Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

МІНІСТЕРСТВO ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

УДК 579.695

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

БІОТЕХНОЛОГІЇ ОЧИЩЕННЯ ПРОМИСЛОВИХ СТІЧНИХ ВОД НА ОСНОВІ ТЕРМОДИНАМІЧНОГО ПРОГНОЗУВАННЯ ВЗАЄМОДІЇ МІКРООРГАНІЗМІВ З МЕТАЛАМИ ТА РАДІОНУКЛІДАМИ

ТАШИРЕВ ОЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

03.00.20 - біотехнологія

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України

Науковий консультант: член-кореспондент НАН України, доктор біологічних наук, професор Андреюк Катерина Іванівна, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Циганков Сергій Петрович, Інститут харчової хімії і технології НАН України, заступник директора з наукової роботи та нової техніки

доктор хімічних наук, професор

Ульберг Зоя Рудольфівна,

директор Інституту біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренко НАН України

доктор біологічних наук

Єгоров Віктор Миколайович,

Інститут біології південних морів НАН України, завідувач відділом радіаційної та хімічної біології

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, Міністерство освіти і науки України

Захист дисертації відбудеться “23” березня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.03 при Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти та науки України за адресою: Київ 01033, вул. Володимирська, 68.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університету харчових технологій Міністерства освіти та науки України за адресою: Київ 01033, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “22” лютого 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук В.М. Поводзинський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток промисловості зумовив постійний потужний викид у довкілля хімічних елементів та сполук, що є вкрай чужорідними для природи, у тому числі металів та радіонуклідів. Важкі метали Важкі метали - тут і далі - катіони, аніони та комплексні сполуки окислених форм металів. є дуже токсичними для довкілля, до них відносять сполуки Hg, Cd, Cr, V, Ni, Cu та ін. Вони потрапляють у довкілля при видобутку та переробці корисних копалин, з стічними водами (далі - стоками) металургійних і гальванічних виробництв та при похованні металовмісних відходів на звалищах. В Україні щорічний скид металовмісних стоків становить більш як 800 млн. м3. До окремої групи забруднень відносять радіонукліди, які переважно є радіоактивними ізотопами металів (наприклад, 137Cs, 90Sr, 238U, 239, 242Pu, 241, 243Am та ін.). Невід'ємною складовою паливно-енергетичних ядерних циклів є утворення рідких радіоактивних відходів (РРВ), що містять радіоактивні ізотопи металів. Великі обсяги РРВ знаходяться на території Зони відчуження (Чорнобиль).

Існуючі на теперішній час природоохоронні технології не забезпечують знешкодження промислових стоків, що містять широкий спектр токсичних та радіоактивних металів. Причинами цього є недосконалість та велика собівартість фізико-хімічних технологій а також утворення вторинних твердих відходів (кінцевих продуктів), що не менш небезпечні для довкілля, ніж вихідні стоки. Широке впровадження мікробних технологій обмежується складністю їх підготовки та експлуатації. Крім того, кожна мікробна технологія є унікальною у тому розумінні, що мікробний штам або асоціація мікроорганізмів адаптовані тільки до певного складу металів у стоку і не можуть бути використані на інших підприємствах, які мають відміни у складі стоку. З огляду на викладене, існує нагальна необхідність розробки та впровадження таких нових технологій знешкодження металовмісних та радіоактивних стоків, що органічно поєднують в собі позитивні властивості як фізико-хімічних, так і мікробних технологій та позбавлені притаманних їм недоліків.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягала в розробці та створенні універсальних мікробних технологій очищення промислових стоків від широкого спектру важких металів, радіонуклідів та органічних забруднень на базі теоретичної концепції термодинамічного прогнозування взаємодії мікроорганізмів з металами.

Для реалізації мети послідовно вирішувались такі задачі:

1. Розробка концепції прогнозування взаємодії мікроорганізмів з металами та радіонуклідами періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва.

2. Перевірка відповідності теоретичних положень експериментальним даним.

3. Розробка та створення універсальних мікробних препаратів, та на їх основі - нових технологій очистки промислових стоків від широкого спектру токсичних металів, радіонуклідів та органічних забруднень.

4. Випробування технологій очистки промислових стоків на базі розроблених мікробних препаратів.

Об`єкти досліджень. Об`єктами досліджень були: музейні культури мікроорганізмів (16 штамів), мікробні синтрофні асоціації, змішані мікробні угруповання та мікробні препарати. Хімічні елементи представлені важкими металами (19 елементів) та радіонуклідами (14 ізотопів). Досліджено модельні і промислові стоки, що містили важкі метали, радіонукліди та органічні забруднення.

Предмет досліджень. Предметом досліджень були закономірності взаємодії музейних культур, синтрофних асоціацій і змішаних мікробних угруповань з широким спектром металів і радіонуклідів та розробка і створення на основі вказаних закономірностей універсальних біотехнологій очистки промислових стоків.

Методи досліджень. Наукові положення та висновки, сформульовані в дисертації, базуються на теоретичних (термодинамічних) методах розрахунків. Експериментальні результати роботи отримані при застосуванні мікробіологічних, фізіологічних, біохімічних, хімічних, хіміко-аналітичних та фізико-хімічних методів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів. З метою створення нових очисних біотехнологій розроблена концепція термодинамічного прогнозування взаємодії мікроорганізмів з металами періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва. Новизна її полягає в тому, що кожний метал є окисно-відновним та (або) стереохімічним аналогом певного “макроелементу” 2 - “Макроелементи” - тут і далі, - це катіони та аніони металів (K⁺, Na⁺, Ca²⁺, МоО₄^2- та ін.) і сполуки інших елементів (NO₃-, РО₄^3-, SO₄^2- та ін.), що необхідні мікроорганізмам для енергетичного та конструктивного метаболізму., що призводить до неспецифічної взаємодії з металами неадаптованих до них мікроорганізмів. Мікробне відновлення будь-якого металу можливе лише тоді, якщо його стандартний редокс-потенціал (Ео ) знаходиться в межах термодинамічної стійкості води (+814 Ео - 414 мВ), а акумуляція металів - при близькості іонних радіусів металів (Cu2+, Rb+, CrO42- та ін.) та макроелементів (K+, Na+, SO42- та ін.). Концепцію підтверджено експериментально на 16 музейних культурах, синтрофних асоціаціях та змішаних мікробних угрупованнях (що складаються з декількох асоціацій) та широкому спектрі металів і радіонуклідів. Вперше показано, що неспецифічне відновлення металів мікроорганізмами є розповсюдженим явищем, яке зумовлено термодинамічними властивостями бінарної редокс-системи: донорної (метаболічно активні мікроорганізми) і акцепторної (окислена форма металу). Різниця редокс-потенціалів ( Ео ) цих систем у 100 мВ робить відновлення металів термодинамічно неминучим. Розроблено теоретично та підтверджено експериментально узагальнену модель інтегральних механізмів акумуляції металів мікробними синтрофними асоціаціями та змішаними мікробними угрупованнями. Встановлена можливість регуляції мікробного метаболізму, що дозволяє реалізувати будь-який з теоретично обґрунтованих оптимальних технологічних процесів очищення стічних вод від широкого спектру металів та радіонуклідів. На базі зазначених теоретичних положень розроблені наукові основи універсальних мікробних природоохоронних технологій та створені два нових мікробних препарати, - “мікробний біокаталізатор” (МБК) та “змішані мікробні угруповання” (ЗМУ), що призначені для очистки промислових стоків від широкого спектру токсичних металів, радіонуклідів та органічних забруднень.

