Выявление и количественная характеристика биосорбции тяжелого металла (Pb) на биосорбенте SG2022

Выявление и количественная характеристика биосорбции тяжелого металла (Pb) на биосорбенте SG2022

Опубликовано в категориях: Научные публикции Просмотров: 46

УДК 579.66

С.А.Остроумов1, А.В. Кирюшин2

1 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, биологический факультет, Москва 119991, Россия, e-mail: ar55[at]yandex.ru

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

АННОТАЦИЯ: Исследование сорбции токсичных веществ, в том числе тяжелых металлов, с организмами и биогенными материалами, представляет значительный интерес с различных точек зрения, в том числе с точки зрения поиска ответов на актуальные вопросы биохимической экологии и биогеохимии, миграции химических элементов (тяжелых металлов) в биосфере, для разработки инновационных технологий и биотехнологий очищения окружающей среды от химического загрязнения. В данной работе была проверена гипотеза о том, возможно ли связывание (сорбция, биосорбция) свинца с биогенным (фитогенным) материалом (SG22). Проведенные нами опыты обнаружили, что сорбция свинца этим биоматериалом происходит. В условиях наших экспериментов в результате сорбции из водной среды было удалено 30,9% растворенного в ней свинца.

ABSTRACT: The interaction of heavy metals, including lead, with organisms and biogenic materials is of considerable interest from various points of view, including the study of topical issues of biochemical ecology and biogeochemistry. In this work, the possibility of binding (sorption, biosorption) of lead with biogenic material (SG22) of plant origin was tested. Our experimental results demonstrated that 30.9% of lead was bound and removed from water.

Ключевые слова: биотехнология, химическое загрязнение, тяжелые металлы, свинец, сорбция, биосорбция, биогенный материал, фитогенный материал, очищение воды, сохранение окружающей среды

Keywords: heavy metals, lead, sorption, biosorption, biogenic material, water purification.

1.ВВЕДЕНИЕ.

Ранее, в предыдущих работах сообщалось об изучении химико-биотических взаимодействий с участием различных химических поллютантов, экотоксикантов  [1-18].

Среди многих важных вопросов исследовали сорбцию, биосорбцию и иммобилизацию некоторых химических элементов, в том числе тяжелых металлов  [1, 2, 6-14, 19-27].

Токсичность экотоксикантов проявляется в результате многих типов взаимодействий этих химических веществ с организмами, в том числе в результате взаимодействия с белками, нуклеиновыми кислотами и биомембранами [28] . Исследование биосорбции химических загрязнителей среды, получение новой экспериментальной информации о различных аспектах взаимодействий экотоксикантов с организмами и биогенными материалами имеет существенное значение для экологической и медицинской токсикологии. Получение новых данных в этой области необходимо для поддержания стабильности биосферы и сохранения окружающей среды, для  расширения научный базы в целях развития инновационной экологической биотехнологии.

Цель данного исследования – продолжить эксперименты по анализу биосорбции экотоксикантов, получить новые данные о возможности сорбции токсичных металлов (на примере Pb) биогенными (в том числе фитогенными) образцами.

2.МЕТОДЫ.

В опытах мы использовали водные растворы металлов и новые виды биоматериалов,  возможность которых служить в качестве биосорбентов не была ранее исследована. В экспериментах мы проверяли гипотезу: возможна ли  убыль изучаемого металла из водной среды после инкубации в этой водной среде растворе биогенного материала. Для этого измеряли содержание металла в водной среде после инкубации. В данном сообщении мы излагаем некоторые результаты экспериментов, в которых исследовали возможность взаимодействия свинца с изучаемым биоматериалом.

 Используемый метод инструментального анализа: в наших опытах определение концентраций металлов в растворах проводилось методом атомно-абсорбционной спектрометрии в пламенном варианте на приборе ContrAA 800 F производства Analytik Jena, Германия. Этот прибор является атомно-абсорбционным спектрометром с источником излучения сплошного спектра. Используемая в работе газовая смесь – ацетилен-воздух. Эталонные растворы готовились стандартным методом на бидистиллированной воде с добавлением азотной кислоты.

Руководящего документ по методике анализа: ПНД Ф 14.1:2:4.139-98 «Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовых концентраций кобальта, никеля, меди, цинка, хрома, марганца, железа, серебра, кадмия и свинца в пробах питьевых, природных и сточных вод методом атомно-абсорбционной спектрометрии».

Для градуировки прибора использовали государственные стандартные образцы (ГСО) состава водных растворов металлов с относительной погрешностью аттестованных значений массовых концентраций не более 1 % при Р=0,95.

Опыты проводили в трех повторностях.

Изученный биогенный материал SG22 является разновидностью мортмассы растительного происхождения.

Результаты подвергали статистической обработке.

Дополнительные методические вопросы освещены в других статьях [1, 2, 14, 15].

3.РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты проведенных опытов со свинцом таковы. Перед началом инкубации средняя концентрация свинца в водной среде составляла 2,2 мг/л (стандартное отклонение 0,02 мг/л). После проведения инкубации этой водной среды, содержащей свинец, в присутствии биоматериала средняя концентрация свинца составила 1,52 мг/л (стандартное отклонение 0,05 мг/л). После инкубации содержание свинца в водной среде составило 69,1% от исходного. Таким образом, снижение содержания свинца составило 30,9%.

При этом в контроле (инкубация в таких же сосудах, в тех же условиях, но без биоматериала) средняя концентрация свинца после инкубации составила 2,09 мг/л (стандартное отклонение 0,01 мг/л). Таким образом, существенного изменения концентрации за время инкубации в контроле не произошло.

Проведение аналогичных измерений концентраций кадмия показали, что в использованных экспериментальных условиях существенного снижения концентрации кадмия не происходит, т.е. кадмий не сорбируется.

Наши опыты показали также, что некоторые другие тяжелые металлы также не сорбировались после инкубации водной среды с ними в присутствии данного биоматериала.

Авторы готовят в печать отдельную публикацию с более подробным описанием этой экспериментальной работы.

4.ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Экспериментальные результаты авторов показали, что концентрация свинца 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 реальном эффекте, вызванном присутствием биоматериала.

Как уже отмечено выше, результаты измерений показывают, что за время инкубации в контрольных сосудах концентрация свинца почти не изменяется. Это свидетельствует о том, что существенной сорбции свинца на стенках инкубационных сосудов не происходит, что усиливает надежность нашей интерпретации результатов измерений.

Проверяли также, может ли изученный биоматериал сорбировать  из воды другой химический элемент, кадмий. Наши результаты свидетельствуют, что изученный биоматериал не сорбировал этот элемент, как и некоторые другие тяжелые металлы. Это указывает на то, что имеется четко выраженная специфичность во взаимодействии тяжелых металлов и изученного биоматериала. Подчеркнем, что специфичность действительно ярко выражена, по принципу «да-нет». Такая ярко проявляемая специфичность заставляет задуматься о многих экологически важных аспектах взаимодействия химических элементов и биогенных материалов различного происхождения.

Новые результаты проведенных экспериментов  дополняют данные  о сорбции и биосорбции свинца и других тяжелых металлов, которые имеются в международной научной литературе [19-27]. Отметим, что новые результаты согласуются с ранее высказанным тезисом о существовании и важности иммобилизации токсичных химических элементов на биогенных материалах, в том числе на мортмассе и других материалах, которые были отнесены в работах [4-6] к категории E.L.M. (ex-living-matter).

Дополнительное исследование биогенных материалов и образцов этой категории вещества представляется полезным и интересным для более полного осмысления взаимодействий между разными типами вещества в биосфере, что имеет значение для продолжения анализа проблем, сформулированных В.И.Вернадским [29-34].

5.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Авторами проведены опыты по проверке гипотезы о том, что новый биогенный материал может связывать растворенный в воде свинец. В экспериментах данная гипотеза подтвердилась и  получен положительный ответ на этот вопрос.

6.ВЫВОДЫ.

1.Авторами  установлен факт частичной сорбции этого токсичного металла, свинца, изученным биогенным материалом.  Насколько известно авторам, этот факт установлен для конкретного биогенного материала впервые.

2.В наших экспериментах также показано, что в условиях проведенных опытов не было сорбции другого химического элемента, кадмия. Этот факт тоже обнаружен впервые.

3.Наши данные и факты выявления сорбции свинца этим биогенным материалом, согласуются с ранее высказанным тезисом о новых аспектах возможной экотоксикологической и биогеохимической роли биогенных материалов, которые были отнесены в работах [4-6]  к категории E.L.M. (ex-living-matter).

4.Новые результаты могут использоваться в такой сфере, как  разработка научных основ для развития инновационной экологической биотехнологии, в том числе для решения задач очищения воды и улучшения ее качества.

7.ЛИТЕРАТУРА.  

  1. 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.
  2. Лубкова Т.Н., Пухов В.В., Шестакова Т.В., Тропин И.В., Котелевцев С.В., Остроумов С.А. Изучение взаимодействия некоторых химических элементов с водорослями: проверка способности к биосорбции // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии, 2015. № 24(4). P. 25-31.
  3. Остроумов С.А. Ингибиторный анализ регуляторных взаимодействий в трофических сетях // Доклады Академии наук, Vol. 375 (6). P. 847-849. https://www.academia.edu/47757535/ ; https://www.academia.edu/45953417/ .
  4. 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.
  5. Остроумов С.А. О типологии основных видов вещества в биосфере // Экологическая химия, 2011. Том 20(3). P. 179-188.
  6. Остроумов С.А. Обезвреживание токсичных элементов в биосфере и совершенствование экологического мониторинга // Экология промышленного производства,   № 1. P. 26-33.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. Остроумов С.А., Колесов Г.М. О роли биогенного детрита в аккумуляции элементов в водных системах // Сибирский экологический журнал, 2010. № 4. P.525-531.
  13. Остроумов С.А., Шестакова Т.В., Тропин И.В. Биосорбция меди биомассой экстремофильных водорослей // Экологическая химия, 2015.Том 24(3). P. 148-152.
  14. 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.
  15. Тропин И.В., Остроумов С.А. Аккумуляция двух металлов в биомассе водных макрофитов // Вода Magazine, 2018. № 4. P. 24-25.
  16. Тропин И.В., Остроумов С.А. Накопление свинца и других токсичных металлов водными растениями // Токсикологический вестник, № 3 (150). P. 38-41.
  17. 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.
  18. 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/ .
  19. 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.
  20. Li, C., Yu, Y., Fang, A., Feng, D., Du, M., Tang, A., Chen, S. and Li, A., 2022. Insight into biosorption of heavy metals by extracellular polymer substances and the improvement of the efficacy: A review. Letters in Applied Microbiology.
  21. Priya AK, 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.
  22. Nathan RJ, Jain AK, Rosengren RJ. Biosorption of heavy metals from water: mechanism, critical evaluation and translatability of methodology. Environmental Technology Reviews. 2022;11(1):91-117.
  23. Gómez-Aguilar DL, Rodríguez-Miranda JP, Salcedo-Parra OJ. Fruit Peels as a Sustainable Waste for the Biosorption of Heavy Metals in Wastewater: A Review. Molecules. 2022.27(7):2124.
  24. Ghosh T, Paul A, Chatterjee S. Biosorption of heavy metal by bacteria for sustainable crop production. Materials Today: Proceedings. 2022 Jan 1;51:465-9.
  25. Cazón, J.P. and Donati, E.R., 2022. Biosorption of Heavy Metals by Seaweed Biomass. In Sustainable Global Resources Of Seaweeds Volume 1 (pp. 549-566). Springer, Cham.
  26. Jacob Samuel Sehar, A.E., More, V.S., Gudibanda Ramesh, A. and More, S.S., 2022. Biosorption of Heavy Metals and Metal‐Complexed Dyes Under the Influence of Various Physicochemical Parameters. Biotechnology for Zero Waste: Emerging Waste Management Techniques, pp.189-205.
  27. Fertu, D.I., Bulgariu, L. and Gavrilescu, M., 2022. Modeling and Optimization of Heavy Metals Biosorption by Low-Cost Sorbents Using Response Surface Methodology. Processes, 10(3), p.523.
  28. А.В. Яблоков, С.А. Остроумов; Уровни охраны живой природы. М.: Наука, 175 с. https://www.academia.edu/78400554/ ;
  29. Добровольский, Г.В., 2007. К 80-летию выхода в свет книги ВИ Вернадского “Биосфера”. Развитие некоторых важных разделов учения о биосфере. Экологическая химия, 16(3), pp.135-143.
  30. Dobrovol’skii, G.V., 2007. On Development of Some Concepts of the Biosphere Teaching. Water: Technology and Ecology, (1), p.63.
  31. Vernadsky, V.I., 2006. Essays on Geochemistry & the Biosphere, tr. Olga Barash.
  32. Vernadskiĭ, V.I., 1924. La géochimie.
  33. Ермаков, В.В., Карпова, Е.А., Корж, В.Д. and Остроумов, С.А., 2012. Инновационные аспекты биогеохимии.
  34. Вернадский, В.И., 1965. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения.

Affiliation of the authors:

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

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

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

РЕЦЕНЗИЯ.

Рецензируемая статья посвящена важному и актуальному вопросу. В статье  выявлена биосорбция токсичного химического элемента (тяжелого металла Pb) и количественные характеристики  его биосорбции. Авторы обнаружили  специфичность  этого явления для конкретных  компонентов  - химических элементов и нового биоматериала. Авторы провели новые опыты по анализу возможности биосорбции свинца и других химических элементов на новом биогенном материале. Авторами установлен факт биосорбции свинца из водного раствора. Новые результаты имеют большое научное и практическое значение. 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.

Яндекс.Метрика