Метод биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт естествознания Калужского государственного университета им. К.Э. Циолковского

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Метод биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae

03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Гаранин Роман Анатольевич

Москва - 2011

Работа выполнена на кафедре ботаники, микробиологии и экологии Института естествознания Калужского государственного университета им. К.Э. Циолковского.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, Лыков Игорь Николаевич профессор

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, Ильин Вячеслав Константинович профессор

кандидат биологических наук, Кусачёва Светлана Александровна доцент

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН

Защита диссертации состоится «30» ноября 2011г. в 10 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.111.02 при Учреждении Российской академии наук «Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем РАН» (ГНЦ РФ - ИМБП РАН) по адресу: 123007, Москва, Хорошевское шоссе, дом 76-А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - ИМБП РАН

Автореферат размещен на Интернет-сайте Высшей аттестационной комиссии (ВАК) Министерство образования и науки РФ: vak.ed.gov.ru

Автореферат диссертации разослан «22» октября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук Назаров Н.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

В настоящее время проблема химического загрязнения природных пресных и морских водоемов является крайне актуальной. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в воде растворенного кислорода, ее pH, прозрачности, цветности и других свойствах. Все это отрицательно влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность водоемов к самоочищению.

Среди химических веществ, загрязняющих гидросферу, тяжелые металлы и их соединения образуют значительную группу токсикантов, оказывающих негативное воздействие на человека и окружающую среду. Основными источниками тяжелых металлов загрязняющих окружающую среду являются металлургия и гальванические цеха промышленных предприятий.

Традиционно воду от соединений тяжелых металлов очищают путем перевода их в нерастворимые в воде соединения, которые затем удаляют отстаиванием, флотацией, фильтрацией и другими способами разделения твердой и жидкой фаз. Но, несмотря на существующее разнообразие физико-химических методов, они не всегда отвечают требованиям экологической безопасности и экономической эффективности. Так, в ряде случаев после очистки гальванических сточных вод традиционными методами, в относительно чистой воде присутствует остаточное количество тяжелых металлов. Часто отмечается перегруженность и низкая эффективность работы очистных сооружений. Поэтому проблема очистки сточных вод на сегодняшний день остается актуальной. Решать ее можно не только физико-химическими методами, но и с использованием биологических методов, а возможно и комплексно.

Использование биологических методов является одним из перспективных направлений в очистке сточных вод, как бытовых, так и промышленных. Одним из таких методов является биосорбция металлов из растворов, в основе которой лежит способность микроорганизмов аккумулировать катионы различных металлов, извлекая их из растворов. Это может быть использовано для очистки промышленных сточных вод от металлов.

На сегодняшний день пивоваренные компании России имеют значительное количество дрожжевых отходов, которые могли бы быть использованы в качестве сорбентов тяжелых металлов в технологической схеме очистки промышленных сточных вод.

Однако в литературе приводятся противоречивые данные о поведении микроорганизмов в присутствии токсикантов, в частности тяжелых металлов, о специфической и неспецифической сорбционной способности микробных клеток.

Это определило актуальность проблемы, а также цель и задачи настоящей работы.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка метода биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать показатель эффективности сорбции тяжелых металлов живыми пивоваренными дрожжами Saccharomyces cerevisiae в сравнении с биосорбентами на их основе в модельных средах.

2. Исследовать и выявить пороговые концентрации цинка, никеля и меди в модельной среде, при которых живая культура дрожжей сохраняет высокие значения выживаемости и эффективности сорбции.

3. Исследовать процесс биосорбции тяжелых металлов дрожжами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод. Выявить оптимальные условия эффективности биосорбции тяжелых металлов. Разработать оптимальные технологические параметры для очистки или доочистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

4. Разработать технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Научная новизна

В работе впервые получены экспериментальные данные, подтверждающие возможность использования живых культур пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в качестве биологического сорбента тяжелых металлов из сточных вод промышленных предприятий.

Впервые получены данные о микробиологических и физико-химических особенностях процесса биосорбции тяжелых металлов живыми дрожжами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод, содержащих тяжелые металлы, c привлечением показателей выживаемости и эффективности сорбции дрожжей.

Выявлены основные принципы, этапы и условия, при которых эффективность сорбции тяжелых металлов живыми дрожжами достигает максимальных значений.

Определены оптимальные технологические параметры процесса биосорбции (рН, температура, концентрация биосорбента, продолжительность экспозиции) очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Разработан технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Оценена возможность эффективного использования предлагаемой технологии в производственных условиях.

Выполненные исследования вносят дополнительный вклад в понимание механизмов пассивной и активной биосорбции живыми дрожжевыми клетками тяжелых металлов, содержащихся в сточных водах промышленных предприятий.

Практическая ценность

Практическая значимость настоящей работы состоит в том, что предлагаемые технологические параметры и технологический регламент могут быть использованы для очистки или доочистки сточных вод промышленных предприятий (имеющих в своем составе гальванические цеха и т.п.) от тяжелых металлов.

Сорбционные способности живых дрожжей Saccharomyces cerevisiae позволяют значительно снизить концентрацию тяжелых металлов в промышленных сточных водах. В случае загрязнения сточных вод цинком, никелем и медью живые дрожжи Saccharomyces cerevisiae способны снижать концентрацию тяжелых металлов в 75, 15 и 6 раз соответственно.

Разработан технологический регламент выполнения работ по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием живой культуры дрожжей Saccharomyces cerevisiae, который может быть использован в процессе очистки или доочистки сточных вод гальванических цехов промышленных предприятий. Регламент прошел предварительную апробацию на Калужском заводе телеграфной аппаратуры при очистке сточных вод гальванического цеха от тяжелых металлов.

Личный вклад автора

Личный вклад диссертанта состоял в выполнении исследования сравнительной биосорбционной способности различных биосорбентов на основе дрожжей в отношении к катионам тяжелых металлов.

