Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

.pdf
Скачиваний:
1185
Добавлен:
13.09.2020
Размер:
28.82 Mб
Скачать

Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов

141

Окончание таблицы 8.1.

Ag

0,05

санитарно-токсико-

 

 

 

 

 

логич.

 

 

 

Mn (Mn2+)

0,1*

органолептический

0,01

токсикологический

1500

Fe

0,3

органолептический

0,1

–– ll ––

 

Al

0,5

санитарно-токсико-

 

 

 

 

 

логич.

 

 

 

Sn

2,0

санитарно-токсико-

 

 

 

 

 

логич.

 

 

 

Zn (Zn2+)

5,0

органолептический

0,01

токсикологический

85

 

 

 

 

 

 

* По постановлению органов санэпиднадзора для конкретной системы водоснабжения содержание марганца может доходить до 0,5 мг/л, железа до 1,0 мг/л.

** Сверх фона.

Опасность тяжелых металлов обусловлена их способностью к биоаккумуляции и концентрированию при движении по трофической цепи. Тяжелые металлы нельзя разрушить или преобразовать в ходе химических процессов. Кроме того, удаление тяжелых металлов из организма затруднено, поскольку они прочно связываются с белками и другими компонентами клеточных структур. Металлы, поступающие в окружающую среду, концентрируются в гумусосодержащем слое почвы, в донных осадках водоемов, в кормах и продуктах. Высокие концентрации тяжелых металлов в природных средах оказывают токсичное действие на животных и растения, что приводит к подавлению развития биоты, снижению биологического разнообразия и продуктивности экосистем. Действие тяжелых металлов на организм человека не только токсическое, но может приводить и к онкологическим заболеваниям. В табл. 8.1 приведены российские нормативы ПДК некоторых металлов для воды и почвы.

Проблема загрязнения радионуклидами окружающей среды возникла при проведении ядерных испытаний и освоении атомной энергии. В настоящее время она стала одной из приоритетных в связи с эксплуатацией атомных электростанций, захоронением и переработкой топливно-ядерных отходов, а также с ликвидацией последствий аварий ядерных реакторов. Добыча, перереботка и использование ядерного топлива приводят к поступлению в окружающую среду урана и трансурановых элементов Pu, Am, Cm, Np, участвующих в ядерном топливном цикле, и радиоактивных продуктов их распада. Однако б'ольшая часть радионуклидов, привносимых в окружающую среду с техногенными потоками, не связана с производством и переработкой ядерного топлива. Наиболее существенная доля радионуклидов поступает в результате добычи и сжигания природного ископаемого топлива: угля, нефти, газа. В 1 т угля в среднем содержится 1,3 г природного 238U и 3,2 г 232Th, а также радиоактивный изотоп углерода 14С. Поэтому радиационное загрязнение в зоне тепловой станции, работающей на угле, значительно превышает фон естественной радиации. Эффективный дозовый эквивалент от угольных ТЭС в 100 раз больше, чем от АЭС. Зола ТЭС,

142

Глава 8

образующаяся в процессе сжигания угля, обогащена радионуклидами, которые поступают в приземный слой атмосферы, почву, водоемы вместе с летучей золой и другими продуктами сгорания.

Естественный радон, проникающий в природный газ еще под землей, и долгоживущие продукты его распада (210Pb, 210Bi, 210Po) при длительном сжигании попутного газа также являются источником опасности, особенно на нефтяных и газовых промыслах. В наиболее загрязненных местах мощность -излучения достигает 3000 мкР/ч, фоновое же значение у поверхности земли составляет 10–20 мкР/ч.

Из радионуклидов наиболее существенными загрязнениями являются долгоживущие изотопы 90Sr, 137Cs, 106Ru, 144Ce, особенно же 90Sr и 137Cs. Они имеют высокий выход при ядерном делении, большой период полураспада и по химическим свойствам близки к жизненно важным биогенным элементам Ca и K. 90Sr, имея химическое сродство с Ca, способен откладываться в костных тканях животных и человека. На 1000 атомов кальция, участвующих в биогеохимическом цикле в природе, приходится 2,4 атома стронция.

