Ученые из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне выяснили, что обычные пивоваренные дрожжи способны выступать эффективным сорбентом для очищения сточных вод от опасных загрязнений тяжелыми металлами. Исследование показало, что такой способ очистки также экономически выгоден и экологически безопасен.
Читать на сайте ОИЯИ: http://www.jinr.ru/posts/pivovarennye-drozhzhi-protiv-tyazhelyh-metallov/
Тяжелые металлы - одни из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Они обладают высокой токсичностью и способны накапливаться в пищевой цепи. Одним из важных путей их попадания в окружающую среду выступают сбросы неочищенных или плохо очищенных промышленных стоков в природные воды. Попадая туда, металлы оказывают мощное техногенное воздействие на водные и почвенные экосистемы, вызывая нарушения естественного развития биогеоценозов. Именно поэтому так важно найти экологически чистые, дешевые и эффективные методы извлечения ионов металлов из промышленных стоков.
Существующие традиционные методы имеют ряд недостатков. Они вынуждают использовать химические реагенты, ведут к производству больших объемов вторичных отходов, они дороги и энергозатратны. А если концентрации металлов в стоках низкие, то эти методы показывают низкую эффективность.
Сотрудники Лаборатории нейтронной физики (ЛНФ) ОИЯИ накопили значительный опыт в проведении исследований в области экологической химии. Они протестировали различные биологические и композитные сорбенты, а именно дрожжи, бактерии, цианобактерии, для очистки сточных вод от тяжелых металлов, в числе которых цинк, никель, хром, стронций и др.
Так ученые выяснили, что один из самых эффективных сорбентов - 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, а также отличаются безопасностью для человека и высокой накопительной способностью по отношению к ионам металлов. Используя дрожжи, сотрудники ЛНФ ОИЯИ провели целый ряд экспериментов по извлечению ионов металлов как из модельных растворов, так и сточных вод гальванического производства. Чтобы оценить эффективность извлечения ионов металлов биосорбентами, они использовали нейтронно-активационный анализ на импульсном реакторе ИБР-2 ЛНФ, чувствительный метод для качественного и количественного определения элементов. Атомно-абсорбционная спектрометрия была использована для определения накопления меди.
Специалисты использовали модельные цинксодержащие стоки, в которых помимо цинка содержатся ионы никеля, меди, стронция и бария, и изучили влияние целого ряда параметров, таких как время сорбции, температура, начальная концентрация цинка и водородный показатель (pH) на эффективность очистки. За 15-45 минут эксперимента, необходимых для эффективного удаления металлов, и при оптимальных значениях рН от 3,0-6,0 ученые смогли очистить модельные стоки на 45-100 процентов, в зависимости от металла. С увеличением концентрации ионов цинка биосорбент активнее сорбировал цинк из раствора, что не влияло на извлечение ионов других металлов.
Исследование влияния времени на скорость извлечения ионов металлов позволяет рассчитать кинетику процесса сорбции, то есть закономерности и скорости протекания процессов, позволяющие выяснить природу биосорбции – химическую или физическую. Основными механизмами удаления металлов из исследуемых растворов оказались поверхностная адсорбция, хемосорбция и ионный обмен.
Кроме того, ученые оценили, как pH и масса сорбента влияют на очистку гальванического цинксодержащего стока (рис. 1).
Так, при концентрации биосорбента 10 грамм на литр, меняя рН, удалось 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 (рис.2). Дополнительные шаги для удаления ионов цинка обусловлены повышенным содержанием этого металла по сравнению с остальными загрязнителями.
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, в первую очередь, определяют значения водородного показателя и дозировка сорбента.
Результаты исследования опубликованы в статье: 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