Устойчивость биодисперсий

Особенности коагуляции клеток микроорганизмов электролитами

Анализ работ последних десятилетий в области физико-химической биологии свидетельствует о становлении новой научной дисциплины - коллоидной химии биологических систем. Наиболее важные результаты получены в области исследования процессов взаимодействия живой и неживой природы на уровне микроорганизм - минеральная среда. Эти взаимодействия находят свое выражение в таких явлениях, как движение клеток в электрическом поле, коагуляция микробных клеток, гетерокоагуляция клеток и минеральных частиц и др. [69].

Электроповерхностные явления в суспензиях микробных клеток, как и в суспензиях неживых объектов, определяются особенностями строения поверхности границы раздела клетка - раствор электролита [70].

На поверхности клеток вследствие диссоциации функциональных групп или адсорбции ионов локализуется электрический заряд, а в прилегающем к клетке растворе электролита формируется экранирующая этот заряд диффузная обкладка противоионов. Возникающая структура - двойной электрический слой - и определяет закономерности электроповерхнстных эявлений. Двойной электрический слой - структура равновесная, в то время как клетки - образования неравновесные, в силу чего равновесный ДЭС не может в полной мере определять процессы в клеточных суспензиях [71].

Основной электрической характеристикой неравновесности метаболизирующих клеток является трансмембранный потенциал, который возникает в результате деятельности электроген-ных клеточных насосов [72]. Механизм их действия заключается в том, что энергия, высвобождаемая при окислительно-восстановительных реакциях или при гидролизе АТФ внутри клеток, затрачивается на вывод катионов во внеклеточный раствор. В дальнейшем может произойти перераспределение ионов между цитоплазмой и внешней средой, в итоге внутри клеток концентрируется отрицательный заряд, а снаружи - положительный заряд катионов. Следствием этого процесса является возникновение между внутри- и внеклеточными растворами разности электрических потенциалов - трансмембранного потенциала U.

При получении доступных для клеток источников энергии формирование трансмембранного потенциала вызовет перераспределение электрического потенциала в клеточной мембране и в прилегающей к ней ДЭС. Это означает, что электрический потенциал в каждой точке с координатой х изменится на величину Д|/(х), суммарный электрический потенциал в точке х энергизо-ванной мембраны Тх = <|/(х) + Д|/(х). Потенциал |/(х) соответствует деэнергизованной мембране и зависит от зарядов ее поверхностей. Потенциал Ду(х) зависит от трансмембранного потенциала U, а также от возможного изменения зарядов поверхностей мембраны (внутри и вне), вызванного работой электрогенных насосов [69].

Электроповерхностные явления в суспензиях энергизован-ных клеток должны существенно отличаться от явлений, протекающих в суспензиях мертвых, или деэнергизованных клеток. Эти различия наглядно демонстрируют данные по изменению порогов коагуляции живых и инактивированных клеток Chlorella vulgaris [69]. Если в случае живых клеток пороги коагуляции электролитами LiCl, CuCl2 и HAuC14 составляли 0,2; 0,5 и 0,17 10’3 моль/дм3, то в случае инактивированных клеток они составляют 0,12; 0,05 и 0,4 10’4 моль/дм3 соответственно. В данном случае вследствие работы электрогенных насосов потенциал поверхности живых клеток по абсолютной величине больше, чем у инактивированных, на величину Ду, что обусловливает их устойчивость.

В связи с этим механизмы электролитной коагуляции живых микроорганизмов можно разделить на два: первый связан с классическим влиянием электролитов на двойной электрический слой в соответствии с теорией ДЛФО, а второй - с биоспецифичностью взаимодействия поверхности клеток с ионами металлов [69;73,74]. Как ни удивительно, влияние 1, 2 и 3-валентных металлов на электрокинетический потенциал и устойчивость живых клеток больше коррелирует с их сорбционной способностью и в меньшей степени — с валентностью. В качестве факторов, определяющих различное действие ионов металлов на ? - потенциал, отмечаются также скорость их адсорбции и возможность проникновения внутрь клетки [73].