Практичне значення одержаних результатів. На основі розроблених гранульованих мікробних препаратів МБК і ЗМУ створені та випробувані з позитивним результатом нові біотехнології очищення промислових, побутових та модельних стоків від токсичних металів, радіонуклідів і органічних забруднень. За допомогою біотехнологій здійснено очистку промислових стоків: від хроматів та супутніх органічних забруднень до показників “технічно чиста вода” (завод “Коммаш”, м. Київ), від ртуті (завод “Каустик”, м. Волгоград), від радіонуклідів (Спецкомбінат “Радон” та Інститут ядерних досліджень НАН України), побутових стоків, що пройшли очистку в аеротенках, - від зникаюче малих концентрацій металів (на рівні декількох мікрограмів у літрі), модельних стоків від металів у високих концентраціях (1000 мг/л Hg2+ та 10000 мг/л Cu2+), широкого спектру важких металів (18 металів з загальною концентрацією 360 мг/л), а також 238U, 239Pu та 241Am (Інститут геохімії та фізики мінералів НАН України). Препарати МБК та ЗМУ очищують згадані стоки від широкого спектру металів у діапазоні концентрацій від 6 мкг/л до 10000 мг/л, а також забезпечують вилучення радіонуклідів з рідких радіоактивних відходів (РРВ) із зменшенням активності в середньому на 3 - 4 порядки. Згадані біотехнології дозволяють не тільки знешкодити токсичні стоки, але й отримати товарні продукти, - технічно чисту воду та концентрат коштовних металів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Дисертаційна робота включає дослідження, виконані згідно планам науково-дослідних робіт відділу загальної та ґрунтової мікробіології Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України за темами: 2.5.4.5. “Вивчення взаємодії мікроорганізмів з важкими металами та розробка теоретичних основ мікробних технологій очистки промислових стоків від важких металів (1992-1996 р.)”, 12/48 “Вивчення механізмів детоксикації важких металів мікроорганізмами та біологічного значення мікробної трансформації металів (1992-1996 р.)” та 2.28.9.10 “Формування та функціонування біоплівки як чинника мікробної індукованої корозії (1999-2003 р.)”. Робота також включає дослідження за фундаментальними та прикладними проектами Державного комітету України з питань науки і технологій по Державній програмі 01 “Охорона довкілля”, проект № 2/161-2000 від 09.08.2000 та № 2Р/349-2000 від 05.12.2000.

Особистий внесок здобувача. Ідеї, гіпотези, концептуальна база, розробка програми і проведення експериментальних досліджень, аналіз отриманих результатів та написання публікацій належать особисто автору. О.Б. Таширев персонально розробив концепцію термодинамічного прогнозування взаємодії мікроорганізмів з металами та радіонуклідами періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва, обґрунтував закономірності мікробної акумуляції токсичних металів і радіонуклідів внаслідок їх стереохімічної аналогії з макроелементами. Автор також розробив концепцію інтегральних механізмів і теоретичну модель акумуляції широкого спектру металів мікробними синтрофними асоціаціями та змішаними мікробними угрупованнями. О.Б. Таширев особисто розробив теоретичні основи нових мікробних природоохоронних технологій на основі синтрофних асоціацій і змішаних мікробних угруповань та персонально виготовив спеціальні модифікації мікробних гранульованих препаратів “мікробний біокаталізатор” (МБК) і “змішані мікробні угруповання” (ЗМУ). Автором розроблені конструкції установок з очищення стоків від металів і радіонуклідів та сформульовані технічні завдання для дослідно-промислових випробувань мікробних препаратів.

Кількісний аналіз металів атомно-адсорбційним методом був виконаний за допомогою д-ра хім. наук А.І. Самчука, аналіз урану та трансуранових елементів - разом з С.І. Чебаненко (Інститут геофізики та фізики мінералів НАН України), аналіз радіонуклідів методом нейтронної активації - за участю В.М. Шевеля (Інститут ядерних досліджень НАН України). Дослідження акумуляції металів препаратом МБК здійснювали спільно з д-ром біол. наук А.Ф. Антипчук та кандидатами біологічних наук В. М. Рангєловою, С.Б. Яновер і Г.Ф. Смирновою (Інститут мікробіології і вірусології НАН України). У дослідно-промислових випробуваннях МБК-технології на заводі “ВАТ Коммаш” брали участь д-р біол. наук А.Ф. Антипчук, канд. біол. наук В. М. Рангєлова, і Г.Ф. Смирнова (Інститут мікробіології і вірусології НАН України) та А.М. Шаховський (Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України), які є співавторами робіт.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації були представлені на щорічних наукових конференціях-конкурсах робіт Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України (1991-2003 рр.). Результати викладено також на міжнародній конференції “Биоколлоид-95” (Київ, 1995 р.), промисловій виставці UNIDO в Україні “INTECHMART-97” (Київ, 1997 р.), виставці “BIOTECHNIKA 2001” (Німеччина, Ганновер, 2001), IV Міжнародній науково-практичній конференції “Об'єкт Укриття”, 15 років: минуле, сучасне, майбутнє (2001 р.)” та Міжнародній конференції “Екологія та біогеохімічна діяльність мікроорганізмів (Одеса, 2001 р.)”.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 27 наукових робіт, у тому числі 23 статті у фахових виданнях, та 2 патенти.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, огляду літератури (2 розділів), експериментальної частини (7 розділів, у тому числі обговорення результатів), висновків, списку цитованої літератури, який включає 504 найменування, та додатків (акти експертиз та випробувань технологій і препаратів). Робота викладена на 337 стор. машинописного тексту, ілюстрована 62 рисунками і 68 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Огляд літератури складається з 2 розділів. У розділі 1 дана загальна характеристика взаємодії мікроорганізмів з широким спектром металів та розглянуті основні види взаємодії мікроорганізмів з металами. У розділі 2 системно викладені закономірності взаємодії мікроорганізмів з металами (і радіонуклідами) періодичної системи елементів. Подані загальні властивості важких металів, токсичні концентрації та механізми ушкоджуючої дії металів по відношенню до мікроорганізмів. Описано адаптацію мікроорганізмів до токсичних металів та численні механізми захисту від них. Охарактеризовані метаболічні шляхи трансформації металів мікроорганізмами та біологічне значення їх взаємодії з металами. Розглянуто технологічні аспекти використання мікроорганізмів в очистці металовмісних стоків та РРВ.

Матеріали і методи. Об'єктами досліджень були музейні культури мікроорганізмів, синтрофні асоціації, змішані мікробні угруповання, мікробні препарати МБК та ЗМУ, важкі метали та радіонукліди, модельні, побутові і промислові стоки, рідкі радіоактивні відходи (РРВ).

