Дипломдық жұмыс: Ашытқы клеткаларының карбонизделген сары өрік қабығына бекінуін зерттеу

Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

 

Биология факультеті

 

Микробиология кафедрасы

 

 

 

БІТІРУ ЖҰМЫСЫ

 

 

Ашытқы клеткаларының карбонизделген сары өрік қабығына бекінуін зерттеу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Алматы, 2008

РЕФЕРАТ

 

Бітіру жұмысы 31беттен, 10 суреттен және 54 әдебиеттен тұрады.

Түйін сөздер: Иммобилизация, биосорбенттер, ауыр металдар, сорбция, сары өрік қабығы, карбонизация.

Берілген жұмыста Candida cruseae-40, Torulopsis kefyr var kumis, Rhodotorula glutinis var  glutinis ашытқы клеткаларының карбонизделген сары өрік қабығы негізіндегі сорбенттерге иммобилизациясы зерттелінді. Ашытқы клеткаларын иммобилиздеу барысында олардың рН әсері анықталды. Иммобилизденген ашытқы клеткалары негізіндегі биосорбенттердің ауыр металдар иондарын сорбциялау қасиеті зерттелінді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МАЗМҰНЫ

 

	КІРІСПЕ	4
1	ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ	5
1.1	Иммобилизация әдістері және иммобилизденген микроорганизм клеткалары	5
1.2	Микроорганизмдермен металдар сорбциясы	10
2	МАТЕРИАЛДАР МЕН ЗЕРТТЕУ ОБЪЕКТІЛЕРІ	18
2.1.	Зерттеу объектілері	18
2.2.	Материалдар	18
2.3	Клетканың сорбция және десорбциясын анықтау әдістері	18
2.4	Электронды-микроскопиялық әдіс	19
2.5	Ауыр металдардың биосорбенттермен сорбциясын зерттеу	19
2.6	Ауыр металды анықтау әдістері	20
3	НӘТИЖЕЛЕР МЕН ТАЛДАУЛАР	21
3.1	Сары өрік қабығы негізіндегі сорбенттерге ашытқы клеткаларының бекінуі	21
3.2	Ашытқы клеткаларының сорбциясына рН әсерін зерттеу	23
3.3.	Биосорбенттермен ауыр металл иондарының сорбциясы	24
	ҚОРЫТЫНДЫ	26
	ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ	27
	ТҮЙІН	31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КІРІСПЕ

 

Экологиялық проблемаларды шешуде қазіргі микробиология және биотехнология жетістіктерінің маңызы зор. Экологиялық проблемалардың бірі — ластанған суларды тазалау. Ластанған суды тазалау дүниежүзілік проблемалардың бірі болып отыр. Ғылыми тұрғыдан қарастырсақ, табиғаттағы болып жатқан процестерге де микроорганизмдер қатысады. Осыған байланысты біз ластанған су қоймаларын тазалауда иммобилизденген микроб клеткаларын пайдаланудың тиімді жолын және маңызын қарастырамыз. Бұл микробиологиялық жолмен тазалау әдісіне жатады.

Микроорганизмдер де су қоймалардың табиғи тазалануына қатысады. Микроорганизмдер табиғатта кең таралған. Микроорганизмдер әрекеті нәтижесінде су құрамындағы белгілі бір мөлшерден тыс көбейген заттарды тазалауға болады екен. Микроорганизмдер өздерінің тіршілігі барысында су құрамындағы заттармен қоректенеді. Ластанған су құрамында органикалық және неорганикалық заттардың шектен тыс көп мөлшерде жиналуы судың табиғи қасиетін өзгертеді. Су құрамы мұнай, ауыр металдар, ауыр металл иондары, тау-кен өндірістерінің қалдық суларымен және химиялық заттармен ластанады. Осындай заттармен ластанған суды тазалау үшін осы заттарға тәуелді микроорганизм клеткаларын иммобилиздеп пайдаланудың тиімділігі жоғары. Иммобилиздеуде әртүрлі дәрежедегі микроорганизм клеткаларын пайдалануға болады. Тірі активті клеткаларды немесе жартылай жарақаттанған клеткаларды иммобилиздеу үшін пайдалануға болады. Себебі иммобилизденген клеткалардың тіршілік ету барысында төзімдірек болатыны анықталған. Клеткаларды иммобилиздеудің бірқатар артықшылықтары бар:

• күрделі көпсатылы процестерді жүзеге асыру мүмкіншілігі;
• микроорганизмдердің сыртқы ортаның кері факторларына (температура, қышқылдық, электролиттердің және токсинді заттардың концентрациясы,т.б.) төзімділігі;
• жергілікті микрофлорамен ығыстырылуын алдын алу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ӘДЕБИЕТТЕРГЕ ШОЛУ

 

• Иммобилизация әдістері және иммобилизденген микроорганизм клеткалары

 

Иммобилизденген клеткалар деп сыртқы ортада қозғалуы жасанды жолмен шектелген клеткаларды атайды. Қозғалысын шектеуді қамтамасыз ететін материал- тасымалдаушы болып табылады. Толығымен бұл жүйе клетка-тасымалдаушы иммобилизденген биокатализатор деп айтылады. Тасымалдаушы ретінде ерімейтін материал пайдаланылады. Клеткалар түрі өздеріне оптималды жағдайына байланысты бекінеді. Қазіргі кезде механикалық беріктілігі, саңылаулығымен ерекшеленетін жаңа қөміртекті материалдар алудың түрлі әдістері жасалуда. Әр түрлі қатты сорбенттердің бетінде көмірсутек пиролизі процессі кезінде каталитикалық көміртек түзілу жаңа сорбентті қарауға мүмкіндік береді. Тасушылардың сорбциялық сыйымдылығын ұлғайту, клетка-тасымалдаушы байланысының беріктілігін жоғарлату мақсатында клеткаларға улы емес және арзан, шығу тегі табиғи сорбенттерді алуда көп көңіл бөлінуде /1/.

Иммобилизденген жағдайда клетканың өмір тіршілігі клетка үшін қалыпты болып табылады. Клетканың тасымалдаушыға бекінуі, микроорганизмдер иммобилизациясы болып табылады. Иммобилизденген биокатализаторды эксплуатация процесінде тасымалдаушының бастапқы құрылымы өзгеріске ұшырайды. Клеткаларды иммобилиздеуде қолданылатын тасушылар төмендегідей талаптарға сай болуы қажет.

Иммобилизацияда қолданылатын әдіс клетканың ферментативті жүйесін бұзбауы қажет. Егер клетканың ферментативті жүйесі бұзылған жағдайда клетка белсенділік қабілетінен жойылады.

Ереже бойынша, иммобилизацияны мүмкіндігінше клетканың тасымалдаушыға берік болып бекінгенін қамтамасыз ету қажет.

Иммобилиздеу процесінде клетканың манипуляциясы минималды болуы қажет.

Иммобилизденген биокатализаторды алу жолында тұрақтылық қажет. Тасымалдағыш зат технологиялық процесс жағдайында химиялық, физикалық, биологиялық әсерлерге төзімді болуы қажет /2/.

Иммобилиздеу әдісіне қойылатын талаптар.

1. Әдіс мүмкіншілік бойынша қарапайым әдіс
2. Иммобилизденгеннен кейін фермент белсенді жағдайға оңай және тез ауысуы керек.
3. Иммобилиздеу әдісі ферменттің және клетканың белсенділігін аса төмендетпеу керек.
4. Иммобилизденгеннен кейін фермент немесе клетка тасымалдағыштармен мықты қатты бекіну керек.
5. Иммобилиздеу әдісінде мүмкіншілігіне қарай жұмыс сатылары аз болу керек.
6. Иммобилиздеу әдісі иммобилизденген биокатализатордың ұзақ тұрақтылығын сақтауға мүмкіншілік беру керек.
7. Иммобилиздеу әдісі экономикалық тиімді болу керек.

XX ғасырдың 40-жылдары микроорганизмдердің адсорбцияланған клеткаларын ағын суларды тазалау үшін пайдалана бастады. Ауаны биологиялық тазалау үшін, бағалы химиялық заттарды синтездеу үшін, пластмасса өндірісін, рудалардан түсті металдарды шығарып алу үшін пайдалана бастады /3/.

Иммобилизацияда қолданылатын тасушылардың түрлері көп: құм, керамзит, көмір, күл, шыны, керамика, металды торлар, сонымен қатар синтетикалық материалдар (нейлон талшықтары, полиэфир, поливинилхлорид, пенополиуретан,т.б.), полимерлер (агар, каррагенан, альгинат, полиакриламид, целлюлоза гельдері)т.б.

Иммобилизденген ферменттерді өндірістің әр түрлі саласында – фармацевтика, ауыл шаруашылығы тағам, текстиль, тері өндірісінде медицинада қолданады. Көптеген биотехнологиялық процестерде табиғи объект ретінде микроб клеткаларын пайдаланады.Фермент немесе клетканың иммобилизациясы — биокатализатор молекуласын шектеулі кеңістікке орналастыру болып табылады /4/.

