Вода — важнейшая составляющая среды нашего обитания. После воздуха, вода второй по значению компонент, необходимый для человеческой жизни [2].
Известны способы очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов при их совместном присутствии путем их связывания в труднорастворимые соединения, где в качестве осадителей применяют оксиды, гидроксиды, соли щелочных, щелочноземельных и переходных металлов, сульфид- и фосфатсодержащие материалы [1].
К тяжелым металлам относится больше 40 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева.
Тяжёлая экологическая ситуация на большей части территории Российской Федерации, особенно в промышленных районах, требует принятия радикальных и широкомасштабных мер по защите среды обитания от массовых антропогенных загрязнений. К многочисленным вредоносным для окружающей среды и человека воздействиям, наносящим наибольший ущерб здоровью населения, относятся загрязнения водоёмов промышленными и коммунально-бытовыми сточными водами и воздушного бассейна — отходящими газами промышленных предприятий и транспорта. Промышленные, хозяйственно-бытовые и ливневые сточные воды содержат нефтепродукты, масла, фенолы, тяжёлые металлы и различную органику, которые чрезвычайно опасны для человека и живой природы. Особенно опасны ионы тяжелых металлов, обладающие мутагенными свойствами и нарушающие эмбриогенез [3].
Тяжелыми металлами являются хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут и другие [4].
Проблема удаления тяжелых металлов из сточных вод сейчас особенно актуальная. Плохо очищенные сточные воды поступают в природные водоемы, где тяжелые металлы накапливаются в воде и донных отложениях, становясь таким образом источником вторичного загрязнения. Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объему водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорбируются на минеральных и органических осадках. Вследствие чего содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно увеличивается, и когда адсорбционная способность осадков исчерпывается, тяжелые металлы поступают в воду, что и приводит к экологическому кризису. Штрафные санкции за сброс тяжелых металлов в воду становятся все жестче, но это не решает проблемы [4].
Тяжелые металлы поступают в организм человека с едой и водой. Когда содержание тяжелых металлов в организме превышает предельно-допустимые концентрации, начинается их отрицательное воздействие на человека. Помимо прямых последствий в виде отравления, возникают и косвенные — ионы тяжелых металлов засоряют каналы почек и печени, чем снижают способность этих органов к фильтрации. Вследствие этого в организме накапливаются токсины и продукты жизнедеятельности клеток, что приводит к общему ухудшению здоровья человека.
Тяжелые металлы в природных водах находятся в растворенном и адсорбированном состоянии. Попадая в воду в ионной форме, они накапливаются в осадках в виде гидрооксидов, карбонатов, сульфидов или фосфатов.
Содержание различных металлов в водоемах варьирует в широких пределах. Высокие концентрации тяжелых металлов обнаруживаются в верхних слоях воды.
По своей токсичности тяжелые металлы можно расположить в следующей последовательности: ртуть, серебро, медь, кадмий, цинк, свинец, хром, никель, кобальт [5].
Однако этот порядок может изменяться в зависимости от вида организма и от того, присутствуют ли эти элементы в растворе в виде свободного иона, недиссоциированной соли, либо входят в состав органических или неорганических комплексных соединений. Недиссоциированные соли и ионы, образующие комплексы, обычно менее токсичны, чем свободные ионы в тех же концентрациях [6].
Имеется много исследований по очистке вод от различных вредных примесей. Достигнуты крупные успехи по разработке и внедрению способов биологической очистки бытовых и ряда других отходов. В то же время несмотря на то, что микробиологическая трансформация и детоксикация отдельных металлов и их соединений уже достаточно полно изучена, биологическая очистка от них промышленных сточных вод находится на стадии разработки и становления.
Проводимая в настоящее время очистка стоков от тяжелых металлов химическими, физическими, электрохимическими способами дорога громоздка, причем не всегда обеспечивается высокая степень очистки. Следует отметить, что при традиционных методах обезвреживания и озоления отходов в целом затраты в 3 раза превышают стоимость биологического разложения, Расходы на строительство и эксплуатацию станций биологической очистки также ниже, чем для большинства предприятий по традиционной обработке отходов.
Перспективны микробиологические методы сорбции и осаждения ионов металлов. Для извлечения металлов из растворов могут быть использованы представители различных таксономических групп. Так, клетки Thiobacilus ferrooxidans извлекают из раствора ионы Cd(II), Co(II), Cu(II), Cr(VI), Fe(III), Ni(II), Ag+, Au(III); цианобактерии — Cd (II), Au(III); клетки хлореллы — Cd(II), Ni(II), Co(II), Zn(II), Sr(II), Mo(II); дрожжи Candida lipolytica, Candidautilis, Rhodotorula mucilaginosa — Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II), Zn (II); мицеллиальные грибы рода Aspergillus — Co (II), Ra(II).
Микроорганизмы по разному реагируют на тяжелые металлы. Ряд микроорганизмов способны осуществлять активный транспорт тяжелых металлов внутрь клеток [7].
Сульфатредукторы — одна из самых древних физиологических групп бактерий.
Осаждать сульфиды металлов способны не только облигатные сульфатредукторы, но и микроорганизмы, использующие менее окисленные соединения серы в дыхательной цепи, селекционированные штаммы бактерий pода Pseudomonas, обладающие способностью к сульфатредукции. В результате их деятельности хорошо растворимые токсичные сульфаты восстанавливаются до практически нерастворимых, выпадающих в осадок форм.
В результате деятельности сульфатвосстанавливающих бактерий из сточных вод осаждаются сульфиды кобальта, никеля, кадмия, железа, свинца, цинка и другие [8].
Большинство сульфатредуцирующих бактерий хорошо растут при температуре 25–30 0С. Для отдельных видов оптимальная температура несколько выше (37–46 0С). Известны и термофильные виды, растущие при температуре выше 65 0С. Есть также данные, что при высоком давлении (1000 атм).
В примерах технологического применения бактериальной сульфатредукции — образование нерастворимых сульфидов металлов при взаимодействии стоков с сероводородом, являющимся продуктом жизнедеятельности сульфатредуцирующих микроорганизмов — положен принцип стимуляции развития сульфатредуцирующих бактерий в анаэробных условиях обогащением среды доступным для них органическим веществом [9].
В способе биохимической очистки сточных вод от ионов ртути сульфатвосстанавливающие бактерии в анаэробных условиях восстанавливают сульфаты до сероводорода, который осаждает ионы ртути в виде нерастворимого сульфида ртути. Биохимической очистке подвергают модельную сточную воду следующего состава (мг/л): ХПК 150; сульфаты — 300; фосфаты — 1,5; нитраты — 18,0; Hg (II) — 10. Содержание Hg (II) за 24 часа снизилось с 10 до 1–2 мг/л, а степень очистки составила 80–90 %. В параллельном опыте к активному илу, содержащему сульфатвосстанавливающие бактерии, дополнительно прибавили тионовые, аммонифицирующие, денитрифицирующие бактерии, состава 20 % от сульфатвосстанавливающих бактерий. Содержание Hg (II) в очищенной воде составляет в этом примере менее 0,1 мг/л, степень очистки возрастает до 99 %.
Таким образом, в биотехнологии очистки сточных вод от тяжелых металлов особенно важное значение имеют сульфатредуцирующие бактерии. Однако, применение сульфатов в качестве окислителя органических веществ при очистке сточных вод пока затруднительно из-за чрезмерной токсичности образующегося сероводорода, неумения и нежелания с ним работать, высокой его реакционной способности, что требует биореакторов из коррозионно стойких материалов. В то же время использование сульфата как окислителя очень важно при очистке сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, которые, связываясь с сероводородом, осаждаются в виде сульфидов. Такой осадок во много раз меньше того, который образуется в результате сорбции ионов тяжелых металлов на биомассе, и может служить сырьем для извлечения содержащихся в нем элементов.
Литература:
1. Баймаханов М. Т., Лебедев К. Б., Антонов В. Н., Озеров А. И. Очистка и контроль сточных вод предприятий цветной металлургии. -М.: Металлургия, 1983, с. 191.
2. Сайт webmaster Noosfera 2000–2003 г.
3. Журнал Экология и промышленность России. Февраль 2000 г. «Сорбенты на пути загрязнения водоёмов»- А. И. Блохин, Ф. Е. Кенеман и др. –Научно технический центр Экосорб.
4. Тяжелые металлы. Электронный ресурс. www. t-water.ru/index.php/ochistka-stochnykh-vod/91-tyazhelye-metally.
5. Авакян З. А. Сравнительная токсичность тяжелых металлов для некоторых микроорганизмов // Микробиология.-1967,- т. 36, № 6 — С. 446–450.
6. Илялетдинов А. Н. Микробиологическая очистка воды от тяжелых металлов //Водные ресурсы,- 1980,- № 2,- С.158–169.
7. .Эрлих Х.Жизнь микробов в экстремальных условиях.-М.: Мир, 1981, 469 с.
8. Зайнуллин Х. Н., Смирнова Г. Ф. и др. Применение сульфатвосстанавливающих бактерий для биохимической очистки сточных вод машиностороительных предприятий //Химия и технология воды,- 1980, т.2,№ 3, С. 272–275.
9. Илялетдинов А. Н., Алиева Р. М. Микробиология и биотехнология очистки промышленных сточных вод.- А-Ата: Гылым,- 1990, 250 с.
