Извлечение ионов тяжелых металлов сухой биомассой микроорганизмов

УДК 579.66

ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ СУХОЙ БИОМАССОЙ МИКРООРГАНИЗМОВ

© Д.А. Попов, О.И. Бахирева, В.Н. Басов

Ключевые слова: ионы кадмия; ионный обмен; сухая биомасса; биосорбция.

Рассмотрена возможность адсорбции ионов кадмия из водных растворов высушенной биомассой микроорганизмов рода Pseudomonas, известных своей способностью поглощать тяжелые металлы в процессе жизнедеятельности. Приведена методика получения сухой биомассы клеток, изучен ионный обмен между водной фазой и клеткой. Показана возможность поглощения ионов кадмия клетками, построена изотерма адсорбции, и рассчитаны ее параметры.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время актуальна проблема очистки сточных вод предприятий черной и цветной металлургии, химических, гальванических производств, а также восстановления почв, грунтовых и шахтных вод, загрязненных из-за отвалов пустой породы руд цветных металлов и полиметаллических руд, загрязненных ионами тяжелых металлов.

Существуют многочисленные методы очистки воды от ионов тяжелых металлов, каждый из которых имеет свои области применения, требования к аппаратуре, преимущества и недостатки. Одним из универсальных методов является биосорбция - использование клеток микроорганизмов (в виде планктонной культуры или пленки живых микроорганизмов на носителе) или сухой клеточной биомассы.

Предполагается, что клетки бактерий, которые способны выживать в средах, содержащих достаточно высокие концентрации ионов тяжелых металлов, таких как Cd2+, ^2+, №2+, и поглощать их из раствора, сохраняют свои сорбционные свойства и в высушенном виде. С высушенной биомассой гораздо легче работать, чем с живой, - мертвые клетки практически не требуют соблюдения строгого температурного режима, кислотности среды, осмотического давления в растворе и т. д., что очень важно с точки зрения применения метода в реальных очистных сооружениях и установках [1].

МЕТОДИКИ И МАТЕРИАЛЫ

Для работы использована сухая биомасса микроорганизмов. Этот штамм был выделен из почвы на территории ФКП «Пермский пороховой завод» (г. Пермь, Пермский край), специализирующегося на производстве оружейного пороха и пиротехники.

Культура микроорганизмов была выращена в среде РСА, содержащей на 1 л: 5 г пептона, 2,5 г дрожжевого экстракта, 1 г глюкозы [2]. На плотной среде МПА (10 г/л пептона, 15 г/л агара) эти микроорганизмы образуют множество мелких белых круглых или овальных колоний, тонких, с ровными краями. Под микро-

скопом с увеличением 10x100 клетки выглядят как слегка изогнутые палочки. Эти бактерии являются грам-отрицательными и принадлежат к роду Pseudomonas. Ранее были проведены работы по удалению ионов цинка, кадмия и меди из водных растворов с помощью этого же штамма, была доказана принципиальная возможность сорбции этих ионов структурами клетки [3-4].

Получение сухой биомассы проводилось из плотной культуральной жидкости (в конических колбах на шейкере при температуре 27 °С, скорости перемешивания 160 об./мин.). Клетки из жидкой среды были отделены центрифуригованием в течение 10 мин. при скорости 8000 об./мин. Осадок клеток был просушен в сухожаровом шкафу при температуре 90 °С в течение двух суток. После тщательного измельчения сухая биомасса выглядит как темно-коричневый легкий мелкий порошок.

Изучение возможности ионного обмена между сухой биомассой и водной средой проводилось с использованием навесок высушенных клеток (по 100 мг), которые помещались в емкости с деионизированной водой (вода из колонки Millipore, соответствующая стандарту удельного электрического сопротивления >5 МОм-см) по 100 мл, во всех опытах соотношение твердой и жидкой фаз (Т:Ж) составляло 1:1000. Контакт между твердой и жидкой фазами осуществлялся на шейкере при температуре 26 °С и скорости перемешивания 180 об./мин. в течение 20 мин. и 2 суток. Твердую фазу от жидкой отделяли центрифугированием, в центрифугате определяли концентрации ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+ методом атомно-абсорбци-онной спектрометрии (ААС) (спектрометр Thermal Scientific iCE 3500, режим атомизации с помощью пламени с применением стандартов, изготовленных из соответствующих государственных стандартных образцов (ГСО) по приложенных к ним инструкциям).