Автор лично подготовил и провел экспериментальные исследования по выявлению оптимальных условий биосорбции живыми дрожжами катионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод.

Разработан технологический регламент по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием живой дрожжевой культуры Saccharomyces cerevisiae.

Положения выносимые на защиту

1. Установлено, что использование живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в качестве биосорбента для очистки или доочистки промышленных сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов является эффективным методом.

2. Выявлены оптимальные параметры биосорбции тяжелых металлов живыми дрожжевыми культурами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод.

3. Разработан технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Апробация и внедрение результатов исследования

Материалы диссертации докладывались на научных чтениях 6-го Международного конгресса «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК - 2004, г. Москва; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2005; на XL Научных чтениях им. К.Э.Циолковского - 2005, г. Калуга; на «Открытой университетской научно-технической конференции» (секция Ботаники и Экологии) КГПУ им. К.Э. Циолковского - 2006, г. Калуга; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2006; на симпозиуме «The Problems of Space Microbiology» Материалы 4^th International Workshop for Space Microbiology Научных Чтений 41 - ST K.E. TSIOLKOVSKY MEMORIAL CONFERENCE - 2006, Калуга; на Региональной научно-практической конференции по теме «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» - 2007; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2008; на XLIII Научных чтениях им. К.Э.Циолковского - 2008, г. Калуга; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2009; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана - 2010.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ФБГОУ ВПО Калужского государственного университета им. К.Э. Циолковского при формировании курса лекций и лабораторно-практических занятий «Экологическая токсикология».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них две в журналах рекомендованных ВАК («Вестник» при МГТУ им. Н.Э. Баумана из цикла «Естественные науки» - 2008 и «АГРО XXI ВЕК» - 2008).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, обсуждения полученных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Объем основного текста составляет 150 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 20 таблиц. Список литературы объединяет 290 наименований источников, из них 98 отечественных и 192 зарубежных автора. Объем приложения - 18 страниц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, научная новизна и практическая значимость. Сформулированы цели и задачи исследования.

1. Сравнительные особенности биосорбции, биоаккумуляции и детоксикации катионов тяжелых металлов микроорганизмами и дрожжами (S. Cerevisiae) (обзор литературы)

В первой главе диссертации проведен литературный обзор и сравнение методов физико-химической очистки. При этом выявлен ряд недостатков, которые в большинстве случаев устраняются с помощью биологической доочистки разработанного нами технологического регламента. Подробно были изучены литературные источники, относящиеся к выявлению решающих факторов внешней среды, влияющих на биосорбцию тяжелых металлов микроорганизмами. Было уделено пристальное внимание особенностям строения и химического состава дрожжей и других микроорганизмов для наиболее полного понимания природы биосорбции тяжелых металлов. Всесторонне рассмотрены различные литературные источники, описывающие физико-химические и биохимические механизмы, лежащие в основе биосорбционных способностей микроорганизмов. Проведеное широкое аналитическое исследование работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных изучению биосорбционных, биоаккумаляционных и детоксикационных свойств различных микроорганизмов в отношении тяжелых металлов показало, что исследований по изучению биосорбционных свойств живых дрожжей в отношении тяжелых металлов, растворенных в сточных водах промышленных предприятий, не существует. Большой объем литературы не дает всеобъемлющей картины, целью которой является данная работа.

2. Методы исследования

Вторая глава посвящена вопросам организации проведения исследовательской работы, выбору и обоснованию методов исследования, в частности: сточный никель цинк биосорбция

· методике культивирования дрожжевой культуры, для дальнейшего использования полученной биомассы в исследовании;

· методике получения и подготовки биосорбентов на основе дрожжевой биомассы для исследований;

· методике подготовки модельных сред на основе сточной воды с повышенным содержанием тяжелых металлов (цинка, никеля и меди) и промышленного сусла;

· методике проведения физико-химических исследований.

В качестве биосорбента использовали три штамма пивоваренной дрожжевой культуры (Saccharomyces cerevisiae).

Выбранные для исследований тяжелые металлы (цинк, никель и медь) являются основными загрязнителями в сточных водах гальванических цехов.

Для оценки выживаемости дрожжевой культуры использовали количественный микроскопический метод дифференцированного окрашивания водным раствором метиленового синего в камере Горяева.

Значение эффективности сорбции биосорбентов на основе дрожжей рассчитывали по формуле:

где Е - значение эффективности;

С_k (мг/дм³) - конечная концентрация металла в среде по окончании эксперимента;

С_n (мг/дм³) - начальная концентрация металла в растворе до эксперимента.

Для оценки содержания тяжелых металлов в модельных растворах и сточных водах использовали метод атомно-абсорбционной спектроскопии.

Математико-статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом малых выборок по Стьюденту. Вычисление значений среднего арифметического (х), среднего квадратичного отклонения (у), коэффициента корреляции (r) рассчитывали по формуле:

где r - коэффициент корреляции;

x и y - средние выборочные значения сравниваемых величин;

x_i и y_i- частные выборочные значения сравниваемых величин;

n - общее число величин в сравниваемых рядах показателей;

и - дисперсии, отклонения сравниваемых величин от средних величин. Каждый эксперимент проводился в 10-15-ти кратной повторности.

Математические расчеты и построение графиков осуществляли на персональном компьютере с помощью лицензионных программных пакетов MS Excel 2003 и Minitab14.0.

3. Результаты собственных исследований

3.1 Сравнение биосорбционных свойств дрожжей и биосорбентов на их основе

Сорбционную способность дрожжей (SC1, SC2, SC3, сухие дрожжи) и биосорбентов на их основе (активированный хитин-глюкановый комплекс) исследовали на модельных средах, содержащих соли меди, никеля и цинка (хлориды и сульфаты). Концентрация дрожжей в модельных средах составила 5 г/дм³, а активированный хитин-глюкановый комплекс добавляли в количестве 1,5 г/дм³. Концентрация меди, никеля и цинка в модельной среде составила соответственно 40,0 мг/дм³, 100,0 мг/дм и 20,0 мг/дм³.

