УДК 577.114.083

 

Изучена возможность вторичного использования отходов микробиологического синтеза лимонной кислоты – биомассы продуцента Aspergillus niger. В результате последовательного трёх- и четырёхступенчатого кислотно-щелочного гидролиза из биомассы Aspergillus niger выделен хитин-глюкановый комплекс и исследована его сорбционноя способность. Хитин-глюкановый комплекс, полученный из отработанной биомассы продуцента лимонной кислоты характеризуется высокой сорбционной способностью по отношению к металлам. Максимальное поглощение из растворов отдельных металлов имело место по отношению к двухзарядным катионам таких токсичных металлов как марганец, кобальт, никель. Исследуемые ионы металлов, по степени поглощения R, % образуют ряд Co2+ >  Ni2+ >  Mn2+ >  Zn2+ >  Cu2+.

 

СОРБЦИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ХИТИНСОДЕРЖАЩЕГО КОМПЛЕКСА ASPERGILLUS NIGER К ИОНАМ МЕТАЛЛОВ

 

РУП «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по продовольствию», г. Минск, Республика Беларусь

 

О.В. Павлова, аспирант

 

Введение.

Эффективными и быстро развивающимися способами очистки воды являются физико-химические, основанные на взаимодействии примесей воды с реагентами и материалами, вследствие чего эти примеси деструктируют до безопасных, выделяются в иную фазу или претерпевают другие превращения. Традиционно к физико-химическим методам относят процессы с использованием химических реагентов, нейтрализующих веществ, углеродных и минеральных сорбентов, ионообменных материалов, электрохимических и электрокоагуляционных способов обработки вод различного происхождения [1–3].

В настоящее время всё большее распространение из физико-химических методов получает сорбционная очистка воды с использованием активированных углей и сорбентов, которые обеспечивают высокую эффективность и отсутствие вторичных загрязнителей. Сорбционная очистка устраняет органические и неорганические соединения практически до любых остаточных концентраций. Высокая стоимость и острый дефицит активированных углей вынуждает заменять их более доступными и дешёвыми материалами, обладающими такой же способностью. В связи с этим существует и успешно развивается самостоятельное направление в очистке природных и сточных вод, основанное на применении дешёвых минеральных и углеродсодержащих сорбционных материалов [1–3].

Помимо синтетических сорбентов для очистки сточных вод представляет интерес класс поглотителей на основе биомассы микроорганизмов. Биомасса обладает универсальными сорбционными свойствами: хорошо развитой поверхностью, клетки в своём составе имеют полифункциональные группы: ацетиламидные, карбоксильные, фосфатные, способные образовывать комплексы с металлами по хелатному механизму, с помощью координационных связей, а также нерастворимые соединения. Кроме органической части в состав биомассы входят неорганические компоненты, которые также играют роль в извлечении металлов. Инактивированной грибной биомассе, а также продуктам ее обработки, как и живому активно метаболизирующему мицелию, характерна способность активно взаимодействовать с ионами тяжелых металлов и извлекать их из различных сред. Биомасса грибов выступает как химическая субстанция, ионообменник биологического происхождения. Именно со структурными биополимерами клеточной стенки грибов во многом связывают свойство биосорбции [1–3].

Цель работы – изучение эффективности использования хитинсодержащих комплексов, полученных из биомассы Aspergillus niger – отхода микробиологического синтеза лимонной кислоты – в качестве сорбентов некоторых ионов металлов.

Объекты и методы исследований.

Источником хитин-глюканового комплекса является отход микробиологического синтеза лимонной кислоты – биомасса Aspergillus niger Б-1, выращиваемая в ходе глубинного культивирования на свекловичной мелассе. Исходное сырьё, полученное на ОАО «Скидельский сахарный комбинат» подвергалось последовательному трёх- и четырёхступенчатому кислотно-щелочному гидролизу (рис. 1).

 

Рис. 1. Биомасса отработанного продуцента лимонной кислоты и полученные образцы хитин-глюканового комплекса

 

На первой щелочной стадии биомассу продуцента лимонной кислоты обрабатывали 6 % раствором NaOH в течение 3 ч при температуре 90 0С. Второй этап состоял в воздействии на полученный после первой стадии полупродукт 3 % раствором соляной кислоты при температуре 55 0С в течение 1 ч. Третья стадия заключалась в обработке полученного полупродукта 6 % раствором перекиси водорода. Четвёртая стадия заключалась в обработке полученного на третьей стадии полупродукта 5 % раствором NaOH в течение 1 ч при температуре 80 0С. После каждого этапа обработки образцы отмывали дистиллированной водой до рН = 7 [4, 5].

Первая ступень подготовки исходного сырья гидроокисью натрия, выбранной концентрации и температуры, дает наилучший эффект вымывания жиров, белков и углеводов, при этом не разрушается структура хитин-глюканового комплекса. Гидромодуль 1:10 позволяет оптимально перемешивать массу. Стадия деминерализации заключалась в обработке биомассы отработанного продуцента раствором соляной кислоты. На данном этапе клеточная стенка грибов освобождается от остатков минеральных веществ. Выбор таких параметров мотивирован тем, что при более жестких условиях начинается гидролиз хитин-глюканового комплекса и снижается его выход. На третьей стадии (депигментации) полуфабрикат обрабатывается перекисью водорода, что позволяет провести окислительную деструкцию, растворение и полное удаление пигментов. Продукт после третьей ступени имеет более светлую окраску и, следовательно, улучшаются его потребительские свойства. Дополнительное защелачивание гидроокисью натрия с гидромодулем 1:10 способствует более полному вымыванию остаточных белков, жиров и углеводов. Полученные образцы хитин-глюканового комплекса (ХтГК) гомогенизировали (Homogenizer type MPM-302, Польша) и высушивались тонким слоем. Сушка продукта осуществлялась при комнатной температуре [4, 5]. В работе использовались химические реактивы марки «х.ч.» фирмы «Реахим» (Россия).

Влажность полученных образцов хитин-глюканового комплекса определялась после высушивания при температуре 130 0С (сушильный шкаф) в течение 40 мин и последующего охлаждения в эксикаторе не менее 20 мин. Влажность продукта в процентах находили по формуле 1:

 

(1)

где m1 – масса навески до высушивания, г; m2 – масса навески после высушивания, г.

Первичная оценка сорбционного потенциала полученных образцов хитин-глюканового комплекса проводилась на предмет адсорбционной активности по метиловому оранжевому спектрофотометрическим методом (спектрофотометр PV 2201 (ЗАО «Solar», Беларусь)) [6].

Для характеристики и сравнительного анализа сорбционной способности полученных образцов хитин-глюканового комплекса использовали следующие показатели: адсорбционную активность (сорбционная ёмкость), коэффициент распределения и удельную поверхность.

Сорбционную ёмкость (СЕ) полученного образца ХтГК по индикатору в мг на 1 г продукта вычисляли по формуле 2:

 

(2)

где С1 – массовая концентрация исходного раствора индикатора, мг/л; С2 – массовая концентрация раствора индикатора после сорбции, мг/л; К – коэффициент разбавления – 100; 0,025 – объём раствора индикатора, взятого для осветления, л; m – масса навески сорбента, г. (в пересчёте на сухое вещество).

Коэффициент распределения – Kd (мл/г) в системе сорбент-сорбат рассчитывали по формуле 3:

 

(3)

где СЕ – сорбционная емкость (мг/г); Скон – конечная концентрация индикатора в растворе (мг/л).

Удельная поверхность – Sуд2/г) образцов определялась по количеству адсорбированного ХтГК метилового оранжевого. Удельную поверхность образцов рассчитывали по формуле 4:

 

(4)

где А – количество сорбированного индикатора (мг/г); S = 0,57·10-18 (площадь, занимаемая одной молекулой индикатора в монослое при мономолекулярном заполнении сорбента, м2); Na – число Авогадро.

Результаты исследований и их обсуждение.

Исследована сорбционная способность хитин-глюканового комплекса в образцах с различной влажностью (30, 80 %) и одинаковых по влажности образцах, полученных варьированием количества стадий кислотно-щелочного гидролиза (трёх- и четырёхступенчатыми схемами).

Сорбционную ёмкость, коэффициент распределения и удельную поверхность рассчитывали для образцов различной влажности (80 % и 30 %) в пересчёте на сухое вещество. Выявлено, что сорбционная емкость ХтГК, выделенного (трёхступенчатая схема) из биомассы Aspergillus niger Б-1 – отхода производства лимонной кислоты, высушенного до влажности 30 % ниже на 62 % сорбционной ёмкости сырого образца (влажность 80 %). Адсорбционная активность полученного образца ХтГК, выделенного по четырёхступенчатой схеме, высушенного до влажности 30 % на 65 % ниже таковой сырого образца. При более значительном удалении влаги температурный фактор играет весьма существенную роль в уменьшении сорбционной способности. Сравнение сорбционной ёмкости одинаковых по влажности образцов ХтГК, полученных варьированием стадий кислотно-щелочного гидролиза (трёх- и четырёхступенчатыми схемами) показывает, что адсорбционная активность образцов (влажность 30 %) увеличивается на 28 % в результате четырёхступенчатой обработки (табл. 1). Четырёхступенчатая схема выделения ХтГК способствует практически его полному отбеливанию (рис. 2).

 

Рис. 2. Хитин-глюкановый комплекс (микроскопия при использовании объектива ×40), выделенный путём кислотно-щелочного гидролиза:
а) – трёхступенчатая обработка, б) – четырёхступенчатая обработка

 

Сравнительный анализ сорбционной способности по полученным показателям: адсорбционной активности (сорбционная ёмкость), коэффициента распределения и удельной поверхности представлен в табл. 1–3.

 

Таблица 1. Сорбционная ёмкость (мг/г) по отношению к метиловому оранжевому

Трёхступенчатая обработка

Четырёхступенчатая обработка

Влажность 80 %

Влажность 30 %

Влажность 80 %

Влажность 30 %

250,00

94,29

345,00

121,10

 

Таблица 2. Коэффициент распределения (мл/г) по отношению к метиловому оранжевому

Трёхступенчатая обработка

Четырёхступенчатая обработка

Влажность 80 %

Влажность 30 %

Влажность 80 %

Влажность 30 %

0,19

0,08

0,28

0,10

 

Таблица 3. Удельная поверхность (м2/г) по отношению к метиловому оранжевому

Трёхступенчатая обработка

Четырёхступенчатая обработка

Влажность 80 %

Влажность 30 %

Влажность 80 %

Влажность 30 %

857,85*105

323,55*105

1183,80*105

415,20*105

 

Испытания сорбционной способности осуществляли на модельных растворах (мМ), содержащих соли отдельных металлов. Металлы присутствовали в катионной форме (Zn2+, Cu2+, Mn2+, Co2+, Ni2+). Эксперименты проводили в статических условиях; время сорбции 1 ч, температура 25 0С. Соотношение масс сорбента и металлсодержащих растворов – 1:100 (0,5 г сорбента и 50 мл раствора). Сорбент отделяли от раствора фильтрованием. Концентрацию ионов металлов в исходных растворах, и после сорбции, определяли атомно-абсорбционным методом на спектрометре АА 240 FS (США) [7].

Критерием оценки эффективности извлечения ионов металлов являлся коэффициент поглощения металлов сорбентом (R, %) (формула 5):

 

(5)

где ∆С – разность между исходной и конечной концентрацией металла, С0 – исходная концентрация металла.

Модельные растворы готовились и анализировались на предмет исходной и конечной концентрации металлов в трёхкратной повторности. Обработку результатов проводили с использованием статистических функций Microsoft Excel и пакета программ STATISTICA 6.1, уровень значимости – 95 %.

Содержание анализируемых ионов металлов до и после сорбции приведено в табл. 4.

 

Таблица 4. Содержание ионов металлов в растворах до и после сорбции

Содержание ионов металлов в растворах до сорбции, мг/л

Cu2+

Mn2+

Zn2+

Co2+

Ni2+

762,49±0,70

3892,00±45,00

8229,50±48,50

1425,40±6,90

3047,00±28,00

Содержание ионов металлов в растворах после сорбции, мг/л

246,79±31,51

67,28±20,28

1254,38±133,38

8,63±5,56

37,00±0,70

 

На рис.  3 показана эффективность аккумуляции ионов металлов сорбентом, определённая по степени извлечения (R, %).

 

Рис. 3. Степень извлечения металлов сорбентом из растворов

 

Как следует из приведённых данных, максимальное адсорбция имела место по отношению к двухзарядным катионам таких токсичных металлов как марганец, кобальт, никель. Полученный хитин-глюкановый комплекс аккумулировал из растворов 98–99 % ионов этих металлов в течение одного часа, при этом их концентрация в растворе уменьшалась на 1–2 порядка. Так концентрация марганца в растворе после сорбции уменьшилась в 58 раз, кобальта в 165 раз, никеля в 82 раза. Со средней эффективностью (R – в пределах 50–85 %) поглощались ионы меди и цинка. Концентрация меди в растворе после сорбции уменьшилась в 3 раза, а цинка в 7 раз.

Выводы.

Установлено, что сорбционная способность хитин-глюканового комплекса Aspergillus niger Б-1 в значительной степени зависит как от уровня влажности биомассы, так и количества этапов кислотно-щелочного гидролиза. У полученных образцов хитин-глюканового комплекса, высушенных при +20 оС, наблюдается заметное уменьшение сорбирующей способности с уменьшением влажности. Четырёхступенчатое выделение хитин-глюканового комплекса способствует значительному увеличению его адсорбционной активности и улучшению потребительских свойств.

Хитин-глюкановый комплекс, полученный из отработанной биомассы продуцента лимонной кислоты характеризуется высокой сорбционной способностью по отношению к металлам. Исследуемые ионы металлов, по степени поглощения R образуют ряд Co2+ > Ni2+ > Mn2+ > Zn2+ > Cu2+.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.                   Щербин, А.А. Антацидные и сорбционные свойства грибного порошка из вешенки обыкновенной (Pleurotus ostreatus) / А.А. Щербин // Вопросы питания.– 1999.– Т. 68, № 5–6. – С. 23–25.

2.                  Захарова, В.И. Очистка промышленных сточных вод от тяжёлых цветных металлов с помощью биосорбентов / В.И. Захарова // Прикл. биохим. и микробиол. – 2001.– Т. 37, № 4. – С. 405–412.

3.                   Форстер, К.Ф. Экологическая биотехнология / К.Ф. Форстер. – Ленинград : Химия, 1990. – 384 с.

4.                   Котляр, М.Н. Методы выделения и модификации хитин-глюканового комплекса из биомассы Aspergillus niger: автореф. дис. … канд. техн. наук : 03.00.23 / М.Н. Котляр; Казанский госуд. техн. ун-т. – Казань, 2001. – 23 с.

5.                   Кречетов, А.А. Физико-химические свойства хитин-глюкановых комплексов из биомассы грибов Aspergillus niger: автореф. дис. … канд. х. наук : 02.00.04 / А.А. Кречетов; Марийский госуд. ун-т. – Йошкар-Ола, 2002. – 17 с.

6.                   Уголь активный осветляющий древесный порошкообразный: ГОСТ 4453-74. – Введ. 01.01.76. – Москва : Издательство стандартов, 1976. – 19 с.

7.                   Сырьё и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов: ГОСТ 30178-96. – Введ. 01.01.98. – Москва : Стандартинформ, 2010. – 8 с.

Рукопись статьи поступила в редакцию 19.02.2015

 

O.V. Pavlova

 

SORPTION ACTIVITY CHITIN CONTAINING COMPLEXES FROM АSPERGILLUS NIGER OF METAL IONS

 

         The possibility of recycling of waste microbiological synthesis of citric acid - biomass producing Aspergillus niger. Sequential acid-alkaline hydrolysis of biomass Aspergillus niger isolated chitin-glucan complex and investigated its sorption capacity. Chitin-glucan complex obtained from waste biomass producing citric acid is characterized by a high sorption capacity with respect to metals. The maximum absorption of the individual metals from solutions took place with respect to the divalent cations of toxic metals such as Co2 +, Ni2+, Mn2+. Studied metal ions, the degree of absorption of R, % form a series of Co2 + > Ni2 + > Mn2 + > Zn2 + > Cu2 +.