WWW.ДЕНЬСИЛЫ.РФ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Медицина

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Метод биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием пивоваренных дрожжей saccharomyces cerevisiae

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Гаранин Роман Анатольевич

Метод биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae

03.01.06 – Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре ботаники, микробиологии и экологии Института естествознания Калужского государственного университета им. К.Э. Циолковского.

Научный руководитель:

доктор биологических наук, Лыков Игорь Николаевич

профессор

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, Ильин Вячеслав Константинович

профессор

кандидат биологических наук, Кусачёва Светлана Александровна

доцент

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН

Защита диссертации состоится «30» ноября 2011г. в 10 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.111.02 при Учреждении Российской академии наук «Государственный научный центр Российской Федерации – Институт медико-биологических проблем РАН» (ГНЦ РФ – ИМБП РАН) по адресу: 123007, Москва, Хорошевское шоссе, дом 76-А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ – ИМБП РАН

Автореферат размещен на Интернет–сайте Высшей аттестационной комиссии (ВАК) Министерство образования и науки РФ: vak.ed.gov.ru

Автореферат диссертации разослан «22» октября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор биологических наук Назаров Н.М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

В настоящее время проблема химического загрязнения природных пресных и морских водоемов является крайне актуальной. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в воде растворенного кислорода, ее pH, прозрачности, цветности и других свойствах. Все это отрицательно влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность водоемов к самоочищению.

Среди химических веществ, загрязняющих гидросферу, тяжелые металлы и их соединения образуют значительную группу токсикантов, оказывающих негативное воздействие на человека и окружающую среду. Основными источниками тяжелых металлов загрязняющих окружающую среду являются металлургия и гальванические цеха промышленных предприятий.

Традиционно воду от соединений тяжелых металлов очищают путем перевода их в нерастворимые в воде соединения, которые затем удаляют отстаиванием, флотацией, фильтрацией и другими способами разделения твердой и жидкой фаз. Но, несмотря на существующее разнообразие физико–химических методов, они не всегда отвечают требованиям экологической безопасности и экономической эффективности. Так, в ряде случаев после очистки гальванических сточных вод традиционными методами, в относительно чистой воде присутствует остаточное количество тяжелых металлов. Часто отмечается перегруженность и низкая эффективность работы очистных сооружений. Поэтому проблема очистки сточных вод на сегодняшний день остается актуальной. Решать ее можно не только физико-химическими методами, но и с использованием биологических методов, а возможно и комплексно.

Использование биологических методов является одним из перспективных направлений в очистке сточных вод, как бытовых, так и промышленных. Одним из таких методов является биосорбция металлов из растворов, в основе которой лежит способность микроорганизмов аккумулировать катионы различных металлов, извлекая их из растворов. Это может быть использовано для очистки промышленных сточных вод от металлов.

На сегодняшний день пивоваренные компании России имеют значительное количество дрожжевых отходов, которые могли бы быть использованы в качестве сорбентов тяжелых металлов в технологической схеме очистки промышленных сточных вод.

Однако в литературе приводятся противоречивые данные о поведении микроорганизмов в присутствии токсикантов, в частности тяжелых металлов, о специфической и неспецифической сорбционной способности микробных клеток.

Это определило актуальность проблемы, а также цель и задачи настоящей работы.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка метода биосорбции тяжелых металлов из промышленных сточных вод с использованием живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

  1. Исследовать показатель эффективности сорбции тяжелых металлов живыми пивоваренными дрожжами Saccharomyces cerevisiae в сравнении с биосорбентами на их основе в модельных средах.
  2. Исследовать и выявить пороговые концентрации цинка, никеля и меди в модельной среде, при которых живая культура дрожжей сохраняет высокие значения выживаемости и эффективности сорбции.
  3. Исследовать процесс биосорбции тяжелых металлов дрожжами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод. Выявить оптимальные условия эффективности биосорбции тяжелых металлов. Разработать оптимальные технологические параметры для очистки или доочистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
  4. Разработать технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Научная новизна



В работе впервые получены экспериментальные данные, подтверждающие возможность использования живых культур пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в качестве биологического сорбента тяжелых металлов из сточных вод промышленных предприятий.

Впервые получены данные о микробиологических и физико-химических особенностях процесса биосорбции тяжелых металлов живыми дрожжами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод, содержащих тяжелые металлы, c привлечением показателей выживаемости и эффективности сорбции дрожжей.

Выявлены основные принципы, этапы и условия, при которых эффективность сорбции тяжелых металлов живыми дрожжами достигает максимальных значений.

Определены оптимальные технологические параметры процесса биосорбции (рН, температура, концентрация биосорбента, продолжительность экспозиции) очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Разработан технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Оценена возможность эффективного использования предлагаемой технологии в производственных условиях.

Выполненные исследования вносят дополнительный вклад в понимание механизмов пассивной и активной биосорбции живыми дрожжевыми клетками тяжелых металлов, содержащихся в сточных водах промышленных предприятий.

Практическая ценность

Практическая значимость настоящей работы состоит в том, что предлагаемые технологические параметры и технологический регламент могут быть использованы для очистки или доочистки сточных вод промышленных предприятий (имеющих в своем составе гальванические цеха и т.п.) от тяжелых металлов.

Сорбционные способности живых дрожжей Saccharomyces cerevisiae позволяют значительно снизить концентрацию тяжелых металлов в промышленных сточных водах. В случае загрязнения сточных вод цинком, никелем и медью живые дрожжи Saccharomyces cerevisiae способны снижать концентрацию тяжелых металлов в 75, 15 и 6 раз соответственно.

Разработан технологический регламент выполнения работ по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием живой культуры дрожжей Saccharomyces cerevisiae, который может быть использован в процессе очистки или доочистки сточных вод гальванических цехов промышленных предприятий. Регламент прошел предварительную апробацию на Калужском заводе телеграфной аппаратуры при очистке сточных вод гальванического цеха от тяжелых металлов.

Личный вклад автора

Личный вклад диссертанта состоял в выполнении исследования сравнительной биосорбционной способности различных биосорбентов на основе дрожжей в отношении к катионам тяжелых металлов.

Автор лично подготовил и провел экспериментальные исследования по выявлению оптимальных условий биосорбции живыми дрожжами катионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод.

Разработан технологический регламент по биологической очистке сточных вод, содержащих тяжелые металлы, с использованием живой дрожжевой культуры Saccharomyces cerevisiae.

Положения выносимые на защиту

  1. Установлено, что использование живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в качестве биосорбента для очистки или доочистки промышленных сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов является эффективным методом.
  2. Выявлены оптимальные параметры биосорбции тяжелых металлов живыми дрожжевыми культурами Saccharomyces cerevisiae из промышленных сточных вод.
  3. Разработан технологический регламент процесса очистки сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов на основе сорбционной способности живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

Апробация и внедрение результатов исследования

Материалы диссертации докладывались на научных чтениях 6-го Международного конгресса «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК – 2004, г. Москва; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2005; на XL Научных чтениях им. К.Э.Циолковского - 2005, г. Калуга; на «Открытой университетской научно-технической конференции» (секция Ботаники и Экологии) КГПУ им. К.Э. Циолковского – 2006, г. Калуга; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2006; на симпозиуме «The Problems of Space Microbiology» Материалы 4th International Workshop for Space Microbiology Научных Чтений 41 – ST K.E. TSIOLKOVSKY MEMORIAL CONFERENCE - 2006, Калуга; на Региональной научно-практической конференции по теме «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» - 2007; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2008; на XLIII Научных чтениях им. К.Э.Циолковского - 2008, г. Калуга; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2009; на Региональной научно-технической конференции МГТУ им. Н.Э. Баумана – 2010.





Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ФБГОУ ВПО Калужского государственного университета им. К.Э. Циолковского при формировании курса лекций и лабораторно-практических занятий «Экологическая токсикология».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них две в журналах рекомендованных ВАК («Вестник» при МГТУ им. Н.Э. Баумана из цикла «Естественные науки» - 2008 и «АГРО XXI ВЕК» - 2008).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, обсуждения полученных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Объем основного текста составляет 150 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 20 таблиц. Список литературы объединяет 290 наименований источников, из них 98 отечественных и 192 зарубежных автора. Объем приложения – 18 страниц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, научная новизна и практическая значимость. Сформулированы цели и задачи исследования.

Глава 1.

Сравнительные особенности биосорбции, биоаккумуляции и детоксикации катионов тяжелых металлов микроорганизмами и дрожжами (S. Cerevisiae)

(обзор литературы)

В первой главе диссертации проведен литературный обзор и сравнение методов физико-химической очистки. При этом выявлен ряд недостатков, которые в большинстве случаев устраняются с помощью биологической доочистки разработанного нами технологического регламента. Подробно были изучены литературные источники, относящиеся к выявлению решающих факторов внешней среды, влияющих на биосорбцию тяжелых металлов микроорганизмами. Было уделено пристальное внимание особенностям строения и химического состава дрожжей и других микроорганизмов для наиболее полного понимания природы биосорбции тяжелых металлов. Всесторонне рассмотрены различные литературные источники, описывающие физико-химические и биохимические механизмы, лежащие в основе биосорбционных способностей микроорганизмов. Проведеное широкое аналитическое исследование работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных изучению биосорбционных, биоаккумаляционных и детоксикационных свойств различных микроорганизмов в отношении тяжелых металлов показало, что исследований по изучению биосорбционных свойств живых дрожжей в отношении тяжелых металлов, растворенных в сточных водах промышленных предприятий, не существует. Большой объем литературы не дает всеобъемлющей картины, целью которой является данная работа.

Глава 2. Методы исследования

Вторая глава посвящена вопросам организации проведения исследовательской работы, выбору и обоснованию методов исследования, в частности:

  • методике культивирования дрожжевой культуры, для дальнейшего использования полученной биомассы в исследовании;
  • методике получения и подготовки биосорбентов на основе дрожжевой биомассы для исследований;
  • методике подготовки модельных сред на основе сточной воды с повышенным содержанием тяжелых металлов (цинка, никеля и меди) и промышленного сусла;
  • методике проведения физико-химических исследований.

В качестве биосорбента использовали три штамма пивоваренной дрожжевой культуры (Saccharomyces cerevisiae).

Выбранные для исследований тяжелые металлы (цинк, никель и медь) являются основными загрязнителями в сточных водах гальванических цехов.

Для оценки выживаемости дрожжевой культуры использовали количественный микроскопический метод дифференцированного окрашивания водным раствором метиленового синего в камере Горяева.

Значение эффективности сорбции биосорбентов на основе дрожжей рассчитывали по формуле:

где Е – значение эффективности;

Сk (мг/дм3) – конечная концентрация металла в среде по окончании эксперимента;

Сn (мг/дм3) – начальная концентрация металла в растворе до эксперимента.

Для оценки содержания тяжелых металлов в модельных растворах и сточных водах использовали метод атомно-абсорбционной спектроскопии.

Математико-статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом малых выборок по Стьюденту. Вычисление значений среднего арифметического (х), среднего квадратичного отклонения (), коэффициента корреляции (r) рассчитывали по формуле:

где r – коэффициент корреляции;

x и y – средние выборочные значения сравниваемых величин;

xi и yi– частные выборочные значения сравниваемых величин;

n – общее число величин в сравниваемых рядах показателей;

и – дисперсии, отклонения сравниваемых величин от средних величин. Каждый эксперимент проводился в 10-15-ти кратной повторности.

Математические расчеты и построение графиков осуществляли на персональном компьютере с помощью лицензионных программных пакетов MS Excel 2003 и Minitab14.0.

Глава 3. Результаты собственных исследований

3.1. Сравнение биосорбционных свойств дрожжей

и биосорбентов на их основе

Сорбционную способность дрожжей (SC1, SC2, SC3, сухие дрожжи) и биосорбентов на их основе (активированный хитин–глюкановый комплекс) исследовали на модельных средах, содержащих соли меди, никеля и цинка (хлориды и сульфаты). Концентрация дрожжей в модельных средах составила 5 г/дм3, а активированный хитин–глюкановый комплекс добавляли в количестве 1,5 г/дм3. Концентрация меди, никеля и цинка в модельной среде составила соответственно 40,0 мг/дм3, 100,0 мг/дм и 20,0 мг/дм3.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 


Похожие работы:







 
2013 www.деньсилы.рф - «МЕДИЦИНА-ЛЕЧЕНИЕ-ОЗДОРОВЛЕНИЕ»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.