Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+)
The growth of chemoorganotrophic microorganisms at ultrahigh concentrations of toxic metals-oxidizers (Hg^2+, Cr4^O2− , and Cu^2+) is possible owing to a manifold increase in the concentration of metals (from 1 • 10−8 up to 1.0 mole/l) causes increasing their standard redox-potential (Eo) only by 20...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4667 |
| 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: | Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) / А.Б. Таширев, Н.А. Матвеева, А.А. Таширева, В.А. Романовская // Доп. НАН України. — 2008. — № 5. — С. 174-180. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860010101617721344 |
|---|---|
| author | Таширев, А.Б. Матвеева, Н.А. Таширева, А.А. Романовская, В.А. |
| author_facet | Таширев, А.Б. Матвеева, Н.А. Таширева, А.А. Романовская, В.А. |
| citation_txt | Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) / А.Б. Таширев, Н.А. Матвеева, А.А. Таширева, В.А. Романовская // Доп. НАН України. — 2008. — № 5. — С. 174-180. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | The growth of chemoorganotrophic microorganisms at ultrahigh concentrations of toxic metals-oxidizers (Hg^2+, Cr4^O2− , and Cu^2+) is possible owing to a manifold increase in the concentration of metals (from 1 • 10−8 up to 1.0 mole/l) causes increasing their standard redox-potential (Eo) only by 200. . .400 mV, which stays in a zone of thermodynamic stability of water (−414 mV 6 Eh 6 +814 mV). Microorganisms of the granulated biocatalyst and Antarctic soil microorganisms are capable to grow in the presence of 500 . . . 1000 ppm Hg (II), 5000. . .60000 ppm Cr(VI), and 1000. . .10000 ppm Cu(II). High values of redox-potentials of Hg^2+, CrO4^2− , and Cu^2+ (+920 mV, +555 mV and +440 mV) predetermine the reduction of these metals by alive microorganisms. Microbial reduction of Hg^2+, CrO4^2− , and Cu^2+ leads to the formation of insoluble forms of metals and their sedimentation in solutions. Technogenic associations and the Antarctic soil microorganisms resistant to ultrahigh concentrations of these metals can be used for the development of new environment-protective technologies providing the purification of industrial waste waters from metals in any certain concentration or a wide range of concentrations.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:41:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 579.26
© 2008
А.Б. Таширев, Н. А. Матвеева, А.А. Таширева,
В.А. Романовская
Экспериментальное обоснование термодинамического
прогнозирования редокс-взаимодействия
микроорганизмов с металлами-окислителями
(Hg2+, CrO2−
4
и Cu2+)
(Представлено академиком НАН Украины П.Ф. Гожиком)
The growth of chemoorganotrophic microorganisms at ultrahigh concentrations of toxic metals-
oxidizers (Hg2+, CrO2−
4 , and Cu2+) is possible owing to a manifold increase in the concentrati-
on of metals (from 1 · 10−8 up to 1.0 mole/l) causes increasing their standard redox-poten-
tial (Eo) only by 200. . .400 mV, which stays in a zone of thermodynamic stability of water
(−414 mV 6 Eh 6 +814 mV). Microorganisms of the granulated biocatalyst and Antarctic soil
microorganisms are capable to grow in the presence of 500 . . .1000 ppm Hg (II), 5000. . .60000
ppm Cr(VI), and 1000. . .10000 ppm Cu(II). High values of redox-potentials of Hg2+, CrO2−
4 ,
and Cu2+ (+920 mV, +555 mV and +440 mV) predetermine the reduction of these metals by
alive microorganisms. Microbial reduction of Hg2+, CrO2−
4 , and Cu2+ leads to the formation
of insoluble forms of metals and their sedimentation in solutions. Technogenic associations
and the Antarctic soil microorganisms resistant to ultrahigh concentrations of these metals can
be used for the development of new environment-protective technologies providing the purifi-
cation of industrial waste waters from metals in any certain concentration or a wide range of
concentrations.