Клеткаларды иммобилиздеуде қолданылатын тасымалдаушылар шығу тегіне байланысты органикалық және бейорганикалық болып бөлінеді. Органикалық тасымалдағыштар табиғи полимерлер және синтетикалық полимерлер болып бөлінеді. Табиғи полимерлер химиялық табиғатына байланысты белоктық, полисахаридтік, липидтік болып бөлінеді. Целлюлоза, декстран, агароза және оның туындылары тасымалдағыш ретінде пайдаланады. Синтетикалық полимер тасымалдағыштар стиролдың негізінде жасалынған дивенилбензол тігуші агентті пайдалану арқылы «Дауекс», «Амберлит», саңылаулы ионалмастырғыш түрінде өндірістік масштабта шығарады. Сонымен қатар поливинил спирті негізінде тігуші агент ретінде  глутарь альдегин пайдаланады. Артықшылығы оның молекуласына көп мөлшерде әр түрлі функционалды топтарды енгізуге болады. Адсорбция жолымен клеткалардың иммобилиздену қарапайым әдіс болып табылады /5/.

Имобилизация әдісі табиғи заңдылықтармен сәйкес келеді. Иммобилиздеу әдісі химиялық және физикалық деп бөлінеді.

Химиялық әдіс – фермент және клетканың жоғарғы қабатымен тасымалдағыш материал арасында ковалентті байланыс түзіледі. Клетка және фермент тасымалдағыштарға тігіледі.

Физикалық әдіс — тасымалдағышқа клетка және ферменттің бекінуі, физикалық факторлардың қатысуымен жасалады. Олар: адсорбциондық, полимерлі гель торшасына фермент және клетканы енгізу, жартылай өткізгіш мембранаға енгізу, екі фазалы реакциялық орталыққа енгізу. Иммобилизацияның ең көне әдісі физикалық адсорбция болып табылады. Бұл әдістің негізі- фермент немесе клетканың тасымалдағышқа физикалық немесе иондық әсеріне негізделеді. Тасымалдағыш ретінде бейорганикалық заттар (кремнезем, поралары бар шынылар, табиғи алюмосиликаттар алюминия оксиды) немесе органикалық заттар (полисахаридтер, каллаген) қолданылады /6/.

Микроорганизмдерді өндірісте мерзімді және үздіксіз дақылдау барысында қалдық қалады. Кез келген патогенді емес микроорганизмдер жоғары концентрацияда ауа, су, топырақ, экологияны төмендетеді. Бос клеткаға қарағанда иммобилизденген клеткаларды көп пайдаланады. Шығарылған өнім аз бактериямен ғана ластанады. Өндірісте патогенді микроорганизмдерді пайдалану үшін тасымалдағыштарға иммобилиздеу арқылы оларды қоршаған ортаға таралуынан қорғайды. Патогенді микроорганизмдерді иммобилизденген түрінде пайдалану экологиялық жағынан тиімді келед /7/.

Клеткалардың иммобилизациясында пайдаланылатын биотехнологиялық процестер көмегімен жоғарғы нәтижеге жету үшін клетканың биологиялық функциясына сай иммобилизация әдістерін пайдалану керек. Өсуге қабілеті жоқ клеткалар, иммобилизденген жағдайда бөлінбейді. Олар метаболитті активті клеткалар. Өнімді синтездеу қабілетіне ие иммобилизденген клеткалар синтетикалық активтілікке ие болады /8/.

 Хемосорбция. Бұл иммобилизация әдісі клеткалардың тасымалдаушымен коваленттік байланысын сипаттайды. Хемосорбция әдісінде тігу агенттерін пайдаланбайды. Хемосорбция әдісінде тасымалдағыш матрица клетканы коваленттік байланыстың көмегімен биосорбентке бекінуін қамтамассыз етеді. Ол байланыс тасымалдағыштың функционалды топтарымен микроб клеткасы қабырғасының компонеттерінің арасында түзіледі. Осы байланыстың нәтижесінде клетка сорбентке бекінеді. Хемосорбцияның нағыз ковалентті иммобилизация әдісінен ерекшелігі, хемосорбция жағдайында клетка және сорбент арасындағы байланыс төменірек болады.

Адсорбциялық жолмен иммобилиздеу әдісінде микроорганизмдердің әртүрлі қатты немесе гель тәріздес сорбенттерге бекіне алу қабілетін айтады. Сорбенттерге клеткалардың адсорбциясы жүргеннен кейін клетка тіршілігін жалғастыра береді, бірақ қозғалысы шектелген болады. Клеткалардың адсорбциялық жолмен иммобилизденуі ең қарапайым әдістердің бірі болып табылады. Физикалық жолмен клеткаларды иммобилиздеу үшін сорбент ретінде қарапайым табиғи заттарды пайдалануға болады. Мысалы арнаулы химиялық өңдеуден өткен өндіріс қалдықтарын пайдалану экономикалық жағынан тиімді. Соның ішінде шарап өндірісі қалдықтарын (жүзім, өрік дәнектерінің қабығы) пайдалану тиімді /9/.

Металдардың гидроксидтерінде хемосорбциялық жолмен иммобилиздеу әдісі клетка суспензиясының буфер ерітіндісінде белгілі мөлшердегі рН пен және жаңа дайындалған гидроксид гельмен бірнеше минут центрифугалау арқылы алуға негізделген.

Иммобилиздеудің бұл әдісі клетканың тасымалдағыштың жоғарғы бетіне бекінуін қамтамасыз етеді. Химиялық активті тасымалдағыштарды пайдалану арқылы микроб клеткаларын иммобилиздейді. Осы аталған әдіспен төмендегі микроб клеткалары иммобилизденді: Escherichia coli, Serratia marcescens, Lactobacillus s., Acetobacter sp., Saccharomyces cerevisiae т.б.

Микроорганизмдердің иммобилизденген клеткаларын пайдалану, биотехнологияда жаңа бағыттарды ашады. Биотехнологияда микроорганизмдер немесе олардың метаболиттері сульфидті минералдардың тотығуын жүзеге асырады. Көптеген жағдайда иммобилизденген микроорганизм клеткаларын рудалардың жоғарғы бөлігінде, минералды аймақтарда тау- кендерінде биопленкалар түрінде пайдаланады.

Металдарды шаймалдауда сульфидті және аралас рудалар, пирометаллургиялық өндіріс қалдықтарынан көмірден күкіртті жою үшін Thiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans қолданылады. Алтынды шаймалдауда микроорганизмдер (саңырауқұлақтар, бактериялар, ашытқылар) және олардың метаболиттерін силикатты және карбонатты рудалардан химиялық элементтерді жою үшін пайдаланады.

Қазіргі таңда бактериалды шаймалдау биогидрометаллургия немесе биоэкстрактивті металлургияда өндірістік масштабта қолданылады.

Көмірден күкіртті бөлу процесінде Thiobacillus ferrooxidans  бактериялармен алдын ала өңдеу күкірттің белгілі мөлшерде күкірт қышқылына дейін тотығуына алып келеді.

Сонымен қатар гельдерде клеткалардың иммобилизациясы олардың тіршілік ету барысында жағымсыз әсер беруі мүмкін. Қалдық суларды биологиялық тазалауда қолданылатын процестердің ішінде перспективті бағыттардың бірі, биосорбционды әдіс болып табылады. Биосорбционды әдіс су тоғандарға ұнтақ тәріздес немесе түйіршіктелген активті көмірді аэрация зонасына қосу арқылы жүргізіледі. Қосылған материал екі түрлі қызмет атқарады. Біріншіден иммобилизденген микроорганизмді тасымалдау қызметін атқарады. Екіншіден үлкен сорбционды көлеміне қарай токсикалық субстраттардың жылдам сорбциялануы жүзеге асады. Иммобилиздеуде активті көмірді пайдалану ХПК (оттегіні химиялық  пайдалану) бойынша органикалық заттардың құрамы 14790мг/л ден 280мг/л дейін азайғаны анықталған /10/.

Иммобилизденген клетканы пайдаланудың маңыздылығы олардың сыртқы факторға төзімділігімен сипатталады. Сонымен қатар иммобилизденген клеткалар су құрамындағы органикалық заттардың тотығу-тотықсыздануын жылдам қамтамассыз етіп нәтижесінде суды биологиялық жолмен өңдеуде уақытты үнемдейді.

Жер үсті суларының күміспен ластануы жер асты сулары және рудниктердің қалдық суларынан болып отыр. Күмстің көп мөлшерде болуы бактериоцидті және альгицидті препараттардың көп мөлшерде болуына байланысты. Қалдық суларда күміс еріген түрде немесе галоидты тұздар түрінде кездесуі мүмкін .

Қоршаған ортаны тазалауда қолданылатын микроорганизмдер иммобилизациясы үшін инертті тасымалдағыштар жеткілікті мөлшерде бар. Тасымалдағыш материал ретінде құм, керамзит, көмір, диатомды жер, шыны шариктер, керамика металды сетка т.б. заттар пайдаланылады.

