Вплив урану (VI) та стронцію на клітини Bacillus polymyxa ІМВ 8910 у водному середовищі

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ КОЛОЇДНОЇ ХІМІЇ ТА ХІМІЇ ВОДИ ІМ. А.В. ДУМАНСЬКОГО

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

03.00.16 - екологія

Вплив урану (VI) та стронцію на клітини Bacillus polymyxa ІМВ 8910 у водному середовищі

Шевчук Ірина Анатоліївна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського Національної академії наук України

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор Мєшкова-Клименко Наталія Аркадіївна, Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, заступник директора з наукової роботи, завідувач відділу сорбції і біології очистки води

Офіційні опоненти: академік НАН України, доктор біологічних наук, професор Підгорський Валентин Степанович, Інститут мікробіології та вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, директор Інституту, завідувач відділу фізіології промислових мікроорганізмів доктор біологічних наук, професор Удод Віра Михайлівна, Київський національний університет будівництва і архітектури МОН України, професор кафедри охорони праці та навколишнього середовища

Захист відбудеться «_26_» __жовтня__ 2010 р. о _1400_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.183.01 в Інституті колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, бульв. Академіка Вернадського, 42.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України за адресою: 03680, м.Київ-142, бульв. Академіка Вернадського, 42

Автореферат розіслано «_24_» __вересня__ 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат хімічних наук Т.І. Якимова

1. Загальна характеристика роботи

антропогенний довкілля уран бактеріальний

Актуальність теми. На даний час однією з основних екологічних проблем є радіоактивне забруднення навколишнього середовища, що є результатом використання ядерної зброї, роботи підприємств ядерної промисловості та атомної енергетики. Це призводить до підвищення радіоактивного фону Світового океану, виникнення техногенних радіоактивних аномалій та порушення функціонування біосистем, що негативно впливає на якість життя людини.

Для України радіоекологічні проблеми є особливо гострими. На її території відбулася аварія на Чорнобильській АЕС. В басейні р. Дніпро, водою якої користується 36 млн. людей і близько 65 % всіх промислових підприємств, знаходяться Запорізька, Рівненська, Хмельницька та Чорнобильська АЕС. В басейні р. Десна на території Росії працюють Курська та Смоленська АЕС. Води р. Прип'ять та верхнього Дніпра, що формують стік р. Дніпро, перед злиттям протікають зоною відчуження Чорнобильської АЕС. Окрім того, Україна має великі уранові родовища, у тому числі Новокостянтинівське - одне з найбільших світових родовищ запасів урану. У процесі видобутку урану утворюється велика кількість пилоподібних і розчинних відходів, що містять уран та продукти його розпаду, - шахтні води, мул відстійників, технологічні розчини збагачувальних і металургійних виробництв, полігонів підземного вилуговування.

Медико-соціальні проблеми забруднення навколишнього середовища токсичними металами полягають у тому, що вони не розкладаються, а в результаті інтенсивної діяльності людини постійно накопичуються в природних екосистемах. Радіонукліди, розчинені у воді та сорбовані на зависах, активними та пасивними (енергетично незалежними) шляхами залучаються до процесів метаболізму як мікро-, так і макроорганізмів. Перехід радіонуклідів з організмів нижчих трофічних рівнів в організми більш високих трофічних рівнів визначає їх біогенну міграцію. У все більших обсягах вони включаються в біологічний кругообіг речовин і, в кінцевому рахунку, виявляють негативний вплив на здоров'я людей. Ситуація ускладнюється й тим, що більшість радіонуклідів небезпечні навіть за дуже низьких концентрацій.

Дослідження, спрямовані на вирішення радіоекологічних проблем водних середовищ, в першу чергу повинні спиратись на уявлення про поведінку радіонуклідів в екосистемах водойм. Мікроорганізми, як найменша за розмірами та найчисельніша складова будь-якої біосистеми, найбільш повно взаємодіють з іонами металів та радіонуклідів при їх потраплянні в навколишнє середовище. Здатність мікроорганізмів концентрувати іони металів широко відома. Ця властивість може бути використана для розробки нових ефективних методів захисту навколишнього середовища від радіоактивного забруднення. Необхідною умовою розробки таких біологічних методів є з'ясування впливу радіоактивного забруднення та окремих радіонуклідів на біологічний об'єкт, який з цією метою буде використовуватись.

Таким чином, дослідження впливу радіонуклідів природного та штучного походження на біологічні об'єкти, зокрема мікроорганізми, і вивчення можливості подальшого використання останніх для захисту навколишнього середовища від радіоактивного забруднення є актуальною екологічною проблемою, особливо для України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності до плану науково-дослідних робіт Інституту колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського НАН України за темами: відомчі теми НАН України: „Фізико-хімічні закономірності процесів комплексо- та колоїдоутворення в уранвмісних водних системах” (2004-2007 рр., № держреєстрації 0104U000701, виконавець); „Створення наукових засад управління процесами вилучення і трансформації органічних і неорганічних речовин при обробці води” (2007-2011 рр., № держреєстрації 0107U000149, виконавець); конкурсні теми НАН України: за програмами Відділення хімії НАН України - ”Фізико-хімічні принципи управління хімічними реакціями у водних середовищах” (2001-2006 рр., № держреєстрації 0102U000940, виконавець); „Стратегія розвитку досліджень в галузі хімії, фізики, біології води та фундаментальних основ колоїдної хімії” (2007-2011 рр., № держреєстрації 0107U000148, виконавець); грант НАН України для молодих вчених “Використання процесів адсорбції для вилучення мікробіологічних, радіоактивних та органічних домішок із води” (2009-2010 рр., № держреєстрації 0109U006119, керівник).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було встановлення впливу сполук урану (VI) та стронцію на біологічні та фізико-хімічні властивості клітин Bacillus polymyxa ІМВ 8910 для використання біомаси останньої як біосорбенту для зниження антропогенного навантаження на довкілля.

Для досягнення мети необхідно було вирішити такі наукові та практичні завдання:

· Вивчити біологічні особливості взаємодії клітин B. polymyxa ІМВ 8910 з іонами U(VI) та Sr(II), в тому числі дослідити вплив даних металів на ріст культури.

· Встановити спосіб, за яким відбувається поглинання металів клітинами B. polymyxa ІМВ 8910 з водних розчинів.

· Вивчити поведінку бактеріальних клітин в присутності сполук урану (VI) та стронцію залежно від фізико-хімічних характеристик системи.

· Визначити перспективи використання біомаси B. polymyxa ІМВ 8910 як біосорбенту для очищення реальних водних середовищ від U(VI) та Sr(II).

· Розробити рекомендації щодо технології очищення водних середовищ, забруднених сполуками урану (VI) та/або стронцію за допомогою біосорбенту на основі клітин B.polymyxa ІМВ 8910.

