Реакции микроорганизмов на тяжёлые металлы, мышьяк и сурьму в окружающей среде

       Применение способа очистки воды от мышьяка с использованием штамма несовершенного гриба Scopulariopsis brevicaulis, относящегосяк pоду Penicillium, дает возможность извлечь мышьяк из раствора концентрацией 512 г/л, практически на 99,8%.Другим преимуществом использования гриба является его способность одновременно переводить мышьяк в газообразное состояние ,что является неотъемлемой частью безотходной технологии получения мышьяковых соединений типа зеркала элементарного мышьяка путём пропускания газа через кварцевую трубку, нагретую до определённой температуры . Всё это делает возможность осуществления замкнутой системы очистки промышленных стоков, содержащих мышьяк, с одновременной утилизацией полученных его соединений. На основе плодовых тел грибов ,вызывающих гниение древесины, были получены адсорбенты, используемые затем для извлечения металлов, в частности Cu (II). Биосорбент из Ganodermna lucidum был использован в биореакторе для обработки стоков, содержащих редкоземельные элементы. Адсорбция металлов на данном биосорбенте является следствием химических взаимодействий с клеточной стенкой гриба, которая представляет собой набор биополимеров, в том числе и хитина. На поверхности клеточной стенки закреплены ионогенные различной природы и лиганды на основе гликанов, фосфогликанов и белков.

      В настоящее время разработано несколько технологий получения биосорбентов, проявляющих относительную селективность к различным радионуклидам и многим вредным в экологическом отношении элементам (берилий, ртуть, кадмий, свинец, медь, хром и т. д.) В условиях взаимодополняющих друг друга коопераций возможна организация следующего производства:

      а) технических сорбентов – для сорбции нуклидов, тяжелых металлов, диоксинов токсинов из техногенных растворов, промстоков, для использования в качестве защитного пояса на случай чрезвычайной ситуации, при захоронении особо опасных отходов.

    б) сорбентов для пищевых производств (в первую очередь для очистки воды до питьевых кондиций);

      в) сорбентов для медицины-радиопроекторов, перевязочные средства для больных.

      Биосорбенты – живые и мёртвые клетки микроорганизмов, их компоненты и внеклеточные метаболиты – могут быть применены различными способами. Созданы биофильтры с живыми микроорганизмами, иммобилизованными на угле. В США разработан бактериальный сорбент АМТ-биоклем для извлечения тяжелых металлов, включая Au, Pt, Ag. Еще более удивительную картину представляет внутриклеточное поглощение металлов бактериями. Так, например, Ps. aеruginosa менее чем за 10 секунд поглощает из раствора 100 мг/л раствора урана. Ховрычев М.П.(1973) изучал поглощение ионов меди клетками Candida. Эта культура по своей устойчивости в ряду неблагоприятных факторов приближается к плесневым грибам. Исходя из того, что живые клетки за 10 мин. включали около 10% и  только за 2 часа происходило полное насыщение клеток медью, можно сказать, что процесс включения меди клетками не является простой адсорбцией клеточной поверхностью, т.к. известно, что в случае адсорбции включение большей части вещества происходит за 2-5 мин. Именно это происходит при поглощении меди убитыми клетками. Экспериментальные данные показали,  что при увеличении температуры от 200С до 30oС скорость поглощения увеличилась более чем в три раза. Дальнейшее же увеличение до 42о C ингибировало процесс поглощения, что, по-видимому, связано с подавлением физиологической активности клеток при неблагоприятной температуре. Зависимость скорости поглощения Cu (II) от концентрации ионов меди в среде соответствует кинетике насыщения и описывается уравнением Михаэлиса-Ментен. Эти данные могут указывать на то, что процесс поглощения Cu (II) клетками дрожжей активный, причем характер его напоминает процессы ферментативного поглощения субстрата микроорганизмами.

Микроорганизмы, накапливающие железо и марганец, играют важную роль в почвообразовательных и геохимических процессах, участвуя в образовании скоплений железо-марганцевых конкреций на дне океанов, широкая промышленная разработка которых, как ожидают, может начаться уже в ближайшее время.

Накопление микроорганизмами металлов иногда может представлять и большую опасность для различных звеньев экологических систем. В особенности это касается накопления радиоизотопов и некоторых алкилированных соединений металлов, представляющих собой крайне ядовитые вещества.