Қалдық суды тазалау арқылы суды ластаушы заттардан босатады. Сонымен қатар суды микроорганизмдерден жойылуын қамтамассыз етеді. Бұл екі мәселені жүзеге асыруда иммобилизденген микрофлора және фауна қолданылады. Әр түрлі су организмдерін иммобилиздеу қалдық суларды биологиялық жолмен тазалауда маңызды.

Соңғы жылдардағы көптеген зерттеулерге көз жүгіртсек, активті микроорганизмдер- деструкторлар судың қатты ағысымен ағып кетуіне байланысты оларды су биоценозында тиімді сақтау жолдарының бірі иммобилиздеу болып табылады /9-10/.

Қазіргі таңда иммобилизденген микрофлораны практикада пайдалану табиғатты қорғау үшін маңызды. Микроорганизм клеткаларын иммобилиздеу күрделі көп стадиялы процестерді жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Иммобилизденген микроорганизм клеткалары сыртқы факторларға төзімділік көрсете алады./11/. Аралас микроорганизмдер қауымдастығын пайдалана отырып, суды фенол және цианид, фенол және нафталин, 2- хлорфенол, 2,4- дихлорфенол, 2,4,6- трихлорфенол, 2- нитрофенолды заттардан тазалау үшін жүргізілген нәтижелер белгілі болды.

Микроорганизм адгезиясы үшін капрон талшығының түйіршігін пайдалану лабораториялық аэротенкте биомасса концентрациясының 0.3/ 3.0 г/л дейін жоғарылауына мүмкіндік берді. Осылайша судың тазалану уақыты 36 сағаттан 6сағат ішінде, 660мг/л фенолды 10мг/л дейін тазалағаны анықталған. Ал бақылауда жүргізілген нәтижелер өндіріс жағдайында микрофлораны тасымалдағыш ретінде металл торын пайдалану, аэротенкте биомасса конценрациясының өсуін 0.3 мөлшерден 1.2-1.5г/л дейін жоғарлатты. Ал судың тазалану уақыты 36 сағаттан 10-8 сағат аралығында, ал фенол концентрациясын 600 мг/л ден 20 мг/л дейін төмендеген /12/.

Белсенді тұнбалардың сорбциялануы шыны талшықтарында, капронды мата түрінде немесе капронды талшықта зерттелінді. Зерттеу барысында 6 сағаттық иммобилизациядан кейін белсенді тұнбалардың эффективтілігі шыны талшықтарында 30%, ал капрон тектес заттарда 80% құраған /13/.

Микроорганизм клеткаларын полимерге енгізу арқылы иммобилиздеуге болады. (агар, каррагенан, альгинат, целлюлозды гель, полиакриламид) /14/.

Cуды токсикалық заттардан тазалау үшін иммобилизденген микроорганизмді пайдалануда жоғарғы жетістіктерге жетті. Мысалы, суды фенолдан тазалауда иммобилизденген микроорганизмнің тиімділігі жоғары болды. Сонымен қатар хлор және фенолдың нитротуындыларынан су құрамын тазалауда тиімділігі жоғары болды /15/.

 

1.2. Микроорганизмдермен металдар сорбциясы

 

Ауыр металдар қоршаған ортаны, табиғатты, су қоймаларын ластаушылардың бірі болып есептеледі . Тасымалдаушы материал және оның пішіні, көлемі клеткалардың бекінуіне әсер етеді. Қоршаған ортаның ластануы және экология проблемаларын шешуге арналған жұмыстарда ластаушы заттар ретінде Менделеевтің периодтық жүйесіндегі атомдық массасы 50-ден жоғары, 40-қа жуық металдар V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi т.б. ауыр металдар қатарына жатқызылады. Ауыр металдар тірі организмдер үшін аз концентрация мөлшерінде жоғарғы деңгейде токсикалық болып есептеледі. Сонымен қатар ауыр металдар биоаккумуляцияға қабілетті. Барлық металдар биологиялық процестерге қатысады. Ферменттер құрамында болады. Н. Реймерстің классификациясы бойынша тығыздығы 8г/см³ жоғары салмақтағы металдар ауыр металдар қатарына жатқызылады, ауыр металдарға мыналар жатады: Рb,Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg. Металл концентрациясын реттеуге қатысатын факторларды түсіну үшін олардың химиялық реакция қабілетін, биологиялық және токсикалық мүмкіндігімен қатар бос және байланысқан металл түрлерін білу керек. Cu, Cd, Hg металдарының хелатты түрлерінің токсикалық деңгейі төменірек болады /16/.

Суды ауыр металдармен ластаушылардың бірі гальвандық цехтар, тау кен өндірісі, қара және түсті металлургия қалдық сулары және машина өндірісі зауыттарынан шыққан қалдық сулар болып табылады. Ауыр металдар тыңайтқыштардың және пестицидтердің құрамында болады. Олар су құрамына егіс алқаптарымен бірге ағып келеді /17/.

Биотехнологиялық процестердің эффективтілігін биокатализатор ретінде полимерлі тасушыларға бекітілген микроб клеткаларын қолдану кезінде біршама жоғарылайтыны белгілі. Микроб клеткаларының сорбциялық иммобилизациясының қасиетінің бірі биокатализатор дайындаудың қарапайымдылығы болып табылады. Бірақ, клеткалардың сорбенттермен берік емес байланысу кезінде бекінген клеткалар тез десорбцияланады. Сондықтан бекіну белсенділігін жоғарылатуға және тасушыларға клетканы берік байланыстыруға түрлі тәсілдер қолданылады.

Тасушылардың модификациясы дегенде алдымен иондардың адсорбциясын немесе тасушылар бетіндегі кез келген химиялық агенттің молекуласын, яғни беттік қасиеттердің және тасушылар зарядының өзгеруінен микроорганизмдердің клеткаларының байланысуына және адсорбция процесінің термодинамикасына әсерін тигізетінін түсініп алу қажет /18/. Микроорганизмдермен металдардың жұтылуы биогенді элементтер-азот пен фосфордың ассимиляциясына қарағанда өте аз. Бірақта, металдар микроэлементтер түрінде физиологиялық процестерге қажет. Кейбір микроорганизмдер құрамында болатын металдардың концентрациясынан жоғары концентрациялы металдарды жұта алады.

Тәжірибе жүзінде микроорганизм клеткаларының уранды лайдан 2 есе концентрациясы жоғары уранды жинақтай алатыны дәлелденген. Уранның молдылығына бейімделген микроорганизмдерде металдарды жұтуды бақылайтын реттеуші механизмдер болуы мүмкін.

Металдардың жоғары концентрациясын топырақта кездесетін микроорганизмдер біраз мөлшерде жинайды, металл иондарымен ластанған сулардағы металдар микроорганизм клеткаларының бетіне шоғырланады /18/.

Микроорганизмдердің клеткаларының беткі қабатының полимерлері әр түрлі металл иондарын байланыстырады, ол иондар потенциалды уытты иондардың плазматикалық мембранаға өтуіне жағдай жасайды. Байланысқан металл иондары геохимиялық роль атқаратын әр түрлі минералдар түзеді. Микроорганизмдердің биоминерализацияға тікелей әсер етуі организмдер түрін және олардың энергетикалық метаболизмін, клетканың беткі қабатының, клеткадан тыс полимерлердің құрылымдық және химиялық сипатын зерттеу арқылы анықталады. Бактериялар клеткасының беткі қабаттарымен металдардың байланысуы ядро қалдықтарын сақтауда және еріген радионуклидтердің байланысуында маңызды роль атқарады /19/. Металл әсеріне төзімді микроорганизмдер металдарды жинақтауға жоғары қабілеттілік көрсетеді. Alcaligenes euthropus CH 34 кадмийді 130-дан 150мг/г дейін, ал Ps.Sp күмісті 200мг/г дейін шоғырлайды. Ішек таяқшасы бактерияларының клеткаларының 1г құрғақ биомассасына кадмий 90 мг жинақталады. Azotobacter sp, Micrococcus luteus қорғасынды 1г құрғақ салмағына 300 мг және 490 мг жинақтайды. Уақытқа байланысты жинақталу процессі әр түрлі өтеді

 Алесковский және Юффа айтқандай металл тұздарының бетті модификациялау әдістері жеткілікті: металл тұздарының бетке тікелей әсері, бетте оның химиялық активациясынан кейін түзілетін топтармен металл иондарының байланысына сутегі атомдарын сілтілік металдардың атомына алмастырып отырып, беттік гидроксилдік топтардың оттегі атомдарының нуклеофилдік қабілеттілігін өсіру есебінен жетуге болады /20/.

Микроорганизмдер биомассасының кейбір радионуклидтерге сорбциялану қабілеті зерттелді. Аталған изотоптардың таралу коэффициенті, олардың сорбция жағдайына байланыстылығы және микроорганизмдер биомассасының алдын ала өңделуі анықталды. Авторлар микроорганизмдердің кейбір ерекше штамдарының биомассасынан стронций, цезий және плутонийді, олардың ультрасұйытылған ерітінділерінен концентрациялап қолдануға болатынын атап көрсетті /21/.

