Биосорбция водорастворимых красителей магнитоуправляемыми смарт-биосорбентами на основе пивоваренных дрожжей и наноструктурированного магнетита

АННОТАЦИЯ

Изучена сорбция водорастворимых красителей, принадлежащих к различным классам: Кристаллвиолет и Анилиновый синий (трифенилметановая группа), Амидочерный 10Б, Эриохром  черный, Конго красный, Метиловый оранжевый, Сатурн синий, Бисмарк коричневый ( азо-красители), Акридиновый оранжевый (акридиновая группа), Сафранин Т (азиновая группа) из их водных растворов. Определены значения максимальной сорбционной емкости для этих красителей магнитомодифицированными дрожжевыми клетками Saccharomyces cerevisiae. Показано, что отсутствует корреляция величины максимальной сорбционной емкости с природой основной функциональной группой красителя и наблюдается ее существенный разброс. В то же время биосорбент на основе магнитомодифицированных клеток дрожжей целесообразно применять в качестве эффективного низкостоимостного сорбента для технологических и инженерно-экологических целей.

ABSTRACT

Sorption of water-soluble colors belonging to different classes: Crystal violet and Aniline blue (the triphenylmethane group), Amido black 10B, Eriochrome black, Congo red, methyl orange, Saturn blue, Bismark brown (azoic colours), acridine orange (the acridine group), safranine T (the azine group) is studied from their aqueous solutions. Values of the maximum sorption capacity for these colors by magnitomodified yeast cells Saccharomyces cerevisiae are determined. It is shown that there is no value correlation of the maximum sorption capacity with the nature of basic color functional group, and its considerable variation is observed. At the same time it is advisable to apply biosorbent based on magnito-modified yeast cells as an effective low cost sorbent for technological and engineering-environmental objectives. 

Введение

Уже считается признанным фактом, что XXI век является веком создания новых композиционных материалов, обладающих смарт свойствами. В общем понимании нанокомпозиты представляют собой материалы, в матрицу которых в качестве наполнителя целенаправленно вводятся наночастицы веществ, обусловливающих проявление тех или иных полезных свойств и позволяющих эффективно управлять ими [12]. На основе нанокомпозитов создаются материалы, способные давать отклик при изменении механических, оптических, электрических, магнитных воздействий [11]. Исследование таких интеллектуальных смарт-материалов открывает широкие возможности их применения в различных отраслях науки и технологий. В последние десятилетия получило стремительное развитие еще одно направление  в получении и изучении свойств материалов – нанобиокомпозитов, сочетающих свойства наночастиц, биомолекулы и самой матрицы [1].

Такое сочетание реализуется в магнитных нано- и микрочастицах с биообъектом, в частности с микроорганизмами. Такие композиционные материалы на основе биосовместимых синтетических и природных полимеров, например, поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль, альгинат , альбумин , овальбумин, хитозан и  магнитных частиц могут найти свое применение в медицине при направленной транспортной доставке лекарств, гемодиализе и гемосорбции, контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии и ангиоскопии, в клинической лабораторной диагностике [7,9,16]. Применение магнитоуправляемых биосорбентов на основе клеточных стенок дрожжей и наночастиц магнетита также позволяет пересмотреть ряд биосорбционных технологий, предназначенных для извлечения тяжелых, драгоценных металлов и радионуклидов из «хвостов» технологических растворов и сточных вод ряда предприятий [4,5,13].

В предыдущих наших публикациях уже были представлены сорбционно-аналитические свойства биосорбентов на основе пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae по отношению к ионам тяжелых металлов [8] и на примере фенола оценена их способность в биосорбции органических поллютантов [6]. В этой связи представляет несомненный интерес изучение сорбционной возможности магнитоуправляемых клеток пивоваренных дрожжей по отношению к водорастворимым красителям, принадлежащим к различным классам. Результаты этого исследования представлены в настоящей статье.