Второй особенностью, характеризующей поведение живых клеток в растворах электролитов, является их избирательность при сорбции металлов. Например, клетки Bacillus sp. имеют сорбционную емкость по ионам Си2+ 0,85 мг/г, а для Мп2+ - 2,8 мг/г. Кроме того, как отмечалось ранее, сорбционная активность клеток по отношению к ионам меди, серебра и золота обусловлена их способностью выделять металлы на своей поверхности в виде дисперсной фазы различного состава. Эти явления обусловливают отсутствие прямой связи между электроповерхностными свойствами и устойчивостью клеточных суспензий. Зависимость ^-потенциала бактериальных клеток и клеток водорослей от концентраций ионов Си2+, Мп2+ и от количества сорбированных металлов аналогичны по форме [30]. Вместе с тем порог коагуляции клеток в присутствии СиС12 наблюдается при концентрации 0,14 моль/л, в растворах же МпС12 он не достигается даже при концентрациях, превышающих это значение на три порядка.

Тем не менее, при исследовании устойчивости суспензии клеток микроорганизмов используют теорию Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека, рассматривая клетки как заряженные частицы соответствующего размера [75;76]. При сближении таких частиц между ними возникают электростатические и ван-дер-ваальсовы взаимодействия (дисперсионные и полярные), вследствие чего они могут взаимно отталкиваться или притягиваться друг к другу. Конечный результат взаимодействия частиц зависит от расстояния (h) между ними. Изменение стандартной свободной энергии (AG0) отрицательно, т.е. коагуляция термодинамически выгодна в двух случаях: малых (<10 А) и больших (100-200 A) h . В первом случае (первичный минимум) величина AG0 существенно меньше нуля, т.е. коагуляция носит необратимый характер. Во втором (вторичный минимум) - AG0 лишь немного меньше нуля, - (3-^-4) кТ, т.е. коагуляция обратима. Между этими минимумами находится энергетический барьер, высоту которого (~ 100 кТ) можно уменьшить путем нейтрализации зарядов взаимодействующих частиц или посредством создания на них зарядов противоположного знака. Поэтому при подборе электролитов с целью снижения заряда поверхности и следует учитывать специфичность взаимодействия клеточной поверхности с ионами металлов различной природы.

Специфическое влияние ионов тяжелых металлов на устойчивость живых микроорганизмов рассмотрено в работе [74]. При действии электролитов: HAuC14, CuCl2, FeCl3, МпС12, NiCl2 и CoSO4 на бактериальные культуры наблюдается следующая совокупность явлений: сорбция ионов металлов, их флокуляция, выделение металлов или их соединений на поверхности клеток. Обнаружено соответствие между повышенной способностью живых клеток сорбировать ионы определенных металлов и образовывать флокулы в их присутствии. Наибольшей сорбционной и флокулирующей способностью обладают растворы золотохлористоводородной кислоты. Наряду с высокой сорбционной емкостью и способностью к коагуляции обнаруживается также свойство живых клеток выделять на своей поверхности частицы коллоидного золота при 20-минутном контакте с раствором. При более длительном воздействии все клетки собираются в плотные агрегаты, окрашенные коллоидным золотом в розовый цвет, и сохраняют свою жизнедеятельность.

Под действием СиС12 флокуляция становится заметной лишь спустя сутки, и выделение коллоидной фазы, по-видимому, гидроксидов меди, отмечено лишь через 6 суток. В растворах соли железа той же концентрации флокуляция клеток наблюдается через 1 сутки, однако выделения дисперсной фазы в течение всего эксперимента не наблюдалось. Растворы CoSO4, NiCl2 и МпС12 не проявляли флокулирующей активности.

Избирательность сорбции вышеуказанных металлов бактериальными клетками объяснена их специфическим связыванием карбоксильными группами поверхности клеток и продуктов метаболизма. Об этом свидетельствуют смещения и перераспреде ления интенсивности полос ИК-спектров в области 1410 и 1460 см1, характеризующих деформационные колебания карбоксильных групп, и 1680 и 1650 см1, обусловленных антисимметричными колебаниями карбоксильных групп. Наблюдаемые изменения становятся менее существенными в ряду Au > Fe > Си > Мп [67;68].

