Биосорбция тяжелых металлов и биоформирование наночастиц серебра устойчивыми к металлам микроорганизмами

• Автор: Тюпа, Дмитрий Валериевич
• Шифр специальности: 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 197 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Области применения наночастнц и методы их формирования

1.2. Микробиологические методы формирования наиочасиц

1.3. Методы детекции, характеристики и выделения наночастиц

1.4. Проблема устойчивости микроорганизмов к токсичным металлам

1.5. Проблемы биосорбции токсичных металлов

2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

2.1. Исследуемые культуры микроорганизмов

2.2. Филогенетическая идентификация микроорганизмов

2.3. Методики культивирования микроорганизмов
2.4. Определение летальных концентраций тяжелых металлов
2.5. Моделирование искусственного активного ила
2.6. Изучение процессов сорбции металлов иловыми культурами
2.7. Биоформирование наночастнц серебра, их очистка и характеристика
3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ КУЛЬТУР АКТИВНОГО ИЛА
К ДЕЙСТВИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
3.1. Влияние солей серебра и урана на рост микроорганизмов активного ила.
3.2. Моделирование гранул активного ила, устойчивых к металлам
3.3. Влияние солей меди, цинка и никеля на рост микроорганизмов
4. МИКРОБНАЯ СОРБЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
4.1. Оптимизация процесса сорбции серебра грибной биомассой
4.2. Сорбция ионов меди грибной биомассой
4.3. Сорбция ионов никеля грибной биомассой
4.4. Сорбция ионов цинка грибной биомассой
4.5. Сорбция солей урана грибной биомассой
5. БИОФОРМИРОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА
5.1. Скрининг микробных культур, формирующих наночастицы серебра
5.2. Идентификация организмов на основе формирования частиц серебра
5.3. Оптимизация процесса биоформирования наночастиц серебра
5.4. Непрерывный процесс бноформирования наночастиц серебра
6. ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Микроорганизмы, устойчивые к действию токсичных металлов (тяжелых, благородных и радиоактивных металлов) незаменимы в очистке сточных вод и почв, загрязненных металлами, биоизвлечении ценных металлов и биоформировании металлических наночастиц (НЧ). Процессы биосорбции металлов и формирования ИЧ с участием жизнеспособных, устойчивых к действию металлов клеток протекают интенсивнее, чем в присутствие мертвой биомассы.
Извлечение металлов из промышленных стоков - проблема огромной важности. Соли Си2+, Zn2+, №2+, Ag+, и(Ч) и других металлов снижают качество очистки сточных вод, угнетая культуры микроорганизмов активного ила водоочистных сооружений, разрушают водные и почвенные экосистемы. Воды, не прошедшие надлежащую очистку от солей тяжелых металлов, представляют угрозу для человека, металлы вызывают заболевания различных тканей и органов. Проблема биосорбции тяжелых и благородных металлов важна как с экологической, так и с экономической точек зрения. Извлечение драгметалла из сточных вод сереброперерабатывающих предприятий и биосорбция Си2+, 7.п2* и №2+ из гальванических отходов являются дешевой альтернативой применения традиционных сорбентов - ионообменных смол и активированных углей.
Активный ил очистных сооружений представляет собой незаменимое звено процесса очистки стоков от тяжелых металлов. Еще более эффективные биосорбенты металлов получены в настоящей работе на основе выделенных из ила чистых культур микроорганизмов, которые наиболее устойчивы к металлам и накапливают их в максимальном количестве.
Толерантные к металлам микроорганизмы необходимы в биоформировании НЧ, производство которых активно расширяется. НЧ Ag применяются в катализе, электронике и приборостроении, обладают антимикробной, противогрибковой и противовирусной активностью, используются в производстве медицинского оборудования, дезинфицирующих средств, бытовых товаров, фильтров воды и воздуха. Перспективность биологического метода формирования ИЧ обусловлена его простотой и дешевизной, отсутствием токсичных реагентов и стабильностью продукта. Его недостатки (невысокая скорость процесса и низкий выход НЧ),