Живые сорбенты в технологии.

Микробы, накапливающие металлы, превосходят химические сорбенты и по емкости и специфичности сорбции.

Особенно важно то, что при этом сорбентом может служить, по существу, бросовый материал, отход производства. На предприятиях микробиологической промышленности (например, на заводах, вырабатывающих кормовые аминокислоты) образуются сотни и тысячи тонн биомассы микроорганизмов, которую просто выбрасывают. На заводах по производству антибиотиков тоже образуется много отходов - мицелия плесневых грибов-продуцентов, который пока приходится вывозить и закапывать в глубоких траншеях, чтобы не загрязнять окружающую среду. Нетрудно подсчитать, какую экономию можно получить, используя эти отходы для извлечения металлов.

С помощью микробов-биосорбентов можно очищать от тех же тяжелых металлов, в том числе и радиоактивных, промышленные стоки. При таком способе не требуется предварительная очистка сточных вод от взвешенных частиц и органических примесей, а загрязнения извлекаются быстрее, чем химическим путем. Например, культура плесеней фикомицетов удаляет из загрязненной воды уран в 3,5 раза быстрее, а торий - в 2,3 раза быстрее, чем ионообменные смолы. Если же использовать культуру денитрифицирующих бактерий, то уже через 8 минут контакта с биосорбентом концентрация урана в воде снижается с 25 до 0,5 мг/л. Такая быстрота и надежность детоксикации позволили американским исследователям рекомендовать новый метод для ликвидации последствий возможных аварий атомных реакторов.

Для повышения эффективности подобных систем очистки можно "усовершенствовать" используемые в них микроорганизмы методами генной инженерии. В США уже запатентован способ биологической детоксикации ртуть-содержащих сточных вод - там работают бактерии псевдомонады, которым ввели плазмиды, определяющие синтез белка, способного связывать ртуть из ее соединений - как органических, так и неорганических. "Отработавшие" клетки потом сжигают, а ртуть выделяют из продуктов их сгорания.

Технологические решения, основанные на использовании биосорбентов, расширяют возможности охраны окружающей среды и открывают перспективы получения ценного сырья для промышленности. Нет сомнения в том, что это новое направление в биотехнологии ожидает большое будущее.

Идея применения микроорганизмов для извлечения металлов из растворов издавна представлялась привлекательной не только для очистки воды, но и для получения ценных или экономически важных металлов. Возможность эксплуатации такого процесса концентрирования несомненна, поскольку хорошо известна способность живых организмов извлекать металлы из разбавленных растворов и накапливать их. Многие растения и животные концентрируют элементы из окружающей их среды в миллионы раз.

Возможные пути биотехнологического использования накопления металлов микробами.Существуют два альтернативных механизма: накопление металлов организмами в растущей культуре и суспензиями нерастущих организмов. Конечно, можно использовать и проточные колонки с иммобилизованными микроорганизмами или другие биофильтрующие устройства. Если предполагается применение растущих культур, то потребуется довольно сложная технология. Необходимо учесть и привести в соответствие друг с другом следующие факторы:

1) скорость роста организма (проточная культура);

2) способность к накоплению металла и, следовательно, скорость его включения;

3) возможная токсичность металла для данных организмов;

4) конкуренция за извлекаемый металл между данным организмом и возможными комплексообразующими агентами среды (органическими и неорганическими);

5) конкуренция между данным металлом и другими необходимыми металлами за включение в организм. Будучи высокотехнологичным, процесс извлечения металлов с помощью растущих культур требует учета слишком многих параметров и создает много проблем. Более привлекательным представляется накопление металлов нерастущими или иммобилизованными микроорганизмами. При этом легче определять и контролировать физико-химические условия среды, в которой находятся клетки, и их способность к накоплению металла. Кроме того, металл может быть переведен в раствор, относительно   свободный от комплексообразующих   агентов, в концентрациях, нелетальных для живых клеток.