Специфика действия радионуклидов обусловлена радиоактивным излучением. По химическим свойствам они не отличаются от аналогичных нерадиоактивных элементов, легко проникая в живые организмы, встраиваясь в пищевые цепи и концентрируясь, как и нерадиоактивные тяжелые металлы, в организмах при движении по пищевым цепям. При попадании радиоактивных элементов даже в очень ограниченном количестве вместе с пылью и аэрозолями в легкие человека повышается риск онкологических заболеваний.

8.2.Очистка водных сред

Водные среды и условия их формирования играют определяющую роль в миграции, распространении тяжелых металлов и радионуклидов в природе. Металлы мигрируют в виде ионов и растворимых комплексов металлов, их форм, связанных с растворенным органическим или взвешенным неорганическим и органическим веществом. Связывание металлов взвесями осуществляется в основном микропланктоном и отмершими остатками микроорганизмов, удельная поверхность которых выше и содержит больше разнообразных активных групп с высоким сродством к металлам. Поверхности взвешенных частиц могут связывать значительное количество металлов даже в присутствии органических хелатообразователей.

В гидросфере наибольшие концентрации металлов наблюдаются в поверхностной пленке, в пене, в придонном осадке и в биоте, в самой же воде концентрация их существенно ниже. Концентрация радиоизотопов в пене поверхностных вод может в тысячи раз превосходить их концентрацию в воде. В поверхностных водоемах вследствие отложения минеральных взвесей и отмершей биомассы живых организмов металлы накапливаются в донных осадках и иле. Так, при концентрации ртути в воде 0,1–3,6 мкг/л, концентрация ее в осадке достигает 80–800 мкг/л. Соотношения концентраций различ-

Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов

143

ных металлов, содержащихся в морской воде и планктоне может достигать: для кадмия – 1 : 1000, кобальта – 1 : 5000, меди – 1 : 7000, железа – 1 : 90000, свинца – 1 : 40000, марганца – 1 : 10000, титана – 1 : 20000, цинка – 1 : 65000, редких металлов – 1 : 10000. В пресноводных водоемах наибольшие коэффициенты накопления, достигающие величин 100–40000, наблюдаются в бентосных организмах, раковинах моллюсков, хитиновых панцирях ракообразных и скелетах позвоночных. В большом количестве накапливаются радионуклиды 60Co, 65Zn, 90Sr, 91Y, 106Ru, 137Ca, редкоземельные элементы и их радиоактивные изотопы (144Ce, 147Pm). В микроорганизмах коэффициенты накопления таких тяжелых металлов, как Mn, Pb, Cd, могут составлять 10–5000, редких и редкоземельных металлов – 1000–10000, урана и трансурановых элементов – 500–40000, As, Te, Se – 10–500.

Наибольшее число методов разработано для удаления тяжелых металлов и радионуклидов из сточных вод. Из небиологических методов наиболее часто используют сорбцию (ионообменными смолами, неорганическими сорбентами: цеолитами, глинистыми минералами, магнетитом, гематитом и др.), реагентную обработку, осаждение, фильтрацию, флотацию и электрофлотацию, электролиз, электрокоагуляцию, электродиализ.

Биологические методы пригодны, в первую очередь, для очистки воды, содержащей низкие концентрации металлов. Очистка такой воды относительно проста в исполнении и менее затратна, особенно при большом объеме загрязненной воды. Радионуклиды также эффективно удаляются биологическими методами. Это обусловлено тем, что содержание радионуклидов в сточных водах, в различных жидких радиоактивных отходах с низкой и средней активностью обычно на несколько порядков ниже, чем тяжелых металлов. При использовании такого метода, как биосорбционный, не возникает сложностей с компактированием отработанных биологических сорбентов, т. е. максимальным снижением объемов радиоактивных отходов с целью их последующего захоронения. Затраты на биологическое удаление радионуклидов по сравнению с удалением химическим осаждением или ионным обменом ниже на 10–40%.