В 1994 г. нами опубликована концепция термодинамического прогнозирования взаимодейст-
вия микроорганизмов с металлами [1], согласно которой существует принципиальная воз-
можность восстановления любого металла микроорганизмами. В дальнейшем нами были
выполнены термодинамические расчеты, обосновывающие принципиальную возможность
роста микроорганизмов при сверхвысоких концентрациях токсичных металлов-окислите-
лей, таких как Hg2+, CrO2−
4
и Cu2+. Показано, что при многократном повышении кон-
центрации металлов (от 1 · 10−8 до 1,0 моль/л) их стандартный редокс-потенциал (Eo)
увеличивается лишь на 200–400 мВ и не выходит за пределы термодинамической устой-
чивости воды. Отсюда следует, что микроорганизмы могут расти в присутствии Hg(II),
Cr(VI) и Cu(II) при их концентрации, составляющей десятки граммов в литре, и, кроме
того, восстанавливать эти металлы [2].
В настоящем сообщении приведены экспериментальные данные, подтверждающие тео-
ретические положения о возможности роста микроорганизмов при сверхвысоких концент-
рациях Hg2+, CrO2−
4
и Cu2+.
В работе использовали техногенные синтрофные ассоциации, а также антарктические
микроорганизмы из Украинской коллекции микроорганизмов (УКМ). Техногенные ассоци-
ации представлены смесью микроорганизмов активного ила аэротенка и сброженного осад-
ка метантенка Бортнической станции аэрации (Киев). Из биомассы указанных техногенных
ассоциаций готовили гранулированный микробный препарат, названный “микробным био-
катализатором” (МБК). МБК, кроме микроорганизмов, содержал также все необходимые
174 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №5
для них источники питания [3]. Гранулы МБК вносили в раствор с металлами в массовом
соотношении 1 : 40. . .1 : 50. Антарктические микроорганизмы были выделены ранее из почв
Западной Антарктики (Аргентинский архипелаг, о. Галиндез, Украинская антарктическая
станция “Академик Вернадский”) [4]. Для культивирования микроорганизмов использова-
ли такие среды, как мясопептонный бульон (МПБ) и мясопептонный агар (МПА). В ряде
экспериментов в среды вносили глюкозу (20 г/л) в качестве дополнительного источника
углерода и энергии.
Металлы вносили в среды в концентрационном диапазоне, мг металл-иона/л: 100–
3000 Cu2+, 100–1000 Hg2+, 1000–60 000 Cr(VI). Соединения Cr(VI) вносили в среду в ви-
де K2CrO4 (в пересчете на концентрацию катиона Cr6+). Нитрат ртути получали раство-
рением металлической ртути (1,0 г) в концентрированной HNO3 (5,0 мл). Раствор упа-
ривали на водяной бане, а затем полученный Hg(NO3)2 растворяли в дистиллированной
воде (1 л). Раствор содержал 1000 мг/л Hg2+ (Eh = +920 мВ, pH 2,0). Соединения хро-
ма(VI) и меди(II) получали растворением K2CrO4 и CuSO4 · 5H2O в дистиллированной
воде. В раствор с Cu2+ в качестве хелатирующего соединения добавляли двузамещен-
ный цитрат натрия в эквимолярном соотношении к металлам и доводили pH раствора
сухим NaHCO3 до 7,0. Растворы металлов стерилизовали кипячением (30 мин) на водя-
ной бане.
Концентрацию металлов определяли методом атомно-адсорбционной спектроскопии
(Hg) [5] и колориметрическим методом (Cu2+, Cu(I) и CrO2−
4
). Концентрацию Cu2+ опре-
деляли с помощью ПАР (4-(2-пиридилазо)-резорцина), Cu(I) — с батокупроином (2,9-ди-
метил-4,7-дифенил-1,10-фенантролином), CrO2−
4
— с дифенилкарбазидом [6]. Нераствори-
мые (осажденные) соединения меди (CuCO3, Cu(OH)2 и др.) переводили в раствор с помо-
щью 0,1 N HCl, а затем определяли их концентрацию с помощью ПАР.
