В результате природных процессов и деятельности человека в водную среду поступает марганец, количество которого может превышать допустимые нормы. Предельно допустимая концентрация марганца в водных объектах составляет 0,1 мг/л. Его накопление в растениях приводит к нарушению их роста и даже гибели, а переизбыток в организме животных и человека может стать причиной неврологических, репродуктивных и респираторных заболеваний. В последнее время активно развивается новый метод очистки вод от тяжелых металлов с использованием микроорганизмов. Студентка Колыхматова Ксения и биотехнолог Ольга Бахирева из Пермского Политеха разработали биосорбент, который позволит эффективно очистить воды от ионов марганца, понижая их концентрацию до допустимой нормы.

Статья с результатами опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», №1, 2023 год.

В настоящее время существует множество методов очищения воды от марганца – химический, электрохимический, сорбционный, мембранный, ионообменный и другие. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, область применения и эффективность очистки. Использование этих методов не достаточную хорошо очищает воду до предельно допустимой концентрации, поэтому необходима доочистка. Для этого, а также для очистки воды с невысоким уровнем марганца можно использовать биосорбционный метод, при котором в качестве поглотителей тяжелых металлов выступает биомасса микроорганизмов. Биологический метод эффективен и более экологичен, так как биосорбент после очистки можно использовать, например, в качестве удобрения в сельском хозяйстве.

Для создания биосорбента мы выделили из загрязненной почвы культуру микроорганизмов, которую изучили на чувствительность к ионам марганца. Тем самым определили границы устойчивости культуры к высоким концентрациям загрязняющего вещества. Оказалось, микроорганизмы устойчивы к действию данных ионов в диапазоне концентраций 5–200 мг/л.

Доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского Политеха, кандидат химических наук Ольга Бахирева.

Ученые отмечают, что скорость роста бактерий в питательной среде, содержащей марганец в концентрации 100 мг/л, замедляется из-за накопления вредного вещества в клетках.

Для использования бактерий в технологическом процессе часто проводят их нанесение на поверхность материала, обладающего сорбционной (поглощающей) активностью. В качестве такого вещества политехники выбрали вермикулит. Это природный дешевый и доступный материал, который достаточно широко применяется в различных сферах человеческой деятельности. Например, в строительстве его используют в качестве изоляционного материала, также он широко применяется в сельском хозяйстве и садоводстве для разрыхления и улучшения аэрации почвы. Одно из самых важных свойств вермикулита – способность собирать на своей поверхности различные тяжелые металлы, именно поэтому его удобно применять для очистки вод.

Присоединение биомассы микроорганизмов ученые проводили, пропуская суспензии клеток через колонку, заполненную вермикулитом. Затем полученный биосорбент промывался несколько раз физиологическим раствором для подготовки к дальнейшей работе.

Чтобы изучить эффективность поглощения ионов марганца ученые провели эксперимент с вермикулитом в чистом виде и с полученным биосорбентом. Для этого через поглощающее вещество пропускали раствор, содержащий 100 мг/л исследуемых ионов. До превышения уровня предельно допустимой концентрации (0,1 мг/л) через колонку с вермикулитом прошло 62 мл исходного раствора, а с биосорбентом – 80 мл. Полная динамическая обменная емкость вермикулита составила 4,57 мг/г, а вермикулита с клетками бактерий – 5,49 мг/г. Это означает, что нанесение биомассы микроорганизмов на поверхность вермикулита повышает его сорбционные свойства.

Полученный учеными ПНИПУ биосорбент является перспективным материалом для извлечения ионов марганца из водной среды и может быть использован в технологических схемах комплексной очистки марганцесодержащих вод.