Об'єкт дослідження - процеси взаємодії клітин B. polymyxa ІМВ 8910 з іонами урану (VI) та стронцію у водному середовищі.

Предмет дослідження - клітини B. polymyxa ІМВ 8910, водні середовища, забруднені сполуками урану (VI) та стронцію.

Методи дослідження: загальноприйняті методи культивування бактерій, інгібіторний аналіз, гострий та хронічний експерименти, світлова мікроскопія, фотоколориметричний, атомно-абсорбційний, рН-потенціометричний, електро-кінетичний та сорбційний методи, ІЧ-спектроскопія, статистична обробка даних.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше отримані дані щодо впливу урану (VI), стронцію (ІІ) та стронцію-90 на ріст та розвиток культури Bacillus polymyxa ІМВ 8910 (B.polymyxa). Вивчено біологічні та фізико-хімічні особливості взаємодії бактерій з іонами U(VI) та Sr(ІІ). Вперше показано, що B. polymyxa здатна ефективно поглинати вказані метали з водних розчинів. Встановлено, що накопичення урану (VI) та стронцію даною бактеріальною культурою здійснюється шляхом біосорбції, незалежно від метаболізму клітини. Розвинуто уявлення щодо механізмів зв'язування іонів даних металів клітинами B. polymyxa.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлено, що B. polymyxa є ефективним біосорбентом для вилучення іонів урану (VI) та стронцію. На основі проведених досліджень з вивчення закономірностей та особливостей взаємодії клітин бактерії з іонами вказаних металів визначено раціональні умови для перебігу процесів вилучення цих елементів з водних середовищ та вивчено перспективи використання біомаси даної бактерії як біосорбенту. Продемонстровано можливість застосування біосорбенту на основі B. polymyxa для очищення водних систем, забруднених ураном (VI), на прикладі реальної та модельної шахтної води (Східний гірничо-збагачувальний комбінат, м. Жовті Води, Дніпропетровська обл.), та ураном (VI) і стронцієм, на прикладі модельної «блокової» води об'єкту «Укриття» Чорнобильської АЕС та модельної свердловинної води (УкрНДРІпромтехнології, м. Дніпродзержинськ, Дніпропетровська обл.).

Особистий внесок здобувача. Аналіз літератури за темою досліджень, основний обсяг експериментальної роботи: культивування бактерій, хронічні та гострі експерименти з вивчення впливу металів на ріст бактеріальної культури, інгібіторний аналіз, сорбційні та електрокінетичні дослідження, математичні розрахунки кінетичних параметрів, обробка та аналіз отриманих даних виконані особисто здобувачем. Постановка загального завдання дослідження, трактування та узагальнення експериментальних результатів, обговорення висновків дисертації проведено спільно з науковим керівником - д.х.н., проф. Мєшковою-Клименко Н.А. Постановка окремих задач досліджень та трактування результатів експериментів з вивчення фізико-хімічних особливостей сорбції урану (VI) та стронцію біосорбентом проведено за участі чл.-кор. НАН України, д.х.н., проф. Корніловича Б.Ю. та к.х.н. Спасьонової Л.М. Обговорення окремих результатів роботи проводилось разом з д.б.н., проф. Гвоздяком П.І. та д.х.н. Міщук Н.О. Дослідження сорбції U(VI) мікроводоростями здійснювалось спільно з к.х.н. Ковальчук І.А. та Тобілко В.Ю. Визначення концентрацій стронцію, кальцію, магнію, калію та натрію атомно-абсорбційним методом проведено к.т.н. Маковецьким О.Л. ІЧ-спектроскопічне дослідження суспензії клітин B. polymyxa було виконано в Інституті екогігієни і токсикології ім. Л.І. Медведя МОЗ України за участі к.х.н. Лантуха Г.В.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, представлені в дисертаційній роботі, пройшли апробацію на наукових конференціях: Міжнародна науково-практична конференція «Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод» (м. Миргород, Україна, 2005 р.); конференції «Львівські хімічні читання - 2005, 2007, 2009» (м. Львів, Україна, 2005, 2007, 2009 рр.); наукові конференції молодих вчених ІКХХВ ім. А.В. Думанського НАН України «Колоїдно-хімічні проблеми охорони довкілля» (Київ, Україна, 2005 р.), «Проблеми відновлення якості питної води» (Київ, Україна, 2008 р.) та «Охорона водного басейну та контроль якості води» (Київ, Україна, 2009 р.); VI міжнародна науково-практична конференція „Актуальні проблеми токсикології. Безпека життєдіяльності людини” (Київ, Україна, 2005 р.), IV International Conference “Interfaces Against Pollution” (Granada, Spain, 2006); 22nd Conference of the European Colloid and Interface Society (Cracow, Poland, 2008); 11th JCF-Frьhjahrssymposium (Essen, Germany, 2009); International Conference dedicated to the 50th anniversary from foundation of the Institute of Chemistry of the Academy of Science of Moldova (Chisinau, Moldova, 2009); 12th EuCheMs International Conference on Chemistry and the Environment (Stockholm, Sweden, 2009).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 робіт: 5 статей, з них 4 - у наукових фахових виданнях, та тези 10 доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел літератури. Робота викладена на 144 сторінках друкованого тексту, вміщує 33 рисунки, 11 таблиць, 3 додатки на 6 сторінках та список використаних джерел літератури з 256 найменувань на 24 сторінках.

2. Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її зв'язок з науковими програмами та темами, сформульовано мету, об'єкт, предмет та завдання дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, а також особистий внесок здобувача.

У першому розділі на основі даних літератури проаналізовано стан радіоактивного забруднення природних вод, хімічні властивості, поширення, вміст і поведінку сполук урану (VI) та стронцію в навколишньому середовищі. Розглянуто питання впливу іонів даних металів на мікроорганізми. Проаналізовано шляхи взаємодії мікроорганізмів з іонами урану (VI) і стронцію та вплив на неї фізико-хімічних факторів оточуючого середовища та фізіологічних параметрів мікробних клітин. Показано здатність мікробних клітин до поглинання іонів металів та радіонуклідів і розглянуто основні шляхи реалізації цього процесу: біосорбцію та біоакумуляцію. Підкреслено роль екзополісахаридів у зв'язуванні іонів металів мікробними клітинами. Розглянуто можливість використання B. polymyxa як біологічного сорбенту іонів металів та радіонуклідів.

У другому розділі приведено характеристику об'єктів та методик експериментальних досліджень. Охарактеризовано бактерію B. polymyxa та описано методи її культивування. Функціональні групи бактеріальних клітин аналізували методом ІЧ-спектроскопії. Приведено методики визначення суми кислотних груп на поверхні клітин; блокування карбоксильних груп на поверхні клітин; термоінактивації клітин бактерії. Вивчення впливу іонів металів на ріст та розвиток бактеріальної культури здійснювали методами гострого та хронічного досліду.

