Как взаимодействуют металлы с водой


Какие металлы реагируют с водой?

Прежде всего следует запомнить, что металлы делят в целом на три группы:

1) Активные металлы: к таким металлам относятся все щелочные металлы, щелочноземельные металлы, а также магний и алюминий.

2) Металлы средней активности: к таковым относят металлы, расположенные между алюминием и водородом в ряду активности.

3) Малоактивные металлы: металлы, расположенные в ряду активности правее водорода.

В первую очередь нужно запомнить, что малоактивные металлы (т.е. те, что расположены после водорода) с водой не реагируют ни при каких условиях.

Щелочные и щелочноземельные металлы реагируют с водой при любых условиях (даже при обычной температуре и на холоде), при этом реакция сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла. Например:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2

Магний из-за того, что покрыт защитной оксидной пленкой, реагирует с водой только при кипячении. При нагревании в воде оксидная пленка, состоящая из MgO, разрушается и находящийся под ней магний начинает реагировать с водой. При этом реакция также сопровождается выделением водорода и образованием гидроксида металла, который, однако, в случае магния нерастворим:

Mg + 2H2O = Mg(OH)2↓ + H2

Алюминий так же, как и магний, покрыт защитной оксидной пленкой, однако в этом случае кипячением ее разрушить нельзя. Для ее снятия требуются либо механическая чистка (каким-либо абразивом), либо ее химическое разрушение щелочью, растворами солей ртути или солей аммония:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

Металлы средней активности реагируют с водой лишь тогда, когда она находится в состоянии перегретого водяного пара. Сам металл при этом должен быть нагрет до температуры красного каления (около 600-800 оС). В отличие от активных металлов, металлы средней активности при реакции с водой вместо гидроксидов образуют оксиды металлов. Продуктом восстановления и в этом случае является водород:

Zn + H2O = ZnO + H2

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2 или

Fe + H2O = FeO + H2 (в зависимости от степени нагрева)

Как взаимодействуют грунтовые и поверхностные воды?

Материал адаптирован из: Vandas, S.J., Winter, T.C., and Battaglin, W.A. 2002. Water and the Environment, p. 28-29. Опубликовано серией экологической информации Американского института геонаук. Щелкните здесь, чтобы загрузить полное руководство.

Системы поверхностных и подземных вод связаны в большинстве ландшафтов. Потоки взаимодействуют с грунтовыми водами тремя основными способами: потоки получают воду из притока грунтовых вод через русло, потоки теряют воду из-за оттока через русло, или они делают и то, и другое, в зависимости от местоположения вдоль потока.Именно вклад грунтовых вод поддерживает течение ручьев между выпадением осадков или после таяния снега. Для того, чтобы ручей набирал воду, высота уровня грунтовых вод вблизи ручья должна быть выше, чем поверхность воды в ручье. Чтобы поток терял воду в грунтовые воды, уровень грунтовых вод должен быть ниже отметки водной поверхности потока в непосредственной близости от ручья. Если уровень грунтовых вод сильно колеблется в течение года, сегмент водотока может получать воду из грунтовых вод в течение части года и терять воду в грунтовые воды в другое время.

Поверхностные водные объекты, такие как озера и водно-болотные угодья, могут получать приток грунтовых вод, подпитывать грунтовые воды или и то, и другое. Движение воды между системами грунтовых и поверхностных вод приводит к смешиванию их свойств воды. Большое количество питательных веществ или других растворенных химикатов в поверхностных водах может передаваться в подключенную систему подземных вод.

Узнать больше

  • Вода как один ресурс (веб-семинар), Американский институт наук о Земле
    Три презентации, посвященные взаимодействию подземных и поверхностных вод, каковы последствия этих взаимодействий для водных ресурсов и как управлять водой более эффективно, если их понимание взаимодействия включены.
  • Грунтовые и поверхностные воды: единый ресурс (справочник), Геологическая служба США
    Исчерпывающий обзор взаимодействия грунтовых и поверхностных вод для широкой аудитории. Охватывает естественные процессы взаимодействия (взаимодействия в гидрологическом круговороте, химические взаимодействия подземных и поверхностных вод, взаимодействия в различных ландшафтах), влияние деятельности человека на подземные воды и взаимодействия поверхностных вод, а также проблемы и возможности в этих взаимодействиях.
  • Взаимодействие грунтовых и поверхностных вод (веб-сайт), Геологическая служба США
    Этот веб-сайт объединяет технические и общие публикации, веб-сайты проектов и технические модели, связанные с взаимодействием подземных и поверхностных вод.
.

Как добыча металлов может повлиять на окружающую среду?

Материал адаптирован из: Hudson, T.L, Fox, F.D., and Plumlee, G..S. 1999. Добыча металлов и окружающая среда, с. 7,20-27,31-35,38-39. Опубликовано серией экологической информации Американского института геонаук.

Современные горнодобывающие предприятия активно стремятся смягчить потенциальные экологические последствия добычи металлов, и такие операции строго регулируются в США. Ключ к эффективному смягчению последствий лежит во внедрении достижений науки и техники, которые предотвращают нежелательные воздействия на окружающую среду или контролируют их.

Операции и отходы, связанные с добычей и обработкой металлов, являются основными причинами экологической озабоченности при добыче металлов. Проблемы включают:

Физические нарушения

Самыми большими физическими нарушениями на руднике являются фактические горные выработки, такие как открытые карьеры и связанные с ними свалки пустой породы. Горнодобывающие предприятия, такие как офисы, магазины и комбинаты, которые занимают небольшую часть нарушенной территории, обычно спасаются или сносятся, когда рудник закрывается.Карьеры и отвалы пустой породы являются основными визуальными и эстетическими эффектами горных работ. Подземная добыча обычно приводит к образованию относительно небольших площадок для отвала пустой породы размером от нескольких акров до десятков акров (0,1 км2). Эти участки обычно располагаются возле выходов подземных выработок. Открытые горные работы затрагивают более обширные территории, чем подземные горные работы, и, следовательно, оказывают большее визуальное и физическое воздействие. Поскольку количество пустой породы в карьерах обычно в два-три раза превышает количество добываемой руды, огромные объемы пустой породы удаляются из карьеров и откладываются на близлежащих территориях.

