Способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae



Способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью дрожжей saccharomyces cerevisiae

 


Владельцы патента RU 2509734:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калужский Государственный Университет им. К.Э. Циолковского" (RU)

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при биологической очистке сточных вод гальванических цехов от солей тяжелых металлов. Способ предусматривает внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию дрожжей различных штаммов Saccharomyces cerevisiae с жизнеспособностью 90-95% в заданном количестве. Перемешивание биомассы дрожжей со сточной водой с получением суспензии. Выдерживание полученной суспензии в течение 8 часов при температуре от 10°С до 29°С и рН раствора 5,5-8,0 с дальнейшей утилизацией отработанных дрожжей, содержащих тяжелые металлы, путем обработки их известью Са(ОН)2, при соотношении биомасса дрожжей:известь, равном 1:5-8 с получением смеси. Полученную смесь подвергают влажной обработке при температуре 90°С в течение одного часа, с последующей изоляцией полученной смеси, содержащей тяжелые металлы, в бетонном тесте. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. 3 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к очистке промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов и может быть использовано при биологической очистке сточных вод гальванических цехов машиностроительных предприятий, металлургических предприятий и предприятий с термическим производством от солей тяжелых металлов.

Способ заключается в использовании биомассы живых пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae в концентрации 10 г/дм3 для сорбции тяжелых металлов. Удаление тяжелых металлов из сточных вод является одной из основных экологических проблем. В последние годы она была решена с использованием микроорганизмов в качестве средства для извлечения ионов тяжелых металлов. В этой связи изучали кинетику роста и сорбции Cu2+ на четырех культурах: Aspergillus niger, Phanerochaete chrysosporium, Saccharomycopsis lypolytica и Saccharomyces cerevisae. Лучше сорбционные свойства наблюдались у дрожжей S.cerevisiae и грибов Ph.chrysosporium. Было детально изучено влияние концентрации Cu2+ на сорбционные способности и рост этих штаммов. Было установлено, что прирост биомассы уменьшается с увеличением концентрации Cu2+. Ионы меди с концентрацией 50 мг/л оказывают слабое ингибирующее действие, а при концентрациях более 250 мг/л период адаптации клеток был больше, а их рост замедлялся.

Процесс сорбции Cu2+ у этих двух исследуемых штаммов оказался быстрым. До 75% Cu2+ было поглощено в течение первых 6 часов.

Были рассчитаны адсорбционные возможности двух сорбентов. Большей сорбционной емкостью обладает S.cerevisiae (3,5 мг/г), чем Ph.chrysosporium (2,5 мг/г).

Известен «Способ биологической очистки жидкостей от радионуклидов и тяжелых металлов и штамм гриба RHIZOPUS ARRHIIIRUS BKMF-592, используемый для получения биомассы, извлекающей радионуклиды и тяжелые металлы из жидкостей», включающий обработку жидкостей сорбентом в виде биомассы грибов вида Phizopus arrhirus, относящихся к штамму гриба RHIZOPUS ARRHIIIRUS BKMF-592.

Патент РФ на изобретение №2024080, МПК: C02F 3/34, д. публ. 1994.11.30. Известен «Способ биосорбционной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов», предусматривающий подготовку питательной среды, культивирование микроорганизмов, внесение микроорганизмов в сточную воду, перемешивание, седиментацию, при этом питательная среда содержит крахмал, соевую муку, измельченное перо, сульфат цинка, сульфат железа, карбонат кальция, гидроортофосфат калия и воду при следующем соотношении компонентов, масс.%:

крахмал 5,0 соевую муку 0,5
измельченное перо 1,0 сульфат цинка 0,02
сульфат железа 0,01 карбонат кальция 0,4
гидроортофосфат калия 0,08 вода остальное

Патент РФ на изобретение №2312073, МПК: C02F 3/34, д. публ. 2007.12.10.

Недостатком этих способов является использование мутантных штаммов, которые требуют сложной технологии выращивания на дорогих питательных средах, сложной предварительной подготовки самой биомассы, корректировки сточных вод в процессе сорбции. Необходимая эффективность очистки воды достигалась лишь при низких концентрациях тяжелых металлов, не характерных для сточных вод гальванических цехов. Кроме того, перечисленные способы основаны не на сорбции тяжелых металлов, а на флокуляции.

