BIOSORPCJA JONÓW CHROMU (III) Z ROZTWORÓW WODNYCH

BIOSORPCJA JONÓW CHROMU (III) Z ROZTWORÓW WODNYCH
Zaostrzanie dopuszczalnych limitów stężeń zanieczyszczeń
spowodowało, że konwencjonalne metody oczyszczania
ścieków z jonów metali toksycznych (np. wymiana jonowa,
procesy elektrochemiczne, wytrącanie i/lub procesy
membranowe) stały się niewystarczające i zbyt kosztowne.
Dlatego w ostatnich latach coraz większą uwagę poświęca się
procesom biosorpcji i bioakumulacji polegających na wiązaniu
jonów metali z roztworów wodnych przez odpowiednio
nieżywy lub żywy materiał biologiczny.
BIOSORBENTY NATURALNE
Bioorpcja jest pasywnym procesem wiązania związków chemicznych do powierzchni sorbentu. Wiązanie metali przez materiał
biologiczny zależy od budowy ściany komórkowej. Ściana komórkowa składa się głownie z polisacharydów, lipidów i protein,
posiadających grupy funkcyjne takie jak karboksylowa, hydroksylowa, sulfonowa, fosforytowa i aminowa, które tworzą
potencjalne miejsca wiążące dla jonów metali. Mechanizm wiązania metali przez nieaktywną biomasę może zależeć od rodzaju i
ładunku jonu, rodzaju biomasy (jej pochodzenie) i składu roztworu.
Osłony komórki bakteryjnej są utworzone z:
- błony cytoplazmatycznej,
- ściany komórkowej
- polimerów, występujących u bakterii zewnątrzkomórkowych.
Błona cytoplazmatyczna składa się z dwóch nieprzepuszczalnych dla elektronów warstw białek przedzielonych warstwą
fosfolipidów. Udział fosfolipidów w masie błony komórkowej stanowi 40%. Każda cząsteczka fosfolipidów zawiera część polarną
zbudowaną z grupy fosforanowej i glicerolu
(ma ona hydrofilowy charakter a więc jest
rozpuszczalna w wodzie) oraz część
niepolarną
zbudowaną
z
kwasów
tłuszczowych
(wykazuje
hydrofobowy
charakter i jest nierozpuszczalna w wodzie).
Białka
występujące
w
błonie
cytoplazmatycznej dzieli się na:
- białka peryferyczne, przylegające do
warstwy lipidowej po stronie wewnętrznej i
zewnętrznej, słabo z nią związane,
- białka integralne wnikające w głąb
warstwy lipidowej, silnie z nią związane;
białka te to permeazy oraz białka
uczestniczące
w
transporcie
wykorzystującym
system
grup
translokacyjnych.
Do
podstawowych
funkcji
błony
cytoplazmatycznej należy:
- transport substancji pokarmowych i
innych do komórki i wydalanie zbędnych
produktów metabolizmu,
udział w procesach oksydacyjnoredukcyjnych,
wydzielanie enzymów hydrolitycznych
rozkładających makrocząsteczki na mniejsze,
uczestniczenie
w syntezie ściany
komórkowej.
Ściana komórkowa bakterii Gram-dodatnich
zbudowana jest mureiny i kwasów
tejchojowych. Pod względem chemicznym
mureina jest polimerem zbudowanym z
powtarzających się jednostek utworzonych z
N-acetyloglukozoaminy oraz kwasu Nacetylomuraminowego,
połączonych
wiązaniem beta-1,4-glikozydowym. Do każdej
cząsteczki przyłączone są krótkie boczne
łańcuchy peptydowe, które mogą być
połączone ze sobą poprzecznymi mostkami
peptydowymi. Mureina w ścianach bakterii
Gram-dodatnich
tworzy
struktury
wielowarstwowe i może stanowić 90%
materiału ściany komórkowej.
Kwasy tejchojowe są z kolei polimerami
składającymi się z powtarzających się
jednostek glicerolu lub rybitolu, połączonych
wiązaniem fosfodiestrowym. Są one powiązane z mureiną
lub błoną cytoplazmatyczną za pomocą wiązań
kowalencyjnych.
