Usuwanie i odzyskiwanie metali ciężkich z użyciem drobnoustrojów

Transkrypt

1 Usuwanie i odzyskiwanie metali ciężkich z użyciem drobnoustrojów Mirosława Słaba i Jerzy Długoński Uniwersytet Łódzki

2 Metale ciężkie i metaloidy niezbędne dla metabolizmu organizmów żywych: Makropierwiastki: Fe Mikropierwiastki i pierwiastki śladowe: Cu, Zn, Co, Mo, Ni, Sn, V, Mn, Cr, Se Metale ciężkie i metaloidy, dla których nie wykazano żadnej fizjologicznej roli: Cd, Pb, Ag, Au, Hg, At, As

3 Źródła zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi związane z gospodarką człowieka: - procesy spalania węgla w elektrowniach, elektrociepłowniach, kotłowniach oraz spalanie śmieci, - przemysł wydobywczy i hutniczy, - produkcja paliw i przemysł motoryzacyjny, - galwanizernie i lakiernie, - produkcja akumulatorów, barwników - produkcja szkła, ceramiki i papieru, - naturalne: - wymywanie metali z rud, - aktywność wulkaniczna.

4 Ilość metali wprowadzanych do środowiska w Polsce w 1996 r według rodzajów działalności przemysłowej [%] (Klimiuk i Łebkowska, 2003, za Ochrona Środowiska 1998,. Informacje i opracowania statystyczne GUS, 1998) elektrownie, kotłownie procesy spalania w zakładach przemysłowych procesy produkcyjne bez udziału spalania transport drogowy inne rodzaje transportu odpady elektrociepłownie, elektrownie i ciepłownie

5 Ilość metali ciężkich wprowadzanych do środowiska w Polsce w 1996 roku według rodzajów metali [t/rok] (Klimiuk i Łebkowska, 2003, za Ochrona Środowiska 1998,. Informacje i opracowania statystyczne GUS, 1998) cynk miedź ołów nikiel chrom kadm arsen rtęć

6 METALE CIĘŻKIE + DROBNOUSTROJE MOBILIZACJA METALI: IMMOBILIZACJA: - bioługowanie, - biosorpcja - metylacja - wewnątrzkomórkowa akumulacja

7 Procesy i reakcje odpowiedzialne za mikrobiologiczne wiązanie i detoksykację metali ciężkich, z uwzględnieniem lokalizacji procesu Błona komórkowa/przestrzeń peryplazmatyczna - adsorpcja/ wymiana jonów - reakcje redox/ transformacje - precypitacja Ściana komórkowa -adsorpcja - wymiana jonów i wiązanie kowalencyjne - reakcje redox - precypitacja Wnętrze komórki - metalotioniny i fitochelatyny - niespecyficzne wiązanie/ maskowanie jonów - wydzielanie w organellach - reakcje redox/ transformacje Reakcje zewnątrzkomórkowe - precypitacja reakcje z metabolitami - kompleksowanie i chelatacja - siderofory Materiały związane z komórką (polisacharydy, otoczki, śluz) - wymiana jonów precypitacja

8 Mechanizm biosorpcji: chemisorpcja, wymiana jonowa, kompleksowanie, mikroprecypitacja / krystalizacja, wiązania kowlencyjne, oddziaływania elektrostatyczne, siły van der Vaalsa.

9 Rodzaje desorbentów: kwaśne (np.. Kwas solny, azotowy, siarkowy, związki kompleksujące (np. EDTA, merkaptoetanol) alkaliczne (węglany).

10 Schemat usuwania lub odzysku metali ciężkich ze ścieków / roztworów Wodnych przy użyciu biomasy drobnoustrojów lub ich pochodnych Ścieki / roztwór zawierający metale ciężkie Biosorpcja przez biomasę lub biopolimery pochodzenia drobnoustrojowego Recyrkulacja Obciążona biomasa Regeneracja biomasy Oczyszczanie destrukcyjne Desorpcja nie powodująca destrukcji usunięcie (zabezpieczenie) / odzysk metalu (po elektrolizie)

11 Przykłady biosorpcji metali przez mikroorganizmy Rodzaj/gatunek Metal Stężenie metalu (mg/l) Zawartość metalu w biomasie (mg/g s.m.) Literatura Saccharomyces cerevisiae Rhizopus arrhizus Absidia orchisis Verticillium marquandii Ascophyllum nodosum Oscillatoria anguistissima Pseudomonas sp. Proteus vulgaris Bacillus subtilis Zooglea ramigera Fusarium flocciferum U Th Pb Zn Pb Pb Zn Cd Pb Zn Cu Cd Cd ,2-42,4 0,37-71, Strandberg i wsp.,1981 Tsezos i Volesky, 1982 Holan i Volesky, 1994 Słaba i Długoński, 2000 Holan i Volesky, 1994 Ahuja i wsp Grędzińska i Stolarczyk, 1995 Brierley i Brierley, 1993 Norberg i Persson, 1984 Delgado i wsp., 1998

12 Zalety mikrobiologicznych metod oczyszczania środowiska z metali ciężkich: mała agresywność wobec środowiska: - możliwość oczyszczania w miejscu powstania zanieczyszczenia (in situ), atrakcyjne ekonomicznie: - namnażanie biomasy na tanich pożywkach na bazie odpadów, - wykorzystanie biomasy odpadowej, pochodzącej z przemysłu fermentacyjnego, - desorpcja metalu pozwalająca na odzysk cennych metali lub bezpieczne usuniecie toksycznych metali i wielokrotne wykorzystanie biomasy wiążącej metal, wysoka efektywność wiązania metali: - modyfikacje biomasy drobnoustrojów, - zastosowanie kolumn i złóż upakowanych materiałem biologicznym jako biosorbentem.