза больше, чем поглощение урана ионообменными смолами в промышленности.

Технологии осаждения и удаления тяжелых металлов из промышленных стоков биоаккумуляцией — более эффективный и дешевый способ удаления токсичных металлов из окружающей среды по сравнению с физико-химическими методами. Например, механизм биоаккумуляции и детоксикации Cd2+, выявленный у цианобактерии Nostoc muscorum, обеспечивает биосинтез наночастиц CdS, которые возможно использовать впоследствии в качестве неорганического полупроводника, при этом в клетках Nostoc muscorum происходит ускоренный синтез и выделение во внешнюю среду полисахаридов измененной первичной структуры для дистанционной детоксикации ионов кадмия, трансформирование Cd в менее токсичные частицы и кристаллиты CdS и Cd0 в слизистой капсуле при участии бактерийспутников (Stenotrophomonas maltophilia), а также в клетках при помощи фикобилиновых пигментов (образование Cd-пигментных комплексов) и специфического металлсвязывающего белка (металлотионеина), синтез которого индуцируют ионы кадмия.

Многиемикроорганизмыспособныксинтезуметаллотионинов— специфических белков, обезвреживающих токсические ионы металлов. Например, у цианобактерий Anacystis nigulans выявлен ванадийтионин, специфически связывающий ионы ванадия. Цианобактерии

Lyngbya spiralis, Tolypothrix tenuis, Stigonema sp., Phormidium molle

способны к поглощению 93–96 % ртути, содержащейся в растворе. В результате деятельности сульфатвосстанавливающих бакте-

рий (Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfomonas, Desulfobacter, Desulfobulbus,Desulfococcus,Desulfosarcina,Desulfonema)изсточных вод осаждаются сульфиды кобальта, никеля, кадмия, железа, свинца, цинка и др. Осаждать сульфиды металлов способны не только облигатные сульфатредукторы, но и микроорганизмы, использующие менее окисленные соединения серы в дыхательной цепи, селекци-

онированные штаммы бактерий Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas putida, Pseudomonas mendocina, обладающие способностью к сульфатредукции. В результате их деятельности хорошо растворимые токсичные cульфаты восстанавливаются до практически нерастворимых, выпадающих в осадок форм. При обработке стоков химикофотографическойпромышленностисульфатвосстанавливающиебактерии в анаэробных условиях обеспечивают полное извлечение ионовсеребрасодновременнойочисткойоторганическихсоединений.

45

Один из способов очистки сточных вод от тяжелых металлов — использование накопительных культур сульфатвосстанавливающих бактерий, иммобилизованных на сетчатой стеклоткани (в качестве носителя), последовательно обработанной 0,2–0,5% ПАВ (НПАВ) и раствором 0,05–10% карбоксиметилцеллюлозы. Предварительная обработка носителя позволяет осуществить эффективное закрепление на нем бактериальных клеток, активизировать прирост клеток в анаэробных условиях и тем самым сократить время наращивания биомассы. Кроме того, сульфатвосстанавливающие бактерии в иммобилизованном состоянии проявляют повышенную устойчивость против высоких доз медно-аммиачных комплексов и ионов тяжелых металлов. Способ осуществляется на установке, состоящей из смесителя стоков, биотенка и отстойника.

Известен способ биохимической очистки сточных вод от соединений Cr6+ путем преобразования его до Cr3+ с помощью активного ила, содержащего штаммы микроорганизмов Bacterium dechromaticans,

Pseudomonas dechromaticans, Pseudomonas chromatophila, Aeromonas dechromatica sp. nova.

Отходы производства промышленности очищают от тяжелых металлов также с помощью дрожжей Saccharomyces carlsbergensis, сорбированных на фильтр-картоне. Эффективность очистки составляет для ионов меди за 3–4 ч контакта 99,8–100 %, для ионов серебра за 2–4чконтакта—99–100%,дляионовхромаза94чконтакта—95%.