Установлено, что через 24 ч при температуре 29°C концентрация тяжелых металлов в модельных средах с дрожжами SC1, SC2, SC3 снижалась до следующих значений: медь (2,7 мг/дм³; 3,2 мг/дм³ и 5,4 мг/дм³), никель (5,3 мг/дм³, 11,5 мг/дм³ и 15,0 мг/дм³) и цинк (0,04 мг/дм³, 2,2 мг/дм³ и 0,60 мг/дм³). Таким образом, концентрация снижалась на 65,2% - 99,6%.

При этом наименьшая сорбционная способность наблюдалась у хитин-глюканового комплекса и сухих дрожжей, и концентрация тяжелых металлов снижалась до следующих значений: медь (11,2 мг/дм³ и 11,9 мг/дм³), никель (32 мг/дм³ и 34 мг/дм³) и цинк (7,2 мг/дм³ и 7,7 мг/дм³) (рис. 1).

Об этом свидетельствует также сопоставление значения по эффективности сорбции тяжелых металлов. Как показано на рисунке 2, эффективность сорбции тяжелых металлов сухими дрожжами и хитин-глюкановым комплексом значительно ниже, чем при осуществлении ее дрожжами SC1, SC2, SC3.

Рис. 1. Остаточное количество тяжелых металлов в модельной среде после обработки дрожжами и сорбентами

Рис. 2. Эффективность сорбции тяжелых металлов из модельной среды дрожжами и сорбентами

Полученные результаты можно объяснить тем, что хитин-глюкановый комплекс и сухие дрожжевые клетки содержат в своем составе большое количество хитина, характеризующегося большим разнообразием функциональных групп. Он содержит гидроксильные, карбонильные, амидные, ацетиламидные группы и кислородные мостики. В зависимости от условий воздействия хитина выделяются такие процессы, как: комплексообразование, ионный обмен и поверхностная адсорбция. Однако чаще всего преобладает хелатное комплексообразование, обусловленное высокой электронодонорной способностью атомов азота и кислорода.

В тоже время, механизм сорбции тяжелых металлов живыми дрожжами отличается динамичностью за счет образования различных веществ, участвующих в метаболизме детоксикации. К числу таких веществ можно отнести глутатион, металлотионеины, фитохелатины и ряд промежуточных соединений. Эти вещества выступают как звенья одной цепи, приводящей к связыванию тяжелых металлов внутри клеток.

Результаты исследования показали, что доля сорбции, приходящаяся на механизм «пассивной» метаболизм-независимой сорбции для живых дрожжей принимает некоторое конечное значение. Ее эффективность может быть выражена в процентах. Это значение для исследуемых штаммов дрожжей приблизительно равно: для меди (? 25 %), никеля ( ? 27 %) и цинка ( ? 22 %). В таком случае на долю «активной» метаболизм-зависимой сорбции приходятся гораздо большие значения, которые в числовом выражении могут быть представлены в виде эффективности метаболизм-зависимой сорбции для меди (от 40 до 58 %), для никеля (от 40 до 61 %) и для цинка (от 55 до 78%). Таким образом, установлено, что преобладающим механизмом у живых культур дрожжей является «активная» метаболизм-зависимая сорбция, неотъемлемо связанная с процессом детоксикации тяжелых металлов дрожжами.

Учитывая полученные результаты, в дальнейших экспериментах мы сочли нецелесообразным использовать сухие дрожжи и дрожжевой хитин в качестве сорбентов.

3.1.1 Исследование сорбционных свойств дрожжей на модельной жидкой среде

В эксперименте использовали живые дрожжи SC1, SC2, SC3 и смесь штаммов MIX, состоящую из штаммов SC1 - 50%, SC2 - 20% и SC3 - 30%. Смесь штаммов MIX в таком процентном соотношении соответствует продукту утилизации дрожжей после окончания производственного цикла на пивоваренном заводе.

Исследования показали, что наилучшая эффективность сорбции хлорида цинка наблюдалась у дрожжей SC1, SC3 и смеси штаммов MIX. Штаммы дрожжей SC2 при равных условиях сорбировали хлорид цинка менее активно.

Следует отметить, что наиболее эффективно и экономически целесообразно сорбция хлорида цинка происходит при его содержании в модельном растворе до 1600 мг/дм³, что соответствует эффективности сорбции более 50% (рис. 3). Для дрожжей штамма SC2 оптимальная эффективность сорбции хлорида цинка ограничивалась концентрацией 600 мг/дм³. Зависимость между концентрацией цинка в среде и его конечной концентрацией после обработки среды дрожжами была изучена с помощью корреляционного анализа. При этом значение коэффициента корреляции (r) составило 0,9836.

Несколько иная картина наблюдается при исследовании эффективности сорбции клетками дрожжей сернокислой меди и сернокислого никеля. В этом случае все штаммы дрожжей обладали примерно одинаковой сорбционной способностью (рис. 4, 5). Но штаммы дрожжей SC1 обладали несколько большей эффективностью, а штаммы дрожжей SC3 - более низкой. Зависимость между концентрацией никеля и меди в среде и их конечной концентрацией после обработки среды дрожжами была изучена с помощью корреляционного анализа. Установлено, что значение коэффициента корреляции (r) для никеля составило 0,9599 и для меди составило 0,9404.

Рис. 3. Эффективность сорбции хлорида цинка различными штаммами дрожжей

Рис. 4. Эффективность сорбции сернокислой меди различными штаммами дрожжей

Полученные значения коэффициентов корреляции по всем исследуемым металлам указывают на тесную корреляционную зависимость между их исходной концентрацией и остаточной концентрацией после биосорбции.

