Miłej zabawy ;)

Usuwanie metali ze ścieków

W związku z bezustannym rozwojem przemysłu i ekspansywną gospodarką powstał problem zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi. Metale te trafiają do gleb, wód i atmosfery a do ich odzysku najczęściej wykorzystuje się metody fizykochemiczne, takie jak ekstrakcja, strącanie, wymiana jonowa i procesy membranowe.

Procesy biologiczne, które wykorzystują naturalny proces obiegu metali w przyrodzie wykorzystywane są w niewielkim stopniu.

Metale można podzielić na: niezbędne i toksyczne, żeliwne i nieżeliwne, lekkie i ciężkie oraz metale szlachetne. Za metale ciężkie uznaje się te, których gęstość jest większa od 4,5 g/cm³. Często należą do grupy pierwiastków śladowych i dzieli się je na 4 grupy:

- pierwiastki o bardzo wysokim stopniu potencjalnego zagrożenia dla środowiska (Cd, Hg, Cr, Ag, Zn, Au, Sb, Sn, Tl)

- pierwiastki o wysokim stopniu potencjalnego zagrożenia dla środowiska (Mo, Mn, Fe, Se)

- pierwiastki o średnim stopniu potencjalnego zagrożenia dla środowiska (V, Ni, Co, W)

- pierwiastki o niskim stopniu potencjalnego zagrożenia dla środowiska (Zr, Ta, La, Nb)

Od rozpuszczalności metali ciężkich zależy ich obecność w wodzie. Rozpuszczalność jest zależna od domieszek i zanieczyszczeń wody, pH, potencjału redox i potencjału tworzenia rozpuszczalnych kompleksów. Wody zanieczyszczane są metalami ciężkimi pochodzącymi głównie ze ścieków przemysłowych, z hut, przemysłu galwanizerskiego, garbarskiego, produkcji nawozów sztucznych i farb oraz środków ochrony roślin, z zakładów włókienniczych, elektrochemicznych, motoryzacyjnych, energetycznych i zakładów produkujących baterie, akumulatory i katalizatory. Stężenie metali ciężkich w ściekach może wzrastać także w przypadku korodujących rurociągów. Produktem oczyszczania takich ścieków są osady ściekowe, w których stężenie metali ciężkich jest wielokrotnie wyższe niż w ściekach.

W zależności od stężenia i stopnia utlenienia oraz łatwości tworzenia kompleksów metale mogą być stymulatorami procesów życiowych lub substancjami toksycznymi. Ich toksyczność wynika nie tylko ze stężenia w środowisku, ale także z ich roli w procesach metabolicznych i ze stopnia ich wchłaniania i wydalania przez organizmy żywe. Za szczególnie niebezpieczne uznaje się kadm, ołów, rtęć, cynk, miedź, chrom i arsen.

Podstawą procesów biotechnologicznych służących ochronie środowiska jest zdolność mikroorganizmów do pobierania zanieczyszczeń, w tym metali ciężkich, która związana jest z bardzo korzystnym stosunkiem powierzchni komórek do ich objętości, a więc dużą powierzchnią czynną.

Usuwanie metali ciężkich przez mikroorganizmy można podzielić na 3 mechanizmy:

a) biosorpcja (wiązanie metali przez reaktywne polimery i makrocząsteczki występujące na powierzchni komórek bakteryjnych).

Proces ten polega na:

- wiązaniu jonów metali przez reaktywne biopolimery w osłonach komórkowych mikroorganizmów

- zatrzymaniu na powierzchni nierozpuszczalnych związków metali

- reakcji chemicznych z wydzielanymi metabolitami

- tworzeniu nierozpuszczalnych związków metali i gromadzeniu ich lub krystalizacji w obrębie osłon komórkowych.

b) procesy związane z metabolizmem komórkowym drobnoustrojów:

- pozakomórkowe wydzielanie substancji organicznych i nieorganicznych, które reagują z metalami co powoduje zmianę pH i tworzenie się związków nierozpuszczalnych

- biotransformacja oparta na biologicznym utlenianiu lub redukcji metali, która powoduje przejście tych pierwiastków z form rozpuszczalnych w mniej rozpuszczalne

- biotransformacja rozpuszczalnych związków metali do związków lotnych lub czystego pierwiastka, które są uwalniane do atmosfery.

c) bioakumulacja (wewnątrzkomórkowe pobieranie i wytrącanie metali) - odbywa się przez systemy transportowe. Metale ciężkie indukują syntezę metalotionein, które są politiolowymi polipeptydami zawierającymi znaczne ilości cysteiny. Metalotioneina jest zdolna do wiązania takich metali jak: Zn, Cu, Ag, Sn, Hg, Cd. Reakcja ta uniemożliwia jonom metali związanie się z innymi ważnymi funkcjonalnie białkami, co obniża ich toksyczność dla organizmu. Metale mogą być wiązane także w formie granul polifosforanowych.

Usuwanie metali ze ścieków:

Do 3 zlewek odmierzono po 38 ml wody destylowanej, do 6 odmierzono po 38 ml osadu czynnego.

Do zlewek z wodą i osadem czynnym dodano po 2 ml roztworów metali według schematu:

woda destylowana + Cu

woda destylowana + Al

woda destylowana + Fe

osad czynny + Cu (x2)

osad czynny + Al (x2)

osad czynny + Fe (x2)

Zlewki z zawartością inkubowano pół godziny w temperaturze pokojowej na wytrząsarce. Po inkubacji zwirowano osad czynny (5 minut, 10 000 obrotów), supernatant przelano do czystych zlewek i wykonano reflektometryczne pomiary stężeń metali. Odwirowany osad zawieszono w 40 ml buforu octanowego według schematu:

osad czynny Cu bufor pH 4	osad czynny Al bufor pH 4	osad czynny Fe bufor pH 4
osad czynny Cu bufor pH 5	osad czynny Al bufor pH 5	osad czynny Fe bufor pH 5

Osad zawieszony w buforach inkubowano pół godziny w temperaturze pokojowej na wytrząsarce.

Po upływie czasu inkubacji zwirowano osad czynny zawieszony w buforach (5 minut, 10 000 obrotów) a supernatant przelano do czystych zlewek i wykonano oznaczenie stężenia odpowiednich metali metodą reflektometryczną.

Wyniki pomiarów stężeń metali (w mg/l) są następujące:

metal	woda + metal	osad czynny + metal		osad czynny + bufor pH 4	osad czynny + bufor pH 5
Cu	74	5	5	46	35
Al	37,5	<5	<5	22,7	<5
Fe	144	59	51	<5	<20

Obserwacje i wnioski:

Osad czynny podczas inkubacji z roztworami metali spowodował obniżenie stężenia tych metali w supernatancie. Odniesieniem były pomiary wykonane w zlewkach, które nie zawierały osadu czynnego a sam roztwór metalu oraz wodę destylowaną. Największy spadek stężenia metalu zauważono w przypadku miedzi.

Po dodaniu buforu do osadu, który uprzednio związał metal następowało uwolnienie jonów metali do roztworu. W przypadku buforu o pH 4 stężenie miedzi oraz glinu w supernatancie wzrosło, natomiast w przypadku żelaza spadło i było praktycznie nieoznaczalne (<5 mg/l) co oznacza, że mimo dodania buforu wciąż następowało wiązanie Fe przez osad czynny.

W próbach, do których dodano bufor o pH 5, w przypadku miedzi zaobserwowano wzrost stężenia tego metalu w supernatancie, ale był on mniejszy od tego widocznego w próbie z buforem o pH 4. W przypadku glinu, w próbie z buforem o pH 5 metal nie był uwalniany z osadu, natomiast w próbie z żelazem otrzymano większe stężenie tego metalu, niż w analogicznej próbie z buforem o niższym pH. Zmiana pH wywoływana dodaniem buforu pozwalała na odzyskanie części jonów metali z osadu czynnego.

Wpływ metali ciężkich na aktywność hydrolaz wytwarzanych przez mikroorganizmy osadu czynnego:

Do 4 probówek wirówkowych odmierzono po 70 ml osadu czynnego i zwirowano przy 10 000 obr./min przez 10 minut w temperaturze 4°C.

Supernatant ze wszystkich probówek wirówkowych zlano do jednej zlewki i użyto do oznaczenia aktywności hydrolaz.

Przygotowano 15 probówek, dodano do nich po 5 ml supernatantu i ogrzewano w temperaturze 30°C przez 10 minut.

Do wszystkich probówek dodano metale (Cu, Al, Fe):

Objętość dodawanego metalu (μl)	0	10	50	100	250
Końcowe stężenie (mg/l)	0	1	5	10	25

Do probówek z próbą badaną dodano po 50 μl dwuoctanu fluoresceiny (1 mg/ml).

Wszystkie probówki inkubowano w łaźni wodnej w temperaturze 30°C przez 10 minut a następnie zmierzono intensywność fluorescencji prób z użyciem spektrofluorymetru przy długości fali wzbudzania 280 nm i długości fali emisji 505 nm.

objętość dodanego metalu	próba kontrolna	Fe	Al	Cu
0	0	0,141	0,087	0,099
10	0	0,127	0,083	0,089
50	0	0,107	0,06	0,065
100	0	0,068	0,058	0,04
250	0	0,043	0,028	0,028

Wraz ze wzrostem stężenia metali w próbach wyniki pomiaru fluorescencji spadają co oznacza malejącą aktywność enzymów. Wysokie stężenia metali ciężkich są dla mikroorganizmów osadu czynnego toksyczne.