Обратное явление, т.е. избирательная флокуляция тонкодисперсного золота микроорганизмами, обнаружено авторами [77]. С помощью клеток Chlorella и Bacillus subtilis, адаптированных к золоту, проведены опыты по концентрированию золота в технических суспензиях, содержащих более крупные частицы металла, нежели в золях. В легкой фракции суспензии обнаружены флокулы с содержанием золота ЗСН-50 г/т, в нефлокулированной части минералов золото не обнаружено. При этом в полученных биоминеральных агрегатах по сравнению с исходной суспензией происходит концентрирование золота в 60-Н270 раз.

В.И. Карамушка, З.Р. Ульберг и др. [78], обобщая результаты своих исследований по взаимодействию микробных клеток с высокодисперсными минеральными частицами, отмечают, что действительно в клеточных оболочках некоторых штаммов находятся компоненты, способные вызывать флокуляцию коллоидного золота. В частности, из оболочек клеток Bacillus subtilis выделен гликопротеид с молекулярной массой 50 к Да.

Кроме того, поскольку размер клетки (1-5 мкм) во много раз превышает размер частицы коллоидного золота (0,015-0,020 мкм), то конечный результат взаимодействия клетка - частица будет зависеть не столько от интегральных свойств клеточной поверхности, сколько от ее гетерогенности, т.е. от наличия достаточно протяженных участков с положительным зарядом. Согласно теоретическому анализу В.В.Дудника [36], распределение на поверхности клеток кластеров с различным знаком заряда может определить избирательность взаимодействия. Одной из причин мозаичности в распределении заряда по клеточной поверхности может быть химическая гетерогенность, т.е. наличие структур, обладающих в данный момент положительным зарядом. Вместе с тем не менее существенным фактором может быть и функциональная гетерогенность клеточной поверхности, обусловленная расположением в клеточных мембранах структур, регулирующих перенос веществ (прежде всего заряженных) через мембрану. Это подтверждено данными электронной микроскопии [78].

На микрофотографиях обнаружены существенные различия в количестве и распределении золота на клетках бактерий различных штаммов. Наиболее типичные случаи:

  • а) частицы золя находятся в агломератах между клетками, что соответствует их флокуляции продуктами обмена веществ;
  • б) частицы золота равномерно рассеяны по поверхности клеток или находятся на некотором расстоянии от нее. В этом случае возможны электростатические взаимодействия между частицами золота и полимерными компонентами поверхности;
  • в) частицы металла распределены неравномерно, что может быть объяснено неравномерным распределением клеточных структур или продуктов метаболизма, способных связывать частицы золота;
  • г) частицы золота равномерной плотной мозаикой покрывают всю поверхность. Действительно, если размер клеток (1,2 х 4,0) мкм, а диаметр частиц золота около 20 нм, то на поверхности одной клетки может быть локализовано до 4000 частиц металла при монослойном расположении;
  • д) на снимках бактериальных ассоциатов имеются клетки, индифферентные к золю золота, и клетки, способные ее концентрировать.

Данные электронной микроскопии можно трактовать в рамках представлений о химической гетерогенности клеточной поверхности. В этой связи интересным представляется факт концентрирования частиц коллоидного золота фракцией мембран, полученных путем разрушения клеток и удаления клеточных стенок, что свидетельствует о роли функционирующих ферментов в процессе гетерокоагуляции [79].

Полученные результаты находятся в тесной взаимосвязи с более ранними исследованиями этих авторов [80], в которых было показано, что положительно заряженные белки - трипсин, лизоцим, папаин, РНК-аза - флокулируют частицы золей золота. Отличительной особенностью флокулирующего действия белков по сравнению с синтетическими полимерами является возможность связывания с частицами золя не только за счет электростатических взаимодействий, но и за счет специфических взаимодействий аминокислотных остатков, в частности, сульфгидрильных и аминных групп.

Индивидуальность взаимодействий клетка-дисперсные частицы золей металлов обусловливает применение к процессам агрегирования клеток одновременно двух терминов: коагуляция и флокуляция. Коагуляция - процесс обратимого образования агрегатов клеток в результате сжатия диффузной части двойного слоя, флокуляция - гораздо более прочное необратимое сцепление клеток с образованием механически устойчивых агрегатов с размерами, достигающими десятков микрон, образование которых сопровождается изменением биохимической активности клеток [30].

Вместе с тем довольно часто для описания потери устойчивости суспензий клеток под действием минеральных частиц исследователи используют термин «гетерокоагуляция», подразумевая коагуляцию при взаимном действии различных по своей природе и заряду частиц. Встречаются также термины «адагуляция», «агглютинация» и т.д.

Процесс гетерокоагуляции клеток Chlorella vulgaris с минеральными частицами обладает ярко выраженной избирательностью, заключающейся в том, что клетки агрегируют с частицами Fe(OH)3 и в то же время не вступают во взаимодействие с частицами As2S3, А1,О3и SiO2 [81;82].Показано, что в основе этого явления лежит коллоидно-химическое взаимодействие, обусловленное действием молекулярных сил, которому противостоит расклинивающее давление двойного электрического слоя клеток и твердой поверхности минеральных частиц. Описание процесса с помощью теории ДЛФО дает удовлетворительные результаты. Вместе с тем установлено, что наряду с неспецифическими взаимодействиями между микрообъектами живой и неживой природы возможны более сильные специфические взаимодействия, обусловливающие избирательную адгезию частиц определенного химического состава к неактивным микроорганизмам. Специфичность такого рода взаимодействия обусловлена химизмом клеточной поверхности и особенностями метаболизма микроорганизмов.

При взаимодействии дрожжевых клеток Sacharomyces vini с глинами — черкасским палыгорскитом и махарадзевским монто-мориллонитом - в винной среде введение катионов многовалентных металлов: Са2+, Cu2+, Fe 3+, А13+ и Ti4+ способствует агрегированию системы [83]. Однако кривые зависимости электрокинети-ческого потенциала от концентрации солей не имеют участков, соответствующих увеличению отрицательного заряда, хотя выбранный интервал концентрации электролитов (до 80 мг/л) совпадает с концентрациями солей тяжелых металлов, использованными в работе [41].Авторы отмечают, что при обсуждении влияния ионов металлов на взаимодействие дрожжей с глинами нельзя ограничиваться рассмотрением только электрокинетических свойств реагирующих поверхностей, так как возможно установление между ними химических и координационных связей через катионы.

При микроскопическом исследовании адгезии микроорганизмов к крупным частицам золота и монтмориллонита показано, что на частицах глины оседают лишь одиночные клетки, тогда как частицы золота покрываются прочным многослойным агрегатом клеток, причем процесс агрегирования клеток вблизи частиц ускоряется при наложении электрического поля [84]. На основании этого сделано заключение, что в образовании агрегатов вокруг частицы золота определяющую роль играет диффузиофорез, а также прочная адагуляция и агрегирование клеток за счет продуктов их метаболизма и растворенного золота.

Клетка является лабильной системой, изменяющей свойства при изменении внешних условий, в частности при непосредственном сближении с коллоидной частицей, на стадии захвата. С момента перекрытия двойных электрических слоев клетки и частицы возникает электрическая составляющая расклинивающего давления и описание соответствующего изменения свойств клетки и его влияния на силу взаимодействия определяет первую компоненту биологической специфики на стадии захвата.

При гетеровзаимодействии минеральной частицы и биологической клетки специфику клетки можно учесть как саморегуляцию, обусловленную перераспределением заряда в мембране и на ее поверхности, в частности, в покрывающем мембрану гликопротеиновом слое [37]. Так как поверхностный заряд наружной и внутренней оболочки мембраны сформирован заряженными липидами, предложено два механизма перераспределения заряда: «флип-флоп» - вследствие обмена липидами между внешней и внутренней поверхностями мембраны, и латеральная диффузия - за счет перемещения заряженных липидов вдоль поверхности мембраны [85,86]. Показано, что на стадии захвата взаимодействие клеток микроорганизмов с минеральными частицами обладает высокой специфичностью и избирательностью, связанной не только с тривиальными отличиями параметров типа штерновс-кого потенциала, константы Гамакера, размера частицы и со специфическим межмолекулярным взаимодействием, но и с саморегуляцией мембраны клетки, стимулируемой влиянием объемных свойств минеральной частицы. Учтено влияние диэлектрической проницаемости минеральной частицы на силы ионно-электростатического взаимодействия.

Наряду со стадией захвата при взаимодействии клеток с минеральными частицами большую роль играет стадия транспорта [87]. Для малых ионов (молекул) ввиду их интенсивного теплового движения доминирует броуновский механизм, но для частиц коллоидной дисперсности проблема направленного дальнодейст-вующего транспорта становится актуальной. В окрестности функционирующей клетки существует диффузионный слой продуктов метаболизма и соответствующий ему диффузионный потенциал. В качестве универсального механизма дальнодействующих сил предлагаются взаимодействия специфичных для «живой» компоненты природных дисперсных систем (клеток микроорганизмов) - селективный диффузиофорез в диффузионно-электрическом поле клетки.

Диффузиофорез - движение коллоидных частиц под влиянием внешнего градиента концентрации раствора [87]. Внешний градиент концентрации электролита определяет перепад концентрации ионов вдоль внешней границы двойного слоя коллоидной частицы и приводит к его поляризации. В поляризованном двойном слое возникает тангенциальная компонента электрического поля, приводящая к движению частицы. Одновременно частица движется под действием внешнего электрического поля диффузионного слоя.

Если частица (клетка, макроион, макромолекула) движется под влиянием селективного диффузиофореза к клетке, для нее сечение захвата при коагуляции увеличивается на толщину диффузионного слоя: обратный случай эквивалентен обращению в нуль сечения захвата, агрегация становится невозможной. Такое влияние дальнодействующих сил определяет условие селективности на транспортной стадии гетеровзаимодействия.

Имеется ввиду возможность преобразования химической энергии живого микроорганизма в механическую энергию его поступательного движения в жидкости, основанного на явлении элект рофореза [88]. Движущей силой этого электрофоретического двигателя является асимметричное диффузионное электрическое поле, вызванное различием в ионном обмене клетки со средой на различных участках ее поверхности. Даже незначительные (порядка процентов) перепады концентрации электролита, создаваемые микроорганизмом, могут вызвать заметную (микроны в 1 с) скорость движения микроорганизма относительно дисперсионной среды. Отличительной особенностью этого механизма является то, что он не требует наличия специальных органов, например, жгутиков, движение которых порождало бы движение всего микроорганизма в целом.

Прекращение обменных процессов после «смерти клетки» и исчезновение ее диффузионно-электрического поля часто приводит к слиянию клеток, если факторы устойчивости, описываемые теорией ДЛФО, для данного типа клеток и в данных условиях выражены недостаточно полно [89].

Рассмотренные факторы устойчивости естественно назвать коллоидно-биохимическими, а не коллоидными в традиционном представлении теории коагуляции.

В отличие от известных фактов адгезии микроорганизмов к различного рода сорбентам и носителям, которые осуществляются преимущественно за счет молекулярных сил, избирательное взаимодействие клеток живых микроорганизмов с коллоидными частицами металлов и их соединений регулируется также химическим взаимодействием - возникновением координационных ковалентных связей [90].

Флокуляция клеток протекает более эффективно под действием гибкоцепных полимеров. Существуют противоречивые данные по влиянию типа и молекулярных параметров флокулянтов на эффективность флокуляции суспензии микроорганизмов. В то же время определяющее значение в вопросах концентрирования имеет выбор оптимального типа флокулянта. Показано, что неионогенные и анионные полимеры практически не оказывают влияния на агрегативную устойчивость бактериальных суспензий [91].

