Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту

В роботі досліджено процес біосорбції йонів міді магнетокерованими дріжджами S.сerevіsіae. Магнетні властивості дріжджовим клітинам надавалися шляхом приєднання різної кількости магнетних наноміток. Було визначено оптимальну кількість магнетних наноміток, яка дозволяє ефективно вилучати дріжджові кл...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Маніло, М.В., Лізунов, В.В., Ар’єв, І.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2010
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73143
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту / М.В. Маніло, В.В. Лізунов, І.А. Ар’єв // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 3. — С. 741-748. — Бібліогр.: 8 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-73143
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-731432015-01-06T03:02:04Z Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту Маніло, М.В. Лізунов, В.В. Ар’єв, І.А. В роботі досліджено процес біосорбції йонів міді магнетокерованими дріжджами S.сerevіsіae. Магнетні властивості дріжджовим клітинам надавалися шляхом приєднання різної кількости магнетних наноміток. Було визначено оптимальну кількість магнетних наноміток, яка дозволяє ефективно вилучати дріжджові клітини методою магнетної сепарації, не зменшуючи при цьому сорбційну здатність клітин. Biosorption of copper ions by magneto-controlled yeasts S.сerevіsіae is investigated. Magnetic properties are imparted to the yeast cells by joining of different amounts of magnetic nanolabels. The optimum amount of magnetic nanolabels, which allows effectively extract yeast cells by the method of magnetic separation and does not diminish a sorption ability of cells, is determined. В работе исследован процесс биосорбции ионов меди магнитоуправляемыми дрожжами S.cerevіsіae. Магнитные свойства дрожжевым клеткам придавались путем присоединения разного количества магнитных нанометок. Было определено оптимальное количество магнитных нанометок, которое позволяет эффективно извлекать дрожжевые клетки методом магнитной сепарации, не уменьшая при этом сорбционную способность клеток. 2010 Article Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту / М.В. Маніло, В.В. Лізунов, І.А. Ар’єв // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 3. — С. 741-748. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 1816-5230 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73143 PACS numbers: 68.43.Mn, 82.39.-k, 82.40.Qt, 82.45.Tv, 87.15.R-, 87.18.-h, 87.85.M- uk Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	В роботі досліджено процес біосорбції йонів міді магнетокерованими дріжджами S.сerevіsіae. Магнетні властивості дріжджовим клітинам надавалися шляхом приєднання різної кількости магнетних наноміток. Було визначено оптимальну кількість магнетних наноміток, яка дозволяє ефективно вилучати дріжджові клітини методою магнетної сепарації, не зменшуючи при цьому сорбційну здатність клітин.
format	Article
author	Маніло, М.В. Лізунов, В.В. Ар’єв, І.А.
spellingShingle	Маніло, М.В. Лізунов, В.В. Ар’єв, І.А. Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Маніло, М.В. Лізунов, В.В. Ар’єв, І.А.
author_sort	Маніло, М.В.
title	Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту
title_short	Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту
title_full	Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту
title_fullStr	Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту
title_full_unstemmed	Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту
title_sort	кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2010
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/73143