Соңғы 10 шақты жылда металдардың биосорбциясының потенциалы жақсы зерттелген. Экономикалық пайымдаулардан әсіресе, өнеркәсіп ферментациясының қалдығы болып табылатын немесе теіңізде кездесетін биомасса ерекше қызығушылық туғызады. Жоғары сорбциялық қабілетке ие биомасса түрлерінің кейбіреулері құрамында металдары бар өнеркәсіп қалдықтарының уытсыздығына арналған биосорбцияның жақында жетілдірілген жаңа процестеріне бәсекелестік негізі ретінде қолданылады.

Бекітілу әдістерінің ішіндегі ең мықтысы тасушылар мен бекітілетін объект арасындағы коваленттік байланыстың түзілуі деп санайды. Бірақ та бұл әдіс арнайы жағдайды қажет етеді және биокатализаторлардың белсенділігін төмендетеді.

Тасушылар модификациясы фенилизотиоциантты пайдаланумен бекітудің эффективтілігін арттыру үшін хроматографияда, қатты фазалық анализде және Меррифилд бойынша белоктардың қатты фазалық синтезінде кеңінен қолданылады.

Бірақ та, егер бекіткеннен кейін белоктардың және клеткалардың жоғары функционалдық белсенділігін сақтау қажет болса, онда берік ковалентті байланыстарды пайдалану әдістері көбіне қанағаттанарсыз болып қалады. Бұнымен тасушылардың күрделі модификациясын керек етпейтін, ал иммобилизация тез өтетіндей және кәдімгі жағдайда жүретін әдістерді іздестіру жолы байланысты. Бұл мақсат үшін хелатты комплекстер түзетін ауыспалы металдардың қасиеттерін қолдануға болады /22/.

Ферменттердің иммобилизациясының металды хелат әдісін 1971 жылы Новенс ашты, бұл кезде тасушылар ретінде целлюлоза, хлоридпен активтелген титан қолданылған. Химиялық зерттеулердің негізінде Кеннеди мен Кабрал мынадай тұжырымға келді: бейорганикалық тасушылар жағдайында иммобилизация ауыспалы металдар мен тасушылар арасындағы химиялық әсерлесуі есебінен гөрі тасушылар бетінде металл гидроксиді қабатының түзілуі есебінен тез жүргізе алады.

Клетка бетінің бейорганикалық иондармен әсерлесуі туралы көптеген еңбектер бар. Негізінен, ауыр металдардың ашытқы клеткасының қабырғасымен әсерлесуінің негізгі механизмі иондық алмасу болып табылады деген эксперименттік дәлелдер алынған. Сулы ортада клетка қабырғасының металға қатынасы бойынша әлсіз катион ауысқыш қасиет көрсетеді, теріс зарядталған функционалдық топтары бар /23,24/.

Микроорганизм клеткаларының ерітіндіден металл иондарын концентрациялайтыны белгілі Көптеген зерттеулер Cd, Hg, Pb, Zn, сондай-ақ  U сияқты ауыр металдардың иондарының биосорбциясына арналған. Бұл олардың токсинділігі және қоршаған ортаны ластану мәселелерімен байланысты болуы мүмкін. Сонымен бірге құнды металдарды ағын сулардан, өндірістік ерітінділерден бөліп алуға зерттеулер жүргізілген /25/.

Микроорганизмдермен металдарың байланысу механизмін зерттеуде әр түрлі спектрлік әдістер-ИҚ- спектроскопия және рентгенді микроанализ қолданылады.

Шет ел авторларының жұмысында кейбір микроорганизмдердің клетка қабырғаларының ауыспалы және ауыспалы емес металдардың иондарына жоғары жақындылығы көрсетілген /26/. Мысалы, Ps. psyringae-ға көбірек Cu мен Hg жақын, ал Ca мен Mg аз ие болады. Сондай-ақ Pseudomonas putida бактериясы темір иондарын байланыстырғанда өз ортасында дамуын басып тастайды /27/.

Металдар табиғатта бар органикалық затармен әрекеттесе отырып, хелаттқа химиялық жағынан қасиеті жағынан металл-органикалық комплекстер түзеді. Көп валентті иондар электростатикалық тебуді төмендете отырып, адгезияға ықпал етеді, ал хелат түзуші қосылыстар /ЭДТА, пирофосфат және т.б./ бұл иондарды алып тастап, микроорганизмдер клеткаларының десорбциялануына, яғни олардың суспензияға өтуіне әсер етеді. Мұндай жағдай микроорганизмдердің сорбент беткі қабатынан электростатикалық тебілуі және адгезияға қолайлы жағдай жасалуы керек екендігін білдіреді. Ол үшін клеткалар мен сорбенттердің реакциялық топтарының диссоциациясының тежелуі және дисперсті ортаның ионды күштерінің артуына байланысты өзара әсерлесетін беткі қабаттардың айналасындағы қосарланған электр қабатының сығылуы қажет /28/.Осындай әдістерді пайдалана отырып, бактерияларды, ашытқыларды, микроскоптық саңырауқұлақтарды активті лайлы шыны, асбест, пластмасса, шынылы және базалтты талшық беткі қабаттарында иммобилизациялағанда, сорбенттердің беткі қабаты толығымен микроорганизмдермен жабылғанын байқауға болады /29/.

Зерттеу жұмысында ауыспалы металдардың иондарымен өңдерген вулкандық пемзаға Saccharomyces cerevisiae ашытқысының адсорбциясы зерттелген /30/. Бұл кезде кремний және алюминий оксидтерінің жинағын көрсететін пемза әр түрлі металдардың хлорид ерітінділерімен өңделіп, кептірілген. Ашытқы клеткасында инвертаза активтілігі 60 күн бойы байқалған. Тек ванадий қолданған кезде инвертаза белсенділік деңгейі төмендегені көрсетілді, бұл инвертазаның ванадий иондарымен ингибирленуімен байланысты болуы мүмкін.

Барлық микроорганизмдерге қоректік компонент реттінде металдар қажет, әдетте бұлар Co, Cu, Al, Pb, Mg. Клеткалардың металдармен жанасу кезінде клетка мембранасының өткізгіштігі өзгереді, осы кезде қоректік заттар клеткаға еркін енеді де, метаболизм қарқынды жүреді /31/.

Соңғы жылдардағы көптеген зерттеулер микроорганизмдер клеткалары орталар едәуір мөлшерде металдарды шоғырландыруға қабілетті келетіндігін дәлелдейді /32/. Микроб биомассасы барлық жағдайда сорбция және комплекс түзу арқылы металл иондарының көбірек және азырақ мөлшерін ұстап қалуы мүмкін. Өзара әсерлесудің мұндай типі биосорбция деген атау алды /33/ және тірі және өлі клеткаларға тән. Алайда бірқатар жағдайларда металл иондарының тірі клеткалармен белсенді шоғырлануы байқалады. Мұндай шоғырлану организмнің метаболизм белсенділігіне байланысты /34/. Өзара әсерлесудің бұл типі биоаккумуляция деп аталады.

Металдардың сорбциясына қабілетті микроорганизмдердің ішінде ең көп кездесетіні Alcaligenes euthropus, Sporosarsina urea, Clostridium pasterianum, E coli, Bacillus mucoides, Chlorella vulgaris және бірқатар ашытқылар: Candida scottii, Saccharomyces cerevisiae.

Клеткалардың қатты беткі қабаттарға сорбциялану процесінің микробиологиялық аспектілері адгезия сипаты мен микроорганизмдердің морфологиялық және дақылдық қасиеттерінің өзара байланысын зерттеуге байланысты. Адгезияға Micrococcus, Pseudomonas, Erwina туыстарының өкілдері көбірек икемдірек, ал бациллалар мен актиномицеттер азырақ икемдірек екендігі көрсетілген /35/.

Кейбір микроорганизмдердің клетка ішілік металл концентрациясы ортадағы конценрациядан бірнеше есе асуы мүмкін және құрғақ салмақтың 40 пайызын құрайды. Микроорганизмдердің бұл қасиеттері олардың көмегімен ағын сулардан металдарды тазалауға мүмкіндік береді /36/.

Қорғасын мен кадмий иондары балдыр биомассасымен жақсы байланысады, ал Rhizopus және Absidia саңырауқұлақтарының мицелийлері қорғасын, кадмий, мыс, мырыш, уран үшін тамаша сорбенттер, олар құрғақ биомассасы салмағының 25 пайыз құрайтын басқа да ауыр металдарды байланыстырады. Биосорбция изотермаларын құру әртүрлі биосорбенттердің металдарды байланыстыруын бағалауға негіз болып табылады. Сорбциядан құрылған бір деңгейдегі тәжірибелердің әдіс-тәсілдері биосорбенттерді табысты іздеуге мүмкіндік береді. Ол биосорбенттердің кейбіреуін тіпті қайта қалпына келтіруге болады /37/.