При изучении флокуляции клеток Escherichia coli (E.coli) по-лиэтиленимином (ПЭИ) и декстраном (Д) установлено, что декстран слабо адсорбируется на поверхности клеток, не вызывая заметной дестабилизации суспензий клеток [92]. В присутствии

ПЭИ достигается значительное осветление суспензии при концентрации 2 мг/л. Измерение электрофоретической подвижности клеток в присутствии флокулянта показало, что адсорбция катионного полимера сопровождается перезарядкой поверхности клеток. Дальнейшее увеличение концентрации ПЭИ ведет к стабилизации дисперсной системы.

Методами ЭПР и низкомолекулярного спинового зонда ТЕМ-ПОЛ оценена внутримолекулярная подвижность и плотность адсорбционного слоя полимеров. На основании этих параметров установлено, что начальная стадия взаимодействия полимеров с поверхностью клеток характеризуется малым числом зацеплений и значительным сегментальным обменом связанных и свободных участков цепи, а на второй стадии возможно образование двумерной плоской структуры макромолекулы.

При флокуляции клеток E.coli сополимерами диэтиламиноэ-тилметакрилата (ДЭАЭМА) с N-винилпирролидоном (N-ВП), акриламидом (АА), акриловой (АК) и метакриловой (МК) кислотами [93,94] установлено, что наиболее эффективно флокуляция протекает в присутствии гомоДЭАЭМА, при концентрации полимера 35 мг/л.млрд наблюдаетя практически полное осветление суспензии. В целом увеличение плотности положительного заряда полимерной цепи приводит к возрастанию гидродинамических размеров их макроионов и способствует повышению эффективности флокуляции суспензий. Увеличение неионных размеров за счет увеличения молекулярной массы практически не сказывается на флокулирующей способности сополимеров.

В случае полиамфолитов (сополимеров ДЭАЭМА с АК и МК) на флокуляцию влияет и pH среды. Для макроионов с содержанием ДЭАЭМА более 40 % агрегация наиболее эффективна при pH 3, там же наблюдаются максимальные размеры полиионов. Полиамфолиты существенно превосходят по эффективности флокулирующего действия и широте интервала флокулирующих концентраций сополимеры ДЭАЭМА с АА и N-ВП, что облегчает их применение в процессах концентрирования культуральных жидкостей.

Наиболее эффективными флокулянтами суспензий клеток являются хитозан и алкилхитозаны [95,96]. По флокулирующему действию эти реагенты располагаются в ряд: N-триметилхитозан > N-диметилхитозан > хитозан > N-диметилнонилхитозан. При этом минимальная концентрация хитозана и его производных, приводящая к почти полному осаждению клеток (до 94-99 %), составляет 2-10 мг/млрддм3. Это в несколько раз меньше флокулирующей концентрации гибкоцепных полиэлектролитов на основе ДЭАЭМА и ДЭАММА, несмотря на существенную молекулярную массу. Этот факт объяснен жесткостью макромолекул хитозана, обусловливающей формирование на клеточной поверхности весьма протяженных адсорбционных слоев. При этом создаются благоприятные условия для образования между клетками полимерных мостиков, т.е протекания флокуляции. Таким образом, эффективность флокуляции бактериальных суспензий, как и минеральных систем, определяется не столько молекулярной массой полимера, сколько размерами макромолекул в растворе, которые зависят от заряда макроионов и жесткости полимерного каркаса.

Флокуляция микроорганизмов возможна как под влиянием добавленных полимеров, так и под действием образующихся в процессе роста культуры биополимеров. Установлено, что агрегировать могут клетки и одного штамма (автофлокуляция), и разных штаммов (кофлокуляция) [97]. В основе подходов, объясняющих образование межклеточных контактов, лежит представление о кооперативном взаимодействии полисахаридов поверхности. На начальной стадии агрегации решающая роль отводится ионам Са2+, выполняющим роль мостиков между карбоксильными группами белков и фосфоманнанов. Роль ионов Са2+ в агрегации клеток доказана на примере ряда бактериальных клеток, водорослей и дрожжей.

