Железо.
Железо –серебристо-белый металл. Содержанию в 4,65% по массе.
Техногенные источники.
. Локальной техногенной аномалией является зона металлургических комбинатов, в твердых выбросах которых содержатся 22000-31000 мг/кг железа. В прилегающие к комбинатам почвы поступает до 31-42 мг/кг железа. Это отражается на почвообразовательном процессе и на загрязнении растительной продукции, выращиваемой на данных территориях.
Биологическая роль.
Железо необходимо живым организмам для кислородного обмена и окислительных процессов. Физиологическая роль железа обусловлена его способностью образовывать различные комплексные соединения с молекулярным кислородом, азотом, серой. Железосодержащие белки обладают различными жизненно-важными функциями: гемоглобин транспортирует кислород, миоглобин запасает его в связанном виде, цитохромы обеспечивают тканевое дыхание.
Влияние избыточного содержания на организм человека.
При контакте человека с железом и его соединениями проявляется общетоксическое действие металла, раздражающее действие на верхние дыхательные пути.
Соединения железа (II) обладают общим токсическим действием, соединения железа (III) менее ядовиты, но действуют прижигающее на пищеварительный тракт.
Аэрозоли (пыль, дым) железа и его оксидов при длительном воздействии откладываются в легких и вызывают сидероз.
Медь.
Медь - металл, относящийся к группе тяжелых металлов. Среднее содержание меди в Земной коре составляет 4,7х10-3%.
Техногенные источники.
Медь поступает в воздух с выбросами металлургических производств. В выбросах твердых веществ она содержится в основном в виде соединений, преимущественно оксида меди. На долю предприятий цветной металлургии приходится 98,7% всех антропогенных выбросов этого металла.
Биологическая роль.
Медь - один из важнейших микроэлементов. Физиологическая активность меди связана главным образом с включением ее в состав активных центров окислительно-восстановительных ферментов. При участии меди осуществляются процессы синтеза белков, жиров и витаминов. Медь участвует в процессах фотосинтеза и влияет на усвоение азота растениями.
8.2 Биотрансформация металлов. Биотехнология очистки вод от тяжелых и токсичных металлов
Общий механизм токсического действия металлов определяется их способностью образовывать химические связи (т.е. вступать в химические реакции) с функциональными группами биологически важных веществ организма - белками, ферментами, ДНК, РНК, липопротеидами (веществами мембран клеток), гормонами и т.д. При этом происходит резкое изменение биохимических процессов в организме, приводящее к его поражению. Это относится к большинству металлов, в т.ч. и микробиогенным, т.е. участвующим в работе металлоферментов, гемоглобина и т.д. Тяжелые металлы (ртуть, кадмий, свинец, никель и т.д.) образуют наиболее прочные соединения с биологически важными веществами, поэтому их вредное действие на организм наиболее значительное (ПДКСС=0,0002...0,0003 мг/м3, 1-й класс опасности).
В природе биотрансформация металлов незначительна, т.е., в большинстве случаев они непрерывно циркулируют по пищевым цепям, накапливаются в организмах, вызывая их поражение. В организме тяжелые металлы связываются с защитным белком Р-340, с органическими кислотами, с ферментами и выводятся через кишечник (с желчными кислотами, например), почки, слюнными и потовыми железами, а также депонируются (накапливаются) в тканях и волосах (индикатор загрязнения). Однако при этом происходит и обратное поступление с повторной интоксикацией организма. Кроме того, металлы легко всасываются кишечником и слизистыми оболочками, поэтому из-за этого происходит сильное поражение кишечных желез, слизистых оболочек, печени и других систем организма.
Микроорганизмам принадлежит большая роль в глобальной экологической системе превращений химических элементов, изменении подвижности, миграции их, концентрировании и рассеивании в биосфере. С биогеохимической деятельностью микроорганизмов связано образование серных, сульфидных, марганцевых, железных руд, известняков, угля, нефти, торфа и других каустобиолитов. Поглощая, накапливая, трансформируя тяжелые и переходные металлы, микробные популяции способствуют их накоплению, миграции и рассеиванию в окружающей среде. Микроорганизмы могут концентрировать или рассеивать около 60 элементов Периодической таблицы Менделеева.
Взаимодействие микроорганизмов с металлами зависит от окружающих условий, индивидуальных свойств металла или его соединений, их миграционных, сорбционных свойств, комплексообразующей способности, токсичности для биоты и др. Например, при изменении рН почвы в результате жизнедеятельности микроорганизмов повышение миграционной способности элемента возможно в том случае, если повышается его растворимость в почвенных водах. Условия в локальных зонах, благоприятные для сульфат- редукции, приводят к накоплению сульфидных ионов и тяжелых металлов, уменьшая миграционную способность тяжелых металлов, образующих нерастворимые сульфиды. Способность микроорганизмов мобилизовать (выщелачивать) и аккумулировать металлы используют для микробиологического извлечения их из бедных руд и при биологической очистке сточных вод.
Активный транспорт и поглощение частиц осуществляются только живыми клетками, адсорбция же и ионный обмен - в результате физико- химических процессов при взаимодействии как с живой, так и с мертвой клеткой либо клеточными компонентами. При взаимодействии с мертвой клеткой ингибиторы метаболизма не влияют на аккумуляцию металлов и радионуклидов.