Наиболее эффективно и экономически целесообразно сорбция сернокислой меди и сернокислого никеля происходит при их содержании в модельном растворе соответственно 300 мг/дм³ и 3600 мг/дм³. Увеличение концентрации солей тяжелых металлов выше указанных концентраций ведет к резкому снижению сорбционной способности дрожжей. Это может быть связано с ингибирующим действием солей тяжелых металлов на дрожжевые клетки, что подтверждается результатами проведенных исследований (рис. 6).

Установлено, что дрожжевые клетки обладают хорошей способностью адсорбировать соли тяжелых металлов в концентрациях, не приводящих к гибели более 50% клеток. Если концентрация тяжелых металлов в сточных водах не будет превышать пороговые значения, то необходимость в предварительном применении физико-химических методов очистки отпадает. Но если пороговые концентрации тяжелых металлов превышены, то сточные воды необходимо предварительно очистить с помощью физико-химических методов, а затем провести доочистку с привлечением дрожжевой биомассы.

Рис. 5. Эффективность сорбции сернокислого никеля различными штаммами дрожжей

Рис. 6. Выживаемость дрожжевых клеток при различных концентрациях солей тяжелых металлов

Следует отметить толерантность используемых штаммов дрожжей по отношению к высоким концентрациям катионов металлов Ni и Zn (рис. 6).

3.1.2 Исследование тенденций выживаемости дрожжей при различных концентрациях катионов тяжелых металлов

Для исследования выживаемости дрожжевых культур использовали модельные среды, которые содержали 13-ти процентное пивоваренное сусло и растворенные в нем соли тяжелых металлов (сульфат меди, сульфат никеля и хлорид цинка). Нами была изучена выживаемость каждого из используемых тест-штаммов дрожжей (SC1, SC2, SC3) в зависимости от концентрации каждого из тяжелых металлов в модельной среде. Для оценки выживаемости дрожжевых культур использовался метод дифференцированного окрашивания клеток дрожжей в камере Горяева.

В ходе исследования установлено, что выживаемость дрожжей (до 60 %) соответствуют концентрации катионов меди более 117,0 мг/дм³ .

Дальнейшее увеличение концентрации катионов меди в модельной среде приводит к значительному уменьшению выживаемости дрожжей. Следует отметить, что все культуры (SC1, SC2, SC3) характеризуются сопоставимыми значениями выживаемости при одинаковых концентрациях катионов меди. При этом наибольшие показатели выживаемости отмечены у дрожжей SC1, а наименьшие у дрожжей SC3.

Зависимость между величиной выживаемости и значением концентрации катионов меди была изучена с помощью корреляционного анализа. При этом коэффициент корреляции (r) между показателем выживаемости и значениями концентрации катионов меди в среде составил 0,9535, что указывает на весьма тесную отрицательную корреляционную связь между этими показателями. Отрицательный характер корреляции говорит об уменьшении одного признака при увеличении другого.

Выявлено, что незначительное уменьшение выживаемости дрожжей (до 70 %) происходит по мере увеличения концентрации катионов никеля до 1620,0 мг/дм³ .

Дальнейшее увеличение концентрации катионов никеля в модельной среде приводит к более значительному уменьшению выживаемости дрожжей. Следует отметить, что все культуры (SC1, SC2, SC3) характеризуются сопоставимыми значениями выживаемости при одинаковых концентрациях катионов никеля. Но наибольшие показатели выживаемости наблюдаются у дрожжей SC1, а наименьшие у дрожжей SC3. При этом коэффициент корреляции между показателем выживаемости и значениями концентрации катионов никеля в среде составил 0,9525.

При концентрации катионов цинка в сточной воде 288,0 мг/дм³ выживаемость дрожжей составляет более 90 %. Дальнейшее увеличение концентрации катионов цинка в сточной воде приводит к значительному уменьшению выживаемости дрожжей.

Сравнение между показателями выживаемости дрожжей и значениями концентрации катионов цинка в среде показало, что между ними имеется четкая корреляционная зависимость, коэффициент корреляции 0,9943.

Полученные нами результаты позволяют сделать вывод о зависимости выживаемости дрожжей от концентрации катионов тяжелых металлов в модельной среде.

Наиболее устойчивым к воздействию меди и никеля из трех исследуемых штаммов является SC1, а наименее устойчивым - SC3. Наиболее устойчивым к воздействию цинка оказался штамм SC1, а наименее устойчивым - SC2. Полученные данные свидетельствуют о специфичности каждого из исследуемых штаммов по отношению к катионам тяжелых металлов. Также необходимо отметить некоторое сходство в реакции трех исследуемых штаммов на увеличение концентрации катионов тяжелых металлов. Сходство заключается в наименьшей устойчивости штаммов (SC1, SC2, SC3) в присутствии ионов меди. Наибольшая устойчивость исследуемых штаммов отмечается в присутствии ионов никеля. Такую специфику можно объяснить особенностями вида Saccharomyces cerevisiae, представителями которого являются исследуемые нами культуры дрожжей.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования дрожжей для удаления тяжелых металлов из промышленных сточных вод.

3.2 Выявление оптимальных условий биосорбции тяжелых металлов дрожжами из промышленных сточных вод

3.2.1 Влияние количества биомассы дрожжей на эффективность сорбции тяжелых металлов

Для изучения влияния количества биомассы дрожжей на сорбцию цинка, никеля и меди в сточные воды вносили дрожжи в количествах от 5,0 до 10,0 г/дм³ (в пересчете на сухое вещество). С экспозицией в сточной воде 24 ч, при температуре 29 °С, рН = 8. Сточные воды прошли предварительную физико-химическую очистку в связи с тем, что начальная концентрация тяжелых металлов превышала пороговые значения для исследуемых штаммов дрожжей.

