Физико-химические свойства биосорбционных комплексов

В последние десятилетия неуклонно растет загрязнение биосферы разнообразными ксенобиотиками, т.е. веществами чуждыми природной среде, не входящими в естественный биотический круговорот. К ним относятся: химические загрязнители, такие как гербициды, пестициды, отходы химических производств; нефть и нефтепродукты; тяжелые металлы; вредные продукты жизнедеятельности человека и т.д. Естественная очистка экосистем от загрязнителей осуществляется путем сложных процессов в биоценозах, содержащих ассоциации микроорганизмов. Особую значимость для решения проблем окружающей среды приобрели биотехнологические методы с применением полезных качеств микроорганизмов. Сорбционные технологии перспективны для выделения и использования природной микрофлоры, состоящей из бактериальных культур индивидуальных микроорганизмов или их сообществ, именно при создании эффективных сорбционно- биологических систем детоксикации загрязнителей.

Чтобы сорбционный биокомплекс был конкурентно способным в естественных условиях необходимо правильно подобрать сорбент-носитель и бактериальную составляющую определенной направленности.

Что касается бактериальной составляющей. Бактерии в природе чрезвычайно многочисленны и имеют гибкий метаболизм, позволяющий им жить в любой биосфере. В почвах, которые подвергались многократному воздействию загрязнителей, происходит изменение популяционного состава микрофлоры.

Выделением и обогащением микробиоты с использованием посевного материала из окружающей среды и были получены микроорганизмы, способные разлагать целый ряд ксенобиотиков. Использование сорбентов, которые хорошо адсорбируют биомолекулы и легко осаждаются из раствора, ускоряет процесс выделения перспективных природных бактериальных культур, способных использовать тот или иной загрязнитель. Сорбент является матрицей-носителем для иммобилизации бактериальных культур и повторяет их природное существование. Для каждого конкретного случая необходим подбор перспективной сорбционной матрицы для иммобилизации микроорганизмов определенного вида. На поверхности носителя обязательно присутствуют Реакционно-функциональные группы на поверхности носителя обеспечивают иммобилизацию бактериальных клеток.

Изучено потребление загрязнителя полученным микробным комплексом целевой направленности в виде суспензии и при иммобилизации его на сорбционной матрице. Единственным источником углерода и энергии являлся загрязнитель. Способность к разрушению загрязнителя микроорганизмами, иммобилизованными на сорбенте и в свободном состоянии, рассматривалась на примере нефтяного загрязнения.

В зависимости от решения задачи, матричный материал для создания сорбционного биокомплекса является гидрофобным или гидрофильным. В случае нефтяных биосорбентов материал должен быть гидрофобным (поглощать нефть и нефтепродукты) иметь сродство к микробной составляющей. При создании биосорбционных комплексов было учтено, что для роста любой бактериальной культуры необходимы: жизнеспособный посевной материал (был получен из природных объектов); источники энергии и углерода т.е. единственный источник питания - загрязнитель; все остальные питательные вещества, необходимые для роста биомассы, т.е. минеральное питание; соответствующие физико-химические условия среды (температура, рН и т.д.). Проведены экспериментальные исследования по разложению нефтяного загрязнения при действии суспензии нефтеокисляющих микроорганизмов (ПОМ) и иммобилизованных на углеродном сорбенте-носителе.

Углеродные сорбенты на основе пиролизата древесного сырья с высоким содержанием смолистых веществ обладают удовлетворительной поглощающей способностью в отношении нефти и нефтепродуктов различного состава, а главное являются биосовместимыми. Пористая структура и химическая природа поверхности углеродистой сорбционной матрицы обусловливает ее сорбционные свойства в отношении углеводородов нефти. Но доминирующим фактором во взаимодействии углеродный материал – нефть является гидрофобное взаимодействие. Согласно [1-3], в явлениях адсорбции существенное значение имеют межмолекулярные взаимодействия, где главная роль принадлежит неполярным гидрофобным группам.

Для биоактивирования углеродного носителя была выбрана наиболее активная компонента аборигенной культуры. Микробные колонии были получены из природных образцов методом обогащения и селекции на питательной среде в широком диапазоне температур от 4 до 300С на различных типах нефти и нефтяных отходов. Иммобилизация на углеродной матрице значительно повышает деструктивную способность микроорганизмов.

продолжительность, сутки

Рис.1 Кинетика деструкции нефти на поверхности воды (1) и сорбированной на биосорбенте (2).

При диспергировании углеводородов обеспечивается наибольшая плоскость поверхности соприкосновения на единицу массы, потому что бактерии существуют и питаются, главным образом, в водной среде и действуют только при контакте воды и углеводородов [4-5]. Скорость микробного разложения нефти, локализованной на поверхности сорбента, была намного больше по сравнению с биоразложением сплошного слоя нефти на поверхности воды (рис.1) при концентрации нефтеокисляющей культуры 120-200х104 кл /г и нефти (8г) в системе.

Таким образом, биосорбционный комплекс обеспечивает полную локализацию нефтяного загрязнения и элективные условия биодеструкции нефти в сорбированном состоянии.