W13

AKUMULACJA METALI PRZEZ MIKROORGANIZMY

1. Usuwanie metali ciężkich ze środowiska przez mikroorganizmy wynika z:

• powierzchni wiązania metali przez reaktywne polimery i makrocząsteczki osłon komórkowych

• wewnątrzkomórkowe wiązanie metali

Oporność mikroorganizmów na metale ciężkie wynika z obecności systemów komórkowych umożliwiających:

• wydalanie metali na zewnątrz komórki

• akumulację wewnątrz komórki

• mechanizmy enzymatyczne prowadzące do powstawania form mniej toksycznych

BIOSORPCJA - usuwanie metali ze środowiska

2. Mechanizmy usuwania metali ciężkich:

• powierzchniowe wiązanie metalu:

• procesy wymiany jonowej = ważna rola grupy COOH, fosforanowa (występują jako składniki błon komórkowych)

• tworzenie trwałych kompleksów = grupy COOH, OH, NH₃ (powinowactwo do elektrododatnich metali)

• rola białka (Cd: chityna; Cu, Co: mannan)

• różnice w efektywności usuwania metali u bakterii Gram (+) i Gram (-) (różna budowa ściany komórkowej); Gram (+) 10x efektywniej wiążą metale, ponieważ mają wielowarstwową ścianę co umożliwia wiązanie jonowe z metalem)

• ważne jest jakie mikroorganizm posiada otoczki, warstwy śluzowe (ułatwiają wiązanie metalu)

• zmiana pH środowiska:

• zmiana odczynu powoduje przesunięcie równowagi chemicznej pomiędzy formami metali w roztworze, a pośrednio ma wpływ na powinowactwo adsorpcyjne metalu do otoczek i ścian komórkowych

• grzyby- obniżają pH środowiska

• bakterie- podwyższają pH środowiska

• w środowisku alkalicznym tworzą się trudnorozpuszczalne związki

• w środowisku kwaśnym tworzą się łatworozpuszczalne związki

• Alcaligenes denitrificans = usuwanie Cd związane jest ze zdolnością do silnej alkalizacji środowiska (prowadzą proces denitryfikacji).

3. Pozakomórkowe wydzielanie przez mikroorganizmy substancji nieorganicznych i organicznych:

• kwasy organiczne, białka przyłączają Cd i powstałe kompleksy są deponowane w obrębie osłon komórkowych

• mikroorganizmy redukujące siarczany do H₂S wytrącają metale w postaci nierozpuszczalnych siarczków

• Citobacter sp. - Cd (pożywka z fosfoglicerolu, kwaśna fosfataza →
  , nierozpuszczalne MeHPO₄

W13

4. Biotransformacje polegające na przemianie enzymatyczne j metalu (f. rozpuszczalne → f. mniej rozpuszczalne):

• reakcje utleniania i redukcji

• reakcje metylacji i demetylacji

As - utleniany przy pomocy oksydaz do As (V)- mniej rozpuszczalny i łatwiej strącany przez fosforany czy FeCl₃

Cr(VI) - redukcja do Cr(III) Enterobacter elocae

Hg - Aeromonas hydrophila (proces dwuetapowy)

5. 
   
   Akumulacja metali:

• metalotioneiny (duża ilość grup tiolowych) = politiolowe polipeptydy

zawierające duże ilości (30%) Cys - Zn, Cu, Ag, Sn, Mg, Cd

• fitochelatony = glony, rośliny wyższe

• drożdże = niskocząsteczkowe polifosforany (kumulacja metalu w postaci granulek)

ETAPY W PRZEMYSŁOWYCH PROCESACH USUWANIA METALI CIĘŻKICH ZE ŚRODOWISKA

• biosorpcja: w tym procesie można wykorzystywać:

• mikroorganizmy stanowiące produkt uboczny w przemyśle farmaceutycznym czy fermentacyjnym lub procesach oczyszczania ścieków

• mikroorganizmy hodowane i namnażane na specjalnych podłożach i wykazujące zdolności do efektywnego wiązania metali

• biopreparaty: AMT - BIOCLAM

• desorpcja i regeneracja biomasy

Unieruchamianie biomasy:

• pasywne:

• agregacja (biomasa mało odporna na uszkodzenia)

• zasiedlenie nośników

• zastosowanie związków chemicznych, np. aldehyd glukonowy

• aktywne:

• specjalne nośniki modyfikowane chemicznie (silnego związanie biomasy z nośnikiem)

• biomasa musi być zregenerowana, a metal odzyskany np. metodą elektrolizy

MEOR = Microbiologically Ennanced Oil Recovery (wydobycie ropy naftowej przy użyciu mikroorganizmów)

• złoża odpowiednie dla MEOR: pH 4-8

temp. <75^oC

zasolenie < 10%

obecność fazy wodnej (decydująca)

• w złożach panują warunki beztlenowe, jest na dużych głębokościach, panuje wysokie ciśnienie, pH wody jest ekstremalne, bardzo wysokie zasolenie(warunki ekstremalne nawet dla mikroorganizmów)

• istnieją mikroorganizmy wykorzystujące węglowodory jako źródło węgla, ale tylko w warunkach tlenowych (w złożu warunki beztlenowe), dlatego wraz z mikroorganizmami do złoża wprowadza się substancje odżywcze

W13

• w metodzie tej nie używa się bakterii wytwarzających polimery, bakterii fermentacyjnych, kłaczkujących w celu uniknięcia zatkania por (miejsce iniekcji musi być czyste)

• problem dyspersji- mikroorganizmy wprowadzane jako zawiesina wodna, bakteria nie może być większa niż por w skale (ważny rodzaj skały)

• w złożu znajdują się mikroorganizmy, więc może dojść do interakcji z bakteriami przez nas wprowadzonymi

• charakter ropy zmienia się pod wpływem obecności mikroorganizmów (rozwój, wzrost), np. utlenianie olejów do kwasów tłuszczowych - tworzą się detergenty

• wzrost biomasy wypycha ropę na zewnątrz

1

białka indukcyjne = pojawiają się gdy komórka ma kontakt z metalem