Метод биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae 03. 01. 06 Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Научный руководитель Ведущая организация Общая характеристика работы Содержание работы Глава 2. Методы исследования 3.1.1. Исследование сорбционных свойств дрожжей Исследование тенденций выживаемости дрожжей при различных концентрациях катионов тяжелых металлов 3.2.1. Влияние количества биомассы дрожжей на эффективность сорбции тяжелых металлов 3.2.2. Влияние условий среды на эффективность сорбции дрожжами тяжелых металлов 3.2.3. Исследование влияния экспозиции на эффективность дрожжевой сорбции тяжелых металлов 3.2.4. Влияние температуры среды на эффективность сорбции тяжелых металлов дрожжами Обсуждение полученных результатов Список публикаций автора по теме диссертации

Подобный материал:

• Аннотация: разработана, 89.92kb.
• Электрохимические и физико-химические аспекты фиторемедиации сточных и промывных вод,, 396.8kb.
• Физико-химические методы очистки сточных вод Малкова С. В., Машкова С. А., Шапкин, 45.75kb.
• Методы очистки сточных вод, 28.89kb.
• Технология очистки сточных вод промышленных предприятий и фильтратов полигонов тбо, 19.26kb.
• Д. В. Дьяченко Флотационная очистка сточных вод приборостроительных предприятий, 46.04kb.
• Реферат установка для очистки сточных вод, 11.06kb.
• Ном переработка сбросов и бытовых и промышленных отходов в г. Москве, 167.96kb.
• Миграция тяжелых металлов в системе «почва-растение» при внесении осадка сточных вод, 640.08kb.
• Сравнительная геномика дрожжей Saccharomyces, 451.15kb.

На правах рукописи


Гаранин Роман Анатольевич


Метод биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae


03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнология)


Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук


Москва – 2011


Работа выполнена на кафедре ботаники, микробиологии и экологии Института естествознания Калужского государственного университета им. К.Э. Циолковского.


Научный руководитель:

доктор биологических наук, Лыков Игорь Николаевич

профессор


Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, Ильин Вячеслав Константинович

профессор


кандидат биологических наук, Кусачёва Светлана Александровна

доцент


Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН


Защита диссертации состоится «30» ноября 2011г. в 10 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.111.02 при Учреждении Российской академии наук «Государственный научный центр Российской Федерации – Институт медико-биологических проблем РАН» (ГНЦ РФ – ИМБП РАН) по адресу: 123007, Москва, Хорошевское шоссе, дом 76-А.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ – ИМБП РАН


Автореферат размещен на Интернет–сайте Высшей аттестационной комиссии (ВАК) Министерство образования и науки РФ: vak.ed.gov.ru


Автореферат диссертации разослан «22» октября 2011г.



Содержание работы


Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, научная новизна и практическая значимость. Сформулированы цели и задачи исследования.

Глава 1.

Сравнительные особенности биосорбции, биоаккумуляции и детоксикации катионов тяжелых металлов микроорганизмами и дрожжами (S. Cerevisiae)

(обзор литературы)

В первой главе диссертации проведен литературный обзор и сравнение методов физико-химической очистки. При этом выявлен ряд недостатков, которые в большинстве случаев устраняются с помощью биологической доочистки разработанного нами технологического регламента. Подробно были изучены литературные источники, относящиеся к выявлению решающих факторов внешней среды, влияющих на биосорбцию тяжелых металлов микроорганизмами. Было уделено пристальное внимание особенностям строения и химического состава дрожжей и других микроорганизмов для наиболее полного понимания природы биосорбции тяжелых металлов. Всесторонне рассмотрены различные литературные источники, описывающие физико-химические и биохимические механизмы, лежащие в основе биосорбционных способностей микроорганизмов. Проведеное широкое аналитическое исследование работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных изучению биосорбционных, биоаккумаляционных и детоксикационных свойств различных микроорганизмов в отношении тяжелых металлов показало, что исследований по изучению биосорбционных свойств живых дрожжей в отношении тяжелых металлов, растворенных в сточных водах промышленных предприятий, не существует. Большой объем литературы не дает всеобъемлющей картины, целью которой является данная работа.


Глава 2. Методы исследования

Вторая глава посвящена вопросам организации проведения исследовательской работы, выбору и обоснованию методов исследования, в частности:

• методике культивирования дрожжевой культуры, для дальнейшего использования полученной биомассы в исследовании;
  
• методике получения и подготовки биосорбентов на основе дрожжевой биомассы для исследований;
  
• методике подготовки модельных сред на основе сточной воды с повышенным содержанием тяжелых металлов (цинка, никеля и меди) и промышленного сусла;
  
• методике проведения физико-химических исследований.
  