обусловленные гибелью клеток при контакте с ионами металлов, устранены в данной работе путем подбора устойчивых к металлам продуцентов НЧ.
Цель работы — нахождение легкодоступных устойчивых к действию тяжелых металлов микроорганизмов, способных быстро и эффективно осуществлять извлечение металлов из растворов, накопление их в биомассе и биоформирование металлических НЧ, не теряя при этом жизненной активности. В ходе работы решались следующие основные задачи:
- Выделение из активного ила водоочистных сооружений наиболее стойких к металлам культур, их идентификация и изучение токсического воздействия тяжелых металлов на данные чистые культуры и на активный ил в целом.
- Моделирование на основе выделенных культур искусственного активного ила с заданным составом и структурой, устойчивого к действию высоких концентраций токсичных металлов.
- Исследование сорбционных свойств культур активного ила, создание на их основе сорбентов тяжелых металлов и оптимизация процесса биосорбции.
- Изучение способности к активному формированию НЧ Ag ряда культур микроорганизмов, принадлежащих к различным таксономическим группам (бактерий, дрожжей, микромицетов и микроводорослей).
- Оптимизация процесса формирования НЧ Ag иловыми культурами, повышение стабильности частиц, их выхода и скорости формирования.
- Организация непрерывного процесса формирования НЧ Ag жизнеспособными клетками с высоким выходом продукта.
Научная новизна. При изучении токсического воздействия солей А§+, Си2+, 2п2+, №2+ и и(Ч) на аэробный активный ил водоочистных сооружений, выделены в чистом виде и идентифицированы наиболее устойчивые иловые культуры, оптимизированы методики их культивирования. Разработан метод создания искусственного активного ила с контролируемым составом, структурой и свойствами, устойчивого к высоким концентрациям тяжелых металлов. Толерантность ила к металлам повышена вследствие его грануляции и симбиотического взаимодействия культур, локализующихся в различных слоях гранулы. На основе выделенных из активного ила, наиболее устойчивых к металлам культур созданы эффективные сорбенты Ag+, Си2+, 2п2+, №2+ и и(Ч);

вероятно, что некоторые продуценты наноразмерных частиц будут формировать НЧ меньшего диаметра при повышении pH культуральной жидкости. Но на данный момент вышеперечисленные закономерности в общем случае действуют [53, 72-78].
Отметим, что все названные приемы снижения размера частиц и улучшения их моноднсперсности применялись только по отдельности, тогда как сочетание различных тактик могло бы дать самые неожиданные результаты и является приоритетным направлением дальнейших исследований в данной области.
В конечном итоге, организация направленного, полностью контролируемого процесса микробиологического получения НЧ требует досконального изучения совместного воздействия всех вышеназванных параметров биоформирования на свойства производимых частиц. Причем для достижения стопроцентного контроля над данным процессом оптимизацию условий культивирования следует дополнить подбором таких факторов, как тип микроорганизма-продуцента, стадия роста микробных клеток, режим аэрации, состав питательной среды, в частности, концентрация субстрата, присутствие нефункциональных ионов и клеток других микроорганизмов и т. д.
1.3. Методы детекции, характеристики и выделения паночастнц
1.3.1. Детекция и характеристика наночасшиц
Интенсивное образование НЧ микроорганизмами часто можно фиксировать визуально, по изменению окраски раствора. Например, наноразмерное серебро окрашивает культуральную жидкость в желтоватые или бурые цвета, а НЧ золота придают раствору красный оттенок. Поэтому, если внести в суспензию микробных клеток достаточное количество соли серебра или золота, сразу же можно сделать вывод о том, способен ли данный микроорганизм к быстрому и продуктивному получению наноразмерных структур.
Однако в случае медленно протекающего процесса, малых концентраций сырьевых солей или очень низкого тигра клеток (что имеет место при детекции микроорганизмов в водоемах с крайне низким их содержанием, например, в воде озера Восток) требуются чрезвычайно чувствительные методы обнаружения НЧ. Кроме того, чтобы составить полное описание процесса биоформирования НЧ, необходимо дать всестороннюю характеристику формирующихся частиц, причем для описания каждой группы свойств НЧ требуются особые методы [43, 79].