Нами установлено, что эффективность сорбции солей цинка при добавлении в сточную воду биомассы дрожжей в соотношении 5 г на 1 дм³ составляет не менее 96% (рис. 7). Увеличение биомассы дрожжей с 5 г до 10 г на 1 дм³ сточной воды приводит к увеличению эффективности сорбции (на 2,1 - 2,3 %). Такая зависимость характерна для всех четырех исследуемых сорбентов. Таким образом, целесообразно использовать биомассу с концентрацией дрожжей в 5,0 г/дм³ в отношении сорбции цинка. При этом коэффициент корреляции между показателем эффективности сорбции и значениями концентрации биомассы дрожжей в среде в присутствии катионов цинка составил 0,9957.

Иная картина наблюдалась при сорбции никеля биомассой дрожжей. Увеличение биомассы от 5,0 г/дм³ до 10,0 г/дм³ приводит к увеличению эффективности сорбции никеля, более чем в 2 раза (рис. 7). Так эффективность сорбции: у SC1 увеличивается на 41,5 %, у SC2 - на 45,3 %, у SC3 - на 35,8 %, для MIX - на 47,2 %. Поэтому целесообразно увеличивать биомассу дрожжей с увеличением концентрации никеля в сточных водах. При этом коэффициент корреляции составил 0,9933.

Аналогичную тенденцию мы обнаруживаем по отношению к меди. Повышение величины биомассы дрожжей вдвое приводит к увеличению эффективности сорбцией меди в 2 раза. При этом эффективность сорбции у SC1 увеличивается на 25,0 %, у SC2 - на 28,3 %, у SC3 - на 28,3 %, а у штамма MIX - на 30,0 %. Коэффициент корреляции составил 0,9925.

Рис. 7. Эффективность сорбции катионов тяжелых металлов в зависимости от концентрации дрожжей

Таким образом, сравнивая полученные результаты, следует отметить, что увеличение биомассы дрожжей вдвое не всегда означает значительное увеличение эффективности сорбции. В случае с цинком эффективность сорбции увеличивается всего на 2,3 %. Но значения эффективности по цинку сами по себе высоки, даже при концентрации дрожжей в сточной воде 5 г/дм3 и составляют 95,7 - 96,1%. Для никеля увеличение биомассы вдвое обеспечивает повышение эффективности сорбции на 47,2%, а для меди - на 30%. Более наглядно тенденция отображена на рисунке 7. Такие значения могут быть признаком штамм-специфичности, а также особенностями самих сорбируемых катионов металлов.

3.2.2 Влияние условий среды на эффективность сорбции дрожжами тяжелых металлов

В эксперименте использовали дрожжи SC1, SC2, SC3 и смесь штаммов MIX. В сточные воды, содержащие цинк, никель и медь, вносили биомассу дрожжей в количествах от 5,0 до 10,0 г/дм³ (в пересчете на сухое вещество). С целью повышения эффективности сорбции дрожжами промышленные сточные воды были откорректированы в трех вариантах:

1. pH = 5,5;

2. pH = 8 с добавкой 1% сахарозы;

3. pH = 5,5 с добавкой 1% сахарозы.

В результате исследования установлено, что через 24 ч при температуре 29 °C концентрация катионов цинка в среде снижается не менее чем на 96,1%. Максимальные значения эффективности сорбции отмечены при соотношении биомассы дрожжей и сточной воды 10 г на 1 дм³ и корректировкой среды (вар. III) 98,7 %. Добавление 1 % сахарозы при рН=8 (вар. II) не приводит к существенному увеличению эффективности сорбции катионов цинка, т.к. она изначально была достаточно высокой. Аналогичная картина наблюдалась и при значении рН сточной воды равным 5,5 (вар. I). Наряду с этим эффективность сорбции цинка увеличилась при корректировке среды, в сравнении с эффективностью сорбции из среды без корректировки.

Таким образом, не целесообразно проводить корректировку среды, для повышения эффективности сорбции дрожжами катионов цинка из среды. Кроме того, все исследуемые штаммы и без того показывают довольно высокие значения эффективности сорбции в отношении цинка (рис. 8). Даже при небольших концентрациях дрожжей в 5 г/дм³, эффективность сорбции приобретала значения более 95%. Зависимость между значением эффективности и влиянием коррекции среды при различном количестве биомассы дрожжей была изучена с помощью корреляционного анализа. При этом коэффициент корреляции между значениями эффективности навесок в 5 г/дм³ и значениями эффективности навесок в 10 г/дм³, в присутствии катионов цинка составил 0,9113.

В тоже время изменение рН сточной воды и добавление 1 % сахарозы существенно изменяют сорбционную способность дрожжей по отношению к катионам никеля. Результаты наших исследований показывают, что добавление сахарозы при рН=5,5 влечет за собой почти 2-х кратное повышение эффективности сорбции катионов никеля.

Однако следует отметить, что изменение эффективности сорбции катионов никеля при корректировке среды и в присутствии сахарозы (вариант I, II, III) менее заметно с увеличением величины биомассы дрожжей.

Так, при концентрации дрожжей 5 г/дм³ корректировка среды приводит к гораздо большему приросту эффективности сорбции никеля, нежели при концентрации дрожжей до 10,0 г/дм^3. И, как следствие этого, увеличение количества биомассы дрожжей от 5,0 г/дм³ до 10,0 г/дм³ при корректировке среды приводит к меньшим значениям прироста эффективности. Прирост эффективности составил: по варианту (I) 41,5 - 45,3 %, по варианту (II) 34,9 - 37,7 %, и по варианту (III) 17,9 - 20,8 %.

Наряду с этим, по полученным данным без корректировки среды прирост эффективности сорбции с увеличением концентрации дрожжей (от 5 до 10 г/дм³) составил 35,8 - 47,2 %.

Исходя из полученных данных, очевидно, что коррекция среды влечет явное увеличение эффективности сорбции дрожжами никеля. Вместе с тем, следует отметить, что наибольший прирост эффективности сорбции характерен для концентрации дрожжей 5 г/дм³. В то время как с увеличением концентрации дрожжей в ряду от 5 … до 10 г/дм³ корректировка среды постепенно уменьшает свое влияние на эффективность сорбции (рис. 9). Коэффициент корреляции составил 0,8627.

Рис. 8. Тенденция по увеличению эффективности сорбции цинка в зависимости от концентрации дрожжей, условий среды и в присутствии сахарозы

Рис. 9. Тенденция по увеличению эффективности сорбции никеля в зависимости от концентрации дрожжей, условий среды и в присутствии сахарозы

Катионы меди занимают среднее положение по эффективности сорбции дрожжами, между катионами цинка и никеля. Прослеживается та же тенденция изменения эффективности сорбции при добавлении сахарозы и смещение рН сточной воды в кислую сторону.

Причем при концентрации дрожжей в 5 г/дм³ корректировка среды приводит к гораздо большему приросту эффективности сорбции меди, в сравнении с концентрацией дрожжей в 10,0 г/дм³. Сравнивая прирост эффективности, в ряду от 5 - 10 г/дм³, по каждому из вариантов корректировки среды мы обнаруживаем, как значения прироста эффективности несколько убывают от варианта к варианту. Таким образом, по данным варианта (I) прирост эффективности увеличился на 21,7 - 26,7 %, для варианта (II) на 21,7 - 25,0 %, и варианта (III) на 16,7 - 18,3 %. В тоже время, по полученным данным без корректировки среды прирост эффективности сорбции с увеличением концентрации дрожжей (от 5 до 10 г/дм³) составил 25,0 - 30,0 %.

Опираясь на полученные результаты, можно заключить, что коррекция среды приводит к увеличению эффективности сорбции дрожжами меди. Тем не менее, следует учесть, что наибольший прирост эффективности сорбции типичен для концентрации дрожжей в 5 г/дм³. В то время как с ростом концентрации дрожжей в ряду от 5 … до 10 г/дм³ корректировка среды постепенно уменьшает свое влияние на эффективность сорбции (рис. 10). При этом коэффициент корреляции составил 0,9925.

Рис. 10. Тенденция по увеличению эффективности сорбции меди в зависимости от концентрации дрожжей, условий среды и в присутствии сахарозы

Исходя из результатов исследования, следует подчеркнуть, что наиболее эффективными в плане сорбции являются два штамма исследуемых образцов - это дрожжи SC1 и MIX, по сравнению с другими образцами SC2 и SC3.

Таким образом, нами установлено, что коррекция среды приводит к увеличению эффективности сорбции дрожжами катионов никеля и меди. Это, по нашему мнению, связано со стимулирующим действием сахарозы, влияющей на энергетический потенциал клеток дрожжей. Корректируя среду, мы стимулируем «активные» механизмы сорбции тяжелых металлов при небольших концентрациях дрожжей. Наряду с этим, показатели эффективности сорбции дрожжами катионов цинка, остаются высокими независимо от корректировки среды, и составляют более 95 %. В меньшей степени эффективность сорбции катионов никеля и меди, для всех штаммов дрожжей, меняется при корректировке среды, с удвоеннием концентрации биомассы дрожжей (10 г/дм³). Поэтому наиболее рациональным является использование дрожжей в концентрации 10 г/дм³ без корректировки сточных вод, либо использование небольших концентраций дрожжей (до 5 г/дм³) с коррекцией сточных вод до pH=5,5 и добавлением сахарозы.

3.2.3 Исследование влияния экспозиции на эффективность дрожжевой сорбции тяжелых металлов

При исследовании влияния экспозиции на эффективность сорбции дрожжей мы использовали промышленную сточную воду с повышенным содержанием тяжелых металлов. В качестве сорбентов использовали биомассу дрожжей: SC1 и MIX. Выбранные образцы дрожжей являются наиболее эффективными в плане сорбции, что подтверждается предыдущими исследованиями. Контрольными точками экспозиции при температуре среды 29 °С были выбраны: 2, 4, 8, 24, 48 часов.

Эксперименты проводились по 4 вариантам:

1. SC1 по 5 г/дм³, pH = 5,5, 1% сахарозы;

2. MIX по 5 г/дм³, pH = 5,5, 1% сахарозы;

3. SC1 по 10 г/дм³ pH = 8, без добавления сахарозы.

4. MIX по 10 г/дм³ pH = 8, без добавления сахарозы.

По результатам наших предыдущих исследований эти варианты выбраны нами как оптимальные.

Нами установлено, что концентрация тяжелых металлов в среде снижается постепенно, по истечении некоторого времени. При этом эффективность сорбции интенсивно увеличивается в первые 8 часов, затем эффективность сорбции постепенно стабилизируется, при вариантах (I и II) (рис. 11 и 12).

Зависимость между значением эффективности сорбции и временем экспозиции в вариантах I и II была изучена с помощью корреляционного анализа. Значения коэффициента корреляции (r) варьировали от 0,7918 до 0,8845. Это свидетельствует о том, что увеличение времени контакта дрожжей (до 24 часов) с катионами металлов в сточной воде повышает эффективность биосорбции (рис. 11 и 12).

Дальнейшая экспозиция приводит к незначительному уменьшению концентрации тяжелых металлов в сточной воде, поэтому является нецелесообразной.

Исследования показали, что наиболее интенсивный рост эффективности сорбции у дрожжей SC1 и MIX, при вариантах (III и IV), наблюдается также в первые 8 часов экспозиции (рис. 13 и 14), по аналогии с вариантами (I и II).

