Использование микроорганизмов для извлечения марганца из водных сред

Одной из важнейших проблем современности и обозримого будущего является проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, такими как марганец, железо, цинк, хром, никель, мышьяк и др. Соединения этих элементов в силу высокой токсичности, подвижности и способности к биоаккумуляции представляют опасность не только для человека, но и всего живого на планете [1]. Марганец в питьевой воде является весьма токсичным для живых организмов и окружающей среды, он может накапливаться в желудочнокишечном тракте, снижает уровень гемоглобина, нейротоксичен. Этот поллютант попадает в окружающую среду в результате деятельности таких отраслей промышленности, как производство удобрений, нефтехимия, гальванотехника, выделывание кож, металлообработка, горная добыча [2].

Для очистки природных и производственных сточных вод от катионов различных металлов широко применяется сорбционный метод с использованием как природных, так и синтетических сорбентов [3]. В настоящее время весьма перспективным направлением очистки природных и сточных вод является привлечение микроорганизмов, способных к биосорбции и биоаккумуляции тяжелых ме- таллов [4]. Накопление металлов клетками микроорганизмов носит двухфазный характер: а) начальная фаза не зависит от энергетического состояния клетки и обусловлена сорбцией металлов компонентами клеточной стенки, среди которых хитин и хитозан особенно активны как сорбенты; б) последующая, более медленная фаза – энергозависимое внутриклеточное накопление, происходящее с участием мембранных переносчиков ионов [5].

Одна из актуальных проблем целлюлознобумажной промышленности – создание экологически чистых способов отбеливания лигноцеллюлозных материалов. Общим направлением развития технологии отбеливания в настоящее время является переход к производству целлюлозы, полностью свободной от хлора (TCF-технология). В качестве бесхлорных отбеливающих реагентов наиболее часто используют кислород, озон и пероксид водорода [6]. В Сыктывкарском лесном институте и в Институте физиологии Коми НЦ УрО РАН были исследованы схемы отбелки сульфатной целлюлозы с использованием в качестве отбеливающих реагентов перманганата калия в кислой среде и пероксида водорода в щелочной среде [7, 8]. Известно [9], что перманганаты принадлежат к силь- ным окислителям, и продукты их восстановления в зависимости от реакции среды различны. В кислой среде восстановление идет до солей марганца (II):

MnO ₄ - + 5 e "  + 8 H ⁺ ^ Mn ²⁺ + 4 H ₂ O.

После промывки целлюлозы в стоки попадают ионы Mn ²⁺ , которые могут накапливаться в окружающей среде. Однако многие бактерии, мицелиальные грибы, дрожжи и водоросли способны к эффективной биосорбции марганца из водных сред [10, 11].

Цель работы заключается в исследовании способности различных микроорганизмов сорбировать ионы Mn ²⁺ из водных сред.

Материалы и методы

Для сорбции марганца из водных сред применяли бактерии Bacillus subtilis , дрожжи Saccharomyces cerevisiae ВКМ Y-2549 и мицелиальные грибы Penicillium ochrochloron ВКМ F-1702, Aspergillus niger ВКМ F-1119. Посевным материалом были двухсуточные культуры, выращенные в среде следующего состава, г/л: глюкоза – 20,0; дрожжевой экстракт - 2,0; (NH ₄ ) ₂ SO ₄ - 0,5; MgSO ₄ • 7H ₂ O - 0,5; KH ₂ PO ₄ - 1,0. Посев производили в расчете 5 мл посевного материала на 50 мл среды. Культуры выращивали в колбах при перемешивании (220 об/мин) с объемом питательной среды 50 мл при 24 ° С. В опытах по исследованию сорбции марганца микроорганизмами использовали среду аналогичного состава, в которой модельным источником ионов Mn ²⁺ служил MnSO ₄ (1%), а условия культивирования были те же самые. Для роста микроорганизмов исходное значение рН среды устанавливали на уровне 5,0 без дальнейшего регулирования.

Культивирование микроорганизмов проводили также на фильтратах, полученных после разных ступеней отбелки лиственной сульфатной целлюлозы (ОАО «Монди Сыктывкарский ЛПК») по схеме: ПМ – П – ПМ – П – ПМ (ПМ – перманганат калия в кислой среде, П – пероксид водорода в щелочной среде). Отбеливание проводилось с различными суммарными расходами KMnO ₄ (0,31; 0,61; 1,01%) при мольных соотношениях KMnO ₄ : H ₂ SO ₄ 1 : 100 и 1 : 50 [8].

В части экспериментов фильтраты были дополнены питательными веществами следующего состава, г/л: глюкоза – 10,0; дрожжевой экстракт – 2,0; (NH 4 ) 2 SO 4 - 0,5; MgSO 4 . 7H 2 O - 0,5; KH 2 PO 4 -1,0. В фильтратах рН во всех случаях доводили до 5,0 1N раствором NaOH. Содержание редуцирующих веществ (РВ) определяли по методу Нельсона-Сомоджи [12, 13].

Количественное определение ионов Mn ²⁺ в виде перманганата проводили по методу, основанному на количественном окислении ионов марганца (II) до перманганат-ионов в кислой среде действием персульфата аммония в присутствии катализатора – ионов серебра [14].

Массовую долю катионов марганца, сорбированных биомассой исследуемых микроорганизмов (ω i , мас. %), рассчитывали по формуле:

ω i = 100 ^. m i / m j , где m i – масса сорбированного марганца, г; m j – масса марганца, введенного в раствор, г [15].

Цифровые данные в статье представляют собой средние величины, полученные в результате трех независимо проведенных друг от друга экспериментов.

Результаты исследований

С целью изучения способности микроорганизмов сорбировать ионы Mn ²⁺ из водной среды были испытаны несколько штаммов бактерий ( Bacillus subtilis ), дрожжей ( Saccharomyces cerevi-siae Y-2549) и мицелиальных грибов ( Penicillium ochrochloron F-1702, Aspergillus niger F-1119). Культуры выращивали в жидкой питательной среде, содержащей в качестве источника углерода глюкозу (2%), а модельным источником ионов Mn ²⁺ служил MnSO ₄ (1%). Культивирование в течение 10 суток показало, что вне зависимости от таксономической принадлежности все исследуемые микроорганизмы способны эффективно сорбировать ионы Mn ²⁺ из среды (табл. 1).

Таблица 1

Сорбция ионов Mn ²⁺ из жиДкой питательной среДы, содержащей 1 %-ный MnSO ₄ , культурами микроорганизмов

Культура	ω i , мас. %
	1 сут. 2 сут. 3 сут. 7 сут. 10 сут.

Bacillus subtilis	94,3	95,2	95,6	96,5	98,1
Saccharomyces cerevisiae	95,5	95,7	95,8	96,0	98,3
Penicillium ochrochloron	96,6	96,8	97,0	97,6	97,5
Aspergillus niger	94,1	94,8	95,5	96,0	97,4

Исходная концентрация ионов Mn ²⁺ составляет 3,64 г/л. Уже через одни сутки роста всеми культурами из среды было сорбировано более 90% марганца: от 94,1–94,3% – грибом A. niger F-1119 и бактериями B. subtilis , до 95,5–96,6% – дрожжами S. cerevisiae Y-2549 и грибом P. ochrochloron F-1702. В последующие сутки культивирования (2-10 суток) количество сорбированного марганца увеличилось незначительно – на несколько процентов. К концу эксперимента (10 суток) ионы Mn ²⁺ из среды были сорбированы на 97,4–98,3% ( A. niger F-1119 – S. cerevisiae Y-2549). Исходя из данных табл. 1, можно отметить, что все исследуемые культуры микроорганизмов способны эффективно, более чем на 90%, сорбировать ионы Mn ²⁺ из жидкой питательной среды, содержащей глюкозу в качестве источника углерода и энергии.

Для дальнейших экспериментов были выбраны дрожжи Saccharomyces cerevisiae Y-2549, так как они применяются для решения многих экологических задач, среди которых очистка сточных вод, биоремедиация загрязненных почв и т.д. [4], и эффективно сорбируют ионы Mn2+ из жидкой питательной среды – на 98,3%. Была изучена способность дрожжей S. cerevisiae сорбировать ионы Mn2+ из фильтратов, полученных после отбеливания целлюлозы KMnO4 в кислой среде. В фильтратах определяли содержание редуцирующих веществ (РВ), рН (1,1-2,9) и концентрацию ионов Mn2+ (0,0019 г/л).

Рост дрожжей обычно протекает в слабокислой среде. Фильтраты после перманганатных ступеней отбеливания целлюлозы имеют достаточно низкие значения рН ввиду глубокой деструкции остаточного лигнина до органических кислот, в связи с чем рН фильтратов доводили до 5,0 раствором щелочи. Были проведены две серии экспериментов. В первой серии дрожжи культивировали на фильтратах без добавления питательных веществ. Содержание РВ в фильтратах при этом – низкое. Поэтому во второй серии экспериментов дрожжи культивировали на фильтратах, дополненных питательными веществами, г/л: глюкоза – 10,0; дрожжевой экстракт - 2,0; (NH ₄ ) ₂ SO ₄ - 0,5; MgSO ₄ • 7H ₂ O -0,5; KH ₂ PO ₄ - 1,0. Дрожжи S. cerevisiae в течение 10 суток культивировали на двух вариантах фильтратов и ежедневно в течение первых пяти суток и через 10 суток в фильтратах определяли содержание ионов Mn ²⁺ (табл. 2).

Таблица 2

Сорбция ионов Mn ²⁺ Дрожжами Saccharomyces cerevisiae Y-2549 из фильтратов, полученных после перманганатных ступеней отбеливания лиственной сульфатной целлюлозы

Среда	ω i , мас. %
	1 сут.	2 сут.	3 сут.	4 сут.	5 сут.	10 сут.
Фильтрат	0,0	10,5	26,3	42,1	52,6	80,4
Фильтрат+ 1% глюкозы	52,6	53,8	55,7	57,9	68,4	84,2

Наименее активно сорбция марганца происходит из фильтратов, не содержащих дополнительных питательных веществ, и наиболее активно марганец сорбируется из фильтратов, содержащих в качестве источника углерода и энергии глюкозу. Через 10 суток роста дрожжи S . cerevisiae Y-2549 в обоих вариантах фильтратов сорбируют марганец довольно эффективно – на 80,4–84,2%.

Заключение

На основании проведенных исследований по микробиологической сорбции марганца из водных сред можно заключить, что все испытанные культуры бактерий, дрожжей и мицелиальных грибов способны эффективно, на 97,4–98,3%, сорбировать ионы Mn ²⁺ из жидкой питательной среды, содержащей в качестве источника углерода и энергии глюкозу. Дрожжи S. cerevisiae способны сорбировать ионы Mn ²⁺ из фильтратов, полученных после отбеливания целлюлозы перманганатом калия в кислой среде, также достаточно эффективно – на 80,484,2%. По-видимому, дрожжи S. сerevisiae являются перспективной культурой для использования ее при очистке водных сред от ионов Mn ²⁺ .