Музейні культури (16 штамів) представлені аеробними (Bacillus subtilis 316M, B. licheniformis CIP 5126, Corynebacterium ammoniogenes BKM B-672, Arthrobacter globiformis BKM B-6611, Rhodococcus rhodochrous ATCC 13808, Micrococcus luteus CCM 169, Brevibacterium linens CCM 1924,) Alcaligenes calcoaceticus ІМЕТ 10455, факультативно-анаеробними (Escherichia coli К 12, Pseudomonas denitrificans ATCC 19244, P. аeruginosa ATCC 10145) та облігатно-анаеробними (Clostridium lituseburense K-1, C. acetobutylicum К-2, C. butyricum К-3, Desulfovibrio desulfuricans (ИНМИ 32/3) та D. macestii R-1) мікроорганізмами. Досліджені такі синтрофні асоціації, як “активний мул аеротенку”, “зброджений осад метантенку”, та ін. Змішані мікробні угруповання отримували поєднанням окремих синтрофних асоціацій. Розроблені нами препарати представлені МБК (“мікробним біокаталізатор”) та ЗМУ (“змішані мікробні угруповання”) .

Метали представлено 19 елементами, що відносяться до восьми груп періодичної системи елементів: I група - Li+ Cu2+, Ag+; II - Zn2+, Sr2+, Cd2+ та Hg2+; III - Al3+; IV - Sn4+, Ti4+ та Pb2+; V - VO3- ; VI - CrO42-, MoO42- та WO42- ; VII - Mn2+ та VIII група - Fe3+, Fe2+, Co2+ та Ni2+. Радіонукліди представлено 14 ізотопами, що відносяться до таких груп елементів: I група - 28Na, 40K, 83Rb, 134Cs та 137Cs; II - 90Sr, III - 140La, 144Ce, 238U, 239Pu та 241Am; VI - 51Cr; VII - 54Mn та VIII група - 60Co.

Модельні стоки були такі: розчини з ртуттю (1000 мг/л Hg2+) та міддю (10000 мг/л Cu2+), з 18 металами (Cu2+, Cd2+, Hg2+ та ін., загальна концентрація 360 мг/л), штучні РРВ (238U, 239Pu та 241Am), та ін. Побутові стоки представлені міськими стоками після їх очистки в аеротенках (Бортничеська станція аерації). Промислові стоки представлено РРВ Комбінату “Радон” та Інституту ядерних досліджень НАН України, хроматвмісними стоками Київського заводу комунального машинобудування “Коммаш” та ртутьвмісними стоками Волгоградського заводу “Каустик”.

Для культивування аеробних мікроорганізмів використовували загальноприйняті у мікробіології методи. Анаеробні мікроорганізми вирощували за Хангейтом та за допомогою розробленого нами спеціального культиватора. Як відновники застосовували H2S, Na2S, FeS, Na2SO3, цитрат Ті(III), цистеїн-сульфід та запропоновані нами V(III), Fe2+, Fe(OH)2, Feo, Ti(OH)3 та амальгаму Zno. Мікроорганізми вирощували на таких живильних середовищах: м'ясо-пептонний бульйон (МПБ) і його аналоги (Standart-I та Standart-II виробництва фірми “Serva”); середовище Гіса (у г/л): K2HPO4 - 1,0; KH2PO4 - 1,0; NH4Cl - 1,0; глюкоза - 20,0; сухий дріжджовий екстракт (“Serva”) - 5,0; дистильована вода - 1000 мл. Кількісний облік мікроорганізмів за фізіологічними групами здійснювали методом граничних розведень на середовищах: Гільтая (денітрифікуючі), Омелянського (целюлозоруйнівні), Постгейта (сульфатвідновлювальні), Жиліної (метаногенні). Для мікробіологічної характеристики препаратів МБК та ЗМУ проводили кількісний облік мікроорганізмів за фізіологічними групами методом граничних розведень. Окисно-відновний потенціал (Eh або редокс-потенціал) вимірювали потенціометричним та колориметричним методами. Склад газу визначали газохроматографічним, а оптичну густину культур (D) у рідкому середовищі - фотоелектроколориметричним методами.

Акумуляцію металів визначали за такими показниками, як Со - початкова концентрація металів у розчині, Ср - рівноважна (кінцева) концентрація металу у розчині, С = Со -Ср; ступінь вилучення металів R = (C:Co).100 %; коефіцієнт акумуляції металів Кd = (C: Co).(m1: m2), де m1 та m2 - маса розчину та мікробної біомаси відповідно. Для кількісного визначення металів використовували такі методи: колориметричний (при концентрації металів 1,0-10000,0 мг/л), атомно-адсорбційний (0,01-20,0 мг/л), нейтронно-активаційний (0,01 мг/л та менше). Об'ємну активність радіонуклідів (Kі/кг) у РРВ ядерного реактора вимірювали спектрометричним методом за допомогою германієво-літієвого детектору (об'ємом 200 см3) з подальшою обробкою інформації на аналізаторній системі “NUK-8090”. Мінімальна детектована активність (МДА) складає 1.10-12 Kі/кг (1 Kі = 3,7.1010 Бк). Для визначення -випромінюючих ізотопів у РРВ Комбінату “Радон” використовували -спектрометр “VARKO” фірми “SELENA” з напівпровідниковим детектором з надчистого германію (МДА 0,29 Бк/кг при тривалості виміру 10000 сек). -активність вимірювали радіометром NKR-610 з проточним метановим детектором (МДА - 0,03 Бк/кг, тривалість виміру-1000 сек.). Ефективність очистки (Е) для кожного виду випромінювань визначали як Е = (Со-Сі ):Со.100%, де Со - вихідна питома активність радіонуклідів (Kі/кг або Бк/кг), Сі-активність в очищеному розчині через n годин. Поділ, препарування та визначення -активності розчинів 238U, 239Рu та 241Аm проводили за методикою, затвердженою Міжвідомчою комісією з радіаційного контролю природного середовища.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

1. Розробка нових та модифікація існуючих методів культивування анаеробних мікроорганізмів. Для вивчення взаємодії мікроорганізмів з металами нами розроблені нові та модифіковані існуючі методи культивування анаеробних мікроорганізмів. Модифіковано метод Хангейта для виділення ізольованих колоній облігатно анаеробних бактерій у флаконах: площа агаризованої поверхні середовища у флаконі вдвічі більша, ніж у Хангейтівській пробірці. Розроблений анаеробний культиватор, який забезпечує стерильність, герметичність та безперервність вимірів в атмосфері аргону рН, Eh, оптичної густини середовища та складу газу. Запропоновано новий спосіб приготування та стерилізації Ті(ІІІ), який дозволяє широко застосовувати його у техніці анаеробіозу. Розроблено та випробувано 4 нових нетоксичних відновника: Fe(ІІ), цитрат V(III), Feо та амальгама Znо, які забезпечують культивування облігатно-анаеробних мікроорганізмів як у періодичних, так і проточних умовах при Eh = - 150…- 500 мВ.

2. Прогнозування взаємодії мікроорганізмів з металами. Теоретичною основою нових технологій очистки металовмісних стоків та РРВ є розроблена нами узагальнююча концепція взаємодії мікроорганізмів з металами, яка дозволяє теоретично обґрунтувати та реалізувати найбільш ефективний механізм (або механізми) очистки промислових стоків від широкого спектру металів та радіонуклідів.

Концепція включає такі складові:

термодинамічне прогнозування мікробного відновлення металів;

- прогнозування мікробної акумуляції металів внаслідок їх стереохімічної аналогії з макроелементами;

- закономірності інтегральних механізмів акумуляції металів мікробними синтрофними асоціаціями (МСА) та змішаними мікробними угрупованнями (ЗМУ).