В качестве биосорбента использовали три штамма пивоваренной дрожжевой культуры (Saccharomyces cerevisiae).

Выбранные для исследований тяжелые металлы (цинк, никель и медь) являются основными загрязнителями в сточных водах гальванических цехов.

Для оценки выживаемости дрожжевой культуры использовали количественный микроскопический метод дифференцированного окрашивания водным раствором метиленового синего в камере Горяева.

Значение эффективности сорбции биосорбентов на основе дрожжей рассчитывали по формуле:



где Е – значение эффективности;

С_k (мг/дм³) – конечная концентрация металла в среде по окончании эксперимента;

С_n (мг/дм³) – начальная концентрация металла в растворе до эксперимента.

Для оценки содержания тяжелых металлов в модельных растворах и сточных водах использовали метод атомно-абсорбционной спектроскопии.

Математико-статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом малых выборок по Стьюденту. Вычисление значений среднего арифметического (х), среднего квадратичного отклонения (σ), коэффициента корреляции (r) рассчитывали по формуле:



где r – коэффициент корреляции;

x и y – средние выборочные значения сравниваемых величин;

x_i и y_i– частные выборочные значения сравниваемых величин;

n – общее число величин в сравниваемых рядах показателей;

и – дисперсии, отклонения сравниваемых величин от средних величин. Каждый эксперимент проводился в 10-15-ти кратной повторности.

Математические расчеты и построение графиков осуществляли на персональном компьютере с помощью лицензионных программных пакетов MS Excel 2003 и Minitab14.0.


Глава 3. Результаты собственных исследований

3.1. Сравнение биосорбционных свойств дрожжей

и биосорбентов на их основе

Сорбционную способность дрожжей (SC1, SC2, SC3, сухие дрожжи) и биосорбентов на их основе (активированный хитин–глюкановый комплекс) исследовали на модельных средах, содержащих соли меди, никеля и цинка (хлориды и сульфаты). Концентрация дрожжей в модельных средах составила 5 г/дм³, а активированный хитин–глюкановый комплекс добавляли в количестве 1,5 г/дм³. Концентрация меди, никеля и цинка в модельной среде составила соответственно 40,0 мг/дм³, 100,0 мг/дм и 20,0 мг/дм³.

Установлено, что через 24 ч при температуре 29°C концентрация тяжелых металлов в модельных средах с дрожжами SC1, SC2, SC3 снижалась до следующих значений: медь (2,7 мг/дм³; 3,2 мг/дм³ и 5,4 мг/дм³), никель (5,3 мг/дм³, 11,5 мг/дм³ и 15,0 мг/дм³) и цинк (0,04 мг/дм³, 2,2 мг/дм³ и 0,60 мг/дм³). Таким образом, концентрация снижалась на 65,2% - 99,6%.

При этом наименьшая сорбционная способность наблюдалась у хитин-глюканового комплекса и сухих дрожжей, и концентрация тяжелых металлов снижалась до следующих значений: медь (11,2 мг/дм³ и 11,9 мг/дм³), никель (32 мг/дм³ и 34 мг/дм³) и цинк (7,2 мг/дм³ и 7,7 мг/дм³) (рис. 1).

Об этом свидетельствует также сопоставление значения по эффективности сорбции тяжелых металлов. Как показано на рисунке 2, эффективность сорбции тяжелых металлов сухими дрожжами и хитин–глюкановым комплексом значительно ниже, чем при осуществлении ее дрожжами SC1, SC2, SC3.

Рис. 1. Остаточное количество тяжелых металлов в модельной среде после обработки дрожжами и сорбентами

Рис. 2. Эффективность сорбции тяжелых металлов из модельной среды дрожжами и сорбентами

Полученные результаты можно объяснить тем, что хитин–глюкановый комплекс и сухие дрожжевые клетки содержат в своем составе большое количество хитина, характеризующегося большим разнообразием функциональных групп. Он содержит гидроксильные, карбонильные, амидные, ацетиламидные группы и кислородные мостики. В зависимости от условий воздействия хитина выделяются такие процессы, как: комплексообразование, ионный обмен и поверхностная адсорбция. Однако чаще всего преобладает хелатное комплексообразование, обусловленное высокой электронодонорной способностью атомов азота и кислорода.

