Геоэкология урбанизированных территорий. Сб. тр. Центра Практической Геоэкологии //
Под ред. В.В.Панькова, С.М.Орлова - М.: ЦПГ, 1996.-108с.

| Оглавление | Рефераты статей | Русско-Английский геоэкологический словарь |

Л.Н.Кириллова, Т.В.Анохина

Использование биосорбентов в качестве индикаторов загрязнения водотоков. 

При работе предприятий, использующих процессы микробиологического синтеза происходит образование специфического отхода производства - биомассы микроорганизма-продуцента, основная часть которой не утилизируется.

Биомасса представляет собой частично разрушенные, а частично живые клетки микроорганизма и содержит в основном биополимеры (около 50% массы сухого вещества составляют белки, 10-20% - компоненты клеточной стенки, в т.ч. полиаминосахариды, 10-20% - РНК, 3-4% - ДНК и приблизительно 10% - липиды). Кроме того, любая биомасса содержит компоненты питательной среды (главным образом минеральные соли) и остаточные количества целевого продукта.

В настоящее время основная часть биомассы, особенно мицелия от производства антибиотиков, не утилизируется и попадает на очистные сооружения.

Сбрасывается биомасса во влажном виде (содержание сухого вещества составляет около 10%). Крупные предприятия производят до 1500 тонн влажной биомассы в месяц. Кроме того, что большие объемы стоков создают существенную нагрузку на городские очистные сооружения, биомасса антибиотиков, в частности, подавляет деятельность активного ила, еще более осложняя положение.

Единственным реализующимся в нестоящее время в нашей стране способом утилизации биомассы является использование ее в качестве кормовой добавки. Далеко не всякая биомасса пригодна для скармливания животным, а передозировка часто приводит к тяжелым диспептическим расстройствам и аллергическим заболеваниям. Количество используемой таким образом биомассы незначительно по отношению к производным объемам.

Постоянно предпринимаются попытки тем или иным способом утилизировать ценные компоненты биомассы: липиды, белки, аминокислоты, полисахариды и т.д. Полисахариды нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, причем используются главным образом отличающиеся большим молекулярным весом хитин и хитозан морских ракообразных. В настоящее время микробные полисахариды рассматриваются как источники весьма перспективного сырья для получения различных сорбентов. Получение и использование биосорбентов из нативной и инактивированной биомассы позволяет решить одновременно две экологические задачи:

·     утилизация отходов биотехнологических производств;

·     очистка сточных вод, содержащих как минеральные, так и органические загрязнения.

Сотрудниками института биоорганической химии РАН разработана технология получения сорбентов из отходов микробиологических производств, обладающих свойствами анионитов с коплексообразующей способностью.

Сорбенты устойчивы в присутствии концентрированных кислот, щелочей, органических растворителей. По сорбционной емкости (количеству загрязняющего элемента, извлекаемого из раствора определенным количеством сорбента) полученные материалы не уступают промышленным ионообменникам: емкость по отношению к ионам меди достигает 300 мг/г, свинца - 500 мг/г, урана - 500 мг/г., полная статистическая емкость по анионам, определяемая по методике ГОСТ 20255.1-74, составляет 2,0-2,8 мг-экв/мл (для синтетических анионитов марки АВ-17-8 аналогичный показатель - 1,10 мг-экв/мл, марки АВ-17-8чС - 1,15 мг-экв/мл, АВ-16ГС - 1,7 мг-экв/мл, АВ-17П - О.8 мг-экв/мл (см.ГОСТ 20301-74). Коэффициенты распределения (соотношение концентраций извлекаемого элемента в сорбенте и растворе) при сорбции из разбавленных растворов для комплексообразующих металлов достигает 8000 - 10000, для щелочных металлов, в частности, цезия - до 500. Результаты сорбции из разбавленного раствора смеси тяжелых металлов представлены в таблице 1.

                                                                                       Таблица №1.

Результаты сорбции тяжелых металлов из их смеси при помощи биосорбента.

