Вы здесь

Біотехнології очищення промислових стічних вод на основі термодинамічного прогно-зування взаємодії мікроорганізмів з металами та радіонуклідами

Автор: 
Таширев Олександр Борисович
Тип работы: 
Дис. докт. наук
Год: 
2005
Артикул:
0505U000161
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РОЗДІЛ 2
ВЗАЄМОДІЯ МІКРООРГАНІЗМІВ З МЕТАЛАМИ ПЕРІОДИЧНОЇ СИСТЕМИ ЕЛЕМЕНТІВ Д.І.
МЕНДЕЛЄЄВА
2.1. Взаємодія мікроорганізмів з металами І групи елементів
До першої групи елементів входять метали з головної підгрупи елементів (Li, Na,
K, Rb, Cs, та Fr) та побічної (Cu, Ag та Au). Лужні метали у більшості випадків
не становлять загрозу для довкілля та мають важливе значення для біохімічних
процесів у живих організмах (K+–Na+ “насос” у клітинах, активація ферментів, та
ін.). Проте радіоактивні ізотопи водню та лужних металів, такі як 3H (трітій),
22Na, 40K, 83Rb, 134,137Cs навіть у дуже малих концентраціях є вкрай небезпечні
для живих організмів.
Метали побічної підгрупи першої групи елементів Cu, Ag та Au відносяться до
токсичних важких металів. Іонні форми цих металів у малих концентраціях вкрай
токсичні як для мікроорганізмів, так і вищих організмів. Так, Ag+ у
концентрації близько 0,1 мг/л діє як дезінфектант, а Cu2+ у концентрації 5–10
мг/л пригнічує розвиток мікроорганізмів грунтів та очисних споруд. Золото у
вигляді Au+ та Au3+ внаслідок високого ОВП “примусово” окислює не тільки
ферментні та структурні компоненти мікробних клітин, але навіть органічні
розчинні речовини.
2.1.1. Взаємодія мікроорганізмів з металами головної підгрупи І групи елементів
(Li+, Rb+, Cs+).
Взаємодія мікроорганізмів з Li+. Внаслідок дуже низького ОВП (Е0ў= –3045 мВ)
Li+ не здатний до відновлення будь–якими ферментними системами мікроорганізмів
[97]. Дані літератури про можливість акумуляції Li+ дуже суперечливі. На думку
одних авторів, Li+ є такий метал, що не акумулюється клітинними структурами
мікроорганізмів. Так, клітинні стінки Bacillus subtilis, Saccharomyces
cerevisiae та інших мікроорганізмів взагалі не здатні до акумуляції Li+ [161,
162, 182, 338, 339 ]. Проте є повідомлення про здатність мікроорганізмів
накопичувати Li+. Так, до акумуляції Li+ здатні Saccharomyces cerevisiae [395],
психрофільні бактерії [314] та Pseudomonas aeruginosa [478]. Накладення
концентраційного градіенту лейцину, ізолейцину або валіну, спрямованого
всередину, викликає ко-транспорт іонів Na+ або Li+ у клітини P. aeruginosa, що
містять систему транспорту розгалужених амінокислот (LIV–II–систему) [479]. Li+
здатний впливати на активність ферментів мікроорганізмів. Так, при дослідженні
впливу одновалентних катіонів на каталітичні та спектральні характеристики
тирозинфенолліази із Citrobacter intermedius було показано, що Li+ активує
реакцію трансамінування L–аланіну [215]. При вивченні впливу Li+ на обмін K+ та
Na+ у клітинах Bacillus firmus було показано, що вихід Na+ визначається
системою Na+/Н+ антипорту, активність якої проявляється при лужній реакції
середовища та пригнічується іонами Li+ [437]. Дріжджі Saccharomyces cerevisiae
мають систему активного виведення катіону Li+ із клітин. Цей процес вважається
захисною реакцію клітин на присутність токсичного катіону Li+ у середовищі
[414].
З огляду на викладене, можна дійти висновку, що незважаючи на суперечливість
даних, літій є такий елемент, що впливає на метаболізм мікроорганізмів та може
акумулюватися ними.
Взаємодія мікроорганізмів з Rb+ та Cs+. Катіони Rb+ та Cs+ також, як і Li+ не
відновлюються мікроорганізмами, тому що мають дуже низький потенціал
відновлення (–2925 та –2920 мВ відповідно). Мікроорганізми акумулюють Rb+ та
Cs+, тому що вони є стереохімічні аналоги К+ і внаслідок цього мають спільну
систему активного транспорту металів в клітину. Показано наявність спільної
системи транспорту К+ та Rb+ для Blastocladiella emersonii [303], Anabaena
variabilis [407], Saccharomyces cerevisiae [415], а для Eschericha coli
притаманна спільна система транспорту всередину клітин не тільки К+ та Rb+, але
й Cs+ [176]. Можливо, що саме завдяки згаданої стереохімічної аналогії [95]
мікроорганізми синтрофних асоціацій (наприклад, зброджений осад метантенків,
ЗОМ) здатні до ефективної акумуляції радіоактивних ізотопів 83Rb+ та 137Cs+. За
нашими даними мікроорганізми ЗОМ знижують активність 137Cs+ у рідких
радіоактивних відходах (РРВ) на 4 порядки (з 1,36 х 10–5 до 3,36 х 10–9 Ku/
кг), а активність 83Rb+ – на 6 порядків (з 6,22 х 10–7 до n х 10–13 Kі/ кг)
[103]. При дослідженні грунтів у зоні Чорнобильської АЕС виділено численні
штами мікроміцетів, які здатні до активної сорбції 137Cs+ [502]. Лужні метали
не здатні утворювати нерозчинні сполуки з мікробними екзометаболітами типу
сульфідів, карбонатів або нерозчинних комплексів метал–білок. Тому можна
припустити, що неспецифічний транспорт в мікробні клітини Rb+ та Cs+ внаслідок
їх стереохімічної аналогії з К+ є головним механізмом мікробної акумуляції
згаданих лужних металів. Нарешті, можна додати, що катіони лужних металів, на
відміну від важких металів, нетоксичні для мікроорганізмів. Наприклад, Cs+
практично не впливає на врожай біомаси Pseudomonas fluorescens, у той час, як
Co2+ та Ni2+ істотно пригнічують ріст культури [135].
2.1.2. Взаємодія мікроорганізмів з металами побічної підгрупи І групи елементів
(сполуки Cu, Ag та Au).
Cu, Ag та Au в окисленому стані є хімічно активні елементи. Вони мають високі
позитивні значення ОВП [402]:
Cu2+ + e = Cu+ E01 = +153 мВ ( 1 )
Cu+ + e = Cu0 E01 = +520 мВ ( 2 )
Cu2+ + 2e = Cu0 E01 = + 337 мВ ( 3 )
Ag+ + e = Ag0 E01 = + 799 мВ ( 4 )
H3AuO3 + 3H+ + 3e = Au0 + 3H2O E01 = + 1151 мВ ( 5 )
Вірогідно, саме завдяки високим значенням стандартних окисно–відновних
потенціалів ця трійка металів у іонній формі дуже токсична для мікроорганізмів.
Крім того, позитивні зн