В тоже время, механизм сорбции тяжелых металлов живыми дрожжами отличается динамичностью за счет образования различных веществ, участвующих в метаболизме детоксикации. К числу таких веществ можно отнести глутатион, металлотионеины, фитохелатины и ряд промежуточных соединений. Эти вещества выступают как звенья одной цепи, приводящей к связыванию тяжелых металлов внутри клеток.

Результаты исследования показали, что доля сорбции, приходящаяся на механизм «пассивной» метаболизм-независимой сорбции для живых дрожжей принимает некоторое конечное значение. Ее эффективность может быть выражена в процентах. Это значение для исследуемых штаммов дрожжей приблизительно равно: для меди (≈ 25 %), никеля ( ≈ 27 %) и цинка ( ≈ 22 %). В таком случае на долю «активной» метаболизм-зависимой сорбции приходятся гораздо большие значения, которые в числовом выражении могут быть представлены в виде эффективности метаболизм-зависимой сорбции для меди (от 40 до 58 %), для никеля (от 40 до 61 %) и для цинка (от 55 до 78%). Таким образом, установлено, что преобладающим механизмом у живых культур дрожжей является «активная» метаболизм-зависимая сорбция, неотъемлемо связанная с процессом детоксикации тяжелых металлов дрожжами.

Учитывая полученные результаты, в дальнейших экспериментах мы сочли нецелесообразным использовать сухие дрожжи и дрожжевой хитин в качестве сорбентов.


3.1.1. Исследование сорбционных свойств дрожжей

на модельной жидкой среде

В эксперименте использовали живые дрожжи SC1, SC2, SC3 и смесь штаммов MIX, состоящую из штаммов SC1 – 50%, SC2 – 20% и SC3 – 30%. Смесь штаммов MIX в таком процентном соотношении соответствует продукту утилизации дрожжей после окончания производственного цикла на пивоваренном заводе.

Исследования показали, что наилучшая эффективность сорбции хлорида цинка наблюдалась у дрожжей SC1, SC3 и смеси штаммов MIX. Штаммы дрожжей SC2 при равных условиях сорбировали хлорид цинка менее активно.

Следует отметить, что наиболее эффективно и экономически целесообразно сорбция хлорида цинка происходит при его содержании в модельном растворе до 1600 мг/дм³, что соответствует эффективности сорбции более 50% (рис. 3). Для дрожжей штамма SC2 оптимальная эффективность сорбции хлорида цинка ограничивалась концентрацией 600 мг/дм³. Зависимость между концентрацией цинка в среде и его конечной концентрацией после обработки среды дрожжами была изучена с помощью корреляционного анализа. При этом значение коэффициента корреляции (r) составило 0,9836.

Несколько иная картина наблюдается при исследовании эффективности сорбции клетками дрожжей сернокислой меди и сернокислого никеля. В этом случае все штаммы дрожжей обладали примерно одинаковой сорбционной способностью (рис. 4, 5). Но штаммы дрожжей SC1 обладали несколько большей эффективностью, а штаммы дрожжей SC3 – более низкой. Зависимость между концентрацией никеля и меди в среде и их конечной концентрацией после обработки среды дрожжами была изучена с помощью корреляционного анализа. Установлено, что значение коэффициента корреляции (r) для никеля составило 0,9599 и для меди составило 0,9404.

Рис. 3. Эффективность сорбции хлорида цинка различными штаммами дрожжей

Рис. 4. Эффективность сорбции сернокислой меди различными штаммами дрожжей

Полученные значения коэффициентов корреляции по всем исследуемым металлам указывают на тесную корреляционную зависимость между их исходной концентрацией и остаточной концентрацией после биосорбции.

Наиболее эффективно и экономически целесообразно сорбция сернокислой меди и сернокислого никеля происходит при их содержании в модельном растворе соответственно 300 мг/дм³ и 3600 мг/дм³. Увеличение концентрации солей тяжелых металлов выше указанных концентраций ведет к резкому снижению сорбционной способности дрожжей. Это может быть связано с ингибирующим действием солей тяжелых металлов на дрожжевые клетки, что подтверждается результатами проведенных исследований (рис. 6).

