Сотрудники Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ использовали пивоваренные дрожжи для очистки сточных вод от тяжелых металлов. На примере реального стока гальванического производства, содержащего цинк и другие металлы, а также модельных растворов сточных вод разного состава они исследовали оптимальные условия их использования и механизмы поглощения тяжелых металлов биосорбентом. 

Загрязнение воды тяжелыми металлами

Очистить воду от загрязнений человек пытался еще в древности. Если тысячи лет назад для этого он использовал водоемы-отстойники, песок, древесный уголь и растения, то теперь в ход идут разнообразные физико-химические методы и биотехнологические процессы. Сегодня уровень загрязнения водной среды в значительной степени влияет на жизнь людей и развитие мировой экономики. В мире продолжает усиливаться дефицит пресной воды, тогда как потребление воды для производства и бытовых нужд за последнее столетие выросло почти на порядок. Один и источников загрязнения водоемов - сброс неочищенных или недостаточно очищенных промышленных сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов (меди, цинка, никеля, стронция и других), который влияет на водородный показатель (pH), цветность, прозрачность и другие свойства воды, загрязняет окружающую среду, вредит живым организмам и представляет угрозу для человека, так как может приводить к различным заболеваниям.

Ионы одного из таких металлов, например, цинка, содержатся в высокой концентрации в отходах гальванических и металлообрабатывающих цехов, горнодобывающей и нефтехимической промышленности. В воде они накапливаются в осадках в виде гидроксидов, карбонатов, сульфидов или фосфатов. С другой стороны, это жизненно важный микроэлемент, который входит в состав нескольких сотен ферментов, участвующих в обменных процессах в человеческого организме. Попадание в организм избыточного количества цинка приводит к тяжелым отравлениям, а сложность его удаления связана с тем, что тяжелые металлы образуют прочные связи с белками и другими компонентами клеточных структур.

Поэтому такую важность приобретает задача очистки сточных вод от тяжелых металлов. Разнообразные физико-химические методы (флокуляция, осаждение, ионный обмен, мембранное разделение и экстракция растворителем), которые обычно при этом используют, не всегда достаточно эффективны, экологически безопасны или экономически оправданы в отличие от новаторских биотехнологических способов очистки. При биосорбции, к примеру, используют неживые микроорганизмы, как водоросли и бактерии, грибы и дрожжи, которые эффективно аккумулируют металлы из стоков.

 

Дрожжи и кинетика биосорбции

Ученые ЛНФ несколько лет проводят исследования в области экологической химии, изучая различные композитные сорбенты и биосорбенты для очистки сточных вод от тяжелых металлов и используя для этого новейшее оборудование лаборатории. В этот раз они выбрали недорогой, безопасный и эффективный биосорбент – дрожжевые клетки Saccharomyces cerevisiae (пивоваренные дрожжи). Эти микроорганизмы используют в производстве многочисленных продуктов питания и напитков, поэтому они доступны в больших количествах и по низкой цене как отходы процессов ферментации.

Чтобы оценить эффективность поглощения цинка, никеля, стронция и бария в модельных стоках, ученые использовали нейтронно-активационный анализ на импульсном реакторе ИБР-2 ЛНФ, чувствительный метод для качественного и количественного анализа элементов. Атомно-абсорбционная спектрометрия понадобилась для определения концентрации меди, а масс-спектрометрия высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой – для определения концентрации металлов в реальных сточных водах до и после сорбционных экспериментов. 

Исследование кинетики при очистке стоков, то есть закономерностей и скорости протекания процессов, позволяет выяснить природу биосорбции – химическую или физическую. Основными механизмами удаления металлов из раствора оказались поверхностная адсорбция, хемосорбция и ионный обмен. Кроме того, ученые оценили, как на биосорбцию в модельных стоках влияют следующие показатели: время контакта с биосорбентом, начальная концентрация цинка, температура и водородный показатель (pH). За 15-45 минут, необходимых для эффективного удаления металлов, и при оптимальных значениях рН от 3,0-6,0 удается очистить модельные стоки на 45-100 процентов, в зависимости от металла. С увеличением концентрации ионов цинка биосорбент активнее выводит цинк из раствора, что не влияет на поглощение ионов других металлов.

 

Очистка стоков гальванического производства в Дубне

«Мы изучили, как на процесс удаления тяжелых металлов из электро-технического промышленного стока влияют значения рН и количество сорбента. При концентрации биосорбента 10 грамм на литр, меняя рН, можно снизить содержание ионов меди, бария, стронция и никеля ниже предельно допустимого уровня. Эффективно очистить воду от ионов цинка удалось в два этапа в течение часа при рН 6,0: сначала добавляя биосорбент в дозировке 20 грамм на литр, затем 10 грамм на литр к стоку, прошедшему первый этап очистки. Дополнительные шаги для удаления ионов цинка обусловлены повышенным содержанием этого металла по сравнению с остальными загрязнителями», - объяснила руководитель исследования Инга Зиньковская, сотрудник ЛНФ.   

Таким образом, ученые показали, что дрожжевые клетки Saccharomyces cerevisiae оказались отличным кандидатом для очистки сложных промышленных стоков от ионов цинка и других металлов, а эффективность извлечения определяют значения водородного показателя и дозировка сорбента.

Как отмечено в исследовании*, биологические сорбенты, которые не подлежат регенерации после нескольких циклов очистки промышленных стоков, можно использовать в качестве добавок для материалов дорожного строительства.

 

* Inga Zinicovscaia, Nikita Yushin, Daler Abdusamadzoda, Dmitrii Grozdov and Margarita Shvetsova. Efficient Removal of Metals from Synthetic and Real Galvanic Zinc–Containing Effluents by Brewer’s Yeast Saccharomyces cerevisiae. Materials 2020, 13(16), 3624; https://doi.org/10.3390/ma13163624