Изучение  биосорбции токсичных элементов в МГУ: выявление сорбционного потенциала новой биогенной матрицы

Изучение  биосорбции токсичных элементов в МГУ: выявление сорбционного потенциала новой биогенной матрицы

Опубликовано в категориях: Научные публикции Просмотров: 32

УДК 550.47:550.72

А.В. Кирюшин , С.А.Остроумов 2,

1Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, факультет почвоведения, Москва 119991, Россия, e-mail:  akiriushin[at]mail.ru

 2 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, биологический факультет, Москва 119991, Россия, e-mailar55[at]yandex.ru

АННОТАЦИЯ. Для разработки ряда междисциплинарных вопросов на стыке биологии и химии имеет определенное значение поиск новых фактов о химико-биотических взаимодействиях, в том числе с участием веществ, имеющих экотоксикологическое значение [1-24]. К таким веществам относятся, в том числе, тяжелые металлы. Представляет теоретический и практический интерес изучение сорбции и биосорбции тяжелых металлов [6-16, 19-22]. В качестве сорбирующих материалов исследовались многие вещества и природные материалы. Однако, представляет интерес расширение диапазона сорбирующих материалов, в том числе биогенных материалов. В данной работе был исследован новый биогенный (фитогенный) материал. В этой публикации сообщаются результаты экспериментальной проверки того, существует ли возможность связывания (сорбции, биосорбции) никеля с ранее не изученным фитогенным материалом (LCF2021). В этой работе выявлена сорбция никеля. В условиях опыта в результате сорбции из воды было удалено более 20% растворенного в ней никеля.

Ключевые слова: никель, тяжелые металлы, сорбция, биосорбция, фитогенная мортмасса, LCF2021.

  1. Введение, постановка задачи.

Для разработки междисциплинарных вопросов на стыке биологии и химии имеет определенное значение поиск новых фактов о химико-биотических взаимодействиях, в том числе с участием веществ, имеющих экотоксикологическое значение [1-33]. К таким веществам относятся, в том числе, органические и неорганические вещества, среди второй группы веществ существенное место занимают тяжелые металлы [1, 2, 6-16, 25-33].

Ранее, в предыдущих работах сообщалось об изучении двух релевантных аспектов химико-биотических взаимодействий с участием различных экотоксикантов, а именно: (1) изучение токсичных эффектов при воздействии экотоксикантов на организмы и (2) выявление и изучение сорбции экотоксикантов на биомассе и биогенных материалах  [1-23, 25-33].

Из сказанного следует, что немалый теоретический и практический интерес представляет собой изучение сорбции тяжелых металлов на различных биогенных материалах [6-16, 19-22, 25-33].

Во многих лабораториях изучали биосорбцию некоторых химических элементов [1, 2, 6-14, 19-22, 24, 25-33], в том числе тяжелых металлов. Дополнительное получение новой информации о взаимодействиях металлов с организмами и биогенными материалами имеет значение для развития инновационной экологической биотехнологии.

Одно из практически важных направлений приложения научных знаний о сорбции металлов теми или иными биогенными материалами связано с тем, что при сорбции металлов из водной среды происходит снижение концентрации растворенного в воде металла, то есть происходит удаление части металла из водной среды, что означает ту или иную степень очищения воды от химического загрязнения. Представляет интерес расширение диапазона сорбирующих материалов, в том числе биогенных материалов. В данной работе был исследован новый биогенный (фитогенный) материал.

Цель данной работы – продолжить эти исследования и получить новые данные о возможности удаления Ni из водной среды в результате его сорбции фитогенным материалом (фитогенной мортмассой, ранее не изученным материалом LCF2021).

2. Методы.

В продолжение работы по изучению сорбции и биосорбции, уже длительное время  проводимой в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова на двух факультетах, мы сформулировали и проверили гипотезу о том, что возможна убыль изучаемого металла (Ni) из водной среды после инкубации в водном растворе нового потенциального биосорбента. В данном исследовании с этой целью мы измеряли содержание Ni в водной среде после инкубации с фитогенным материалом LCF2021.

В данном исследовании использовали методологию атомно-абсорбционной спектрометрии (пламенный вариант), измерения выполнены на приборе ContrAA 800 F  (Analytik Jena, ФРГ). Это атомно-абсорбционный спектрометр с источником излучения сплошного спектра. В качестве газовой смеси служила смесь – ацетилен-воздух.

Эксперименты проводили в трех повторностях. Водная среда, содержащая Ni, была подкислена. Для приготовления раствора, который подвергали инкубации в присутствии фитогенной мортмассы LCF2021, использовали бидистиллированную воду с высокой степенью чистоты.

Дополнительные детали методики изложены в публикации об изучении возможности сорбции тяжелых металлов на другом биогенном материале - в публикации, представленной на научной конференции «Проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» (Тула, 28-30 сентября 2022).

3. Результаты

Наши экспериментальные результаты – данные измерений концентраций Ni в водной среде – представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Концентрация Ni в водной среде до и после инкубации с фитогенной мортмассой  LCF2021.

Образцы водной среды, в которых измеряли растворенный Ni

Концентрация ионов никеля в водной среде, мг/л

 
 

После инкубации, Опыт (с фитогенной мортмассой), № 1

1,47

 

После инкубации, Опыт (с фитогенной мортмассой), № 2

1,44

 

После инкубации, Опыт (фитогенной мортмассой), № 3

1,32

 

Средняя концентрация Ni после инкубации с фитогенной мортмассой (среднее значение по вариантам № 1-3)

1,41

 

Стандартное отклонение, по вариантам № 1-3

0,08

 

После инкубации, Контроль (без фитогенной мортмассы), № 4

2,00

 

После инкубации, Контроль (без фитогенной мортмассы), № 5

2,00

 

Средняя концентрация Ni после инкубации в контрольных вариантах (среднее значение по вариантам № 4-5)

2,00

 

До инкубации, начальная концентрация Ni

1,99

 

Из Таблицы 1 видно, что после инкубации раствора, содержащего Ni, с фитогенной мортмассой концентрация Ni в водной среде снизилась в среднем с 2,00 мг/л до 1,41 мг/л, то есть составила 70,5 % от исходной концентрации. Таким образом, содержание Ni в водной среде в результате воздействия фитогенного материала уменьшилось на 0,58 мг/л, то есть на 29,5%. Этот эффект (снижение концентрации Ni в водной среде) почти на порядок превышал стандартное отклонение среднего 0,08 мг/л.

4. Обсуждение.

Итак, экспериментальные результаты авторов показали, что концентрация Ni в водной среде после инкубации с биоматериалом во всех экспериментальных сосудах заметно снижается. Среднее снижение концентрации существенно (более чем на порядок) больше, чем стандартное отклонение, т.е. результаты опытов свидетельствуют о заметном эффекте, вызванном присутствием биоматериала.

Как уже отмечено выше, результаты измерений показывают, что за время инкубации в контрольных сосудах концентрация Ni не снижалась. Это важно, поскольку дает информацию о том, что сорбции Ni на стенках  инкубационных сосудов практически не было. Это подчеркивает объективность нашей трактовки полученных результатов произведенных измерений.

Результаты проведенных опытов дополняют информацию о сорбции и биосорбции Ni и других тяжелых металлов, имеющуюся в международной  научной литературе [19-22, 25-33]. Новые полученные результаты целесообразно анализировать с учетом ранее высказанных соображений об экологической и экотоксикологической функциональной роли  иммобилизации токсичных химических веществ на биогенных матрицах – таких, как фитогенная  мортмасса и другие биогенные материалы, отнесенные в публикациях [4, 5, 24] к веществу типа E.L.M. (ex-living matter) [4-6, 24].

В научных исследованиях многих лабораторий и соответствующей международной научной литературе обсуждаются вопросы молекулярных механизмов биосорбции и поглощения металлов водными организмами; большое разнообразие этих механизмов включает в себя взаимодействие металлов с различными компонентами клеток, включая их биомембраны [22, 23].  В том числе, установлены экотоксикологически значимые последствия взаимодействий тяжелых металлов с плазматическими мембранами (на примере мембранной АТФазы плазматической мембраны Cucumis sativus) [23]. 

Необходимы дальнейшие исследования, которые дадут дополнительные знания  по эти важные вопросам.

5. Заключение.