Изотерму адсорбции ионов Cd2+ сухой биомассой получали с применением серии растворов CdCl2 в деи-онизированной воде, содержащих 10, 25, 50, 100 мг/л ионов Cd2+. Соотношение Т:Ж в каждом опыте 1:1000, время контакта - 1 час (температура 26 оС, скорость вращения 160 об./мин.). Разделение твердой и жидкой

фаз, анализ жидкой фазы осуществляли аналогично предыдущему опыту. Получившаяся зависимость величины адсорбции ионов кадмия на биомассе от равновесной концентрации кадмия в растворе описывалась уравнением изотермы Лэнгмюра:

А = АтахКС / (1 + КС),

где Атах - величина предельной адсорбции; и уравнением Фрейндлиха:

А = КС11".

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Проводили три серии опытов. В первой из них рассматривали изменение концентраций в воде после смыва ионов с клеток. В табл. 1 представлены составы исходной деионизированной воды и концентрации ионов, смытых с биомассы.

Подсчитаем суммарное количество ионов, высвободившихся в воду:

АС = НДСА),

где АС1 - изменение концентрации г'-го иона, вымытого в раствор, - его заряд.

- после 20 минут контакта АС = 0,266 мг-экв/л;

- после 2 суток контакта АС = 0,427 мг-экв/л.

Во второй серии опытов рассматривался процесс сорбции кадмия из раствора сухими клетками. В табл. 2 представлены параметры адсорбции в четырех емкостях с разными концентрациями Cd2+ после часового контакта биомассы с раствором.

Представим изотерму в графическом виде (рис. 1). Для оценки параметров уравнения Лэнгмюра представим изотерму в лиенаризированной форме (рис. 2).

Рассчитанные величины: предельная адсорбция Амах = 26,9099 мг/г, константа сорбционного равновесия К = 1,025.

Таблица 1

Концентрации ионов в растворе при ионном обмене с водой

Mg2+ Са Fe3+ Г

Исходная концентрация ионов, мг-экв/л 0 0,01 0,000031 0,0223 0

Равновесная концентрация ионов в растворе, время контакта - 20 мин., мг-экв/л 0,023 0,0325 0,000506 0,0683 0,142

Равновесная концентрация ионов в растворе, время контакта - 2 сут., мг-экв/л 0,064 0,0354 0,000196 0,1940 0,134

Таблица 2

Адсорбция ионов кадмия

Начальная концентрация ионов Cd2+, мг/л Равновесная концентрация. ионов Cd2+ Сравн, мг/л Величина адсорбции А, мг/г Г /д ^равн'-^1 ^Л-^рав^ Ln

10,75 2,72 7,98 0,34 1 2,03

43,45 22,84 20,67 1,11 3,13 3,03

67,28 44,87 22,41 2,00 3,8 3,11

122,35 97,36 24,99 3,89 4,58 3,22

Таблица 3

Изменение концентраций в растворе при адсорбции ионов кадмия

К+ Са Fe3+ Cd2+

Исходная концентрация раствора, мг-экв/л 0,022 0 0 0,01 0,00002 0,544

Равновесная концентрация раствора после 1 ч контакта, мг-экв/л 0,086 0,102 0,0345 0,0470 0,00011 0,111

Таблица 4

Смыв ионов с сухой биомассы за трое суток

К+ Fej+ Са Cd2+

Концентрация исходного раствора, мг-экв/л 0,00088 0 0 0 0 0,742

Равновесая концентрация в растворе, время контакта - 3 сут., мг-экв/л 0,0934 0,1053 0,0227 0,00022 0,1167 0,274

0 20 АО 00 Ю 100 1» ^Сравн, мг/я

Рис. 1. Изотерма адсорбции ионов Cd2+ на сухой биомассе

Сравн/А

О 20 40 СО ао 100 120

Сравн. мг/л

Рис. 2. Линейная форма изотермы адсорбции Лэнгмюра

Ln

0 5 1 1,5 2 2,5 2 2 5 4 4 5 5 Lll

Рис. 3. Линейная форма изотермы адсорбции Фрейндлиха

Рассчитаем параметры уравнения Фрейндлиха (рис. 3).

Рассчитанные величины: константа Фрейндлиха К = = 1,82, " = 3,03.

Из графиков видно, что модель Лэнгмюра лучше подходит для описания процесса, чем модель Фрейнд-лиха - коэффициент детерминации Я2 для линейной формы уравнения Лэнгмюра =1, в то время как для уравнения Фрейндлиха - 0,94.

Рассчитаем суммарное количество ионов, высвобожденных в раствор в процессе сорбции ионов кадмия (на примере одной из проб):

АС = 0,268 мг-экв/л ионов в воду, АСЫ = -0,433 мг-экв/л.

Из этого опыта видно, что количество смытых за двадцать минут ионов приблизительно равно количеству ионов, вышедших в раствор во время сорбции Cd2+. Предположительно, именно эти ионы и участвуют в обменных процессах. Количество поглощенного кадмия также практически равно максимальному количеству ионов, смываемых за двое суток, что также говорит о тесной взаимосвязи между процессами сорбции и десорбции элементов - компонентов клеток.

Для доказательства этого взаимодействия была проведена третья серия опытов, в которой осуществлялась сорбция ионов кадмия клетками, предварительно промытыми водой в течение трех суток. Представим данные в виде табл. 4.

Рассчитаем суммарное изменение количества ионов после контакта с водой и следующее за ним изменение количества кадмия в растворе после контакта с этими же клетками:

AC = 0,338 мг-экв/л ионов в воду, ACCd = -0,468 мг-экв/л кадмия из воды на биомассу. Результаты свидетельствуют о том, что количество сорбированных ионов кадмия биомассой, предварительно промытой деионизированной водой, увеличилось по сравнению с непромытой, что подтверждает участие отмываемых компонентов клеток в процессах ионного обмена.

ВЫВОДЫ

1. Высушенные клетки микроорганизмов, изначально обладавших сорбционной активностью по отношению к ионам тяжелых металлов, также способны поглощать эти ионы.

2. Ионный обмен - основной механизм сорбции кадмия на сухой биомассе данных микроорганизмов.

3. В ионном обмене участвуют основные элементы клетки - ионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+.

4. Клетки, предварительно отмытые от ионов, имеют увеличенную сорбционную емкость по отношению к ионам кадмия, что, вероятно, связано с более полным протеканием сорбционного процесса по сравнению с неотмытыми клетками, и также может быть связано с замещением ионов металлов на более подвижные ионы водорода.

ЛИТЕРАТУРА

1. Verma V.K., Saumyata Tewari, Rai J.P.N. Ion exchange during heavy metal bio-sorption from aqueous solution by dried biomass of macro-phytes II Bioresource Technology. 2GG8. V. 99. April. I. 6. URL: http:IIwww.sciencedirect.comIscienceIarticleIpiiISG96G8524G7GG2581 (accessed: 2G.G6.2G14).

2. Vullo D.L., Ceretti H.M. Cadmium, zinc and copper biosorption mediated by Pseudomonas veronii 2E II Bioresource Technology. 2GG8. V. 99. September. I. 13. URL: http:IIwww.sciencedirect.comIscienceI articleIpiiISG96G8524G7GG9212 (accessed: 2G.G6.2G14).

3. Попов Д.А., Бахирева О.И. Удаление ионов тяжелых металлов из водных растворов с помощью биосорбции II Химия. Экология. Биотехнология: тез. докл. конф. Пермь: ПНИПУ, 2G13.

4. Моисеева О.Г., Бахирева О.И. О возможности биологической очистки растворов от ионов цинка // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика: материалы 9 Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Пермь: ПНПИУ, 2011. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).

Поступила в редакцию 3 июля 2014 г.

Popov D.A., Bakhireva O.I., Basov V.N. EXTRACTION OF HEAVY METAL IONS BY DRY BIOMASS OF MICROORGANISMS

The possibility of the adsorption of cadmium ions from aqueous solutions by dried biomass of microorganisms of the genus Pseudomonas, known for their ability to absorb heavy metals in the process of life, are considered. The technique of producing dry biomass of cells is given, ion exchange between

the aqueous phase and the cell is studied. Absorption capability of cadmium cells is shown, the adsorption isotherm is constructed and its parameters are calculated.

Key words: cadmium ions; ionic exchange; dried biomass; biosorption.

Попов Дмитрий Анатольевич, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Российская Федерация, магистрант, кафедра химии и биотехнологии, e-mail: atharaxy@yandex.ru

Popov Dmitriy Anatolyevich, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation, Candidate for Master's Degree, Chemistry and Bio-technology Department, e-mail: atharaxy@yandex.ru

Бахирева Ольга Ивановна, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Российская Федерация, кандидат химических наук, доцент, доцент кафедры химии и биотехнологии, e-mail: bahirevy@mail.ru

Bakhireva Olga Ivanovna, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation, Candidate of Chemistry, Associate Professor, Associate Professor of Chemistry and Bio-technology Department, e-mail: bahi-revy@mail.ru

Басов Вадим Наумович, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры химии и биотехнологии, e-mail: bahirevy@mail.ru

Basov Vadim Naumovich, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Professor of Chemistry and Bio-technology Department, e-mail: bahirevy@mail.ru