Адсорбция ионов металлов на поверхности клеток дрожжей и сферосом

Специфичность взаимодействия ионов металлов с поверхностью клеток обусловливает некоторые преимущества биосорбентов перед известными органическими и неорганическими сорбентами. Это селективность взаимодействия клетка-металл, повышенная сорбционная способность (200-500 мг/г) и возможность многократной регенерации сорбентов. Кроме того, неоднородность поверхности клеток, т.е. наличие на ней пилей и жгутиков обусловливает большую удельную поверхность, что также способствует повышению их сорбционной активности [19].

Значительные изменения электрокинетического потенциала поверхности клеток под влиянием ионов металлов свидетельствуют об эффективности процесса их сорбции. В связи с этим изучена адсорбция ионов металлов на поверхности дрожжевых клеток Torulopsis kefir var kumis, Sacharomyces cerevisiae и сферосом растительной клетки.

Таблица 10

Извлечение ионов металлов из растворов дрожжевыми клетками Torulopsis kefir var kumis, Т-17

СП о

Концент-рация со-лей в растворе г° Мс> моль/л

Растворы солей

FeCl3

Pb(]

NO3)2

CuSO4

СоСЬ

Ni(No3)2

мВ

Степень извлече НИЯ

Rf?+ %

мВ

Степень извлечения

Rpb2+,%

мВ

Степень извлечения

Rcu2+, %

мВ

Степень извлечения Rco2+ , %

мВ

Степень извлечения RNi2+, %

110’5

-56,4

97,8

-53,4

98,2

-56,8

97,7

-68,3

96,3

-61,4

98,2

1 • 10’4

-50,5

67,1

-52,1

87,3

-48,3

63,8

-61,8

47,6

-57,8

50,2

110'3

-50,4

64,2

-50,4

83,6

-49,5

56,1

-61,7

41,0

-54,5

50,7

110’2

+39,8

61,8

-34,5

81,6

-48,8

53,1

-56,5

45,7

-43,2

40,2

НО’1

+76,2

60,7

-34,1

84,4

-34,7

51,3

-56,8

39,1

-32,6

40,2

Коллоидная химия биодисперсий

Таблица И

Извлечение ионов металлов из растворов дрожжевыми клетками Saccharomyces cerevisiae, Р-12

Кон-центра-ция солей в раство->—,0 ре С mcj моль/л

Растворы солей

FeCl3

Pb(

NO3)2

CuSO4

СоС12

Ni(Noa)2

мВ

Степень извлече НИЯ

Rj ?' %

мВ

Степень извлечения

Rpb2+,%

С мВ

Степень извлечения

Rcu2+,%

4, мВ

Степень извлечения Rco2+ , %

мВ

Степень извлечения Rn, 2+, %

110’5

-44,6

97,2

-66,2

96,3

-44,8

96,3

-55,7

96,1

-52,8

98,2

1-Ю’4

-43,2

77,8

-59,8

79,0

-42,5

73,8

-52,0

56,0

-48,8

50,2

1-Ю’3

0

65,7

-62,3

76,8

-36,5

66,3

-46,0

47,6

-47,6

40,2

110’2

+54,7

63,3

-56,4

81,6

-34,8

61,3

-51,8

44,3

-48,0

40,2

110’1

+84,3

64,2

-36,5

84,4

-25,3

60,6

-49,8

39,1

-29,3

40,2

Данные по извлечению ионов металлов микроорганизмами (таблицы 10 и 11) показывают, что при концентрации солей 10’5 моль/л достигается степень извлечения 96,1-98,2 %. В случае классических сорбентов увеличение исходной концентрации солей в 10 раз повлекло бы за собой соответствующее уменьшение степени извлечения ионов металлов. Для клеток дрожжей Torulopsis kefir var kumis увеличение исходных концентраций ад-сорбтива на порядок в интервале концентраций 10'4—10'1 моль/л не влечет за собой существенных изменений степени извлечения, которые составляют 67,1-60,7 % для ионов Fe3+, 87,3-84,4 % для ионов РЬ2+ и 63,8-51,3 % для Си2+ [67,68].

Необходимо отметить, что область максимального извлечения ионов металлов 10‘5-104 моль/л соответствует аномальному увеличению ^-потенциала. Наблюдаемые особенности в связывании ионов металлов клетками обусловлены тем, что клетка как саморегулирующаяся система в ответ на воздействие внешней среды -подвод к её поверхности катионов - выводит на поверхность для связывания с ними отрицательно заряженные группы. Причем высокая степень извлечения и рост ? при низких концентрациях солей указывают на то, что этих количеств ионов металлов достаточно для клеток в качестве питательного фонда. Иными словами, в этой области концентраций идет биохимическая адсорбция, а при более высоких концентрациях - физико-химическая.

Указанный ряд ионов металлов может взаимодействовать с клеточной поверхностью за счет связывания с аминными, карбоксильными, фосфатными, гидроксидными, сульфгидрильными функциональными группами. Наиболее вероятными для них являются реакции комплексообразования с аминными группами по донорно-акцепторному механизму в случае d-элементов, а также ионного обмена с образованием малорастворимых соединений.