На основе плодовых тел грибов, вызывающих гниение древесины, были получены адсорбенты, используемые затем для извлечения металлов, в частности меди. Биосорбент из Ganoderma lucidum (рис. 9) был использован в биореакторе для обработки стоков, содержащих редкоземельные элементы. Адсорбция металлов на данном биосорбенте является следствием химических взаимодействий с клеточной стенкой гриба, которая представляет собой набор биополимеров, в том числе и хитина.

Для извлечения металлов из растворов могут быть использованы представители различных таксономических групп. Так, клетки бактерии Thiobacillus ferrooxidans извлекают из раствора ионы

Cd2+, Co2+, Cu2+, Cr6+, Fe3+, Ni2+,Ag+,Au3+; цианобактерии — Cd2+,Au3+, клетки Chlorеlla vulgaris — Cd2+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Sr2+, Mo2+; дрожжи

Candida lipolytica, Candida utilis, Rhodotorula mucilaginosa — Cd2+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+; мицеллиальные грибы Aspergillus flavus — Co2+, Ra2+, Cr6+, Ni2+. Предпочтительную сорбцию Pb2+ осуществляют ми-

46

кромицеты Rhizopus oryzae, Aspergillus niger, некоторые представи-

тели Penicillium.

Способность микроорганизмов переводить металлы из рудных минералов в растворенное состояние лежит в основе получения железа из пирита, меди из халькоцинита, урана из уранита. Окисление сульфидов металлов при этом осуществляют тионовые бактерии, ведущую роль занимает вид Thiobacillus ferrooxidans, окисляющий не только железосодержащие минералы (пирит FeS2, арсенопирит FeAsS, халькопирит СuFe2), но и многие другие сульфиды (сфалерит ZnS, халькозин Cu2S, ковеллин CuS). Микробиологическое выщелачивание тяжелых металлов осуществляется также и путем вос-

становления представителями Bacillus polymixa, Bacillus circulans, Pseudomonas sp. ионов Fe3+ до Fe2+, Mn4+ до Mn2+.

Рис. 9. Культивирование гриба Ganoderma lucidum (фотография предоставлена Т. В. Тепляковой)

Метод получения металлов из руд или концентратов бактериальным окислением сульфидных минералов имеет ряд преимуществ:

•отличается гибкостью и может быть применен для переработки как различных минералов, так и их смесей;

•способыегореализациимогутварьироватьотпростогофильтрования сквозь неподвижный слой до выщелачивания в реакторе с мешалкой;

•не требует высоких рабочих температур и давлений;

•является самоподдерживающимся;

•все жидкие стоки образуются в виде водных растворов и могут быть легко нейтрализованы;

•не образуется вредных газообразных побочных продуктов.

47

Выщелачивание куч и отвалов заключается в извлечении металлов из отходов горнодобывающей промышленности или побочных руд, которые либо слишком бедны для того, чтобы их переработка обычными методами была выгодна, либо слишком сложны по составу, чтобы из них можно было получить концентрат для плавки. Выщелачивание куч позволяет извлечь металлы из руд за несколько месяцев, в то время как для извлечения такого же количества металла при переработке металлсодержащих отходов (бедных отвалов) могут понадобиться годы.

Бактериальное выщелачивание куч применяется во многих странах для извлечения меди, особенно там, где исходная сульфидная группа перерабатываемых руд частично окислена. Как отвалы, так и кучи образованы из измельченной руды, уложенной на водонепроницаемое наклонное основание для того, чтобы обеспечить сбор раствора, профильтровавшегося сквозь слой руды, и избегнуть потерь за счет его просачивания до грунтовых вод. Выщелачивающая жидкость в виде кислого, содержащего бактерии раствора сульфата железа (III) подается насосами на верх кучи руды и просачивается сквозь нее. Эти растворы применяют в виде налива, распыления и инжекции. Распыление часто осуществляется с помощью перфорированных пластмассовых труб, уложенных поверх кучи руды, при этом достигаются лучшая аэрация и более равномерное смачивание поверхности отвала или кучи. Богатые металлом растворы, выходящие из отвалов, направляются для сбора в пруды для перекачки на перерабатывающее предприятие, где искомый металл может быть извлечен. Металл извлекают осаждением, ионным обменом, экстракцией растворителем и другими способами. Отработанные выщелачивающие растворы, содержащие в основном растворенное железо, либо перекачиваются в окислительные пруды для регенерации, либо возвращаются в кучи или отвалы.