В новых экспериментах, выполненных в Московском университете, установлен и охарактеризован факт частичной сорбции Ni ранее не изученным фитогенным материалом. Этот факт установлен для конкретного фитогенного материала (LCF2021) впервые.

Выявление сорбции Ni в результате наших опытов  согласуется с ранее высказанными положениями о возможной экотоксикологической и биогеохимической роли биогенных материалов, которые были отнесены к типу вещества, названного  E.L.M. (ex-living matter) [4-6, 24].

Как известно в результате работ лабораторий в нескольких странах, Ni обладает токсичностью и генотоксичностью, нарушает структуру ДНК. Никель-органические соединения проявляют токсичность и мембранотропные свойства. Существенное практическое значение имеет поиск фактов, полезных для разработки экологической биотехнологии очищения компонентов окружающей среды (в том числе воды) от этого токсичного и опасного элемента.

6. Выводы

1. В новых экспериментах, выполненных в Московском университете, установлен и охарактеризован факт частичной сорбции Ni ранее не изученным фитогенным материалом LCF2021. Этот факт установлен для конкретного фитогенного материала впервые.

2. Выявление сорбции Ni в результате наших опытов  согласуется с ранее высказанными положениями о возможной экотоксикологической и биогеохимической роли биогенных материалов того типа, к которым относится использованный в опытах фитогенный материал LCF2021.

7. Благодарность. Авторы благодарят сотрудников МГУ и  институтов РАН за обсуждение и полезные комментарии.