Элементы	Cu	Pb	Zn	Co	Cd	Mn	U
Исходная концентрация,мг/л	12,00	9,00	7,90	10,00	10,00	7,60	4,00
Степень извлечения, %	81,00	>98,90	99,90	98,6	>99,50	98,90	99,7
Концентрация раствора после однократной обработки, мг/л	2,30	<0,10	0,01	0,14	<0,05	0,08	0,01
ПДК в питьевой воде, мг/л	1,0	0,1	5,0	1,0	0,01	0,1

 

После использования сорбентов возможно извлечение сорбированных веществ десорбцией либо утилизацией путем озоления (зольность сорбентов составляет1,5-30% мас.).

При получении сорбентов не используются продукты органического синтеза, концентрированные растворы кислот и щелочей, что выгодно отличает предлагаемую технологию от большинства отечественных и зарубежных аналогов.

Отходы производства сорбентов представляют собой водные растворы, которые в соответствии с технологической схемой при помощи ультрафильтрационной системы разделяют на пригодную к повторному использованию ответвленную фазу и пастообразную массу, которая в смеси с твердым наполнителем (например, песком, опилками т.д.) может быть использована в качестве органического удобрения. Газообразные отходы в данном технологическом процессе отсутствуют. В настоящее время технология проходит заводские испытания.

Широкий спектр сорбционных свойств и низкая себестоимость предлагаемых сорбентов позволяют использовать их для решения разнообразных технологических задач (например, в гидрометаллургии при извлечении целевого продукта из пульп, при регенерации индустриальных масел и т.д.) и экологических проблем, в частности:

· для ликвидации аварийных разливов;

· для дополнительного связывания токсичных и радиоактивных элементов в хвостохранилищах и различных захоронениях;

· для предварительной обработки сточных вод очистных сооружений с целью исключения гибели активного ила при залповых выбросах токсичных веществ, а также постоянного загрязнения тяжелыми металлами илового осадка, что в настоящее время повсеместно приводит к невозможности использовать осадок как удобрение;

· на начальных стадиях водоподготовки, т.к. сорбент достаточно эффективно извлекает токсичные вещества неорганической и органической природы из разбавленных растворов;

· в экомониторинге.

Биосорбенты имеют и некоторые существенные недостатки, сужающие возможности их применения во многих технологических процессах: низкая селективность, малая механическая прочность, высокие показатели окисляемости фильтрата, сложная регенерация, часто сопоставимая по затратам с производством сорбента. Однако при применении сорбентов в экомониторинге отсутствие селективности в ряду тяжелых и цветных металлов позволяет определять сразу широкий спектр загрязнений, причем элементы могут сорбироваться как в катионной, так и в анионной формах. Механическая прочность биосорбентов ниже, чем у синтетических ионитов, однако, для определения загрязненности водоемов вполне достаточна. Высокие показатели окисляемости фильтрата (примерно в 10 раз выше, чем в синтетических ионитах) в данном случае не являются препятствием для использования биосорбентов. При неизбежной деструкции сорбентов в процессе эксплуатации в водную фазу попадают не производные ароматических углеводородов, как это имеет место при применении синтетических сорбентов, а безвредные вещества (олигосахариды, аминокислоты), которые всегда  в небольших количествах содержатся в воде открытых водоемов. Наконец, в регенерации биосорбентов при их небольшой стоимости нет никакой необходимости.

Предварительные результаты использования биосорбентов при определении загрязнения тяжелыми металлами р. Золотой Рожок (г. Москва) представлены в таблице 2.

 

Таблица № 2.

 

Во всех образцах, включая пробы воды и находившиеся в ней в течение суток сорбенты, не обнаружены Cr, Be, V, Cd, Bi, As, Pb, Co, Sb.

Проведенные эксперименты показали, что присутствующие в сорбентах элементы далеко не всегда можно, при имеющемся уровне чувствительности анализа, обнаружить в воде. Таким образом, применение биосорбентов позволяет при незначительном усложнении анализа (дополнительно проводятся десорбции и фильтрация) достигнуть существенного увеличения чувствительности определения. Разумеется, полученные данные позволят лишь рассчитать некоторое  среднее значение концентрации загрязняющего элемента в воде во время наблюдений.

В дальнейшем необходимо определить  количественные соотношения между содержанием токсичного элемента в сорбенте и водоеме с учетом скорости потока жидкости и продолжительности наблюдений. В принципе возможна оценка количества прошедшей через сорбент воды по остаточному количеству натрия в сорбенте. Отдельной задачей является изучение поведения сорбента при резком изменении концентрации загрязняющего элемента.