Термодинамічне прогнозування мікробного відновлення металів базується на таких положеннях:

1. Можливість мікробного відновлення металів випливає з термодинамічних властивостей води, енергетичних (дисиміляторних) характеристик мікроорганізмів та редокс-характеристик металів: катаболічне відновлення будь-якого металу можливе лише в зоні термодинамічної стійкості води (+814Ео - 414 мВ) та якщо різниця потенціалів (Ео ) між донорною системою (редокс-ферментна система мікроорганізмів) та акцепторною (метал) становить щонайменше 100 мВ.

2. Метали мають редокс-аналоги серед термінальних акцепторів електронів (H+, SO42-, Fe3+, NO3-, O2 та ін.). Редокс-аналогія припускає близькість або рівність редокс-потенціалів реакцій відновлення певного металу та акцептора, внаслідок чого метали відновлюють неадаптовані до них мікроорганізми (явище неспецифічного мікробного відновлення металів).

3. Величина показника Eо' дозволяє прогнозувати мікробне відновлення всіх валентних форм будь-якого металу. Згідно концепції, всі метали періодичної системи елементів у відповідності із значеннями Eо' розділені на три групи. Перша група представлена такими металами, що ні за яких умов не можуть бути відновлені мікроорганізмами у катаболічних процесах, тому що для них Eо' - 414 мВ (29 металів). До цієї групи віднесені, наприклад, Li+, Zn2+, Al3+, які мають Eо' відповідно - 3045, - 763 та - 1663 мВ. До другої групи віднесені 26 металів, для яких Eо' знаходяться у межах термодинамічної стійкості води (+814 Eо' - 414 мВ). Так, можливе мікробне відновлення Сu2+ до Cuo (Eо'= +153 мВ), CrO42- до Cr(OH)3 (Eо'= +555 мВ), Tl+ до Tlo (Eо' = +336 мВ), і т.п. У третю групу включені “високопотенційні” метали, Eо' яких значно вищий за верхню межу термодинамічної стійкості води (Eо'= +814 мВ). Так, для реакції Tl3+ +2e = Tl+, Eо' = +1252 мВ. Ці метали відновлюються будь-якими редокс-ферментами та екзометаболітами (амінокислоти, жирні кислоти та ін.) мікроорганізмів.

Прогнозування мікробної акумуляції металів внаслідок їх стереохімічної аналогії з макроелементами. Концепція неспецифічної акумуляції металів мікроорганізмами базується на близькості або рівності іонних радіусів металу і “макроелементу”. Рецепторні та транспортні системи мікробної клітини “помиляються” внаслідок стереохімічної аналогії металів та “макроелементів”, і тому метали неспецифічно акумулюються мікробною клітиною. Під “неспецифічністю” ми розуміємо акумуляцію металів неадаптованими до них мікроорганізмами. Серед “макроелементів” нами виділені три групи іонів, що мають близькі іонні радіуси та утворюють три зони стереохімічної аналогії. Першу зону макроелементів утворюють Fe3+, Mg2+ і Fe2+ (розмір іонів 0,06-0,083 нм), другу зону - Na+ і Ca2+ (0,095-0,106 нм), та третю зону - K+ і NH4+ (0,113-0,159 нм). Найбільша кількість іонів важких металів (Cu2+, Zn2+, Co2+ та ін.) відноситься до першої зони (64 катіони), до другої зони - 20, і до третьої - 12 катіонів металів. Отже, майже всі метали є стереохімічними аналогами макроелементів, і тому метали поглинаються мікроорганізмами. Таким чином, неспецифічну акумуляцію широкого спектру токсичних металів можуть здійснювати неадаптовані до них мікроорганізми.

Інтегральні механізми акумуляції металів мікробними синтрофними асоціаціями та змішаними мікробними угрупованнями. Вчення В.І. Вернадського про біосферу є узагальненням властивостей живої матерії і може бути ефективно використано для розробки теоретичних моделей взаємодії біологічних систем з хімічними елементами, у тому числі - з металами та радіонуклідами. Співставлення властивостей “живої матерії” (сукупності всіх організмів біосфери, за В.І. Вернадським) та мікробних синтрофних асоціацій (далі - асоціацій) призвело до висновку про їх подібність за такими ознаками: широке видове різноманіття живих осіб та метаболічних процесів, висока концентрація біомаси (кількість істот, їх маса) та пов`язана з цим висока швидкість накопичення хімічних елементів. На основі цього нами розроблена концепція взаємодії асоціацій з широким спектром металів. Головні положення такі: метаболічно активні мікроорганізми асоціацій акумулюють будь-які метали; для їх акумуляції необхідні донори вуглецю та енергії; акумуляція відбувається у всіх фазах метаболічної активності асоціації; накопичення металів у кожній фазі відбувається за рахунок одночасної реалізації багатьох незалежних механізмів внаслідок видового та метаболічного різноманіття членів асоціації. На рис. 1 (крива 1) наведена графічна модель акумуляції металів асоціацією.

Рис. 1. Теоретична модель інтегральної акумуляції металів окремою мікробною синтрофною асоціацією та змішаними мікробними угрупованнями

Акумуляція металів:1-мікробною синтрофною асоціацією, 2-змішаними мікробними угрупованнями. К-концентрація металів. А, В, С- фази метаболічної активності.

В моделі виділено три фази: А - адаптивна, В - активного метаболізму, та С - уповільненого метаболізму. Ці фази за своїм біологічним значенням подібні фазам монокультур: лаг-фазі, фазі експонентного росту та стаціонарній фазі відповідно.

У фазі А після внесення інокуляту в розчин з металами відбувається адаптація мікроорганізмів до середовища та одночасно реалізуються переважно фізико-хімічні механізми акумуляції металів (сорбція клітинними стінками, мембранними білками, та ін.), внаслідок чого концентрація металів у розчині різко зменшується від К1 до К2. Відповідно зменшується токсичність розчину та cтворюються умови для росту мікроорганізмів. У фазі В метали вилучаються при одночасній реалізації декількох механізмів, пов'язаних з ростом та метаболічною активністю мікроорганізмів (відновлення металів до нерозчинних сполук, осадження екзометаболітами та ін.), що призводить до зменшенні концентрації металів від К2 до К3. У фазі С відбувається накопичення екзометаболітів, які відновлюють та осаджують метали, і т.п. Концентрація металів зменшується від К3 до слідової - К4. Відповідно до моделі, будь-яка асоціація повинна взаємодіяти з широким спектром металів та акумулювати їх у всіх трьох фазах метаболічної активності. Ефективність вилучення металів можна підвищити за рахунок використання не окремої асоціації, а змішаних мікробних угруповань (ЗМУ), які є сумішшю двох або більше асоціацій. (наприклад, асоціацій збродженого осаду метантенку і коров'ячого гною). Перевагою ЗМУ є розширення спектру джерел живлення, кількісного і якісного складу мікроорганізмів та інтегрування механізмів вилучення металів (рис.1, крива 2).

Розроблена нами концепція прогнозування взаємодії мікроорганізмів з металами дозволяє визначити можливість відновлення та накопичення мікроорганізмами будь-яких металів та вибрати оптимальний напрямок мікробного метаболізму для ефективного вилучення металів та радіонуклідів окремими штамами мікроорганізмів, синтрофними асоціаціями та змішаними мікробними угрупованнями.