Вплив металів на електрокінетичні властивості бактеріальних клітин досліджували методом мікроелектрофорезу.

Описано методики дослідження сорбційних процесів в статичних умовах та процесів вивільнення урану (VI) і стронцію клітинами B. polymyxa, а також регенерації біосорбенту на основі бактеріальних клітин. Експериментальні результати обробляли загальноприйнятими статистичними методами.

У третьому розділі приведено дослідження біологічних особливостей взаємодії клітин B.polymyxa зі сполуками урану (VI) та стронцію.

Розв'язання задачі зі встановлення впливу урану (VI) та стронцію на клітини B.polymyxa значною мірою залежить від дослідження взаємозв'язку між рівнем забруднення середовища і продуктивністю біологічної системи.

У випадку з бактеріями про продуктивність біосистеми можна судити за темпами росту мікробної культури.

В зв'язку з цим, з метою встановлення ступеню токсичності U(VI), Sr(ІІ) та 90Sr було проведено серію хронічних та гострих експериментів щодо вивчення впливу даних металів на процеси росту та розвитку бактерії.

Рис. 1 Криві росту B. рolymyxa після контакту клітин з ураном (VI), мкмоль/дм3

Встановлено, що взаємодія ураніл-іонів з клітинами B.polymyxa в ході хронічного досліду веде до інгібування росту мікроорганізмів (рис. 1). Видно, що чим більша концентрація U(VI), тим триваліша lag-фаза, і тим менший приріст біомаси. Так, за концентрації урану (VI) 10 мкмоль/дм3 спостерігається збільшення lag-фази з 3,5-4 (контрольний дослід) до 9-9,5 годин, а приріст біомаси складає близько 50 % від контрольного. При подальшому підвищенні вмісту елемента відбувається збільшення lag-фази, аж до практично повного пригнічення росту мікроорганізмів при СU = 1000 мкмоль/дм3.

Вплив стронцію на B. polymyxa досліджували на прикладі стабільних та радіоактивних його ізотопів. Протягом як гострого, так і хронічного експериментів встановлено, що присутність стабільного ізотопу - іонів Sr(ІІ) - в поживному середовищі, як і попередня взаємодія Sr(ІІ) з бактеріальними клітинами в розчині, практично не впливають на ріст мікроорганізмів (вихідна концентрація металу в розчині складала 100 та 1000 мкмоль/дм3). Що стосується 90Sr, то при внесенні його в поживне середовище, в результаті чого активність останнього складала 1-10 кБк/дм3, спостерігається незначне зменшення приросту біомаси бактерії; у середовищі з активністю 30 кБк/дм3 приріст біомаси знижується на 20 %, але тривалість фаз росту не змінюється. Поясненням такої стійкості B. polymyxa щодо впливу стронцію може бути властивість бактерії утворювати капсулу та здатність до конститутивного синтезу кислих гетерополісахаридів, які можуть утворювати комплекси з іонами металів для їх детоксикації. Це можна розглядати як захисні механізми бактерії при забрудненні навколишнього середовища важкими металами та радіонуклідами.

Встановлено, що при внесенні клітин B. polymyxa у розчин, що містить сполуки урану (VI) або стронцію, вони інтенсивно накопичують дані метали. Так, максимальна адсорбція стронцію B.polymyxa складає близько 0,35 ммоль/г сухої речовини (рис.2, крива 3). З ізотерм адсорбції урану (VI), отриманих за різних рН, видно, що поглинання урану (VI) бактеріальними клітинами є більшим за рН 6 і складає близько 0,8 ммоль/г, тоді як за рН 4 - близько 0,6 ммоль/г (рис. 2, криві 1 і 2). При вивченні сорбційних властивостей мікроводоростей було встановлено, що максимальна адсорбція U(VI) клітинами Neocystis broadiensis та Chlorella vulgaris становить відповідно близько 0,45 та 0,57 ммоль/г (рН 6). Тобто, ґрунтуючись на результатах цих досліджень та аналізі джерел літератури, слід відмітити досить високу адсорбційну здатність B. polymyxa щодо урану (VI). При інтерпретації отриманих експериментальних даних були використані модельні підходи Ленгмюра та Фрейндліха. Для оцінки адекватності обраних підходів було застосовано метод найменших квадратів. Встановлено, що рівняння Ленгмюра більше підходить для опису процесів поглинання як U(VI), так і Sr(II), ніж рівняння Фрейндліха, що свідчить про те, що енергія адсорбції всіх центрів зв'язування є приблизно однаковою, поглинання металів обмежене моношаром, а адсорбовані метали можуть взаємодіяти лише з активними центрами, а не між собою.

Під час експериментів з вивчення впливу віку бактеріальної культури на поглинання іонів урану (VI) та стронцію було встановлено, що 24-годинна культура бактерій ефективніше поглинає U(VI) за 12-годинну, тоді як адсорбція Sr(II) дещо вища для 12-годинної культури (рис. 3).

Рис. 2 Ізотерми сорбції урану (VI) (1, 2) та стронцію (3) клітинами B. polymyxa за різних значень рН0: 1, 3 - 6; 2 - 4; ІNaCl = 0,01

Рис. 3 Ізотерми сорбції урану (VI) (1, 2) та стронцію (3, 4) клітинами B.polymyxa залежно від віку культури: 1, 3 - 24 год; 2, 4 - 12 год; рН0 6; ІNaCl = 0,01

Різниця у ефективності вилучення урану (VI) та стронцію бактеріальними клітинами на різних етапах росту культури може бути пов'язана з різними механізмами зв'язування іонів, що задіяні у процесі поглинання. Більша величина адсорбції U(VI) культурою у стаціонарній фазі росту (24-годинна) може бути пояснена більшим внеском у процес сорбції урану (VI) екзополісахаридів, які інтенсивно синтезуються саме на цій фазі росту.

Для вивчення біологічних особливостей взаємодії клітин B. polymyxa з ураном (VI) та стронцієм було досліджено вплив температури, енергетичних субстратів та інгібіторів, фізіологічного стану клітин на процеси поглинання іонів металів. Встановлено, що присутність у модельному розчині інгібіторів метаболізму: дициклогексилкарбодиіміду (1-100 мкмоль/дм3), динітрофенолу (0,01-0,5 ммоль/дм3), азиду натрію (0,01-1 ммоль/дм3), або глюкози як енергетичного субстрату (30 г/дм3) не призводить до змін у поглинанні U(VI) та Sr(ІІ) бактеріальними клітинами. Температура (5-60 0С) також практично не впливає на цей процес. Стосовно фізіологічного стану клітин B. рolymyxa, встановлено, що сорбційна здатність термоінактивованих клітин не відрізняється від такої інтактних клітин. Сума кислотних груп на поверхні живих та термоінактивованих клітин також однакова і складає 3,4 ммоль/г сухої речовини. Близькі величини сорбційної ємності щодо урану (VI) і стронцію та схожі характеристики клітинної поверхні інтактних та термоінактивованих клітин B. polymyxa можуть бути пояснені наявністю капсули навколо клітини, яка може зберігати свою цілісність та склад під час термообробки.