Ściana komórki bakterii Gram-ujemnych zbudowana jest z
kilku warstw: mureiny, lipoproteiny, błony zewnętrznej.
Mureina składa się tylko z jednej do maksymalnie trzech
warstw, stanowiąc 5-20 % materiału ściany komórkowej i
jest mniej usieciowana poprzecznie. Lipoproteina wiąże
błonę zewnętrzną z mureiną. Część białkowa lipoproteiny
połączona jest wiązaniem peptydowym z bocznym
łańcuchem peptydowym mureiny, a część lipidowa
związana jest z lipidami błony zewnętrznej.
Błona zewnętrzna bakterii składa się z białek, fosfolipidow i
lipopolisacharydow. Nie zawiera kwasów tejchojowych
(typowych dla bakterii Gram-dodatnich). Błona zewnętrzna
jest w małym stopniu przepuszczalna dla
substancji o charakterze hydrofilowym. Część
rzeczywistej przepuszczalności tej błony zależy
od jej białek.
Białka błony zewnętrznej, które uczestniczą w
transporcie do komórki, zwane są porynami.
Przez nie mogą dyfundować rożnego rodzaju
substancje. Dzieli się je na:
poryny specyficzne, które umożliwiają
przechodzenie ściśle określonych substancji
poryny niespecyficzne umożliwiające
przepuszczanie cząsteczek o określonej
wielkości i hydrofilowym charakterze.
Fosfolipidy stanowią wewnętrzną warstwę
błony zewnętrznej.
Lipopolisacharyd - charakterystyczny składnik
dla bakterii Gram-ujemnych, umiejscowiony
jest w zewnętrznej warstwie błony. Zbudowany
jest z trzech składników: lipidu A, wielocukru
rdzeniowego
i
O-swoistego
łańcucha
cukrowego.
Bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne mogą
syntetyzować i wydzielać substancje o
charakterze polimerów. Polimery tworzące
zbitą warstwę ściśle otaczającą komórkę i ściśle
z nią związaną nazywa się otoczką. Gdy
polimery tworzą warstwę luźno związaną z
komórką, przybierając formę włókienek
sterczących na zewnątrz komórek, nazywa się
je glikokaliksem. Jeżeli polimery są całkowicie
odłączone od komórki bakteryjnej, ale ją
otaczają, nazywa się je warstwą śluzową.
Polimery te mogą być: polisacharydami,
polipeptydami
lub
polisacharydopolipeptydami.
Polisacharydy
zbudowane są z: cukrów, aminocukrów i
kwasów uronowych. Funkcje i właściwości
zewnątrzkomórkowych
polimerów
są
różnorodne i zależą w dużym stopniu od
sposobu ich ukształtowania wokół komórki.
Egzoplimery poza ochroną komórki przed
wysychaniem i szkodliwymi czynnikami,
wpływają także na przechodzenie związków
chemicznych do jak i z komórki.
Chityna – polisacharyd glukozy, w strukturze
podobny do celulozy, zbudowana z merów
acetyloglukozoaminowych.
Chitosan – polisacharyd glukozy, zbudowany z
merów glukozoaminy (pancerz skorupiaków:
krewetek)
Glukan – polisacharyd, składnik ścian
komórkowych (drożdży, grzybów).
Mannan – polisacharyd zbudowany z mannozy
RODZAJE BIOSORBENTÓW NATURALNYCH
Rolę sorbentów naturalnych mogą pełnić
różnorodne materiały organiczne. Przede
wszystkim mogą to być odpady pochodzące z
przemysłu
spożywczego,
drzewnego
i
pozostałości z przemysłu rolniczego.
Do tej grupy odpadów można zaliczyć m.in. obierki z owoców i warzyw, łuski orzechów, pestki, słomę oraz korę drzewną itp.