Предварительные испытания можно считать успешными. Показано, что применение биосорбентов поможет решить проблему определения малых количеств загрязняющих компонентов в различных водоемах т.е. увеличение чувствительности определений без изменения аналитической базы, и попытаться диагностировать резкие кратковременные изменения концентраций загрязняющих компонентов.

 

Литература

1. Engl A., Kunz B. Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae: effects of nutrient conditions./ J. Chem. Technol. 1995, т. 63, № 3, с.257-261.
2. Holan Z.R., Volesky B. Accumulation of cadmium, lead, and nickel by fungal and wood biosorbents. /Appl. Biochem, Biotechnol.; 1995, т. 53, ¹ 2, с. 133-46.
3. Кореневский А.А., Сорокин В.В., Каравайко Г.И. Взаимодействие ионов серебра с клетками Саndida Utilis. /Микробиология, 1993, т. 62, вып. 6, с. 1085-1092.
4.  Кореневская А.А., Каравайко Г.И. Сорбция молибдена биомассой микроорганизмов./ Микробиология, 1993, т. 62, вып. 4, с. 709-716.
5. Akthar N., Sastry S.K., Mohan P.M. Biosorption of silver ions by рrocessed Aspergillus niger biomass. /Biotechnol. Lett.,   1995, т. 17, ¹ 5, с. 551-56.
6. Donnellan N., Rollan A., McHale L., McHale A.P. The effect of electric field stimulation on the biosorption of uranium by non-living  biomass derived from Kluyverocmyces marxianus IMB3./ Biotechnol. Lett.; 1995, т. 17, № 4, с. 439-42.
7. Водолазов  Л.И., Шарапов Б.Н., Шарапова Н.А., Ласкорин Б.Н. Исследование взаимодействия мицелиальных отходов антибиотиков в растворами кислот. /ДАН., 1989, т.304, № 3, с. 676-679.
8. Водолазов Л.И., Шарапов Б.Н., Шарапова Н.А. Исследование взаимодействия мицеальных отходов производства антибиотиков с ионами металлов растворов./ ДАН, 1988, т. 301, № 1, с. 125-128.
9. Киррилова Л.Н., Смирнов А.В., Когтев Л.С. и др. Природные биосорбенты. Сравнительная характеристика ионообменных свойств биомасс продуцентов биологически активных веществ.
10. Remacle J. Heavy metal trapping by Gram-negativ and Gram-positiv bakteria. /Harnessing-Biotechnol. 21^st - century. 1992, c. 458-461.
11. Alibhai K.A.K., Dudeney A.W.L., Leak D.J., Agatzini S., Tzeferis P. Bioleaching an bioprecipitation of nicel and iron iron from laterites. / FEMS - Microbiol. Rev., 1993. Т.11. ¹ 1-3, с. 87-96.
12. Falla J., Block J.C. Bilding of Cd 2+, Ni 2+, Cu 2+ and Zn 2+ by isolated envelopes of Pseudomonas fluorescens. / Microbiol. Lett., 1993. Т.108. ¹ 3, с. 347-352.
13. Pradhan  A.A., Levine A.D. Role of extracellular components in microbial biosorption of copper and lead. / Water - Soi. Technol., 1993, т. 26. ¹ 9-11, с.2153-2156.
14. Liets W. Decontamination of heavy metal polluted solution in presens of the chelation agents NTA and EDTA. / Meded. Fac. Landbouwwet. Rijksuniv. Gent., 1992, т. 57. № 4а, с. 1721-1724.

| Оглавление | Рефераты статей | Русско-Английский геоэкологический словарь |

Copyright © Центр Практической Геоэкологии, 1996-2004

ВНИМАНИЕ! Частичное или полное воспроизведение материалов данного сборника является объектом авторского права и может быть осуществлено только при условии использования ссылки на первоисточник: Геоэкология урбанизированных территорий. Сб. тр. Центра Практической Геоэкологии // Под ред. В.В.Панькова, С.М.Орлова - М.: ЦПГ, 1996.-108с.

Библиотека Гильдии экологов