Отвалы от переработки, такие как хвостохранилища, отваи выщелачивания и кучи шлака, различаются по размеру, но могут быть очень большими. Водохранилища, связанные с некоторыми из крупнейших заводов, например на открытых медных рудниках, могут занимать тысячи акров (десятки км2) и иметь толщину в несколько сотен футов (около 100 м). Сваи кучного выщелачивания могут занимать от десятков до сотен акров (от 0,1 до 1 км2) и достигать нескольких сотен футов (около 100 м) в высоту. Они напоминают груды пустой породы по расположению и размеру, но имеют более точную конструкцию.Шлак - это стеклообразный побочный продукт плавки; Отвалы шлака могут занимать от десятков до сотен акров (от 0,1 до 1 км2) и иметь высоту более 100 футов (30 м).

Эти воздействия сохраняются на ландшафте до тех пор, пока нарушенные участки не стабилизируются и не будут восстановлены для других целей, таких как места обитания диких животных или зоны отдыха, после прекращения добычи.

Загрязнение почвы и воды от пустой породы и хвостохранилищ

Мобилизация металлов в пустой породе

Отвалы пустой породы обычно располагаются как можно ближе к руднику, чтобы минимизировать затраты на транспортировку.При неправильном управлении эрозия минерализованной пустой породы в поверхностные стоки может привести к концентрации металлов в отложениях ручьев. Эта ситуация может быть потенциально опасной, особенно если металлы находятся в химической форме, которая позволяет им легко выделяться из отложений в водотоки. Когда это происходит, металлы считаются «мобилизованными» и «биодоступными» в окружающей среде.

В некоторых случаях биодоступные металлы поглощаются растениями и животными, вызывая пагубные последствия.Несмотря на то, что текущая практика горных работ и рекультивации в США, руководствуясь экологическими нормами, сводит к минимуму или предотвращает эрозию пустой породы в водотоки, удаление пустой породы в местах, где она может размываться в поверхностные стоки, происходило исторически. Эти условия все еще существуют на некоторых старых или заброшенных шахтах.

Шлак - побочный продукт процесса плавки. Большинство шлаков, поскольку они состоят в основном из окисленного стекловидного материала, не являются столь значительным потенциальным источником выбросов металлов в окружающую среду, как отходы рудников и хвосты заводов.Однако некоторые шлаки могут содержать остаточные минералы, которые могут быть потенциальным источником выброса металлов в окружающую среду.

Дренаж кислых пород из пустой породы

Хотя характер пустой породы зависит от типа руды, многие пустые породы содержат сульфидные минералы, связанные с металлами, такие как свинец, цинк, медь, серебро или кадмий. Важным сульфидным минералом, распространенным в пустой породе, является пирит, сульфид железа. Когда пирит подвергается воздействию воздуха и воды, он подвергается химической реакции, называемой «окислением».«Процесс окисления создает кислые условия, которые могут препятствовать росту растений на поверхности кучи отходов. Голые, лишенные растительности материалы оранжевого цвета на поверхности делают некоторые участки пустой породы хорошо видимыми, и они являются наиболее очевидным результатом этих кислых условий.

Если вода проникает в пустую породу, содержащую пирит, в результате окисления вода подкисляется, что позволяет растворять металлы, такие как медь, цинк и серебро. Такое образование кислой воды обычно называют «дренаж кислой породы».«Если не предотвратить дренаж кислых пород и оставить его неконтролируемым, образующиеся кислые и содержащие металлы воды могут стекать в ручьи и загрязнять их или мигрировать в местные грунтовые воды. Кислотность загрязненных грунтовых вод может нейтрализоваться по мере их прохождения через почвы и скалы. Однако могут оставаться значительные уровни растворенных компонентов, что препятствует их использованию для питьевой воды или орошения.

Там, где происходит осушение кислых пород, растворение и последующая мобилизация металлов в поверхностные и подземные воды, вероятно, является наиболее значительным воздействием на окружающую среду, связанным с добычей сульфидных минералов металлов.Кислые и металлосодержащие грунтовые воды встречаются в заброшенных подземных выработках и выработках более глубоких участков, которые встречаются с грунтовыми водами минерализованной территории. Поскольку они обычно расположены на уровне или ниже уровня грунтовых вод, подземные шахты действуют как своего рода колодец, который постоянно наполняется водой. Поскольку эти воды перед сбросом мигрируют через подземные горные выработки, они взаимодействуют с минералами и горными породами, обнаженными в шахте. Если в этих породах присутствуют сульфидные минералы, особенно пирит, сульфиды могут окисляться и вызывать дренаж кислых пород.

Утечка кислоты из хвостов

Хвосты переработки сульфидных руд, в первую очередь медных, свинцовых и цинковых руд, могут иметь более высокие концентрации пирита, чем обычные в пустой породе. Кроме того, поскольку хвосты состоят из мелких минеральных частиц размером с мелкий песок и меньше, они могут реагировать с воздухом и водой более легко, чем пустые породы. Таким образом, вероятность развития кислых условий в обогащенных пиритом хвостах очень высока.

Просачивание из хвостов можно предотвратить или свести к минимуму, поместив непроницаемый барьер, например глину, на дно водохранилища перед захоронением хвостов. Многие хвостохранилища до 1970-х годов не имели таких барьеров. Проникновение поверхностных вод в хвостохранилище можно предотвратить, используя методы рекультивации, которые облегчают сток, а не скопление поверхностных вод. Если не предотвратить или не контролировать, кислые и содержащие металлы воды из хвостохранилища могут повлиять на среду обитания ручьев и грунтовые воды.

Загрязнение воздуха

На некоторых участках выбросы газа и твердых частиц, которые были выброшены в атмосферу в результате прошлых операций по плавке, были источником беспокойства для здоровья человека и воздействия на окружающую среду. Осознавая важность сведения к минимуму и смягчения этого воздействия, современные металлургические заводы используют процессы, которые резко сокращают выбросы твердых частиц и диоксида серы.

В прошлом диоксид серы был наиболее распространенным источником беспокойства, поскольку он вступает в реакцию с водяным паром из атмосферы с образованием серной кислоты или «кислотного дождя».«Кислые условия, которые развиваются в почвах, где эти выбросы осаждаются, могут нанести вред существующей растительности и помешать росту новой растительности. Бесплодные районы вблизи плавильных заводов оказывали стойкое воздействие на окружающую среду в результате исторической плавки. Некоторые пострадавшие районы, существовавшие десятилетиями, сейчас начинают восстанавливаться.