Doświadczenia wykonano również na zmielonych (frakcja o uziarnieniu 0,1÷0,2 mm) łuskach i łodygach ryżu, łupinach orzechów
ziemnych, skórkach bananów, włóknach kokosowych, trocinach z drzewa tekowego, liściach z drzewa mango i z drzewa figowego,
fusach herbaty oraz kawałkach trawy. Funkcje sorbentów naturalnych z powodzeniem mogą spełniać także odpady pochodzące
z innych gałęzi przemysłu. Sorpcję metali ciężkich można również badać na materiałach organicznych np. glonach, wodorostach,
mchach i grzybach. Przykładowe wyniki otrzymane dla wymienionych sorbentów podano w tabeli 2.
MODYFIKACJA POWIERZCHNI SORBENTÓW NATURALNYCH
Naturalne właściwości sorpcyjne materiałów organicznych
można zwiększać poprzez modyfikację ich powierzchni. Do tego
celu wykorzystywane są metody chemiczne jak i fizyczne.
Badania poświęcone aktywacji sorbentu naturalnego
przedstawili m.in. Nadeema R. i jego zespół. Przedmiotem ich
badań był wysuszony wywar gorzelniczy (Tabela obok). Użyty
sorbent został poddany obróbce termicznej (ogrzewanie w
piecu i gotowanie w wodzie), ciśnieniowej oraz chemicznej
(m.in. działanie HCl, H2SO4, NaOH). Wszystkie stosowane
reagenty podawano w postaci 0,1 N roztworów. Wyniki badań,
potwierdziły, że zarówno fizyczna, jak i chemiczna modyfikacja
powierzchni sorbentu zwiększa jego maksymalną pojemność
sorpcyjną. Wykazały również, że obróbka chemiczna jest
bardziej skuteczna w porównaniu z obróbką fizyczną. Dzięki
gotowaniu i obróbce ciśnieniowej sorbent został pozbawiony
mineralnych składników, co spowodowało odsłonięcie centrów
adsorpcji na jego powierzchni. Ogrzewanie w piecu rozłożyło
materię organiczną i tym samym zwiększyło dostępność
adsorbowanych jonów do miejsc aktywnych sorbentu. Kwasy
zwiększają zdolności sorpcyjne poprzez zwiększenie
powierzchni aktywnej i porowatości sorbentu. Natomiast
traktowanie zasadą może m.in. niszczyć lipidy i białka, które
maskują miejsca aktywne sorbentu.
WIĄZANIE METALI PRZEZ BIOMASĘ
Wiązanie jonów metali przez materiał pochodzenia biologicznego może zachodzić na drodze sorpcji (biosorpcja) i akumulacji
(bioakumulacja). Biosorpcja i bioakumulacja to interakcje zachodzące w środowisku naturalnym pomiędzy metalami a biomasą.
Akumulacja wykorzystuje zdolności akumulacyjne żywych komórek w odróżnieniu od sorpcji która zachodzi na komórkach nie
wykazujących aktywności metabolicznych. Biosorpcja jest procesem szybkiego oraz odwracalnego wiązania jonów metali z
roztworów wodnych przez nieżywą biomasę. Proces ten jest niezależny od metabolizmu komórki. Wiązanie jonów metali może
zachodzić zgodnie z mechanizmem adsorpcji fizycznej, wymiany jonowej, sorpcji chemicznej, kompleksowania, chelatowania czy
też mikrostrącania.
Literatura podaje, że jony metali są adsorbowane przez biosorbenty w wyniku ich oddziaływania z grupami funkcyjnymi (np.
karboksylowa, hydroksylowa, aminowa, fosforylowa) znajdującymi się na powierzchni ściany komórkowej biosorbenta.
Wśród biosorbentów naturalnych wyróżniamy: materiały pochodzenia roślinnego: algi, bakterie, grzyby (drożdże), mchy
(torfowce) i zwierzęcego: kości zwierzęce i skorupki jaj. Biosorpcja charakteryzuje się tym, iż jest procesem selektywnym,
wydajnym i uniwersalnym, odnoszącym się do nieżywej biomasy. Może być prowadzona w szerokim zakresie pH (od 3 do 9) i
temperatury (4 do 90 °C), nie wymaga wysokich nakładów inwestycyjnych, koszty operacyjnie są niskie. Stan równowagi zarówno
adsorpcji, jak i desorpcji jest osiągany bardzo szybko. Materiały biologiczne wiążące jony metali są często tanie i mogą pochodzić
z przemysłowej hodowli biomasy lub być produktem odpadowym z przemysłu. W przypadku oczyszczania ścieków z
wykorzystaniem procesu biosorpcji, otrzymywany jest oczyszczony ściek oraz biomasa ze związanymi jonami metali. Jony te
wiązane są przez komórki w sposób odwracalny, co umożliwia ich odzysk oraz regenerację biomasy i jej ponowne wykorzystanie
w kolejnym cyklu biosorpcji. Liczba cykli biosorpcja - desorpcja zależy od właściwości fizycznych i mechanicznych biosorbenta.
Możliwość regeneracji biomasy jest bardzo istotna z punktu widzenia efektywności biosorpcji jako metody oczyszczania ścieków.
Jony metali związane z biomasą można odmywać rozcieńczonymi kwasami mineralnymi, na przykład kwasem solnym lub
azotowym, albo roztworem EDTA o stężeniu 0,01-0,1 mol/dm3. W przypadku zastosowania tanich i ogólnodostępnych
biosorbentów, proces regeneracji przestaje być opłacalny. Biomasę wraz ze związanymi jonami metali można wówczas spopielić.
Spalanie wzbogaconej biomasy posiada dwie zalety: otrzymany popiół stanowi koncentrat danego metalu oraz metoda ta pozwala
na utylizację zużytej biomasy, która nie nadaje się do powtórnego wykorzystana w procesie biosorpcji. Dodatkowo, w procesie
spalania uzyskiwana jest energia. Metoda ta jest alternatywą dla procesu desorpcji. Ponowne wykorzystanie takich odpadów
stanowi wyzwanie dla naukowców. Głównym czynnikiem odpowiedzialnym za zachodzenie tych procesów jest budowa ściany
komórkowej, charakterystyka w właściwości powierzchni materiału biologicznego, bo to pomiędzy jej składnikami a jonem metalu
zachodzą fizykochemiczne oddziaływania, pozwalające na wiązanie ich do powierzchni. Ściana komórkowa zawiera głownie
polisacharydy, lipidy i białka, które w swojej strukturze posiadają wiele miejsc charakteryzujących się zdolnością wiązania metalu.
BIOSORPCJA
Bioorpcja jest pasywnym procesem wiązania związków chemicznych do powierzchni sorbentu. Wiązanie metali przez materiał
biologiczny zależy od budowy ściany komórkowej. Ściana komórkowa składa się głownie z polisacharydów, lipidów i protein,
posiadających grupy funkcyjne takie jak karboksylowa, hydroksylowa, sulfonowa, fosforytowa i aminowa, które tworzą
potencjalne miejsca wiążące dla jonów metali. Mechanizm wiązania metali przez nieaktywną biomasę może zależeć od rodzaju i
ładunku jonu, rodzaju biomasy (jej pochodzenie) i składu roztworu.
Biosorpcja to rodzaj immobilizacji opierający się na kilku mechanizmach:
- chemisorpcja
- wymiana jonowa
- kompleksowanie
- adsorpcja fizyczna,
które jakościowo i ilościowo zależą od rodzaju biomasy i jej pochodzenia. Biosorpcja tłumaczy wszystkie procesy zachodzące w
ścianie komórkowej, nie uzależnione od metabolizmu komórki, jak fizyczna i chemiczna adsorpcja a także mikrostrącanie.
MECHANIZM SORPCJI
Biosorpcję można podzielić na cztery etapy:
1. transport sorbatu z objętości roztworu do warstwy cieczy otaczającej powierzchnie biomasy,
2. transport sorbatu (jony metalu) z warstwy granicznej do powierzchni biomasy (dyfuzja zewnętrzna),
3. transport z powierzchni biomasy do wewnętrznych miejsc wiążących (dyfuzja wewnętrzna)
4. reakcje z sorbatu z miejscem aktywnym.
Dwa pierwsze etapy (dyfuzja zewnętrzna) i czwarty zachodzą bardzo szybko, natomiast etap trzeci czyli dyfuzja wewnętrzna ma
ograniczoną szybkość i to ten etap ma duży wpływ na ustalenie się stanu równowagi. W wyniku wyższego stężenia jonów metalu
w środowisku zewnętrznym niż wewnętrznym, jony te mogą przenikać na drodze powolnej dyfuzji do wnętrza komórki przez
ścianę komórkową. Procesy te, są niezależne od metabolizmu. Zawartość protein w błonie komórkowej biomasy wynosi ok. 16%,
aminokwasy wchodzące w ich skład w swej budowie posiadają grupy funkcyjne.
Grupy karboksylowa i aminowa z takich aminokwasów jak imidazol czy histydyna, czy tez azot albo tlen z wiązań peptydowych
mogą w sposób koordynacyjny wiązać jony metali, czemu może towarzyszyć wypieranie protonów. Polisacharydy z błony
komórkowej są także źródłem grup aminowych, karboksylowych i sulfonowych.
Literatura podaje, że dominującym mechanizmem sorpcji jest wymiana jonowa, biomasa posiada związane jony metali lekkich jak
K+, Na+, Ca2+ i Mg2+, z grupami funkcyjnymi występującymi w błonie, a które normalnie występują w jej środowisku. W trakcie
procesu sorpcji jony te zostają wyparte przez jony innych metali, a ich stężenie w roztworze po sorpcji jest większe niż przed
procesem. W momencie uwolnienia jonów metali lekkich ma miejsce pobranie protonów (pH po sorpcji jest wyższe niż przed) i
jonów metali ciężkich. Związanie jonów metali z biosorbentem (sorbentem) na zasadzie adsorpcji fizycznej zachodzi wskutek
interakcji elektrostatycznych i sił Van de Waalsa. Może także zachodzić strącanie zewnątrzkomórkowe wyniku reakcji jonu metalu
ze składnikami błony komórkowej.
OPIS MATEMATYCZNY
W stanie równowagi istnieje określony podział adsorbatu między fazę roztworu i fazę adsorbentu. Gdzie ilość substancji
rozpuszczonej, adsorbowanej na jednostkę masy adsorbentu, jest przedstawiana jako funkcja stężenia substancji rozpuszczonej,
pozostającej w roztworze w stałej temperaturze. Wyrażenie takie jest nazywane izotermą adsorpcji.
𝑞𝑒 = 𝑓(𝐶𝑒 )𝑡𝑒𝑚𝑝
(1)
UKŁAD JEDNOSKŁADNIKOWY
Szeroko stosowanym modelem opisu równowagi sorpcji jest równanie izotermy Langmuira.
Teoria Langmuira zakłada że:
- na powierzchni adsorbentu znajduje się określona liczba miejsc aktywnych, zdolnych do wiązania adsorbatu; ich liczba
jest proporcjonalna do wielkości powierzchni;
- jednemu miejscu aktywnemu odpowiada jedna cząsteczka adsorbatu;
- ma miejsce adsorpcja zlokalizowana. Czyli cząsteczka adsorbatu nie ma możliwości swobodnego przemieszczania się po
powierzchni adsorbentu;
- nie występują wzajemne oddziaływania pomiędzy zaadsorbowanymi cząsteczkami adsorbatu;
- powstała warstwa adsorpcyjna zmniejsza oddziaływanie sil adsorpcyjnych, co uniemożliwia powstawanie następnych
warstw.
