Исследование адсорбционной активности биопленок железо- и марганецокисляющих бактерий в отношении ионов меди (II) и свинца (II)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование адсорбционной активности биопленок железо- и марганецокисляющих бактерий в отношении ионов меди (II) и свинца (II)

Шиманова В.С., Леонова Л.В., Булатов И.А.,

Ананьина И.В., Петровская Ю.А., Леонов В.В.

БУ «Ханты-Мансийская государственная медицинская академия»,

г. Ханты-Мансийск ФГБОУ ВО «Югорский государственный университет», г. Ханты-Мансийск

Цель. Изучение адсорбционной активности биопленок, сформированных железо- и марганецокисляющими бактериями в отношении ионов Си2+ и РЬ2+, как возможных загрязнителей питьевой воды.

Материалы методы. Адсорбция ионов меди и свинца на биопленках железо- и марганецокисляющих бактерий в зависимости от времени контакта и концентрации ионов изучена с помощью инверсионной вольтамперометрии. Биопленки получены на полистироле в динамических условиях на специальных средах для железобактерий.

Результаты. Адсорбция биопленками железо- и марганецокисляющих бактерий ионов меди хорошо описывается уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха, а адсорбция ионов свинца подчиняется изотерме Фрейндлиха. Установлено, что биопленки ЖОБ обладают лучшей адсорбционной активностью, чем биопленки МОБ.

Заключение. Показана принципиальная возможность контаминации питьевой воды ионами тяжелых металлов, адсорбированными биопленками ЖОБ и МОБ в системе водопровода.

Ключевые слова: железо, марганец, питьевая вода, централизованное водоснабжение, биопленки, биообрастания, адсорбция.

STUDY OF THE ADSORPTION ACTIVITY OF THE BIOFILMS OF THE IRON- AND MANGANESE- OXIDIZING BACTERIA IN RELATING TO COPPER IONS CU2+ AND LEAD PB2+

Shimanova V.S., Leonova L.V., Bulatov I.A., Ananina I.V., Petrovskaya Yu.A., Leonov V.V.

Aim. Study of the adsorption activity of biofilms formed by the manganese and iron-oxidizing bacteria in relation to Cu2+ and Pb2+ ions as possible pollutants of drinking water.

Materials and Methods. The adsorption of copper and lead ions on biofilms of the manganese and iron-oxidizing bacteria depending on the contact time and ion concentration was studied using inversion voltammetry. Biofilms were obtained on polystyrene under dynamic conditions on special media for iron bacteria.

Results. Adsorption of copper ions by biofilms of the manganese and iron-oxidizing bacteria is well described by the Langmuir and Freindlich equations. The adsorption of lead ions is well described by the Freindlich isotherm. It has been established that biofilms of the iron-oxidizing bacteria have better adsorption activity than biofilms of the manganese-oxidizing bacteria.

Conclusion. The fundamental possibility of contamination of drinking water with heavy metal ions adsorbed by biofilms of the manganese and iron-oxidizing bacteria in the water supply system is shown.

Keywords: iron, manganese, drinking water, centralized water supply, biofilms, biofouling, adsorption.

Проблема обеспечения населения качественной питьевой водой всегда была приоритетной для водохозяйственного комплекса и системы здравоохранения. Одним из ключевых факторов, влияющих на качество питьевой воды, является жизнедеятельность железо- и марганецокисляющих бактерий (далее ЖОБ и МОБ, соответственно) на внутренней поверхности водопроводных труб [1]. Особенно актуальна данная проблема в ХМАО-Югре, где содержание железа и марганца в питьевой воде превышает или достигает верхней границы предельно допустимых концентраций по санитарным правилам и нормам для питьевой воды [3, 8] из-за особенностей химического состава природных вод и использования жителями частных скважин. Высокие концентрации железа и марганца способствуют быстрому размножению ЖОБ и МОБ, о чем свидетельствуют полученные нами в предыдущих исследованиях результаты [3]. Бактерии, попадая на стенку водопровода, сначала образуют биопленки, а затем биообрастания. Турбулентные потоки, резкое повышение температуры воды могут приводить как к разрушению биообрастаний, так и десорбции с их поверхности различных веществ, что в свою очередь может повлечь вторичное загрязнение питьевой воды, при этом вода часто становится ржавой и приобретает металлический привкус. В литературных данных есть упоминание о возможности биообрастаний изменять санитарные показатели качества воды. Так высказано предположение, что анаэробные условия в трубопроводе активируют восстановительные процессы в клетках бактерий, что приводит к вторичному загрязнению питьевой воды растворимыми соединениями металлов, ранее осажденными ЖОБ и МОБ [3, 5, 7]. Таким образом, изучение процессов жизнедеятельности микроорганизмов на внутренней поверхности водопроводных труб и их влияние на качество питьевой воды требует большего внимания. В данной работе приведены результаты экспериментального исследования адсорбционной активности биопленок, сформированных марганец- и железоокисляющими бактериями в отношении ионов Си2+ и РЬ2+, как возможных загрязнителей питьевой воды.

В качестве объекта исследования использовали ассоциации ЖОБ и МОБ, выделенные на элективных средах из питьевой воды централизованного водоснабжения города Ханты-Мансийска. Состав среды для ЖОБ в г/л: NaNOз - 0,5 г, N Н4С1 - 0,4 г, К2НР04 - 0,5 г, MgSO4*7H2O - 0,5 г, NaзC6H5O7 - 10 г, сахароза - 2 г, Н4е042-6Н20 - 8,32 г, триптон - 1 г. Состав среды для МОБ в г/л: NaNOз - 0,5 г, NН4С1 - 0,4 г, К2НРО4 - 0,5 г, MgSO4*7H2O - 0,5 г, NaзC6H5O7 - 10 г, сахароза - 2 г, MnSO4*5H2O - 4,7 г, триптон - 1г. Запах, вкус и мутность определялись согласно ГОСТ Р 57164-2016 [8]. Идентификацию выделенных бактерий осуществляли на основании микроскопического исследования [1, 2]

Выращивание биопленок проводили в течение 7 суток на поверхности полистироловой чашки Петри в питательной среде для ЖОБ и МОБ при 25 °С и постоянном перемешивании 100 об/мин в шейкер- инкубаторе. Замену среды осуществляли каждые вторые сутки. Выращенную биопленку отмывали от планктонных клеток деионизированной водой. Массу биопленки определяли гравиметрическим методом.

Для изучения адсорбционной активности биопленку бактерий в полистироловой чашке Петри помещали в 50,00 мл растворов сульфата меди (II) или нитрата свинца (II) с пятью различными концентрациями - для Си2+ от 0,001 мг/л до 50 мг/л; для РЬ2+ от 0,001 мг/л до 10 мг/л и оставляли на 180 мин в динамических условиях (постоянное перемешивание в шейкер-инкубаторе при 25 °С). Концентрацию ионов металлов в растворе до и после сорбции определяли методом инверсионной вольтамперометрии («Комплекс вольтамперометрический СТА» ООО «ЮМХ» и научно-исследовательской лаборатории микропримесей Томского политехнического университета), С интервалом определяемых концентраций 0,0005-0,1 мг/л, случайной погрешностью не более 5%

Адсорбцию рассчитывали по формуле:

где Г - адсорбция (ммоль/г); Со - исходная концентрация иона металла (моль/л или мг/л); С - равновесная концентрация иона металла (ммоль/л или мг/л); V - объем раствора соли металла (л); mb - масса биопленки (г)

Для количественного описания процесса адсорбции строили изотермы адсорбции Ленгмюра (1) и Фрейндлиха (2):

,

адсорбционная биопленка ион вода

где Г - адсорбция (ммоль/г или мг/г), Гте - максимальная адсорбция (ммоль/г или мг/г); К| - константа адсорбции Ленгмюра (ммоль/г или мг/г); К - константа адсорбции Фрейндлиха (ммоль/г или мг/г); С - равновесная концентрация иона металла (ммоль/л или мг/л)

Все эксперименты выполнялись в 5 повторениях, результаты обрабатывались статистически с использованием ^критерия Стьюдента при Р = 0,95.

Обсуждение результатов. Общая характеристика биопленок ЖОБ и МОБ: уже через 2 суток культивирования на поверхности полистирола появился бурый налет (рис. 1), что свидетельствует о начале образования биопленки. В поливидовых биопленках, сформированных этими бактериями на 7 сутки, была проведена попытка провести идентификацию наиболее известных истинных представителей ЖОБ и МОБ микроскопическим методом по характерным морфологическим признакам. Нам удалось идентифицировать лишь представителей следующих родов: Siderocapsa, GaШonela ferruginela, Spherotilus и Leptotrix. Клетки этих бактерий были покрыты солями железа и марганца Биопленки ЖОБ в основном были сформированы представителями рода Siderocapsa и вида G. ferruginela. Несмотря на то, что род Leptothrix обладает способностью окислять железо и марганец, как и большинство представителей экологической группы железобактерий, в составе наших биопленок ЖОБ он не был обнаружен

Рис. 1. Внешний вид биопленки ЖОБ в полистироловой чашке Петри

Изучение скорости адсорбции. Исследование кинетических параметров сорбции ионов Си2+ и РЬ2+ на биопленке ЖОБ и МОБ показало, что продолжительность установления равновесия при 25 °С не превышает 180 мин (рис. 2 а и б).В первые часы скорость адсорбции исследуемых ионов максимальна, поэтому для дальнейших экспериментов была выбрана продолжительность инкубации - 180 мин.

Изотермы адсорбции ионов Си2+ и РЬ2+ на биопленках ЖОБ и МОБ. Изотермы адсорбции ионов в интервале исходных концентраций для Си2+ от 0,001 мг/л до 50 мг/л и РЬ2+ от 0,001 мг/л до 10 мг/л представлены на рисунке 3.

Изотерма адсорбции ионов меди в системе раствор CuSO4 - биопленка ЖОБ/МОБ имеет вид кривых с насыщением (рис. 3б). Использование уравнения Фрейндлиха для обработки экспериментальных данных дало следующие коэффициенты корреляции (г): для ЖОБ - 0,979 и для МОБ - 0,968. При описании результатов с использованием уравнения Ленгмюра коэффициенты г составили - 0,944 для ЖОБ и 0,924 для МОБ. Изотерма сорбции ионов свинца в системе раствор Pb(NO3)2 - биопленка ЖОБ/МОБ (рис. 3а) также лучше описывается уравнением Фрейндлиха (ЖОБ = 0,917; МОБ = 0,961), чем уравнением Ленгмюра (ЖОБ= 0,879; МОБ = 0,747).

При сравнении полученных результатов можно отметить, что изотермы адсорбции в системе CuSO4 - биопленка ЖОБ/МОБ одинаково хорошо описываются уравнениями Френдлиха и Ленгмюра, тогда как адсорбция в системе Pb(NO3)2 - биопленка ЖОБ/ МОБ лучше описывается уравнением Фрейндлиха (табл. 1). Действительно, на кривых адсорбции для ионов свинца не сильно выражен порог насыщения (рис. 2), что характерно для классической изотермы Фрейндлиха

Таблица 1

Изотермы адсорбции ионов меди и свинца на биопленках ЖОБ и МОБ

Изотерма Ленгмюра Г = Г? (С / (Kl + С))

Изотерма Фрейндлиха = Kf·Сn

Поглотительная способность адсорбентов по отношению к одинаково заряженным ионам металлов зависит от их ионного радиуса [4, 6]. Большую сорбционную способность проявляют ионы с большим радиусом, так как они менее склонны к образованию гидратной оболочки, снижающей силы электростатического притяжения. Так как ионы свинца имеют больший ионный радиус (0,126 нм) по сравнению с ионами меди (0,080 нм), они должны сорбироваться лучше на полярных сорбентах [цит. по 6], что хорошо согласуется с нашими результатами. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что эффективность адсорбции ионов свинца биопленками ЖОБ (Гте = 0,711) и МОБ (Гте = 0,411) выше, чем эффективность адсорбции ионов меди (Гте = 0,560 для ЖОБ и Гте = 0,171 для МОБ). В целом, биопленки ЖОБ лучше адсорбируют ионы Си2+ и РЬ2+, чем биопленки МОБ, о чем свидетельствует более высокое значение константы адсорбции для биопленок ЖОБ.

Рис. 2. Кинетические кривые адсорбции ионов свинца (а) и меди (б) на биопленке ЖОБ и МОБ, Со = 0,1 ммоль·л-1

Рис. 3. Изотермы адсорбции ионов РЬ2+ (а) и Си2+ (б) биопленками ЖОБ и МОБ

Таким образом, нами показано, что биопленки ЖОБ и МОБ обладают адсорбционной активностью в отношении ионов тяжелых металлов на примере меди и свинца. Очевидно, что в условиях застоя воды в трубах биобрастания могут аккумулировать на их поверхности ионы тяжелых металлов. Возникновение турбулентных потоков и/или резкое повышение температуры может вызвать десорбцию ионов с поверхности биообрастаний, и привести к загрязнению питьевой воды тяжелыми металлами

Заключение

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

Изотермы адсорбции ионов Си2+ в интервале исходных концентраций от 0,001 мг/л до 50 мг/л биопленками ЖОБ и МОБ хорошо описываются уравнениями Ленгмюра (ЖОБ = 0,944; МОБ = 0,924) и Фрейндлиха (ЖОБ = 0,979; МОБ = 0,968). Изотермы адсорбции ионов РЬ2+ в интервале исходных концентраций от 0,001 мг/л до 10 мг/л биопленками ЖОБ и МОБ лучше описываются уравнением Фрейндлиха (Гжоб = 0,917; Гмоб = 0,961).

Изучение адсорбции из индивидуальных растворов ионов Си2+ и РЬ2+ показало, что эффективность адсорбции ионов свинца биопленками ЖОБ и МОБ (Гте = 0,711 для ЖОБ; Гте = 0,411 для МОБ) выше, чем ионов меди (Гте = 0,560 для ЖОБ; Г^ = 0,171 для МОБ)

Биопленки ЖОБ (К (РЬ2+) = 35,30; К (Си2+) = 10,41) обладают большей адсорбционной активностью по сравнению с биопленками МОБ (К (РЬ2+) = 10,70; К (Сщ+) = 2,95).

Литература

Букреева В.Ю., Грабович М.Ю., Епринцев А.Т. Сорбция коллоидных соединений оксидов железа и марганца с помощью железобактерий на песчаных загрузках очистных сооружений водоподъемных станций // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9, Вып. 4

Заварзин Г. А. Литотрофные микроорганизмы. М.: «Наука», 1972. 324 с.

Королик В. В., Мысякин А. Е. Проблемы обеспечения качественного состава питьевой воды в водоразводящих системах // Вестник Российского государственного медицинского университета. 2006.№ 1(60). С. 62-65.

Ларионов Н. С., Боголицын К. Г., Богданов М. В., КузнецоваИ.А. Характеристика сорбционных свойств верхового торфа по отношению к d- и р-металлам // Химия растительного сырья. 2008. №4. С. 147-152.

Леонова Л. В., Шиманова В. С., ЧерепановД. В., Леонов В. В., Соловьев В. Г. Санитарно-химический и микробиологический анализ качества воды нецентрализованного водоснабжения на примере ХМАО-Югры // Научный медицинский вестник Югры.2018. №4 (18).С. 70-74.Костин А. В., Мосталыгина Л. В., Бухтояров О. И. Изучение механизма сорбции ионов меди и свинца на бентонитовой глине // Сорбционные и хроматографические процессы.2012. Т 12, Вып.6. С.949-957.

Мысякин А. Е., Королик В. В. Проблемы обеспечения качественного состава питьевой воды в зависимости от типа водопроводных труб и режимов водопользования // Здоровье населения и среда обитания. 2010. № 3. С. 36-40.

СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2002. 103 с.

Размещено на Allbest.ru