3. Неспецифічна відновна трансформація металів неадаптованими до них музейними культурами. Експериментальна перевірка показала, що у відповідності до теоретичних розрахунків мікробне відновлення металів є неспецифічним процесом, який здійснюють неадаптовані до металів мікроорганізми. Так, музейні культури аеробних, факультативно-анаеробних і облігатно-анаеробних мікроорганізмів відновлюють тільки такі метали, для яких стандартний редокс-потенціал Ео - 414 мВ (табл. 1).

Таблиця 1

Відновлення металів музейними культурами мікроорганізмів

Метали	Концентрація окислених і відновлених форм металів (мг/л), трансформованих мікроорганізмами
	Bacillus subtilis 316 М	Alcaligenes calcoaceticus ІМЕТ 10455	Pseudomonas aeruginosa АТСС 10145	Escherichia сoli К 12	Clostridium acetobutyli-cum К-2	C. butyricum К-3	Desulfovibrio desulfuricans ИНМИ 32/3
Cr	Cr(VI)*	15,0	14,0	12,0	15,0	15,0	10,0	20,0
	Cr(III)	12,0	8,5	10,0	12,0	14,0	8,5	15,8
	Cr(II)	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
V	V(V)*	200,0	100,0	200,0	200,0	180,0	200,0	195,0
	V(IV)	185,0	75,0	190,0	185,0	150,0	175,0	165,0
	V(III)	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
Mo	Mo(VI)*	100,0	100,0	120,0	130,0	200,0	150,0	195,0
	Mo(V)	85,0	62,0	95,5	92,0	157,0	120,0	180,0
	Mo(IV)	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
Fe	Fe(III)*	100,0	100,0	80,0	150,0	120,0	57,0	100,0
	Fe(II)	25,0	35,5	45,0	32,0	25,0	24,0	95,5
	Fe(0)	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
Cu	Cu(II)*	20,0	15,0	15,0	12,0	17,0	10,0	15,0
	Cu(I)	12,5	8,7	10,5	8,5	10,2	6,5	9,5
W	W(VI)*	200,0	200,0	180,0	200,0	190,0	200,0	200,0
	W(V)	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
Ti	Ti(IV)*	200,0	200,0	150,0	150,0	145,0	200,0	200,0
	Ti(III)	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
Zn	Zn(II)*	200,0	200,0	290,0	200,0	200,0	190,0	200,0
	Zn(0)	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0

Примітка. Cr(VI)*, V(V)* та ін. - початкова концентрація окислених форм металів

Так, Cr(VI) може бути відновленим тільки до Cr(ІІI), V(V) - тільки до V(ІV), Fe(ІІІ) - тільки до Fe(ІІ). Подальше відновлення цих металів неможливе і відсутнє внаслідок термодинамічної заборони. Mo(VI) та Cu(ІІ) відновлюються відповідно до Mo(V) та Cu(І). Такі метали, як W(VI), Ti(ІІI) та Zn(ІІ) взагалі не відновлюються мікроорганізмами тому що Ео відновлення цих металів нижчі за - 414 мВ. Мікробне відновлення металів у більшості випадків призводить до їх вилучення з середовища за рахунок утворення нерозчинних відновлених форм. Окислені метали є регуляторами метаболізму. Так, внесення СrO42-, VO3-, Fe3+ та МоО42- в метаболічно активні культури E. coli i C. lituseburense призводить до припинення синтезу Н2 та до значного підвищення Eh, а зменшення концентрації окислених форм металів корелює із зниженням Eh до вихідної величини та поновлення синтезу Н2.

Досліджені культури не використовують жоден метал як термінальний акцептор електронів, але жоден з металів (крім хроматів) не пригнічує ріст культур. Наприклад, вихід біомаси E. coli при рості в анаеробних умовах однаковий як у відсутності V(V), так і при його концентрації 1000 мг/л, а P. аeruginosa, що не здатна до бродіння, взагалі не росте в анаеробних умовах з V(V) як термінальним акцептором електронів, але відновлює його у концентрації 1000 мг/л при рості в аеробних умовах. Отже, з точки зору біологічного значення, неспецифічне відновлення металів є нейтральним, що дуже важливо для розробки теоретичних основ універсальних мікробних технологій очистки стоків від металів: відновлення та вилучення металів можуть здійснювати неадаптовані до них мікроорганізми.

Музейні культури акумулюють або осаджують екзометаболітами навіть ті метали, які внаслідок термодинамічної заборони не можуть бути відновлені мікроорганізмами: Zn2+, Fe2+, Co2+ та ін. (табл. 2).

Таблиця 2

Акумуляція металів Clostridium lituseburense К-1

№	Експозиція, год	Фракція та R*, %	Концентрація металів, мг/л (7 металів у розчині)
			Cu2+	Zn2+	Cd2+	Mn2+	Co2+	Ni2+	Fe2+
1	0	Клітини	50,0	30,6	26,3	13,8	11,4	8,4	55,0
		СН**	13,6	9,25	10,6	17,9	31,9	25,0	1,1
		R, %	79,0	77,0	71,0	44,0	26,0	25,0	98,0
2	0,5	Клітини	50,0	30,6	26,3	13,8	11,4	8,4	35,0
		СН	11,3	9,25	10,6	17,9	31,9	25,0	3,1
		R, %	82,0	77,0	71,0	44,0	26,0	25,0	95,0
3	1,0	Клітини	50,0	30,6	26,3	13,8	11,4	8,4	55,0
		СН	15,0	9,25	10,6	17,9	31,9	25,0	1,5
		R, %	77,0	77,0	71,0	44,0	26,0	25,0	97,0
4	2,0	Клітини	50,0	30,6	26,3	13,8	11,4	8,4	55,0
		СН	13,1	9,25	10,6	17,9	31,9	25,0	1,5
		R, %	79,0	77,0	71,0	44,0	26,0	25,0	97,0

* - R- ступінь вилучення металів (у %), ** - СН - супернатант

Викладені вище теоретичні положення та їх експериментальне підтвердження свідчать про можливість розробки нових універсальних біотехнологій очистки металовмісних стоків на основі неадаптованих до токсичних металів мікроорганізмів (відходах мікробіологічних виробництв, таких як біомаса активного мулу аеротенків, збродженого осаду метантенків та ін.).

4. Акумуляція широкого спектру металів мікробними синтрофними асоціаціями та змішаними мікробними угрупованнями. Розробка мікробних препаратів. Для здійснення ефективної очистки промислових стоків від широкого спектру металів на основі мікробних асоціацій, нами розроблені два нових мікробних препарати: “Мікробний біокаталізатор” (МБК) та “Змішані мікробні угруповання” (ЗМУ). Препарати мають такі переваги у порівнянні з існуючими аналогами:

- наявність широкого видового різноманіття мікроорганізмів;

- джерелом мікробних асоціацій слугує біомаса, що є відходами виробництв;

- гранульована, стійка у воді форма, що складається з мікроорганізмів і поживних речовин та не містить інертних носіїв (тому гранули займають майже весь об`єм очисної споруди).

До складу ЗМУ входить більша кількість фізіологічних груп мікроорганізмів у порівнянні з МБК, і тому цей препарат більш ефективно вилучає метали з розчинів.

Акумуляція важких металів МБК за рахунок фізико-хімічної сорбції.

Першим етапом вилучення металів є фізико-хімічна сорбція, завдяки якій МБК вилучає 99,6- 99,8 % Hg2+ з розчинів у широкому концентраційному діапазоні, від 20 до 200 мг/л Hg2+ (табл. 3).