Jeżeli [S] będzie stężeniem równowagowym wolnych miejsc aktywnych adsorbentu czyli pojemnością sorpcyjną [mg/g], [A]
stężenie równowagowym adsorbatu [mg/l], a [SA] stężeniem równowagowe zaabsorbowanej substancji [mg/l], to proces adsorpcji
można zapisać w postaci równania:
𝑆 + 𝐴 ↔ 𝑆𝐴
a stalą procesu adsorpcji można wtedy przedstawić jako:
(2)
𝐾𝑎𝑑𝑠 =
[𝑆𝐴]
(3)
[𝑆]∙[𝐴]
[𝑆] 𝑇 = [𝑆] + [𝑆𝐴]
(4)
gdzie [S]T - to maksymalna pojemność adsorpcyjna monowarstwy adsorbentu [mg/g], czyli gdy wszystkie miejsca aktywne na
powierzchni adsorbentu są zajęte przez cząsteczki adsorbatu, z równań (2) i (3) otrzymujemy równanie (4) i kolejne (5):
𝐾𝑎𝑑𝑠 =
𝐾𝑎𝑑𝑠 =
[𝑆𝐴]
(5)
([𝑆]𝑇 +[𝑆𝐴])∙[𝐴]
[𝑆𝐴]
(6)
[𝑆]𝑇 ∙[𝐴]+[𝑆𝐴]∙[𝐴]
więc przekształcając do postaci
[𝑆𝐴] = [𝑆] 𝑇
𝐾𝑎𝑑𝑠∙[𝐴]
(7)
1+𝐾𝑎𝑑𝑠∙[𝐴]
otrzymujemy zapis izotermy Langmuira,
Tradycyjne równanie Langmuira wyraża się wzorem:
𝐾 ∙𝐶𝑒
𝑞𝑒 = 𝑞𝑚𝑎𝑥 1+𝐾𝐿
(8)
𝐿 ∙𝐶𝑒
qe - masa zaadsorbowanej substancji(metalu) [mg/g];
KL - stała w równaniu Langmuira [l/mg];
Ce - równowagowe stężenie substancji (metalu) w roztworze [mg/l];
qmax - maksymalna pojemność adsorpcyjna monowarstwy adsorbentu [mg/g].
1
1
Równanie to jest prawdziwe, jeżeli po linearyzacji zależność: 𝑞 = 𝑓 (𝐶 ) jest linią prostą.
𝑒
𝑒
A otrzymane z lineralizacji stałe KL i qmax oddają nam naturę sorbenta, i pozwalają nam na porównanie procesu biosorpcji. Stała KL
izotermy Langmuira określa jak stroma jest izoterma, czyli jak duże jest powinowactwo sorbenta do sorbatu. Jeżeli natomiast
stanowi linię łamaną to można przypuszczać że substancja jest wiązana na sorbencie przez więcej niż jeden rodzaj miejsc
aktywnych i wtedy równanie Langmuira przyjmuje postać:
𝐾 1 ∙𝐶 1
𝐾 2 ∙𝐶 2
1
2
𝑞𝑒 = 𝑞𝑚𝑎𝑥
∙ 1+𝐾𝐿 1∙𝐶𝑒 1 + 𝑞𝑚𝑎𝑥
∙ 1+𝐾𝐿 2∙𝐶𝑒 2
𝐿
𝑒
𝐿
𝑒
(9)
1
2
Każdy rodzaj miejsc aktywnych charakteryzują stałe: odpowiednio 𝑞𝑚𝑎𝑥
∙ 𝐾𝐿1 i 𝑞𝑚𝑎𝑥
∙ 𝐾𝐿2
Rys. 1 Wykres izotermy Langmuir’a
Parametr KL jest miarą powinowactwa i wydajności sorpcji różnych biomas, duży współczynnik KL wskazuje na duże powinowactwo
dla absorbatu, i odpowiada nachyleniu wykresu izotermy sorpcji w początkowym zakresie. Najbardziej pożądane są biosorbenty o
najwyższej możliwej qmax i najwyższym współczynniku KL.
Jednym z założeń teorii Langmuira jest to, że energia adsorpcji dla wszystkich miejsc (centrów) aktywnych jest taka sama i nie
zależy od stopnia pokrycia powierzchni cząstkami adsorbatu. W praktyce jednak jest inaczej, a zostało to uwzględnione w izotermie
adsorpcji Freundlich’a, postaci:
1
𝑞𝑒 = 𝐾𝐹 ∙ 𝐶𝑒𝑛
(10)
gdzie:
KF i n(1/n) to stale adsorpcji w równaniu Freundlich’a,
C - stężenie adsorbowanej substancji(metalu) w roztworze w stanie równowagi [mg/l],
qe -masa zaadsorbowanej substancji (metalu) [mg/g].