Из биометодов для удаления тяжелых металлов и радиоактивных продуктов из загрязненной воды используются:

микробиологическое осаждение в виде сульфидов при протекании сульфатредукции;

осаждение в виде карбонатов;

осаждение гидроксидов и оксидов железа и марганца в присутствии железо- и марганецокисляющих бактерий;

микробиологическое осаждение мышьяка;

микробиологическое восстановление металлов (хрома и др.);

перевод металлов в летучую форму;

сорбция металлов клетками микроорганизмов (бактерий, дрожжей, мицелиальных грибов), одноклеточными водорослями, биосорбентами различного происхождения; ризофильтрация (см. разд. 5.4.7).

144

Глава 8

Микробиологическая сульфатредукция протекает в анаэробных условиях и приводит к образованию сероводорода из сульфат-ионов и осаждению тяжелых металлов в виде сульфидов. Осаждение сульфидов может происходить вне клеток микроорганизмов, в клетках или на поверхности клеток при pH от 3,0 до 9,0, предпочтительно при pH 7,0–8,0. Сульфатредукция может быть проведена в отстойниках, лагунах, биопрудах, анаэробных реакторах.

Анаэробные биореакторы позволяют проводить сульфатредукцию в контролируемых условиях с большой интенсивностью – до 0,4–0,6 м3 сточной воды в час на 1 м3 объема реактора. Реализация процесса возможна по одностадийной

идвухстадийной схеме (рис. 8.1). В двухстадийном процессе сероводород нарабатывается в отдельном биореакторе сульфатредуцирующей микрофлорой при наличии в среде сульфатов и органоминерального субстрата, в качестве которого используются, например, органические отходы. Для интенсификации процесса в реактор могут быть добавлены сульфатредуцирующие бактерии (рр.

Desulfolobus, Desulfomonas, Desulfotomaculum, смешанные культуры сульфатредукторов с бактериями Citrobacter freundii и др.). Образовавшийся сероводород направляется в реактор второй ступени для осаждения металлов, где контактирует со сточной водой. Непрореагировавший сероводород циркулирует по замкнутому газовому контуру. Очищенная вода отделяется от нерастворимых сульфидов

иактивного ила, например, фильтрацией через фильтр с подходящим размером пор. Для удаления из очищенной воды остаточного сероводорода проводится кратковременная биологическая доочистка стока с 0,5–2,0 мг/л до следовых

концентраций H2S. Отработанные газы направляются в адсорбер, заполненный щелочным раствором, или на биофильтр для поглощения остаточного сероводорода и далее в атмосферу. Активный ил, обогащенный сульфидами тяжелых металлов, можно сжечь, а остаток после сжигания передать на захоронение.

Осаждение в виде карбонатов может использоваться для удаления 90Sr. Sr CO3 осаждается совместно с CaCO3 в процессе жизнедеятельности водорослей при потреблении ими CO2 из воды в ходе фотосинтеза.

Для аэробной очистки воды от железа и марганца в реактор чаще всего с фильтрующей загрузкой высевают колонии бактерий (например, рр. Galionella, Clonothrix, Leptothrix, Metallogenium), окисляющих железо и марганец. Отмирающие бактерии образуют на зернах пористую массу, содержащую гидроксиды

иоксиды железа и марганца. В качестве зернистой загрузки может быть использован обычный или кварцевый песок, а также активированный уголь. Воду перед подачей на фильтр насыщают кислородом воздуха или смешивают с насыщенной кислородом водой. Установки этого метода очистки отличаются эффективностью и длительностью эксплуатации. При содержании Mn в исходной воде до 0,7 мг/л его остаточное количество после очистки не превышает 0,02 мг/л.

Микробиологическое осаждение мышьяка основано на окислении As(III) в As(V). Этот процесс протекает в аэробных условиях с участием бактерий Pseudomonas putida, Aeromonas dechromatica и др.

При микробиологическом восстановлении металлы переводятся из более окисленной формы в восстановленную, менее растворимую. В присутствии водорода в анаэробных условиях ионы металлов Ni2+, Pb2+, Pd2+, Pt2+, Ru3+ могут

Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов

145

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.1. Варианты удаления тяжелых металлов из загрязненной воды с помощью сульфатредукции

восстанавливаться до металлического состояния. Процесс катализирует фермент гидрогеназа. Гидрогеназа может катализировать протекание окислительновосстановительной реакции и в обратном направлении с окислением металлов и образованием водорода. Фототрофная бактерия Rhodospirillaceae sphaeroides в анаэробных фотогетеротрофных условиях роста восстанавливает теллурит TeO32– с образованием теллура. В восстановлении принимает участие связанная с мембранами ФАД-зависимая металлоксианионредуктаза, при этом происходит внутриклеточное осаждение элементарного теллура и значительное выделение водорода.

В хроматах и биохроматах Cr(VI) может быть восстановлен до Cr(III) сероводородом или органическими соединениями. Промышленное применение нашел биологический метод очистки сточных хромсодержащих вод, основанный на восстановлении Cr(VI) органическими веществами сточных вод с участием бактерий рр. Pseudomonas, Aeromonas и других, входящих в состав специфичной микрофлоры активного ила очистных сооружений. Восстановление протекает при pH 8–9 в отсутствие кислорода воздуха:

146

Глава 8

Cr(VI) Cr(III) Cr(OH)3/

01 2

При этом весь химически связанный кислород хроматов и бихроматов идет на окисление органических веществ, а шестивалентный хром переходит в трехвалентный. Для реализации процесса хромсодержащие сточные воды смешиваются с бытовыми стоками в соотношении, определяемом стехиометрией реакции восстановления Cr(VI). При концентрации шестивалентного хрома от 25 до 100 мг/л в отсутствие кислорода и при pH 8–9 содержание коллоидной Cr(OH)3 после биологического восстановления и отстаивания не превышает 22 мг/л по хрому. Полное восстановление Cr(VI) до Cr(III) наблюдается при избытке БПК над количеством связанного кислорода хроматов на 20–30 мг/л. Для снижения остаточного количества Cr(OH)3 в водной фазе вместо избытка органических веществ может использоваться химическое осаждение гашеной известью, что позволяет снизить концентрацию Cr(OH)3 в воде до 0,5 мг/л и ниже по хрому. Биологический процесс обеспечивает очистку сточных вод, содержащих Cr(VI) 20–200 мг/л, отработанных концентрированных электролитов и растворов, содержащих Cr(VI) до 250 мг/л. Снижается расход химических реагентов. При этом объем образующегося влажного осадка в 60 раз меньше, содержание гидроксида хрома в осадке в 50 раз больше, чем после реагентной очистки; эксплуатационные затраты снижаются в 5 раз.

Перевод элементов в летучую метилированную форму может быть использован для удаления и утилизации Hg, As, Te, Se из сточных вод. Например, микроскопические грибы способны эффективно восстанавливать As и Te, переводя их из раствора в газовую фазу. Низший гриб Penicillium chrysogenum способен адаптироваться к повышенным концентрациям теллура (0,5–7 г/л) и катионам, сопутствующим теллуру в промстоках переработки руд. Получены мутанты гриба, позволяющие в течение 9 сут перевести в летучую форму 93% теллура при концентрации Te 7,5 г/л. Метилированный теллур может быть затем извлечен из газовой фазы сорбентами.

В биосорбционных методах тяжелые металлы и радионуклиды адсорбируются на поверхности клеток микроорганизмов, а также включаются в отдельных случаях внутрь клеток. Сорбенты, полученные на основе клеток микроорганизмов, по эффективности сравнимы с техническими адсорбентами: ионообменными смолами, активными углями, традиционно использующимися для извлечения тяжелых металлов и радионуклидов. Селективность же первых может быть выше.

Многие бактерии (особенно актиномицеты), дрожжи, мицелиальные грибы, одноклеточные водоросли способны аккумулировать тяжелые металлы и радионуклиды в количестве, в тысячи и миллионы раз превышающем их физиологические потребности. Содержание тяжелых металлов может достигать 10–20% и более на единицу сухой массы микроорганизмов (см. табл. 8.2, 8.3). Коэффициенты накопления радиоизотопов клетками микроорганизмов могут составлять десятки тысяч.

Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов

147

Уровень накопления металлов микроорганизмами возрастает с повышением их содержания в окружающей среде. Металлы накапливаются в клетках до насыщающей концентрации, после чего при дальнейшем повышении их содержания в среде поглощение металлов клетками не увеличивается. Аккумуляция элементов может длиться от нескольких секунд до нескольких часов.

Металлы и радионуклиды сорбируются и живыми, и мертвыми клетками, при этом мертвая биомасса, как правило, обладает большей сорбционной способностью. Тяжелые металлы могут концентрироваться и внутри клеток, и на их поверхности.

Уровень накопления металлов и радионуклидов зависит от вида микроорганизмов, свойств металла и от механизма их поглощения. Возможно:

внеклеточное накопление металлов, как участвующих, так и не участвующих в метаболизме, в результате активного или пассивного связывания, либо осаждения на клеточной стенке или мембранах. Это процессы пассивной адсорбции на поверхности, ионный обмен, комплексообразование и хелатирование, осаждение. Последнее встречается при гидролизе сорбированных форм металлов, окислении или восстановлении металлов;

внутриклеточное накопление как необходимых для метаболизма металлов (Fe, Mg, Mo, Cu, Ni и др.), так и менее существенных (Co, Cd, Ag и др.) в результате активного транспорта ионов через мембрану, захвата частиц внеклеточными органеллами или экссудатами, поглощения частиц путем, подобным пиноцитозу, микропреципитации при гидролизе сорбированных форм металлов.

Простейшие и многоклеточные организмы могут поглощать твердые частицы соединений металлов (фагоцитоз) и вовлекать их в метаболические процессы.

Активный транспорт и поглощение частиц осуществляются только живыми клетками, адсорбция же и ионный обмен – в результате физико-химических процессов при взаимодействии как с живой, так и с мертвой клеткой либо клеточными компонентами. Активный транспорт подавляется при низких температурах, отсутствии источника энергии, ингибиторами метаболизма и разобщителями электрон-транспортной системы. Напротив, при взаимодействии с мертвой клеткой ингибиторы метаболизма не влияют на аккумуляцию металлов и радионуклидов, поглощаемых в этом случае пассивно.

Накопление Hg, Ag, U, Th, актинидов происходит в основном в результате адсорбции их на поверхности клеток.

Металлы Mn, Cu, Zn, Ni, Co, Sr, Pb, Cd, U, Pu транспортируются внутрь клеток микроорганизмов и адсорбируются на их поверхности.

Ионы Zn2+, Ni2+, Co2+, Sr2+, Cd2+, как правило, поступают в клетку с помощью системы активного транспорта Mg2+, а иногда систем транспорта Mn2+ и Ca2+. Поглощение Rb+ происходит при участии системы транспорта K+, Cs+ – посредством систем K+ и H+ – транспорта. У дрожжей CrO42– может поступать в клетки через пермеазные системы, переносящие сульфат и фосфат. Некоторые устойчивые к хромату мутанты Neurospora crassa, транспортируя сульфат, проявляют сильные восстановительные свойства по отношению

148

Глава 8

к хромату. Системы активного транспорта ионов металлов из внешней среды в клетки имеются у ряда цианобактерий. Поглощение металлов зависит от мембранного потенциала и снижается в темноте или в присутствии ингибиторов метаболизма. Цианобактерия Anabaena cylindrica имеет активную транспортную систему поглощения с высоким сродством к ионам Ni2+, что позволяет накапливать никель в клетках до содержания, в 2700 раз превышающего фоновое. Клетки Anacystis nidulans активно аккумулируют Cd2+, поглощение которого полностью ингибируется Сa2+ и Zn2+.

Накапливая металлы, микроорганизмы могут использовать их в качестве источников энергии или акцепторов электронов в процессе дыхания. В результате протекающей при этом активной адсорбции металлов (например, через специфическое комплексообразование или осаждение вследствие окислительновосстановительных процессов) повышается накопление тяжелых металлов на поверхности клеток.

Внутриклеточное накопление металлов протекает в две стадии. После введения в среду металл в течение 2–3 минут связывается с клеточной поверхностью в результате физико-химических процессов (стадия 1), а затем медленно переносится в цитоплазму клетки (стадия 2). Этот процесс часто энергозависим и протекает лишь при активном дыхании организма. Металлы легко отделяются с поверхности клетки хелатирующими агентами (ЭДТА и др.) или разбавленными кислотами. На внутриклеточное содержание металлов ЭДТА не влияет.

Емкость и селективность биомассы к сорбции тяжелых металлов и радионуклидов частично определяются свойствами поверхностных структур клеток – природой полярных групп и распределением заряда в макромолекулах клеточной стенки. Как правило, клеточные стенки бактерий заряжены отрицательно. В сорбции металлов грибами участвует хитин, входящий в состав клеточной стенки. Клеточные стенки водорослей содержат карбонильные, гидроксильные, сульфгидрильные, фосфатные, уроновые группы макромолекул, которые определяют заряд клеточной стенки. На свойства клеточных стенок, их заряд и на биосорбцию металлов влияют условия окружающей среды: pH, Eh, ионная сила внеклеточного раствора.

Связывание тяжелых металлов с поверхностью клеток бактерий происходит интенсивнее, чем у дрожжей, но энергозависимое поглощение металлов у дрожжей эффективнее, чем у бактерий, поэтому для удаления металлов, быстро адсорбирующихся на поверхности клеток, предпочтительны бактериальные системы, а для удаления металлов, аккумулируемых клетками посредством активного транспорта, – дрожжевые.

В целом на накопление металлов и радионуклидов микроорганизмами влияют возраст и физиологическое состояние их клеток, состав среды, pH, условия снабжения кислородом, температура, присутствие ингибирующих ионов, количество клеток в единице объема среды и другие параметры.

Накопление клетками металлов увеличивается при большей растворимости их неорганических соединений. Например, в нейтральной среде со смесью сульфидов тяжелых металлов наблюдается высокое накопление никеля, поскольку

Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов

149

при нейтральном pH растворимость его сульфида наибольшая. Накопление свинца в этих условиях минимальное, так как растворимость его сульфида наименьшая. Растворимость большинства неорганических веществ увеличивается с повышением температуры, что также приводит к увеличению поглощения металлов биомассой микроорганизмов.

рН влияет на емкость биосорбента и скорость процессов биосорбции. Совокупные изменения определяются свойствами поверхности клеток и форм, в которых металлы находятся в растворе: в виде катионов, анионов, гидроксокомплексов, коллоидных гидроксидов. Соотношение этих форм зависит как от свойств элемента, так и от рН раствора.

Изменение температуры влияет на скорость связывания элементов и на емкость живых и мертвых клеток микроорганизмов в меньшей степени, чем рH раствора. Емкость биомассы микроорганизмов при адсорбции металлов, как правило, возрастает при изменении температуры от 4 до 50 °С.

В анаэробных условиях в отсутствие сульфатов и сульфатредукции в среде могут накапливаться низкомолекулярные органические кислоты, спирты, эфиры и другие промежуточные продукты обмена, которые с ионами тяжелых металлов образуют водорастворимые комплексы. Это ведет к уменьшению поглощения металлов клетками микроорганизмов, в отличие от аэробных условий, при которых количество внеклеточных продуктов обмена обычно ниже.

На поглощение металлов влияет конкуренция за извлекаемый из среды металл между организмом и комплексующими агентами (органическими и неорганическими), а также между металлами. Так, ионы Na+, Mg2+ уменьшают сорбционную способность зеленых водорослей Chlorella vulgaris по отношению к цинку, но не влияют на степень концентрирования ими Pb и Cu. Присутствие ионов Ca, Mg, Al уменьшает степень удаления 90Sr активным илом из радиоактивных стоков; присутствие ионов Fе3+ снижает накопление 90Sr, 137Cs, 239Pu, U.

Впроцессе накопления металла важную роль играют устойчивость микроорганизмов к металлу и адаптация их к химическому составу среды обитания. Микроорганизмы, выделенные из биогеохимических провинций с высоким содержанием металлов, больше накапливают эти металлы и более устойчивы к их высоким концентрациям в среде.

Современные генно-инженерные методы, белковая инженерия позволяют создавать штаммы микроорганизмов, обладающие повышенной способностью аккумулирования и удаления металлов из природных сред. Так, при клонировании и экспрессии генов, ответственных за синтез белков-металлотионеинов, можно повысить уровень специфического связывания металла организмом и толерантность его к тяжелым металлам. Методами белковой инженерии может быть повышено сродство белков к тяжелым металлам и радионуклидам.

Втабл. 8.2, 8.3 приведены максимальные значения величин накопления металлов некоторыми микроорганизмами и сорбентами, полученными на их основе.

150

Глава 8

Таблица 8.2.

Сорбция металлов микроорганизмами и биополимерами из растворов

Микроорганизмы

Содержание металлов,

 

мг на 1 г массы сухих клеток

 

 

Денитрифицирующие бактерии

 

Rhizopus arrhizus (г)

140 U и Th

Saccharomyces cerevisiae (д)

180 U и Th

Pseudomonas aeruginosa (б)

100–150 U

Сообщество бактерий (p. Maltophila,

100–150 U

Staphylococcus aureus) и неидентифициро-

до 300 Ag

ванные формы

 

Escherichia coli (б)

80–100 Cd

Azotobacter sp. (б)

до 300 Pb

Micrococcus luteus (б)

до 500 Pb

Candida valida (д)

до 240 Zn

Chlamydomonas sp. (в)

30 As(III), 130 As(V)

Micrococcus luteus (б)

25 Sr

Cyanidium sp. (цб)

70 Cu, 4 Zn, 0,4 Pb

Биосорбент M на основе Penicillium

80–120 U, 400 Ra

chrysogenum (г)

 

Биосорбент MRA (AMT-BIOCLAIM)

до 600, сумма металлов

Хитозан

150 Au, 100 Ag, 50 Pt, 440 Pd

Хитин клеточных стенок грибов

6 U

Эмульсанзоль (биосорбент на основе образу-

до 800 U

емого Acinetobacter calcoaceticus полисахари-

 

да эмульсана)

 

 

 

б – бактерии, цб – цианобактерии, в – водоросли, г – плесневые грибы, д – дрожжи

Таблица 8.3.

Сравнительная оценка извлечения урана микробными клетками или клеточными продуктами (по N. V. Ashley, D. J. W. Roach, 1990)

Организм

Механизм

Накопление

 

извлечения

урана, мг/г

 

 

сух. массы

 

 

 

Rhizopus arrhizus (г)

Адсорбция на клеточной стенке

180

Acinetobacter RAG (б)

Связывание внеклеточным полимером

800

Penicillium digitatum (г)

Адсорбция на клеточной стенке

5–7

Pseudomonas aeruginosa (б)

Внутриклеточный

150

Saccharomyces cerevisiae (д)

Адсорбция на стенке

150

Zoogloea ramigera (б)

Связывание внеклеточным полисахаридом

500–2500

Streptomyces viride

Адсорбция на клеточной стенке

312

chromogenes (б)

 

 

Chlorella regularis (в)

Адсорбция на клеточной стенке

159

Citrobacter sp. (б)

Осаждение на клеточной поверхности в виде

9000

 

фосфатов уранил-иона при действии

 

 

ферментов

 

б – бактерии, в – водоросли, г – плесневые грибы, д – дрожжи