Редокс-потенциал (Eh) и pH измеряли потенциометрическим методом на pH-метре-мил-
ливольтметре “pH–121” с помощью измерительных электродов и хлорсеребряного электро-
да сравнения ЭВЛ–1МЗ. Для измерения pH использовали электрод ЭСЛ–63–07, а для ре-
докс-потенциала — платиновый электрод ЭПВ–1. Непрерывное измерение редокс-потенци-
ала и pH в растущих культурах микроорганизмов проводили в сконструированной нами
измерительной ячейке [7].
Для проверки нашего термодинамического прогноза о возможности существования мик-
роорганизмов при сверхвысоких концентрациях металлов-окислителей [2] антарктические
микроорганизмы, а также техногенные микробные ассоциации культивировали при сверх-
высоких концентрациях Hg2+, CrO2−
4
и Cu2+ (1000–60000 мг-ион металла/л).
На рис. 1 приведены данные по метаболической активности техногенных микробных ас-
социаций (гранулированный препарат МБК) в отсутствие (контрольный вариант) и в при-
сутствии тяжелых металлов. Метаболическая активность микроорганизмов МБК условно
разделена на три фазы: А — адаптивного метаболизма, В — активного метаболизма и С —
замедленного метаболизма. Эти фазы по своему биологическому значению аналогичны фа-
зам роста монокультур: лаг-фазе, логарифмической фазе роста и стационарной фазе ро-
ста [8].
При изучении взаимодействия микроорганизмов с Hg2+ гранулы МБК вносили в водный
раствор, содержащий 1000 мг/л Hg2+ в виде Hg(NO3)2. В такой высокой концентрации
нитрат ртути создает в растворе кислую реакцию среды, и величина pH составляет 2,0
(см. рис. 1, б ). Поэтому и в контрольном варианте (см. рис. 1, а) pH среды доводили до 2,0
разбавленной HNO3.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №5 175
Рис. 1. Показатели метаболической активности техногенной ассоциации микроорганизмов (МБК) в отсут-
ствие тяжелых металлов (а), при наличии 1000 мг/л Hg
2+ (б ), 5000 мг/л Cr(VI) (в), 10000 мг/л Cu
2+ (г).
1 — редокс-потенциал (Eh, мВ); 2 — pH; 3 — концентрация в растворе металла (мг/л); 4 — оптическая
плотность (прирост биомассы микроорганизмов); 5 — концентрация CuCO3 в осадке.
А, В, С — фазы метаболической активности микроорганизмов (см. текст). Массовое соотношение гранулы
МБК: раствор составляло 1 : 40
В контрольном варианте (без металлов) микроорганизмы МБК осуществили быструю
корректировку Eh и pH, которая проявлялась в снижении Eh и повышении pH (см. рис. 1, а).
В фазе А (продолжительность 1–12 ч) значение pH увеличилось от 2,0 до 6,0, а Eh снизи-
лось от +520 до −310 мВ. В фазе В микроорганизмы начали размножаться, вследствие чего
оптическая плотность (D) увеличилась от 0 до 0,3. В фазе С показатели метаболической
активности (pH, Eh и D) практически не изменялись.
