24. Микробиологические превращения металлов. Биосорбция металлов из растворов.

Микроорганизмы играют важную роль в глобальной экологической системе превращений металлов, изменении их подвижности, миграции, концентрировании и рассеивании в биосфере. Взаимодействия микроорганизмов с металлами зависит от окружающих условий и индивидуальных свойств металла или его соединений. Микробная трансформация металлов осуществляется определенными микроорганизмами и непосредственно связана с получением энергии, аккумулированием и удалением металлов из клеток. В живых организмах металлы обеспечивают активность ферментов, жизненно важные физиологические и биохимические функции организмов.

Микроорганизмы способны окислять Са, Mg, Ва, Zn, Si, Cr, Fe, Mn, Со, Al, Ti, Zr и их соединения. В природе наиболее распространено микробное окисление железа и марганца.

Железо в закисной форме окисляется с образованием Fe(OH)₃. Процесс осуществляют нитчатые и одноклеточные формы железобактерий - p. Leptothrix (L. ochracea и L. crassa). Они распространены в лесных ручьях, болотах, водоемах, богатых солями закиси железа, и образуют скопления в виде бурых хлопьев, вытянутых по течению. Автотрофные аэробные нитчатые бактерии получают энергию при окислении закисных солей углекислого железа в гидроксид железа. Одноклеточные железобактерии p. Gallionella развиваются в железистых водах при нейтральном рН и пониженной концентрации кислорода, способны расти в холодной воде и даже под снегом.

Известны следующие механизмы окисления марганца бактериями: прямое ферментативное окисление ионов Мn²⁺, окисление ионов Мn²⁺, связанных с оксидами Мn⁴⁺ и неферментативное окисление Мn²⁺. Марганец в виде Mn²⁺ может окисляться микроорганизмами до Мn³⁺, Mn⁴⁺ и осаждаться. В окислении соединений марганца участвуют многие почвенные бактерии и грибы: Metallogcnium sp., pp. Bacillus sp., Clostridium sp., Desulfotomaculum sp. В присутствии кислорода марганецокисляющие бактерии окисляют растворимые соединения марганца, образующиеся в болотах, иле и в почвах в результате деятельности факультативно-анаэробных микроорганизмов. Многие морские бактерии окисляют Mn(II) при образовании железомарганцевых конкреций, известных как марганцевые друзы. В реакциях окисления марганца выход энергии незначителен и не обеспечивает существования микроорганизмов.

Анаэробные бактерии способны осуществлять восстановительные процессы, связанные с их жизнедеятельностью Fe³⁺→Fe²⁺, Mn⁴⁺→Mn²⁺, Cr⁶⁺→Cr³⁺, Hg²⁺→Hg, As⁵⁺→As³⁺, восстановленные соединения Pb, Sb, Те, Se и др.

В клетках прокариот система переноса электронов локализована в цитоплазматической мембране, тяжелые металлы восстанавливаются в поверхностном слое клетки. В эукариотических одноклеточных организмах также возможно восстановление ионов тяжелых металлов внутри и на поверхности клетки. Внутриклеточные доноры электронов поставляются системами переноса электронов, локализованными в митохондриях. Восстановление на поверхности осуществляется редокс-системами плазматической мембраны эукариот.

Оксиды железа активно восстанавливаются в анаэробных условиях в почве и на дне водоемов, оксиды марганца могут восстанавливаться и в аэробных условиях при участии бактерий и грибов. Особенно активно восстанавливают марганец энтеробактерии, бациллы и бактерии Thiobacillus thiooxidans.

Ряд микроорганизмов, имеющих нитратредуктазу, например В. polymyxa, восстанавливают Мn⁴⁺ в процессе диссимиляционной нитратредукции. Acinetobacter calcoaceticus восстанавливают Mn⁴⁺ в процессе ассимиляционной нитратредукции.

Cr⁶⁺ может восстанавливаться до трехвалентного ферментативным и неферментативным путем. Ферментативное восстановление хрома осуществляют бактерии Pseudomonas sp, Aeromonas sp. способные выдерживать высокие концентрации Cr(VI).

Бактерии p. Pseudomonas, энтеробактерии, Staphylococcus aureus и дрожжи p. Cryptococcus способны восстанавливать ионы ртути до Hg⁰.

