Криобиологические сосуды > Материалы и биотехнология > Внеклеточное осаждение

Внеклеточное осаждение


Металлы могут иммобилизовываться и накапливаться в почвах и в осадочных породах за счет связывания с продуктами мета­болизма микробов или с накапливающимися органическими остатками. Эти процессы издавна использовались человеком при очистке сточных и промышленных вод. При обычной очистке сточных вод образующийся ил содержит целый набор ме­таллов, перешедших из воды. Живые клетки и органические остатки, присутствующие в отстойниках или проточных прудах, будут накапливать эти металлы, которые впоследствии оказы­ваются в осадках. Для удаления металлов из промышленных стоков или из рудничных вод в горнорудной промышленности используют пруды, в которых «цветут» водоросли (их усилен­ный рост стимулируется органическими или минеральными пи­тательными веществами, которые содержатся в воде).
Один из наиболее удачных примеров внеклеточного осажде­ния — перевод металлов в осадок путем осаждения сероводо­родом, образуемым сульфатредуцирующими бактериями. Эти бактерии обитают в анаэробных средах во всех частях земного шара (в озерных, океанических и некоторых речных осадках, бескислородных почвах, болотах и т. п.), и с их помощью про­исходит сопряжение окисления органических веществ с восста­новлением сульфатов до сульфидов:
H2SO4+8H = H2S + 4H2O.    (10)
Эта реакция может приводить к осаждению металлов в почвах -и осадках, например в виде пирита (FeS2). В масштабе геолотического времени таким способом могут накапливаться большие массы сульфидов металлов, например CuS. К образованию сульфидов ведет разложение биомассы водорослей в осадочных породах. Схематически такой процесс представлен на рис. 5.4. Оба этих процесса осуществляются в природе и используются человеком в относительно небольших масштабах, если говорить об общем количестве загрязненной металлами воды, которая нуждается в очистке. Потенциальные возможности применения биотехнологии для бактериального восстановления сульфатов в целях очистки вод от металлов, а также для извлечения метал­лов из разбавленных растворов совершенно очевидны. На рис. 5.5 показаны две высокотехнологичные системы такого ро­да. В одноступенчатой системе в хемостат с культурой сульфат-редуцирующих бактерий непрерывно поступает раствор, загряз­ненный каким-либо металлом и содержащий сульфат и пита­тельные вещества типа лактата или в зависимости от природы используемой бактерии углеводород либо органическую кисло­ту. Для одновременного разложения сложных органических остатков можно применять смешанные культуры бактерий.
 
Существующая в природе система осаждения металлов

Рис. 5.4. Существующая в природе система осаждения металлов. Отмершие водоросли оседают на дно водоема (стадия 1) и при их последующем разло­жении под действием микроорганизмов образуется сероводород, осаждающий металлы (стадия 2).
 
функционирующих в анаэробных условиях. При более строго контролируемом процессе для получения сероводорода следует использовать раздельные культуры сульфатредуцирующих бак­терий; при этом сероводород необходимо прокачивать сквозь загрязненную металлом воду, протекающую через осадочный чан. Сульфид металла будет осаждаться, а поток свободной от ме­талла (или по крайней мере сильно очищенной) воды — выте­кать из резервуара. Потери избыточного сульфида можно конт­ролировать, меняя соотношение между поступающими сульфа­том и металлом. Однако некоторое количество избыточного-растворимого сульфида все-таки неизбежно образуется. Его-можно удалять путем спонтанного химического окисления, если поддерживать на соответствующем уровне количество раство­ренного сульфата. Альтернативным решением является окисление сульфида серуобразующими фотосинтезирующими бактерия­ми в трехступенчатом процессе. Далее возможно экономически; выгодное получение элементарной серы. Излишки газообразного сероводорода легко вновь использовать в цикле.
 
Две высокотехнологичные системы извлечения металлов из растворов в виде сульфидов
Рис. 5.5. Две высокотехнологичные системы извлечения металлов из растворов в виде сульфидов. В одностадийной системе применяют сульфатредуцирующие-бактерии в двустадийной системе образуется сероводород, который в дальней­шем используется для осаждения металлов в отдельном резервуаре.