Сорбционные свойства мха по отношению к микроорганизмам и тяжелым металлам

достигают 1000 м2/г [81].

Непористые высокодисперсные адсорбенты получают, главным образом, при термическом разложении или неполном сгорании углеводородов (получение саж), сжигании элементоорганических и галогенных соединений (получение высокодисперсного кремнезема-аэросила). Пористые адсорбенты получают следующими способами:
— создавая сети пор в грубодисперсных твердых телах химическим взаимодействием;
— приготавливая гели из коллоидных растворов — золей;
— синтезируя пористые кристаллы типа цеолитов, имеющие особенно большое значение как катализаторы, адсорбенты и молекулярные сита.

Адсорбенты получают также термическим разложением карбонатов, оксалатов, гидроокисей, некоторых полимеров, молекулярной возгонкой твердых тел в вакууме и др. способами [11]. Для препаратов, используемых в качестве сорбентов, характерна твердая структура и значительная (как правило) физическая, ионитная сорбция. Один из старейших сорбентов, действие которого основано на физической сорбции, — активированный уголь, а ионной сорбции — пектиновые вещества и растительные продукты, содержащие их в большом количестве [82].

В последнее время для сорбции разработаны способы производства новых видов активированных углей, имеющих высокую механическую прочность. К ним относятся угли марок СКТ-6А ВЧ, ИГИ, СКН, изготовленные из различных углеродсодержащих материалов (каменный уголь, торф, спекающиеся угли) и характеризующиеся наличием суммарного объема пор в пределах 0,7—1,5 см3/г [27].

Активированные угли, в принципе, способны извлекать значительное количество веществ с молекулярной массой от нескольких десятков до нескольких тысяч дальтон — азотистые шлаки (креатинин, мочевая кислота, индол, гуанидиновые основания, полиамины и др.), нейромедиаторы (адреналин, норадреналин, серотонин, ацетилхолин), аминокислоты, пептиды средней молекулярной массы, триглицериды, насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, сахара, кетокислоты, компоненты желчи, стероидные гормоны и др. Кроме того, сорбции подвергаются тяжелые металлы, алкалоиды, гипнотики, антидепрессанты, анальгетики, антипиретики, хлорированные углеводороды, фосфорорганические инсектициды, гербициды, дефолианты и др. Поскольку избирательная способность активированных углей мала, то можно предполагать, что в растворах смеси веществ в большей степени на них будет сорбироваться тот компонент, концентрация которого будет более высокой [19, 20].

Среди препаратов для сорбции применяют угольные, кремниевые и полимерные сорбенты. Для энтеросорбции чаще всего используются угольные сорбенты марок СКН, что означает карбонат насыщенный.

Сорбенты СКН относятся к группе поливалентных физико-химических антидотов. Имеют хорошо развитую микро- и мезопористость (объем сорбционных пор колеблется от 1,0 до 1,5 см3/г, поверхность пор — 1260—1600 м2/г) и хорошо адсорбируют алкалоиды, барбитураты, соли тяжелых металлов, токсины бактериального, растительного и животного происхождения, производные фенолов, салициловую кислоту, сульфаниламиды и т.д.

1.3. Механизм сорбции

Вещества сначала диффундируют к внешней поверхности гранулы сорбента. Потом с помощью внутренней диффузии через мембрану, если гранула инкапсулирована, адсорбат поступает по макропорам в мезопоры, где и происходит процесс адсорбции путем объемного заполнения. Поглотительная способность сорбентов обусловлена их пористой структурой. Линейные размеры пор должны совпадать с диаметром молекулы веществ, которые адсорбируются.

Между поверхностью сорбента и стенками клеток разных видов патогенных бактерий происходит неспецифическое взаимодействие, которое не приводит к деструкции микробных клеток. Это взаимодействие проходит в две стадии: сначала главную роль играют дальнодействующие, а потом — близкодействующие электростатические силы и взаимосвязи, которые возникают между структурами клеток и функциональными группами поверхности сорбента. Наибольшую степень адгезии (прилипания) обеспечивает соответствие размеров сорбента и микроорганизмов.

1.4. Биосорбенты и их применение

Проведено сравнительное экспериментальное изучение гиполипидемической активности сорбентов природного происхождения — микрокристаллической целлюлозы (МКЦ) и полифепана, а также синтетических сорбентов — волокнистого угля ваулена и сферических карбонатов СКНП-1 и СКНП-2 [26]. Для сравнения использовали известные желчные сорбенты холестирамин и вазозан (холестирамин, обогащенный пектином), а в опытах in vitro кроме того препараты пищевых волокон — пектин и метамуцил (США). Эти данные указывают на перспективность применения неспецифичных сорбентов природного происхождения.

Известно, что многие природные камеди растительного происхождения (аравийская камедь, индийский трагант, камедь плодов рожкового дерева и др.) обладают адсорбционной способностью. Камедь, получаемая из семян вечнозеленого дерева семейства бобовых Ceratonia celegua (каробан), является довольно хорошим сорбентом. В противоположность другим камедям, из нее не выделяются большие количества ионов калия, магния. По своему химическому составу каробан представляет линейный сополимер с элементарным звеном, состоящим из четырех молекул маннозы и одной молекулы галактозы. Молекулярная масса полимера — 310000 дальтон.

Разработан способ сорбции из водных растворов таких вредных веществ и соединений, как формальдегид, фенол, нитраты, нитриты, ионы свинца и др., в котором в качестве сорбентов использованы волокна из различного растительного сырья. Отмечено, что за процесс связывания указанных веществ ответственны положительно и отрицательно заряженные группировки лигнина, гемицеллюлоз, пектиновых и белковых веществ, входящих в состав волокон [41—55].

Волокна — сложный комплекс биополимеров линейной и разветвленной структуры с большой молекулярной массой. Присутствие первичных и вторичных гидроксильных (целлюлоза, гемицеллюлозы), фенольных (лигнин), карбоксильных групп (гемицеллюлозы, пектиновые вещества) обусловливает межмолекулярное взаимодействие (водородные связи) различной плотности упаковки, способность сорбировать воду и другие полярные молекулы и ионы. Поэтому для волокон характерны водоудерживающая способность, ионообменные и другие особенности. Волокна взаимодействуют с белками, ферментами, гормонами, продуктами распада углеводов, пептидами и аминокислотами, жирными и другими кислотами. Характер этих превращений зависит от состава волокон, содержания в них полимеров, их строения, взаимосвязи и плотности межмолекулярной упаковки, соотношения аморфных и кристаллических участков волокон [44, 45, 50].

Результаты оценки сорбционной способности волокон, выделенных из различных видов растительного сырья, показывают, что найдена новая группа сорбентов, обладающих как ионитной, так и молекулярной сорбцией. Они способны связывать ионы свинца, кадмия и других тяжелых металлов, нитраты, нитриты, аммиак, радионуклиды (стронций, цезий) и целый ряд органических веществ, в том числе фенолы, формальдегид, карбамид и другие.

Помимо сорбции экологически вредных веществ (ЭВВ), волокна снижают поступление в организм холестерина, используются при диабете [43—52]. Концентраты волокон, выделенные из различных видов растительного сырья, обладают разной способностью связывать ЭВВ. Очевидно, природные волокна оболочек гороха, жома сахарной свеклы, жмыха семян винограда и люцерны значительно превосходят по сорбции свинца такие известные сорбенты, как билигнин, полифепан, карболен. В меньшей мере они связывают нитраты, нитриты и в значительной — формальдегид, карбамид и другие вещества.

Основным сорбирующим началом в природных волокнах является лигнин. Эффективен комплекс целлюлозы с гемицеллюлозами. Целлюлоза обладает хорошей сорбционной способностью по отношению к нитратам, карбамиду, меньшей — к другим ЭВВ.

Целесообразно продолжение работ, направленных на определение максимальной адсорбционной емкости природных волокон, влияния экспозиции на интенсивность процесса адсорбции, температурного фактора, рН среды и др.

Например, крилан является высокомолекулярным гетерополисахаридом. Это продукт микробного синтеза, содержащий карбоксильные группы; его основная цепь состоит из β-1,3-связанного маннана, а боковые цепочки представлены ксилозой и глюкуроновой кислотой, присоединенными к основной цепи гликозидными связями [56].

Изучена возможность использования фитомеланина подсолнечной лузги для деметаллизации и контроля содержания некоторых тяжелых металлов в жидкой консервированной продукции [57]. Фитомеланин получали из исходного сырья и использовали в водорастворимой аммонийной форме. Авторы исследовали основные закономерности процесса взаимодействия фитомеланина со свинцом (II), медью (II), железом (III), хромом (III). С этими металлами фитомеланин образует нерастворимые в воде соединения. Методом латинских квадратов установлены оптимальные условия создания этих комплексов.

Известно, что микроорганизмы, в том числе дрожжи, способны извлекать из среды катионы тяжелых металлов [58]. Особое значение во взаимодействии последних с дрожжевыми клетками имеют клеточные стенки. Препарат на основе клеточных оболочек пекарских дрожжей Sacch. сerevisiae был разработан во Франции и использован как эффективное средство активации спиртового брожения [59]. Высокая стоимость этого препарата стимулировала работы по созданию его аналогов, один из которых был разработан в МГАПП совместно с НИИсинтезбелка. Созданный биосорбент [60] и его модификации успешно использованы для активации спиртового брожения, детоксикации сусла и виноматериалов, содержащих остатки пестицидов, а также для профилактики и устранения покоричневения белых столовых виноматериалов и соков. Биосорбент представляет собой специально обработанные клеточные оболочки дрожжей Pichia membranafaciens, являющиеся побочным продуктом производства цитохрома С [38].

1.5. Иммобилизация клеток микроорганизмов

Закрепленные клетки значительно отличаются по своим свойствам от свободных клеток. Так, например, правильно выбранный способ иммобилизации позволяет полностью сохранить активность штамма микроорганизмов.

Методы иммобилизации принято классифицировать на: физические, механические и химические.

1) Физические методы иммобилизации основаны на действии электростатических сил, сил адгезии и поверхностном натяжении. Адсорбция является самым простым и широко известным способом закрепления микроорганизмов на поверхности носителя. Этот метод отличается простотой подготовки и эксплуатации сорбента, возможностью использования дешевых и доступных носителей.

2) Химические методы иммобилизации основаны на образовании ковалентных связей клеток микроорганизмов с активированным носителем за счет поперечной сшивки активных групп клеточных стенок с бифункциональными агентами. Наиболее часто в качестве бифункционального агента используют глутаровый альдегид. В качестве носителей применяются селикогели, оксиды титана, другие полимерные соединения. Недостаток - контакт клеток микроорганизмов с химическими реагентами, что может приводить к таким нежелательным последствиям, как интоксикации клеток и потери их активности.

3) Механические методы. Эти методы основаны на включении клеток в различные гели, мембраны и волокна. Недостаток в том, что молекулы субстрата, продукта и питательных веществ должны диффундировать через твердую матрицу, а это заведомо снижает скорость реакции, также сорбенты, полученные путем включения в мягкие гели, имеют недостаточно стабильные гидродинамические показатели. При длительной эксплуатации гели набухают. Это приводит к резкому увеличению гидравлического сопротивления массы сорбента [71,72].

Физиологические и морфологические признаки подвергаются значительным изменениям при иммобилизации. Иммобилизация также влияет на ферментативную активность, скорость размножения, интенсивность биохимических процессов. Это влияние может также улучшать свойства микроорганизмов, как сорбентов [73].

Наибольшее применение из всех вышеописанных способов иммобилизации клеток находит адсорбция микроорганизмов на поверхности сорбента. Это связано с тем, что высокая стоимость делают невозможным широкое применение механически иммобилизованных клеток. Химический метод малопригоден, так как при использовании данного метода требуется специальная обработка клеток микроорганизмов, что значительно удорожает и усложняет процесс подготовки сорбента. Адсорбционный способ закрепления клеток отличается простотой и доступностью[7].

1.6. Мох вида сфагнум

Ионообменники природного происхождения интенсивно изучаются последние годы. Рассмотрим более подробно мох вида сфагнум [74].

Мохообразные можно разбить на три класса: антоцеротовые (Аnthocerotae), печеночники (Нераticае) и мхи (Мusci). Мохообразные произошли от зеленых или бурых водорослей. При прорастании спор у мхов развивается ветвистая зеленая нить — протонема, которая напоминает тело нитчатых водорослей. Среди тысяч видов мохообразных лишь немногие виды, являются полусапрофитами — растениями, способными частично питаться за счет мертвого ор­ганического вещества субстрата и частично создавать органиче­ские вещества из неорганических за счет энергии Солнца. Сапро­фитных организмов среди мохообразных ничтожно мало. К сапрофитам, растениям, живущим только за счет разложения мертвого органического вещества субстрата, относится, например, криптоталлус удивительный (Cryptothallus mirabilis). Виды милиххоферии (Mielichhoferia), называемой еще «медным мхом», живут на скалах, содержащих ионы меди в количестве, в тысячу раз превышающем максимальный уровень, допустимый для жизни большинства цветковых растений. Среди мохообразных есть виды, обитающие на субстратах, которые содержат соли тяжелых металлов в таком количестве, что другие высшие растения на таких почвах жить не могут. Изучение биохимического строения сфагнов показало, что их клеточная оболочка состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы, пектиновых веществ, липоидов и пигментов. Строение клеточной стенки можно представить как жесткую оболочку, состоящую из полисахаридов, которые можно разделить на две большие категории (полисахариды, которые существуют в составе стенки в кристаллической форме, и все остальные полисахариды). Полисахариды первой категории – очень длинные неразветвленные молекулы, которые в клеточной стенке агрегированы в пучки, называемые микрофибриллами. Микрофибриллы заключены в матрикс, состоящий из полисахаридов клеточной стенки, которые не имеют кристаллической структуры [75,76].

Непосредственно используются человеком лишь немногие мохообразные. Сфагны, обладающие антибиотическими свойства­ми, большой влагоемкостью и хорошими теплоизоляционными качествами, употреблялись в медицине для перевязок. Используются сфагны в качестве теплоизоляционного материала в строительстве. Класс Мхи (Мusci) представлен: подклассом сфагновые, семейством сфагновые, родом сфагн, около 40 видов (Вульфа, Гиргензона, дубравный и т.д.).

Отметим, что наряду с техническими средствами, для индикации загрязнений атмосферного воздуха весьма перспективно использование биологических методов, которые более доступны и не требуют больших материальных затрат и капиталовложений. Было установлено уменьшение содержания пигментов лишайников в зоне воздействия загрязнения и зависимость этого показателя от расстояния до источника. Установлено, что лишайники усваивают из окружающей среды многие микроэлементы, причем их концентрация находится в прямой зависимости от концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. Мхам принадлежит существенная роль в процессах первичного перехватывания и аккумулирования радионуклидов. Так в моховом покрове лесных биогеоценозов может сосредотачиваться более 70% всех запасов радионуклидов, поступающих с глобальными выпадениями. В зависимости от индивидуальных особенностей анатомо-морфологического строения слоевищ и спецификой обитания наблюдается неоднородность в накоплении Sr90 и Cs137 отдельными видами мхов и их экологическими группами. Возможно использование мхов в качестве объекта при мониторинге содержания радиоактивного цезия и стронция. Известны три группы исследований мохообразных как накопителей тяжелых металлов: 1) определение концентраций тяжелых металлов во мхах, растущих в естественных условиях обитания; 2) использование специально стандартизированных сфагновых мешочков; 3) исследования по определению терпимости определенных видов мохообразных к различным концентрациям ионов тяжелых металлов. Известны исследования по использованию в качестве природных биосорбентов листостебельного мха Tortula desertorum Broth и для извлечения ртути и серебра их водных растворов. Таким образом, было показано, что мох является новым высокоэффективным сорбентом для извлечения ионов тяжелых металлов. Отметим, что при использовании мохообразных как сорбентов ионов тяжелых металлов равновесное состояние (сорбционное равновесие) устанавливается в течение несколько минут [74-76].

В исследованиях по изучению возможности использования водоросли Durvillaea potatorum для сорбции ионов тяжелых металлов (Cu2+, Cd2+) из сточных вод, было установлено, что общая сорбционная емкость бинарной системы была подобна емкости, полученной для одного металла. Максимальная адсорбция кадмия и меди достигалась при рН=5,5 [79].

Интересные исследования были проведены учеными из Института биохимии им. А.Н.Баха РАН и Института микробиологии РАН. Одноклеточные цианобактерии вида Nostoc muskorum, способны питаться растворенными в воде тяжелыми металлами и превращать их в нерастворимые вещества. Проведенная серия экспериментов обнаружила, что данные микроорганизмы среди бактерий по утилизации кадмия занимают одно из первых мест, т.к. они способны перерабатывать ионов кадмия почти в три раза больше остальных видов бактерий. То, что цианобактерии способны усваивать тяжелыми металлами, известно давно, но раньше ученые экспериментировали с видами, которые накапливали медь, цинк или кадмий внутри собственной клетки, тем самым лишая клетку возможности нормально работать. А вот Nostoc muskorum живут в губительной для других цианобактерий среде по полгода, потому что извлекают из воды соли кадмия иначе. Кадмий не проникает внутрь их клетки, чтобы связаться с жизненно важным белком, он застревает в ее слизистой оболочке, откуда берет серу для создания сульфида кадмия, который не растворяется в воде. В оболочке клетки скапливаются и кристаллы чистого кадмия, который образуется внутри кристаллов сульфида кадмия под воздействием солнечного света. Выращивали Nostoc muskorum на искусственной питательной среде, в которой необходимый для их роста нитрат калия заменяли на нитрат кадмия. В течение 5 минут употребляется около 40 % всех ионов кадмия, находящихся в растворе, а через трое суток слизистая оболочка клеток покрывается темными частицами - кристаллами сульфида кадмия [59].

1.7. Механизм сорбции металлов микроорганизмами

из растворов

Металлы влияют на многие стороны метаболизма, их действие на клетки носит, как правило, неспецифический характер. Катионы тяжелых металлов могут взаимодействовать с гидроксильными, карбоксильными, фосфатными, сульфгидрильными и аминогруппами, вызывая изменения свойств белков, нуклеотидов, коферментов, фосфолипидов, в состав которых входят перечисленные группировки. В результате ингибирования ферментных систем нарушаются дыхание, синтез белка и РНК, функции цитоплазматической мембраны.

Некоторые микроорганизмы способны приспосабливаться к высоким концентрациям ионов тяжелых металлов. Устойчивости микроорганизмов к высоким концентрациям ионов тяжелых металлов способствуют низкая проницаемость мембран для этих ионов, выведение их из клеток, а также внутриклеточное обезвреживание. Устойчивость микроорганизмов к тяжелым металлам во многих случаях детерминируется плазмидами. Выделение штаммов бактерий, устойчивых к тяжелым металлам имеет значение для современной биотехнологии.

Бактерии способны концентрировать тяжелые металлы внутри клеток или в поверхностных структурах, извлекая их из разбавленных растворов. Например, в клетках бактерий кишечной группы может накопиться до 90мг кадмия на 1г сухой биомассы [2].

Низкие концентрации тяжелых металлов могут стимулировать рост микроорганизмов [3,4]. Действительно, в ряде случаев такие тяжелые металлы, как Co, Cu, Fe, необходимы для питания микроорганизмов и должны присутствовать в питательной среде лишь в очень низких концентрациях порядка нескольких мкг/л. Любой из металлов в достаточно высоких концентрациях становится токсичным для микроорганизмов [5]. Механизмы и скорости аккумуляции металлов разные. Токсическое действие тяжелых металлов зависит от природы соединения и рассматриваемого организма. Одни элементы, такие как Cu, связываются в основном с клеточной поверхностью, где и локализуются вызываемые ими повреждения, кроме того на поверхности клеток адсорбируются кадмий, серебро, уран. Другие элементы (ртуть, цинк, никель, кобальт, свинец, стронций) проникают внутрь клетки, где связываются с определенными функциональными группами, в частности с SH-группами, инактивируя, таким образом, жизненно необходимые молекулы ферментов, или откладываются в металлической форме. Проявления токсичности могут быть различными, например, изменение морфологии клеток или клеточного метаболизма, бактериостаз или гибель клеток. Показано, что избыточное количество ионов меди в основном сорбируется на поверхности клеток. Высказано предположение, что сорбция меди на поверхности клеток затрудняет транспорт ионов через клеточные мембраны и ингибирует рост микроорганизмов [6].

Микроорганизмы по-разному реагируют на тяжелые металлы в зависимости от вида микроорганизма и концентрации тяжелых металлов в среде. Ряд микроорганизмов способен осуществлять активный транспорт некоторых из этих элементов внутрь клетки. Существуют бактерии и грибы, которые вырабатывают специальные хелатообразующие вещества, облегчающие проникновение железа в клетку при нейтральных значениях pH. Это проникновение происходит в результате активного транспорта хелатного железа и распада хелата после его переноса через мембрану. Даже токсичный ион арсената может проникнуть в клетку путем активного транспорта, как в случае Saccharomyces cerevisiae [5].

У грамотрицательных бактерий поверх однослойного или реже двухслойного муреинового мешка располагается наружный слой клеточной стенки. Этот слой стенки состоит из белков, фосфолипидов и липосахаридов.

Со слоями муреина ковалентно связаны липопротеины; они ориентированы наружу своими липофильными концами и таким образом закреплены в липофильном двойном слое (благодаря гидрофобному взаимодействию). В этом слое находятся фосфолипиды и гидрофобные концы липополисахаридов. Наружная мембрана грамотрицательных бактерий выполняет не только механическую, но и важные физиологические функции. В её двойной липидный слой, состоящий из липида А, полисахаридов и фосфолипидов, встроены белки-порины, участвующие в транспорте различных веществ. Промежуток между муреином и плазматической мембраной называют периплазмическим пространством. В нём находятся белки-деполимеразы (протеиназы, рестриктазы), периферические белки плазматической мембраны и так называемые связующие белки. Последние участвуют в переносе некоторых субстратов в цитоплазму [10].

Проникая в клетку, металлы индуцируют синтез внутриплазматических соединений. В результате чего происходит связывание металла полифосфатами или белками-металлопротеинами. Молекулярная масса последних – 6.000-10.000. Для них типичны три ароматических аминокислоты и высокое содержание цистеина (30%), богатого SH-группами. Металиндуцированные протеины были обнаружены в цианобактериях, бактериях, дрожжах.

Устойчивость к металлам часто может быть связана с уменьшением поглощения или проницаемости клеточной мембраны. Транспорт ионов металлов в микробные клетки ингибируется низкими температурами, метаболитными ингибиторами и в отсутствие источников энергии. На скорость поглощения влияют метаболическое состояние клетки и состав внешней среды. Транспортные системы, встречаемые в микроорганизмах, различаются по специфичности.

Многие механизмы транспорта ионов металлов основаны на действии электрохимического протонного градиента. В некоторых случаях внутриклеточное поглощение осуществляется посредством диффузии (когда под действием токсических веществ увеличивается мембранная проницаемость). В одной из работ анализ транспорта 64Cu2 показал, что устойчивые клетки обладают пониженной аккумуляцией ионов меди в течение log фазы бактериального роста, в то время как увеличение поглощения наблюдается в стационарную фазу роста [15].

Поглощение металлов микроорганизмами идет в две стадии: первая стадия проходит в течение 2-3 минут, за это время происходит резкое снижение концентрации ионов тяжелых металлов в растворе, вторая стадия протекает значительно медленнее, так как существует зависимость этой стадии от концентрации ионов тяжелых металлов в растворе. Причиной сорбции металлов считается существование внеклеточных полимеров, а также фосфатных и уроновых групп в составе клеточной стенки микроорганизмов. Для сорбции тяжелых металлов были исследованы модифицированные материалы, содержащие различные количества привитых молекул полиакриловой кислоты и полиакрилонитов [17].

Таким образом, можно сделать вывод, что проблема изучения сорбционных свойств природных сорбентов актуальна в настоящее время. Как видно из аналитического обзора способы извлечения тяжелых металлов из разбавленных растворов до сих пор несовершенны. Исследования, посвященные совместному изучению системы «мох-микроорганизмы», вообще практически не имеют аналогов и поэтому представляют особый интерес. Из всего этого следует, что тема настоящей дипломной работы актуальна и востребована.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 3.1. Обоснование схемы проведения эксперимента Из аналитического обзора видно, что сорбционные свойства мха по отношению к тяжелым металлам недостаточно изучены в настоящее время, но возможность использования мха как биосорбента очень привлекательна в силу его протектирующего действия, которое основано на присутствии в составе мха таких веществ как полиурониды (полисахариды, содержащие карбоксильную группу в 6-ом положении пиранового или ангидроглюкозного цикла) и которое выражается в прочном избирательном связывании ионов тяжелых металлов. Задачами данной дипломной работы являются: Изучение возможности использования системы «мох-микроорганизмы» к извлечению ионов тяжелых металлов (ионов меди(II) и кадмия(II)) из разбавленных растворов солей этих металлов. В качестве микроорганизмов исследовалась суспензия Pseudomonas aeruginosa B7. В качестве мха - мох вида сфагнум. Выявление доли участия каждого компонента системы «мох-микроорганизмы» в процессе сорбции металлов. В связи с этим исследования проводились в трех основных направлениях: Изучение сорбции металлов мхом. Изучение сорбции металлов микроорганизмами. Изучение сорбции металлов в системе «мох-микроорганизмы». В качестве источников тяжелых металлов использовались соли этих металлов (сульфат меди и ацетат кадмия), тяжелые металлы, входящие в состав этих солей представляют собой большую экологическую проблему. При высоких концентрациях ионов металлов в растворах существует достаточно различных методов, позволяющих высоко эффективно извлекать эти металлы из растворов, однако эти методы неэффективны при извлечении тяжелых металлов из разбавленных растворов. Именно поэтому концентрационный интервал растворов, используемых в исследованиях был взят от 0,1 моль/л до 0,00001 моль/л. Бактерии Pseudomonas aeruginosa можно культивировать как на жидкой, так и на плотной питательной среде.
						БГТУ 03.00.ПЗ
Изм.	Кол.уч.	Лист	№ докум	Подпись	Дата
Разраб.	Ковалевич А.			Технологическая часть	Стадия	Лист	Листов
Пров.	Собещук О.П.						1	4
Консульт.	Собещук О.П.			БГТУ 7140607 2004
Н. контр.	Собещук О.П.
Утв.	Гриц Н.В.

Однако при выращивании бактерий на жидкой среде микробная суспензия содержит большое количество взвешенных частиц питательной среды, что в дальнейшем будет вносить большую погрешность в результаты фотометрического определения концентрации микробной суспензии. В связи с этим наиболее целесообразно с точки зрения получения чистой микробной суспензии и достоверности результатов производить наращивание биомассы на твердой питательной среде и затем отделять ее от питательного агара путем смыва культуры небольшим количеством физиологического раствора.

После того, как сорбенты (микроорганизмы и/или мох) обрабатываются растворами тяжелых металлов необходимо отделение самих сорбентов от раствора тяжелых металлов. Для отделения мха использовался бумажный фильтр. Для отделения микроорганизмов применялось центрифугирование на скорости 8000 об/мин в течение 10 минут.

При изучении сорбционной способности системы «мох-микроорганизмы» для отделения растворов металлов от сорбентов наиболее целесообразно применение микробного фильтра. Этот процесс длителен, поэтому при изучении кинетики сорбции металлов системой «мох - микроорганизмы» надо это учитывать, для того чтобы не вносить большую погрешность в измерения.

Определение ионов тяжелых металлов в растворах возможно фотоколориметрическим, фотометрическим и титриметрическим методами. В случае первых двух методов требуется перевод ионов металлов в комплексы. Эти методы трудоемки, сложны в исполнении и требуют значительных навыков исполнения.

Титриметрический метод в отличии от двух вышеперечисленных методов определения ионов тяжелых металлов прост и удобен в применении, а также имеет высокую точность определения. Он позволяет быстро и качественно провести определение ионов исследуемых металлов. Ионы металлов оттитровываются раствором ЭДТА в присутствии металлоиндикаторов (мурексид, эриохромовый черный Т).

3.2. Описание схемы проведения эксперимента

Приготовление растворов меди и кадмия. Сначала готовятся растворы с концентрацией 0,1 моль/л. Растворы остальных концентраций готовятся путем последующего разбавления исходных растворов (0,1моль/л), так называемых маточных растворов (0,02; 0,005; 0,0001; 0,00002; 0,00001 моль/л).

Приготовление суспензии микроорганизмов. Бактерии Pseudomonas aeruginosa выращивались в пробирках на скошенном питательном агаре. Микробную культуру от агара отделяют физиологическим раствором, который заливают в пробирки и затем постепенным встряхиванием и покачиванием пробирки отделяют культуру. Полученную суспензию хранят в холодильнике.

Затем сорбенты (мох, суспензия микроорганизмов, гетерогенная система «мох-микроорганизмы») обрабатываем растворами металлов. По истечении необходимого времени сорбенты отделяются вышеперечисленными способами.

Общая схема исследований представлена на рис.3.1.

Схема исследований

Приготовление ПА. Приготовление реактивов.

Приготовление микробной суспензии

Изучение сорбции металлов

Изучение сорбции микроорганизмов мхом

Обработка растворами металлов

Фильтрование через бумажный фильтр

Фильтрование через микробный фильтр

Центрифугирование 8000 об/мин

Разведение

Посев на чашки

Петри

Инкубирование в термостате

Подсчет выросших колоний

Титрование раствором ЭДТА в присутствии металлоиндикатора

Обработка экспериментальных результатов

Рис.3.1.

4. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА И БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 4.1. Мероприятия по охране труда Данная дипломная работа посвящена изучению сорбционных свойств мха по отношению к тяжелым металлам и микроорганизмам. Охрана труда представляет собой систему законодательных, социально-экономических, технических, санитарно-гигиенических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособность человека в процессе труда. При работе в лаборатории большое значение имеет охрана труда. Исследования, проводимые в лаборатории, не всегда безопасны. Поэтому возникает необходимость обеспечения надежности и безопасности работы сотрудников. При проведении исследовательской научной работы на работников действует целый комплекс вредных и опасных факторов. В данном разделе дипломной работы проведен анализ потенциально опасных и вредных факторов, разработаны конкретные мероприятия, которые направленные на улучшение условий труда, снижение производственного травматизма и профессиональных заболеваний, а также на повышение безопасности работы с приборами и оборудованием, находящимися в лаборатории. 4.1.1. Анализ потенциально опасных, вредных производственных факторов, пожароопасности и взрывоопасности Проведение данной исследовательской работы включает в себя следующие стадии: получение микробной суспензии; обработка мха и суспензии микроорганизмов разбавленными растворами тяжелых металлов; титрование исследуемых проб раствором ЭДТА. В соответствии с ГОСТ 12.0.003-74 для работы характерны следующие группы опасных и вредных производственных факторов: Повышенная температура поверхностей оборудования и материалов; Повышенный уровень ультрафиолетовой радиации;
						БГТУ 04.00.ПЗ
Изм.	Кол.уч.	Лист	№ докум	Подпись	Дата
Разраб.	Ковалевич А.