В некоторых случаях выбросы от старых металлургических заводов могли повлиять на здоровье человека. Например, повышенные уровни свинца в крови были измерены у жителей некоторых населенных пунктов, расположенных вблизи свинцово-цинковых заводов во время их работы.Сегодня плавильные операции в сочетании с экологическим контролем применяются для предотвращения потенциальных проблем для окружающей среды и здоровья, связанных с выбросами.

Общественная безопасность

Старые горнодобывающие предприятия по своей сути интересны для людей, но также потенциально опасны. У них могут быть ямы на поверхности, открытые или скрытые входы в подземные выработки или старые интересные постройки. Еще одним соображением безопасности на некоторых рудниках является проседание или проседание грунта. Земля может постепенно оседать там, где подземные выработки подошли близко к поверхности.Поскольку неожиданное обрушение может произойти без предупреждения, такие области обычно выявляются, и их следует избегать. Когда современные шахты закрываются, владельцы шахт уменьшают такие опасности, перекрывая горные выработки, меняя градацию и уменьшая крутые склоны наземных выработок, а также утилизируя или снося здания и сооружения.

В некоторых штатах, где распространены старые горнодобывающие районы, таких как Колорадо и Невада, нынешние владельцы шахт, правительственные агентства или другие заинтересованные стороны могут осуществлять проекты рекультивации и снижения уровня безопасности, направленные на устранение опасностей на этих участках.Как минимум, эти программы выявляют опасности, устанавливают предупреждающие знаки и знаки запрета вторжения и ограждают опасные зоны. Закрытие входов в старые подземные выработки также может быть частью этих усилий. Некоторые заброшенные горные выработки стали важными местами обитания колоний летучих мышей. Закрытие шахтных отверстий может быть спроектировано так, чтобы летучим мышам был обеспечен постоянный доступ и защита. Эта практика особенно ценна для исчезающих видов летучих мышей. Поскольку многие старые шахты могут быть небезопасными, случайного посетителя таких мест предостерегают, чтобы он проявлял осторожность и не заходил на них.

Узнать больше

  • Добыча металлов и окружающая среда (буклет), Американский институт геофизических исследований
    Предоставляет основную информацию о цикле добычи полезных ископаемых, от разведки полезных ископаемых до закрытия шахты. В буклете обсуждаются экологические аспекты добычи металлов и показаны способы, которыми наука и технологии помогают предотвратить или уменьшить воздействие на окружающую среду.
  • Понимание загрязнителей, связанных с месторождениями полезных ископаемых (информационный бюллетень), U.S. Геологическая служба
    Существенное загрязнение может исходить от природных отложений, а также от бездействующих шахт. В этом информационном бюллетене 2007 года представлен обзор исследований Геологической службы США о том, как металлы и кислые воды выделяются из полезных ископаемых и бездействующих шахт.
  • Свяжитесь с вашим государственным горнодобывающим агентством: Ссылки на государственные горнодобывающие агентства, Управление по безопасности и охране здоровья в шахтах
.

Токсичность и биологическая очистка экосистемы, загрязненной тяжелыми металлами, из сточных вод кожевенных заводов: обзор

Сброс неочищенных сточных вод кожевенных заводов, содержащих биотоксичные вещества тяжелых металлов, в экосистему является одной из самых важных проблем для окружающей среды и здоровья в нашем обществе. Следовательно, существует растущая потребность в разработке нового, эффективного, экологически чистого и экономичного подхода к восстановлению неорганических металлов (Cr, Hg, Cd и Pb), выбрасываемых в окружающую среду, и для защиты экосистемы.В этом отношении недавние достижения в области разработки тяжелых металлов на основе микробов сделали биоремедиацию перспективной альтернативой традиционным методам. Тяжелые металлы не поддаются биологическому разложению и могут быть токсичными для микробов. Несколько микроорганизмов эволюционировали, чтобы разработать механизмы детоксикации, чтобы противостоять токсическим эффектам этих неорганических металлов. В настоящем обзоре предлагается критическая оценка способности микроорганизмов к биоремедиации, особенно в контексте защиты окружающей среды. Кроме того, в этой статье обсуждалась способность к биосорбции в отношении использования бактерий, грибов, биопленки, водорослей, генно-инженерных микробов и иммобилизованных микробных клеток для удаления тяжелых металлов.Использование биопленки показало синергетический эффект с многократным увеличением удаления тяжелых металлов в качестве устойчивой экологической технологии в ближайшем будущем.

1. Введение

Сточные воды промышленных кожевенных заводов являются основным источником загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Тяжелые металлы имеют экономическое значение при промышленном использовании и являются наиболее важными загрязнителями окружающей среды. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами стало серьезной угрозой для живых организмов в экосистеме [1–5].Токсичность металлов вызывает серьезную озабоченность с точки зрения окружающей среды из-за их биоаккумуляции и отсутствия биоразлагаемости в природе [6, 7]. Несколько неорганических металлов, таких как магний (Mg), никель (Ni), хром (Cr 3+ ), медь (Cu), кальций (Ca), марганец (Mn) и натрий (Na), а также цинк (Zn). являются жизненно важными элементами, необходимыми в небольшом количестве для метаболических и окислительно-восстановительных функций. Тяжелые металлы, такие как алюминий (Al), свинец (Pb), кадмий (Cd), золото (Au), ртуть (Hg) и серебро (Ag), не имеют биологической роли и токсичны для живых организмов [1, 8 , 9].

Биоремедиация используется для перевода токсичных тяжелых металлов в менее вредное состояние с помощью микробов [10–12] или их ферментов для очистки загрязненной окружающей среды [13]. Методика экологически безопасна и экономична в оздоровлении окружающей среды [3, 9, 14]. Биоремедиация тяжелых металлов имеет ограничения. Среди них - производство токсичных метаболитов микробами и невозможность биоразложения тяжелых металлов.

