Воздействие биоматериала термофилов на содержание никеля и свинца в воде

Для создания научных основ новых технологий удаления тяжелых металлов из водной среды необходим поиск новых фактов. В статье излагаются результаты опытов с биомассой термофильных, ацидофильных водорослей Galdieria sulphuraria. Проверяли возможность удаления свинца (Pb) и никеля (Ni) из водной среды в результате иммобилизации биомассой указанного вида водорослей. Наши эксперименты показали, что действительно снижение концентраций свинца (Pb) и никеля (Ni) происходит, если в водной среде инкубировать биомассу этих водорослей. Снижение концентрации свинца происходило в большей степени, чем снижение концентрации никеля. Результаты опытов обсуждаются в связи с поиском инновационных биотехнологий для очищения воды.

Проблемы ухудшения качества вод входят в число приоритетных проблем окружающей среды в Российской Федерации, что представляет серьезную опасность для здоровья населения [1]. Одной из наиболее важных групп веществ, загрязняющих водоемы и водотоки, водную среду в целом, являются тяжелые металлы. Установлены многочисленные случаи загрязнения тяжелыми металлами водной среды - как пресных вод, так и морских [1-2]. Тяжелые металлы являются ярко выраженными токсикантами, они негативно воздействуют на организм человека и всех водных животных, в том числе рыб [2] и беспозвоночных [2, 3]. В эту группу входят несколько химических элементов, в том числе свинец и никель. Загрязнение водной среды тяжелыми металлами, в том числе свинцом и никелем, опасно для водного хозяйства. Разработка новых способов и методов очищения водной среды от свинца и никеля имеет большое практическое значение.

В лабораториях многих стран мира сейчас активно исследуется сорбция и связывание тяжелых металлов биоматериалами различного происхождения [4-7].
Цель данной статьи - сообщить результаты нашей экспериментальной работы, в которой мы проверили, возможна ли биосорбция свинца биомассой термофильных ацидофильных водорослей Galdieria sul phuraria.

Методы и материалы

Исследование проводили на культуре клеток указанного вида водных организмов. В опытах использовали биомассу термофильных, ацидофильных, водорослей Galdieria sulphuraria.

Культура микроводорослей Galdieria sulphuraria штамм IPPAS Р-513 получена из коллекции микроводорослей РАН. Водоросли выращивали в стеклянных колбах в 125 мл среды Аллена [8] миксотрофно. Среда культивирования имела pH 2.7. Условия культивирования: T= +35±1°C, освещенность 80 mol m-2 s-1 (дневной свет), фотопериод 14С:10Т. Среда культивирования содержала источник углерода - глюкозу, конечная концентрация 1%. Качалка работала при 100 об/мин. По окончании 30-суточной инкубации клетки отделяли от культуральной жидкости центрифугированием. Суспензию водорослей центрифугировали15 минут при 3000 об/мин. Полученный осадок дважды промывали фосфатным буфером (pH 7,4) и хранили в морозильной камере (при -18°С).

После разморозки биомассу использовали в опытах. В среду инкубации были добавлены раствор свинца до конечной номинальной концентрации 5 мг/л. Добавляемый раствор содержал свинец в водной фазе с 1М HNO3. Среда инкубации имела рН 2,26. Для приготовления среды инкубации использовали бидистиллированную
воду.

Инкубирование биомассы проводили в трех повторностях (далее они обозначаются как варианты 1-3). В варианты 1- 3 в сосуды вносили биомассу, которую суспендировали в водной среде, содержащей свинец в указанной выше номинальной концентрации.

В четвертом варианте сосуд содержал биомассу и водную среду - бидистиллированную воду без добавки свинца, подкисленную азотной кислотой. В этом четвертом варианте рН водной среды составлял 2,43.

Объем водной среды во всех сосудах был одинаковым. Дополнительные варианты, поставленные для более полного контроля, обсуждаются в
следующем разделе о результатах опытов.
После инкубации биомассу осаждали центрифугированием 15 минут при 5000 об/мин.

В супернатантах определяли содержание металлов. Определение металлов проводили методом атомно-абсорбционной спектрометрии на приборе TJA Unicam 929 Solaar (США). Использовали пламенную атомизацию пробы (flamesampleatomization). Чувствительность метода по свинцу составляла 0,1 мг/л.

Результаты и их обсуждение

Концентрации свинца в водной среде с добавленным свинцом были измерены в сосудах, содержавших биомассу (эксперимент) и в сосудах
без биомассы (контроль).

Инкубировали в одинаковых условиях (одинаковая длительность инкубации, температура) шесть экспериментальных сосудов. В трех вариантах (варианты 1, 2, 3) сосуды содержали воду с добавленным свинцом (при начальной номинальной концентрации 5 мг/л) и биомассу. Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1. Концентрация свинца и никеля в водной среде в различных вариантах опыта по инкубации биомассы Galdieria в водной среде (Pb). Единица измерения концентрации металлов - мг/л.

Измерения показали, что после инкубации содержание свинца в водной среде резко понизилось и составило в среднем всего 0,8 мг/л. До инкубации номинальная концентрация свинца составляла 5 мг/л. Таким образом, снижение концентрации свинца в водной среде произошло более чем на 80%. После инкубации содержание свинца в водной среде составляло менее чем 20% от исходного уровня.

Были поставлены необходимые контроли. Так, один из контролей, вариант 4, содержал биомассу в водной среде без металлов. Этот контроль был поставлен, чтобы проверить, не выходит ли хотя бы малое, но измеримое количество металлов из биомассы в водную среду. Измерения показали, что за время инкубации выхода свинца или никеля из биомассы не наблюдалось. Порог чувствительности метода по свинцу составлял 0,1 мг/л. После проведения инкубации биомассы в водной среде в ней не обнаружено концентраций свинца выше этого порога чувствительности.

Еще одним контролем служили сосуды, в которых находилась водная среда с металлами без добавления биомассы (варианты 5 и 6). После инкубации в течение того же времени, как и варианты 1-3 (где была биомасса), снижения содержания свинца и никеля в воде не наблюдали. Этот важный контроль проверяет, нет ли сорбции металлов стенками сосуда за время инкубации. Поскольку концентрация свинца и никеля в водной среде в вариантах 5 и 6 не снижалась, это доказывает, что наблюдавшееся снижение концентрации этих металлов в других вариантах (в опыте, варианты 1-3) обусловлено именно наличием в этих вариантах биомассы.

Цифры, полученные для никеля, несколько отличались от цифр по свинцу. Некоторое снижение концентрации никеля после инкубации биомассы в водной среде наблюдалось, но было менее заметным, чем в случае свинца. Анализ измерений, сделанных в контролях, подтвердил, что снижение концентрации никеля было обусловлено именно наличием биомассы в сосудах, которые подвергали инкубации.

Вся сумма полученных результатов доказывает, что снижение концентрации свинца и никеля в водной среде в опыте (варианты 1-3) вызвано присутствием биомассы. Таким образом, биомасса изученного вида водорослей выступает как фактор снижения содержания свинца и никеля в водной среде.Полученный результат согласуется с данными научной литературы.

Анализ данных научной литературы показывает, что во многих работах показаны связывание и сорбция свинца биомассой различного происхождения. Однако в этих работах использовали биомассу других видов организмов. Примеры выявления биосорбции свинца биоматериалами различного происхождения получены в работах [9-11].

В научной литературе существуют также данные о биосорбции других металлов. Примеры биосорбции никеля даны в [12 -14]. Сорбцию на биоматериале других металлов - кадмия и цинка - наблюдали, например, в [15]. Сорбция марганца биоматериалом показана в [16].
Полученные результаты дополняют ранее полученные нами данные по иммобилизации токсичных химических элементов биогенными материалами [17, 18] и другие работы.

Получение новой информации об иммобилизации металлов при участии сорбентов биологического происхождения вносит вклад в научные
основы новых технологий (в том числе биотехнологий) по улучшению качества воды, очищению сбрасываемых в водоемы загрязненных вод.
Вопросы качества воды [19 - 26], его поддержания и улучшения весьма важны, эти вопросы относятся к числу актуальных проблем науки и практики.

Новые данные дополнительно подтверждают тезис о важной роли водных организмов в экологических механизмах, которые поддерживают качество воды в природных экосистемах - тезис, который находится в центре созданной теории о полифункциональной роли биоты в очищении воды в водных экосистемах – как пресноводных, так и морских [26].

Выводы:
1. Показано, что биомасса термофильных, экстремофильных, ацидофильных водорослей Galdieria sul phuraria способна влиять на содержание в водной среде таких опасных загрязнителей водоемов и водотоков, как свинец и никель. В результате такого воздействия авторы наблюдали снижение содержания и измеряемой концентрации свинца и никеля в водной среде.
2. Удаление свинца под воздействием биомассы Galdieria sulphuraria происходило в значительно большей степени, чем удаление никеля.
3. Впервые установлены экспериментальные условия, в которых снижение концентрации свинца в водной среде в результате воздействия биомассы Galdieria sulphuraria происходит более чем в пять раз.
4. Новые данные согласуются с ранее опубликованной теорией полифункциональной роли биоты в поддержании качества воды и в ее
очищении [26].
5. Одной из областей практического использования новых полученных данных является вклад в разработку научных основ инновационной
биотехнологии удаления свинца из водной среды. Подобная биотехнология может способствовать улучшению качества воды в водных объектах.

Авторы благодарят сотрудников МГУ имени М.В. Ломоносова и Российской академии наук за обсуждение, советы и консультации.

Литература:
1. Онищенко Г. Г. О санитарно-эпидемиологическом состоянии окружающей среды// Гигиена и санитария. 2013. №2. С. 4-10. https://cyberleninka.ru/article/n/o-sanitarno-epidemioloicheskom sostoyanii okruzhayuschey sredy.
2. Моисеенко Т.И. Водная экотоксикология: теоретические и прикладные аспекты. М.: Наука, 2009, 400 с.
3. Meng J., Wang W.X., Li L., Zhang G.Tissue_specific molecular and cellular toxicity of Pb in the oyster (Crassostrea gigas): mRNAexpression and physiological studies. // Aquatic Toxicology. 2018 .Vol.198. Р.257-268.
4. Fu F., Wang Q. Removal of heavy metalions from wastewaters: a review.// Journal of environmental management. 2011.Vol.92 (3). Р.407-418.
5. Ahluwalia S.S., Goyal D. Microbial and plant derived biomass for removal of heavy metals from wastewater. // Bioresource technology. 2007.Vol.98(12). Р.2243- 2257.
6. Volesky B., Holan Z.R. Biosorption of heavy metals. // Biotechnology progress. 1995.Vol.11(3).Р. 235- 250.
7. Wang J., Chen C. Biosorbents for heavy metals removal and their future.// Biotechnology advances. 2009.Vol.27(2).Р.195-226.
8. Allen M.B. Studies with Cyanidium caldarium, an anomalously pigmented chlorophyte.//Archiv. Mikrobiol. 1959. V.32, р.270-277.
9. Overah L.C., Ifeanyi O. Evaluation of Dacryodes edulis (native pear) seed biomass for Pb (II) sorption from aqueous solution.// Journal of Applied Sciences and Environmental Management. 2017;Vol.21(1).Р.186-199.
10. Khaskheli M.I., Memon S.Q., Jatoi W.B., Chandio Z.A., Shar G.K., Malik A., Khan S. Competitive sorption of nickel, copper, lead and cadmium on okra leaves
(Abelmoschusesculentus). //Global Nest Journal. 2017;Vol.19(2). P.278-288.
11. Samal K., Mohanty K., Das C.Treatment of Pb ion contaminated wastewater
using hazardous parthenium (P. hysterophorus L.) weed. // Water Science and Technology. 2017.Vol. 75(2). P.327-348.
12. Aranda_Garcia E., Cristiani_Urbina E. Kinetic, equilibrium, and thermodynamic analyses of Ni (II) Biosorption from aqueous solution by acorn shell of Quercuscrassipes. //Water, Air, & Soil Pollution. 2018; Vol. 229(4).p.119.
13. Long J., Gao X., Su M., Li H., Chen D.,Zhou S. Performance and mechanism of biosorption of nickel (II) from aqueous solution by nonliving Streptomyces roseorubens SY. //Colloidsand Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2018;Vol.548. P.125-133.
14. Ibisi N.E., Asoluka C.A. Use of agrowaste (Musa paradisiaca peels) as a sustainable biosorbent for toxic metal ions removal from contaminated water. //Chemistry International. 2018;Vol. 4(1). P. 52-59.
15. Hassan S.H., Koutb M., Nafady N.A., Hassan E.A. Potentiality of Neopestalotiopsisclavispora ASU1 in biosorption of cadmium and zinc. // Chemosphere. 2018. Vol.202, p.750-756.
16. Deniz F., Ersanli E.T. Application of anovel phyco_composite biosorbent for the biotreatment of aqueous medium polluted with manganese ions // International journal of phytoremediation. 2018. 20(2):138-144.
17. Остроумов С.А. Новые аспекты роли организмов и детрита в детоксицирующей системе биосферы // Экологическая химия 2017, Vol. 26(6); c.301-311. https://www.researchgate.net/publication/321149781.
18. Ostroumov S.A., New Aspects of the Role of Organisms and Detritus in the
Detoxification System of the Biosphere. //Russian Journal of General Chemistry, 2017, Vol. 87, No. 13, pp. 3190-3198. https://www.researchgate.net/publication/322861119 .
19. Садчиков А.П., Остроумов С.А., Герасимова Т. Н. Роль зоопланктона в повышении качества вод // Рыбное хозяйство. - 2018. № 2. С. 62-65. https://www.researchgate.net/publication/325424280.
20. Остроумов С.А. Качество воды - новые критерии. //Наука в России. 2014. № 5, стр. 37 - 43. https://www.researchgate.net/publication/267027418
21. Садчиков А.П., Остроумов С.А.Зоопланктон и продукционные показатели водорослей: новые аспекты воздействия на качество воды // Водоочистка. Водоподготовка.Водоснабжение, 2018. № 6, с. 20-24.
22. Тропин И.В., Остроумов С.А. Аккумуляция двух металлов в биомассе водных макрофитов // Вода Magazine, 2018. № 4, с. 24-25.
23. Поклонов В.А., Шестакова Т.В., Остроумов С.А.Изучение фитотоксического воздействия смеси тяжелых металлов на макрофиты // Экологическая химия, 2018. том 27, № 3, с. 117-123.
24. Садчиков А.П., Котелевцев С.В., Орлов С.Н., Остроумов С.А. Качество воды и элементный состав органического вещества при его оседании в водоемах // Использование и охрана природных ресурсов в России,
2018. № 1, с. 26-29.
25. Остроумов С.А., Криксунов Е.А. Экологические знания как основа для решения задач сохранения биосферы. // Экологическая химия, 2018. том 27, № 3, с. 171-174.
26. Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // Доклады академии наук (ДАН). 2004. т.396. № 1. С.136-141. https://www.researchgate.net/publication/265294672.

Decreasing concentrations of nickel and lead in water under the effect of biomaterial of thermophiles in connection with the search for biotechnologies for water purification

To create the scientific basis for new technologies for removing heavy metals from the aquatic environment, it isnecessary to search for new facts. The article presents the results of experiments with the biomass of thermophilic, acidophilic algae Galdieria sulphuraria. The possibility of removing lead (Pb) and nickel (Ni) from the aqueous medium as a result of their immobilization by the biomass of the specified algal species was tested. Our experiments showed that a decrease in the concentrations of lead (Pb) and nickel (Ni) occurs if the biomass of these algae is incubated in the aqueous medium. The decrease in lead concentration occurred to a greater extent than the decrease in nickel concentration. The results of the experiments are discussed in connection with the search for innovative
biotechnologies for water purification.

Kiryushin Alexey Valerievich, candidate of biological Sciences, senior lecturer, faculty of soil science, M.V. Lomonosov Moscow State University;
Ostroumov Sergey Andereevich, doctor of biological Sciences, leading researcher of the biological faculty of M.V. Lomonosov Moscow State University;
Tropin Ivan Vladimirovich, candidate of biological Sciences, senior researcher of the biological faculty of Moscow state University. M. V. Lomonosov;
Kotelevtsev Sergey Vasilievich, doctor of biological Sciences, leading researcher of the biological faculty of M.V. Lomonosov Moscow State University.

Журнал «Вода Magazine», №7 (131), 2018 г.