Таблиця 3

Акумуляція Hg2+ препаратом МБК (співвідношення мас МБК і розчину 1 : 20)

Концентрація Hg2+, мг/л	Ступінь вилучення металів, R (%)	Коефіцієнт акумуляції металів, Кd
С0 (початкова у розчині)	Ср (рівноважна у розчині)	С (в гранулах МБК)
20	0,08	19,92	99,6	4980
25	0,08	24,92	99,7	6230
50	0,10	49,90	99,8	9980
100	0,20	99,80	99,8	9980
200	0,40	199,60	99,8	9980

МБК поглинає метали як з розчину, що містить разом 18 металів (по 20 мг/л кожного), так і з розчинів, що містять по 1 металу у концентрації 20 мг/л. (рис. 2). Мікроорганізми вилучають переважно двозарядні катіони токсичних металів першої та другої груп елементів (Cu2+, Zn2+, Sr2+, Cd2+, Hg2+), а також CrO42- та Mn2+. МБК акумулює із розчинів 94-98% цих металів за 1 годину, при цьому їх концентрація у розчинах зменшується на 1-2 порядки (з 20 до 0,2-1мг/л). Отже, на першому етапі мікроорганізми вилучають з розчинів тільки за рахунок фізико-хімічних механізмів близько 94,0-99,9% катіонів важких металів, що відносяться до I-VIII груп елементів.

Взаємодія мікроорганізмів препарату МБК з широким спектром металів у фазах А, В та С. Досліди проводили з МБК (асоціація “зброджений осад метантенку”) при масовому співвідношенні МБК та розчину 1:50. Розчин містив 15 металів (по 20 мг/л кожного) з загальною концентрацією метал-іонів 300 мг/л. Тривалість фаз становила: фази А - 1-а - 2-а доба, В - 2-а - 3-тя доба, та С - 3-тя - 6-а доби культивування. Eh знижувався в фазах таким чином: в А - від + 460 до + 320 мВ, у В - від + 320 до 0, а в фазі С - від 0 до - 250 мВ. Приріст біомаси становив у фазі В 0,2 г/л і далі не змінювався.

На рис. 3 показана швидкість акумуляції металів (мг/лдобу) мікроорганізмами у фазах А, В і С. Для більшості металів наявні два, а для Hg2+ - навіть три піки підвищеної швидкості акумуляції металів мікроорганізмами. Акумуляція більшоcті металів мала місце у всіх трьох фазах метаболічної активності, як і передбачалось теоретичною моделлю.

Отримані закономірності можуть бути основою нових біотехнологій, зокрема очистки Hg-вмісних стоків. Для підтвердження цього досліджено вилучення ртуті МБК з модельного та промислового стоку заводу “Каустик” (м. Волгоград).

очистка сток забруднення мікробний

Вилучення Hg2+ з модельних та промислових стоків у діапазоні концентрацій 35-1000 мг/л. Вихідні параметри модельного стоку такі: концентрація Hg2+ =1000 мг/л, Eh= +920 мВ, рН = 2 (рис. 4).



Рис. 4. Вилучення Hg2+ з модельного стоку мікроорганізмами МБК у фазах А, В та С (співвідношення мас МБК та розчину - 1 : 40)

1- Eh, мВ, 2- рН, 3 - концентрація Hg2+ у розчині, мг/л; 4 - D, од. опт. густ. (біомаса).

У фазі А (0-24 год.) відбувались зміни: Eh від +920 до +360 мВ, рН від 2,0 до 6,0 та концентрації Hg2+ - від 1000 до 260 мг/л при відсутності росту. У фазі В (24-36 год.) реєстрували приріст біомаси (від 0 до 0,38 од. опт. густини), зниження Eh - від +360 до +320 мВ та зменшення концентрації Hg2+ від 260 до 120 мг/л. У фазі С Eh та рН не змінювались, а концентрація Hg2+ зменшилась від 120 до 1 мг/л. В фазі А вилучено 74%, в В-88%, і в С-100% Hg2+. Зменшення концентрації Hg2+ корелювало із зниженням Eh мікроорганізмами та їх ростом. Таким чином, МБК вилучав Hg2+ з розчину не тільки завдяки сорбції, але й редуктазної активності мікроорганізмів (Hg2+ + 2e = Hgо, Ео = + 950 мВ).

Визначені закономірності взаємодії МБК з Hg2+ підтверджені при дослідженні очистки стоку заводу “Каустик”, що містив 35 мг/л Hg2+ і солі K+, Na+, Cl-, SO42- та ін. з загальною мінералізацією 60000 мг/л. МБК швидко та ефективно вилучав Hg2+ з стоку: концентрація Hg2+ за 1 годину зменшилась на 4 порядки (з 35 до 0,07 мг/л). Ступінь вилучення Hg2+ становила R = 99,8-99,9 %, а коефіцієнт акумуляції Kd - 14927-20910. Нова порція МБК призводила до зменшення концентрації Hg2+ 0,001 мг/л.

Отже, гранульований препарат МБК на основі збродженого осаду метантенку, ефективно акумулює широкий спектр металів за рахунок послідовної реалізації як фізико-хімічних, так і біологічних механізмів взаємодії з металами.

Взаємодія препарату “змішані мікробні угруповання” (ЗМУ) з металами у широкому концентраційному діапазоні. Властивості ЗМУ передбачають можливість вилучення металів з розчинів у дуже широкому діапазоні концентрацій. Вилучення металів у зникаюче малих концентраціях вивчено на очищеному в аеротенку побутовому стоку (м. Київ), а високих - на штучному стоку з 10000 мг/л Cu2+. ЗМУ містив дві синтрофні асоціації, - мікроорганізми збродженого осаду метантенку (90%) і коров'ячого гною (9%). Активний мул у аеротенках ефективно очищує побутові стоки від металів, проте і після очистки вода містить токсичні метали в залишкових концентраціях (табл. 4). Виходячи з розробленої нами теоретичної моделі, препарат ЗМУ, на відміну від будь-якої окремої асоціації, здатний до подальшого вилучення металів з очищеного стоку. Через 6 годин після внесення ЗМУ у очищений стік, Eh у шарі стоку знизився від +226 до -150 мВ, а в шарі препарату - від -20 до -312 мВ. Метаболічно активні мікроорганізми ЗМУ зменшували концентрацію металів здебільшого на 2-3 порядки, що свідчить про ефективність очистки. Мікроорганізми вилучали всі 17 металів, що відносяться до восьми груп елементів періодичної системи елементів: токсичні важкі метали (Cd, Cr, Zn, Со і Sb), лужноземельні (Са і Ва), рідкісноземельні (Sc, La, Ce, Sm, Th і Hf) та дорогоцінні (Ag і Au). Отже, препарат ЗМУ проявляв при акумуляції металів таку властивість, як універсальність. Привертає увагу той факт, що препарат ЗМУ вилучав з очищеного стоку дорогоцінні метали: концентрація Au зменшилась на 1, а. Ag - на 2 порядки. Звідси випливає, що препарат ЗМУ може бути використаний для видобутку з промислових стоків дорогоцінних металів.

