РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт биологии Кафедра ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры «Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов» Тюмень, 2015 г.

Табл. 1 Российские нормативы ПДК металлов в воде и почве

Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве акцессорных (микропримесей) в массу горных пород. Рис. Брусит Рис. Ильменит Рис. Анатаз Минералы титана:

Поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие техногенного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения. Вторичное загрязнение происходит также вследствие выноса тяжелых металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступления больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.

Первый период полу удаления (т.е. удаления половины от начальной концентрации) тяжелых металлов значительно варьируется у различных элементов и занимает весьма продолжительный период времени: -для цинка - от 70 до 510 лет; -кадмия от 13 до 11О лет, -меди - от 310 до 1500 лет, -свинца - от 770 до 5900 лет.

Негативное влияние тяжёлых металлов: - Они способны к биоаккумуляиии и концентрированию при движении по трофической цепи; -Тяжёлые металлы нельзя разрушить или преобразовать в ходе химических процессов; -Удаление тяжёлых металлов из организма затруднено, поскольку они прочно связываются с белками и другими компонентами клеточных структур; - Металлы, поступающие в окружающую среду, концентрируются в гумусосодержащем слое почвы, в донных осадках водоемов, в кормах и продуктах; -Высокие концентрации тяжелых металлов в природных средах оказывают токсичное действие на животных и растения, что приводит к подавлению развития биоты, снижению биологического разнообразия и продуктивности экосистем; -Действие тяжёлых металлов на организм человека не только токсическое, но может приводить и к онкологическим заболеваниям.

Проблема загрязнения радионуклидами окружающей среды возникла при проведении ядерных испытаний и освоении атомной энергии. Добыча, переработка и использование ядерного топлива приводят к поступлению в окружающую среду урана и трансурановых элементов Pu (плутоний), Am (америций), Cm (кюрий), Np (нептуний), участвующих в ядерном то­пливном цикле, и радиоактивных продуктов их распада. Наиболее существенная доля радионуклидов поступает в результате добычи и сжигания природного ископаемого топлива: угля, нефти, газа.

ОЧИСТКА ВОДНЫХ СРЕД Водные среды и условия их формирования играют определяющую роль в миграции, распространении тяжёлых металлов и радионуклидов в природе. Связывание металлов взвесями осуществляется в основном микропланкгоном и отмершими остатками микроорганизмов, удельная поверхность которых выше и содержит больше разнообразных активных групп с высоким сродством к металлам. В гидросфере наибольшие концентрации металлов наблюдаются в поверхностной плёнке, в пене, в придонном осадке и в биоте, в самой же воде концентрация их существенно ниже.

Методы очистки Небиологические методы: сорбцию (ионообменными смолами, неорганическими сорбентами: цеолитами, глинистыми минералами, магнетитом, гематитом и др.), реагентную обработку, осаждение, фильтрацию, флотацию и электрофлотацию, электролиз, электрокоагуляцию, электродиализ. Биологические методы: микробиологическое осаждение в виде сульфидов при протекании сулъфатредукции; осаждение в виде карбонатов; осаждение гидроксидов и оксидов железа и марганца в присутствии железо- и марганецокисляюших бактерий; микробиологическое осаждение мышьяка; микробиологическое восстановление металлов (хрома и др.); перевод металлов в летучую форму; сорбция металлов клетками микроорганизмов, одноклеточными водорослями, био сорбентами различного происхождения; ризофильтрация.

Рис. Варианты удаления тяжёлых металлов из загрязненной воды с помощью сульфат редукции Микробиологическая сульфатредукция

Осаждение в виде карбонатов Может использоваться для удаления 90 Sr (стронций). Sr СО 3 осаждается совместно с СаСО 3 в процессе жизнедеятельности водорослей при потреблении ими СО, из воды в ходе фотосинтеза.

Аэробная очистка воды от железа и марганца В реактор чаще всего с фильтрующей загрузкой высевают колонии бактерий (например, pp. Galionella, Clonothrix, Leptothrix, Metallogenium), окисляющих железо и марганец. Отмирающие бактерии образуют на зёрнах пористую массу, содержащую гидроксиды и оксиды железа и марганца. Воду перед подачей на фильтр насыщают кислородом воздуха или смешивают с насыщенным кислородом водой. Установки этого метода очистки отличаются эффективностью и длительностью эксплуатации. При содержании Мn в исходной воде до 0,7 мг/л его остаточное количество после очистки не превышает 0,02 мг/л.

Xроматиды и бихроматы Cr(VI) может быть восстановлен до Cr(III) серо­водородом или органическими соединениями. Промышленное применение нашел биологический метод очистки сточных хромсодержащих вод, основанный на восстановлении Cr(VI) органическими веществами сточных вод с участием бактерий pp. Pseudomonas, Aeromonas и других, входящих в состав специфичной Микрофлоры активного ила очистных сооружений. Восстановление протекает при pH 8-9 в отсутствие кислорода воздуха: Сr( VI) -> Cr(III) -» Cr(OH ), (1) При этом весь химически связанный кислород хроматов и бихроматов идёт на окисление органических веществ, а шестивалентный хром переходит в трёхвалентный. Для реализации процесса хромсодержащие сточные воды смешиваются с бытовыми стоками в соотношении, определяемом стехиометрией реакции восстановления Cr(VI).

Перевод элементов в летучую метилированную форму Может быть использован для удаления и утилизации Hg, As, Те, Se из сточных вод. Например, микроскопические грибы способны эффективно восстанавливать As и Те, перево­дя их из раствора в газовую фазу. Низший гриб Penicillium chrysogenum способен адаптироваться к повышенным концентрациям теллура (0,57 г/л) и катионам, сопутствующим теллуру в промстоках переработки руд. Получены мутанты гриба, позволяющие в течение 9 сут перевести в летучую форму 93% теллура при концентрации Те 7,5 г/л. Метилированный теллур может быть затем извлечен из газовой фазы сорбентами.

Биосорбционный метод Тяжёлые металлы и радионуклиды адсорбируются на поверхности клеток микроорганизмов, а также включаются в отдельных случаях внутрь клеток. Сорбенты, полученные на основе клеток микроорганизмов, по эффективности сравнимы с техническими адсорбентами: ионообменными смолами, активными углями, традиционно использующимися для извлечения тяжёлых металлов и радионуклидов. Селективность же первых может быть выше.

Возможно: внеклеточное накопление металлов, как участвующих, так и не участвующих в метаболизме, в результате активного или пассивного связыва­ния, либо осаждения на клеточной стенке или мембранах. Это процессы пассивной адсорбции на поверхности, ионный обмен, комплексообразование и хелатирование, осаждение. Последнее встречается при гидролизе сорбированных форм металлов, окислении или восстановлении металлов; внутриклеточное накопление как необходимых для метаболизма металлов (Fe, Mg, Mo, Си, Ni и др.), так и менее существенных (Со, Cd, Ag и др.) в результате активного транспорта ионов через мембрану, захвата частиц внеклеточными органеллами или экссудатами, поглощения частиц путем, подобным пиноцитозу, микропреципитации при гидролизе сорбированных форм металлов.

Активный транспорт и поглощение частиц осуществляются только живыми клетками, адсорбция же и ионный обмен в результате физико-химических процессов при взаимодействии как с живой, так и с мертвой клеткой либо кле­точными компонентами. Внутриклеточное накопление металлов протекает в две стадии. После введения в среду металл в течение 23 минут связывается с клеточной поверхностью в результате физико-химических процессов (стадия 1), а затем медленно переносится в цитоплазму клетки (стадия 2).

В целом на накопление металлов и радионуклидов микроорганизмами влияют: - возраст и физиологическое состояние их клеток, - состав среды, - pH, - условия снабжения кислородом, - температура, - присутствие ингибирующих ионов, - количество клеток в единице объема среды и др параметры.

Большие количества радионуклидов накапливают микроскопические гри­бы рр. Penicillium, Rhizopus, Aspergillus. Грибы Penicillium chrysogenum, Rhizopus arrhizus, Aspergillus niger имеют чрезвычайно высокое химическое сродство био­химических структур к 90 Sr, 137 Cs, 239 Pu; Из других представителей низ­ших грибов к накоплению радионуклидов способны грибы pp. Alternaria, Fusarium, Mycelia, Cladosporium, Scopulariopsis, Verticillium, Trichoderma; Высокой способностью к накоплению металлов и радионуклидов обладают бактерии-актиномицеты pp. Actinomyces, Streptomyces. Уран эффективно накапливают Actinomyces levoris, Streptomyces viridochromogenes; Клетки Chlorella regularis, иммобилизованные в полиакриламидном геле, эффективны в сорбции урана и свинца; биомасса Chlorella vulgaris - золота, серебра, меди, ртути; Chlorella pyrenoidosa - свинца и золота.

Рис. Варианты микробиологического извлечения тяжелых металлов из загрязненной воды с помощью абсорбционного метода

ВЫВОД В результате содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно растет, и когда абсорбционная способность осадков исчерпывается и тяжелые металлы поступают в воду, возникает особо напряженная ситуация. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсификация выделения СО 2, в результате деятельности микроорганизмов. Значительное загрязнение тяжелыми металлами, особенно свинцом, а также цинком и кадмием обнаружено вблизи автострад. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Специфика действия радионуклидов обусловлена радиоактивным излучением. По химическим свойствам они не отличаются от аналогичных нерадиоактивных элементов, легко проникая в живые организмы, встраиваясь в пищевые цепи и концентрируясь, как и нерадиоактивные тяжелые металлы, в организмах при движении по пищевым цепям. При попадании радиоактивных элементов даже в очень ограниченном количестве вместе с пылью и аэрозолями в легкие человека повышается риск онкологических заболеваний.

Спасибо за внимание!!!