Micrococcus luteus-тың табиғи штамдарының клеткаларының алтынды адсорбциялауға қабілетті екендігін Маракушев пен Бардюк дәлелдеді .

Бірқатар авторлар микроорганизмдердің балдырлар, саңырауқұлақтар, бактериялардың биомассаларымен әртүрлі металл иондары жақсы байланысатындығын дәлелдеген. Мысалы, Aspergillus niger, Rhizopus және Absidia мицелийлері, Saccharomyces cerevisiae ашытқысы, Micrococcus luteus бактериялары алтын, қорғасын, күміс, кадмий, мыс, мырыш, уран,титан иондары үшін жақсы сорбенттер. Микроорганизмдермен байланысқан металл концентрациясы клетка массасының 1г құрғақ салмағының бірнеше ондаған мг аймағына келеді, кейде бұл көрсеткіш бірнеше жүздеген мг болуы мүмкін. E coli клеталары 1г құрғақ салмағына 16 мг цинкты жинақтайды, ал Ps.Cepaciae  кадмий мен қорғасынды 77 және 53 мг/г жинақтайды /38,39,40,41,42/.

Aspergillus niger-дің сілтімен өңделген биомассасының сұйытылған және концентрациялы ерітінділерден күміс иондарын тиімді сорбциялайды.

Клеткалардың биосорбциялау қабілетіне рН-5-7 болғанда әсер етпейді. Күміс иондарының сорбциясы қайтымды процесс болады және сұйытылған азот қышқылын қосқанда бұзылуы мүмкін. Биосорбент кальций және магний иондары бар ерітінділермен шаю арқылы қайта қалпына келеді. Авторлар зерттеген биосорбент өте сирек,себебі сорбция механизмі биосорбенттің кальций және магний иондарын күміс иондарына ауыстыруына байланысты деген қорытындыға келеді /40/.

Металдардың шоғырлануы олардың клетканың бетіне жинақталуы есебінен жүруі мүмкін. Металдар капсула полисахаридтерімен байланыса алады, ал капсуланың өзі бір мезгілде бірнеше металдарды жинақтайды. Мысалы: үлкен капсула түзетін Bacillus megaterium АТТС 19212 клеткалары мыс, күміс, темір, цинк, марганец катиондарын жинақтайды /41/.

Соңғы жылдардағы мәліметтерден зәйтүн майы өндірісіндегі ағын сулардың биодеградациясы иммобилденген Leutinula edodes cаңырауқұлағының көмегімен жүзеге асатыны белгілі. Тазалаудың 3 циклынан соң, ағынның ластануының төмендегені және ағынның түссізденгені байқалған. Иммобилденген Pseudomonas клеткаларының көмегімен ағын суларды бояғыш заттардан толық тазалауға болатыны көрсетілген. Осы кезде ағын сулардың улылығы 1000 рет төмендейді /42/.

Барлық микроорганизмдердің түрлері, сондай-ақ бактериялар және су ерітіндідегі металдарды толығымен тазартады, немесе концентрациясын біршама төмендетеді. Биомасса сорбциялық қасиетке ие: беттері жақсы жетілген, клеткалар құрамында полифункционалды топтар: ацетиламидті, карбоксилді, фосфатты топтар болады, олар металдардың хелатты механизмімен комплекс түзуге қабілетті.

Биомассаның құрамында органикалық бөліктен басқа бейорганикалық бөліктер кіреді, олар Ca, Mg, P, Si, Fe қосылыстар түрінде болады да, металдарды тазалауда маңызды роль атқарады /43/.

В.И. Захарова, В.О. Игнатьев және т.б. гальвандық өндірістердегі ағын суларды биосорбент көмегімен түстү ауыр металдардан (Ag, Mo, Ni, Zn) тазалауда салыстырмалы анализ жүргізген. Тәжірибеде антибиотик өндірісі кезінде алынған мицелиалды қалдықтарды, сонымен бірге микробалдырлар биомассасын, жем ашытқысы Candida scotti, нан және сыра ашытқылары Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlbergensis қолданылған. Металдарды неомицен және линкомицен антибиотиктерінің өндірушілері белсенді сорбциялағаны көрсетілген, олар Zn және Cd 95% сорбциялаған. Металдар сорбциясы ерітінді рН және биомассадағы кальций жоғарлауымен қарқынды жүрген /44/.

Candida utilis клеткаларымен мыс иондарының сіңірілуін зерттеу, клеткалардың мыспен толық қанығуы 2 сағатта жүретіндігін көрсетті. Мыстың сіңірулі жылдамдығы, оның ортадағы концентрациясына байланысты, бұл байланыстылық Михаэлис-Ментен теңдеуімен сипатталады /45/.

Клеткамен сіңірілген мыс клетка белоктарымен хелат түзу арқылы байланысуы мүмкін /46/.

Candida utilis клеткаларына алтынның жинақталуы зерттелген. Candida utilis-тың алтынға тұрақтылығы бастапқы тығыздығына байланысты. Алтын иондары ашытқы клеткаларымен жақсы сорбцияланады. Алтын митохондриядан басқа органоидтардың барлығына шоғырланған. Ашытқылар алтынның ең жақсы биологиялық аккумуляторлары болып табылады, металл иондары клеткалармен алғашқы 6 сағаттық түйісуде жақсы адсорбцияланады, содан кейін алтынның сіңірілуі төмендейді /47,48/.

Металл иондарының микроб клеткаларындағы сорбция процестеріне әсері бірнеше жағдайларға: гидроксилді топтар арқылы болатын хелат түзуші қосылыстарға байланысты, нәтижесінде клетка мен адсорбенттің беткі қабаты арасында координациялық байланыс түзіледі;адсорбенттің беткі қабат көлеміне, кейде тіпті зарядына және клетка мен тасушының арасындағы электростатикалық өзара әсерлесуге байланысты /49/.

Бактериялар қатты субстраттың бетіне клетка қабырғасымен полимерлерінің көмегімен жабысады. Бактериялардың әртүрлі штамдарын электролит ерітінділерімен, иондық емес детергенттермен электростатикалық, полярлық және гидрофобтылық қабілеттері артады. Ал олар бактерия адгезиясына әсер етеді /50/.

Микроорганизмдердің- бактериялардың, ашытқылардың, жіпшелі саңырауқұлақтардың және актиномицеттердің штамдарының металдарды адсорбциялау қабілеттіліктері зерттелді. Құрамында 9 металдың қоспасы бар 10^-4 моль/г концентрациялы ерітінділерден рН 4,6-да 30⁰ С- да сынаптың, қорғасынның, мыстың, уранның адсорбциялану жылдамдығы анықталды /51/.

Хамидова мен Сагдиевалардың еңбектерінде қалдық судан бөлініп алынған Penicillum echinulatum, Aspergillus niger ерітіндіден күмісті биосорбциялаудың маңызды параметрлері зерттелген. Аталған микроорганизмдердің биомассалары күмісті рН 2,0 –ден 7,0 –ге болғанда 90-95 пайыз адсорбциялайды /52/.

Кореневский және т.б Candida utilis клеткаларымен ерітінділерден күмістің адсорбцияланун зерттеді. Рентгенді микроанализ әдісі бойнша, ашытқы клеткаларының күмісті сорбциялау қабілеті бар екендігі анықталды. Күміс иондарының Candida utilis клеткаларымен байланысуы, олардың клетканың беткі қабаттарына адсорбциялануы нәтижесінде жүреді /53/.

Пенополиуретанды Mg иондарымен өңдеу кезінде ашытқы клеткасы Т-17- тың сорбциялық активтілігі жоғарылайтыны зерттелген, бірақ бұл вариант кезінде десорбция жағдайы да жоғары.

Иммобилизацияның нативті және модификацияланған тасушыларға әсерін зерттеу кезінде Al ионымен өлтірілген ашытқы клеткаларының токсинділігі төмендеу болатындығы байқалған. Бұл варианттарда көміртегінің пайдаланылуы бақылауға қарағанда сол деңгейде немесе жоғары. Кез келген модификатор әсеріне баға беруде комплексті зерттеулер қажет, себебі әр параметр модификацияға әр түрлі әсер етеді.

И. Дигель жұмысында пенополиуретан мен силикагель негізіндегі тасушылар ашытқы клеткаларының иммобилизациясы үшін сәйкес тасушы екені көрсетілген. Сондай-ақ, Fe³⁺ иондарымен модификацияланған силикагельге иммобилденген Т-17 ашытқы клеткаларын сүт сары суы негізінде этанол алуға қолданылған. Fe³⁺ иондарын қолдану кезінде бақылауға қарағанда ашытқы клеткаларының иммобилизациясы 41-48 пайызға жоғарылаған /54/.

Сонымен, тасушының сорбциялық сиымдылығын жоғарлататын перспективті бағытты бөліп алуға болады. Бұл бағыт тасушы беттерін химиялық табиғи агенттермен модификациялау және тасушыны термиялық өңдеуге ұшырату.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 МАТЕРИАЛДАР МЕН ЗЕРТТЕУ ОБЬЕКТІЛЕРІ

 

2.1 Зерттеу обьектілері.