Ионы металла могут поступать в бактериальные клетки следующим образом:
через системы переноса, специфические для таких важных элементов питания, как Mn2+, Mg2+, Ca2+;
через системы переноса металлов, образующих комплексы со специфическими низкомолекулярными лигандами (так называемыми сидерофорами);
через неспецифический транспорт ионов металлов, образующих комплексы с субстратами-носителями;
в результате пассивной иммобилизации ионов металлов на клеточной оболочке вследствие их связывания с заряженными группами биополимеров.
Накапливая металлы, микроорганизмы могут использовать их в качестве источников энергии или акцепторов электронов в процессе дыхания. В результате активной адсорбции металлов (например, через специфическое комплексообразование или осаждение вследствие окислительно- восстановительных процессов) повышается накопление тяжелых металлов на поверхности клеток.
Цель очистки сточных вод - удаление растворимых и нерастворимых компонентов, элиминирование патогенных микроорганизмов и проведение детоксикации таким образом, чтобы компоненты стоков не вредили человеку, не загрязняли водоемы.
Тяжелые металлы затрудняют биологические процессы очистки стоков и отрицательно влияют на флору и фауну. Природные штаммы микроорганизмов не могут быть использованы для накопления этих металлов в силу их высоко токсичности. Однако, есть белок высших организмов - металлотионеин, который активно связывает различные тяжелые металлы. Ген, кодирующий синтез мышиного металлотионеина, клонирован в бактериях. Это открывает возможность получения белка в больших количествах с использование иммобилизованных бактерий и его использования для связывания и экстракции тяжелых металлов.
В настоящее время очистка стоков от тяжелых металлов проводится химическими, физическими и электрохимическими способами. Она дорога, громоздка и не всегда обеспечивается высокая степень очистки. В последние годы ведущая роль в процессах очистки принадлежит биологической, а главную роль в ней занимают микроорганизмы, особенно бактерии.
В проблеме чистой воды одним из перспективных направлений является использование природных факторов самоочищения и особое место в сохранении чистой природной воды занимают родококки.
Алканотрофные родококки, выделенные из разных природных субстратов (почвы, подземных и поверхностных вод, воздуха, снега, донных отложений и глубинных пород), контрастных эколого-географических зон, обладают высоким потенциалом, а поэтому становятся все более значительным объектом возможного их промышленного использования.
Способность родококков метаболизировать широкий спектр органических полютантов и синтезировать такие полезные соединения, как сурфактониты, флокулянты, аминокислоты, полимеры, обуславливает перспективность их использования в различных областях биотехнологии и охраны окружающей среды
Многими исследователями отмечена высокая устойчивость алканотрофных родококков к неблагоприятным и даже экстремальным условиям окружающей среды, таким как пониженная температура и давление кислорода, недостаток питательных субстратов, повышенная соленость, присутствие в среде ингибиторов и антибиотиков
Родококки способны аккумулировать металлы из загрязненных естественных мест обитания
Штаммы, принадлежащие к различным видам Rhodococcus (R.), способны к биоаккумуляции ионов цезия из культуральной жидкости. Ссущественным недостатком является очень узкое деструктивное действие избранных видов (только по отношению к цезию), в то время как известно, что в загрязняющих воду и почву промышленных стоках отмечается большое разнообразие полютантов. Все это и заставляет искать микроорганизмы с более широкими возможностями биоаккумуляции металлов, в целях их использования в обеззараживании водоемов и почв, загрязненных разными металлами одновременно. А исходя из все возрастающего загрязнения природных водоемов такими металлами, как Zn, Cd и Pb, являющихся высокотоксичными компонентами природной среды, весьма актуальным является поиск микроорганизмов, обладающих широким спектром аккумулятивного действия по отношению к ним.
Предлагается способ очистки промышленных сточных вод (приборостроительные заводы, гальванические цехи, атомные электростанции и др.), содержащих ионы металлов и радионуклиды. В предлагаемой технологии в качестве сорбентов используются микробные биомассы (бактерии, дрожжи, грибы) и созданные на их основе твердые гранулированные биосорбенты. Они обладают высокой емкостью и селективностью, что позволяет использовать их для очистки и доочистки промышленных растворов и сточных вод от токсичных металлов и радионуклидов (урана, радия, тория, плутония и др.). Добавка биосорбентов к традиционно применяемым сорбентам - ионитам повышает селективность десорбции редкоземельных элементов (самария, скандия, иттрия, эрбия, церия и др.). Биосорбенты можно применять для доочистки разбавленных промышленных растворов и сточных вод сложного состава в случае, когда уровень ПДК не достигается традиционными физико-химическими методами. - Биосорбенты можно применять для селективного извлечения благородных (золото, серебро), редких (вольфрам, молибден), редкоземельных (иттрий, скандий, церий) и других ценных элементов из технологических растворов сложного химического состава, которые не могут быть извлечены при такой концентрации другими методами. - По емкости и селективности биосорбенты не уступают ионитам, а во многих случаях превосходят их; при этом по сравнению с ними биосорбенты обладают более низкой стоимостью, т.к. для их получения используются отходы микробиологической промышленности - Для получения биосорбентов применяется убитая биомасса микроорганизмов, поэтому они безопасны для людей. Кроме того, производство биосорбентов способствует решению экологической проблемы - утилизации отходов микробиологическоро производств.