Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом
Вивчено процеси мікробного відновлення урану в забруднених підземних водах та встановлено ефективність використання для цього природних культур бактерій, взятих з радіоактивно забруднених місць. Отримані результати підтверджують доцільність застосування технології проникних реакційних бар'єрів...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/43751 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом / І.А. Ковальчук, О.О. Хлопась, Б.Ю. Корнілович, П.І. Гвоздяк, О.Л. Маковецький // Доп. НАН України. — 2011. — № 10. — С. 175-180. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-43751 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-437512013-05-16T03:07:14Z Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом Ковальчук, І.А. Хлопась, О.О. Корнілович, Б.Ю. Гвоздяк, П.І. Маковецький, О.Л. Екологія Вивчено процеси мікробного відновлення урану в забруднених підземних водах та встановлено ефективність використання для цього природних культур бактерій, взятих з радіоактивно забруднених місць. Отримані результати підтверджують доцільність застосування технології проникних реакційних бар'єрів із залученням природного мікробіоценозу для запобігання забруднення підземних вод у районі зберігання відходів уранового виробництва в м. Жовті Води. Processes of microbial reduction of uranium from the contaminated groundwater were studied, and the efficiency of using the natural bacterial cultures taken from the radioactive contaminated areas were determined. The obtained results confirmed the suitability of the technology of permeable reactive barriers involving the natural microbiotic community to prevent the contamination of groundwater in the site of uranium waste storage in the Zhovti Vody town. 2011 Article Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом / І.А. Ковальчук, О.О. Хлопась, Б.Ю. Корнілович, П.І. Гвоздяк, О.Л. Маковецький // Доп. НАН України. — 2011. — № 10. — С. 175-180. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/43751 628.31:546.791 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Екологія Екологія |
| spellingShingle |
Екологія Екологія Ковальчук, І.А. Хлопась, О.О. Корнілович, Б.Ю. Гвоздяк, П.І. Маковецький, О.Л. Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом Доповіді НАН України |
| description |
Вивчено процеси мікробного відновлення урану в забруднених підземних водах та встановлено ефективність використання для цього природних культур бактерій, взятих з радіоактивно забруднених місць. Отримані результати підтверджують доцільність застосування технології проникних реакційних бар'єрів із залученням природного мікробіоценозу для запобігання забруднення підземних вод у районі зберігання відходів уранового виробництва в м. Жовті Води. |
| format |
Article |
| author |
Ковальчук, І.А. Хлопась, О.О. Корнілович, Б.Ю. Гвоздяк, П.І. Маковецький, О.Л. |
| author_facet |
Ковальчук, І.А. Хлопась, О.О. Корнілович, Б.Ю. Гвоздяк, П.І. Маковецький, О.Л. |
| author_sort |
Ковальчук, І.А. |
| title |
Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом |
| title_short |
Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом |
| title_full |
Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом |
| title_fullStr |
Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом |
| title_full_unstemmed |
Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом |
| title_sort |
очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Екологія |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/43751 |
| citation_txt |
Очищення урановмісних підземних вод мікробіологічним методом / І.А. Ковальчук, О.О. Хлопась, Б.Ю. Корнілович, П.І. Гвоздяк, О.Л. Маковецький // Доп. НАН України. — 2011. — № 10. — С. 175-180. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT kovalʹčukía očiŝennâuranovmísnihpídzemnihvodmíkrobíologíčnimmetodom AT hlopasʹoo očiŝennâuranovmísnihpídzemnihvodmíkrobíologíčnimmetodom AT kornílovičbû očiŝennâuranovmísnihpídzemnihvodmíkrobíologíčnimmetodom AT gvozdâkpí očiŝennâuranovmísnihpídzemnihvodmíkrobíologíčnimmetodom AT makovecʹkijol očiŝennâuranovmísnihpídzemnihvodmíkrobíologíčnimmetodom |
| first_indexed |
2025-07-04T02:12:16Z |
| last_indexed |
2025-07-04T02:12:16Z |
| _version_ |
1836680622044610560 |
| fulltext |
УДК 628.31:546.791
© 2011
I.А. Ковальчук, О. О. Хлопась,
член-кореспондент НАН України Б. Ю. Корнiлович, П. I. Гвоздяк,
О.Л. Маковецький
Очищення урановмiсних пiдземних вод
мiкробiологiчним методом
Вивчено процеси мiкробного вiдновлення урану в забруднених пiдземних водах та вста-
новлено ефективнiсть використання для цього природних культур бактерiй, взятих
з радiоактивно забруднених мiсць. Отриманi результати пiдтверджують доцiльнiсть
застосування технологiї проникних реакцiйних бар’єрiв iз залученням природного мiкро-
бiоценозу для запобiгання забруднення пiдземних вод у районi зберiгання вiдходiв урано-
вого виробництва в м. Жовтi Води.
