Влияние комплексных соединений катионов металлов с этилендиаминтетраацетатами на жизнедеятельность адаптированных микроорганизмов

УДК 544.723.2

Е.А. Фарберова, А.В. Виноградова, Е.А. Тиньгаева, Е.В. Шульц

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

ВЛИЯНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КАТИОНОВ МЕТАЛЛОВ С ЭТИЛЕНДИАМИНТЕТРААЦЕТАТАМИ НА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ АДАПТИРОВАННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

Этилендиаминтетраацетат (ЭДТА) благодаря своей способности образовывать стабильные водорастворимые комплексы со многими металлами нашел широкое применение в промышленности. ЭДТА используется в атомной и теплоэнергетике, в целлюлозо-бумажной, текстильной, кожевенной, химической, фармацевтической промышленности, сельском хозяйстве и аналитической химии. Известно, что около 70 % потребленного ЭДТА попадает в окружающую среду, что приводит к накоплению ЭДТА в почве и водных ресурсах. Опасность накопления ЭДТА в природной среде заключается в том, что он способен связывать ионы металлов в устойчивые хелатные комплексы. А это может привести к переходу ионов металлов из почвы в растворенное состояние и к загрязнению ими грунтовых вод и питьевой воды в трубопроводах.

Применение реагентных методов и озонирования мало способствует снижению концентрации ЭДТА в очищаемой воде. Анализ зарубежного и отечественного опыта биологической очистки сточных вод от ЭДТА показал, что методы применения микроорганизмов для деградации ЭДТА находятся пока на стадии научных разработок и лабораторных испытаний.

Целью данного исследования является изучение влияния комплексных соединений катионов металлов с ЭДТА на жизнедеятельность адаптированных к нему микроорганизмов.

Проведены эксперименты, позволяющие выявить влияние комплексов Cu-ЭДТА и Fe-ЭДТА на поведение микроорганизмов, адаптированных к ЭДТА. Установлено, что выделенная и адаптированная к ЭДТА культура микроорганизмов способна биологически утилизировать ЭДТА и его комплексные соли, образованные катионами Cu2+ и Fe3+'

На основании полученных результатов эксперимента сделано предположение о возможности извлечения ЭДТА из сточных вод с использованием БАУ-А, импрегнированного ионами металлов.

Ключевые слова: биосорбент, ЭДТА, культуральная жидкость, биомасса, микроорганизмы, активный уголь, адаптированная культура.

E.A. Farberova, A.V. Vinogradova, E.A. Tingaeva, E.V. Shults

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

THE INFLUENCE OF COMPLEX COMPOUNDS OF METAL CATIONS WITH EDTA ON THE LIVELIHOODS OF ADAPTED MICROORGANISMS

Ethylenediaminetetraacetate (EDTA), thanks to its ability to form stable water-soluble complexes with many metals, found wide application in industry. EDTA is used in atomic and thermal power engineering, pulp and paper, textile, leather, chemical, pharmaceutical industry, agriculture and analytical chemistry. It is known that about 70 % of the consumed EDTA is released to the environment, leading to an accumulation of EDTA in the soil and water resources. Danger of accumulation of EDTA in the natural environment is that it is able to bind metal ions in sustainable chelate complexes. And this may lead to transition metal ions from the soil in the dissolved state and pollution of their groundwater and drinking water in the pipelines.

Application of methods and reagent ozone contributes little to reduce the concentration of EDTA in the purified water.

Analysis of foreign and domestic experience of biological treatment of wastewater EDTA has shown that the methods of use of microorganisms for the degradation of EDTA are still in a process of scientific research and laboratory tests.

The aim of this study is to examine the impact of complex compounds of metal cations with EDTA on the livelihoods adapted to the microorganisms.

Experiments were conducted to elucidate the influence of complexes of Cu-EDTA and Fe-EDTA on the behaviour of microorganisms.

Established selected and adapted to the EDTA culture of microorganisms capable of biologically dispose of EDTA and its complex salts formed cations Cu2+ and Fe3+'

Based on the obtained results of the experiment made an assumption about the possibility of extraction of EDTA from wastewater using BAU impregnated metal ions.

Keywords: biological sorbent, EDTA, culture liquid, biomass, micro-organisms, active carbon, adapted culture.

Известно, что комплексы, образованные катионами металлов и ЭДТА в водных средах, обладают большей растворимостью, чем ЭДТА [1], поэтому в процессах биологической очистки воды от ЭДТА следует учитывать влияние катионов металла на поведение микроорганизмов и работу биосорбента в системе [2-6].

