Способ биологической очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов и штамм гриба penicillium chrysogenum bkmf - 3330д, используемый для получения биомассы, извлекающей радионуклиды и тяжелые металлы из жидкостей

 

Использование: в прикладной микробиологии и биологической очистке сточных вод от радионуклидов и тяжелых металлов. Сущность изобретения: способ очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов состоит в обработке жидкостей сорбентом в виде биомассы грибов. В качестве сорбента используют биомассу грибов вида Penicillium chrysogenum, преимущественно биомассу нового штамма. 2 с.п.ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к прикладной микробиологии и может быть использовано при биологической очистке от радионуклидов и тяжелых металлов сточных вод, жидких радиоактивных отходов или твердых материалов после приготовления из них растворов, содержащих радионуклиды и тяжелые металлы.

Известен способ очистки жидкостей от урана и тория, включающий использование в качестве сорбента биомассы гриба Rhizopus arrhizus [1].

Недостатком известного способа является то, что им не предусмотрена очистка растворов от других радионуклидов и от тяжелых металлов.

Известен штамм бактерий Pseudomonas aeruginosa, биомассу которого используют в качестве сорбента для очистки жидкостей от радионуклидов, таких как уран и торий [2].

Недостатком известного штамма является отсутствие сведений о возможности использования его биомассы для извлечения из жидкостей других радионуклидов (Pu, Cs, Sr), а также тяжелых металлов.

Цель изобретения - повышение эффективности за счет расширения спектра удаляемых из жидкостей радионуклидов и тяжелых металлов и снижение их остаточного содержания в обработанной жидкости.

Целью изобретения является также выделение штамма гриба, биомасса которого обеспечивает эффективную очистку жидкостей от широкого спектра радионуклидов и тяжелых металлов.

Цель достигается тем, что по способу очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов, включающему обработку жидкостей сорбентом в виде биомассы грибов, в качестве сорбента используют биомассу грибов вида Penicillium chrysogenum, преимущественно биомассу нового штамма гриба Penicillcum chrysogenum MH-21. Новый штамм Penicillium chrysogenum MН-21 был выделен из почвы, взятой из 30-километровой зоны Чернобыльской АЭС. Штамм характеризуется следующими признаками. На твердых средах колонии, состоящих из сравнительно тонкого базального войлочного строения мицелия, имеющего плотные конидиальные структуры, более или менее бархатистые, часто радиально бороздчатые, иногда сравнительно толстые, до 1 мм или более, с быстро растущим краем, 1-2 мм ширины, с вегетативным мицелием желтоватого до кремового, с конидиальной зоной желто-зеленой до голубовато-серовато-зеленых тонов, иногда от мутно-серовато-зеленых до тускло-зеленых, потом близкие к желтоватым оттенкам, после 2-3 нед на обратной стороне ярко-желтые или зеленовато-желтые, с окружающим агаром, окрашенным в такие же тона, но более светлые. Эскудат обычно обильный в каплях светло-лимонно-желтых тонов. Конидиеносцы отходят главным образом от субстрата, 3-3,5 μ в диаметре, гладкие бесцветные кисточки двухъярусные и несимметрические с мутовкой из 2-5 метуль на верхушке с одной или более веточками. Стеригмы по 4-6 в сжатых пучках. Конидии эллиптические, иногда почти шаровидные, гладкие, желто-зеленые в массе.

Физиолого-биохимические признаки: культура гидролизует крахмал, разжижает желатину, свертывает молоко.

В качестве единственного источника углерода используют глюкозу, фруктозу, сахарозу, ксилозу, галактозу, лактозу, мальтозу, декстрины, целлобиозу, глицерин, крахмал, маннит, ионизит, лецитин.

В качестве источника азота можно использовать нитраты, аммонийные соли, пептон, аминокислоты. Стимуляторов для роста не требует. Начальное значение рН среды может изменяться от 3 до 8, оптимум рН для роста 5 - 6.

Аэроб. Обнаруживает рост при 5^оС и выше. При 35-37^оС рост не наблюдается. Оптимум для роста 25-28^оС. Штамм не токсичен. Поддерживается на косяках со средой Чапека, сусло-агаром, картофельным агаром путем пересевов 1 раз в месяц или реже. Для получения биосорбента используется любая среда для культивирования мицельных грибов.

Видовая принадлежность штамма определена по Подопличко Н.М. Пенициллии (ключи для определения видов). Киев: Наукова думка, 1972; J.I.Pitt The genes Penicillium and its teleomorphic states Eupenicillium and Talaromyces, Acad. Press London, 1979; Penicillium and Acremonium, Ed. J.Peberdy, 1987, New-Jork.

П р и м е р 1. Исследованные штаммы Penicillium chrysogenum хранили на косяках агаризованного сусла при температуре + 4 ± 1^оС с пересевом на свежие косяки через 2-4 мес.

Наработку биомассы грибов, используемой в качестве сорбента для удаления радионуклидов и тяжелых металлов из жидкостей, осуществляли в несколько стадий.

Культуру, хранившуюся на косяках, пересевали на среду Чапека-Докса следующего состава, г/л: Глюкоза 30 NaNO₃ 1 K₂HPO₄ 1 KCl 0,5 MgSO₄^.7H₂O 0,5 FeSO₄ 0,01 Дрожжевой экстракт 0,1 Для приготовления среды к перечисленным компонентам добавляли водопроводную воду до 1 л. Перед стерилизацией 10%-ным раствором H₂SO₄ доводили рН среды до 5,5. Среду стерилизовали при 121^оС в течение 30 мин. Штамм инкубировали в колбах Эрленмейера на круговой качалке при 230 об/мин и температуре 28^оС в течение 48-60 ч. Для получения биомассы полученный инокуляционный материал вносили в ту же питательную среду в количестве 5-6 об.% и инкубировали в течение 48-60 ч в ферментационных аппаратах фирмы "Biotec" при условиях: рН среды 5,5; аэрация: два объема воздуха к одному объему среды при перемешивании со скоростью 300-500 об/мин при температуре 28^оС. После завершения цикла ферментации биомассу отделяли центрифугированием, промывали дистиллированной водой и использовали как сорбент для удаления радионуклидов и тяжелых металлов из растворов их солей.

П р и м е р 2. Культивирование гриба проводили как в примере 1. Провели сопоставление эффективности применения биомассы разных штаммов вида Penicillium chrysogenum для удаления радионуклидов, содержащихся в присутствии тяжелых металлов, из растворов их солей.

Сорбирующие свойства биомассы трех штаммов Penicillium chrys изучали на примере очистки специально приготовленных индивидуальных растворов ⁹⁰Sr, ¹³⁷Сs, ²³⁹Pu и растворов их смеси с добавлением к растворам ионов тяжелых металлов, например Fe, Ni, Cr и др. К суспензии биомассы добавляли известное количество радионуклидов и тяжелых металлов и затем подвергали встряхиванию на качалке с частотой около 250 раз в минуту в течение 2 ч. Затем биомассу отделяли центрифугированием.

Содержание радионуклидов и тяжелых металлов в очищаемых от них растворах определяли до и после обработки растворов сорбентом - биомассой изученных штаммов.

Для удобства сопоставления во всех вариантах опыта очистке от радионуклидов и тяжелых металлов подвергали модельные растворы хлоридов ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²³⁹Pu с удельной активностью каждого элемента около 10⁷ Бк/л. Результаты приведены в табл.1 и 2, в которых приняты следующие обозначения: С_кон - концентрация соответствующего радионуклида в растворе после проведения биосорбции, Бк/л; К - константа распределения радионуклида между водной фазой и биомассой, л/г.сух.вес. Величину константы распределения определяли из выражения K = , где А_нач и А_кон - полная активность данного радионуклида в водной фазе до и после биосорбции соответственно, Бк; W - масса сухого вещества в данном образце биосуспензии, г.

Для характеристики полноты извлечения радионуклидов из водной фазы рассчитывали их степень извлечения γ , %: Υ = · 100% .

Данные, представленные в табл.1 и 2, показывают, что биомасса всех испытанных штаммов вида Penicillium chrysogenum является эффективным сорбентом для удаления как индивидуальных радионуклидов, так и их смесей из их растворов, в том числе в присутствии солей тяжелых металлов, содержание которых после обработки жидкости биомассой исследованных штаммов Penicillium chrysogenum было менее 1 мг/мл.

Следует отметить, что сорбция происходила из ультраразбавленных растворов радионуклидов (равновесная концентрация для ⁹⁰Sr была порядка 10^-8 г/л и менее, для ¹³⁷Cs - 10^-6 г/л, для ²³⁹Pu 10^-4 г/л), что свидетельствует о чрезвычайно высоком химическом сродстве биохимических структур изученного вида микроорганизмов к ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и ²³⁹Pu. наиболее эффективным биосорбентом оказалась биомасса нового штамма МН-21.

П р и м е р 3. Выращивание гриба проводили как в примере 1. Провели сравнение эффективности применения биомассы гриба вида Penicillium chrysogenum для очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов и биомассы других изученных видов микроорганизмов. Результаты представлены в табл.3 и свидетельствуют о наиболее высокой эффективности грибов вида Penicillium chrysogenum.

П р и м е р 4. Выращивание гриба проводили как в примере 1. В качестве объекта очистки был использован водный раствор хлоридов ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и ²³⁹Pu с начальной концентрацией 9,96^.10⁵ Бк/л, 5,93^.10⁶ Бк/л и 4,21^.10⁴ Бк/л соответственно. Помимо указанных радионуклидов в очищаемой жидкости содержался FeCl₃. Таким образом, в системе кроме тяжелого металла плутония присутствовали ионы еще одного тяжелого металла - Fe³⁺ с концентрацией 7,5 мг/л. Очистку данной жидкости проводили биомассой нового штамма Penicillium chrysogenum МН-21. Методика очистки состояла в следующем.

Биомассу штамма суспензировали в очищаемой жидкости из расчета около 10см³ сырой биомассы на 100 мл жидкости. Полученную биосуспензию перемешивали на круговой качалке не менее 30 мин с частотой около 240-250 колебаний в минуту. По завершении перемешивания биомассу отделяли фильтрованием и отмывали. После отбора пробы на анализ очищенную жидкость по той же методике обработали биомассой нового штамма. Следует отметить, что уже после первого цикла очистки железо присутствовало в водной фазе только в следовых количествах (< 1 мг/л). Завершили очистку жидкости ее пропусканием через слой сырой биомассы нового штамма (толщина слоя 25-30 мм). Биомасса находилась в колонке, на дне которой уже был установлен бактериальный фильтр. Жидкость пропускали через колонку со скоростью около 1 мл/ч. Результаты приведены в табл. 4 и свидетельствуют об удалении из жидкости ≥97,5% содержащихся в ней радионуклидов.

Формула изобретения

1. Способ биологической очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов, включающий обработку жидкостей сорбентом в виде биомассы грибов, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют биомассу грибов Penicillium chrysogenum.

2. Штамм гриба Penicillium chrysogenum BKMF-3330Д, используемый для получения биомассы, извлекающей радионуклиды и тяжелые металлы из жидкостей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4