citation_txt	Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту / М.В. Маніло, В.В. Лізунов, І.А. Ар’єв // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2010. — Т. 8, № 3. — С. 741-748. — Бібліогр.: 8 назв. — укр.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT manílomv kínetikabíosorbcííjonívmídídríždžamimíčenimičastinkaminanomagnetitu AT lízunovvv kínetikabíosorbcííjonívmídídríždžamimíčenimičastinkaminanomagnetitu AT arêvía kínetikabíosorbcííjonívmídídríždžamimíčenimičastinkaminanomagnetitu
first_indexed	2025-07-05T21:48:40Z
last_indexed	2025-07-05T21:48:40Z
_version_	1836845232236265472
fulltext	741 PACS numbers: 68.43.Mn, 82.39.-k,82.40.Qt,82.45.Tv,87.15.R-,87.18.-h, 87.85.M- Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту М. В. Маніло, В. В. Лізунов, І. А. Ар’єв* Національний технічний університет України «КПІ», просп. Перемоги, 37, 03056 Київ, Україна Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Акад. Вернадського, 36, 03680, МСП, Київ-142, Україна *Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України, бульв. Акад. Вернадського, 42, 03142 Київ, Україна В роботі досліджено процес біосорбції йонів міді магнетокерованими дріж- джами S.сerevіsіae. Магнетні властивості дріжджовим клітинам надавали- ся шляхом приєднання різної кількости магнетних наноміток. Було визна- чено оптимальну кількість магнетних наноміток, яка дозволяє ефективно вилучати дріжджові клітини методою магнетної сепарації, не зменшуючи при цьому сорбційну здатність клітин. Biosorption of copper ions by magneto-controlled yeasts S.сerevіsіae is investi- gated. Magnetic properties are imparted to the yeast cells by joining of different amounts of magnetic nanolabels. The optimum amount of magnetic nanolabels, which allows effectively extract yeast cells by the method of magnetic separation and does not diminish a sorption ability of cells, is determined. В работе исследован процесс биосорбции ионов меди магнитоуправляемы- ми дрожжами S.cerevіsіae. Магнитные свойства дрожжевым клеткам при- давались путем присоединения разного количества магнитных нанометок. Было определено оптимальное количество магнитных нанометок, которое позволяет эффективно извлекать дрожжевые клетки методом магнитной сепарации, не уменьшая при этом сорбционную способность клеток. Ключові слова: дріжджі, йони міді, біосорбція, кінетика біосорбції. (Отримано 20 вересня 2010 р.) Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2010, т. 8, № 3, сс. 741—748 © 2010 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 742 М. В. МАНІЛО, В. В. ЛІЗУНОВ, І. А. АР’ЄВ 1. ВСТУП Однією з основних проблем, пов’язаних зі станом довкілля, є забру- днення ґрунтів і природних вод йонами важких металів, радіонук- лідами та їхніми сполуками, яке відбувається внаслідок швидкої індустріалізації і втручанням сучасних технологій у життя приро- ди і людини. Сучасні фізико-хемічні способи очищення технологіч- них розчинів від йонів важких металів не завжди забезпечують не- обхідний ступінь вилучення цих катіонів, а також вимагають знач- них коштів та енерговитрат, внаслідок чого виникає питання щодо удосконалення існуючих або розроблення нових метод очищення рідин від йонів важких металів. Разом з цим, біологічний матеріял відомий своєю здатністю до сорбції йонів важких металів, а сучасні нанобіотехнології дозволяють ефективно вилучати біооб’єкти ра- зом зі сорбованими ними йонами металів із розчинів у швидкісному режимі за допомогою магнетних сепараторів [1]. У зв’язку з цим все більшого поширення набувають методи очищення рідин від йонів важких металів за допомогою магнетної сепарації з використанням біосорбентів, яким надаються магнетні властивості (методи магне- токерованої біосорбції) [2, 3]. Таким чином, важливою задачею є вибіркове надання біологіч- ним об’єктам бажаних значень магнетної сприйнятливости, які б забезпечили їхнє ефективне вилучення магнетними сепаратора- ми. Відомо, що дріжджові клітини S.cerevisiae ефективно взаємо- діють із магнетними частинками за низьких значень рН, що мож- на використати для формування магнетомічених або магнетоке- рованих сорбентів. Спроби виготовлення магнетокерованих сор- бентів приєднанням мікрочастинок до дріжджів S.cerevisiae ви- конуються вже доволі тривалий час (див., наприклад, [4]), але не завжди є вдалими. Це пов’язано з тим, що приєднуючись до дріж- джової клітини мікрочастинки займають сайти зв’язування, вна- слідок чого зменшується сорбційна здатність біосорбенту. Логіч- ним удосконаленням метод одержання магнетокерованих біосор- бентів є використання при виготовленні магнетокерованого біосор- бенту магнетних наночастинок замість мікрочастинок. Для виконання магнетокерованої біосорбції перш за все необхід- но визначити оптимальну кількість магнетних міток для одержан- ня магнетокерованого біосорбенту. Оптимальною кількістю магне- тних міток будемо вважати таку їхню мінімальну кількість, яка до- зволяє ефективно вилучати дріжджові клітини методою магнетної сепарації, не зменшуючи при цьому сорбційну здатність клітин. Метою даної роботи був пошук оптимального співвідношення між кількістю дріжджових клітин та магнетних наноміток для ство- рення магнетоміченого біосорбенту та дослідження його адсорбцій- ної ефективности при різних початкових концентраціях йонів міді. КІНЕТИКА БІОСОРБЦІЇ ЙОНІВ Cu ДРІЖДЖАМИ, МІЧЕНИМИ МАГНЕТИТОМ 743 2. МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТУ Для приготування суспензії дріжджів до пресованої біомаси хлі- бопекарських дріжджів (ЗАТ «Ензим», Львів) додавали дисти- льовану воду до повного суспендування. Водний розчин наномагнетиту (Fe3O4), стабілізований перхльор- ною кислотою, був одержаний за допомогою удосконаленої станда- ртної методи [5]: у дистильованій воді розчиняємо FeSO4⋅4H2O та FeCl3⋅6H2O у масовому співвідношенні 1:1.82. Одержану суміш вли- вали у 5% розчин аміяку. Желеподібний преципітат відділявся від рідини за допомогою постійного магнету та тричі промивався дис- тильованою водою. Для підвищення ступеню дисперсности магне- тит обробляли ультразвуком частотою 22 кГц протягом 10 хв. за допомогою приладу УЗДН—2Т. Для стабілізації додавали 2М розчин перхльорної кислоти та центрифуґували протягом 30 хв. з частотою 2000 об./хв. Одержані магнетні наномітки приєднували у кількості 2, 4, 6 та 8% об. шляхом механічного перемішування при швидкості 180 об./хв. протягом 6 хв. до дріжджових клітин S. сerevіsіae попередньо оброблених HNO3 (рН 2.5). Початкова концентрація наномагнетиту була 0,1 кг/м 3, а дріжджів складала 4—8⋅1012 кл/см 3. Додавання азот- ної кислоти полегшує приєднання наномагнетиту до дріжджової по- верхні, а також перешкоджає утворенню нерозчинних солей міді [6]. Адсорбція йонів міді здійснювалась із модельних стоків. Ви- вчення сорбційної здатности дріжджових клітин з приєднаними до них магнетними наномітками здійснювалося для концентрацій йо- нів міді 50, 75, 100 та 150 мг/дм 3. Інтенсифікація процесу сорбції здійснювалась шляхом механічного перемішування реакційної су- міші. Приготування початкових зразків виконувалося ваговою ме- тодою. Адсорбція виконувалася у колбах об’ємом 50 см 3 при темпе- ратурі 293 К. Концентрація йонів Сu2+ визначалася протягом 60 хв. кожні 1—5 хв. кольориметричною методою по інтенсивності забарв- лення комплексу [Cu(NH3)4] 2+ на спектрофотометрі СФ-46 (Росія) при довжині хвилі λ = 590 нм. 3. РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ На рисунку 1 наведено графіки залежностей залишкової концент- рації йонів міді в розчині від часу біосорбції при різних початкових значеннях рН суспензії дріжджів. Характер сорбції йонів міді дрі- жджами при рН 7.0 та 2.0 є подібним, але зниження рН робочого розчину до 2.0 прискорює перебіг процесів сорбції та десорбції про- тягом першої години та, в порівнянні із рН = 7.0, призводить до пе- реважання процесу десорбції впродовж наступних двох. Оптималь- ний час біосорбції, який визначається максимальною кількістю ви- 744 М. В. МАНІЛО, В. В. ЛІЗУНОВ, І. А. АР’ЄВ лучених йонів Сu2+ є однаковим для досліджених значень рН і скла- дає 40 хв. для механічного перемішування. Типові залежності залишкової концентрації йонів міді Сu2+ у ро- 0 50 100 0 20 40 60 80 100 t, хв. C, % 2 1 Рис. 1. Залежність величини залишкової концентрації йонів Сu2+ від часу при різних початкових значеннях рН суспензії дріжджів: рН = 7 (крива 1), рН = 2 (крива 2). 0 20 40 60 t, хв. 2 3 4 1 0 20 40 60 80 100 С, % Рис. 2. Залежність величини залишкової концентрації йонів Сu2+ від часу для біосорбенту із 2% об. наномагнетиту. Початкова концентрація йонів міді 50 мг/дм 3 (1), 75 мг/дм 3 (2), 100мг/дм3 (3) та 150мг/дм3 (4) [7]. КІНЕТИКА БІОСОРБЦІЇ ЙОНІВ Cu ДРІЖДЖАМИ, МІЧЕНИМИ МАГНЕТИТОМ 745 зчині від часу виконання біосорбції для різного складу біосорбенту представлені на рис. 2—5. Для біосорбенту, що містить 2% об. наномагнетиту, характерною є двоступнева адсорбція (див. рис. 2). Це збігається із загальновідо- мими уявленнями про кінетику процесу сорбції. Як показано, на- приклад, в [8] спочатку йони металу адсорбуються на клітинній стінці за рахунок взаємодії з поверхневими функціональними гру- пами (пасивна біосорбція), а далі проникають через мембрану до клітини (активна біосорбція). Час встановлення сорбційної рівно- ваги для пасивної біосорбції складав 20—50 хв. Після стадії пасив- ної біосорбції починається процес активного вбирання йонів міді із активацією внутрішньоклітинних механізмів детоксикації. Швид- кість активної біосорбції у перші 30 хв. складала 0,067%/хв. Для біосорбенту, що містить 4% об. наномагнетиту, також хара- ктерною є двоступнева адсорбція (рис. 3). Тривалість пасивної біо- сорбції складала 3—20 хв. Швидкість активної біосорбції у перші 30 хв. складала 0,1%/хв. На рисунку 4 представлена залежність залишкової концентрації йонів міді Сu2+ у розчині від часу для біосорбенту із 6% об. наномаг- нетиту, що характеризується двоступневою сорбцією із максималь- ним вбиранням йонів міді магнетоміченими дріжджами у перші 3— 10 хв. Встановлення сорбційної рівноваги відбувається протягом перших 20 хв. Тривалість пасивної біосорбції в цьому випадку теж складала 3—20 хв. Швидкість активної біосорбції у перші 30 хв. 0 20 40 60 t, .хв 40 60 80 100 C, % 3 4 1 2 Рис. 3. Залежність величини залишкової концентрації йонів Сu2+ від часу для біосорбенту із 4% об. наномагнетиту. Початкова концентрація йонів міді 50 мг/дм 3 (1), 75 мг/дм 3 (2), 100мг/дм3 (3) та 150мг/дм3 (4) [7]. 746 М. В. МАНІЛО, В. В. ЛІЗУНОВ, І. А. АР’ЄВ складала 0.1%/хв. Результати, наведені на рис. 5 є найбільш цікавими, оскільки зростання залишкової концентрації йонів міді відбувається антиба- тно зі зменшенням початкової концентрації йонів Сu2+ у розчині. Єдиним винятком є залежність для концентрації 150 мг/дм 3, що очевидно просто не досягла адсорбційної рівноваги. Така поведінка свідчить про покращення сорбційних характеристик сорбенту за рахунок можливого проникнення молекуль наномагнетиту усере- дину дріжджової клітини. Ймовірно, що при збільшенні початкової концентрації йонів міді в розчині їх залишкова концентрація зме- ншується завдяки більш щільній упаковці йонів міді на поверхні дріжджової клітині при пасивній сорбції. Також можна припусти- ти, що приєднання наномагнетиту до дріжджів призводить до поле- гшення дифузії йонів міді до клітин і активації внутрішньоклітин- них механізмів детоксикації. Відмітимо також, що додавання суспензії наномагнетиту до біо- сорбенту призводить до певної стабілізації процесу біосорбції і зме- ншенню кількости змін процесу сорбції на десорбцію. При зростан- ні концентрації йонів міді у розчині додавання суспензії наномаг- нетиту сприяє більш швидкому досягненню адсорбційної рівноваги даною системою (час досягнення адсорбційної рівноваги зменшу- ється від 40 до 20 хв.). Із порівняння рисунків 2—5 видно, що характер сорбції йонів міді магнетоміченими дріжджами із вмістом 2, 4 та 6% об. наномагне- 0 20 40 60 t, хв. 0 40 60 80 100 C, % 2 3 4 1 Рис. 4. Залежність величини залишкової концентрації йонів Сu2+ від часу для біосорбенту із 6% об. наномагнетиту. Початкова концентрація йонів міді 50 мг/дм 3 (1), 75 мг/дм 3 (2), 100мг/дм3 (3) та 150мг/дм3 (4) [7]. КІНЕТИКА БІОСОРБЦІЇ ЙОНІВ Cu ДРІЖДЖАМИ, МІЧЕНИМИ МАГНЕТИТОМ 747 титу є подібним. При чому зі збільшенням концентрації наномагне- титу від 2 до 6% об. зростає залишкова концентрація йонів міді у розчині, тобто погіршується вилучення йонів Сu2+. Це може бути пов’язано із тим, що при виготовленні магнетокерованого біосорбе- нту наномагнетит займає деякі сайти зв’язування на поверхні дрі- жджової клітини. Подальше збільшення кількости наномагнетиту призводить до покращення вилучення (за винятком концентрації йонів Сu2+ 150 мг/дм 3). Можливо це свідчить про вплив наномагне- титу на конформацію і склад білкових молекуль цитоплазми та внутрішньоклітинних мембран. Зміна складу білкових молекуль впливає на транспорт речовин у клітину, що і визначає процеси внутрішньоклітинного метаболізму. Сорбція йонів відбувається ступнево при періодичному встанов- ленні адсорбційної рівноваги між процесами сорбції-десорбції. Це може свідчити про те, що початкова сорбція здійснюється поверхнею дріжджової клітини. Йони міді зв’язуються з функціональними гру- пами у проміжках між молекулями наномагнетиту. Потім встанов- люється рівновага між процесами сорбції і десорбції та відбувається часткова десорбція йонів міді з поверхні дріжджової клітини. На- ступний етап сорбції може здійснюватися шляхом зв’язування йонів міді з шаром попередньо сорбованих йонів Сu2+, наномагнетитом та дріжджовою поверхнею, що призводить до зменшення залишкової концентрації йонів у розчині. Як правило, для досягнення адсорбційної рівноваги був потріб- 0 20 40 60 t, хв. 0 20 40 60 80 100 C, % 4 2 3 1 Рис. 5. Залежність величини залишкової концентрації йонів Сu2+ від часу для біосорбенту із 8% об. наномагнетиту. Початкова концентрація йонів міді 50 мг/дм 3 (1), 75 мг/дм 3 (2), 100мг/дм3 (3) та 150мг/дм3 (4) [7]. 748 М. В. МАНІЛО, В. В. ЛІЗУНОВ, І. А. АР’ЄВ ним час, що не перевищував 1 години. Також відмітимо, що протя- гом 1,5 годин не спостерігалося зміщення рівноваги для оборотних реакцій пасивної сорбції, що свідчить про відносну стабільність утворених комплексів. Виходячи з одержаних результатів, оптимальною концентрацією наномагнетиту, яка забезпечує максимальну кількість вилучених йонів Сu2+ та сприяє стабілізації сорбції, при приготуванні магнето- міченого біосорбенту є 8% об. наномагнетиту. 4. ВИСНОВКИ В роботі було виконано дослідження процесу біосорбції йонів міді магнетокерованими дріжджами S.сerevіsіae. Одержані результати свідчать про те, що для більшости випадків пасивна сорбція має сту- пневий характер, є достатньо швидкою (3—20 хв.) та характеризуєть- ся встановленням адсорбційної рівноваги між процесами сорбції— десорбції. Активна біосорбція є більш тривала та характеризується незначним вбиранням йонів Сu2+. Визначено, що додавання 8% об. наномагнетиту до складу біосорбенту є оптимальним і дозволяє ви- лучати відпрацьований магнетокерований біосорбент у швидкісному режимі за допомогою високоґрадієнтної магнетної сепарації. ПОДЯКИ Висловлюємо подяку С. В. Горобець за корисне обговорення роботи. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. G. D. Moeser, K. A. Roach, W. H. Green, and T. A. Hatton, AIChE Journal, 50, No. 11: 2835 (2004). 2. I. Safarik, L. Ptackova, and M. Safarikova, European Cells and Materials, 3, No. 2: 52 (2002). 3. S. V. Gorobets, O. Yu. Gorobets, Т. P. Kasatkina et al., JMMM, 272—276: 2413 (2004). 4. M. Patzak, P. Dostalek, R. V. Fogarty et al., Biotechnology Techniques, 11, No. 7: 483 (1997). 5. R. Massart, IEEE Transactions on Magnetics, 17, No. 2: 247 (1981). 6. R. Han, H. Li, Y. Li et al., J. of Hazardous Materials, B137: 1569 (2006). 7. S. V. Gorobets and M. V. Manilo, Abstr. of International Conference ‘PLMMP’ (Kyiv, Ukraine: 2010). 8. J. Wang and C. Chen, Biotechnology Advances, 24, No. 5: 427 (2006).

Кінетика біосорбції йонів міді дріжджами, міченими частинками наномагнетиту

Institution

Ähnliche Einträge