С целью изучения влияния комплексных соединений металлов с ЭДТА на поведение клеток микроорганизмов в модельный раствор, содержащий заданное количество ЭДТА, добавляли комплексную соль Си2+-ЭДТА или Бе3+-ЭДТА и вводили адаптированную культуру микроорганизмов. В исследуемой системе содержание ЭДТА находилось в избытке по отношению к комплексным соединениям. Данную серию образцов термостатировали при 30 °С и по истечении заданного времени определяли концентрацию ЭДТА, общее содержание ионов металлов и количество клеток в культуральной жидкости.

Концентрацию ионов металла определяли также в надосадочной жидкости после отделения биомассы. Результаты эксперимента приведены в табл. 1, 2.

Таблица 1

Влияние комплексного соединения Си2+-ЭДТА на жизнедеятельность микроорганизмов и степень утилизации ЭДТА в растворе

Время, сут Оптическая плотность культуральной жидкости Количество клеток, 10-6 кл./см3 Концентрация ЭДТА в растворе, мг/дм3 Степень утилизации ЭДТА, % Концентрация ионов Си2+ в очищенном растворе, мг/дм3

0 0,008 0,944 7624 - 0,024

1 0,01 1,180 7243 5,000 0,015

2 0,014 1,652 6824 10,493 0,008

3 0,016 1,888 6318 17,130 Ниже чувствительности прибора

4 0,017 2,005 5248 31,165 Ниже чувствительности прибора

7 0,012 1,416 4768 37,461 Ниже чувствительности прибора

8 0,005 0,590 4634 39,218 Ниже чувствительности прибора

Таблица 2

Влияние комплексного соединения Бе-ЭДТА на жизнедеятельность микроорганизмов и степень утилизации ЭДТА в растворе

Время, сут Оптическая плотность культуральной жидкости Количество клеток, 10-6кл./см3 Концентрация ЭДТА в растворе, мг/дм3 Степень утилизации ЭДТА, % Концентрация т^ 3+ ионов Бе в очищенном растворе, мг/дм3

0 0,008 0,944 6894 - 0,038

1 0,009 1,062 6417 6,919 0,038

2 0,012 1,416 6018 12,707 0,036

3 0,017 2,005 5438 21,120 0,033

4 0,016 1,888 5283 23,368 0,033

7 0,01 1,180 5118 25,762 0,032

8 0,008 0,944 4918 28,663 0,034

Как видно из результатов эксперимента, концентрация свободно-

2+

го ЭДТА в присутствии комплексных соединений Си -ЭДТА

3+

и Бе -ЭДТА за 8 сут уменьшилась на 28,7-39,2 %. Несмотря на то, что наблюдался прирост биомассы, проявилось и ингибирующее действие комплексных ионов (рис. 1).

Рис. 1. Кривые роста адаптированных микроорганизмов в присутствии комплексных соединений Си2+-ЭДТА (а) и Бе3+-ЭДТА (б): 1 - оптическая плотность в присутствии комплексных соединений; 2 - оптическая плотность чистой культуры

В растворе, содержащем комплекс Си2+-ЭДТА, по истечении 2 сут присутствие ионов Си2+ не наблюдалось (рис. 2). Концентрация Бе3+ за 8 сут практически не изменилась (рис. 3).

2 4 6 Время, сут

Рис. 2. Изменение концентрации ионов Си2+ и ЭДТА в растворе, содержащем избыток ЭДТА и комплексного соединения Си2+-ЭДТА:

1 - ССи2+ ; 2 - Сэдта

3 5 Время, сут

Рис. 3. Изменение концентрации ионов Бе3+ и ЭДТА в растворе, содержащем избыток ЭДТА и комплексного соединения Бе3+-ЭДТА:

1 - Сре2+ ; 2 - СЭДТА

На основании полученных результатов эксперимента сделано предположение о возможности извлечения свободного ЭДТА из сточных вод с использованием БАУ-А, импрегнированного ионами металлов.

Для эксперимента использован активный уголь БАУ-А1, который импрегнировали растворами солей металлов (Си2+ и Бе3) [7].

Расчет объема раствора соли (см ) для импрегнирования прово-

дили по формуле [8]

V = МУ^ к,

где М - масса угля, равная 1 г; УЕ - суммарный объем пор, см3/г; К -коэффициент пропитки, К = 0,9.

Навеску активного угля (АУ) обрабатывали раствором соли Си(11) или Ее(Ш) в соотношении, рассчитанном по вышеприведенной

1 ГОСТ 6217-74. Уголь активный. Древесный. Дробленный. Технические

условия.

формуле, тщательно перемешивали до сыпучего состояния пробы и высушивали до воздушно-сухого состояния.

Приготовленные образцы БАУ-А, импрегнированные катионами металлов, массой 10 г помещали в 100 см водного раствора ЭДТА с концентрацией 7,7 г/дм3 и при постоянном перемешивании выдерживали в течение 1 и 3 сут. Далее твердую фазу отделяли от жидкой фильтрованием и в фильтрате определяли содержание ионов Ме и ЭДТА (табл. 3).

Таблица 3

Исследование сорбционных свойств БАУ-А, импрегнированного ионами Си2+ и Бе3+

Показатели БАУ-А

Исходная концентрация катиона, мг/дм3 0,036 0,066

Время контакта, сут 1 3 1 3

Концентрация катиона, мг/дм3 0,003 55 0,0049 0,002 15 0,0033

Концентрация ЭДТА, г/ дм3 6,625 5,160 6,50 5,265

Сорбционная емкость импрегнированного АУ по ЭДТА, г/г 0,011 0,0254 0,012 0,024 35

Степень извлечения ЭДТА, % 14,0 33,0 15,6 31,6

Выход катионов металла, % 9,86 13,6 3,26 5,0

Степень извлечения ЭДТА из очищаемого раствора за счет ком-плексообразования с использованием импрегнированного ионами металлов активного угля не превышает 31-33 %. При этом наблюдался незначительный переход ионов металла с поверхности сорбента в раствор (см. табл. 3).

Далее было проведено исследование влияния присутствия комплексного соединения ЭДТА с катионами металлов на способность биосорбента утилизировать ЭДТА. Биосорбент получен путем иммобилизации адаптированных к ЭДТА клеток микроорганизмов на поверхность активного угля БАУ в статических условиях [9].

В серию колб вводили 100 см3 модельного раствора, содержащего ЭДТА, биосорбент, 1 см3 раствора комплексной соли Ме-ЭДТА. Систему термостатировали при 30 °С при постоянном перемешивании. Ежедневно анализировали общее содержание катионов металлов и субстрата в очищаемом растворе, а также измеряли количество клеток микроорганизмов (табл. 4, 5).

В течение 7 сут в присутствии комплексной соли Си2+-ЭДТА наблюдалось увеличение числа клеток микроорганизмов и снижение содержания ЭДТА в очищаемом растворе. При этом присутствие в растворе меди не наблюдалось (см. табл. 4).

Таблица 4

Влияние присутствия комплексного соединения Си2+-ЭДТА на способность биосорбента утилизировать ЭДТА

Время контакта, сут Оптическая плотность Количество клеток, кл./см3 Остаточная концентрация ЭДТА в очищаемом растворе, г/дм3 Концентрация Си2+, мг/дм3 Степень утилизации ЭДТА, %

0 0 0 7,34 0,043 -

1 0,005 0,590 7,06 0,024 3,8

2 0,007 0,826 6,30 Ниже чувствительности прибора 14,1

3 0,006 0,708 5,18 Ниже чувствительности прибора 29,4

4 0,005 0,590 4,44 Ниже чувствительности прибора 39,5

7 0,008 0,944 0,74 Ниже чувствительности прибора 89,9

8 0,007 0,826 0,65 Ниже чувствительности прибора 91,1

Подобные результаты были получены и при использовании биосорбента в присутствии комплексной соли Бе3+-ЭДТА. Однако в течение всего эксперимента общее содержание ионов Бе3+ в растворе практически оставалось постоянным (см. табл. 5).

Таблица 5

Влияние присутствия комплексного соединения Бе3+-ЭДТА на способность биосорбента утилизировать ЭДТА

Время контакта, сут Оптическая плотность Количество клеток, кл/см3 Остаточная концентрация ЭДТА, г/дм3 Концентрация Бе3+, мг/дм3 Степень утилизации ЭДТА, %

0 0 0 7,18 0,036 -

1 0,005 0,590 6,84 0,036 4,7

2 0,006 0,708 6,08 0,035 15,3

3 0,007 0,826 5,60 0,032 22,0

4 0,007 0,826 4,13 0,033 42,5

7 0,006 0,708 1,20 0,032 83,3

8 0,007 0,826 0,70 0,032 90,3

Таким образом, биосорбент на основе АУ с иммобилизованными на его поверхности клетками адаптированной к ЭДТА культуры микроорганизмов способен биологически утилизировать ЭДТА в присутствии его комплексных солей Cu2+ и Fe3+.

В течение 7-8 сут микробиологического процесса степень утилизации ЭДТА достигает уровня 90 %. Присутствие комплексных соединений Cu -, Fe -ЭДТА не снижает эффективности использования биосорбента при утилизации ЭДТА из очищаемых растворов.

