Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ 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.

Тяжелые металлы являются одними из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды ввиду их высокой токсичности и способности накапливаться в пищевой цепи. Одним из важных путей попадания тяжелых металлов в окружающую среду являются сбросы неочищенных или плохо очищенных промышленных стоков в природные воды. Попадая в окружающую среду промышленные стоки, оказывают мощное техногенное воздействие на водные и почвенные экосистемы, вызывая нарушения естественного развития биогеоценозов. В связи с этим на сегодняшний день важной задачей является разработка экологически чистых, дешевых и эффективных методов извлечения ионов металлов из промышленных стоков. Существующие традиционные методы имеют ряд недостатков, а именно: необходимость использования химических реагентов, производство больших объемов вторичных отходов, высокая стоимость и энергозатратность. Кроме этого, при низких концентрациях металлов в стоках эти методы показывают низкую эффективность.

Сотрудники Сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ накопили значительный опыт в проведении исследований в области экологической химии. Было проведено тестирование различных биологических и композитных сорбентов, а именно дрожжей, бактерий, цианобактерий, для очистки сточных вод от тяжелых металлов, в числе которых цинк, никель, хром, стронций и др.

Сотрудники СНААПИ ЛНФ ОИЯИ Инга Зиньковская, Никита Юшин, Дмитрий Гроздов и Константин Вергель

По результатам проведенных исследований одним из самых эффективных сорбентов были признаны 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, был проведен целый ряд экспериментов по извлечению ионов металлов как из модельных растворов, так и сточных вод гальванического производства. Чтобы оценить эффективность извлечения ионов металлов биосорбентами, ученые 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.

Так, в ходе работы с модельными цинксодержащими стоками, содержащими помимо цинка ионы никеля, меди, стронция и бария, было изучено влияние целого ряда параметров, таких как время сорбции, температура, начальная концентрация цинка и водородный показатель (pH) на эффективность очистки. Согласно полученным результатам за 15-45 минут, необходимых для эффективного удаления металлов, и при оптимальных значениях рН от 3,0-6,0 удалось 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.

Исследовательское оборудование проекта — шейкер орбитальный Unimax 1010

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).

Рис. 1 Схема эксперимента

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.

Рис. 2 Извлечение ионов цинка из промышленного стока при разных массах сорбента: (а) первая ступень очистки и (в) вторая ступень очистки

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