Наиболее близким аналогом к способу в предложенном в качестве изобретения техническом решении является «Способ биосорбции тяжелых металлов из водных растворов», включающий подготовку питательной среды, культивирование микроорганизмов, внесение в питательную среду микроорганизмов воды с образованием водного раствора. При этом в качестве сорбента используют штаммы Aspergillus niger, Phanerochaete chrysosporium, Saccharomycopsis lypolytica и Saccharomyces cerevisae. Существенным недостатком этого способа является то, что сорбция тяжелых металлов осуществлялась не из сточной воды, а из питательной среды, содержащей большое количество углеводов (от 20 г/л) и других питательных веществ. В такой среде микробные клетки находятся в стадии экспоненциального (ускоренного) роста, что снижает их сорбционную способность и определяет невысокую эффективность извлечения ионов тяжелых металлов. [Mihova St., Godjevargova T. Biosorption of heavy metals from aqueous solutions, 2000, 4]

Техническим результатом способа является повышение эффективности очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов путем использования биомассы живых остаточных дрожжей отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию микроорганизмов в виде различных штаммов Saccharomyces cerevisiae, с жизнеспособностью 90-95. Кроме того способ позволяет добиться интенсификации процесса очистки и повысить его рентабельность.

Технический результат достигается тем, что «СПОСОБ БИОСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ПОМОЩЬЮ ДРОЖЖЕЙ «Saccharomyces cerevisiae» предусматривает внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств. Отходы пивоваренных производств содержат ассоциацию дрожжей различных штаммов Saccharomyces cerevisiae с жизнеспособностью 90-95%, в количестве 10 г/дм3 сточной воды. Затем осуществляют перемешивание биомассы дрожжей со сточной водой с получением суспензии. Выдерживают полученную суспензию в течение 8 часов при температуре от 10°С до 29°С и pH раствора 5,5-8,0. Последовательно осуществляют дальнейшую утилизацию отработанных дрожжей, содержащих тяжелые металлы, путем обработки их известью Са(ОН)2, при соотношении биомасса дрожжей: известь, равном 1:5-8. с получением смеси. При этом утилизируемую смесь подвергают влажной обработке при температуре 90°С в течение одного часа, с последующим изоляцией полученной смеси, содержащей тяжелые металлы, в бетонной смеси.

Данный продукт после обработки известью может быть использован как белковый пластификатор для бетонных смесей, применяемых в строительстве.

Примеры конкретного выполнения способа.

В качестве биосорбента использовали три штамма пивоваренной дрожжевой культуры (Saccharomyces cerevisiae).

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC1;

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC2;

Дрожжи пивоваренные Saccharomyces cerevisiae штамм SC3;

Сухие дрожжи (продукт сушки SC1, SC2, SC3 штаммов).

Хитин-глюкановый комплекс, полученный из дрожжей (продукт переработки SC1, SC2, SC3).

Выбор этих культур дрожжей в качестве биосорбентов обоснован их физическими и биохимическими особенностями, влияющих на биосорбционнные возможности (Каравайко Г.И. 1989, 1996; Кульский Л.А. 1986). Основным достоинством выбранных культур дрожжей является то, что они используют широкий спектр механизмов детоксикации тяжелых металлов: образование специализированных белков (металлотионеин-подобные белки), низкомолекулярных пептидов (глутатион), фитохелатинов, образование внутриклеточных соединений, клеточная оболочка (имеющая в своем составе пептидогликан и хитин-глюкановый комплекс) (Han RP., 2000; Omar N.B., 1996; Simmons P., 1995; Karamushka I., 1996; Coblenz A., 1994; Ferreira A.M., 1993). В процессе детоксикации происходит связывание тяжелых металлов посредством биосорбции и биоаккумуляции с последующим образованием малотоксичных соединений.

Данный процесс сорбции тяжелых металлов обладает динамичностью за счет образования различных веществ, участвующих в метаболизме детоксикации. К числу таких веществ относятся глутатион, металлотионеины, фитохелатины и ряд промежуточных соединений. Эти вещества выступают как звенья одной цепи, приводящей к связыванию тяжелых металлов внутри клеток. Кроме того, ассоциативные отношения внутри биомассы дрожжей позволяют им выживать (выживаемость не менее 70%) при высоких концентрациях тяжелых металлов: цинка до 1600 мг/дм3, меди - до 300 мг/дм3, никеля - до 3600 мг/дм3. При этом дрожжи можно использовать без дополнительного выращивания на питательных средах для очистки сточных вод от тяжелых металлов. Выбранные культуры дрожжей легко культивируются.

Выбранные для исследований тяжелые металлы (цинк, никель и медь) являются основными загрязнителями в сточных водах гальванических цехов. Для оценки выживаемости дрожжевой культуры использовали количественный микроскопический метод дифференцированного окрашивания водным раствором метиленового синего в камере Горяева.