Список литературы

1. Босоло Ф. Химия координационных соединений: пер. с англ. - М.: Мир, 1973. -145 с.

2. EDTA enhanced heavy metal phytoextraction: metal accumulation, leaching and toxicity / H. Greman, S. Velikonja-Bolta, D. Vodnik, B. Kos, D. Lestan // Plant Soil. - 2001. - Vol. 235. - P. 105-114.

3. Gilbert E., Hoffmann-Glewe S. Ozonation of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) in aqueous solution, influence of pH value and metal ions // Water Research. - 1990. - Vol. 24. - P. 39-44.

4. Дедюхина Э.Г., Чистякова Т.И., Минкевич И.Г. Биодеградация ЭДТА // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Химическая технология и биотехнология. - 2007. - Вып. 2, № 5. - С. 40-49.

5. Сатрутдинов А. Д., Дедюхина Э.Г., Чистякова Т.И. Исследование бактериальной деградации ЭДТА // Микробиология. - 2003. - № 1. - С. 14-18.

6. Madsen E., Alexander M. Effects of Chemical Speciation on the Mineralization of Organic Compounds by Microorganisms // Applied & Environmental Microbiology. - 1985. - Vol. 50. - P. 349.

7. Колышкин ДА., Mихайлова К.К. Активные угли: справ. - Л.: Химия. - 1972. -56 с.

8. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1976. -

512 с.

9. Фарберова Е.А., Виноградова А.В., Шульц Е.В. Изучение влияния ЭДТА на рост и развитие культур микроорганизмов // Вестник Перм. нац. ис-след. политехн. ун-та. Химическая технология и биотехнология. - 2012. -№ 14. - С. 169-177.

References

1. Bosolo F. Khimiya koordinatsionnykh soedineniy [Chemistry of coordination compounds]. Moscow: Mir, 1973, 143 p.

2. Greman H., Velikonja-Bolta S., Vodnik D., Kos B., Lestan D. EDTA enhanced heavy metal phytoextraction: metal accumulation, leaching and toxicity. Plant Soil, 2001, vol. 235, pp. 105-114.

3. Gilbert E., Hoffmann-Glewe S. Ozonation of ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) in aqueous solution, influence of pH value and metal ions. Water Research, 1990, vol. 24, pp. 39-44.

4. Dedyukhina E.G., Chistyakova T.I., Minkevich I.G. Biodegradatsiya EDTA [Biodegradation of EDTA]. VestnikPermskogo natsionalnogo issledovatelskogopoli-tekhnicheskogo universiteta. Khimicheskaya tekhnologiya i biotekhnologiya, 2007, vol. 2, no. 5, pp. 40-49.

5. Satrutdinov A.D., Dedyukhina E.G., Chistyakova T.I. Issledovanie bak-terialnoy degradatsii EDTA [Study of bacterial degradation EDTA]. Mikrobi-ologiya, 2003, no. 1, pp. 14-18.

6. Madsen E., Alexander M. Effects of Chemical Speciation on the Mineralization of Organic Compounds by Microorganisms. Applied & Environmental Microbiology, 1985, vol. 50, pp. 349.

7. Kolyshkin D.A., Mikhaylova K.K. Aktivnye ugli [Active carbons Handbook]. Leningrad: Khimiya, 1972, 56 p.

8. Keltsev N.V. Osnovy adsorbtsionnoy tekhniki [Fundamentals of adsorption technique]. Moscow: Khimiya, 1976, 512 p.

9. Farberova E.A., Vinogradova A.V., Shults E.V. Izuchenie vliyaniya na rost i razvitie kultur mikroorganizmov [Study of the influence of EDTA on the growth and development of microorganism cultures]. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Khimicheskaya tekhnologiya i biotekhnologiya, 2012, no. pp. 169-177.

Получено 15.06.2013

Об авторах

Фарберова Елена Абрамовна (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: elenafarb@gmail.com).

Виноградова Ангелина Васильевна (Пермь, Россия) - кандидат биологических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29).

Тиньгаева Елена Александровна (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: teengaeva@mail.ru).

Шульц Елена Владимировна (Пермь, Россия) - студентка кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29).

About the authors

Farberova Elena Abramovna (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: elenafarb@gmail.com).

Vinogradova Angelina Vasilevna (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of Biological Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: vvv@purec.pstu.ac.ru).

Tingaeva Elena Aleksandrovna (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: teengaeva@mail.ru).

Shults Elena Vladimirovna (Perm, Russian Federation) - Student, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: vvv@purec.pstu.ac.ru).