Соединения ртути(II) являются сильными окислителями. В результате, при 1000 мг/л
Hg2+ значение Eh составляло +920 мВ (pH 2,0) и было на 400 мВ выше, чем в контроле
(+520 мВ) (см. рис. 1, б ). Ранее мы теоретически обосновали, что микробный метаболизм
может осуществляться лишь в зоне термодинамической устойчивости воды (−414 мВ 6
6 Eh 6 +814 мВ) [2]. Из представленных экспериментальных данных (см. рис. 1, б ) сле-
дует, что при 1000 мг/л Hg2+ редокс-потенциал раствора на 106 мВ превышал предельно
допустимое значение (+814 мВ). Согласно термодинамическому прогнозу микроорганизмы
не могут расти при столь высоком значении редокс-потенциала. Именно поэтому в фазе
А микроорганизмы техногенной ассоциации одновременно снижали редокс-потенциал (от
176 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №5
+920 до +360 мВ), уменьшали концентрацию Hg2+ в растворе (от 1000 до 280 мг/л) и по-
вышали pH (от 2,0 до 6,0). И лишь затем (после корректировки Eh и pH) микроорганизмы
начинали расти (фазы В и С), о чем свидетельствует увеличение оптической плотности
культуральной жидкости. В соответствии с термодинамическим прогнозом, микроорганиз-
мы не только росли в присутствии высокой концентрации ртути, но и взаимодействовали
с ней. Так, за 3 сут (72 ч) концентрация Hg2+ в растворе уменьшилась от 1000 до 1 мг/л.
Катион Hg2+ по отношению к микроорганизмам одновременно проявляет свойства как ме-
талла-окислителя (E′
o
= +920 мВ), так и двувалентного металла-заместителя. Поэтому
мы предположили, что удаление Hg(II) из раствора микроорганизмы осуществляют как за
счет восстановления катиона Hg2+ до нерастворимой Hg0, так и за счет замещения катионов
Ca2+ и Mg2+ в клеточной стенке. Кроме того, можно предположить, что микроорганизмы
также осаждают Hg2+ экзометаболитами в виде нерастворимых соединений, например “ме-
талл-белок”, HgS и HgCO3.
Для металлрезистентных микроорганизмов, выделенных из антарктических почв, пре-
дельно допустимая концентрация Hg2+ составила 500 мг/л, и при большей концентрации
Hg2+ рост микроорганизмов отсутствовал [4]. В присутствии 500 мг/л Hg2+ лаг-фаза рос-
та составляла 1–2 сут, как и в контрольном варианте (без Hg2+). Возможность адаптации
микроорганизмов к повышению концентрации ртути в среде была исключена, так как для
посевов на среды с возрастающей концентрацией ртути использовались микроорганизмы,
выделенные на среде без металлов.
Стандартный редокс-потенциал реакции восстановления CrO2−
4
до Cr(OH)3 равен
+555 мВ, т. е. он находится в зоне термодинамической устойчивости воды (−414 мВ 6 E′
o
6
6 +814 мВ). При увеличении концентрации Cr(VI) от 1,0 · 10−8 до 1,0 моль/л редокс-по-
тенциал возрастает всего лишь на 178 мВ (от +410 до +588 мВ) и не выходит за преде-
лы указанной зоны [2]. Отсюда следует, что существование микроорганизмов в принципе
допустимо даже при одномолярной концентрации (51900 мг/л Cr(VI), что соответствует
133800 мг/л CrO2−
4
). Поэтому микроорганизмы не только могут расти при сверхвысоких
концентрациях хромата, по общепринятым представлениям “несовместимых с жизнью”, но
и восстанавливать его до нерастворимого гидроксида хрома(III):
CrO2−
4
+ (n − 1) · H2O + 5H + 3e = Cr(OH)3 · nH2O.
Изучение взаимодействия техногенных ассоциаций микроорганизмов (гранулирован-
ный препарат МБК) с хроматом при начальной концентрации Cr(VI) 5000 мг/л (около
0,1 моль/л) (см. рис. 1, в) показало, что, как и в варианте с ртутью, микроорганизмы вна-
чале снижали редокс-потенциал до приемлемого для них уровня (фаза А) и лишь затем
начинали расти и взаимодействовать с хроматом. Так, в фазе А редокс-потенциал снижал-
ся от +580 до +370 мВ, а концентрация Cr(VI) практически не изменялась. И только после
снижения редокс-потенциала до +370 мВ в фазах В и С одновременно наблюдали рост
микроорганизмов, дальнейшее снижение редокс-потенциала (от +370 до −300 мВ) и умень-
шение концентрации Cr(VI) в растворе (от 4500 мг/л до 0). Микроорганизмы техногенных
ассоциаций восстанавливали хромат (CrO2−
4
) оранжевого цвета до нерастворимого гидрок-
сида хрома (Cr(OH)3 · nH2O) голубого цвета (рис. 2, а, см. вклейку).