Значение эффективности сорбции биосорбентов на основе дрожжей рассчитывали по формуле: E ( % ) = 100 C k C n 100

где Е - значение эффективности;

Ck (мг/дм3) - конечная концентрация металла в среде по окончании эксперимента;

Cn (мг/дм3) - начальная концентрация металла в растворе до эксперимента.

Для оценки содержания тяжелых металлов в модельных растворах и сточных водах использовали метод атомно-абсорбционной спектроскопии.

Математико-статистическую обработку экспериментальных данных проводили методом малых выборок по Стьюденту. Вычисление значений среднего арифметического (x), среднего квадратичного отклонения (σ), коэффициента корреляции (r) рассчитывали по формуле:

r x y = i = 1 n [ ( x i x ¯ ) ( y i y ¯ ) ] n S ¯ x 2 S ¯ y 2

где r - коэффициент корреляции;

x и y - средние выборочные значения сравниваемых величин;

xi и yi - частные выборочные значения сравниваемых величин;

n - общее число величин в сравниваемых рядах показателей;

S x 2 и S y 2 - дисперсии, отклонения сравниваемых величин от средних величин.

Каждый эксперимент проводился в 10-15-ти кратной повторности.

Математические расчеты и построение графиков осуществляли на персональном компьютере с помощью лицензионных программных пакетов MS Excel 2003 и Minitab 14.0.

Эффективность очистки воды от тяжелых металлов заявленным способом поясняется примерами, сведенными в таблицы.

Пример 1.

Наименование металлов Количество, мг/дм3 Содержание биомассы дрожжей, г/дм3 Эффективность очистки сорбции, %
Цинк 20,0 10,0 98,1
Никель 100,0 10,0 75,5
Медь 40,0 10,0 75,0

Пример 2.

Наименование металлов Количество, мг/дм3 Содержание биомассы дрожжей, г/дм3 Эффективность сорбции, %
pH 5,5 pH 8,0
Цинк 20,0 10,0 98,3 86,8
Никель 100,0 10,0 84,9 75,5
Медь 40,0 10,0 78,3 80,0

Пример 3.

Наименование металлов Количество, мг/дм3 Содержание биомассы дрожжей, г/дм3 Эффективность сорбции, %
10°С 20°С 29°С
Цинк 20,0 10,0 97,7 96,1 96,2
Никель 100,0 10,0 71,7 75,5 77,4
Медь 40,0 10,0 70,0 73,3 76,7

Наибольшие значения эффективности сорбции (от 88,7% до 99,6%) тяжелых металлов из сточных вод наблюдаются в течение 24 часов при pH от 5 до 8 и содержании биомассы ассоциации дрожжевых культур Saccharomyces cerevisiae 10 г/дм3.

Применение данного изобретения позволит повысить эффективность очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, кроме того, добиться интенсификации процесса очистки и повысить его рентабельность.

Способ биосорбционной очистки воды от ионов тяжелых металлов с помощью дрожжей Saccharomyces cerevisiae, предусматривающий внесение в сточную воду биомассы дрожжей в виде отходов пивоваренных производств, содержащих ассоциацию дрожжей различных штаммов Saccharomyces cerevisia с жизнеспособностью 90-95% в количестве 10 г/дм3 сточной воды, перемешивание биомассы дрожжей со сточной водой с получением суспензии, выдерживание полученной суспензии в течение 8 ч при температуре от 10°С до 29°С и рН раствора 5,5-8,0 с дальнейшей утилизацией отработанных дрожжей, содержащей тяжелые металлы, путем обработки их известью Са(ОН)2, при соотношении биомасса дрожжей:известь, равном 1:5-8, с получением смеси, при этом утилизируемую смесь подвергают влажной обработке при температуре 90°С в течение одного часа с последующей изоляцией полученной смеси, содержащей тяжелые металлы, в бетонной смеси.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к биотехнологии и представляет собой способ диагностики чувствительности М. tuberculosis (МБТ) к инъекционным противотуберкулезным препаратам резервного ряда.

Изобретение относится к биотехнологии. Предложена ассоциация штаммов бактерий-нефтедеструкторов, выделенных из нефтезагрязненной почвы, Acinetobacter species В-1037, Pseudomonas species В-989, Bacillus species B-1040, депонированных в ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор».
Изобретение относится к области биотехнологии. Штамм Bacillus subtilis subsp.subtilis BKM B-2711D обладает выраженным антагонизмом по отношению к Escherichia coli, Salmonella typhi, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, резистентностью к антибиотикам стрептомицину и тетрациклину.
Изобретение относится к области биотехнологии. Штамм Bacillus amyloliquefaciens ВКМ B-2714D обладает выраженным антагонизмом по отношению к Salmonella typhi, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, резистентностью к антибиотикам тетрациклину и триметоприму.

Изобретение относится к медицинской микробиологии и микробиологической промышленности и может быть использовано для обнаружения колиформных бактерий и Е.coli в образцах пищевых продуктов и воды при проведении бактериологических исследований.
Изобретение относится к санитарной и клинической микробиологии и может быть использовано для обнаружения и учета Е.coli и колиформных бактерий в воде, пищевых продуктах, клиническом материале и т.д.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен штамм микроводоросли Chlorella vulgaris IPPAS C-616 для получения липидов в качестве сырья для производства моторного топлива.

Настоящее изобретение относится к генетически модифицированной бактерии Salmonella enterica, которые содержат, по меньшей мере, один оперон pgl из Campylobacter jejuni или его функциональное производное и относится к презентации, по меньшей мере, одного N-гликана из Campylobacter jejuni или производного этого N-гликана на их клеточной поверхности.

Изобретение относится к области биотехнологии и касается мутантного штамма Glarea lozoyensis и его применения. Мутантный штамм получен путем воздействия на штамм Glarea lozoyensis АТСС 20957 нитрозогуанидином и депонирован в CGMCC под №CGMCC 2933.

Изобретение относится к фотобиотехнологии и микробиологии. Инокулят миуроводоросли Desmodesmus sp.штамм 2С166Е вносят в минеральную среду BG-11 до конечной концентрации хлорофилла в смеси 4-6 мкг/мл.

Настоящее изобретение относится к области молекулярной биологии. Предложен способ выявления в гене BRCA1 мутаций сдвига рамки считывания и нонсенс-мутаций, заключающийся в создании рекомбинантных плазмид, в которых амплифицированный фрагмент гена находится в единой трансляционной рамке с геном щелочной фосфатазы Е.соli (phoA).
Способ обнаружения микроскопических грибов рода Coccidioides posadasii 36 S и Coccidioides immitis C-5 in vitro включает предварительное выращивание культуры в мицелиальной фазе, приготовление взвеси, соответствующей 5ЕД стандартного образца мутности, обеспечение возможности формирования сферул и обнаружение сферул, заполненных эндоспорами.
Изобретение относится к области микробиологии и биотехнологии и касается способа определения адгезивных свойств бактерий рода Enterococcus. Представленный способ включает подготовку бактериальной суспензии, отделение полученной биомассы бактерий центрифугированием, разведение полученной биомассы в физиологическом растворе, подготовку монослоя клеток СаСо-2, внесение бактериальной культуры, культивирование клеток, промывку физраствором, снятие монослоя с бактериальными клетками и подсчитывание количества связанных с 1000 клетками СаСо-2 бактериальных клеток, при этом бактерии относят к высокоадгезивным, если количество связавшихся клеток составляет от 1010 до 3000, к среднеадгезивным - от 210 до 1000, к низкоадгезивным - от 0 до 200.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для очистки загрязненных нефтью почв. Препарат, содержащий биодеструктор нефтяного загрязнения, представляет собой фугат культуральной жидкости микробной массы консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов, иммобилизованных на торфоносителе.

Изобретение относится к области биотехнологии и касается химерного белка, нуклеиновой кислоты, кодирующей такой белок, кассеты экспрессии и эукариотической клетки-хозяина.

Готовят 1% стерильный раствор глюкозы на физиологическом растворе, который используют в качестве питательной среды. Подсоединяют к аспиратору марки «Бриз-1» поглотитель Зайцева, в колбе которого помещают 10 мл подготовленного 1%-ного раствора глюкозы.
Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано в медицинской, химической и микробиологической промышленности. Способ защиты дрожжей Saccharomyces cerevisiae от окислительного стресса в результате воздействия перекиси водорода включает выращивание культуры дрожжей в стандартных условиях до конца логарифмической или начала стационарной фазы роста, инкубацию с защитным агентом, воздействие пероксидом водорода с последующим определением числа выживших клеток.

Изобретение относится к технической микробиологии и биокоррозионным испытаниям, а именно к способам определения подверженности алюминиево-магниевых сплавов, применяемых в авиа-космической технике, к воздействиям технофильных штаммов микроорганизмов, выделенных в реальных эксплуатационных условиях с элементов конструкций Российского сегмента (PC) Международной космической станции (МКС) и депонированных во Всероссийскую коллекцию микроорганизмов (ВКМ).

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для очистки загрязненных нефтью почв. Препарат, содержащий биодеструктор нефтяного загрязнения, представляет собой фугат культуральной жидкости микробной массы консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов, иммобилизованных на торфоносителе.
Наверх