Прямое использование микроорганизмов с отличительными характеристиками катаболического потенциала и / или их продуктов, таких как ферменты и био-поверхностно-активные вещества, является новым подходом к усилению и повышению их эффективности восстановления [15, 16].Также ожидались различные альтернативы для расширения применения микробиологических методов для восстановления тяжелых металлов. Например, было исследовано использование микробных топливных элементов (MFC) для разложения устойчивых тяжелых металлов. Биопленочная биоремедиация может применяться для очистки окружающей среды, загрязненной тяжелыми металлами.

Микробиологические технологии активно развиваются [17]. Существует долгая история того, как микробы и металлы взаимодействуют как в естественной, так и в искусственной среде.Взаимодействие микробов с металлами в первую очередь сосредоточено на удалении металлов, то есть восстановлении и удалении загрязнений. Недавнее возрождение использования твердотельных электродов в качестве доноров или акцепторов электронов для роста микробов открыло новые перспективы, в результате чего появились микробно-электрохимические технологии (МЭТ) [18]. Сообщалось о применении микроорганизмов в качестве зеленого подхода к синтезу металлических наночастиц (НЧ) [19]. Генетически модифицированные микроорганизмы также использовались в качестве средства восстановления [20, 21].Генная инженерия и химическая модификация могут изменить компоненты поверхности клеток и могут эффективно улучшить адсорбционную способность и избирательность по отношению к видам металлов-мишеней.

Несколько факторов, которые влияют на эффективность биоремедиации и ограничивают ее, включают температуру, pH, окислительно-восстановительный потенциал, статус питания, влажность и химический состав тяжелых металлов [22]. Использование одних только микробов показало ограниченную эффективность из-за различных факторов, включая низкую конкурентоспособность, а также чрезмерные концентрации тяжелых металлов.Эффективность можно повысить за счет нескольких добавок с неорганическими питательными веществами, биосурфактантами, наполнителями и компостом, а также биочагом [23]. Эти корректировки были всесторонне рассмотрены в недавних исследованиях [24–26].

Существует несколько механизмов защиты микробных клеток от устойчивости к тяжелым металлам. Эти механизмы включают внеклеточный барьер, внеклеточную секвестрацию и активный транспорт ионов металлов (отток), внутриклеточную секвестрацию и восстановление ионов металлов [27, 28].

Таким образом, это исследование направлено на рассмотрение отчетов предыдущих исследователей о токсическом действии и использовании микробных клеток и их продуктов, а именно биосурфактантов, для улучшения восстановления тяжелых металлов. В нем также обсуждаются факторы, влияющие на биоремедиацию тяжелых металлов, а также их основные механизмы. Результаты и анализ представлены в следующих разделах. Текущие исследования в области микробной биосорбции и детоксикации не только обобщены, но и предложены направления на будущее.

2. Методология исследования
2.1. Стратегия поиска

В соответствующей научной литературе из основных баз данных был произведен поиск оригинальных научных статей о токсическом воздействии тяжелых металлов и использовании микробных клеток для восстановления тяжелых металлов. Был проведен поиск в следующих базах данных: PubMed, ScienceDirect и Google Scholar. Комбинации ключевых слов для поиска включали токсичность тяжелых металлов, сточные воды кожевенных заводов и биопленки, факторы, влияющие на микробную реабилитацию, биоремедиацию и механизмы микробной реабилитации.

2.2. Критерии включения

Были включены оригинальные научные исследования, в которых сообщалось о токсическом воздействии тяжелых металлов и использовании микроорганизмов для очистки экосистемы от тяжелых металлов.

2.3. Критерии исключения

Статьи, в которых рассказывалось о биоремедиации органических соединений, фиторемедиации тяжелых металлов и других биологических методах, были исключены.

3. Токсичность тяжелых металлов для микроорганизмов

Токсичность тяжелых металлов - это способность металла оказывать вредное воздействие на микроорганизмы, и она зависит от биодоступности тяжелого металла и поглощенной дозы [29].Токсичность тяжелых металлов включает несколько механизмов, то есть нарушение фатальных ферментативных функций, реагирование в качестве окислительно-восстановительных катализаторов при производстве активных форм кислорода (АФК), нарушение ионной регуляции и прямое влияние на образование ДНК, а также белка [30, 31] . Физиологические и биохимические свойства микроорганизмов могут быть изменены присутствием тяжелых металлов. Хром (Cr) и кадмий (Cd) способны вызывать окислительное повреждение и денатурацию микроорганизмов, а также ослаблять способность микробов к биоремедиации.

Хром Cr (III) может изменять структуру и активность ферментов, реагируя с их карбоксильными и тиольными группами [32]. Внутриклеточные катионные комплексы Cr (III) электростатически взаимодействуют с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК, что может влиять на транскрипцию, репликацию и вызывать мутагенез [32].

Тяжелые металлы, такие как медь (Cu (I) и Cu (II)), могут катализировать образование ROS посредством реакций Фентона и Габера-Вейса, которые будут действовать как растворимые переносчики электронов.Это может вызвать серьезные повреждения цитоплазматических молекул, ДНК, липидов и других белков [33, 34]. Алюминий (Al) может стабилизировать супероксид-радикалы, ответственные за повреждение ДНК [35]. Тяжелые металлы могут останавливать жизненно важные ферментативные функции за счет конкурентных или неконкурентных взаимодействий с субстратами, которые вызывают изменения конфигурации ферментов [30]. Кроме того, он также может вызывать дисбаланс ионов, прилипая к поверхности клетки и проникая через ионные каналы или трансмембранные переносчики [36].

Кадмий (Cd) и свинец (Pb) оказывают вредное воздействие на микробы, повреждают клеточные мембраны и разрушают структуру ДНК. Этот вред возникает из-за вытеснения металлов с их естественных участков связывания или взаимодействий с лигандами [37]. На морфологию, метаболизм и рост микробов влияет изменение структуры нуклеиновых кислот, вызывающее функциональные нарушения, разрушение клеточных мембран, ингибирование активности ферментов и окислительное фосфорилирование [38, 39] (Таблица 1).

9 0047

Тяжелые металлы Воздействие на микробы Цитаты

Мышьяк Деактивация ферментов [40]
Кадмий Денатурирует белок, разрушает нуклеиновую кислоту, препятствует делению и транскрипции клеток [38]
Хром Торможение роста, удлинение лаг-фазы, ингибирование поглощения кислорода [32 ]
Медь Нарушение функции клеток, подавление активности ферментов [38]
Селен Подавляет скорость роста [41]
Свинец Разрушенные нуклеиновая кислота и белок, ингибируют фермент действия и транскрипция [38]
Ртуть Денатурирующий белок, ингибирует функцию ферментов, разрушает клеточную мембрану [38]
Никель Нарушение клеточной мембраны, препятствует активности ферментов и окислительному стрессу [38, 42]
Серебро Лизис клеток, подавление трансдукции и роста клеток [43]
Цинк Смерть, уменьшение биомассы, подавление роста [42]

4.Факторы, влияющие на микробное восстановление тяжелых металлов

Склонность тяжелых металлов к стимуляции или подавлению микроорганизмов определяется общей концентрацией ионов металлов, химическими формами металлов и соответствующими факторами, такими как окислительно-восстановительный потенциал. Факторы окружающей среды, такие как температура, pH, низкомолекулярные органические кислоты и гуминовые кислоты, могут изменять трансформацию, транспортировку, состояние тяжелых металлов и биодоступность тяжелых металлов для микроорганизмов.Тяжелые металлы имеют тенденцию к образованию свободных ионных частиц при кислых уровнях pH, с большим количеством протонов, доступных для насыщения участков связывания металлов. При более высоких концентрациях ионов водорода поверхность адсорбента заряжается более положительно, что снижает притяжение между адсорбентом и катионами металлов, тем самым увеличивая его токсичность.

Температура играет важную роль в адсорбции тяжелых металлов. Повышение температуры увеличивает скорость диффузии адсорбата через внешний пограничный слой.Растворимость тяжелых металлов увеличивается с повышением температуры, что улучшает биодоступность тяжелых металлов [44]. Однако действие микроорганизмов усиливается с повышением температуры в подходящем диапазоне, и это усиливает микробный метаболизм и активность ферментов, что ускоряет биоремедиацию. Стабильность комплекса микробы с металлом зависит от участков сорбции, конфигурации микробной клеточной стенки и ионизации химических фрагментов на клеточной стенке. Результат процесса разложения зависит от субстрата и ряда факторов окружающей среды (Таблица 2).


Факторы Виды деятельности

Микробные (i) Производство токсичных метаболитов
(ii) Индукция ферментов
(iii) Мутация и горизонтальный перенос генов
(iv) Обогащение способных микробных популяций

Субстрат (i) Химическая структура загрязнителей
(ii) Слишком низкая концентрация загрязняющих веществ
(iii) Токсичность загрязняющих веществ
(iv) Растворимость загрязняющих веществ

Окружающая среда (i) Ингибирующие условия окружающей среды
(ii) Истощение запасов предпочтительные подложки
(я ii) Недостаток питательных веществ

Ограничения массопереноса (i) Диффузия и растворимость кислорода
(ii) Растворимость / смешиваемость в / с водой
(iii) Диффузия питательных веществ

Ростовый субстрат vs.ко-метаболизм (i) Взаимодействие между микробами (конкуренция, последовательность и хищничество)
(ii) Концентрация
(iii) Наличие альтернативного источника углерода

Биологические аэробные против анаэробный процесс (i) Микробная популяция, присутствующая на участке
(ii) Потенциал окисления / восстановления
(iii) Доступность акцепторов электронов

5.Механизм микробной детоксикации тяжелых металлов

Микроорганизмы используют различные механизмы для взаимодействия и выживания в присутствии неорганических металлов. Различные механизмы, используемые микробами для выживания при токсичности металлов, включают биотрансформацию, экструзию, использование ферментов, производство экзополисахаридов (EPS) [41, 46] и синтез металлотионеинов. В ответ на присутствие металлов в окружающей среде у микроорганизмов были выработаны оригинальные механизмы устойчивости к металлам и детоксикации. Механизм включает несколько процедур, включая электростатическое взаимодействие, ионный обмен, осаждение, окислительно-восстановительный процесс и поверхностное комплексообразование [47].Основными механическими средствами противодействия тяжелым металлам со стороны микроорганизмов являются окисление металлов, метилирование, ферментативное снижение, металлоорганический комплекс, уменьшение количества металлов, деградация металлических лигандов, насосы оттока металлов, деметилирование, внутриклеточная и внеклеточная секвестрация металлов, исключение через барьер проницаемости и продукция хелаторов металлов, таких как металлотионеины и био-поверхностно-активные вещества [48].

Микроорганизмы могут обеззараживать металлы путем валентного преобразования, улетучивания или внеклеточного химического осаждения [48].Микроорганизмы имеют отрицательный заряд на своей клеточной поверхности из-за наличия анионных структур, которые позволяют микробам связываться с катионами металлов [49]. Отрицательно заряженными участками микробов, участвующих в адсорбции металла, являются гидроксильная, спиртовая, фосфорильная, аминная, карбоксильная, сложноэфирная, сульфгидрильная, сульфонатная, тиоэфирная и тиоловая группы [49].

5.1. Механизм биосорбции

Поглощение тяжелых металлов микробными клетками с помощью механизмов биосорбции можно разделить на биосорбцию, не зависящую от метаболизма, которая в основном происходит на внешней поверхности клеток, и биоаккумуляция, зависящая от метаболизма, которая включает методы секвестрации, окислительно-восстановительной реакции и видовой трансформации. [50, 51].Биосорбция может осуществляться мертвой биомассой или живыми клетками как пассивное поглощение через поверхностное комплексообразование клеточной стенкой и поверхностными слоями [52]. Биоаккумуляция зависит от множества химических, физических и биологических механизмов (рис. 1), и эти факторы представляют собой внутриклеточные и внеклеточные процессы, в которых биосорбция играет ограниченную и плохо определенную роль [52].


5.2. Внутриклеточная секвестрация

Внутриклеточная секвестрация - это комплексообразование ионов металлов с помощью различных соединений в цитоплазме клетки.Концентрация металлов в микробных клетках может быть результатом взаимодействия с поверхностными лигандами с последующим медленным переносом в клетку. Способность бактериальных клеток накапливать внутриклеточные металлы использовалась на практике, преимущественно при обработке сточных вод. Толерантный к кадмию штамм P. putida обладал способностью внутриклеточной секвестрации ионов меди, кадмия и цинка с помощью низкомолекулярных белков, богатых цистеином [54]. Также внутриклеточная секвестрация ионов кадмия глутатионом была обнаружена в клетках Rhizobium leguminosarum [55].