Теоретические расчеты позволили предположить, что микроорганизмы не только
в принципе могут существовать при бактерицидных концентрациях хромата, но и должны
быть достаточно широко распространены в природе. Действительно, нами установлено, что
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №5 177
Рис. 2. Рост микроорганизмов в присутствии сверхвысоких концентраций металлов-окислителей (Hg2+, CrO4
2- и Cu2+)
а — восстановление CrO4
2- до нерастворимого Cr(OН)3 микроорганизмами техногенных ассоциаций: 1 —
исходный раствор, 5000 мг/л Cr(VI); 2 — осаждение хрома в виде Cr(OН)3 через 6 сут; б — рост на МПА
антарктических микроорганизмов В-3202 (1), В-3207 (2), В-3209(3) при 50000 мг/л Cr(VI) в течение 3 сут; в —
восстановление CrO4
2- антарктическими микроорганизмами до Cr(OН)3 (сиреневый цвет) при наличии в среде
глюкозы (20 г/л) в качестве донора электронов; г — осаждение карбоната меди(ІІ) на гранулах МБК и стенках
флакона: 1 — исходный раствор, 10 г/л Cu(ІІ), 2 и 3 — снижение концентрации Cu2+: до 4900 мг/л через
8 сут (2), до 100 мг через 12 сут (3); д — рост антарктических микроорганизмов в присутствии 1000 мг/л Cu2+
(посев почвы, 108 клеток/г почвы); е — восстановление Cu2+ до соединений меди(І) коричневого цвета при
росте антарктических микроорганизмов
К ст. А.Б. Таширева и др. ‘‘Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-вза-
имодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg2+, CrO4
2- и Cu2+)’’
a б
в г
д е
1 2
1
2
3
1 2 3
Рис. 3. Повышение устойчивости антарктических штаммов к сверхвысоким концентрациям Cr(VI) в при-
сутствии донора электронов (глюкозы).
∗ — 20 г глюкозы (в качестве донора электронов) внесено в 1 л МПА
в Западной Антарктике (острова Аргентинского архипелага и примыкающее к ним побе-
режье Антарктического полуострова) распространены хроматрезистентные микроорганиз-
мы. Практически во всех наземных биотопах Антарктики (почва, мох, лишайники, гумус,
озерный ил) обнаружены микроорганизмы, устойчивые к высокой концентрации Cr(VI) —
500 мг/л. Так, в образцах этих биотопов содержится до 104–105 клеток/г АСМ образца,
растущих на МПА в присутствии 500 мг/л Cr(VI) [9]. Более того, из антарктических почв
(Западная Антарктика, Аргентинский архипелаг, о. Галиндез) нами выделены гетеротроф-
ные микроорганизмы, растущие при сверхвысоких концентрациях Cr(VI) [4]. Выделенные
микроорганизмы, полирезистентные к металлам, депонированы в Украинскую коллекцию
микроорганизмов (УКМ) под номерами В-3201 — В-3210.