Для выяснения влияния присутствующих в культуральной жидкости продуктов метаболизма - полисахаридов, белков и других веществ на эффективность флокуляции были проведены опыты по концентрированию как отмытой, так и нативной культур E.coli [95]. Расход флокулянта, необходимый для достижения одной и той же степени осаждения, для отмытых клеток оказался значительнее, чем для исходной культуральной жидкости. Это можно объяснить тем, что формирование адсорбционного слоя полиэлектролитов в последнем случае происходит не на клеточной поверхности, а в капсульном полдисахаридном слое, размеры которого (10 - 150 нм) могут существенно превышать линейные размеры макромолекул флокулянтов. При этом возможно так же взаимодействие между реагентами и компонентами, формирующими поверхность и слизистую оболочку клетки, а также компонентами среды и продуктами метаболизма. Все это приводит к дополнительному расходу флокулянта.

С развитием биотехнологических методов появилась возможность получения биофлокулянтов как в виде биомассы клеток микроорганизмов, так и в виде отдельных продуктов метаболизма [96;98]. Флокулянты, полученные в виде биомассы клеток микроорганизмов, дешевле синтетических, но уступают им по эффективности при использовании для очистки воды. Поэтому в первую очередь представляет интерес использование биомассы тех микроорганизмов, которые получаются как отходы производства или побочный продукт, например, активный ил при биохимической очистке сточных вод или биомасса дрожжей, полученная при их культивировании на сточных водах некоторых производств.

При культивировании актиномицетов и грибов получены биофлокулянты, показавшие высокой эффект при флокуляции частиц полистирольного латекса [98]. Рассмотрена возможность получения биофлокулянтов культивированием цианобактерий. Установлено содержание в них полисахаридов, жирных кислот и белков.

При изучении влияния различных мелиорантов: торфа, микро-боценоза активного ила на устойчивость дисперсий коллоидной фракции лугово- черноземной почвы установлено, что наиболее сильным коагулирующим действием в указанном ряду обладают биоколлоиды [99]. Показано, что в процессе развития микроорганизмов с использованием глюкозы или полипептидов в качестве источника углерода происходит синтез экзополимеров, обусловливающих коагуляцию почвенных дисперсий. При росте микроорганизмов на полипептидах (алкалигенный метаболизм) образуются более плотные, менее пептизируемые водой осадки по сравнению с ростом на глюкозе (ацидогенный метаболизм). Введение торфа и монтмориллолита интенсифицирует процессы агрегации почвенно-микробных дисперсий по механизму гетерокоагуляции.

Процесс биофлокулярной флотации, в котором в качестве селективного флокулянта-собирателя выступают интактные метал-лофильные клетки микроорганизмов, направлен, главным образом, на извлечение тонко- дисперсного золота. Он может быть особенно эффективен при обогащении глинистых окисленных и легко измельчающихся в процессе обогащения руд, которые с большими потерями (до 20 %) перерабатываются традиционными методами флотации и цианирования [100]. Показана возможность селективной гетерокоагуляции клеток Bacillus cercus В 5039 и ультрадисперсных частиц золота в присутствии минералов. По способности агрегировать с клетками культуры Bacillus cereus В 5039 изученные минералы располагаются в ряд: золото > пирит > галенит > арсенопирит > сфалерит. В случае клеток Thiobacillus ferroxidans получен другой ряд: пирит > галенит > арсенопирит > золото.

Полученные данные свидетельствуют о том, что клетки Bacillus cereus вступают в активное взаимодействие с частицами золота и содержащими его минералами, клетки Thiobacillus ferroxidans - с частицами сульфидных минералов. Предпочтительное связывание клетками Bacillus cereus частиц золота по сравнению с частицами других минералов обеспечивается белково-углеводным комплексом с молекулярной массой 50 к Да, присутствующим в клеточной мембране.

Таким образом, флокуляция биологических систем - более сложный процесс, нежели флокуляция неорганических дисперсий. На взаимодействие флокулянтов с клетками большое влияние оказывает характер поверхности клеток, а также продукты метаболизма микроорганизмов. Выделяющиеся в процессе жизнедеятельности клеток вещества являются эффективными флокулянтами, поэтому их присутствие в среде способствует агрегации частиц.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >