Проведя эксперимент со сточными водами, содержащими серебро, и обыкновенными хлебопекарными дрожжами Saccharomyces cerevisiae, группа ученых сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ подтвердила удивительную способность дрожжей к адсорбции ионов металлов. Исследователи смогли добиться стопроцентного очищения образцов сточных вод от серебра. Этот вид дрожжей, считают исследователи, может стать перспективным биосорбентом, который не только безопасен, но и экономически выгоден.

Соединения серебра благодаря высокой электро- и теплопроводности, пластичности, коррозионной стойкости и, особенно, антимикробным свойствам находят широкое применение в медицине, химической промышленности, гальванике, ювелирном производстве, фотографии и т.д. Однако при всей пользе бактерицидных свойств этого драгоценного металла он обладает высокой токсичностью для живых организмов. Поэтому исследования на тему очистки природной среды, в т.ч. сточных вод, от серебра, становятся все более актуальными.

В настоящее время для извлечения ионов серебра из сточных вод применяются такие методы, как химическое осаждение, адсорбция, ионный обмен, мембранное разделение, ультрафильтрация, обратный осмос и электролиз. Эти методы позволяют извлекать от 60 до 99% ионов серебра из сточных вод. При этом большинство из них, помимо высокой стоимости и энергоемкости, имеют ряд других недостатков, например, высокие требования к реагентам и образование токсичных отходов, которые требуют специальной обработки и условий хранения, а некоторые методы отнимают много времени.

Биосорбция, то есть использование микроорганизмов для очистки сточных вод, считается одной из наиболее перспективных технологий благодаря низкой стоимости и доступности биосорбентов, возможности их повторного использования, высокой сорбционной емкости и даже возможности селективного удаления ионов металлов. Биосорбция основана на физико-химических взаимодействиях между ионом металла и функциональными группами, присутствующими на поверхности клетки.

Используя в качестве биосорбента Saccharomyces cerevisiae, ученые ОИЯИ в более ранних исследованиях уже доказали эффективность применения данного вида дрожжей для очистки сточных вод от тяжелых металлов. 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% в зависимости от металла.

В ходе следующего эксперимента ученые аналогичным образом изучили взаимодействие дрожжей и ионов серебра в водных стоках. Были смоделированы три различных системы сточных вод: одна из них содержала только соли серебра, вторая – серебра и меди, третья – серебра, меди, никеля и цинка. К каждому из растворов добавляли сухую биомассу дрожжей, а затем изучали влияние различных параметров: pH, времени контакта, температуры и концентрации серебра – на удаление металлов биомассой дрожжей. Чтобы оценить эффективность извлечения ионов металлов биосорбентами, ученые использовали нейтронный 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.

Сотрудники сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ. Инга Зиньковская и Дмитрий Гроздов

Сотрудник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ Никита Юшин

«Процесс удаления металлов был быстрым и рН-зависимым. Максимальное удаление ионов серебра и меди во всех системах достигалось при рН, равному трем, ионов никеля – шести, а ионов цинка – в диапазоне рН от трех до шести, – рассказывает начальник сектора нейтронного активационного анализа и прикладных исследований ЛНФ ОИЯИ Инга Зиньковская. – При времени адсорбции от пяти до сорока пяти минут сорбционная способность биомассы дрожжей резко возрастала. В то же время следует отметить, что наиболее заметное увеличение адсорбции ионов серебра произошло в первые пять минут взаимодействия сорбента с сорбатом. Эффективность удаления ионов серебра варьировалась от 97 до 100 процентов».

Она также отметила, что биомасса дрожжей сохраняла высокую сорбционную способность по отношению к ионам серебра даже при высоких концентрациях ионов металлов в растворе. Например, при концентрациях серебра в растворе около 100 мг/л микроорганизмы были способны почти полностью удалять ионы серебра. Способность биомассы дрожжей удалять ионы серебра в зависимости от температуры раствора различалась в разных исследуемых системах, но наблюдался один и тот же эффект: с повышением температуры увеличивалось содержание металлов в биомассе. Ученые связали это со снижением вязкости раствора и увеличением подвижности ионов металла в растворе.

«Шероховатая поверхность дрожжевых клеток облегчает доступ ионов металлов к активным центрам, что облегчает процесс биосорбции. Поэтому можно предположить, что биосорбция металлов происходит на поверхности клетки. Таким образом, можно сделать вывод, что сорбция происходит за счет поверхностного комплексообразования, координации или ионного обмена, – отметила Инга Зиньковская. – Результаты нейтронного активационного анализа подтвердили значимость ионообменного процесса в исследуемом удалении ионов металлов».

Биосорбция ионов металлов дрожжевой клеткой

Примечательно, что биомасса дрожжей сохраняла высокую адсорбционную способность в течение трех циклов сорбции – десорбции. Авторы исследования сделали вывод, что это позволяет использовать ее для многократного извлечения ионов металлов. Это свойство, а также высокая биосорбционная способность данного вида дрожжей и безопасность для природной среды, позволит производить экологически чистый и дешевый биосорбент, который прост в обращении и может применяться для очистки больших объемов сточных вод.

«Перспективно это и с той точки зрения, что с помощью дрожжей можно наладить добычу серебра из сточных вод. Это особенно актуально в связи с тем, что мировые запасы драгоценных металлов, в т.ч. и серебра, иссякают, рудники беднеют, а традиционные методы извлечения ионов металлов имеют свои недостатки. Выходом из этой ситуации может стать более широкое применение микробных технологий извлечения драгоценных металлов. Их можно использовать и для серебра, и для золота, и для платины, и даже для редкоземельных элементов», – заключила Инга Зиньковская.

Ссылка на публикацию

• Zinicovscaia I, Yushin N, Grozdov D, Rodlovskaya E, Khiem LH. Yeast—As Bioremediator of Silver-Containing Synthetic Effluents. Bioengineering. 2023; 10(4):398. https://doi.org/10.3390/bioengineering10040398