После концентрирования металла в микроорганизме возникает проблема извлечения из него металла. Для этого можно использовать либо недеструктивный способ высвобождения металла из микроорганизма, либо экстракцию путем разрушения. В последнем случае микроорганизмы подвергают пирометаллургической обработке либо разрушают их концентрированной щелочью или кислотой. Выбор метода определяется тем, насколько легко высвобождается металл из микроорганизма и насколько ценен сам микроорганизм для того, чтобы имело смысл повторно его использовать. Ясно, что, если стоимость получения микроорганизма высока, его повторное использование весьма желательно. С другой стороны, если данный организм представляет собой дешевый побочный продукт иных производств (например, дрожжи) и/или извлекаемые металлы являются крайне ценными (например, металлы платиновой группы), то экономически предпочтителен деструктивный процесс. В любом варианте выбор организма и процесса экстрак­ции должен определяться основными свойствами аккумулирующих металл микробных систем; самое главное — четкое понимание биохимических процессов, характерных для данного ми­кроорганизма.

Использование показателей, отражающих изменения микробного состава и активности биохимических процессов в почвах, для тестирования степени загрязнения почв тяжелыми металлами основано на явлениях разной чувствительности и устойчивости микроорганизмов и их ферментных систем, а также внеклеточных ферментов, к действию этих агентов. При этом реакция микроорганизмов в чистых культурах на лабораторных средах может быть иной, чем в природной обстановке. Поэтому исследования по разработке методов тестирования на основе создания модельных систем необходимо сочетать с конкретными наблюдениями в природе тех изменений, которые возникают в микробных сообществах и в биохимических процессах при нарушении естественных биогеоценозов за счет накопления в почве тяжелых металлов. Рассматривая влияние тяжелых металлов на микроорганизмы и некоторые биохимические процессы, протекающие в почвах, следует отметить, что нужно различать в этой проблеме две стороны: 1) изменения в составе и активности всего сообщества микроорганизмов или отдельных так называемых физиологических групп в природной среде обитания, в почве и 2) характер воздействия тяжелых металлов на чистые культуры микроорганизмов, на популяции, в условиях острого опыта и в модельных системах в лаборатории.

Основные задачи исследования:

Выяснение влияния промышленного загрязнения почвы тяжелыми металлами на комплекс микроорганизмов на примере серозема обыкновенного.

Исследование влияния тяжелых металлов на комплекс микроорганизмов в резко различных по свойствам почвах в условиях вегетационного опыта.

Изучение действия тяжелых металлов на микробную систему почв зонального ряда в модельных экспериментах.

Определение действия разных форм соединений тяжелых металлов на микробную систему почв на примере дерново-подзолистой почвы.

Список использованной литературы:

1. Микробное выщелачивание Brierley С. L. (1978). Bacterial leaching, Grit. Rev.

2. Microbiol., 6, 207—262. Brierley C. L. (1982). Microbiological mining, Scient. Am., 247, 42—51 Fenchel Т., Bla ...

3. В. Ф. Чубуков

4. Химия и Жизнь №11, 1982 г., с. 53-55

5. www.himia-lit.ru.

6. Артамонов В.И. Биотехнология - агропромышленному комплексу. М.: Наука, 1989. 160 с.

7. Мамаева С.Е. Хромосомный анализ культивируемых клеток. // Методы культивирования клеток. Л.: Наука, 1988. С. 78 98.

8. Кефели В.И., Дмитриева Г.А. Биотехнология: курс лекций. Пущино, 1989. 96 с.

9. Валиханова Г. Ж. Биотехнология растений. Алматы: Конжык, 1996. 272 с.

10. Биотехнология. / Под ред. А.А. Баева. М.: Наука, 1984. 309 с.

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Инновационный Евразийский Университет

Кафедра: «прикладная биотехнология»

Реферат

на тему:

«Накопление металлов микроорганизмами»

  Выполнили: студенты БТ-21

                                                                                    Апехтина Ирина,

                                                                                     Валивач Евгения.

                                                                                     Проверила: к.т.н. доцент

                                                                                     Краснопёрова Е.Ф.

Павлодар 2010

Содержание:

1. Реакции микроорганизмов на тяжёлые металлы, мышьяк и сурьму в окружающей среде.                                                                                                 1                                                                                                 

2. Роль микроорганизмов в очистке сточных вод от тяжёлых металлов.          5                 

3. Аккумуляция металлов микроорганизмами.                                                    6

4. Живые сорбенты в технологии.                                                                         9

5. Список использованной литературы                                                               12