На рисунке 18 представлены ИК-спектры клеток Torulopsis kefir var kumis до и после контакта с растворами солей. После адсорбции ионов металлов в спектрах поглощения клеток проихо-дят значительные изменения. Как было отмечен ранее, на поверхности клеток Torulopsis kefir var kumis обнаружены -NH2, -PO43', -HPO42’, НЭРО4’, OH' - группы, колебания которых зарегистрированы при v=1639 см-1,1100-950 см-1 и 3000-3600 см’1 соответственно.

После контакта с ионами металлов резко снижается интенсивность полос поглощения при 1034-1076 см1, 1639 см'1 и 3394 см'1. Кроме того, почти все пики претерпевают смещения. Так, полоса поглощения, соответствующая 1034 см1, смещается в высокочастотную область. Полоса поглощения при 1076 см1’, характерная для фосфорнокислых групп, смещается после контакта с ионами Си2+ и РЬ2+, причем в случае ионов меди пик сдвигается влево, а в случае РЬ2+ - вправо, что указывает на различие в механизмах их взаимодействия с поверхностью. Чувствительным к присутствию ионов металлов оказался также небольшой пик, обнаруживаемый в области 3394 см1. После контакта с ионами РЬ2+ и Fe3+ он смещается в сторону низких частот, а ионы Си2+ и Со2+ сдвигают его в высокочастотную область.

Поскольку исследуемые ионы металлов склонны к образованию комплексов с аминогруппами, особое внимание следует уделять характерной для них полосе поглощения. Действительно, во всех системах наблюдается значительный сдвиг пиков при 1639 см'1 в высокочастотную область, что может быть свидетельством интенсивности процесса комплексообразования. Следует отме тить, что присутствие ионов металлов на поверхности клеток способствует проявлению некоторых пиков, едва заметных в их отсутствие. Так, после контакта дрожжей с ионами металлов в спектрах поглощения клеток появляются полосы при 1385 и 1536 см1, соответствующие симметричным и асимметричным валентным колебаниям солей карбоновых кислот.

Уникальные сорбционные свойства биодисперсий обусловлены их высокой удельной поверхностью. В этой связи определенный интерес представляло исследование адсорбции ионов металлов на поверхности органелл растительной клетки, имеющих размер (0,1 - 1,0 мкм), на порядок меньше размера клеток.

Кривые адсорбции ионов Си2+ и РЬ2+ на поверхности сферо-сом аналогичны изотермам адсорбции ионов металлов на поверхности дрожжей: адсорбция идет по восходящей кривой (рис. 19). Как и в случае клеток Torulopsis kefir var kumis и Sacharomyces cerevisiae , ионы Pb2+ обладают большим сродством к поверхности адсорбента, нежели ионы Си2+.

1 -до контакта; 2 - Fe3*; 3 - Ph2'; 4 - Си2+; 5 - Ni2+; 6 - Со2'

Рис. 18. ИК-спектры дрожжевых клеток Torulopsis kefir var kumis, T-17 до и после контакта с растворами солей металлов

1 - РЬ2+; 2 - Си2+

Рис. 19. Адсорбция ионов на поверхности сферосом. А, г/м2; С, г/л.

Поверхность сферосом, как и дрожжей, характеризуется большим содержанием белков и фосфатов [29]. Ионы Си2+ как d-эле-менты склонны к образованию комплексов с аминными группами, а ионы РЪ2+ - к образованию малорастворимых соединений с РО43' - группами. В кислой среде образование координационных комплексов Си2+ маловероятно из-за конкуренции Н+-ионов, зато вполне возможно образование солей РЬ2+. В области ИЭТ и правее от нее более вероятно взаимодействие ионов Си2+ с аминогруппами поверхности.

Таким образом, анализ ИК - спектров сферосом до и после адсорбции на них ионов Си2+ и РЬ2+ позволяет интерпретировать присутствие в них белковых макромолекул, связи N-H в которой более ослаблены после адсорбции, а также по заметному низкочастотному сдвигу основных полос, характерных для реакционных центров в сферосоме, констатировать образование новых связей между ними и ионами меди, свинца. Это могут быть электростатические, донорно-акцепторное взаимодействия и ионный обмен.

В целом, при адсорбции ионов Pb 2+, Cu2+, Ni2+, Со2+ и Fe3+ на поверхности клеток Torulopsis kefir var kumis и Sacharomyces cere-visiae связывание их реализуется в основном за счет -NH, -СОО ,

ОН', РО43' - групп по механизму электростатического, донорноакцепторного, ионообменного взаимодействий. Причем доминирующим для ионов РЬ2+ является солеобразование с фосфатными группами, а для d-элементов - комплексообразование с аминогруппами.

Вопросы для самоконтроля

  • 1. В чем состоит причина аномального изменения ^-потенциала под влиянием электролитов?
  • 2. Каков механизм взаимодействия ионов металлов с поверхностью клеток?
  • 3. Как определяют области физико-химической и биохимической адсорбции ионов металлов на поверхности клеток микроорганизмов?
  • 4. Каков механизм перезарядки поверхности под влиянием ионов Al3+, Fe3+ и Сг3*?
  • 5. Почему ионы РЬ2+ адсорбируются на поверхности дрожжей больше, чем другие металлы?
  • 6. Почему ионы Сг3+ не изменяют знак заряда поверхности клеток?
  • 7. Укажите области биохимической и физико-химической адсорбции ионов металлов на кривой зависимости жизнеспособности клеток от концентрации солей.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >