ИНКАПСУЛИРОВАННЫЕ В ОРГАНОСИЛИКАТНЫЕ МАТРИЦЫ ДРОЖЖИ КАК БИОКАТАЛИЗАТОРЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ БИОФИЛЬТРОВ

ХИМИЯ

УДК 54.058; 579.6 DOI: 10.24412/2071-6176-2022-1-3-8

ИНКАПСУЛИРОВАННЫЕ В ОРГАНОСИЛИКАТНЫЕ МАТРИЦЫ ДРОЖЖИ КАК БИОКАТАЛИЗАТОРЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ

БИОФИЛЬТРОВ

И. А. Грибанов, Д. Г. Лаврова, В. А. Алферов

Получены биогибридные материалы путем инкапсулирования в условиях золь-гель синтеза метилотрофных дрожжей в органосиликатные матрицы из тетра-этоксисилана (ТЭОС), метилтриэтоксисилана (МТЭС) и поливинилового спирта (ПВС) и исследована возможность применения полученных биокатализаторов как загрузочного материала биофильтров для очистки сточных вод.

Ключевые слова: инкапсулированные микроорганизмы, метилотрофные дрожжи, ормосил, органосиликатные матрицы, поливиниловый спирт, биофильтры, сточные воды.

Введение

Загрязнение окружающей среды - актуальная проблема, требующая большого внимания со стороны научного сообщества. Особенно остро стоит вопрос рекультивации бытовых и промышленных стоков, которые часто содержат токсичные для окружающей среды соединения. Очистка сточных вод, загрязненных метанолом, производится с использованием физико-химических методов, таких как абсорбция, адсорбция, мембранное разделение и биологические методы с использованием аэробных и анаэробных реакторов. Выбор метода в основном зависит от параметров процесса, а именно, концентрации метанола в сточных водах, химической потребности в кислороде (ХПК) и рН [1].Одним из эффективных подходов для очистки сточных вод является применение биофильтров, в которых фильтрация очищаемых стоков осуществляется через слой крупного зернистого материала, покрытого биологической плёнкой аэробных микроорганизмов, которые способны окислять токсичные соединения. Иммобилизация микроорганизмов позволяет существенно интенсифицировать и повышать эффективность очистных сооружений [2]. Последние десятилетие направлено на разработку методик для получения гибридных структур, в которых живые клетки окружены синтетическими защитными оболочками, в частности из неорганических материалов, например, из оксида кремния [3]. Достоинствами кремнезема как материала, окружающего клетку, является инертность, пористость, мягкие условия получения. Такие искусственные структуры имитируют природные одноклеточные микроорганизмы - диатомовые водоросли, которые формируют защитный силикатный экзо-скелет [4]. Одним из

подходов для создания искусственной силикатной оболочки вокруг клеток является применение методов золь-гель технологий. Для направленного регулирования характеристик кремнеземных материалов предложено использовать гидрофильные полимеры, в частности, поливиниловый спирт (ПВС), который способен формировать гидрогели, участвовать в золь-гель процессах образования силикатных и органосиликатных материалов и, как следствие, влиять на архитектуру конечного материала [5-6].

При исследовании были разработаны биокатализаторы на основе инкапсулированных метилотрофных дрожжей в органосиликатные матрицы из тетраэтоксисилана, метилтриэтоксисилана и поливинилового спирта и изучена возможность их использования как загрузочного материала биофильтров для очистки метанолсодержащих стоков.

Материалы и методы

Синтез органосиликатных материалов на основе МТЭС, ТЭОС

и ПВС. К 1,25 см3 суспензии дрожжевых клеток Ogataea polymorpha (1,3±0,1*109 КОЕ/см3) в фосфатном буферном растворе (20 ммоль/дм3; рН 7,6) прибавляли 0,5 см3 раствора структурообразующего агента (5 % раствора ПВС (Россия, М=78 000 Да) и перемешивали в течение 5 мин (Elmi CM-70M07, Польша). Затем добавляли 2,5 см3 смеси прекурсоров: тетраэтоксисилана (ТЭОС) («Sigma», США) и метилтриэтоксисилана (МТЭС) («Sigma», США) в соотношении 15:85, - и перемешивали в течение 5 мин. Для формирования матрицы добавляли 0,125 см3 0,2 моль/дм3 раствора катализатора NaF, перемешивали в течение 15 мин.

Иммобилизация целых клеток на стеклянные шарики (материал загрузки). Стеклянные шарики диаметром 3,3 ± 0,3 мм выполняют роль неподвижной фазы биофильтра. Для заполнения хроматографической колонны необходимо 150 шариков. Использовали 2 колонны: 1 - диаметром 15 мм и высотой загрузочного материала (колонна 1) 50 мм и 2 - диаметром 7,5 мм и высотой 100 мм (колонна 2). Для активации их поверхности перед использованием шарики помещали в 0,1М HCl на 30 минут, после чего промывали фосфатным буфером до нейтральной реакции. После шарики заливали биогибридным материалом на основе органосиликатной матрицы и целых дрожжевых клеток и оставляли на 24 часа при комнатной температуре.

Лабораторная модель биофильтра для утилизации метанола. По истечении времени выдержки шарики с иммобилизованными в органо-силикатную матрицу целыми клетками микроорганизмов пересыпали в хроматографическую колонну и промывали буферным раствором (рН=7,6) до полного очищения от образовавшегося в процессе синтеза спирта. Условием для тестирования биофильтра являлась биологическая очистка модельной системы - 7 мМ (что составляет ПДК метанола в сточных водах для биохимической очистки - 220 мг/л) раствора метанола. Способность

лабораторного биофильтра утилизировать метанол в модельном стоке исследовали в двух режимах (в условиях естественной и принудительной аэрации) при скорости пропускания модельного стока 0,5 мл/мин (0,96 л/часхлзагрузки). Аэрацию биофильтра проводили через пластиковую трубку с отверстиями (диаметр трубки 0,5 см, число отверстий 100, средний диаметр каждого отверстия 0,4 мм), которую располагали в центре колонны с загрузочным материалом. Аэрацию системы проводили с помощью воздушного компрессора SB-348 (Sobo, Китай) с объемом пропускаемого воздуха 4 л/мин.

Определение содержания метанола методом газожидкостной хроматографии. Определение содержания метанола в образцах проводили методом газо-жидкостной хроматографии на хроматографе «Кристал-5000.2» (Хроматэк, Россия) с использованием пламенно-ионизационного детектора и капиллярной колонки DB-FFAP (50 м х 0,32 мм х 0,50 мкм) (Agilent, США). Условия анализа: температура термостата колонки - 70°С, температура испарителя - 200 °С, температура детектора - 250 °С, скорость потока газа-носителя (гелия) - 0,10 дм3/час. Количественное определение метанола проводили по площади хроматографического пика, расчет - по калибровочному графику, который строился заранее по растворам метанола с известной концентрацией: 1, 3 5, 7, 10 мМ.

Результаты и обсуждение

Биологическая очистка сточных вод промышленных предприятий применяется для удаления растворенных органических загрязнений, она основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические загрязнения в качестве источника питания в процессе своей жизнедеятельности. Такая очистка может функционировать в естественных условиях, например, в полях орошения и фильтрации, а также в специализированных устройствах, например, в биофильтрах, аэротенках. В ходе комплексного изучения нами биогибридных материалов установлено, что органосиликатные оболочки вокруг клеток дрожжей защищают микроорганизмы от воздействия вредных факторов, таких как экстремальные значения рН среды, ионы тяжелых металлов, УФ-излучения [7].

Принцип функционирования лабораторного биофильтра представлен на рис. 1. В качестве неподвижной фазы в лабораторном биофильтре использовали стеклянные шарики (диаметр 3,3 мм), поверхность которых модифицировали инкапсулированными клетками дрожжей.

Способность лабораторного биофильтра колоночного типа утилизировать метанол в модельном стоке (7 мМ, что составляет ПДК метанола в сточных водах для биохимической очистки - 220 мг/л) исследовали в

двух режимах (с естественной и принудительной аэрацией) при скорости пропускания модельного стока 0,5 мл/мин (0,96 л/часхлзагру3ки) (рис. 2).

органосиликатная

матрица СНзОН

СН3ОН С02 + Н20

Рис. 1. Принцип функционирования лабораторного биофильтра

капельного типа с загрузкой на основе инкапсулированных в органосиликатные оболочки клеток метилотрофных дрожжей (*предельнодопустимой концентрации метанола для биохимической

очистки метанольных стоков)

Естественная аэрация

Принудительная аэрация

Рис. 2. Степень улитизации метанола на выходе из колонны от времени работы биофильтра капельного типа с загрузкой на основе инкапсулированных дрожжей в органосиликатные матрицы

Показано, что в условиях естественной аэрации разработанный биофильтр на основе иммобилизованных в органосиликатные матрицы

метилотрофных дрожжей является малоэффективным для дальнейшего применения: окислительныя мощность составила 99±1 и 83±1 г О2/(м3хцикл) для колонны 1 и 2 соответственно. Это, в первую очередь, связано с недостатком кислорода в загрузочном материале, что не дает возможность микроорганизмам эффективно утилизировать метанол. Однако применение принудительной аэрации позволяет повысить окислительную мощность в 2 раза: окислительныя мощность составила 238±2 и 170± г О2/(м3хцикл) для колонны 1 и 2 соответственно. Это обусловлено более эффективной доставкой кислорода микроорганизмам. Если при недостатке кислорода без аэрации наблюдается резкое падение степени утилизации с первых минут опыта, то в установке с аэрацией происходит плавное снижение степени утилизации ближе к концу эксперимента. Также была замечена повышенная эффективность маленькой колонны по сравнению с большой. Это связано с тем, что в маленькой колонне высота загрузочного материала выше, вследствие чего раствор метанола дольше проходит через то же количество загрузочного материала, и утилизация происходит эффективнее.

Заключение

Разработанный биофильтр на основе иммобилизованных в органосиликатные матрицы метилотрофных дрожжей является малоэффективным для дальнейшего применения в условиях естественной аэрации. При использовании принудительной аэрации эффективность работы биофильтра возрастает. Окислительную мощность разрабатываемых биофильтров возможно повысить путем модернизации конструкционных особенностей биофильтра и увеличением объема аэрации системы. Таким образом, разработанные биокатализаторы на основе инкапсулированных в органосиликатные матрицы метилотрофных дрожжей эффективно выполняют роль загрузочного материала биофильтра для очистки метанолсодержающих стоков.

Исследование выполнено в рамках Государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ № FEWG-2020-0008.

Список литературы

1. Quorum sensing mediates yeast cell morphology to improve settleability: implication for wastewater treatment / Sun J., Sun H., Lv W. [et al] //J. Environ. Chem. Eng. 2021. V.9. № 5. P. 105817.

2. Use of Immobilized Bacteria for Environmental Bioremediation: A Review / Mehrotra T., Dev S., Banerjee A. [et al] // J J. Environ. Chem. Eng. 2021. P. 105920.

3. Biocompatibility evaluation of sol-gel coatings for subcutaneously implantable glucose sensors / М. Gerritsen, A. Kros, V. Sprakel [et al] // Biomaterials. 2000. Vol. 21. № 1. P. 71-78.

4. Entrapment and growth of Chlamydomonas reinhardtii in biocompatible silica hydrogels / S.V. Homburg, D. Venkanna, K. Kraushaar [et al] // Colloids Surfaces B Biointerfaces. 2019. Vol. 173. P. 233-241.

5. Double cross-linking PVA-SiO2 hybrid membranes for alkali recovery / B. Tong, C. Cheng, M. Khan [et al] // Sep. Purif. Technol. 2017. Vol. 174. P. 203-211.

6. Amino-functionalized mesoporous PVA/SiO2 hybrids coated membrane for simultaneous removal of oils and water-soluble contaminants from emulsion / H. Liu, H. Yu, X. Yuan [et al] // Chem. Eng. J. 2019. Vol. 374. P. 1394-1402.

7. Yeast-based self-organized hybrid bio-silica sol-gels for the design of biosensors / O.N. Ponamoreva, O.A. Kamanina, V.A. Alferov [et al] // Biosens. Bioelectron. 2015. Vol. 67. P. 321-326.

Грибанов Илья Алексеевич, магистрант, mr.ilya.g@bk.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Лаврова Дарья Геннадьевна, мл. науч. сотр., d.g. fedoseevaagmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Алферов Валерий Анатольевич, канд. хим. наук, доц., зав. каф., chematsu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

YEAST ENCAPSULATED IN ORGANOSILICATE MATRIXES AS BIOCATALYSTS IN THE DESIGN OF BIOFILTERS

I.A. Gribanov, D.G. Lavrova, V.A. Alferov

Yeast cells were immobilised in a matrix made of tetraethoxysilane (TEOS) and me-thyltriethoxysilane (MTES) by one-step sol-gel route of synthesis in the presence of polyethylene glycol (PEG) or polyvinyl alcohol (PVA). A trickling biofilter with and without active aeration was designed using entrapped yeast cells to treat methanol polluted wastewater.

Key words: immobilized cells, methylotrophic yeasts, ormosil, organosilicate matrices, polyvinyl alcohol, biofilters, wastewater.

Gribanov Ilya Alexeevich, undergraduate student, mr.ilya.gabk.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Lavrova Daria Gennadievna, junior research scientist, d.gfedoseeva agmail.com, Russia, Tula, Tula State University,

Alferov Valery Anatolevich, candidate of chemical sciences, Head of Department, Chemistry Department, chematsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University