Водоросли Chlorella, бактерии Micrococcus sp., дрожжи Pichia guillermondii и морские бактерии способны восстанавливать As(V) до As(III) в анаэробных условиях.

Наряду с ферментативным механизмом возможно и не ферментативное восстановление металлов продуктами жизнедеятельности клеток. Например, не ферментативное восстановление Сr⁶⁺ осуществляется сероводородом, образующимся в условиях анаэробного сбраживания серу содержащих органических соединений и сульфатредукции.

При изменении температуры, рН, состава микробной популяции равновесие между окисленной и восстановленной формами химического элемента может сдвигаться.

Биосорбция металлов из растворов.

Микроорганизмы способны аккумулировать катионы различных метал­лов, извлекая их из растворов. Активность в аккумуляции металлов прояв­ляют живые и мертвые клетки. Биосорбция используется для извлечения ценных металлов из растворов и для очистки промышлен­ных сточных вод от металлов. Активность и селективность процессов из­влечения металлов из растворов определяется особенностями микроорга­низма, свойствами сорбируемых элементов и физико-химическими фак­торами среды.

Многие бактерии, дрожжи, грибы, водоросли способны аккумулировать тяжелые металлы в количестве в тысячи раз превышающем их физиологические потребности. Содержание тяжелых металлов может достигать 10-20% и более на единицу сухой массы микроорганизмов.

Микроорганизмы	Катионы металлов
Автотрофные бактерии (Thiobacillus sp, Цианобактерии)	Cd2+,Co2+, Cu2+, Cr2+, Fe3+,Ni2+, UO2+, Ag+, Au3+
Водоросли (Chiorella sp.)	Cd2+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Sr2+, UO22+, Mo
Гетеротрофные бактерии (Acinetobacter sp., Pseudomonas sp.)	Cd2+, Co2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+, Fe3+, Ag+, Au3+, Ni2+
Актиномицеты (Actinomyces sp., Streptomyces sp.)	Th, UO22+
Дрожжи (Candida sp.)	Cd2+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+
Мицелиальные грибы (Aspergillus sp., Penicillium sp.)	Co2+, Cr3+, Mn2+, Hg2+, Ni2+, Pb2+, Zn2+, Ra2+, Th

Общее содержание металлов в организмах 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. Уровень накопления металлов и радионуклидов зависит от вида микроорганизмов, свойств металла и от механизма их поглощения. Накапливая металлы, микроорганизмы могут использовать их в качестве источников энергии или акцепторов электронов в процессе дыхания.

Механизмы биосорбции металлов:

1. 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, ионообменный процесс, комплексообразование и хелатирование, осаждение;

2. Внутриклеточное накопление как необходимых для метаболизма металлов (Fe, Mg, Mo, Сu, Ni и др.), так и менее существенных (Со, 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.

Активный транспорт и поглощение частиц осуществляются только живыми клетками, адсорбция же и ионный обмен - как живыми, так и мертвыми клетками либо клеточными компонентами. При взаимодействии с мертвой клеткой ингибиторы метаболизма не влияют на аккумуляцию металлов и радионуклидов.

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.

На накопление металлов и радионуклидов влияют их химические свойства, возраст и физиологическое состояние клеток микроорганизмов, сродство между металлом и клеткой, состав среды, присутствие ингибирующих ионов, рН, условия снабжения кислородом, количество клеток в единице объема среды, температура и другие параметры.

Накопление Hg, Ag, U, Th, актинидов происходит в основном в результате адсорбции их на поверхности клеток. Mn, Сu, Zn, Ni, Со, Sr, Pb, Cd, U, Pu транспортируются внутрь клеток микроорганизмов и адсорбируются на их поверхности.

Ионы Zn²⁺, Ni²⁺, Со²⁺, Sr²⁺, Cd²⁺, как правило, поступают в клетку с помощью системы активного транспорта Mg²⁺, а иногда системы транспорта Мn²⁺ и Са²⁺. Поглощение Rb⁺ происходит при участии системы транспорта К⁺, цезия - посредством системы К⁺ и Н⁺ - транспорта.

В процессе 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.

Ферментер для биосорбции со слоем носителя.

Реактор с псевдоожиженным слоем

Реактор с вертикально вращающимся погружным диском