Жесткая клеточная стенка грибов состоит из хитина, минеральных ионов, липидов, азотсодержащих полисахаридов, полифосфатов и белков. Они могут обеззараживать ионы металлов за счет поглощения энергии, внеклеточного и внутриклеточного осаждения и преобразования валентности, при этом некоторые грибы накапливают металлы в своем мицелии и спорах. Внешняя часть клеточной стенки грибов ведет себя как лиганд, используемый для мечения ионов металлов, и способствует удалению неорганических металлов [56-59]. Пептидогликан, полисахарид и липид являются компонентами клеточной стенки, богатыми металлсвязывающими лигандами (например,g., -OH, -COOH, -HPO42-, SO42- -RCOO-, R2OSO3-, -Nh3 и -SH). Амин может быть более активным в захвате металла среди этих функциональных групп, поскольку он связывается с анионными частицами металлов посредством электростатического взаимодействия и с катионными частицами металлов посредством поверхностного комплексообразования.

5.3. Внеклеточная секвестрация

Внеклеточная секвестрация - это накопление ионов металлов клеточными компонентами в периплазме или комплексообразование ионов металлов в виде нерастворимых соединений. Резистентные к меди штаммы Pseudomonas syringae продуцировали индуцируемые медью белки CopA, CopB (периплазматические белки) и CopC (белок внешней мембраны), которые связывают ионы меди и микробные колонии [60].Бактерии могут выбрасывать ионы металлов из цитоплазмы, чтобы изолировать металл внутри периплазмы. Ионы цинка могут проникать из цитоплазмы по системе оттока, где они накапливаются в периплазме штамма Synechocystis PCC 6803 [61].

Осаждение металлов - это внеклеточная секвестрация. Бактерия-восстановитель железа, такая как Geobacter spp. и бактерии, восстанавливающие серу, такие как Desulfuromonas spp. способны восстанавливать вредные металлы до менее токсичных или нетоксичных металлов. г.Metallireducens , строгий анаэроб, способен восстанавливать марганец (Mn) от смертельного Mn (IV) до Mn (II) и уран (U) от ядовитого U (VI) до U (IV) [49]. G. Sulphurreducens и G. Metallireducens обладают способностью снижать содержание хрома (Cr) от очень летального Cr (VI) до менее токсичного Cr (III) [62]. Сульфатредуцирующие бактерии производят большое количество сероводорода, вызывающего осаждение катионов металлов [63, 64].

Штамм Klebsiella planticola генерирует сероводород из тиосульфата в анаэробных условиях и осаждает ионы кадмия в виде нерастворимых сульфидов [65].Также кадмий осаждали штаммом P. aeruginosa в аэробных условиях [66]. Штамм Vibrio harveyi осаждал растворимый двухвалентный свинец в виде комплексной фосфатной соли свинца [67].

5.4. Внеклеточный барьер, предотвращающий проникновение металлов в микробную клетку

Плазматическая мембрана, клеточная стенка или капсула микробов могут препятствовать проникновению ионов металлов в клетку. Бактерии могут адсорбировать ионы металлов ионизируемыми группами клеточной стенки (амино, карбоксильными, фосфатными и гидроксильными группами) [68, 69].Pardo et al. [70], Taniguchi et al. [69] и Грин-Руис [71] наблюдали высокий уровень пассивной биосорбции ионов тяжелых металлов для нежизнеспособных клеток Pseudomonas putida, Brevibacterium sp. И Bacillus sp.

Клетки биопленки Pseudomonas aeruginosa проявляют более высокую устойчивость к ионам меди, свинца и цинка, чем планктонные клетки, в то время как клетки, расположенные на периферии биопленки, погибают. Внеклеточные полимеры биопленки аккумулируют ионы металлов, а затем защищают бактериальные клетки внутри биопленки [72].

5.5. Метилирование металлов

Метилирование увеличивает токсичность металлов в результате повышенной липофильности и, следовательно, увеличения проницаемости через клеточные мембраны. Микробное метилирование играет важную роль в восстановлении металлов. Метилированные соединения обычно взрывоопасны; например, Hg (II) может быть биометилирован некоторыми бактериями, такими как Bacillus spp ., Escherichia spp. , Clostridium spp . , и Pseudomonas spp . до газообразной метилртути. Биометилирование селена (Se) до летучего диметилселенида и мышьяка (As) до газообразных арсинов, а также свинца (Pb) до диметилсвинца было зафиксировано в загрязненных верхних слоях почвы [48].

5.6. Восстановление ионов тяжелых металлов микробной клеткой

Микробные клетки могут переводить ионы металлов из одного состояния окисления в другое, тем самым снижая их вред [73]. Бактерии используют металлы и металлоиды в качестве доноров или акцепторов электронов для производства энергии. Металлы в окисленной форме могут служить конечными акцепторами электронов при анаэробном дыхании бактерий.Восстановление ионов металлов за счет ферментативной активности может привести к образованию менее токсичных форм ртути и хрома [74, 75].

6. Способность микроорганизмов к биоремедиации тяжелых металлов

Поглощение тяжелых металлов микроорганизмами происходит посредством биоаккумуляции, которая является активным процессом, и / или посредством адсорбции, которая является пассивным процессом. Некоторые микроорганизмы, такие как бактерии, грибы и водоросли, использовались для очистки окружающей среды, загрязненной тяжелыми металлами (таблица 3) [76, 77].Применение устойчивых к металлам штаммов в одиночной, консорциумной и иммобилизованной форме для восстановления тяжелых металлов дало эффективные результаты, в то время как иммобилизованная форма могла иметь больше участков хемосорбции для биосорбции тяжелых металлов.

9 Грибы 48 [113] sp.

Группа микробов Биоремедиатор Металлы Концентрация ионов металлов (мг / л) Эффективность сорбции (%) Ссылка

Бактерии Acinetobacter sp. Cr 16 87 [80]
Sporosarcina saromensis (M52) 50 82,5 [81]
Bacillus cereus 1500 1500 1500 [82]
Bacillus cereus (иммобилизованный) 1500 96
Bacillus circans MN1 1110 71.4 [83]
Bacillus cereus плюс 0,5 глюкозы 1 78 [77]
Bacillus cereus 1 72

Bacillus . SFC
25 80 [84]
50 43
Bacillus subtilis 0,57 99,6 [76]
Desulfovibrio 3 desulfuricans ) (иммобилизовать на цеолите) 100 99.8 [76]
200 56,1
50 99,6
Staphylococcus sp. 4,108 45 [85]
Bacillus sp. (B2) 50-37.06 74,1 [86]
Bacillus sp. (B4) 50-36,57 73,14
Bacillus sp. (B9) 50-30.75 61,5
Bacillus sp. (B2) 100-42,15 42,15
Bacillus sp. (B4) 100-73,41 73,41
Bacillus sp. (B9) 100-60 60
Bacillus sp. (B4) 200-97.76 48,88
Bacillus sp. (B2) 200- 81,5 40.75
Bacillus sp. (B9) 200-78,7 39,39
Micrococcus sp. 100 90 [87]
Acinetobacter sp. B9 (MTCC10506 16 78 [88]
15 81
Acinetobacter sp. B9 7 67 [89]
30 93.7
246 55,4
Acinetobacter haemolyticus 70 88 [90]
100 75
Acinetobacter sp. (PCP3) - 86 [91]
E.coli (PCP1) - 45
Pseudomonas aeruginosa (PCP2) - 55
Streptomyces sp. 6,42 72 [85]
Иммобилизованный B. subtilis (B-валик) 570-2 99,6 [92]
Иммобилизованный P. aeruginosa (P бусинка) 570-4 99,3
Pseudomonas aeruginosa (P) 570-2 99,6 [92]
Bacillus subtilis (B) 570-2 99.6
Stenotrophomonas sp. 16,59 81,27 [93]

Бактерии Cellulosimicrobium sp. (KX710177) Pb 50 99,33 [94]
100 96,98
200 84,62
300 62,28
Methylophilium органфил - 18 [95]
Gemella sp. 0,3 55,16 ± 0,06 [96]
Micrococcus sp. 36,55 ± 0,01
Bacillus firmus - 98,3 [97]
Pseudomonas sp. 1 87,9 [98]
Staphylococcus sp. 0,183 82,6 [85]
Streptomyces sp. 0,286 32,5 [85]
B. йодин 100-1,8 87 [99]

Бактерии Desulfovicansrio desulfur40 KCTC 5768) (иммобилизация на цеолите) Cu 50 97,4 [76]
100 98,2
200 78,7
Staphylococcus sp. 1,536 42 [85]
Streptomyces sp . 1,129 18 [85]
Enterobacter cloacae 100 20 [100]
Desulfovibrio desulfuricans (иммобилизация 100.2 на цеолите) [76]
Bacillus firmus - 74.9 [97]
Flavobacterium sp . 1,194 20,3 [85]
Methylobacterium organophilum - 21 [95]
Arthrobacter штамм D9 0,05 22 ]
Enterobacter cloaceae 100 65 [100]
Micrococcus sp. 0,3 38,64 ± 0,06 [96]
Gemella sp. 50,99 ± 0,01
Micrococcus sp. 0,3 38,64 ± 0,06 [96]
Pseudomonas sp. 1 41 [98]
Flavobacterium sp . 0,161 25 [85]
A.faecalis (GP06) 100-19,2 70 [99]
Pseudomonas aeruginosa (CH07) 100-17,4 75

Бактерии 9009 Desulfovibrio desulfuricans (иммобилизация на цеолите) Ni 50 90,3 [85]
100 90,1
200 90.1
Micrococcus sp. 50 55 [87]
Pseudomonas sp. 1 53 [98]
Acinetobacter sp. B9 51 68,94 [89]

Бактерии Enterobacter cloacae Co 100 8 [100]
Бактерии Klebsiella pneumoniae Hg 100 28.65 [102]
Pseudomonas aeruginosa 150 29,83
Vibrio parahaemolyticus (PG02) 5 90
Bacillus licheniformis 0,1 73 [103]
Vibrio fluvialis 0,25 60 [104]

Bacillus firmus Zn - 61.8 [97]
Pseudomonas sp. 1 49,8 [98]

Организмы Консорциума Acinetobacter sp . И Arthrobacter sp. Cr 16 78 [99]
P. aeruginosa и B. subtilis (P + B) 570-2 99,6 [92]
С.cerevisiae и B. subtilis (Y + B) 570-16 97,2
S. cerevisiae и P. aeruginosa (Y + P) 570-4 99,3

Организмы Консорциума B. licheniformis и C. parapsilosis Hg 0,1 85 [103]
C. parapsilosis & T.rostrata 77
B. licheniformis и T. rostrata 73
B. licheniformis, C. parapsilosis и T. rostrata 88

Aspergillus sp. Cr 100 92 [87]
Aspergillus versicolor 50 99.89 [105]
Иммобилизованный S. cerevisiae (Y-образный элемент) 570-0 100 [92]
Gloeophyllum sepiarium - 94 [ 106]
Saccharomyces cerevisiae (Y) 570-25 95 [92]
Aspergillus niger (FIST1) - 64,7 [91]
Мутант S.cerevisiae - 98,7 [56]
Sphaerotilus natans 200 60 [107]
Saccharomyces cerevisiae - ]
Sphaerotilus natans 200 82 [107]
Phanerochaete chrysosporium (иммобилизовано на губке для мочалки) 100 98]

Грибки Кандидозный парапсилоз Hg 0.1 80 [103]

Грибки Aspergillus versicolor Cu 50 29.06 [105]
Aspergillus niger Na2C03 (0,2N)) 20,82 41,7 [110]
Sphaerotilus natans 200 58 [107]
A.lentulus 100 99,7 [59]
Aspergillus niger - 50 [105]

Грибки Aspergill3 Ni 50 30,05 [105]
Aspergillus sp . 50 90
Aspergillus niger (предварительно обработанный Na2C0390.2N)) - 40,5 [110]
Aspergillus niger 0,38 98 [111]
Aspergillus niger - 58 105]

Водоросли Spirogyra sp. Cr 5 98,23 [112]
Spirulina sp. 5 98,3 [112]

Водоросли Chlorella vulgaris Pb 50 мг dm-3 99,4
[113]
Chlorella vulgaris 51,79 99,4 [114]
Nostoc sp. 1 99,6 [98]

Водоросли Chlorella vulgaris Cu 50 мг дм-3 97.7 [113]
Spirogyra sp. 5 89,6 [112]
Spirulina sp. 5 81,2 [112]

Водоросли Nostoc sp . Cd 1 95,4 [98]
Chlorella vulgaris 50 мг дм −3 95.5 [113]
Nostoc sp . Zn 1 49,8 [98]

Водоросли Chlorella vulgaris Ni 0,6 41 [115]
1 88,23 [98]

Водоросли Nostoc sp. Fe 1 97,7 [98]

Микробные поверхностно-активные вещества P. aeruginosa ATCC9027 (рамнолипид) Cd 22 µ г / 58 мг / 58 92 [116]

Простейшие Tetrah
.