Установлено, что дрожжевые клетки обладают хорошей способностью адсорбировать соли тяжелых металлов в концентрациях, не приводящих к гибели более 50% клеток. Если концентрация тяжелых металлов в сточных водах не будет превышать пороговые значения, то необходимость в предварительном применении физико-химических методов очистки отпадает. Но если пороговые концентрации тяжелых металлов превышены, то сточные воды необходимо предварительно очистить с помощью физико-химических методов, а затем провести доочистку с привлечением дрожжевой биомассы.

Рис. 5. Эффективность сорбции сернокислого никеля различными штаммами дрожжей

Рис. 6. Выживаемость дрожжевых клеток при различных концентрациях солей тяжелых металлов

Следует отметить толерантность используемых штаммов дрожжей по отношению к высоким концентрациям катионов металлов Ni и Zn (рис. 6).

2. Исследование тенденций выживаемости дрожжей при различных концентрациях катионов тяжелых металлов
   

Для исследования выживаемости дрожжевых культур использовали модельные среды, которые содержали 13-ти процентное пивоваренное сусло и растворенные в нем соли тяжелых металлов (сульфат меди, сульфат никеля и хлорид цинка). Нами была изучена выживаемость каждого из используемых тест–штаммов дрожжей (SC1, SC2, SC3) в зависимости от концентрации каждого из тяжелых металлов в модельной среде. Для оценки выживаемости дрожжевых культур использовался метод дифференцированного окрашивания клеток дрожжей в камере Горяева.

В ходе исследования установлено, что выживаемость дрожжей (до 60 %) соответствуют концентрации катионов меди более 117,0 мг/дм³ .

Дальнейшее увеличение концентрации катионов меди в модельной среде приводит к значительному уменьшению выживаемости дрожжей. Следует отметить, что все культуры (SC1, SC2, SC3) характеризуются сопоставимыми значениями выживаемости при одинаковых концентрациях катионов меди. При этом наибольшие показатели выживаемости отмечены у дрожжей SC1, а наименьшие у дрожжей SC3.

Зависимость между величиной выживаемости и значением концентрации катионов меди была изучена с помощью корреляционного анализа. При этом коэффициент корреляции (r) между показателем выживаемости и значениями концентрации катионов меди в среде составил 0,9535, что указывает на весьма тесную отрицательную корреляционную связь между этими показателями. Отрицательный характер корреляции говорит об уменьшении одного признака при увеличении другого.

Выявлено, что незначительное уменьшение выживаемости дрожжей (до 70 %) происходит по мере увеличения концентрации катионов никеля до 1620,0 мг/дм³ .

Дальнейшее увеличение концентрации катионов никеля в модельной среде приводит к более значительному уменьшению выживаемости дрожжей. Следует отметить, что все культуры (SC1, SC2, SC3) характеризуются сопоставимыми значениями выживаемости при одинаковых концентрациях катионов никеля. Но наибольшие показатели выживаемости наблюдаются у дрожжей SC1, а наименьшие у дрожжей SC3. При этом коэффициент корреляции между показателем выживаемости и значениями концентрации катионов никеля в среде составил 0,9525.

При концентрации катионов цинка в сточной воде 288,0 мг/дм³ выживаемость дрожжей составляет более 90 %. Дальнейшее увеличение концентрации катионов цинка в сточной воде приводит к значительному уменьшению выживаемости дрожжей.

Сравнение между показателями выживаемости дрожжей и значениями концентрации катионов цинка в среде показало, что между ними имеется четкая корреляционная зависимость, коэффициент корреляции 0,9943.

Полученные нами результаты позволяют сделать вывод о зависимости выживаемости дрожжей от концентрации катионов тяжелых металлов в модельной среде.

Наиболее устойчивым к воздействию меди и никеля из трех исследуемых штаммов является SC1, а наименее устойчивым - SC3. Наиболее устойчивым к воздействию цинка оказался штамм SC1, а наименее устойчивым - SC2. Полученные данные свидетельствуют о специфичности каждого из исследуемых штаммов по отношению к катионам тяжелых металлов. Также необходимо отметить некоторое сходство в реакции трех исследуемых штаммов на увеличение концентрации катионов тяжелых металлов. Сходство заключается в наименьшей устойчивости штаммов (SC1, SC2, SC3) в присутствии ионов меди. Наибольшая устойчивость исследуемых штаммов отмечается в присутствии ионов никеля. Такую специфику можно объяснить особенностями вида Saccharomyces cerevisiae, представителями которого являются исследуемые нами культуры дрожжей.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности использования дрожжей для удаления тяжелых металлов из промышленных сточных вод.