 

Жұмыста қолданылған Torulopsis kefyr var кumis Т-17, Rhodotorula glutinis var glutinis, Candida crusei-40 ашытқы клеткалары әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің микробиология кафедрасының мұражайынан алынды.

 Torulopsis kefyr var. кumis Т-17, штамы қымыздан бөліп алынған. Морфологиясы бойынша бұл клеткалар сопақ пішінді, мөлшері 4,1-4,7 х 1,3- 5,2 мкм, шоғырланып орналасады, спора түзбейді, жалған мицелий түзбейді. Қатты қоректік ортада – штрих ақшыл түс, колониясы төмпешіктелген, беткі қабаты бұдыр

Rhodotorula glutinis var glutinis – қалдық су құрамынан бөлініп алынған. Каротиноидты пигментті синтездейді липид түзуші ашытқыларға жатады. Мөлшері 2-4 мкм. Клеткааралық полисахаридтердің түзілуіне қатысады, капсула түзеді.

Candida cruseae-40, Этанолмен ластанған қалдық сулардан бөлініп алынған. Этанолды 100 г/л. концентрацияда тотықтырады. Таяқша тәрізді клеткалар, мөлшері 2- 4 мкм, шоғырланады, аспорогенді. Қатты коректік ортада- штрих ақ түс.

 

2.2 Материалдар

 

Табиғи тасымалдағыштар ретінде 700⁰С температурада карбонизденген сары өрік қабығы қолданылды. Сары өрік қабығы негізіндегі сорбент жану мәселелерi институтындағы гибридтi технология лабораториясында жасалынған.

 

2.3 Клеткалардың сорбция және десорбциясын анықтау әдістері

 

Клеткалардың сорбция және десорбция деңгейін бағалау үшін Горяев камерасында есептеу арқылы анықталды. Сонымен бірге КФК — 2МПА фотоколориметр көмегімен ерітінді құрамындағы клетка концентрациясының оптикалық тығыздығын арнаулы стандартты кюветтерді пайдалана отырып 670 нм толқын ұзындығында өлшейді.

Клетка микроорганизмдерін иммобилиздеуде сары өрік қабығы негізінде карбонизделген  2 г сорбент қолданылады. Сорбент 250мл Эрленмейер колбасына салынады. Үстіне 100 мл клетка суспензиясы құйылады. Клетка суспензиясы NaCl (0,9%), бірге 24 сағат 4⁰С, температурада тербелме бөлмесінде минутына 220 айналым жасау арқылы араластыруға беріледі.

Клеткалардың және тасымалдағыштардың сорбцияға қабілетін Г.Н. Никовский, С.Гордиенко, Л.Н. Глоба әдісін пайдаланып анықтайды. Бекінген клеткалардың санын бастапқы және кейінгі оптикалық тығыздығының үлгілерін шегеру арқылы анықтайды. Десорбция процесін зерттеу үшін сорбциясы жүрген биосорбенттерді 100 мл изотоникалық ерітіндіге физиологиялық салып, 15 минут араластырады. Сұйық фазаның оптикалық тығыздығын есептейді.

 

2.4 Электронды-микроскопиялық әдіс

 

Анализ JCXA-7334 маркалы электронды зондты микроанализаторда жүргізілді. Электронды сканирлеуші микроскопия кезінде үлгілердің бетін жіңішке электронды сәулемен сканирлейді, ал алынған мәлімет люминиформен қапталған ұзақ жарықтандырғыш электронды сәулелі түтікке беріледі. Екінші жарықтандырғыш электронды сәулелі түтік үлгілерінің суретін алу үшін қолданылады.

Үлгілердің электрондармен өзара байланысу кезіндегі мәліметтер құралды басқару режимінің өзгеруімен өзгереді.

Препаратты дайындау: алынған биосорбенттер изотоникалық ерітіндімен шайылды, сосын 25⁰ С 10-15 сағатта кептірілді. Содан соң азотта қатырылып, вакуумды кептіргіште кептірілді.

Сусызданған препаратты объект ұстағышқа бекітіп, алтын мен платинаның жұқалап қаптайды. Түсіру екіншілік электрондар режимінде жүргізілді.

 

2.5 Ауыр металдардың биосорбенттермен сорбциясын зерттеу

 

Сары өрік негізіндегі биосорбенттерге Candida cruseae-40, Torulopsi kefyr  var kumis, Rhodutorula glutinis var glutinis   ашытқы клеткаларын 24 сағатқа иммобилизделінеді. Ашытқы суспензияларын КФК-2МП фотоколориметрде бастапқы оптикалық тығыздығын белгілеп аламыз. Бір сағаттық иммобилизациядан кейін оптикалық тығыздығы өлшелінді. Бір тәулік өткеннен кейін 24 сағаттық оптикалық тығыздығы өлшелінді. Сұйықтықты төгіп тастап сорбент үстіне ауыр металл Cd, Pb ерітінділерін 3 мкг/мл концентрацияда құйып оларды 30, 60, 90 минут және 2 сағатқа иммобилизделінді. Белгіленген иммобилизация уақыты бойынша сорбенті бар 100 мл ауыр металл ерітіндісінен 5 мл үлгілерін алынып отырды.

 

2.6 Ауыр металдарды анықтау әдістері

 

 Атомды-адсорбциялық спектроскопия химиялық үлгіде атом мөлшері және атом жайында мәлімет алуда бос атомдардың жұтылу спектрін пайдаланады. Бұл үлгіде элемент құрамы жайында мәлімет алуға мүмкіндік береді /54/. Ауыр металл иондарының жұтылуын зерттеу үшін иммобилизденген клеткаларды пайдалану арқылы судан анализ жүргізілген. Анализ AAS — IN. атомды-адсорбциялық спектрометрде жүргізілді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 НӘТИЖЕЛЕР МЕН ТАЛДАУЛАР

 

3.1 Сары өрік қабығы негізіндегі сорбенттерге ашытқы клеткаларының бекінуі

 

Иммобилизация үшiн кеуектiлiктерi бақыланатын тасушыларды қолдану кезiнде иммобилденген клеткалардың саны сорбент саңылауларының құрылысына байланысты екенi анықталған. Иммобилизация эффективтiлiгi үшiн микроб клеткалары мен сорбент пораларының маңызы зор. Саңылаулардың мөлшерi микроб клеткаларының көлемiнен бiрнеше рет асуы керек.

Биотехнологияда иммобилденген микрооганизм клеткаларын қолдануда қажеттi жағдайлардың бiрi олардың тасушыларда берiк ұсталуы болып табылады.

Ауыл шаруашылық қалдықтары негiзiндегi жаңа перспективтi активтi көмiрлер адсорбциялық кеңiстiктерiнiң жоғарлығымен сипатталады .

Жұмыстың барысында ашытқы клеткаларының карбонизделген сары өрік қабығы негізіндегі сорбенттерге иммобилизациясы зерттелінді.

Rhodotorula glutinis var glutinis, Candida cruseae-40, Torulopsis kefyr var kumis ашытқы клеткаларының сары өрік негізіндегі сорбенттерге иммобилизациясы 1-суретте келтірілген.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 cурет- Ашытқы клеткаларының карбонизделген сары өрік қабығына бекінуі

Суретте көрініп тұрғандай Rhodotorula glutinis var glutinis, Torulopsis kefyr var kumis Т-17 ашытқыларына қарағанда Candida cruseаe-40 ашытқы иммобилизациясы жақсы жүрді, сорбция көрсеткіші 37 пайызды құрады. Kарбонизденген сары өрік қабығына иммобилизациясы Rhodotorula glutinis var glutinis үшін 27%, Torulopsis kefyr var kumis Т-17 үшін 29% құрады.

Сары өрік қабығы негізіндегі карбонизделген сорбенттер сканерлі электронды-зонд JCXA 7334 микроанализаторында түсірілді. 2, 3 суретте көрініп түрғандай бастапқы сары өрік қабығы тегіс және өзінің беткі қабатында қуыстардың болуы байқалмайды. Карбонизация процесінде сорбент құрылымы өзгеріске ұшыраған. Иммобилизация процесі аяқталғаннан соң микроорганизм клеткалары негізіндегі биосорбенттердің электронды микроскоппен көрінісі 4, 5 суреттерде келтірілген.

 

 

 

Сурет 2. Нативті сары өрік қабығы             Сурет 3. Карбонизделген сары өрік қабығы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сурет 4. Candida cruseae-40                            Сурет 5. Torulopsis kefyr var kumis Т-17

негізіндегі биосорбент                                     негізіндегі биосорбент

 

4, 5-суреттерде ашытқы клеткалары негізіндегі биосорбенттердің көріністері келтірілген. Карбонизация процесі нәтижесінде сорбенттің саңылаулары жоғарылап, ашытқы клеткалары көп мөлшерде сорбцияланады.

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Ашытқы клеткаларының сорбциясына рН әсерін зерттеу

 

Клеткалар иммобилизациясына адсорбент және клетка бетіндегі ионогенді топтардың саны мен мөлшері, яғни беткі қабаттың химиялық табиғаты, сонымен қатар ионогенді топтардың диссоциация деңгейі, сәйкесінше ортаның рН-ы және ортадағы тұздардың концентрациясы әсер етеді. Осыған байланысты ашытқы клеткаларының сорбциясына pH 4, pH 6, pH 8 мәндерінің әсері зерттелді. 6-суретте  Torulopsis kefyr var kumis Т-17 штамының сары өрік қабығы негізіндегі сорбентке иммобилизациясына рН әсері көрсетілген.

6 cурет-Әр түрлі рН көрсеткіштерінде Torulopsis kefyr var kumis Т-17 штамының сары өрік қабығы негізіндегі сорбентке бекінуі

 

6-суретте көрсетілгендей Torulopsis kefyr var kumis Т-17 штамы рН-тың 6 мәнінде жоғары сорбциялық белсенділікті көрсетті, яғни сорбция 41 пайызды құрады. рН 4-те 30, рН-8-де 21 пайызды құрады.

 

7 cурет-Әр түрлі рН көрсеткіштерінде Candida cruseae-40 штамының сары өрік қабығы негізіндегі сорбентке бекінуі

 

7-суреттегі нәтижелер бойынша Candida cruseae-40 штамы рН-тың 6 мәнінде жоғары сорбциялық белсенділікті көрсетті, яғни сорбция 49 пайызды құрады. рН 4-те 38, рН-8-де 24 пайызды құрады.

8 cурет-Әр түрлі рН көрсеткіштерінде Rhodutorula glutinis var glutinis штамының сары өрік қабығы негізіндегі сорбентке бекінуі

 

8-суретте берілгендей Rhodutorula glutinis var glutinis штамы да ең жоғары сорбциялық белсенділікке рН 6-да ие, яғни рН-тың бұл көрсеткішінде 40 пайыз сорбцияланған. рН 4-те-30, рН 8-де 21 пайыздарды көрсетті.

          Ашытқы клеткаларының барлық штамдарының сары өрік негізіндегі сорбенттерге иммобилизациясы үшін рН-тың ең оптималды мәні 6 екені анықталды.

 

3.3 Биосорбенттермен ауыр металл иондарының сорбциясы

 

Уақыт бойынша металдар сорбциясы процессi әр түрлi жүретiнi белгiлi. Шындығында, микроорганизмдермен металдар сорбциясы микроорганизм суспензиясына металл ерiтiндiсiн қосқаннан соң 5 минуттың өзiнде қарқынды жүредi.

Жұмысымыздың барысында Rhodotorula glutinis var glutinis, Candida cruseae-40, Torulopsis kefyr var kumis Т-17 ашытқы клеткалары негізіндегі биосорбенттермен ауыр металдардың (Pb²⁺,Cd²⁺) иондарының сорбциясын зерттедiк. Зерттеу нәтижелері 9, 10 суреттерде көрсетілген.

 

9 cурет-Қорғасын иондарының ашытқы клеткалары негізіндегі биосорбенттермен сорбциялануы

 

Pb²⁺ иондарының Rhodotorula glutinis var glutinis негізіндегі биосорбенттермен сорбциясы 120 мин 30 пайызды құраса, Torulopsis kefyr var kumis Т-17 негізіндегі биосорбенттермен сорбциясы 120 мин 25 пайызды құрады. Ең жоғары сорбциялық активтілікті Candida cruseae-40 негізіндегі биосорбент көрсетті, яғни 120 мин 43 пайыз құрады.

 

 

 

10 cурет-Кадмий иондарының ашытқы клеткалары негізіндегі биосорбенттермен сорбциялануы.

 

Cd²⁺ иондарының Rhodotorula glutinis var glutinis негізіндегі биосорбенттермен сорбциясы 120 мин 35 пайызды құраса, Torulopsis kefyr var kumis Т-17 негізіндегі биосорбенттермен сорбциясы 120 мин 34 пайызды құрады. Ең жоғары сорбциялық активтілікті Candida cruseae-40 негізіндегі биосорбент көрсетті, яғни 120 мин 56 пайыз құрады. Қорғасын және кадмий иондары Candida cruseae-40 негізіндегі биосорбентпен жақсы сорбцияланатыны анықталды.

ҚОРЫТЫНДЫ

 

Мұнай өнімдері, химия зауыттарының қалдықтары, ауыр металл иондары т.б.заттар су қоймаларының ластаушы көздері болып табылады. Сондықтан біз судың ластану дәрежесіне қарай иммобилизденген клеткаларды пайдаланамыз. Су қоймаларында ауыр металдар су организмдерімен немесе адсорбциялану арқылы азаюына байланысты, ауыр металдардың биосорбциясын жүзеге асыруға қабілетті, иммобилизденген биосорбенттерді пайдаланудың тиімділігі жоғары болады. Иммобилизденген клеткалар ретінде біз ашытқылар, бактериялар жалпы микроорганизмдерді пайдаланады. Ал сорбент ретінде өндіріс қалдықтарын пайдалануға болады. Әрине, өндірістік деңгейде тасушыларды кең көлемде қолдануына байланысты олардың бағасы төмен, пайдалануға ыңғайлы болуы тиіс. Карбонизделген тасушылар беттік ішкі ауданының үлкендігімен және құрылысының кеуектілігімен сипатталады. Карбонизациялау нәтижесінде пайда болған саңылаулардың ішіне микроорганизмдердің бекінуі жоғарлайды. Жұмыс барысында анықталынды:

1. Карбонизделген сары өрік қабығы негізіндегі сорбенттерге ашытқы клеткаларының жақсы бекінетіні анықталды.
2. Rhodotorula glutinis var glutinis, Candida cruseae-40, Torulopsis kefyr var kumis Т-17 ашытқы клеткаларының сары өрік негізіндегі сорбенттерге бекінуі рН-6 мәнінде жақсы жүретіні көрсетілді.
3. Корғасын және кадмий иондарының Candida cruseae-40 негізіндегі биосорбенттермен жақсы сорбцияланатыны анықталды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қолданылған әдебиеттер тізімі

 

 

1. К.К. Шупшибаев Производства на основе иммобилизованных биокатализаторов Алматы 2004
2. Иммобилизованные клетки и ферменты. Методы (Ред.Дж.Вудворд)- М:Мир,1988.-243с.
3. Жұбанова А.А., Шөпшібаев Қ.К., Уәлиева П.С. Инженерлік энзимология Алматы 2006.
4. Яковлева. В.И., Иммобилизованные клетки в биотехнологии. Пушино, 1987, 15-27.
5. Кощенко К.А. Живые иммобилизованные клетки как биокатализаторы процессов трансформации и биосинтеза органических соединений // Прикладная биохимия и микробиология.-1981.-Т.17.-476с.
6. Синицина А.П., Райнина Е.И., Лозинский В.И., Спасов С.Д. Иммобилизованные клетки микроорганизмов. Москва., Изд-во МГУ, 1994
7. Скрябин Г. К., Кощеенко К. А. Иммобилизованые клетки микроорганизмов//Биотехнология — М.: Наука, 1984. — С. 70 — 77.
8. .Lee J., C.Choi, J.Park, at al.- J. Chem. Technol. Biotechnol., 1, 1984.
9. http: // www. Labionica. ru /files/ 4 doc Использование иммобилизованной микрофлоры в очистке сточных вод.
10. Гвоздяк П. И., Дмитриенко Г. Н., Куликов Н. И. Очистка сточных вод прикреплеными микроорганизмами//Химия и технология воды. — 1985. — Т. 7, N 1. — С. 64 — 68.
11. Дмитриева А. П. Интенсификация биологической очистки сточных вод//Кокс и химия — 1987. — N 1. — С. 53 — 56.
12. Глоба Л.И. и др. Очистка природной воды гидробионтами, закрепленными на волокнистых насадках //Химия и технология воды.-1992,-т.14, №1,-с. 63-67.
13. Биоаккумулирование металлов микроорганизмами.//Radioisotopes.-1994.-N2.-P.114-126.
14. Илялетдинов А.Н. Микробиологическая очистка воды от тяжелых металлов //Водные ресурсы, -1980,- №2,- с. 158-169.
15. Косов В.И. Иванов В.Н. Охрана и рациональное использование водных ресурсов. Охрана поверхностных вод: уч. пособие.- Твер. гос. техн. ун-т, 1995
16. http: // referat. studentport. su/ read. php. Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах.
17. Илялитдинов А.Н.Микробиологические превращения металлов.-Алма-Ата:Наука,1984.-268с.
18. Таширев А.В. Взаимодействие микроорганизмов с металлами.//Микробиол.ж.-1995.-№2.-С.95-104.
19. Алесковский В.Б., Юффа А.Я. Модифицированные поверхности неорганическими соединениями//ЖВХО им.Менделеева.-1989.-Т.24,№3.-317с.
20. Ховрычев М.П., Мареев И.Ю. Изучение сорбирующей способности биомассы микроорганизмов по отношению к некоторым радионуклидам.//Микробиология.-1994. Т.2.Вып.2.-С.200-206.
21. Иммобилизованные клетки и ферменты. Методы (Ред.Дж.Вудворд)- М:Мир,1988.-243с. Давидова Е.Г., Каспарова С.Б. Сорбция тяжелых металлов клеточными стенками дрожжей//Микробиология.-1992.-Т.61,Вып 5.-С.45-48.
22. Герасимов В.Н., Голов Е.А., Миронова Р.И. Структурные аспекты взаимодействия микробов с металлами.//Междунар.конф., посвящ. Памяти акад.А.А.Баева, Москва, 20-22 мая, 1996.-М.,-1996.-С.155-157.
23. Илялетдинов А.Н., Алиева Р.М. Микробиология и биотехнология очистки промышленных сточных вод. — Алма-Ата: Гылым, 1990. 224 c.
24. Cabral J. S., Cadete M. M. Jmmobilisation of yearst cells on Transition Metal – activated Pumice stone – Annals New Jork Academy of sciences, 1986, p 483-484.
25. Cabral Zono P. Selecting binding of metal ions to Pseudomonas Syringas. – Р. Ж. Биотехнология, 1993, 3 РЛ с-45.
26. Никовская Г.Н. Адгезионная иммобилизация микроорганизмов в очистке воды.//Химия и технология воды.-1989.-11.-№2.-С.158-169.
27. Илялетдинов А.Н., Алиева Р.М. Микробиологическая очистка сточных вод иммобилизованными клетками микроорганизмов-декструкторов.// Иммобилизованные клетки в биотехнологии.Сб.науч.тр.-Пущино.-1987.-С.62-71.
28. Агеева Н.М., Мержаниан А.А., Соболев Э.М. Влияние сорбции дрожжей на их фукциональную активность и состав виноматериалов // Микробиология. -1985. — Т. 54, в. 5.- С. 121-124.
29. Ступакова Т.П., Дубинина Г.А., Демина Л.Л. Роль микроорганизмов в накоплений тяжелых металлов во взвеси океана.//Микробиология. -1989. — Т. 45, в. 4.- С. 110-112.
30. Gadd G.M., Rehm H.J.//Biotechnology.-1988.-V.6.VCH/Weinheim.-401p.
31. Volesky B. Biosorbtion of Heavy Metals/Ed. Volesky B/CRC/Press, Bosa Raton.-1990.-270p.
32. Garnham G.M., Codd G.A.//Appl.Microbiol.Biotechnol.-1992.-V.37.-N2.-270p.
33. Звягинцев Д.Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями. М.:Мир,-1973.-173 с.
34. Дмитриенко Г.Н., Овчаров Л.Ф., Курдюк К.М., Гвоздяк П.И. Использование биотехнологии очистки воды сточных вод от тяжелых вод//Химия и технология воды.-1997.-Т.19.Вып.5.-С.544-547.
35. Volesky Bohumil. Advances in biosorbtion of metals: Selection of biomass types:Pap. Present.FEMS Symp.Metals and Microorganisms:Relationships andAppl.,Metz,6-7 May,1993.//Fems Microbiol.Rev.-1994.-V.14.-N4.-68p.
36. Маракушев С.А., Бардюк Д.В. Взаимодействие коллоидных частиц золота с поверхностью Micrococcus luteus// Изв.АН.СССР.Сер.биол.-1991.-№1.-С.142-145.
37. Форфилова Е.П., Марьин А.П., Терешина В.М. Сорбция ионов свинца Aspergillus niger // Прикл. биохимия и микробиол.-1994.№3.-C.149-155.
38. Akthar Naseem, Sactry K.Sivarama, Mohan P.Marrythi. Biosorbtion o silverions by processed Aspergillus nigerbiomass.//Biotechnol Lett .1995.-N5.-Р.551-556.
39. Engl Andrea. Kunz Benno. Biosorption of heavy metals by Saccharomyces cerevisiae// J.Chem.Technol. and Biotechnol.-1995.V.63.-N3.-P.257-264.
40. Shabtoi Y., Fleminger G.Adsorption of Rhodococcus strain on titanum dioxide and coal fly ash particles// Apll.and Environ.Microbiol.-1994. -V.60.-N9.
41. Balfans J., Rehm H.J. Biodegradation of phenol and chlorophenols by immobilized mixed culture in soil // 4-th World Cogress of Chem. Eng. – Frunkfrut / Main. 1992. P. 339-324.
42. А.М. Безбародов, И.С. Рогожин, Н.А. Ушакова. Взаимодействие бактерий Pseudomonas oleovorans, Nocarida Rugosa в модельной системе по очистке воздуха от смесей толуола и метилэтилкетона// Прикладная биохимия и микробиология. 1998. Т.34. №5. – С. 513-516.
43. Молчанова Т.В., Родионов В.В. Ионов Р.А., Матюшина Э.Н., Водолазов Л.И. // Радиохимия. 1988. Т.30. №5. – С. 669-672.
44. В.И. Захарова, В.О. Игнатьев и др. Очистка промышленных сточных вод от тяжелых металлов с помощью биосорбентов // Прикладная биохимия и микробиология. 2001. Т. 37. №4. – С. 405-412.
45. В.И. Захарова, В.О. Игнатьев и др. Очистка промышленных сточных вод от тяжелых металлов с помощью биосорбентов // Прикладная биохимия и микробиология. 2001. Т. 37. №4. – С. 405-412.
46. Хамидова Х., Сагадиева М.Г. Биосорбция серебра микроорганизмами.//Конф.„Интродукция микроорганизмов в окруж. среду”, [Москва], 17-19 мая,1994. Тез.докл.-М.,-1994.-112с.
47. Кореневский А.А., Сорокин В.В., Каравайко Г.И. Взаимодействие ионов серебра с клетками Candida utilis //Микробиология.-1993.-Т.62.-В.6.-С.1085-1091.
48. Дигель И.Э. Влияние ионов переходных металлов и водорастворимых полимеров на прикрепление дрожжевых клеток к твердым поверхностям: Автореферат канд. дис. — Алматы, 1998. — 24 с.
49. Абишева А.К., Мансурова Р.М., Жубанова А.А., Мансуров З.А. Изучение сорбционной активности адсорбентов на основе зауглероженной скорлупы грецких орехов // Вестник КазГУ, серия экол. –1999. №1. – С. 18-20.
50. Неклюдов А.Д., Евстафьева Е.А., Козлова Н.Д. Сравнительная оценка сорбционных свойств карбоксиметилцеллюлозы по отношению к гемину и гемоглобину // Прикладная биохимия и микробиология. — 1996. — Т. 23, № 3. — С. 290-293.
51. Физико-химические методы анализа / под ред. В.Б. Алесковского. — Л.: Химия, 1983. — 376 с.
52. Никовская Г.Н., Гордиенко А.С., Глоба Л.Н. Сорбция микроорганизмов волокнистыми материалами // Микробиология. – 1986. — Т. 55, № 4. — С. 691-694.
53. К.А.Луста, Б.А.Фихте. Методы определение жизнеспособности микроорганизмов.Пущино.-1990.-С.15-19.
54. Р.М. Мансурова, Ж.Т. Ахметова, А.К. Абишева, З.А. Мансуров. Углеродные сорбенты на основе растительного сырья // ХVI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Түйін

Қалдық суларды биологиялық жолмен тазалау мақсатында иммобилизденген ашытқы клеткаларын пайдаланудың тиімділігі жоғары. Иммобилизденген ашытқы клеткаларының су құрамындағы ауыр металл иондарының концентрациясының азаюы сорбция процесіне негізделген.

Жасалынған жұмыстарда: Rhodotorula glutinis var glutinis, Candida сrusei-40 Torulopsis kefyr var kumis, ашытқы клеткалары қолданылды. Ашытқы клеткаларының карбонизделген сары өрік қабығы негізіндегі сорбенттерге бекінуі рН-6 мәнінде жақсы жүретіні көрсетілді.

 

Резюме

При биологической очистке сточных вод используются иммобилизованные дрожжи. Иммобилизованные дрожжи сорбируют содержашиеся в воде тяжелые металлы. В данной работе были использованы дрожжи рода Candida crusei-40, Torulopsis kefyr var kumis, Rhodotorula glutinis var glutinis. Высокая сорбция дрожжей на сорбент на основе абрикосовых косточек происходит при значении рН 6.

 

Summary

It will be benefitful to use immobilized yeasts for refresh or clean the polluting water. The immobilized yeasts can absorb some heavy metals which is in the polluting water. In this work is shown polluting water used by Candida crusei-40, Torulopsis kefyr var, kumis, Rhodotorula glutinis var, glutinis immobilized yeasts and created that immobilized yeasts work better with pH 6.