Биосорбция тяжелых металов клеточными оболочками Всероссийский журнал научных публикаций, ноябрь 2010

Всероссийский журнал научных публикаций, ноябрь 2010
Биосорбция тяжелых металов
клеточными оболочками
дрожжей saccharomyces
cerevisiae
С.Д. Аронбаев
аспирант кафедры неорганической химии ФЕН СамГУ
А.М. Насимов
профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой
неорганической химии ФЕН СамГУ
Д.М. Аронбаев
кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической
химии ФЕН СамГУ
Pb(NO3)2•2Н2О , Cd(NO3)2• 4Н2О и CuSO4 • 5H2O
квалификации «хч» в дистиллированной воде.
Контактирование навесок дрожжевого биосорбента с растворами индивидуальных солей тяжелых
металлов с известной начальной концентрацией
проводили в конических колбах Эрленмеера емкостью
250 мл в течении контролируемого времени при
встряхивании на горизонтальной качалке АВУ—6С
при 150 об/мин.
Сорбционную емкость биомассы рассчитывали
по разности концентраций исходного и конечного
растворов по формуле:
(C -Cравн)•V
q= 0 m
где q—емкость сорбента в мг/г;
C0 и Сравн.—начальная и равновесная концентрации
Введение
ионов металла
Многочисленные исследования последних лет [1–5].
в растворе, мг/л;
свидетельствуют о том, что клетки микроорганизмов
V—объем раствора, л
различных таксономических групп способны
m—масса сорбента, г.
концентрировать значительные количества металлов
Равновесные концентрации ионов тяжелых металлов
из водной среды, независимо от того, имеют ли эти
в растворах определяли методом переменнотоковой
металлы физиологическое значение или их участие
инверсионной вольтамперометрии на компьютерив метаболических процессах не установлено. Пракзированном вольтамперометрическом комплексе,
тически во всех случаях микробная биомасса может
созданном на базе универсального полярографа ПУ-1
удерживать более или менее значительные количества [9], с использованием трехэлектродной стеклянной
ионов металлов, что открывает перспективу примене- ячейки с толстопленочным ртутно-графитовым
ния микроорганизмов в биотехнологических способах электродом в качестве рабочего, вспомогательным
очистки сточных и природных вод от тяжелых меэлектродом служил стержень из спектрального
таллов, токсинов и радионуклидов.[ 6–8]. Еще более
углеграфита. В качестве сравнительного электрода
привлекательным может показаться изучение биослужил насыщенный хлорсеребряный электрод ЭВЛсорбционных процессов с целью создания биосорбен- 1М4. В качестве электролита использовали 0,2 н HCl.
тов для извлечения тяжелых металлов, радионуклидов, Концентрации тяжелых металлов определяли методом
токсинов из сточных вод с использованием отходов
добавок.
биотехнологических производств фармацевтической
Контроль за рН растворов осуществляли с помои пищевой промышленности : мицелий производства щью иономера ЭВ-74 со стеклянным рН-электродом
антибиотиков и избыточных пивных или пекарских
ЭСЛ-63-07.
дрожжей Saccharomyces cerevisiae . При этом решается
По полученным данным строили изотермы
сразу несколько проблем :
адсорбции в координатах Фрейндлиха и Ленгмюра.
Коэффициенты корреляции R2 и критериальные
1—утилизация самих отходов производства;
2—очистка сточных вод от тяжелых металлов и вредуравнения находили с помощью расчетов на ПК с исных примесей с целью возвращения их в рецикл.
пользованием программы Advanced Grapher [10]
Целью настоящей работы является изучение биоРезультаты и их обсуждение
сорбционного потенциала и установление механизма
Осадочные, или избыточные дрожжи низового
взаимодействия ионов тяжелых металлов с клеточны- брожения Saccharomyces cerevisiae, являющиеся
ми облочками дрожжей Saccharomyces cerevisiae—круп- отходом пивоварения, представляют собой вспененнотоннажного отхода пивоваренного производства
ную биомассу, частично разрушенных и частично
В качестве сорбируемых ионов для проведения
живых клеток микроорганизмов и состоящей, в осисследований нами были выбраны ионы Pb+2, Cd+2,
новном, из биополимеров. Около 50% массы сухого
Cu+2—как наиболее часто встречающиеся антропоген- вещества составляют белки, 10–20%—компоненты
ные и природные загрязнители окружающей среды.
клеточной стенки, в том числе полиаминосахариды,
Экспериментальная часть.
10—20%—РНК, 3–4% -ДНК и приблизительно
В работе были использованы осадочные дрожжи
10%—липиды. Кроме того, биомасса содержит
Saccharomyces cerevisiae, штамм W-37, отобранные
компоненты питательной среды, главным образом
из ЦКТ(цилиндро-конического танка) после
минеральные соли и остаточные количества целевофильтрации основного продукта—пива. Осадочные
го продукта. [11].
дрожжи подвергали следующей обработке: биомассу
Сорбция иона метала дрожжевой биомассой может
центрифугировали, осадок дрожжей отмывали дисосуществляться различными путями и быть активной
тиллированной водой до получения прозрачного
или пассивной. Очевидно, активная сорбция, или
раствора, автоклавировали при 1300С в течение
биоаккумуляция, характерна лишь для живых клеток
1,5 час и высушивали в вакуумном шкафу при 650
и зависит от их метаболической активности [12—14].
С. Высушенную биомассу дрожжей размельчали
Пассивная сорбция ионов металлов не зависит от
в электромельнице и просеивали через сито с диаметаболической активности клеток и характеризуется
метром отверстий 0,3-0,5 мм.
биосорбцией и (или) ионным обменом. Такая сорбция
Модельные концентрации ионов тяжелых металможет происходить как на поверхности живых, так
лов готовили растворением соответствующих солей
и мертвых клеток микроорганизмов.
13
Химические науки
Рис. 1 Изотермы биосорбции ионов Cd+2 , Pb+2
и Сu+2 клеточными
Рис. 2 Влияние рН на биосорбционные
свойства дрожжевых клеток
Так как в процессе автоклавирования и высушивания
дрожжевой биомассы живых клеток не осталось,
то в данном случае может осуществляться только
биосорбция клеточными оболочками дрожжей, представляющих собой белковополисахаридный комплекс
с молекулярной массой 25 -500 кД [15].
На рисунке 1 представлены типичные изотермы
адсорбции ионов кадмия, свинца и меди клеточными
оболочками дрожжей.
Для расчета параметров биосорбции были использованы методы линеаризации изотерм по уравнениям
Фрейндлиха и Ленгмюра .
В таблице 1 сведены характеристические параметры изотерм адсорбции для ионов Pb+2, Cd+2 и Cu+2
в координатах Фрейндлиха и Ленгмюра.
Таблица 1 Характеристические параметры изотерм адсорбции для
ионов Pb+2, Cd+2 и Cu+2 в координатах Фрейндлиха и Ленгмюра*
Сорбируемый
ион
Расчеты по уравнению Фрейндлиха
критериn
K
альное
R2
уравнение
у=0,5441х
Pb+2 0,598 2,951
0,9002
+0,2988
у=0,3738х
0,9797
Cd+2 0,390 6,025
+0,7846
Расчеты по уравнению Ленгмюра
Qmax,
мг/л
b
125,0
0,0131
34,48
0,0331
критериальное
уравнение
у=0,5491х
+ 0,0112
у=0,3119х
+ 0,0304
R2
0,9866
0,8409
*—концентрация сорбента (биомассы) 1 г/л, начальная концентрация
ионов металлов 100 мг/л, t = 250 C, рН 5,4 частота встряхивания горизонтального шейкера 150 качаний/мин.
Из представленных результатов следует, что биосорбционные способности биомассы дрожжей убывает
в ряду Pb+2 > Cd+2 > Cu+2.
В ходе исследований была изучена биосорбция
указанных ионов в диапазоне рН 3–6,5. Этот диапазон был выбран нами из следующих соображений:
во-первых, высокая протонизация раствора может
повлиять на деструкцию биополимеров дрожжевой
биомассы [15]; во-вторых, увеличение рН ≥ 6 может
сместить равновесие гидратационных процессов
в сторону образования гидроокисей тяжелых металлов
с низкими значениями ПР [16]:
На рисунке 2 представлена зависимость расчетных
значений Qмакс..от рН
Как мы и предполагали, увеличение рН ≥ 6 приводит к снижению биосорбции указанных ионов.
Уменьшение рассчитанных значений Qмакс. в кислой
области рН можно объяснить конкуренцией Н+ ионов
с двухзарядными ионами тяжелых металлов за места
связывания на клеточной стенке.
Таким образом, оптимальными значениями рН для
осуществления биосорбции ионов Pb+2, Cd+2 и Сu+2
клеточными оболочками дрожжей Saccharomyces cerevisiae
является диапазон рН 4,5—5,5. При этом смещение
оптимального рН к нижней границе характерно для меди.
14
Рис. 3 Кривая потенциометрического титрования биомассы дрожжей
Интересно отметить, что и для живых дрожжевых
клеток оптимальное значение рН в процессе брожения ячменного сусла является 4,5—5,4.[11].
Биосорбционные свойства клеток микроорганизмов зависят от наличия в их структуре определенных
функциональных групп, способных к образованию
химических связей с ионами тяжелых металлов
[12,13]. И здесь, помимо потенциального осаждения
ионов тяжелых металлов компонентами клетки, может
происходить ионный обмен и комплексообразование
между функциональными группами белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот, присутствующих
в микроорганизме и ионом тяжелого металла.
С целью выявления функциональных групп
пептидо-глюкановой цепи биополимера дрожжевой
оболочки нами проведено потенциометрическое
титрование протонированной биомассы отмытых
дрожжевых клеток.
Для этого 1 г высушенной дрожжевой биомассы
обрабатывали 50 мл 0,1н. HCl в течении 3 часов
при комнатной температуре и встряхивании колб
с суспензией на шейкере с частотой 150 качаний/мин.
Затем проводили потенциометрическое титрование
содержимого колбы 0,1н. NaOH с использованием
стеклянного рН-электрода ЭСЛ-63-07 и насыщенного
хлорсеребряного сравнительного электрода ЭВЛ-1М3
в качестве индикаторной системы для определения
конечной точки титрования. По найденным
перегибам на кривой титрования определяли изопотенциальные точки, по которым судили о наличии
функциональные групп биополимеров клеточных
оболочек дрожжей [17].
Кривая потенциометрического титрования и ее
интерпретация представлены на рисунке 3 и таблице
2, соответственно.
Таблица 2 Функциональные группы дрожжей S.cerevisiae, выявленные
потенциометрическим титрованием.
№/№
pKV
Функциональная группа
1.
5,52 ± 0,06
Карбоксильная группа
2.
6,70 ± 0,02
Фосфорильная группа
3.
9,48 ± 0,05
Амины
Таким образом, в биополимере клеточных стенок дрожжей
имеются, по крайней мере, три однозначно определяемых
и доступных ионам металла функциональные группы:
карбоксильные, фосфорильные и амино-группы. Кроме
того следует учитывать наличие липидов и сульфогидрильных (тиольных) групп, ответственных за осаждение
тяжелых металлов на поверхности в виде труднорастворимых сульфидов, которые могут участвовать в процессах
комплексообразования, осуществляемых по различному
механизму—координационному или хелатирующему.
Всероссийский журнал научных публикаций, ноябрь 2010
Образовывать комплексы по хелатирующей схеме
в биополимере могут как амино—так и карбоксо-группы, являющиеся монодентатными лигандами.
Карбоксо-, гидроксо—и фосфорильные группы
могут образовывать химические связи с ионами
металлов координируясь вокруг него с учетом стереохимических ограничений. И, наконец, тиольные
группы попросту могут взаимодействовать с ионами
тяжелых металлов, переводя их в трудно растворимые
сульфиды.
Ионный обмен также может сопровождать
биосорбцию. Этому способствуют опять-таки карбоксильные, аминные и фоcфорильные группы группы,
несущие положительный (для анионного обмена) или
отрицательный (для катионного обмена) заряд.
Таким образом, рассуждения о механизме биосорбции дают представления о его чрезвычайной сложности и, порой, непредсказуемости: уж очень многие
факторы оказывают на него воздействие. Однако,
можно с уверенностью сказать, что биосорбция не
может протекать по какому-либо одному механизму,
а происходит различными путями одновременно.
С целью выявления приоритетности функциональных групп клеточных оболочек дрожжей в биосорбции
ионов тяжелых металлов, нами был проведен эксперимент по их последовательной блокировке путем
химической модификации биополимера. [17,18],
а именно алкилирование аминогрупп, этерификация
карбоксильных и фосфорильных групп, химическое
связывание сульфогидрильных групп и экстракционное удаление липидов.
Подготовленные таким образом сорбенты
подвергались испытаниям и проводили сравнение
полученных результатов биосорбции ионов Pb+2
с контрольным образцом дрожжевой биомассы, не
подвергавшейся химической модификации.
Результаты исследования представлены диаграммой на рисунке 4
Рис.4 Диаграмма биосорбции ионов свинца дрожжевыми клетками,
подвергнутых химической модификации. (цифрами указано Qмакс.,мг/г)
Как видно, наибольшее влияние на процесс биосорбции ионов Pb+2 оказывают карбоксильные и аминогруппы пептидо-глюкановой цепи биополимеров
клеточных оболочек дрожжей.
В таблице 3 приводятся величины отрицательного
эффекта биосорбционных процессов для ионов Pb+2
вызванного химической блокировкой функциональных групп биополимеров клеточных оболочек
дрожжей.
Таблица 3 Влияние блокирования активных групп биополимеров
дрожжевой клетки на эффективность биосорбции ионов Pb+2
№/№
Метод химической блокировки
1.
Метилирование аминов
Этерификация карбоксильных
групп
Экстракция липидов
Этерификация фосфорильных
групп
Модификация сульфогидрильных
групп дитиодипиридином
2.
3.
4.
5.
Снижение сорбционного
эффекта, %
48,3
95,8
4,2
33,3
12,5
Выводы
Проведенное исследование по изучению биосорбционного
потенциала осадочных пивоваренных дрожжей показывают, что клеточные оболочки дрожжей Saccharomyces
cerevisiae, являясь по сути природным биополимером, содержащим пептидо-глюкановую цепь, обладают удовлетворительными сорбционными свойствами по отношению
к ряду тяжелых металлов, при этом вклад функциональных
групп биополимера в биосорбцию убывает в следующем
ряду: карбоксильные группы > аминогруппы> фосфорильные группы > сульфогидрильные группы > липиды.
Список использованных источников
1. Volesky B. Biosorption and me // Water Research, 2007 v.41,
18, p. 4017–4029
2. Vijayaraghavan K., Yun Ye.-S. Bacterial biosorbents and
biosorption // Biotechnology Advances, 2008, v. 26, 3, p.
266–291
3. Cupta G., Keegan B. Bioaccumulation and biosorption of lead
by poultry litter microorganisms // Poultry Sci. 1998,77, №3, р.
400—404.
4. White C., Gadd G.M. .Biosorption of Radionuclides by Fungal
Biomass.// J.Chem. Tech.Biotechnol. 1990, 49, p. 331–343.
5. Yun-guo Liu, Ting Fan, Guang-ming Zeng, Xin Li, Qing Tong, Fei Ye,
Ming Zhou, Wei-hua Xu, Yu-e Huang. Removal of cadmium and zinc
ions from aqueous solution by living Aspergillus niger // Transactions
of Nonferrous Metals Society of China, 2006, v. 16, 3, p. 681–686
6. Буракаева А.Д., Русанов А.М., Ланух В.П. Роль микроорганизмов в очистке сточных вод от тяжелых металлов:
Методическое пособие. Оренбург: ОрГУ, 1999 г., С. 53;
7. Каравайко Г.И., Авакян З.А. Биотехнология очистки промышленных сточных вод от токсичных металлов и твердых взвесей
//Биотехнология очистки сточных вод. 2004, c.102—113.
8. Блинов В.А., Иванов А.Б. Использования эффективных
микроорганизмов для очистки сточных вод от ионов
тяжелых металлов // ФГОУ ВПО Саратовский ГАУ им. Н.И.
Вавилова, 2005.
9. Аронбаев С.Д., Насимов А.М., Аронбаев Д.М., Насыров
Р.Х. Компьютеризированный аналитический комплекс для
инверсионной вольтамперометрии на базе универсального
полярографа ПУ-1. // Научный вестник Самаркандского
Государственного Университета. 2009, 1(53) с.47–50.
10.Аронбаев С.Д. Клеточные оболочки дрожжей Saccharomyces
cerevisiae как сорбенты тяжелых металлов.// Научный
вестник Самаркандского Государственного Университета.
2010, 3 (61) с.44–48.
11.Кунел И. Производство солода и пива. Пер.нем., С-Пб.,
2004, 652 с.
12.Marques, P.A.S.S., Rosa, M.F., and Pinheiro H.M .pH Effects on
the Removal of Cu2+, Cd2+ and Pb2+ From Aqueous Solution
by Waste Brewery Biomass.//. Bioprocess Enginnering. 2000,
v.23 p.135–141.
13. Blackwell, K.J., I. Singleton and J.M. Tobin. Metal cation uptake
by yeast: a review// Appl. Microbiol. Biotechnol., 1995 43: 579–84
14.Engl A., Kunz B. Biosorption of heavy metals by Saccharomyces
cerevisiae: effects of nutrient conditions.// J. Chem. Technol.
1995, т. 63, № 3, с.257–261.
15.15. Бирюзова, В.И. Ультраструктурная организация дрожжевой клетки . М.: Наука, 1993.—224 c.
16.16. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии.
М.Химия, 1971, изд.4-е, 456 с
17.17.Насимов А.М., Аронбаев С.Д, Холмурадова З.Х.
Механизм биосорбционного взаимодействия клеточных
оболочек пивоваренных дрожжей с ионами тяжелых металлов // Научный вестник Самаркандского Государственного
Университета. 2010, 3(61) с.49–54.
18.18. Губен-Вейль. Методы органической химии, т.II. Методы
15