При исследовании сорбционной способности дрожжей SC1 и MIX в вариантах III и IV мы отмечаем выраженную зависимость между временем экспозиции (до 24 часов) и полнотой удаления тяжелых металлов из сточных вод (r = 0,8233-0,8576).

Рис. 11. Изменение сорбционной способности дрожжей SC1 по варианту (I)

Рис. 12. Изменение сорбционной способности дрожжей MIX по варианту (II)

Рис. 13. Изменение сорбционной способности дрожжей SC1 по варианту (III)

Рис. 14. Изменение сорбционной способности дрожжей MIX по варианту (IV)

При сравнении вариантов I и II с вариантами III и IV обнаруживается ряд различий. Мы сопоставили показатели эффективности сорбции цинка и никеля в динамике и обнаружили, что значения для вариантов I и II выше значений вариантов III и IV вплоть до 24 часовой экспозиции.

Кроме того, несмотря на то, что в вариантах III и IV использовалась биомасса дрожжей в 2 раза превышающая по концентрации варианты I и II, мы наблюдали сопоставимые значения эффективности сорбции.

Данный факт мы объясняем тем, что корректировка среды, по-видимому, стимулирует сорбцию цинка и никеля живыми клетками дрожжей, причем процесс сорбции начинается с первых часов.

Увеличение рН сточной воды до 8 при увеличении биомассы в вариантах III и IV стимулирует сорбционную способность дрожжей SC1 и MIX по сравнению с вариантами I и II в отношении катионов меди. Поэтому данный технологический режим очистки сточных вод от тяжелых металлов может быть использован при избытке катионов меди.

Таким образом, полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наилучший эффект сорбции тяжелых металлов из сточных вод достигается в течение 24 часов. Хотя, интенсивный процесс сорбции дрожжами тяжелых металлов из сточной воды начинается уже с первых часов экспозиции. Следует отметить, что экспозиция более 24 часов не приводит к ощутимому приросту эффективности сорбции, причем данная тенденция характерна для всех используемых штаммов.

3.2.4 Влияние температуры среды на эффективность сорбции тяжелых металлов дрожжами

Для выяснения того на сколько температурный фактор является решающим в отношении эффективности сорбции тяжелых металлов дрожжами мы повели ряд экспериментов.

С этой целью мы использовали промышленную сточную воду с повышенным содержанием катионов тяжелых металлов. В качестве биосорбентов использовалась биомасса дрожжей: SC1 и MIX, время экспозиции 24 часа.

Исследование проводилось по четырем основным вариантам:

1. дрожжи SC1 в концентрации 5 г/дм³, pH = 5,5 и 1% сахарозы; при температуре: 10, 20 и 29 °С.

2. дрожжи MIX концентрации 5 г/дм³, pH = 5,5 и 1% сахарозы; при температуре: 10, 20 и 29 °С.

3. дрожжи SC1 концентрации 10 г/дм³, pH = 8; при температуре: 10, 20 и 29 °С.

4. дрожжи MIX концентрации 10 г/дм³, pH = 8; при температуре: 10, 20 и 29 °С.

Результаты исследования показали, что наибольшие значения эффективности сорбции дрожжей SC1 и MIX по вариантам (I и II) в отношении всех трех исследуемых металлов наблюдались при температуре 29 °С. Более низкие значения эффективности сорбции наблюдались при 20 °С и наименьшие значения при 10 °С.

Суммарный прирост эффективности сорбции в отношении цинка при повышении температуры от 10 до 29 °С (вариант I) составил 1,3 %, в отношении никеля 3,8 % и в случае с медью 5 %.

Для дрожжей MIX суммарный прирост эффективности (вариант II) при повышении температуры от 10 до 29 °С в отношении цинка составил 1,3 %, в отношении никеля 5,6 % и для меди 3,4 %. При этом коэффициент корреляции (r) в варианте I и II составил: в отношении катионов цинка 0,9868-0,9998, катионов никеля 0,9995-0,9883 и катионов меди 0,9884-0,9995. Это указывает на весьма тесную корреляционную связь между этими показателями.

При исследовании, проведенном по вариантам (III и IV) наблюдалась картина аналогичная вариантам (I и II). Также как и в предыдущих исследованиях, наибольшие значения эффективности сорбции по вариантам (III и IV) по отношению к трем исследуемым металлам наблюдались при температуре 29°С. Более низкие значения эффективности сорбции наблюдались при 20°С и наименьшие значения при 10 °С.

Суммарный прирост эффективности сорбции в отношении цинка при повышении температуры от 10 до 29°С (вариант III) составил 0,3 %, в отношении никеля 5,6 % и в случае с медью 5 %.

В случае с дрожжами MIX суммарный прирост эффективности (вариант II) при повышении температуры от 10 до 29°С в отношении цинка составил 0,5 %, в отношении никеля 5,7 % и для меди 6,7%. При этом коэффициент корреляции (r) в вариантах III и IV изменяется в интервале: по цинку от 0,9757 до 0,9544, по никелю от 0,9850 до 0,9872 и по меди от 0,9992 до 0,9992.

Таким образом, результаты исследований влияния температуры на эффективность сорбции биомассой дрожжей показали, что биосорбция цинка незначительно зависит от температуры в диапазоне от 10 до 29 °С. Об этом свидетельствуют высокие значения эффективности сорбции дрожжами цинка 95 % - 98,2 %.

Несколько иная картина наблюдается при исследовании влияния температуры на эффективность сорбции никеля и меди. Нами показано, что с повышением температуры от 10 до 29°С эффективность биосорбции никеля увеличивается на 6%, а меди на 7%. Вместе с тем, следует отметить, что температура не является решающим фактором, влияющим на эффективность сорбции тяжелых металлов дрожжами.