Wykładnik na ogół przyjmuje wartości mniejsze niż 1, co oznacza że stężenie powierzchniowe adsorbatu wzrasta wolniej niż jego
stężenie w roztworze, nie osiągamy nasycenia, ponieważ na powierzchni występują zawsze miejsca o wysokiej energii adsorpcji
(Rys. 2).
Rys. 2 Izoterma Freundlich’a w zależności od współczynnika n
Znacznie częściej stosowaną izotermą jest izoterma Langmuira, miedzy innymi ze względu na łatwość interpretacji wyników. Jedną
z podstawowych różnic jest ta, że w izotermie Freundlich’a nie można określić qmax (Rys .3).
Rys. 3 Porównanie izoterm Langmuira i Freundlich’a
BIOAKUMULACJA
Biokumulacja może być traktowana jako drugi etap wiązania metalu w procesie aktywnej sorpcji. I jest bardzo często określana
jako „aktywna biosorpcja”. Ponieważ proces bioakumulacji dotyczy komórek żywych, na wydajność tego procesu duży wpływ ma
metabolizm komórki, a co za tym idzie wszystkie czynniki które wpływają na jego mechanizm również regulują wiązanie jonów
metali ze środowiska zewnętrznego.
Bioakumulacji to akumulacja we wnętrzu komórki. Proces ten dotyczy wiązania metalu przez składniki wewnątrzkomórkowe,
wewnątrzkomórkowego strącania, metyzacją, reakcji redukcji i utleniania. Jest ona często związana z reakcja obronną organizmu
i wymaga dłuższego czasu na transport i akumulację w cytoplazmie w stosunku do początkowego natychmiastowego wiązania
jonów metali do powierzchni komórki. Wrażliwość żyjących komórek na ekstremalne wartości pH, wysokie stężenie metalu i
konieczność dostarczania energii metabolicznej są głównymi ograniczeniami dla zastosowania akumulacji w wiązaniu jonów
metali. Wysokie stężenie soli, obecność innych składników w roztworze mogą limitować wzrost mikroorganizmów, co z kolei
hamuje wiązanie jonów metali z roztworu. Wykorzystując mikroorganizmy (biosorbenty) wyizolowane z zanieczyszczonych
rejonów, można poszerzyć zakres stężeń metalu w których można przeprowadzić proces bez niekorzystnego wpływu na
mikroorganizm. Wykorzystanie żywych mikroorganizmów do wiązania jonów metali pozwala uniknąć konieczności stosowania
procedury poprzedzającej proces sorpcji.
PORÓWNANIE BIOSORPCJI I BIOAKUMULACJI
Tabela 1 Różnice pomiędzy biosorpcją i bioakumulacją
Wykazano ze pojemność biosorpcyjna jest znacznie większa w stosunku do akumulacji w większych stężeniach, jedynie w wąskim
zakresie niższych stężeń proces akumulacji
osiągał lepsze rezultaty. Tłumaczy się to
destrukcyjnym wpływem dużych stężeń jonu
metalu na ścianę komórkową wskutek czego
komórka traci zdolności wiążące. W procesie
akumulacji, w związku z tym że jest to proces
zależny od metabolizmu komórki, nie jesteśmy w
stanie do końca przewidzieć reakcji komórki na
obecność jonu w środowisku zewnętrznym.
Rys. 4 Porównanie mechanizmów sorpcji i akumulacji
Metody wiązania jonów metali, z wykorzystaniem mikroorganizmów w procesie akumulacji ze względu na konieczność stosowania
pożywki, trudności związanie z prowadzeniem hodowli i zmienność zachowania mikroorganizmów w zależności od panujących
warunków, mają ograniczone zastosowanie w oczyszczaniu ścieków przemysłowych. Natomiast biosorpcja jest metodą która
osiąga bardzo dobre wyniki w oczyszczaniu ścieków przemysłowych z toksycznych jonów metali ciężkich, ze względu na jej wysoka
selektywność i wydajność.
Literatura:
Instrukcja do ćwiczeń „Ćw. II Usuwanie jonów chromu ze ścieków– CZĘŚĆ II – Usuwanie Cr(III) ze ścieków metodą biosorpcji. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA,
OCHRONA ŚRODOWISKA W TECHNOLOGII CHEMICZNEJ