На основі отриманих результатів можна припускати, що накопичення іонів урану (VI) та стронцію B. рolymyxa здійснюється шляхом біосорбції, тобто пасивно, в результаті зв'язування металів на поверхні клітини, в тому числі і речовиною капсули.

Четвертий розділ присвячено дослідженню поведінки бактеріальних клітин в присутності сполук урану (VI) та стронцію залежно від фізико-хімічних характеристик системи. При дослідженні залежності поглинання урану (VI) та стронцію від тривалості контакту клітин B. polymyxa з розчинами металів було встановлено, що більша частина U(VI) поглинається протягом перших 10-20 хв контакту з біосорбентом, повне ж насичення відбувається фактично протягом 1 години (рис. 4). Впродовж наступних 23 годин контакту з клітинами поглинання урану (VI) збільшувалось несуттєво. Максимальне видалення Sr(ІІ) досягається вже за перші 5 хвилин контакту. Протягом наступної доби збільшення поглинання не відбувається, а на 18 годину спостерігається деяке вивільнення зв'язаних іонів металу в розчин.

До отриманих даних було застосовано моделювання кінетичних кривих згідно рівнянь псевдо-першого та псевдо-другого порядків - рівняння Лагергрена та Хо, відповідно. Порівняння кореляційних коефіцієнтів та теоретично розрахованих величин адсорбції обох кінетичних моделей (табл. 1) дозволяє зробити висновок, що модель псевдо-другого порядку краще описує кінетику біосорбції досліджуваних металів клітинами B. polymyxa.

Рис. 4 Кінетика поглинання U(VI) (1) та Sr(II) (2) клітинами B. polymyxa

Для встановлення лімітуючої стадії процесу поглинання U(VI) та Sr(ІІ) бактеріальними клітинами було проведено ряд сорбційних експериментів із різними вихідними концентраціями металів. Отримані дані були оброблені згідно рівняння псевдо-другого порядку. Співставлення розрахованих констант швидкості поглинання як урану (VI), так і стронцію бактеріальними клітинами показало, що вони мають близькі величини незалежно від вихідної концентрації металу у розчині. Це свідчить, що лімітуючою стадією даного процесу є перенесення іонів урану (VI) та стронцію до поверхні клітин B. polymyxa. Такий висновок також підтверджує раніше висунуте припущення про те, що зв'язування іонів даних металів здійснюється на зовнішній поверхні бактеріальної клітини.

Таблиця 1 Кінетичні параметри поглинання урану (VI) та стронцію

клітинами B. polymyxa Метал	Експер. дані	Модель псевдо-першого порядку	Модель псевдо-другого порядку
	as рівн, ммоль/г	as рівн, ммоль/г	k1, хв-1	R2	as рівн, ммоль/г	k2, г/ ммоль·хв	v0, ммоль/ (г·хв)	R2
U(VI)	0,140	36,6	0,049	0,574	0,141	42,7	0,9	0,999
Sr(ІІ)	0,075	208,7	0,030	0,442	0,075	228,6	1,4	0,999

Залежність величини поглинання урану (VI) клітинами B. рolymyxa від рН середовища має екстремальний характер з максимумом поглинання в діапазоні рН 4-6 (рис. 5). Це пояснюється тим, що, з одного боку, в цьому інтервалі рН поверхня бактеріальних клітин має негативний заряд внаслідок дисоціації іоногенних груп клітинної поверхні. З іншої сторони, залежно від рН середовища уран (VI) може знаходитися у різних формах: в міру зміщення рН з кислої області до лужної частка іонів уранілу та позитивно заряджених гідроксокомплексів зменшується, а кількість нейтральних та аніонних комплексів, що погано сорбуються, збільшується.

Форми знаходження іонів Sr(ІІ) в розчині не залежать від рН середовища, в зв'язку з чим вплив рН на процес поглинання даного елементу обумовлений, в основному, ступенем дисоціації іоногенних груп клітинної поверхні. Максимальна біосорбція стронцію спостерігається за рН > 4 (рис. 6).

Рис. 5 Вплив рН середовища на поглинання урану (VI) клітинами B.polymyxa: CU = 100 мкмоль/дм3; ІNaCl = 0,01

Рис. 6 Вплив рН середовища на поглинання стронцію клітинами B.polymyxa: СSr = 100 мкмоль/дм3; ІNaCl = 0,01

Вивчення впливу гумусових речовин на накопичення урану (VI) бактеріальними клітинами проводили на прикладі гумінових кислот (ГК), виділених з р. Дніпро. Встановлено, що у межах концентрації ГК 10-50 мг/дм3 відбувається незначне зниження видалення U(VI) B. polymyxa, тоді як за СГК = 200 мг/дм3 спостерігається суттєве зниження інтенсивності біосорбції, очевидно внаслідок утворення комплексних сполук, які погано зв'язуються біомасою (рис. 7). При збільшенні вмісту ГК у модельному розчині відбувається зміна рН з 6 на 7, що також призводить до зниження біосорбції U(VI) клітинами.

Рис. 7 Вплив ГК на поглинання U(VI) клітинами B. polymyxa: 1 - крива зміни поглинання U(VI); 2 - крива зміни рН; CU = 100 мкмоль/дм3; ІNaCl = 0,01

Рис. 8 Вплив СО32--аніонів на поглинання U(VI) клітинами B. polymyxa: 1 - крива зміни поглинання урану (VI); 2 - крива зміни рН; CU = 100 мкмоль/дм3; І NaCl = 0,01.

На рис. 8 представлено загальну тенденцію зміни величини адсорбції U(VI) за умови підвищення вмісту карбонат-іонів в модельному розчині. Встановлено, що за поступового збільшення концентрації CO32--іонів відбувається зміщення рН розчину в лужну область з одночасним зменшенням величин біосорбції. Так, при рН 8,5 спостерігається зменшення сорбції урану на 22,5 %, а при більш лужних значеннях - повна її відсутність, що пояснюється утворенням стійких комплексів UO2(CO3)22- та UO2(CO3)34-, які практично не сорбуються.

Рис. 9 Вплив катіонів Ca2+ на поглинання урану (VI) клітинами B.polymyxa

Вплив катіонів на взаємодію клітин B.polymyxa з U(VI) вивчали на прикладі такого макрокомпонента вод, як кальцій. З джерел літератури відомо, що одновалентні катіони не виявляють суттєвого впливу на зв'язування даного металу біосорбентами. В ході дослідів встановлено, що підвищення вмісту Ca2+ у середовищі супроводжується зменшенням поглинання U(VI) клітинами (рис. 9). Так, за C(Ca2+) = 1 ммоль/дм3 адсорбція U(VI) зменшувалася на 5 % від початкової, а за 50 ммоль/дм3 - всього на 23 %. Стосовно поглинання Sr(II) клітинами B.polymyxa, конкуруючий вплив ко-катіонів вивчали на прикладі Na+, K+, Ca2+ та Mg2+ (рис. 10 та 11). Встановлено, що одновалентні катіони по-різному впливають на зв'язування Sr(ІІ). Присутність у розчині Na+ не виявляє суттєвого впливу на поглинання Sr2+, в той час як присутність К+ призводить до зменшення показників адсорбції: за C(К+) = 50 ммоль/дм3 поглинання стронцію зменшується майже на 50% (див. рис. 10). Більш виражена конкуренція між іонами калію і стронцію за місця зв'язування на поверхні клітин може бути пояснена більш близькими розмірами іонних радіусів К+ і Sr2+ (1,33 та 1,20 Е, відповідно), тоді як у Na+ - 0,98 Е.

Рис. 10 Вплив катіонів Na+ (1) та К+ (2) на поглинання стронцію клітинами B. polymyxa: CSr = 100 мкмоль/дм3; рН0 6

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11 Вплив катіонів Ca2+ (1) та Mg2+ (2) на поглинання стронцію клітинами B. polymyxa

Присутність у модельному розчині іонів Ca2+ та Mg2+ призводить до істотного зменшення поглинання Sr2+ мікробними клітинами (див. рис. 11). Вже за концентрації Ca2+ й Mg2+ 1 ммоль/дм3 біосорбція Sr(ІІ) скорочувалася відповідно на 70 й 50 %; коли вміст Ca2+ у середовищі сягав 10 ммоль/дм3 - біосорбція Sr2+ припинялася, а за присутності такої ж кількості Mg2+ - становила близько 20 % від вихідної.

Рис. 12 ІЧ спектри B. polymyxa

З метою визначення активних груп на поверхні клітин B. polymyxa було використано метод інфрачервоної спектроскопії суспензії клітин до та після взаємодії з іонами U(VI) (рис.12). Спираючись на проведені спектральні дослідження, можна стверджувати, що активними групами на поверхні клітин B. polymyxa є -PO3, >NH, -NH2, -CONH, -OH, >C=O, >CH2, -CH3 та -СООН групи. Показано, що у процесах адсорбції чи комплексоутворення на поверхні клітини задіяні не лише карбоксильні, гідроксильні, фосфатні групи, а також амінні та амідні, роль яких у вилученні іонів урану (VI) може полягати не лише в утворенні хелатів з катіонами, але також у сорбції аніонних форм металу в результаті електростатичної взаємодії або формування водневих зв'язків.

При вивченні зв'язування іонів Sr(II) клітинами B. polymyxa, встановлено, що при внесенні стронцію в суспензію бактеріальних клітин практично не відбувається змін у концентраціях К+, Na+, Ca2+, але збільшується вміст Mg2+ у розчині та зменшується його рН. Викид Mg2+ й H+ становив близько 16,5 та 2,75 мкмоль/г сухої речовини. Витіснення даних катіонів свідчить про іонообмінний механізм зв'язування Sr(ІІ) клітинною поверхнею. Нестехіометричність обміну Sr2+ з Mg2+ та H+ (загальна кількість катіонів, що вивільняються при поглинанні стронцію, становить лише ~ 30 % від кількості сорбованого Sr(ІІ)) може свідчити, що Sr2+ зв'язується також в місцях, що не були раніше зайняті іншими катіонами.

Дослідження електрокінетичних властивостей клітин B. polymyxa показало, що під впливом взаємодії з іонами U(VI) та Sr(ІІ) зі збільшенням концентрацій металів відбувається поступове зниження |ж|-потенціалу термоінактивованих клітин, очевидно, внаслідок стиснення дифузного шару та адсорбції катіонів на поверхні клітини. У випадку інтактних клітин крива зміни електрокінетичного потенціалу (ЕКП) характеризується екстремальною формою з максимальним значенням |ж| 35 та 31 мВ відповідно для урану (VI) та стронцію в діапазоні концентрацій металів 10-100 мкмоль/дм3.

На рис. 13 представлено зміни значення ЕКП клітин B. polymyxa залежно від рН середовища. Видно, що значення |ж|-потенціалу інтактних клітин (крива 1) максимальне при рН 6,5-7 і складає близько 30 мВ. При підкисленні системи подвійний електричний шар (ПЕШ) стискається, а |ж|-потенціал зменшується.



Рис. 13 Залежність ЕКП клітин B. polymyxa від рН середовища

Сорбція позитивно заряджених іонів металів мікробними клітинами веде до зменшення негативного заряду на клітинній поверхні. З іншого боку, підвищення рН водного середовища, де знаходяться інтактні клітини з сорбованими на них іонами металів, призводить до підвищення |ж|-потенціалу до максимального значення, а потім (при переході в нейтральну та лужну області) до деякого його зниження (рис. 13, криві 2 і 3). В той самий час, збільшення |ж|-потенціалу у всій області рН після сорбції металів, у порівнянні з ЕКП інтактних клітин, свідчить про те, що поглинання U(VI) та Sr(II) з розчину має місце практично за будь-яких значень рН, хоча і в значній мірі залежить від величини останнього.

Як видно з рис. 13 (крива 3), збільшення негативного значення ж-потенціалу при досягненні величини рН 6 підвищує роль електростатичного фактора у поглинанні позитивно заряджених іонів U(VI), що, відповідно, веде до збільшення адсорбції U(VI) (див. рис. 6). Подальше підвищення рН призводить до незначного зниження |ж|-потенціалу внаслідок нейтралізації протиіонів ПЕШ. З іншого боку, за рН > 6 збільшується частка негативно заряджених комплексів урану (VI). Обидва ці фактори сумарно призводять до різкого зниження величин адсорбції іонів U(VI) при збільшенні величини рН (див. рис. 5).

Стосовно поглинання іонів стронцію клітинами B. polymyxa, раніше було показано (див. рис. 6), що воно незначне за низьких значень рН, різко збільшується за рН 4, і залишається стабільно високим при рН 5-8, що обумовлено, головним чином, величиною негативного заряду бактеріальних клітин. Це знаходить відображення у зміні електрофоретичної рухливості клітин після біосорбції Sr(II) при різних значеннях рН середовища: при рН 3 |ж|-потенціал збільшується несуттєво, а за подальшого зміщення рН в лужну область ЕКП клітин після взаємодії з іонами Sr(II) збільшується рівномірно (рис. 13, крива 2).

В п'ятому розділі були вивчені можливості відновлення властивостей бактеріальних клітин після поглинання іонів урану (VI) та стронцію з розчину та розроблені рекомендації щодо технології очищення водних систем від сполук урану (VI) та стронцію біосорбентом на основі клітин B. polymyxa.

В ході десорбційних експериментів показано, що зв'язаний біомасою стронцій найбільш ефективно вимивають хлориди кальцію та магнію і соляна кислота (ступінь десорбції (D) становить близько 20 %), а для урану (VI) найсильнішими десорбентами є карбонат та гідрокарбонат натрію, що може бути пояснено утворенням міцних водорозчинних аніонних комплексів [UO2(CO3)3]4-.

Встановлено, що для відновлення властивостей клітин біосорбенту після поглинання U(VI) найбільш ефективними є 0,1 та 1 М розчини Na2CO3 та NaHCO3 - ступінь десорбції складає близько 90 % (табл. 2). Проте обробка 1 М розчинами призводить до структурних пошкоджень клітин бактерії, що унеможливлює повторне використання біосорбенту. Тому доцільнішим є використання в якості десорбуючого агенту 0,1 М розчину гідрокарбонату натрію. При цьому ступінь вивільнення металу практично не зменшується (89,4 %), але внаслідок зменшення пошкоджуючого ефекту повторна адсорбція (as') складає 91,5 мкмоль/г.

Таблиця 2 Десорбція та повторна адсорбція урану (VI) біосорбентом

as, мкмоль/г	Десорбуючий агент	Концентрація агенту, моль/дм3	D, %*	as', мкмоль/г
156,1	NaHCO3	0,01	28,2	161,7
155,8	те саме	0,1	89,4	91,5
156,8	- // -	1,0	90,8	0
156,0	Na2CO3	0,01	-	-
157,0	те саме	0,1	90,4	69,5
156,0	- // -	1,0	91,4	0

Експерименти з модельними та реальними водними середовищами показали, що бактеріальні клітини можуть одночасно поглинати іони урану (VI) та стронцію. Так, коефіцієнти розподілу (Kd) як U(VI), так і Sr(ІІ) при вилученні їх з розчинів, що містить обидва ці елементи, близькі за значенням до Kd цих металів при сорбції їх із монорозчинів (табл. 3). Встановлено, що ступінь очищення (СО) води від стронцію буде залежати від вмісту ко-іонів, а урану (VI) - в більшій мірі від величини рН середовища, ніж від впливу присутніх в його складі аніонів та катіонів (табл. 3). Показано, що підкислення води до рН 5 підвищує СО води від урану (VI) до 92-94%.

Оскільки в ході досліджень було показано, що для ефективного перебігу процесу вилучення розчинених іонів металів B. polymyxa немає необхідності в іммобілізації біомаси, для цієї біотехнології можна запропонувати конфігурацію періодичного процесу. В такому випадку початкові затрати для встановлення та налаштування роботи установки можна порівняти з такими ж, як при використанні методу хімічного осадження. Відокремлення відпрацьованої біомаси від рідкої фази при використанні такого реактора з мішалкою може здійснюватися за допомогою центрифугування.

Таблиця 3 Видалення U(VI) та Sr(II) клітинами B. polymyxa з водних середовищ

Водне середовище	рН	U(VI)	Sr(II)
		СО, %	Kd·103, см3/г	СО, %	Kd·103, см3/г
Модельний розчин U(VI)	5,0	94,2	27,50	-	-
	7,5	51,6	1,81	-	-
Модельний розчин Sr(II)	5,0	-	-	42,8	1,27
	7,5	-	-	44,4	1,36
Модельний розчин U(VI)+Sr(II)	5,0	94,1	27,12	42,8	1,27
	7,5	50,0	1,70	44,7	1,37
Модельна шахтна вода	5,0	92,2	20,10	-	-
	8,0	8,8	0,16	-	-
Реальна шахтна вода (СхідГЗК)	5,0	89,5	14,50	-	-
	6,5	64,4	3,08	-	-
Модельна «блокова» вода	6,6	14,0	0,36	42,3	1,25
	8,0	3,0	0,07	40,0	1,13
Модельна свердловинна вода	5,0	89,8	14,97	19,6	0,41
	7,5	4,7	0,08	21,7	0,47

Біомасу та екзополісахариди бактерії B. polymyxa в промислових масштабах на території України виробляє біотехнологічний завод «Фермент» (м. Ладижин, Вінницька обл.), і її вартість складає 10 грн за 1 дм3 суміші (за станом на 2009 р.). Суттєвою перевагою використання бактерії B. polymyxa як біосорбенту також є те, що для ефективної роботи мікробні клітини не потребують попередньої хімічної, термічної або іншої обробки та не вимагають створення спеціальних умов для підтримання їх життєдіяльності.

Для утилізації відходів біологічного очищення води в першу чергу необхідно зменшити об'єм відходів. Внаслідок великого вмісту води в біологічних об'єктах найпоширенішим способом обробки біологічних осадів є їх ущільнення та зневоднення. Встановлено, що при висушуванні біосорбенту на основі B.polymyxa його маса зменшується на 92 %, а зольність складає 6,65 %. Іммобілізація сажоподібних продуктів та зольних залишків спалювання можлива за допомогою склокерамічної технології.

У додатках наведені відомості щодо основних активних центрів, що беруть участь у зв'язуванні металів при біосорбції, хімічного складу шахтної води (Східний гірничо-збагачувальний комбінат, м. Жовті Води, Дніпропетровська обл.), рідких радіоактивних відходів об'єкту «Укриття» Чорнобильської АЕС, свердловинної води (УкрНДРІпромтехнології, м.Дніпродзержинськ, Дніпропетровська обл.) та форм урану (VI) в розчині залежно від величини рН.

Висновки

У дисертації вирішено важливе екологічне завдання щодо встановлення впливу урану (VI) та стронцію на біологічні та фізико-хімічні властивості клітин Bacillus polymyxa ІМВ 8910, що дало можливість запропонувати використання біомаси останньої як біосорбенту для зниження антропогенного навантаження на довкілля. Проведені дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1. Показано, що ріст та розвиток культури B. polymyxa залежить від присутності в середовищі іонів урану (VI), що призводить до збільшення тривалості lag-фази та зменшення приросту біомаси. Присутність у середовищі сполук стабільного ізотопу стронцію практично не впливає на розвиток культури, а стронцію-90 - веде до зменшення приросту біомаси на 20 % (за активності розчину 30 кБк/дм3).

2. Вперше встановлено, що при взаємодії клітин B. polymyxa з U(VI) та Sr(ІІ) відбувається поглинання даних металів з водних розчинів. Визначено, що цей процес не залежить від температури, наявності субстратів та інгібіторів енергетичного обміну клітини та від стану біомаси, що дає підставу кваліфікувати його як біосорбцію.

3. Вивчено фізико-хімічні закономірності взаємодії клітин B. polymyxa з іонами урану (VI) та стронцію. Вперше показано, що максимальне поглинання U(VI) спостерігається в діапазоні рН 4-6, Sr(ІІ) - рН > 4; присутність у воді комплексоутворюючих агентів органічної та неорганічної природи та ко-іонів знижує ефективність сорбції; кінетика поглинання як урану (VI), так і стронцію описується рівнянням псевдо-другого порядку, лімітуючою стадією є перенесення іонів металів до поверхні сорбенту.

4. Підтверджено електростатичну взаємодію між бактеріальними клітинами та іонами U(VI) і Sr(ІІ) за результатами дослідження зміни о-потенціалу. Визначено, що поглинання даних металів здійснюється, головним чином, за рахунок комплексоутворення з активними групами поверхні клітин B. polymyxa; особлива роль в процесах зв'язування як урану (VI), так і стронцію належить карбоксильним групам. Встановлено, що у накопиченні стронцію задіяний також іонообмінний механізм.

5. Показано, що для відновлення властивостей клітин B. polymyxa як біосорбенту сполук урану (VI) доцільно використовувати його обробку розчином NaHCO3 у концентрації 0,1 М.

6. Вперше встановлено здатність біосорбенту на основі клітин B. polymyxa видаляти розчинні форми U(VI) та/або Sr(ІІ) з водних середовищ: реальної та модельної шахтної води, модельної «блокової» води об'єкту «Укриття» ЧАЕС та модельної свердловинної води. Показано, що бактерія може одночасно вилучати уран (VI) та стронцій з середовища без зменшення ефективності видалення обох металів. Встановлено, що підкислення води до рН 5 підвищує ступінь очищення води від урану (VI) до 94%.

7. Обгрунтовано принципову технологію очищення водних систем від розчинних сполук урану (VI) та стронцію біосорбентом на основі клітин B. polymyxa, що передбачає застосування періодичної конфігурації процесу, з подальшим відокремленням біомаси за допомогою центрифугування.

Список опублікованих праць здобувача за темою дисертації

1. Роль ціанобактерій та мікроводоростей в очищенні радіоактивно забруднених вод / В.Ю. Тобілко, І.А. Ковальчук, Т.М. Дарієнко, І.А. Шевчук, Л.М. Спасьонова, Б.Ю. Корнілович // Наукові записки Тернопільського пед. університету ім. В. Гнатюка. Серія: Біологія. Спец. випуск: Гідробіологія - 2005. - Т. 26, № 3. - С. 438-440.

Аналіз літератури, участь в плануванні експериментів із вилучення урану ціанобактеріями та мікроводоростями, обговоренні та трактуванні отриманих результатів досліджень, написанні статті.

2. Сорбция ионов U(VI) природной ассоциацией организмов активного ила и чистой культурой Bacillus polymyxa ИМВ 8910 / Л.Н. Спасенова, В.Ю. Тобилко, И.А. Лещук (И.А. Шевчук), П.И. Гвоздяк, Б.Ю. Корнилович // Химия и технология воды. - 2006. - Т.28, №6. - С. 604-615.

Літературний пошук, планування та проведення експериментів з сорбції урану (VI) клітинами B. polymyxa. Участь в обговоренні результатів досліджень, встановленні закономірностей поглинання урану бактерією та написанні статті.

3. Шевчук И.А. Биологические особенности сорбции урана (VI) и стронция клетками Bacillus polymyxa ИМВ 8910 / И.А. Шевчук, Н.А. Клименко // Химия и технология воды. - 2009. - Т.31, № 5. - С. 566-574.

Літературний пошук, планування та проведення експериментів з дослідження впливу урану (VI) та стронцію на ріст та розвиток культури B. polymyxa, вивчення біологічних особливостей та встановлення способу поглинання металів клітинами бактерії. Участь в обговоренні результатів досліджень та написанні статті.

4. Шевчук И.А. Изменение электрокинетического потенциала клеток Bacillus polymyxa ИМВ 8910 при взаимодействии с ионами урана (VI) и стронция / И.А. Шевчук, Н.А. Клименко // Химия и технология воды. - 2010. - Т.32, №1. -С. 97-106.

Літературний пошук, планування та проведення експериментів з дослідження взаємодії урану (VI) та стронцію з клітинами B. polymyxa методом мікроелектрофорезу, сорбційні експерименти; визначення ролі електростатичної взаємодії при зв'язуванні металів клітинами. Обробка результатів, участь в обговоренні результатів досліджень та написанні статті.

5. Биосорбция урана (VI), стронция и цезия клетками Bacillus polymyxa ИМВ 8910 / И.А. Лещук (Шевчук И.А.), Л.Н. Спасенова, А.Л. Маковецкий, Б.Ю. Корнилович // Ядерные и радиационные технологии. - 2007. - Т.7, № 1-2. - С. 46-57.

Аналіз літератури, проведення сорбційних експериментів з вилучення урану, стронцію та цезію бактерєю B. рolymyxa та зі з'ясування механізму зв'язування стронцію клітинами, участь в обговоренні отриманих результатів досліджень та написанні статті.

6. Біологічна очистка уранвмісних вод / В.Ю. Тобілко, Л.М. Спасьонова, І.А. Шевчук, Б.Ю. Корнілович // Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод : міжнар. наук.-практ. конф., 12-15 квітня 2005 р. : матеріали конф. - Миргород, 2005. - С. 43-47.

7. Деякі аспекти механізму біосорбційної очистки уранвмісних вод Bacillus polymyxa та Xanthomonas campestris. / І.А. Шевчук, І.А. Ковальчук, Л.М. Спасьонова, Б.Ю. Корнілович // Львівські хімічні читання - 2005 : X наук. конф., 25-27 травня 2005 р. : збірник наукових праць. - Львів, 2005. - С. Д6.

8. Біосорбція урану - шлях до зменшення токсичного навантаження на водні екосистеми / Л.М. Спасьонова, В.Ю. Тобілко, І.А. Шевчук, Г.В. Лантух, Л.Ю. Оріховська // Актуальні проблеми токсикології. Безпека життєдіяльності людини : VI між нар. наук.-практ. конф., 1-3 жовтня 2005 р. : тези доповідей. - К., 2005. - С. 25.

9. Biocolloid methods to remove heavy metals and radionuclides / L. Spasonova, B. Kornilovych, N. Mischuk, V. Tobilko, I. Leshchuk (I. Shevchuk) // Interfaces Against Pollution : IV International Conference, June 4-7, 2006 : book of abstracts. - Granada, Spain, 2006. - P. 205.

10. Мікробіологічне вилучення урану (VI) з водних середовищ / I. А. Лещук (Шевчук I. А.), В. Ю Тобілко, Л. М. Спасьонова, Б. Ю. Корнілович // Львівські хімічні читання - 2007 : XI наук. конф., 30 травня - 1 червня 2007 р. : збірник наук. праць. - Львів, 2007. - С. Д9.

В роботах [6-10] проведення експериментальних досліджень з сорбції урану (VI) клітинами B. polymyxa з водних розчинів, участь в обговоренні результатів досліджень та написанні тез, доповідь на конференції.

11. Leshchuk I. (Shevchuk I.) Biosorption of radionuclides by bacterium Bacillus polymyxa IMV 8910 / I. Leshchuk, N. Klymenko // 22nd Conference of the European Colloid and Interface Society, 31st August - 5th September, 2008 : book of abstracts. - Cracow, Poland, 2008. - P. 488.

12. Leshchuk I. (Shevchuk I.) Removal of Radionuclides by bacterium Bacillus polymyxa IMV 8910 / I. Leshchuk, N. Klymenko // 11th JCF-Fruhjahrssymposium, March 11-14, 2009 : book of abstracts. - Essen, Germany, 2009. - P. 178.

13. Leshchuk I. (Shevchuk I.) Sorption of radionuclides by bacterium Bacillus polymyxa IMV 8910 / I. Leshchuk, N. Klymenko // Тhe International Conference dedicated to the 50th anniversary from foundation of the Institute of Chemistry of the Academy of Sciences of Moldova, May 26-28, 2009 : book of abstracts. - Chisinau, Moldova, 2009. - P.188.

В роботах [11-13] дослідження сорбції та десорбції урану (VI) та стронцію клітинами B.polymyxa з водних розчинів, участь в обговоренні результатів досліджень та написанні тез.

14. Лещук I.A. (Шевчук I.A.) Електрокінетичні властивості клітин Bacillus polymyxa ІМВ 8910 при взаємодії з ураном (VI) / I.A. Лещук, Н.А. Клименко // Львівські хімічні читання - 2009 : XII наук. конф., 1-4 червня 2009 р. : збірник наук. праць. - Львів, 2009. - Д-17.

Проведення експериментів з дослідження взаємодії урану (VI) з клітинами B. polymyxa методом мікроелектрофорезу. Обробка результатів, участь в обговоренні результатів досліджень та написанні тез, доповідь на конференції.

15. Leshchuk I. (Shevchuk I.) Uranium removal by Bacillus polymyxa IMV 8910 from aqueous solution / I. Leshchuk, N. Klymenko // 12th EUCheMS International Conference on Chemistry and the Environment, June 14-17, 2009 : book of abstracts. - Stockholm, Sweden, 2009. - Sus P6.

Проведення експериментів з сорбції та десорбції урану (VI) та стронцію клітинами B.polymyxa. Участь в обговоренні результатів досліджень та написанні тез.

Анотація

Шевчук І.А. Вплив урану (VI) та стронцію на клітини Bacillus polymyxa ІМВ 8910 у водному середовищі - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 - екологія. - Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, Київ, 2010.

Дисертацію присвячено дослідженню впливу урану (VI) та стронцію на біологічні і фізико-хімічні властивості клітин B. polymyxa ІМВ 8910 з метою використання біомаси останньої в якості біосорбента для зниження антропогенного навантаження на довкілля. Встановлено, що взаємодія іонів урану (VI) з клітинами B. polymyxa призводить до пригнічення росту та розвитку бактеріальної культури. Стабільний ізотоп стронцію практично не справляє інгібуючого впливу на ріст мікроорганізмів, тоді як присутність у поживному середовищі Sr90 призводить до деякого зменшення приросту біомаси бактерії.

Вперше показано, що B. polymyxa здатна поглинати U(VI) та Sr(II) з розчину. Досліджено біологічні та фізико-хімічні особливості взаємодії даних металів з клітинами. Встановлено, що поглинання даних металів здійснюється шляхом біосорбції. Вивчено вплив рН, комплексоутворючих агентів органічної та неорганічної природи, ко-іонів на процеси поглинання даних металів з розчину. Досліджено кінетику сорбції U(VI) та Sr(II) клітинами B. polymyxa. Визначено механізми, за якими відбувається взаємодія U(VI) та Sr(II) з бактеріальними клітинами. Вперше показано ефективність використання біомаси B.polymyxa для очищення водних середовищ, забруднених сполуками урану (VI) та стронцію, розроблено рекомендації щодо технології використання даного біосорбенту.

Ключові слова: екологія, водне середовище, Bacillus polymyxa ІМВ 8910, механізми взаємодії, біосорбція, уран (VI), стронцій.

Аннотация

Шевчук И.А. Влияние урана (VI) и стронция на клетки Bacillus polymyxa ИМВ 8910 в водной среде - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 - экология. - Институт коллоидной химии и химии воды им. А.В. Думанского НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертация посвящена установлению влияния соединений урана (VI) и стронция на биологические и физико-химические свойства клеток B. polymyxa ИМВ 8910 с целью использования биомассы последней в качестве биосорбента для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду.

Установлено, что взаимодействие ионов урана (VI) с клетками B. polymyxa приводит к угнетению роста и развития бактериальной культуры. Присутствие в питательной среде ионов стабильного изотопа стронция, как и предыдущее взаимодействие их с клетками бактерии, практически не оказывают ингибирующего влияния на рост микроорганизмов, тогда как внесение в среду культивирования Sr90 ведет к некоторому уменьшению прироста биомассы бактерии. Впервые показано, что B. polymyxa способна поглощать ионы U(VI) и Sr(II) из водных растворов. Исследованы биологические особенности взаимодействия ионов урана (VI) и стронция с клетками B. polymyxa: влияние возраста культуры, физиологического состояния клеток, температуры, ингибиторов метаболизма и энергетических субстратов. Установлено, что поглощение ионов данных металлов осуществляется путем биосорбции, т.е. пассивно, независимо от метаболизма клеток.

Впервые исследованы физико-химические особенности взаимодействия клеток B. polymyxa с ионами урана (VI) и стронция. Изучена кинетика поглощения данных металлов клетками B.polymyxa. Установлено, что для описания этого процесса подходит модель псевдо-второго порядка, а лимитирующей стадией является внешний перенос ионов металлов к поверхности сорбента. Проанализировано влияние рН среды, а также комплексообразующих агентов органической и неорганической природы, ко-ионов на процессы поглощения металлов бактериальными клетками. Исследованы механизмы, по которым происходит взаимодействие U(VI) и Sr(II) с бактериальными клетками. Установлено, что в связывании ионов данных металлов принимают участие следующие функциональные группы: -PO3, >NH, -NH2, -CONH, -OH, >C=O, >CH2, -CH3 и -СООН, которые располагаются на поверхности бактериальной клетки. Изучены изменения электрокинетического потенциала клеток B. polymyxa под влиянием взаимодействия с ионами металлов. Показано, что накопление последних ведет к увеличению |о|-потенциала, что свидетельствует об электростатическом взаимодействии между бактериальными клетками и ионами урана (VI) и стронция.