Обсуждение полученных результатов

Проведенные нами исследования полностью подтвердили наши предположения о высокой сорбционной эффективности дрожжевой культуры (Saccharomyces cerevisiae) в отношении катионов тяжелых металлов. Причем дрожжи проявляли высокую сорбционную эффективность, как в модельных средах, так и в промышленных сточных водах с повышенным содержанием тяжелых металлов.

В ходе экспериментальных исследований нами изучены культуры дрожжей, эффективно осуществляющих процесс биологической очистки сточных вод от тяжелых металлов. Были выявлены оптимальные условия среды, повышающие эффективность сорбции, также установлено оптимальное время экспозиции. При различных условиях эффективность сорбции дрожжевых культур составляла от 65% до 99%. На основании этих исследований выявлены наиболее эффективные культуры дрожжей и их ассоциаты, участвующие в процессе очистки сточных вод от тяжелых металлов.

Позитивным обстоятельством является то, что наряду с отдельными культурами дрожжей нами использовались их ассоциации. При этом ассоциации дрожжей по своим биосорбционным характеристикам в отношении тяжелых металлов не уступали отдельным культурам, имеющим высокую эффективность сорбции. Использование ассоциаций было продиктовано тем, что с предприятий, имеющих бродильное производство, дрожжевые отходы утилизируются в виде дрожжевой ассоциации, то есть смеси культур.

Результаты проведенных исследований дают основания полагать, что разработанный нами технологический регламент «Выполнение работ по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием дрожжевой культуры Saccharomyces cerevisiae» применим в двух направлениях.

Во-первых, принимая во внимание все расширяющиеся работы в мире по привлечению микроорганизмов в качестве биосорбентов тяжелых металлов, результаты наших исследований могут реализоваться при очистке сточных вод от повышенного содержания тяжелых металлов. Следствием этой очистки сточных вод станет вода свободная от ионов тяжелых металлов, которая может быть применена для повторного технологического использования.

Вторым направлением является реализация отработанных дрожжей в качестве биосорбента с последующей их утилизацией в качестве «белкового пластификатора и гидрофобизатора» при строительстве, после очистки ими производственных сточных вод от тяжелых металлов.

Можно предположить, в частности, возможность реализации данного технологического регламента на территории среднерусского областного центра. В этом отношении город Калуга является репрезентативным городом средней России по многим характеристикам, в том числе по наличию предприятий, имеющих гальванические цеха, которые являются источником сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов. Также на территории Калуги существует ряд предприятий пищевой промышленности, специализирующихся на бродильном производстве. При этом утилизация отработанных дрожжей осуществляется путем их вывоза на полигоны.

Для Калуги и Калужской области на предприятиях, имеющих в своем составе гальванические цеха, в основном используются физико-химические методы очистки сточных вод от тяжелых металлов. При этом очищенные таким образом сточные воды не всегда отвечают требованиям экологической безопасности и экологической эффективности. Внедрение биологических методов, в частности, разработанного нами технологического регламента по биологической очистке сточных вод от тяжелых металлов, представляется перспективным для решения ряда экологических проблем.

Можно предположить, что технологический регламент по тем же причинам применим для извлечения драгоценных металлов из сточных вод предприятий, связанных с получением и обработкой драгоценных металлов.

Проведенные нами аналитические исследования позволили прийти к заключению и о целесообразности использования разработанного технологического регламента по очистке сточных вод от тяжелых металлов, без необходимости использования механических мешалок. При использовании конвекционной системы перемешивания (основанной на градиенте температур) происходит не только оптимизация биотехнологического процесса очистки, но и достигается экономия энергии, поскольку использование электромеханических мешалок связано с потреблением электроэнергии.

Другим, важным в экономическом плане преимуществом является отказ от использования предварительной физико-химической подготовке сточных вод. Разработанный технологический регламент для биологической очистки сточных вод от тяжелых металлов полностью удовлетворяет поставленным целям и задачам работы. Результаты наших экспериментов и проведенная нами предварительная апробация показали эффективность данного технологического регламента. При этом процент извлечения тяжелых металлов из сточных вод составлял от 88 до 99 %, в течение 24 часов. Разработанный нами технологический регламент по биологической очистке является универсальным и может быть использован для очистки сточных вод от широкого спектра катионов тяжелых металлов.

Следует отметить, что технологический регламент предполагает использование небольшого количества единиц оборудования и их составных частей, а также доступен для большинства предприятий и сравнительно дешев, кроме того не требует больших трудозатрат в процессе подготовки к использованию. При этом не требует привлечения высококвалифицированных специалистов на стадии функционирования.

Что касается перспектив использования технологического регламента, разработанного нами, в решении экологических задач можно выделить следующие направления его использования:

1. Очистка сточных вод от тяжелых металлов предприятий, имеющих в своем составе гальванические цеха.

2. Очистка сточных вод от тяжелых металлов предприятий черной и цветной металлургии.

3. Использование технологического регламента в качестве базового метода для извлечения драгоценных металлов из сточных вод.

4. Использование отработанных ассоциаций дрожжей после очистки сточных вод от тяжелых металлов в качестве «белкового пластификатора и гидрофобизатора» в цементной смеси. Таким образом, решаются сразу две задачи. Во-первых, утилизация отработанных дрожжей. Во-вторых, инактивация тяжелых металлов.

Выводы

1. Выявлены различия в эффективности сорбции тяжелых металлов живыми культурами дрожжей и сухими культурами. Значения эффективности «активной» сорбции тяжелых металлов живыми дрожжами Saccharomyces cerevisiae составляет 65,2% - 99,6%. Значения эффективности «пассивной» сорбции сухими дрожжами Saccharomyces cerevisiae составила всего 22% - 27%. Таким образом, сорбционные способности живых пивоваренных дрожжей с большой эффективностью могут быть использованы для очистки или доочистки промышленных сточных вод с повышенным содержанием ионов тяжелых металлов.

...