При микробиологическом способе извлечения железа из водного раствора растворенное в воде железо Fe2+ окисляется до Fe3+ при помощи бактериальных клеток Toxothrix, Gallionella, Leptothrix,

Siderocapsa spp., иммобилизованных в непрерывном режиме. При прохождении воды через слой носителя содержащееся в ней железо Fe2+ под воздействием бактерий превращается в нерастворимые соединения Fe3+, которые выносятся наружу. Предлагаемый способ позволяет в непрерывном режиме и с высокой эффективностью обрабатывать большие объемы воды.

48

Процесс окисления Fe2+ в Fe3+ был использован в способе биологической очистки сточных вод от мышьяка железобактериями Leptothrix, Galionella для осаждения мышьяка из стоков обогатительных фабрик. Роль микроорганизмов в этом способе косвенная, так какспособоснованнаокислениижелезобактериямиFe2+ доFe3+ ихимическим осаждением последним мышьяка.

В настоящее время применяется селективное извлечение благородных металлов биомассой микроорганизмов. Аккумуляция и перекристаллизация золота выявлена у Bacillus subtilis, Bacillus cereus, Pseudomonas alcaligenes, Micrococcus luteus, Pedomicrobium manganicum, микромицетов Penicillium aurantiogriseum и других ми-

кроорганизмов. Так, биомасса Penicillium chrysogenum из гетерогенного раствора сорбирует ряд металлов (предпочительное осаждение биомассой):Au >Ag > Fe > Pb > Cu > Co > Ni > Mn > Zn. В подобных экспериментахPenicilliumpaxilliосуществляетсорбциювследующей сходной убывающей последовательности: Au > Ag > Fe > Pb > Cu > > Co > Zn > Mn > Ni. На долю благородных металлов (золота и серебра) приходится 54 % от общей емкости биосорбентов, 18 % принадлежит железу.

Механизм аккумуляции благородных металлов микромицетами включает в себя несколько этапов: быстрый процесс биосорбции металлов на клеточной стенке за счет образования координационных связей металлов с функциональными группами структурных компонентов клеточной стенки; конденсация золота на центрах кристаллизации, в результате чего формируются ажурные, сетчатые структуры золота, происходит литификация мицеллиальных биоформ; кристаллизация золота, в результате чего освобождаются новообразованные рыхлые агрегаты биогенного золота от биофильных элементов (N, P, S).

Биосорбция радионуклидов показана для одноклеточных зеленых водорослей Scenedesmus quadricauda (99Tc и 238U), бактерий

Pseudomonas (Р.) fluorescens, P. aeruginosa и P. grimontii (238Pu, 237Np,

233U, 241Am, 90Sr). Бактерии рода Shewanella и сульфатредуцирующие бактерии способны к восстановлению 233U и 237Np, что свидетельствует о возможном их участии в осаждении и концентрировании радионуклидов. Известен способ очистки жидкостей от 238U, 90Sr, 137Cs, 239Pu, включающий использование в качестве сорбента биомассу гри-

бов Rhizopus oryzae.

49

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА 4 ПРОМЫШЛЕННЫХ И ПРИРОДНЫХ

ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОДНЫХ СРЕД

4.1. Основные технологические схемы биологической очистки

Загрязненные (сточные) воды представляют собой различные по происхождению, составу и физико-химическим свойствам воды, которые использовались человеком для бытовых и технологических нужд. Загрязнения сточных вод подразделяются на органические, минеральные, биологические (рис. 10) .

Загрязнения сточных вод

Рис. 10. Загрязнения сточных вод

Компоненты,входящиевсоставсточныхвод,способныоказывать существенное влияние на экосистемы и жизнедеятельность человека (табл. 3). Среди методов очистки сточных вод выделяют механические, физико-химические и биологические (рис. 11). В результате очистки сточных вод образуются осадки, подвергаемые обеззараживанию, обезвоживанию, сушке, возможна их последующая утилиза-

50