Как минерал с живыми клетками поможет в очистке сточных вод

По данным ВОЗ, в России от загрязнений безопасно очищается только 12% сточных вод. При этом большой вред окружающей среде наносят сточные производственные воды. Они содержат тяжелые металлы, которые при попадании в пищевую цепочку вызывают серьезные проблемы как у растений и животных, так и у людей. Длительное воздействие таких веществ на организм человека может привести к развитию рака, повреждению органов, нервной системы, а в крайних случаях – к смерти. При этом разглядеть опасность в воде с металлами невооруженным взглядом невозможно. Для очистки сточных вод используют вермикулит – природный минерал, который обладает нужными свойствами для «поглощения» опасных веществ. Ученые ПНИПУ выяснили, как ионы металлов «впитываются» в вермикулит и как сделать этот процесс более эффективным. Работа поможет очищать сточные воды качественно и экономически выгодно.

Исследование было представлено на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Химия. Экология. Урбанистика» 17-19 апреля 2024 года. Работу во время обучения в бакалавриате кафедры «Химия и биотехнология» выполняла студентка Дулгуун Энхтур из Монголии. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Сорбция – это поглощение твердым телом или жидкостью различных веществ из окружающей среды. Поглотитель называют сорбентом, в его роли выступает вермикулит. Этот минерал имеет слоистое строение и способен вспучиваться (набухать) при температуре 400-1000°С с увеличением объема в 7-10 раз. Он обладает хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, а также термической и биологической стабильностью. Немаловажную роль играют его низкая стоимость и доступность. При очистке промышленных жидкостей вермикулит загружается в специальные емкости, через которые перекачивается загрязненная вода.

Ученые Пермского Политеха нашли способ выделять ионы вредных металлов из сточных вод более эффективно – путем создания биосорбента. Идея заключается в том, чтобы прикрепить микроорганизмы, которые поглощают ионы тяжелых металлов в процессе своей жизнедеятельности, на поверхность или внутрь вермикулита. Так они будут менее подвержены отрицательному действию (свет, температура, рН и другие факторы окружающей среды).

Политехники изучили сорбцию ионов металлов исходным вспученным вермикулитом и минералом с нанесенными на него живыми культурами, чтобы проверить эффективность очистки сточных вод.

Ученые Пермского Политеха проводили эксперименты параллельно в двух одинаковых сорбционных колонках. В них помещали порции вермикулита массой 5 г. В процессе через колонки с сорбентом и биосорбентом пропускали растворы солей цинка, меди и никеля, как индивидуальных, так и при совместном присутствии ионов. Концентрацию ионов металлов в растворах определяли с помощью специального прибора – спектрофотометра.

– Результаты нашего исследования показывают, что нанесение клеток микроорганизмов на поверхность вермикулита увеличивает на 20% и более его поглотительную способность по отношению к большинству ионов металла, за исключением меди. Совместное присутствие компонентов в растворе незначительно снижает общую сорбционную емкость как исходного вермикулита, так и биосорбента. Лучше всего поглощаются в обоих случаях ионы цинка, – объясняет кандидат химических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Ольга Бахирева.

Так ученые ПНИПУ доказали, что применение вермикулита как сорбционного материала обоснованно, а сделать процесс еще более эффективным в случаях с некоторыми ионами тяжелых металлов можно с помощью нанесения на него живых клеток. Результаты исследования помогут более качественно очищать сточные воды на производствах и понизят загрязнения рек.