Таблиця 4

Вилучення препаратом “змішані мікробні угруповання” (ЗМУ) металів з очищеного в аеротенку побутового стоку (м. Київ)

№	Група елементів	Метал	Концентрація іонів металів, г/г розчину	Порядок зменшення концентрації металів в стічній воді
			в стічній воді	у препараті ЗМУ
			до очистки	після очистки
1	I	Ag	4,32. 10-5	2,43. 10- 7	6,10 . 10-5	2
2	I	Au	6,12.10- 7	3,00 . 10- 8	5,04 . 10- 7	1
3	II	Ca	7,05.10- 2	1,23 . 10- 3	5,45 . 10- 2	1
4	II	Zn	5,05.10- 3	2,25 . 10- 4	3,02 . 10- 3	1
5	II	Cd	4,15.10- 4	1,43 . 10- 6	1,12 . 10- 4	2
6	II	Ba	2,43.10- 4	2,37 . 10- 6	6,93 . 10- 4	2
7	III	Sc	4,30.10- 6	3,32 . 10- 9	1,42 . 10- 6	3
8	III	La	7,01. 0- 5	8,01 . 10- 8	3,51 . 10- 5	3
9	III	Ce	3,25.10- 5	2,09 . 10- 6	5,61 . 10- 5	1
10	III	Sm	5,02. 10- 6	4,12 . 10- 8	2,33 . 10- 6	2
11	III	Th	3,41 . 10- 6	4,30 . 10- 8	2,10 . 10- 6	2
12	IV	Hf	6,34 . 10- 6	5,25 . 10- 8	3,40 . 10- 6	2
13	V	Sb	4,30 . 10- 5	3,41 . 10- 8	2,13 . 10- 5	3
14	VI	Cr	4,32 . 10- 3	1,15 . 10- 5	2,55 . 10- 3	2
15	VII	Mn	5,42 . 10- 2	2,31 . 10- 4	3,62 . 10- 2	2
16	VIII	Fe	3,07 . 10- 2	3,41 . 10- 3	1,36 . 10- 2	1
17	VIII	Co	6,22 . 10- 6	5,2. 10- 8	8,57 . 10- 6	2

Препарат ЗМУ також ефективно вилучав метали з концентрованих стоків, а саме: за 15 діб він зменшував у модельному стоці концентрацію Cu2+ з 10000 до 125 мг/л (R = 98,75 %). Взаємодія мікроорганізмів ЗМУ з металами призвела до утворення суміші нерозчинних сполук Cu(ІІ) та Cu(І). Про метаболічну активність мікроорганізмів в стоці свідчили знебарвлення резазурину (Eh -100 мВ ), синтез СО2 та наявність рухомих бактеріальних клітин у шарі розчину.

Отримані результати свідчать про можливість застосування мікробних препаратів на основі змішаних мікробних угруповань для очистки промислових стоків від металів у значному концентраційному діапазоні, - від 6 мкг/л до 10000 мг/л.

5. Взаємодія мікробних синтрофних асоціацій та змішаних мікробних угруповань з радіонуклідами. Особливістю рідких радіоактивних відходів (РРВ) є дуже мала концентрація радіоактивних металів (радіонуклідів) у розчинах: долі мікрограмів 90Sr, 60Co зумовлюють активність n10-5 - n10-6 Кі/кг. Отже, знешкодження РРВ фактично є їх очищення від металів у зникаюче малих концентраціях. Очевидно, що ефективність очистки пропорційна концентрації мікробних клітин у РРВ. Препарати МБК та ЗМУ на 90-95% складаються з мікроорганізмів, і саме тому вони ефективно вилучають радіонукліди з РРВ.

Вилучення широкого спектру радіонуклідів гранульованим препаратом МБК. МБК, виготовлений із збродженого осаду метантенку, ефективно очищує РРВ Інституту ядерних досліджень НАН України від широкого спектру радіонуклідів. Мінімальну ефективність акумуляції МБК проявив щодо 134Cs: активність розчину зменшилась на 1 порядок. На 2 порядки зменшилась активність 226Ra, на 3 - 144Се, на 4 - 137Cs. Для інших радіонуклідів активність зменшилась на 5-6 порядків (табл. 5).

Таблиця 5

Вилучення радіонуклідів МБК (час -3 доби, вагове співвідношення МБК до РРВ 1:2)

Радіонуклід	Об'ємна активність радіонуклідів, Кi/кг	Порядок зменшення активності РРВ
	вихідна в РРВ	в МБК	в РРВ після очистки
51Сr	3,90 10-7	1,18 10-8	1,0 10-12	6
54Мn	6,70 10-8	4,72 10-8	1,0 10-12	5
60Со	1,09 10-6	5,3 10-7	5,36 10-11	5
90Sr	3,52 10-7	3,39 10-7	1,0 10-12	6
134Cs	3,84 10-8	2,36 10-8	1,16 10-9	1
137Cs	1,3610-5	7,81 10-6	3,36 10-9	4
140La	7,01 10-8	9,67 10-9	1,0 10-12	5
144Се	6,17 10-6	3,50 10-8	7,22 10-9	3
226Ra	1,21 10-6	1.11 10-6	7,60 10-8	2
83Rb	6,22 10-7	4,16 10-7	1,0 10-12	6

Примітка: 1 - поріг чутливості спектрометра становить 1,0 10-12 Ki / кг

Акумуляція 238U, 239Рu і 241Аm мікроорганізмами препарату ЗМУ. Уран та трансуранові елементи містяться у промислових стічних водах уранових копалин, гірничо-збагачувальних комбінатів, та ін. Мікробну акумуляцію 238U, 239Рu та 241Аm вивчали за допомогою гранульованого препарату ЗМУ, що складався з суміші асоціацій та джерел живлення. Радіонукліди вилучалися метаболічно активними мікроорганізмами: у розчині за 15 годин Eh розчину знизився від +50 до -100 мВ, а через 18 годин спостерігали збільшення оптичної густини внаслідок розмноження мікроорганізмів. Гранули ЗМУ названі нами “макрофазою”, а окремі мікробні клітини в шарі РРВ - “мікрофазою”. З представлених даних (табл. 6) видно, що переважна частина активності розподілена у макрофазі. Проте мікрофаза значно підвищувала ефективність вилучення радіонуклідів: при співвідношеннях МБК до РРВ як 1:100, так і 1:20, за рахунок мікрофази коефіцієнт акумуляції радіонуклідів Kd збільшувався на порядок. При збільшенні кількості гранул у 5 разів, R збільшувався на 0,9% для 238U і на 0,7% для 239Pu та 241Am.

автореферат "Біотехнології очищення промислових стічних вод на основі термодинамічного прогнозування взаємодії мікроорганізмів з металами та радіонуклідами" скачать

Подобные документы

• Морфологічні властивості мікроорганізмів

  Основні концепції виду в бактеріології. Особливості визначення систематичного положення мікроорганізмів. Значення морфологічних властивостей в сучасній систематиці мікроорганізмів. Механізм ідентифікації мікроорганізмів на основі морфологічних ознак.
  
  курсовая работа [5,8 M], добавлен 30.01.2016
  

• Морфологічні властивості мікроорганізмів

  Особливості визначення систематичного положення мікроорганізмів. Виявлення взаємозв'язку між морфологічними властивостями та ідентифікацією сапрофітних мікроорганізмів. Дослідження кількісних та якісних закономірностей формування мікрофлори повітря.
  
