КОЛЛОИДНЫЙ ЖУРНАЛ, 2012, том 74, № 4, с. 454-459
УДК 544.77.052.5
ВЫСОКОСЕЛЕКТИВНЫЕ БИОФЛОКУЛЯНТЫ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ЗОЛОТА
© 2012 г. И. И. Волобаев, Л. Г. Марочко, З. Р. Ульберг
Институт биоколлоидной химии им. Ф.Д. Овчаренко Национальной академии наук Украины 03142 Киев, бульвар Академика Вернадского, 42 Поступила в редакцию 29.07.2011 г.
Установлено, что клетки Chlorella vulg. при контакте с железосодержащим электролитом способны восстанавливать из него железо и образовывать наноразмерные ферромагнитные частицы в своей биомассе. Обнаружена высокая эффективность извлечения коллоидного золота из золей при био-флокуляции изучаемой клеточной культурой.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы появляется все большее количество данных, подтверждающих наличие высокодисперсного золота в осваиваемых рудных месторождениях [1—3]. Их содержание, как правило, значительно в золотосодержащих осадках биогенного происхождения, где ультрадисперсные частицы накапливаются на минералах-концентраторах, в частности, галените и англезите. Например, в галените некоторых месторождений Приамурья, концентрация тонкого золота составляет 25—40% его общего содержания в руде [3]. Нами ранее в рудах различного минералогического состава были обнаружены частицы золота размером 50—500 нм. Для их извлечения в качестве флокулянтов были использованы металло-фильные интактные клетки бактерий В. евгвыз. Путем применения биофлокулярной флотации оказалось возможным перевести наноразмерные частицы золота в концентрат [4]. Промышленный опыт обогащения золота определяет минимальный размер частиц, переводимых в концентрат, как 5 мкм. Основной причиной появления этой нижней границы для размера частиц, как показали наши исследования, является тот факт, что традиционный для золота флотореагент — бу-тилксантогенат калия не взаимодействует с частицами меньшего размера [4]. Поэтому остается актуальной проблема создания эффективных флокулянтов с высокой степенью селективности, способных накапливать на своей поверхности ультрадисперсные частицы благородных металлов. Отметим, что гидрометаллургическая переработка (биоокисление, химическое выщелачивание цианидами) руд с высоким содержанием тонких фракций золота не эффективна и экологически опасна.
Ранее нами был предложен и использован в промышленности процесс биофлотации золота с использованием в качестве высокоселективного
флокулянта интактных металлофильных клеток бактерий и микроводорослей [5, 6]. Дальнейшее развитие идеи формирования биофлокулянта состояло во введении в структуру клетки нанораз-мерных частиц железа. При этом предполагалось использовать два обстоятельства: 1) повышенное геохимическое сродство железа к золоту способствует взаимодействию частиц последнего с клеткой и формируемым биокомпозитом; 2) извлечение образующихся при этом биокосных агрегатов может быть оптимизировано путем использования магнитного поля в процессах флотации и седиментации.
Настоящая работа посвящена исследованию формирования магнитного биофлокулянта на основе микроводорослей, содержащих наноразмер-ные частицы соединений железа, и коллоидно-химических механизмов, определяющих накопление золота на его поверхности.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектами исследования служили приготовленные по методике [7] золи золота с размером частиц 40—80 нм. В экспериментах использовали микроводоросли Chlorella vulg. Larg 3, выращенные на среде Тамия [8], из коллекции Института биоколлоидной химии им. Ф.Д. Овчаренко. В качестве электролита для введения в клетки железа применяли раствор FeCl3 • 6H2O. Количество аккумулированного клетками железа определяли методом титрования. Металлофильность и метал-лорезистентность клеток относительно золота, свинца, меди и цинка были усилены соответствующей селекцией и дополнительной адаптацией к повышенным концентрациям этих металлов.
Электрофоретическую подвижность клеток измеряли методом микроэлектрофореза [9]. Электрокинетический потенциал рассчитывали по формуле Смолуховского [10]. Рентгенофазовый
анализ (РФА) исследуемых образцов производили на дифрактометре ДРОН-УМ1 с двумя щелями Соллера с фильтрованием Со Za-излучения при скорости съемки 1 град/мин. Идентификация фазового состава осуществлялась в соответствии с картотекой ASTM (Powder Diffraction File/International Centre for Diffraction Data/Swarthmore, Pennsylvania, USA, 1977). Магнитно-силовые изображения исходных клеток и клеток, содержащих частицы железа, были получены в лаборатории сканирующей зондовой микроскопии Института магнетизма НАН и МОН Украины на сканирующем зондовом микроскопе Solver-PRO (NT-MDT, Россия). Электронномикроскопические снимки получали на микроскопе ПЭМ-У в режиме светлого поля.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Формирование биокомпозитов, содержащих клетки микроводоросли и ультрадисперсные частицы соединений железа, проводили путем восстановительной сорбции, используя сорбционные свойства стенок клетки, а также восстановительные свойства органических соединений — аминокислот, белков, ферментов — для выделения дисперсной фазы. Основными факторами регулирования фазообразования в этих условиях являются варьирование концентрации исходного электролита FeCl3 и времени контакта последнего с клеткой.
Ранее нами была исследована сорбция металлов из растворов микроорганизмами и обнаружены три существенных момента этого процесса. 1. Сорбционная способность интактных клеток значительно превышает таковую для инактивирован-ных. 2. В процессе сорбции имеет место восстановление металлов с накоплением ультрадисперсных частиц внутри клетки и на ее поверхности. 3. Сорбция и накопление металла являются высокоизбирательными в отношении ряда металлов и микроорганизмов. Селективность может быть усилена дополнительной адаптацией к определенному металлу или группе металлов [11]. Кинетика накопления металла в клетке зависит от его концентрации в исходном электролите и времени контакта. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о том, что сорбция и насыщение железом клеток Chlorella vulg. вплоть до максимального содержания происходят быстро. Концентрация железа 0.74% в клетках (по сухой биомассе) достигается уже в течение 30—40 мин (рис. 1б).
Электронномикроскопические снимки демонстрируют глубокие изменения, которые происходят с клетками в результате контакта с раствором FeCl3 (рис. 2). Клетки Chlorella vulg. исследуемого штамма имеют трехслойную оболочку толщиной 9—10 мкм. Хлоропласт клетки чашеоб-
Содержание железа, %
0.8 г (а)
0.7 0.6 0.5 0.4 -0.3 0.2 0.1
0
0.02
0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 Концентрация электрода, моль/л Содержание железа, мкг/г
17 16 15 15 15 14 14 13 13 12
(б)
15 25 35 45 55 65 Время контакта, мин
Рис. 1. Зависимости содержания железа в клетках Chlorella vulg. от концентрации раствора FeCl3 при времени контакта 30 мин (а) и от времени контакта клеток с 0.2 М раствором FeCl3 (б).
разной формы занимает до 40% ее объема. Мембранная система хлоропласта представлена тил-лакоидами, собранными в пучок по 3—7 штук в строме пластиды. При выращивании хлореллы в условиях освещения клетки содержат пиреноид, окруженный крахмальными зернами линзообразной формы, которые формируют амилоген-ную оболочку. Ядро клетки достигает размеров 0.9—1.1 мкм в диаметре. Митохондрии клеток, как видно на снимках, имеют продолговатую форму с размерами 0.2—0.6 мкм в длину и 0.2—0.3 мкм в ширину. В цитоплазме клетки наблюдаются отдельные липидные капли, размер которых увеличивается с возрастом культуры.
Аккумулирование клетками железа из растворов FeCl3 сопровождается выделением дисперсных частиц, представляющих собой смесь оксидов. Они закрепляются на различных органеллах клетки и ее поверхности. После 15 мин контакта частицы осадка находятся преимущественно в строме хлоропластов и в верхних слоях белкового тела пиреноида. В ядре клетки и цитоплазме железо накапливается в меньшем количестве. Свободными остаются крахмальные зерна, липидные капли и внешняя оболочка клеток (рис. 2б). Через
0
КЗ
ПР.
(а)
(б)
. Хл ..
*
(в)1
1 мкм
I_I
Рис. 2. Электронномикроскопические снимки срезов клеток Chlorella vulg. после контакта с раствором FeCl3 в течение 15 (а), 30 (б) и 60 мин (в). Обозначения: Хл — хлоропласт, Пр — пиреноид, КЗ — крахмальное зерно, ПР — преципитат металла.
10 мин активно продолжается аккумуляция металла тиллакоидами хлоропласта. В пиреноиде отложения ультрадисперсных частиц железа связаны преимущественно с его периферической частью.
Максимальное количество металла было получено после 45—50 мин контакта. Через 24 ч количество сорбированного и выделенного клетками металла не только не увеличивалось, но даже уменьшилось. Аналогичный эффект был отмечен нами для ряда металлов — золота, серебра, меди [12]. Это свидетельствует о том, что при инактивации клеток под действием высоких концентраций катионов бактерицидных металлов активный транспорт ионов металла внутрь клетки замедляется, а затем прекращается. При этом, как видно на приведенных снимках, количество накапливаемого клеткой металла ограничено сорбционной емкостью ее внутренних структур.
В проводимом процессе восстановление металла осуществляется с участием органических соединений в структурах клетки. При этом имеет место образование поверхностных металлоорга-нических соединений при взаимодействии ионов Fе3+ и выделяющихся частиц металла с карбоксильными группами COO- на поверхности плазма-
тической мембраны клетки, а также металлоком-плексов с аминокислотами, белками, ферментами в показанных на электронно-микроскопических снимках внутренних структурах клетки. Особенность процесса комплексообразования в этих условиях состоит в том, что он протекает в момент восстановления металла и появления активной поверхности. Эти процессы были детально изучены с помощью ИК-спектроскопии на примере клеток Chlorella vulg. и восстанавливающегося серебра. При этом было показано, что при восстановлении металла во внутренних клеточных структурах образуются связи Me—O, Me—C, Me—N, Me—S [13, 14]. Как видно на электронномикро-скопических снимках, возникающие частицы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.