ионов воды, которые взаимодействуют с

На коэффициенты Co, nnd C2 (обозначенные как mq, ai и aj в [33]) влияют различные молекулярные свойства растворителя и иона, включая их электронодонорные или акцепторные способности. Следовательно, эти коэффициенты специфичны для иона. Тем не менее, их можно рассматривать как общие для семейства ионов, таких как полианионы, поверхностные атомы которых, непосредственно взаимодействуя с растворителями, являются атомами кислорода. Это справедливо для гидратированных катионов или анионов, поверхность которых состоит из некоторых молекул воды, которые взаимодействуют с внешними молекулами воды в фазе W или с органическими растворителями в фазе O.[Стр.55]

При диссоциации кислотного или основного соединения в водном растворе образуются ионы, которые взаимодействуют с водой. PH водного раствора определяется положением равновесия в реакциях между ионами, которые присутствуют в растворе, и молекулами воды. Чистая вода содержит несколько ионов, образующихся при диссоциации молекул воды ... [Стр.388]

VIII. Действие ионов, взаимодействующих с водой 19 ... [Стр.2]

VIII. Влияние ионов, взаимодействующих с водой... [Pg.459]

Жесткая вода содержит ионы металлов, такие как ионы магния или кальция, которые взаимодействуют с мылом с образованием нерастворимых пленок или накипи. Жесткость не опасна для здоровья, но может образовывать накипь в котлах и забивать водопроводные трубы. Избыток кальция и магния можно удалить с помощью ионообменных смягчителей воды. СМОТРИ ТАКЖЕ Green Chemistry Neurotoxins Toxicity Water Загрязнение воды. [Pg.1299]

Из таблицы 2 видно, что внутренние значения pK s близки к модельному значению соединения, которое мы используем для Cys (8.3), и что взаимодействия с окружающими титруемыми остатками ответственны за конечные кажущиеся значения констант ионизации. Также видно, что наилучшее согласие с экспериментальным значением получено для структуры YPT с добавлением 27 N-концевых аминокислот, хотя как исходная структура YPT, так и структура с кристаллической молекулой воды дают значения, близкие к экспериментально определенным. один. Однако минимизация ухудшает согласие, вероятно, потому, что это было сделано без присутствия каких-либо молекул растворителя, которые важны для остатков на поверхности белка.Для структуры YTS, которая относится к белку, кристаллизованному с ионом SO4, результаты с ионом, включенным в расчеты, далеки от экспериментального значения. Это может означать, что con -... [Pg.193]

Внутренняя и внешняя фазы. При окрашивании гидратированных волокон, например гидрофобных волокон в водных красильных ваннах, существуют две различные фазы растворителя: внешняя и внутренняя. Фаза внешнего растворителя состоит из подвижных молекул, которые находятся во внешней ванне для красителя так далеко от волокна, что на них оно не влияет.Внутренняя фаза включает воду, которая находится в структуре волокна в связанном или статическом состоянии и является неотъемлемой частью внутренней структуры с точки зрения определения физической химии и термодинамики системы. Таким образом, молекулы красителя имеют разные химические потенциалы во внутренней фазе растворителя, чем во внешней фазе. Кроме того, действие ионов водорода (H ") или гидроксильных ионов (OH) оказывает различное влияние. Во внешней фазе кислоты или основания полностью диссоциируют и дают внешний pH или pH красильной ванны.Во внутренней фазе эти ионы могут взаимодействовать с полимерной цепью волокна и вызывать ионизацию функциональных групп. Это приводит к тому, что pH внутренней фазы отличается от внешней фазы и теоретической концепции внутреннего pH (6). [Стр.351]

Вода очень полярная, но не ионная. Как же тогда вода может действовать как растворитель для ионных твердых частиц? Соль растворяется только в том случае, если взаимодействия между ионами и растворителем достаточно сильны, чтобы преодолеть силы притяжения, удерживающие ионы в решетке цистали.Когда ионное твердое вещество образует водный раствор, катионы и анионы сольватируются за счет сильных ионно-дипольных взаимодействий с молекулами воды. [Pg.843]

Производители покрытий для ветровых стекол пользуются тем фактом, что гидрофильные вещества обладают химической структурой, которая обеспечивает благоприятные межмолекулярные взаимодействия с водой. Химические вещества, способные проявлять водородные связи, диполь-дипольные взаимодействия или ион-дипольные взаимодействия с водой, обычно являются гидрофильными веществами.С другой стороны, гидрофобные вещества обычно представляют собой неполярные молекулы, которые проявляют только слабые ван-дер-ваальсовы взаимодействия с водой. [Стр.88]

Большинство растворителей имеют неподеленные пары электронов, и они полярны. Следовательно, они обладают способностью присоединяться к ионам металлов или взаимодействовать с анионами. В результате, когда многие твердые вещества кристаллизуются из растворов, они включают определенное количество молекул растворителя. Когда это происходит в воде, мы говорим, что кристалл является гидратом. Примером этого является хорошо известный пентагидрат сульфата меди... [Pg.337]

Механизм, который объясняет высокую очевидную ионную подвижность протонов и гидроксид-ионов с точки зрения этапов образования / разрыва водородных связей вдоль протяженных цепочек молекул воды. Сольватацию протона можно представить просто как h40, и этот ион гидроксония сильно взаимодействует с другими молекулами в сети водородных связей. [Стр.325]


.

Смотрите также