Забруднення навколишнього середовища сполуками урану в мiсцях видобутку та перероб-
лення уранової сировини є загальновизнаною екологiчною проблемою, що потребує невiд-
кладного розв’язку [1–3].
Останнiм часом значного розвитку в практицi охорони пiдземних вод вiд техногенно-
го забруднення набули так званi реакцiйноздатнi проникнi бар’єри, що встановлюються
безпосередньо в грунтi на шляху пiдземних потокiв, мiстять в активнiй зонi рiзноманiт-
нi поглинальнi реагенти та забезпечують таким чином селективне вилучення небезпечних
речовин [4]. Одним з найперспективних пiдходiв при очищеннi вод, забруднених важкими
металами або ураном, зокрема з використанням реакцiйноздатних проникних бар’єрiв, є за-
стосування мiкробiологiчних методiв, що забезпечують вилучення токсикантiв за рахунок
бiосорбцiї, бiоакумуляцiї, осадження за реакцiями з неорганiчними лiгандами або мiкро-
бного вiдновлення розчинених металiв.
Вiдновна реакцiя UO
2+
2
→ U
4+, що зумовлена наявнiстю в природних системах як вiд-
новлювачiв неорганiчних речовин або вiдповiдних мiкроорганiзмiв, вiдiграє визначальну
роль у геобiохiмiчнiй поведiнцi урану в навколишньому середовищi, внаслiдок значної роз-
чинностi у водних розчинах сполук U(VI) та низької розчинностi сполук U(IV). У важ-
ливiшiй для геохiмiї урану природнiй асоцiацiї уран — залiзо окисно-вiдновний потенцiал ре-
акцiї U(VI)/U(IV) є бiльш електропозитивним, нiж реакцiї Fe3+/Fe2+. Тому Fe(III)-вiдновнi
бактерiї (Shewanella putrefaciens або Geobacter metallireducens) мають потужнiший метабо-
лiчний потенцiал до вiдновлення цього радiонуклiда за ферментативним механiзмом або за
реакцiєю з Fe(II), що утворюється при бактерiальному вiдновлюваннi Fe(III). Сульфат-ре-
дукуючi бактерiї (Desulfovibrio desulfuricans та Desulfovibrio vulgaris) також здатнi вiднов-
лювати уран за ферментативним механiзмом [5, 6].
У вiдкритих системах, до яких належать й реакцiйноздатнi проникнi бар’єри, найбiльше-
фективним при мiкробiологiчному пiдходi є використання як активного завантаження змi-
шаних культур сульфатредукуючих бактерiй саме з мiсць, що пiдлягають ремедiацiї [7, 8].
Це зумовлено тим, що такi культури вже адаптованi до умов забрудненого довкiлля, зокре-
ма до iонiв важких металiв i радiонуклiдiв, менше пiддаються контамiнуванню iншими
мiкроорганiзмами, якi здатнi до бiльш повного окиснення джерел вуглецю з утворенням
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №10 175
потужнiшого вiдновного потенцiалу, необхiдного для перетворення шестивалентного ура-
ну до чотиривалентного [8, 9]. Тому розвиток саме такого пiдходу, що включає вивчення
можливостi ефективного використання бiоредукторiв на основi мiсцевого бiоконсорцiуму
з одного iз забруднених ураном районiв України (Жовтi Води) для очищення урановмiсних
пiдземних вод, є метою даної роботи.
Доннi вiдкладення р. Жовта бiля хвостосховища уранових вiдходiв (Жовтi Води) обра-
нi нами як джерела культури змiшаних бактерiй. Консорцiум аборигенних культур бакте-
рiй культивували впродовж чотирьох тижнiв у поживному середовищi з вiдомим складом
Postgate C [10]. Для зниження сл́iдових кiлькостей залишкового кисню в систему додавали
цистеїн, а як редокс-iндикатор використовували резазурин. Значення pH (∼7,5) корегува-
ли 50%-м NaOH.
У порiвняльних експериментах як джерело матерiалу для посiву використовували актив-
ний мул, отриманий з Бортницької станцiї аерацiї (Київ). Осад було тричi ретельно промито
дистильованою водою та одразу перенесено до ємностей, якi вже мiстили поживне середо-
вище й уран.
Класичнi методи мiкробiологiчного аналiзу (свiтлова мiкроскопiя, фарбування за Гра-
мом, наявнiсть капсул, джгутикiв, тип рухливостi, рiст на активних середовищах, видiле-
ння газу, його склад тощо [11–13]) дають пiдстави стверджувати, що в мулi з дна р. Жов-
та присутнi бактерiї родiв Bacillus, Pseudomonas, Clostridium, Alteromonas, Desulfovibrio,
Desulfosarcina та iн., а в iммобiлiзованому на волокнистому носiєвi “ВIЯ”, активному мулi
Бортницької станцiї аерацiї (Київ) наявнi денiтрифiкатори, ANAMMOX-бактерiї, Fe(III)-вiд-
новнi й сульфатредукуючi бактерiї, ацето- й метаногени.
За реактор використовували прозору плексигласову колонку (заввишки 30 см, внутрiш-
нiй дiаметр 8 см), яку в першому дослiдi заповнювали кварцовим пiском та селективною
культурою бактерiй, що були рiвномiрно розподiленi в пiску. В другому — iнертне заванта-
ження колонки мiстило кварцовий пiсок iз рiвномiрно розподiленим розпушеним органiч-
ним полiмерним волокном “ВIЯ”. Полiмерне волокно додавали до iнертного завантаження,
щоб забезпечити кращi умови для iммобiлiзацiї анаеробних бактерiй в неорганiчному квар-
цовому середовищi. В третьому — колонку заповнювали кварцовим пiском з органiчним
волокном “ВIЯ”, розташованим лише в нижнiх шарах iнертного матерiалу. Пiсля заванта-
ження iнертного неорганiчного матерiалу та асоцiацiї бактерiальних культур через колонки
пропустили кiлька об’ємiв пор звiльненої вiд кисню води для забезпечення повного вилу-
чення кисню перед додаванням дослiджуваного розчину. В четвертому — використовува-
ли асоцiацiю аборигенних мiкроорганiзмiв й активного мулу, а також кварцовий пiсок як
iнертне завантаження.
У ходi дослiдiв брали пiдземну воду з району хвостосховища вiдходiв уранового вироб-
ництва (Жовтi Води). Хiмiчний склад пiдземної води визначали у мг/дм3 (pH 7,4):
Складова: Ca2+, Mg2+, Na+ + K+, NH+
4 , CO2−
3 , HCO−
3 , Cl−, SO2−
4 , NO−
3 , NO−
2 ;
концентрацiя: 576, 209, 370,4, 0,75, 0, 402, 213, 2189, 49, 0 вiдповiдно.
Складова: Uзаг, Ni2+, Cu2+, Coзаг, Mnзаг, Zn2+, Pb2+, Cd2+, Feзаг, мiнералiзацiя;
концентрацiя: 4,0, <0,05, <0,033, <0,06, 0,104, <0,01, <0,19,<0,013, 0,05, 4007 вiдповiдно.
Зразки води барботували азотом для видалення розчиненого кисню i потiм використову-
вали для приготування вихiдного розчину з концентрацiєю урану — 10 мг/дм3 (розчиняли
сiль UO2SO4 · 3H2O). У розчин також додавали дрiжджi та цистеїн у концентрацiї 1 г/дм3.
176 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №10
Рис. 1. Змiна концентрацiї урану в фiльтратi в процесi бiологiчного очищення без додавання цистеїну та
дрiжджiв
Вихiдний розчин пропускали через завантаження колонки знизу вгору за допомогою
перистальтичного насосу зi швидкiстю 50 см3/год. Усi експерименти з вiдновлення ура-
ну проводили за анаеробних умов у темрявi при кiмнатнiй температурi (18–20 ◦С). Пiсля
закiнчення експериментiв визначення розподiлу U(VI) у завантаженнi колонки проводили
методом вилуговування. Весь реакцiйний матерiал з кожної колонки вибирали пошарово
(висота шару 1 см) i потiм обробляли азотною кислотою. Аналiзуючи розчин пiсля вилу-
говування, визначали вмiст урану в кожному шарi. Концентрацiю урану в зразках води та
в розчинах пiсля вилуговування встановлювали спектрофотометрично за вiдомими мето-
диками з Арсеназо III при λ = 665 нм.
У першому дослiдi мiкробне вiдновлення урану за участi сульфатредукуючих бактерiй
було здiйснено без додавання цистеїну та дрiжджiв. За таких умов вмiст урану в фiльтратi
в першу добу експерименту був низьким, що свiдчило про ефективнiсть процесу вiдновлен-
ня, але в подальшому спостерiгалося зростання концентрацiї урану в фiльтратi до її рiвня
у вихiдному розчинi (рис. 1).
Практично повне вилучення U(VI) при бiостимулюваннi спостерiгали у другому й тре-
тьому дослiдах (з полiмерним волокном “ВIЯ”, розподiленим по всьому об’єму та лише
у нижнiх шарах колонки) (рис. 2, а). У четвертому дослiдi з використанням сумiшi при-
родного бiоценозу та активного мулу було досягнуте практично повне вилучення урану iз
розчину (див. рис. 2, б ). Рис. 3, як приклад, iлюструє данi, отриманi при вилуговуваннi ура-
ну з матерiалу завантаження пiсля закiнчення другого дослiду. Результати, що грунтуються
на рiзницi мiж вихiдною концентрацiєю та концентрацiєю урану в фiльтратi, свiдчать, що
в цьому дослiдi вилучено 598 мг урану. За результатами екстракцiї встановлено, що кiль-
кiсть вилученого урану становить 565 мг, що свiдчить про хорошу збiжнiсть отриманих
результатiв.
Результати виконаного дослiдження свiдчать про нерiвномiрнiсть осадження урану в ко-
лонках: в обох дослiдах (другому й третьому) основна частина урану була сконцентрована
у нижнiх шарах реакцiйного середовища. Проте, в другiй колонцi, де полiмерне волокно
рiвномiрно розподiлялося з пiском, забруднення ураном займало бiльший об’єм заванта-
ження, а в третiй колонцi уранова пляма була бiльш ущiльнена. Такi вiдмiнностi у розпо-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №10 177
Рис. 2. Бiологiчне вилучення урану: а — мiкроорганiзмами, селекцiонованими з донних вiдкладень р. Жовта;
б — сумiшшю мiкроорганiзмiв, селекцiонованих з донних вiдкладень р. Жовта та активного мулу.
Умовнi позначення: 1 — внесено (дослiд 2), 1
′ — внесено (дослiд 4); 2 — накопичено (дослiд 2), 2
′ —
накопичено (дослiд 4); 3 — внесено (дослiд 3); 4 — накопичено (дослiд 3)
Рис. 3. Розподiл урану в завантаженнi колонки по її висотi пiсля завершення експерименту
дiлi урану в колонках з рiзним завантаженням можуть виникати завдяки переважаючiй
iммобiлiзацiї бактерiальних клiтин на поверхнi розпушеного органiчного полiмерного во-
локна, чия краща адсорбцiйна здатнiсть пов’язана першочергово з його великою площею
поверхнi. Беручи до уваги високий вмiст сульфатiв у забруднених пiдземних водах, якi ви-
користовували в експериментах, можна стверджувати, що вiдновлення U(VI) вiдбувається
незалежно вiд процесу сульфатредукцiї, бiльше того, мiкробне вiдновлення U(VI) → U(IV)
передує бактерiальному вiдновленню сульфату та блокує останнє: поки не пройде вiднов-
лення урану (VI), не почнеться сульфатредукцiя [14]. При цьому в таких системах можуть
бути реалiзованi усi чотири механiзми вилучення уранiл-iонiв бактерiями: бiосорбцiя, бiо-
акумулювання, реакцiї утворення нерозчинних осадiв з органiчними лiгандами i мiкробне
вiдновлення розчинених металiв до нерозчинних речовин прямим переносом електронiв вiд
органiчних сполук.
178 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №10
Максимальна концентрацiя урану в шарах завантаження колонки четвертого дослiду
(сумiш природного бiоценозу й активного мулу) була на днi, що вказує на значну ємнiсть
мiкробного угруповання для подальшого процесу. Позитивнi результати очищення води вiд
U(VI) за участю неадаптованого до урану iммобiлiзованого активного мулу з Бортницької
станцiї аерацiї можуть свiдчити про те, що значною мiрою це є неспецифiчний мiкробний
процес, i його здатнi здiйснювати нечутливi до токсичної дiї урану бактерiї, якi знижують
окисно-вiдновний потенцiал до необхiдного рiвня.
Таким чином, проведенi експерименти показують високу ефективнiсть культур бакте-
рiй, взятих з радiоактивно забруднених площадок м. Жовтi Води щодо вiдновлення урану
(VI) в анаеробних умовах. Отриманi результати пiдтверджують можливiсть застосуван-
ня технологiї проникних реакцiйних бар’єрiв для запобiгання забруднення пiдземних вод
у мiсцях зберiгання вiдходiв уранового виробництва [15]. Проте необхiднi подальшi дослiд-
ження з метою пiдвищення ефективностi та практичного застосування цiєї бiотехнологiї
в конкретних гiдрогеологiчних умовах.
Роботу виконано за фiнансової пiдтримки Агентства з охорони навколишнього сере-
довища США та Українського науково-технiчного центру в рамках проекту Р-322 “Регiо-
нальна оцiнка забруднення металами, пов’язаного з гiрничо-видобувною промисловiстю;
ризикiв й iнновацiйних технологiй в Українi та Грузiї”.
1. Добыча и переработка урановых руд в Украине / Под ред. А.П. Чернова – Киев: АДЕФ-Украина,
2001. – 238 с.
2. Landa E.R. Uranium mill tailings: nuclear waste and natural laboratory for geochemical and radioecological
investigations // J. Environ. Radioactiv. – 2004. – 77. – P. 1–27.
3. Корнiлович Б.Ю., Стрелко В. В., Кошик Ю. I., Павленко В.М. Еколого-хiмiчнi проблеми видобутку
та перероблення уранової сировини // Вiсн. НАН України. – 2010. – № 10. – С. 8–14.
4. Permeable Reactive Barriers: Lessons Learned // New directions. PRB – 4. – Washington: D.C., 2005 //
www.itrcweb.org.
5. Lloyd J. R., Lovley D.R. Microbial detoxication of metals and radionuclides // Curr. Opin. Biotechnol. –
2001. – 12. – P. 248–253.
6. Merroun M.L., Selenska-Pobell S. Bacterial interactions with uranium: An environmental perspective //
J. Contam. Hydrol. – 2008. – 102. – P. 285–295.
7. Zhengji Y. Microbial removal of uranyl by sulfate reducing bacteria in the presence of Fe(III) (hydr)oxides //
J. Environ. Radioactiv. – 2010. – 101. – P. 700–705.
8. Chabalala S., Chirwa E.M.N. Removal of uranium (VI) under aerobic and anaerobic conditions using an
indigenous mine consortium // Mineral. Eng. – 2010. – 23. – P. 526–531.
9. Luo J., Weber F.-A., Cirpka O.A. et al. Modelling in-situ uranium (VI) bioreduction by sulfate-reducing
bacteria // J. Contam. Hydrol. – 2007. – 92. – P. 129–148.
10. Postgate J.R. The sulfate reducing bacteria. – Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1984. – 208 p.
11. Методы общей бактериологии / Под ред. Ф. Герхардта, Р. Мюррея, К. Робиноу и др. – Москва: Мир,
1983. – Т. 1. – 536 с.
12. Определитель бактерий Берджи / Под ред. Г.А. Заварзина. – Москва: Мир, 1997. – 800 с.
13. Гвоздяк П. I., Сапура О.В. Простий метод виявлення та оцiнки iнтенсивностi анаеробних процесiв,
що супроводжуються видiленням газiв // Мiкробiологiя i бiотехнологiя. – 2009. – № 4 (8). – С. 53–57.
14. Martins M., Faleiro M.L., Chaves S. et al. Anaerobic bio-removal of uranium (VI) and chromium (VI):
Comparison of microbial community structure // J. Hazard. Mater. – 2010. – 176. – P. 1065–1072.
15. Kornilovich B., Wireman M., Caruso B. et al. The use of permeable reactive barrier against contaminated
groundwater in Ukraine // Centr. Europ. J. Occup. and Environ. Med. – 2009. – 15, No 1./2. – P. 73–85.
Надiйшло до редакцiї 25.03.2011Iнститут сорбцiї та проблем ендоекологiї
НАН України, Київ
НТУ України “Київський полiтехнiчний iнститут”
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №10 179
I. A. Kovalchuk, O.O. Khlopas,
Corresponding Member of the NAS of Ukraine B.Yu. Kornilovych, P. I. Gvozdyak,
O. L. Makovets’kyi
Uranium-containing groundwater treatment using a microbiological
method
Processes of microbial reduction of uranium from the contaminated groundwater were studied, and
the efficiency of using the natural bacterial cultures taken from the radioactive contaminated areas
were determined. The obtained results confirmed the suitability of the technology of permeable
reactive barriers involving the natural microbiotic community to prevent the contamination of
groundwater in the site of uranium waste storage in the Zhovti Vody town.
180 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №10
|