  1. Литература
  2. Nathan R.J., Jain A.K., Rosengren R.J. Biosorption of heavy metals from water: mechanism, critical evaluation and translatability of methodology // Environmental Technology Reviews, 2022. 11(1). P. 91-117.
  3. Лубкова Т.Н., Пухов В.В., Шестакова Т.В., Тропин И.В., Котелевцев С.В., Остроумов С.А. Изучение взаимодействия токсичных металлов с биомассой одноклеточных водорослей методом ICP-MS // Токсикологический вестник, 2015. № 6 (135). P. 41-45.
  4. Остроумов С.А. Ингибиторный анализ регуляторных взаимодействий в трофических сетях // Доклады Академии наук, 2000. 375 (6). P. 847-849. https://www.academia.edu/47757535/ ; https://www.academia.edu/45953417/ .
  5. Остроумов С.А. Новая типология вещества и роль ex-living matter (ELM) в биосфере [New typology of matter and the role of ex-living matter (ELM) in the biosphere] // Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2010. Vol. P. 65-69.
  6. Остроумов С.А. О типологии основных видов вещества в биосфере // Экологическая химия, 2011. Том 20(3). P. 179-188. https://www.academia.edu/44001142/ ;
  7. Остроумов С.А. Обезвреживание токсичных элементов в биосфере и совершенствование экологического мониторинга // Экология промышленного производства, 2012. № 1. P. 26-33. https://www.academia.edu/58499042/ ;
  8. Остроумов С.А., Демина Л.Л. Роль биогенного детрита водных систем в аккумуляции металлов и металлоидов на примере восьми тяжелых металлов и мышьяка // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление, 2010. № 1. P. 60-69. https://www.academia.edu/790438/ ;
  9. Остроумов С.А., Дёмина Л.Л. Тяжелые металлы (Fe, Mn, Zn, Cu, Cd, Cr) в биогенном детрите микрокосмов с водными организмами // Экология промышленного производства, 2010. № 2. P. 53-56.
  10. Остроумов С.А., Джонсон М.Е., Тайсон Д.Ф., Шин Б. Иммобилизация некоторых химических элементов в системе с мортмассой водных макрофитов Myriophyllum aquaticum // Об изучении некоторых вопросов экологии, 2017. P. 35-43.
  11. Остроумов С.А., Колесов Г.М. Водный макрофит Ceratophyllum demersum иммобилизует Au после добавления в воду наночастиц // Доклады Академии наук, 2010. Vol. 431, №. 4. P. 566-569. https://www.academia.edu/790437/ ;
  12. Остроумов С.А., Колесов Г.М. Использование нейтронно-активационного анализа для детектирования редких и рассеянных элементов в некоторых компонентах водных экосистем (на примере Au) // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление, 2010. № 4. P. 86-93. https://www.academia.edu/86181013/ ;
  13. Остроумов С.А., Колесов Г.М. О роли биогенного детрита в аккумуляции элементов в водных системах // Сибирский экологический журнал, 2010. № 4. P.525-531. https://www.academia.edu/790441/ ;
  14. Остроумов С.А., Шестакова Т.В., Тропин И.В. Биосорбция меди биомассой экстремофильных водорослей // Экологическая химия, 2015. Том 24(3). P. 148-152. https://www.academia.edu/44050070/ ;
  15. Пухов В.В., Лубкова Т.Н., Шестакова Т.В., Тропин И.В., Котелевцев С.В., Остроумов С.А. К разработке биотехнологии очищения воды c использованием ацидофильных водорослей: результаты анализа методом ICP-MS // Экология промышленного производства, 2015. № 3. P. 28-32. https://istina.msu.ru/publications/article/22384116/
  16. Тропин И.В., Остроумов С.А. Аккумуляция двух металлов в биомассе водных макрофитов // Вода Magazine, 2018. № 4. P. 24-25.
  17. Тропин И.В., Остроумов С.А. Накопление свинца и других токсичных металлов водными растениями // Токсикологический вестник, № 3 (150). P. 38-41.
  18. Тропин И.В., Остроумов С.А. Проблемы биологического мониторинга водных экосистем с использованием пресноводных растений. Биохимические аспекты накопления тяжелых металлов // Природные и антропогенные экосистемы: проблемы и решения, 2017. Москва: Библио-Глобус. P. 112-135.
  19. Ostroumov S.A. An aquatic ecosystem: a large-scale diversified bioreactor with a water self-purification function // Doklady Biological Sciences, 2000. Vol. 374. P. 514-516. https://www.academia.edu/68650464/ ; https://www.academia.edu/40842046/ .
  20. Syeda H.I., Sultan I., Razavi K.S., Yap P.S. Biosorption of heavy metals from aqueous solution by various chemically modified agricultural wastes: a review // Journal of Water Process Engineering, 2022. 46. P. 102446.
  21. Li C., Yu Y., Fang A., Feng D., Du M., Tang A., Chen S., Li A. Insight into biosorption of heavy metals by extracellular polymer substances and the improvement of the efficacy: A review // Letters in Applied Microbiology, 2021. P. 1-10.
  22. Priya A.K., Gnanasekaran L., Dutta K., Rajendran S., Balakrishnan D., Soto-Moscoso M. Biosorption of heavy metals by microorganisms: Evaluation of different underlying mechanisms // Chemosphere, 2022 . P. 135957.
  23. Игнатенко А.В. Анализ биологической очистки сточных вод и детоксикации активного ила очистных сооружений // Химическая безопасность, 2022. № 6(1). P. 21-46.
  24. Janicka-Russak, M., Kabala, K., Burzynski, M. and Klobus, G., 2008. Response of plasma membrane H+-ATPase to heavy metal stress in Cucumis sativus roots. Journal of Experimental Botany, 59(13), pp.3721-3728.
  25. Остроумов С. А. Живое вещество и роль детрита в биогенной миграции микроэлементов // Инновационные аспекты биогеохимии. — ГЕОХИ РАН, Москва, 2012. — С. 103–133.
  26. Тюпа, Д.В., 2014. Биосорбция тяжелых металлов и биоформирование наночастиц серебра устойчивыми к металлам микроорганизмами (Ph.D. dissertation, Моск. гос. ун-т имени М.В. Ломоносова).
  27. Бахирева, О.И., Соколова, М.М., Маньковская, О.Ю., and Пан, Л.С., 2021. Получение биосорбента на основе вермикулита для доочистки сточных вод от ионов никеля. // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Химическая технология и биотехнология, (4), pp.5-15.
  28. Edulamudi, P., Antony Masilamani, A.J., Vanga, U.R., Divi, V.R.S.G. and Konada, V.M., 2021. Nickel tolerance and biosorption potential of rhizobia associated with horse gram [Macrotyloma uniflorum (Lam.) ]. //International Journal of Phytoremediation, 23(11), pp.1184-1190.
  29. Deniz, F. and Tezel Ersanli, E., 2021. A renewable biosorbent material for green decontamination of heavy metal pollution from aquatic medium: a case study on manganese removal. //International Journal of Phytoremediation, 23(3), pp.231-237.
  30. Haque, M.M., Mosharaf, M.K., Haque, M.A., Tanvir, M.Z.H. and Alam, M.K., 2021. Biofilm formation, production of matrix compounds and biosorption of copper, nickel and lead by different bacterial strains. //Frontiers in Microbiology, 12, p.615113.
  31. Musah, B.I., Xu, Y., Liang, C. and Peng, L., 2022. Biosorption of chromium (VI), iron (II), copper (II), and nickel (II) ions onto alkaline modified Chlorella vulgaris and Spirulina platensis in binary systems. //Environmental Science and Pollution Research, pp.1-23.
  32. Sinyeue, C., Garioud, T., Lemestre, M., Meyer, M., Brégier, F., Chaleix, V., Sol, V. and Lebouvier, N., 2022. Biosorption of nickel ions Ni2+ by natural and modified Pinus caribaea Morelet sawdust. //Heliyon, 8(2), p.e08842.
  33. Gratia, Z.K., Nandhakumar, R., Mahanty, B., Murugan, S., Muthusamy, P. and Vinayak, K.S., 2021. Biosorption of Nickel from Metal Finishing Effluent Using Lichen Parmotrema tinctorum Biomass. //Water, Air, & Soil Pollution, 232(11), pp.1-15.
  34. Nezhadnaderi, M. and Gooran Orimi, H., 2021. A Review on the Application of Biosorption in Removal of Nickel from Aqueous Solutions. //Environment and Water Engineering, 7(4), pp.723-745.

Study of Biosorption of Toxic Elements at Moscow State University: Identification of the Sorption Potential of a New Biogenic Matrix

A.V. Kiryushin 1 , S.A. Ostroumov 2,

1 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Soil Science, Moscow 119991, Russia, e-mail: akiriushin[at]mail.ru ;

2 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology, Moscow 119991, Russia, e-mail: ar55[at]yandex.ru ;

The sorption of heavy metals, including nickel (Ni), to biogenic materials is of interest from various points of view, including the study of issues of biotechnology and biochemical ecology. In this study, the possibility of sorption (biosorption) of nickel (Ni) to phytogenic mortmass (LCF2021) was tested. Our experimental results demonstrated that after a period of incubation of water solutions containing nickel (Ni) and this phytogenic mortmass (LCF2021),  a certain percentage of nickel (Ni) was removed from water as a result of the sorption on this biogenic matrix. This opens new opportunities to develop biotechnology for water purification.

Keywords: nickel, heavy metal, sorption, biosorption, biogenic material, phytogenic mortmass, water purification.

__

РЕЦЕНЗИЯ  на статью

Изучение  биосорбции токсичных элементов в МГУ: выявление сорбционного потенциала новой биогенной матрицы

 (авторы статьи к.б.н. А.В. Кирюшин, д.б.н..С.А.Остроумов, МГУ)

Рецензируемая статья сотрудников МГУ имени М.В.Ломоносова посвящена важному и актуальному вопросу. В статье  выявлена биосорбция токсичного химического элемента (тяжелого металла никеля) и количественные характеристики  его биосорбции. Авторы обнаружили  это явление для нового биоматериала. Авторы провели успешные опыты по анализу возможности биосорбции никеля на новом, ранее не изученном фитогенном материале (фитогенной мортмассе). Авторами установлен факт биосорбции никеля из водного раствора.

Новые результаты имеют большое научное и практическое значение.  Дополнительную ценность этой статье придает полезная библиография, которая содержит большое количество свежих научных публикаций (2021-2022 гг.).

Накопление новых фактов о наличии биосорбции и количественные характеристики этого явления  - все это важно и ценно для разработки научных основ экологической биотехнологии. Биотехнология, которая использует те или иные виды биосорбентов, может служить полезным инструментом для улучшения качества воды, для очищения загрязненных вод, для сохранения и устойчивого использования водных ресурсов. Рецензируемая статья содержит важную и новую научную информацию и безусловно заслуживает того, чтобы она была рекомендована для публикации.

Доктор биологических наук, профессор В.В. Ермаков,

Заслуженный деятель науки Российской Федерации

Российская академия наук

Яндекс.Метрика