Степень устойчивости антарктических микроорганизмов к хромату определяется собст-
венно концентрацией Cr(VI) и, кроме того, зависит от наличия в среде дополнительного
источника углерода и энергии. Так, повышение концентрации Cr(VI) от 1000 до 30 000 мг/л
Cr(VI) в среде привело к ингибированию роста штаммов В-3201 — В-3210 (рис. 3). При кон-
центрации Cr(VI) 40000 мг/л рост микроорганизмов отсутствовал. Однако внесение в среду
глюкозы (20 г/л) в качестве дополнительного источника углерода и энергии существенно
повысило устойчивость микроорганизмов к Cr(VI). Так, при 50000 мг/л Cr(VI) уже через
2 сут выросло три штамма (В-3201, В-3202 и В-3207) (см. рис. 2, б и 3). Два из них выро-
сли даже при 60000 мг/л Cr(VI), т. е. при концентрации, превышающей 1 моль/л. Через
4–5 сут роста (на МПА с глюкозой) штрих-культуры приобрели сиренево-голубой цвет, ха-
рактерный для гидроксида хрома(III) (см. рис. 2, в). Как мы уже сообщали раннее [4],
глюкоза, по-видимому, является донором электронов, который позволяет антарктическим
микроорганизмам осуществлять защитную сопряженную редокс-реакцию окисления глю-
козы (C6H12O6) и восстановления хромат-аниона (CrO2−
4
) до нерастворимого, а значит,
и нетоксичного гидроксида хрома(III).
Для реакции 2Cu2+ + H2O + 2e = Cu2O + 2H+ (при концентрации реагирующих ком-
понентов 1 моль/л) Eh равно +440 мВ (pH 4), т. е. редокс-потенциал находится в пределах
термодинамической устойчивости воды (−414 мВ 6 E′
o
6 +814 мВ) [2]. Отсюда следует, что
микроорганизмы могут расти в присутствии высоких концентраций соединений меди(II)
и взаимодействовать с ними. Это теоретическое положение подтверждено эксперименталь-
но как на примере техногенных ассоциаций, так и антарктических микроорганизмов.
178 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №5
Так, нами показано, что микроорганизмы гранулированного препарата МБК растут
и взаимодействуют с Cu(II) при ее концентрации 10000 мг/л Cu2+ ( см. рис. 1, г). В фазе А
микроорганизмы осуществляли корректировку редокс-потенциала. За 4 сут редокс-потен-
циал снижался от +480 мВ до +360 мВ, и одновременно концентрация Cu2+ уменьшалась
более чем на 1000 мг/л (от 10000 до 8900 мг/л). В фазе В наблюдали одновременно рост
микроорганизмов, снижение редокс-потенциала и уменьшение концентрации Cu2+ в раство-
ре (от 8900 до 1600 мг/л). В результате взаимодействия микроорганизмов с Cu2+ в фазе В
образовался нерастворимый карбонат меди(II), концентрация которого в конце этой фазы
составляла 3400 мг/л. Наконец, в фазе С редокс-потенциал снижался до –50 мВ, концентра-
ция Cu2+ в растворе уменьшалась до 120 мг/л, а концентрация CuCO3 составила 5700 мг/л.
В процессе взаимодействия микроорганизмов техногенных ассоциаций с Cu2+ (10000 мг/л)
в течение 14 сут карбонат меди (а возможно, и Cu(OH2)) оседал на гранулах МБК и стенках
флакона в виде зеленовато-голубой пленки (см. рис. 2, г).
Медьрезистентные микроорганизмы распространены в исследованном нами регионе Ан-
тарктики (Западная Антарктика, Аргентинский архипелаг, биогеографический полигон на
о. Галиндез). При высеве образца грунтовой высыпки (юго-восточный сектор полигона)
на среду с содержанием 1000 мг/л Cu2+ количество выросших на 2-е — 3-тьи сут мик-
роорганизмов составляло 108 клеток/г почвы (см. рис. 2, д). Из почвы полигона выде-
лены три культуры (В-3201, В-3208 и В-3210), растущие в концентрационном диапазоне
2500–3000 мг/л Cu2+. В процессе роста некоторые штаммы, по-видимому, восстанавливали
соединения меди(II) до меди(I), о чем свидетельствовало изменение окрашивания среды от
голубого до желто-коричневого, характерного для соединений меди(I) (см. рис. 2, е). Таким
образом, полученные нами результаты позволили сделать вывод о широком распростране-
нии в исследованной нами зоне Антарктики микроорганизмов, устойчивых к сверхвысоким
концентрациям Cu(II) — от 1000 до 3000 мг/л.
Проведенные эксперименты показали, что в соответствии с термодинамическими расче-
тами микроорганизмы могут расти в присутствии сверхвысоких концентраций трех наи-
более токсичных металлов-окислителей: 500–1000 мг/л Hg(II), 50000–60000 мг/л Cr(VI)
и 1000–10000 мг/л Cu(II). Возможность роста микроорганизмов обусловлена тем, что при
многократном повышении концентрации металлов их редокс-потенциал остается в пределах
зоны термодинамической устойчивости воды. Отсюда следует, что некоторые микроорга-
низмы способны существовать при таких концентрациях металлов-окислителей, которые
на несколько порядков превышают известные бактерицидные концентрации (1–20 мг-ио-
нов/л) этих металлов.
В водных растворах металлы-окислители (Hg2+, CrO2−
4
и Cu2+) являются редокс-буфер-
ными системами с высокими потенциалами (Eh +920, +555 и +440 мВ). Поэтому микроор-
ганизмы, в соответствии с нашими расчетами, в присутствии указанных металлов исполь-
зуют “компенсаторные” метаболические системы для корректировки редокс-потенциала до
таких значений, при которых возможен рост хемоорганотрофных микроорганизмов. Пока-
зано, что микроорганизмы в первую очередь снижают редокс-потенциал с +920. . . + 580 до
+370. . . + 360 мВ и лишь затем начинают расти и взаимодействовать с металлами.
Микроорганизмы являются донорной редокс-системой, а металлы-окислители — акцеп-
торной. Поэтому разность потенциалов между донорной системой (−200. . .− 400 мВ) и ак-
цепторной (+440. . . + 920 мВ), равная 660–1320 мВ, предопределяет восстановление Hg2+,
CrO2−
4
и Cu2+ микроорганизмами. В целом взаимодействие микроорганизмов с металла-
ми проявляется в восстановлении металлов до нерастворимых форм, а также в осажде-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №5 179
нии металлов микробными экзометаболитами. Отсюда следует, что техногенные ассоциации
и антарктические почвенные микроорганизмы, устойчивые к сверхвысоким концентраци-
ям Hg2+, CrO2−
4
и Cu2+, могут быть использованы для создания новых природоохранных
биотехнологий, обеспечивающих очистку промышленных сточных вод от широкого спектра
металлов практически в любом концентрационном диапазоне.
1. Таширев А. Б. Теоретические аспекты взаимодействия микроорганизмов с металлами. Восстанови-
тельная трансформация металлов // Мiкробiол. журн. – 1994. – 56, № 6. – С. 76–88.
2. Таширев А. Б., Галинкер Э. В., Андреюк Е.И. Термодинамическое прогнозирование редокс-взаимо-
действия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg
2+, CrO
2−
4 и Cu
2+) // Доп. НАН України. –
2008. – № 4. – С. 166–172.
3. Таширев А. Б., Смирнова Г.Ф., Яновер С.Б., Самчук А.И. Аккумуляция тяжелых металлов микро-
бным сорбентом // Мiкробiол. журн. – 1997. – 59, № 3. – С. 70–79.
4. Таширев А. Б., Матвеева Н.А., Романовская В.А., Таширева А.А., Рокитко П.В. Полирезистен-
тность и сверхустойчивость к тяжелым металлам антарктических микроорганизмов // Доп. НАН
України. – 2007. – № 11. – С. 170–175.
5. Анализ минерального сырья / Под ред. Ю. Н. Книпович, Ю. В. Марчевского. – Москва: Госхимиздат,
1959. – 195 с.
6. Справочник химика / Под ред. Б. П. Никольского. Т. 4. – Москва; Ленинград: Химия, 1965. – 827 с.
7. Чернышенко Д.В., Данько Я.Н., Таширев А. Б. и др. Культиватор для изучения ростовых процессов
анаэробных микроорганизмов // Мiкробiол. журн. – 1990. – 52, № 6. – С. 90–92.
8. Таширев А.Б. Концепция интегральных механизмов аккумуляции металлов синтрофными микро-
бными ассоциациями // Мiкробiол. журн. – 1999. – 61, № 5. – С. 78–84.
9. Таширев А.Б., Романовская В.А., Сиома И.А., Усенко В.П., Таширева А.А., Матвеева Н.А. и
др. Антарктические микроорганизмы, устойчивые к высоким концентрациям Hg
2+, Cu
2+, Cd
2+ и
CrO
2−
4 // Доп. НАН України. – 2008. – № 1. – С. 169–176.
Поступило в редакцию 20.11.2007Институт микробиологии и вирусологии
им. Д.К. Заболотного НАН Украины, Киев
Национальный антарктический научный центр
МОН Украины, Киев
180 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №5
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-4667 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:41:30Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Таширев, А.Б. Матвеева, Н.А. Таширева, А.А. Романовская, В.А. 2009-12-17T16:03:55Z 2009-12-17T16:03:55Z 2008 Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) / А.Б. Таширев, Н.А. Матвеева, А.А. Таширева, В.А. Романовская // Доп. НАН України. — 2008. — № 5. — С. 174-180. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4667 579.26 The growth of chemoorganotrophic microorganisms at ultrahigh concentrations of toxic metals-oxidizers (Hg^2+, Cr4^O2− , and Cu^2+) is possible owing to a manifold increase in the concentration of metals (from 1 • 10−8 up to 1.0 mole/l) causes increasing their standard redox-potential (Eo) only by 200. . .400 mV, which stays in a zone of thermodynamic stability of water (−414 mV 6 Eh 6 +814 mV). Microorganisms of the granulated biocatalyst and Antarctic soil microorganisms are capable to grow in the presence of 500 . . . 1000 ppm Hg (II), 5000. . .60000 ppm Cr(VI), and 1000. . .10000 ppm Cu(II). High values of redox-potentials of Hg^2+, CrO4^2− , and Cu^2+ (+920 mV, +555 mV and +440 mV) predetermine the reduction of these metals by alive microorganisms. Microbial reduction of Hg^2+, CrO4^2− , and Cu^2+ leads to the formation of insoluble forms of metals and their sedimentation in solutions. Technogenic associations and the Antarctic soil microorganisms resistant to ultrahigh concentrations of these metals can be used for the development of new environment-protective technologies providing the purification of industrial waste waters from metals in any certain concentration or a wide range of concentrations. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Біологія Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) Article published earlier |
| spellingShingle | Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) Таширев, А.Б. Матвеева, Н.А. Таширева, А.А. Романовская, В.А. Біологія |
| title | Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) |
| title_full | Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) |
| title_fullStr | Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) |
| title_full_unstemmed | Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) |
| title_short | Экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (Hg^2+, CrO4^2− и Cu^2+) |
| title_sort | экспериментальное обоснование термодинамического прогнозирования редокс-взаимодействия микроорганизмов с металлами-окислителями (hg^2+, cro4^2− и cu^2+) |
| topic | Біологія |
| topic_facet | Біологія |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/4667 |
| work_keys_str_mv | AT taširevab éksperimentalʹnoeobosnovanietermodinamičeskogoprognozirovaniâredoksvzaimodeistviâmikroorganizmovsmetallamiokislitelâmihg2cro42icu2 AT matveevana éksperimentalʹnoeobosnovanietermodinamičeskogoprognozirovaniâredoksvzaimodeistviâmikroorganizmovsmetallamiokislitelâmihg2cro42icu2 AT taširevaaa éksperimentalʹnoeobosnovanietermodinamičeskogoprognozirovaniâredoksvzaimodeistviâmikroorganizmovsmetallamiokislitelâmihg2cro42icu2 AT romanovskaâva éksperimentalʹnoeobosnovanietermodinamičeskogoprognozirovaniâredoksvzaimodeistviâmikroorganizmovsmetallamiokislitelâmihg2cro42icu2 |