  курсовая работа [3,7 M], добавлен 26.01.2016
  

• Мікроорганізми у біотехнологічному виробництві

  Біотехнологія мікроорганізмів та їх різноманітний світ. Створення мікроорганізмів-продуцентів та отримання генетичних рекомбінантів. Застосування рекомбінантних ДНК для переносу природних генів. Виробництво харчових білків, амінокислот та вітамінів.
  
  реферат [21,8 K], добавлен 16.01.2013
  

• Нормальна мікрофлора людини

  Характеристика фізіологічних груп мікроорганізмів людини, їх морфологічні ознаки, вплив на організм. Розробка профілактичних заходів. Мікрофлора у лікуванні та захисті людського організмі. Шляхи проникнення мікроорганізмів у тканини і порожнини тіла.
  
  курсовая работа [563,2 K], добавлен 06.08.2013
  

• Фізико-хімічні методи одержання наноматеріалів

  Фундаментальні принципи, методи, перспективи розвитку і застосування нанотехнологій з використанням мікроорганізмів та продуктів їх життєдіяльності. Виробництво наноматеріалів за допомогою мікроорганізмів, використання їх специфічних властивостей.
  
  курсовая работа [1,2 M], добавлен 21.01.2016
  

• Технологія біосинтезу амінокислот

  Дослідження штамів мікроорганізмів. Використання мутантів мікроорганізмів. Промисловий синтез амінокислот. Мікробіологічний синтез глутамінової кислоти, лізину, метіоніну, треонина, ізолейцину та триптофану. Ход реакцій і блокуванням етапів синтезу.
  
  реферат [34,9 K], добавлен 25.08.2010
  

• Мікроорганізми ґрунту. Самоочищення ґрунту

  Характеристика ґрунту як середовища проживання мікроорганізмів. Дослідження методів визначення складу мікроорганізмів. Аналіз їх ролі у формуванні ґрунтів та їх родючості. Біологічний кругообіг в ґрунті. Механізм дії мінеральних добрив на мікрофлору.
  
  реферат [96,7 K], добавлен 18.12.2014
  

• Іммобілізація ферментів та клітин мікроорганізмів

  Особливості та основні способи іммобілізації. Характеристика носіїв іммобілізованих ферментів та клітин мікроорганізмів, сфери їх застосування. Принципи роботи ферментних і клітинних біосенсорів, їх використання для визначення концентрації різних сполук.
  
  реферат [398,4 K], добавлен 02.10.2013
  

• Екстремальні гіпертермофільні археї

  Історія вивчення гіпертермофільних мікроорганізмів, їх систематичне положення, середовища існування (наземні і морські біотопи). Морфологічні, фізіологічні і культуральні особливості архей; механізми їх термофілії. Практичне використання в біотехнології.
  
  дипломная работа [1,8 M], добавлен 17.09.2010
  

• Використання енергії неорганічних субстратів літотрофами. Особливості дихання ланцюга літотрофів

  Основна характеристика літотрофів - мікроорганізмів, що використовують неорганічні речовини у якості відновлюючих агентів для біосинтезу. Енергетичний метаболізм бактерій. Класифікація літотрофних бактерій. Роль літотрофних мікроорганізмів у природі.
  
  реферат [34,8 K], добавлен 10.04.2011
  

• Біотехнологія як наука

  Історія розвитку та застосування біотехнології - комплексу наук, технічних засобів, спрямованих на одержання і використання клітин мікроорганізмів, тварин і рослин, а також продуктів їх життєдіяльності: ферментів, амінокислот, вітамінів, антибіотиків.
  
  реферат [27,9 K], добавлен 07.12.2010
  

• Інформаційні технології в біології

  Сучасний стан проблеми інформаційних технологій в молекулярній та клітинній біології. Приклади створення відповідних математичних і комп'ютерних моделей та програм: модель віртуальної клітини та гідролізу крохмалю. Моделювання очищення стічних вод.
  
  контрольная работа [21,7 K], добавлен 26.12.2010
  

• Участь мікроорганізмів в кругообігу азоту

  Суть процесу перетворення азоту мікроорганізмами. Характеристика бульбочкових бактерій та вільноживучих азот-фіксаторів. Опис процесів амоніфікації, нітрифікації, денітрифікації. Особливості використання бактеріальних препаратів в сільському господарстві.
  
  курсовая работа [1,6 M], добавлен 21.09.2010
  

• Характеристика біосинтетичної активності мікробних продуцентів органічних кислот та вплив на неї основних факторів (на прикладі обраної культури)

  Ідентифікація лимонної кислоти в якості продукту метаболізму цвільових грибів. Реалізація синтезу лимонної кислоти у мікроорганізмів. Варіанти синтезу в виробництві кислоти (незмінний, незмінний із доливами, метод плівок). Характеристика умов ферментації.
  
  контрольная работа [23,3 K], добавлен 12.03.2016
  

• Концепція атомізму й елементарні частки. Пізнання речовин і хімічні системи

  Революція в природознавстві й виникнення вчення про будову атома, подальший розвиток концепції атомізму. Групування елемантарних часток, типі взаємодії. Кваркова модель адронів М. Гелл-Мана. Концептуальні рівні в пізнанні речовин і хімічні системи.
  
  реферат [18,9 K], добавлен 19.06.2010
  

• Використання генетичної інженерії для створення нових сортів с/г рослин

  Використання методів біотехнології для підвищення продуктивності сільськогосподарських культур. Розширення і покращення ефективності біологічної фіксації атмосферного азоту. Застосування мікроклонального розмноження. Створення трансгенних рослин.
  
  курсовая работа [49,7 K], добавлен 23.07.2011
  

• Стан біотехнології у світі та в Україні зокрема. Біотехнологічна компанія Amgen

  Використання досягнень біотехнологічної науки у сфері охорони здоров'я, в репродукції, у харчовій промисловості, у сфері природокористування. Аналіз перспектив розвитку комерційної біотехнології в Україні. Технологія створення рекомбінантної ДНК.
  
  презентация [7,4 M], добавлен 27.05.2019
  

• Вплив іонів міді, кадмію та заліза на активність та ізоферментний спектр гваякол пероксидази тютюну

  Дія стресу, викликаного іонами важких металів. Дослідження змін активності гваякол пероксидази та ізоферментного спектру гваякол пероксидази рослин тютюну в умовах стресу, викликаного важкими металами. Роль антиоксидантної системи в захисті рослин.
  
  курсовая работа [1,6 M], добавлен 31.12.2013
  

• Генетично модифіковані організми та їх вплив на людину

  Основні етапи створення генетично модифікованих організмів. Експресія генів у трансформованій клітині. Селекція трансформованого біологічного матеріалу (клону) від нетрансформованого. Перспективні методи рішення проблеми промислових забруднювачів.
  
  презентация [5,1 M], добавлен 05.03.2014
  

• Цитокіни в центральній нервовій системі

  Механізми дії та функції цитокінів у нервовій системі, їх взаємодії на рівні головного мозку. Рецептори цитокінів в межах центральної нервової системи (ЦНС). Стимуляція гіпоталамо-гіпофізарно-адреналової системи як доказ прямого впливу цитокінів на ЦНС.
  
  реферат [5,7 M], добавлен 13.11.2013
  

Другие документы, подобные "Біотехнології очищення промислових стічних вод на основі термодинамічного прогнозування взаємодії мікроорганізмів з металами та радіонуклідами"

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам