Эксперимент российских физиков со сточными водами, содержащими серебро, и обыкновенными хлебопекарными дрожжами Saccharomyces cerevisiae подтвердил удивительную способность дрожжей к адсорбции (поглощению) ионов металлов. Исследователи из Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) смогли добиться стопроцентного очищения образцов сточных вод от серебра. Ученые уверены, что этот вид дрожжей может стать перспективным биосорбентом, который не только безопасен, но и экономически выгоден.
Соединения серебра благодаря высокой электро- и теплопроводности, пластичности, коррозионной стойкости и антимикробным свойствам находят широкое применение в медицине, химической промышленности, гальванике, ювелирном производстве, фотографии и т.д. Однако при всей пользе бактерицидных свойств этого драгоценного металла он обладает высокой токсичностью для живых организмов. Поэтому исследования на тему очистки природной среды от серебра становятся все более актуальными.
Для извлечения его ионов из сточных вод ученые применяют такие методы, как химическое осаждение, адсорбция, ионный обмен, мембранное разделение, ультрафильтрация, обратный осмос и электролиз. Эти методы позволяют извлекать от 60 до 99% ионов серебра. При этом большинство из них, помимо высокой стоимости и энергоемкости, имеют и другие недостатки. В частности, высокие требования к реагентам и образование токсичных отходов, которые требуют специальной обработки и условий хранения, а некоторые методы отнимают много времени.
Биосорбция, то есть использование микроорганизмов для очистки сточных вод, считается одной из наиболее перспективных технологий благодаря низкой стоимости и доступности биосорбентов, возможности их повторного использования и т.д. Биосорбция основана на физико-химических взаимодействиях между ионом металла и функциональными группами, присутствующими на поверхности клетки.
Используя в качестве биосорбента Saccharomyces cerevisiae, ученые ОИЯИ в более ранних исследованиях уже доказали эффективность применения этого вида дрожжей для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Согласно полученным результатам, за 15-45 минут, необходимых для эффективного удаления металлов, и при оптимальных значениях рН от 3,0-6,0 удалось очистить модельные стоки на 45-100% в зависимости от того или иного металла.
Во время нового эксперимента ученые аналогичным образом изучили взаимодействие дрожжей и ионов серебра. Они смоделировали три различных системы сточных вод: одна из них содержала только соли серебра, вторая – серебра и меди, третья – серебра, меди, никеля и цинка. К каждому из растворов добавляли сухую биомассу дрожжей, а затем изучали влияние различных параметров: pH, времени контакта, температуры и концентрации серебра – на удаление металлов биомассой дрожжей. Чтобы оценить, насколько эффективно биосорбенты справляются с ионами металлов, ученые использовали нейтронный активационный анализ на импульсном реакторе ИБР-2 ЛНФ и чувствительный метод для качественного и количественного определения элементов. Атомно-абсорбционная спектрометрия помогла в определении накопления меди.
«Процесс удаления металлов был быстрым и рН-зависимым. Максимальное удаление ионов серебра и меди во всех системах достигалось при рН, равному трем, ионов никеля – шести, а ионов цинка – в диапазоне рН от трех до шести, – рассказала начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ Инга Зиньковская. – При времени адсорбции от пяти до сорока пяти минут сорбционная способность биомассы дрожжей резко возрастала. В то же время следует отметить, что наиболее заметное увеличение адсорбции ионов серебра произошло в первые пять минут взаимодействия сорбента с сорбатом. Эффективность удаления ионов серебра варьировалась от 97 до 100 процентов».
Она также отметила, что биомасса дрожжей сохраняла высокую сорбционную способность по отношению к ионам серебра даже при высоких концентрациях ионов металлов в растворе. Например, при концентрациях серебра в растворе около 100 мг/л микроорганизмы могли почти полностью удалять ионы серебра. Способность биомассы дрожжей удалять ионы серебра в зависимости от температуры раствора различалась в разных исследуемых системах, но один эффект всегда сохранялся: с повышением температуры росло содержание металлов в биомассе. Ученые связали это со снижением вязкости раствора и увеличением подвижности ионов металла в растворе.
Они определили, что дрожжи сохраняли высокую адсорбционную способность в течение трех циклов сорбции – десорбции. Авторы исследования сделали вывод, что это позволяет использовать ее для многократного извлечения ионов металлов. Это свойство, а также высокая биосорбционная способность этого вида дрожжей и безопасность для природной среды позволят производить экологически чистый и дешевый биосорбент, который прост в обращении и может применяться для очистки больших объемов сточных вод.
«Перспективно это и с той точки зрения, что с помощью дрожжей можно наладить добычу серебра из сточных вод. Это особенно актуально в связи с тем, что мировые запасы драгоценных металлов, в т.ч. и серебра, иссякают, рудники беднеют, а традиционные методы извлечения ионов металлов имеют свои недостатки. Выходом из этой ситуации может стать более широкое применение микробных технологий извлечения драгоценных металлов. Их можно использовать и для серебра, и для золота, и для платины, и даже для редкоземельных элементов», – заключила Инга Зиньковская.
Результаты исследования опубликованы в журнале Bioengineering.