Материалы и методы

В работе использовали дрожжи Saccharomyces cerevisiae штамм W37. Известно, что дрожжи относятся к эукариотам и являются диамагнитными, т.е. не обладают магнитными свойствами.  Для придания им магнитных свойств, необходимо провести их модификацию, заключающуюся в получении комплекса с магнитными нано- или микрочастицами магнетита. Эта процедура может быть осуществлена как за счет неспецифического связывания магнитных наночастиц, так и с помощью ковалентной иммобилизации на магнитных носителях или по перекрестному сшиванию определенных функциональных групп клеточной стенки дрожжей с бифункциональным реагентом в присутствии магнитных частиц. Наиболее простым и эффективным способом является неспецифическое связывание клеток дрожжей с наночастицами магнетита или маггемита при инкубировании дрожжей с магнитной жидкостью. Магнитную феррожидкость получали по методике, описанной в [2]. При соблюдении условий синтеза получаются наночастицы магнетита размером 10-15 нм.

Методика получения магнитомодифицированных клеток дрожжей заключалась в следующем:

3 мл суспензии дрожжей смешивали с 1 мл магнитной жидкости и инкубировали при 30⁰ С в течение 2 часов при перемешивании. При этом большинство дрожжевых клеток становились магнитомодифицированными. Немагнитные дрожжевые клетки отделяли от модифицированных с использованием постоянного магнита. Остаточную магнитную жидкость также удаляли, применяя многократную отмывку ацетатно-буферным раствором до получения прозрачного супернатанта.

Объектом исследования служили водорастворимые красители, принадлежащие к различным классам: Кристаллвиолет и Анилиновый синий (трифенилметановая группа), Амидочерный 10Б, Эриохром  черный, Конго красный, Метиловый оранжевый, Сатурн синий, Бисмарк коричневый ( азокрасители), Акридиновый оранжевый (акридиновая группа), Сафранин Т  (азиновая группа) в виде водных растворов.

Эксперимент по биосорбции красителей заключался в следующем: к 50 мл 0,1% водного раствора красителя, находящегося в колбе Эрленмейера, добавляли по 0,5 г магнитомодифицированных дрожжей и встряхивали на горизонтальной качалке со скоростью 150 об/мин в течение 2 часов при комнатной температуре. После этого отделяли осадок от супернатанта декантацией, удерживая магнитные частицы постоянным магнитом. 

Содержание красителя в водной фазе определяли спектрофотометрически по градуировочному графику с использованием фотоколориметра КФК-3 и спектрофотометра СФ-46 при соответствующих длинах волн [10,15]. Содержание красителя на сорбенте рассчитывали по разности между исходной и равновесной концентрацией в водной фазе. По полученным значениям строили изотерму адсорбции в координатах изотермы Ленгмюра и находили графическим путем величину максимальной сорбционной емкости Q_мах. Каждый эксперимент проводили троекратно. Статистическую обработку эксперимента осуществляли с использованием прикладного пакета Excel [14].

Результаты и обсуждение

В предыдущей нашей работе [3] было рассмотрено взаимодействие клеток пивоваренных дрожжей Saccharomyces cerevisiae с магнитными жидкостями и установлено, что во многих случаях магнитная модификация не оказывают негативное влияние на жизнеспособность модифицированных клеток. Поэтому с большой долей вероятности можно допустить, что биосорбция красителей, с помощью магнитомодифицированных клеток дрожжей будет адекватной биосорбционным процессам, протекающим с использованием нативных клеток.

На рисунке 1. приведены микрофотографии магнито-модифицированных клеток дрожжей Saccharomyces cerevisiae, полученных с помощью сканирующего и просвечивающего электронных микроскопов.

Рис.1. Микрофотографии магнитомодифицированных феррожидкостью клеток дрожжей Saccaromyces cerevisiae , полученных с помощью сканирующего (слева) и просвечивающего (справа) электронных микроскопов.

Также нами было показано, что биосорбция в лучшей степени описывается моделью Ленгмюра, которая позволяет рассчитать максимальную сорбционную емкость Q сорбента – важный параметр, характеризующий адсорбцию, в связи с чем, при обработке изотерм адсорбции нами была использована именно эта модель.

В таблице 1 приведены результаты по определению максимальной сорбционной емкости красителей, принадлежащих к различным классам.

Из приведенных в таблице значений максимальной сорбционной емкости можно заметить, что они существенно отличаются для различных типов красителей. Однако, для красителей трифенилметанового ряда они значительно выше, чем, например, для азо-группы. При этом какое-либо прямое влияние функциональной группы красителя на биосорбцию не выявлено.

Таблица 1

Максимальная сорбционная емкость магнитомодифицированных дрожжей Saccharomyces cerevisiae для водорастворимых красителей

Краситель	Класс	Функциональ- ная группа	Брутто формула по системе Хилла	Молеку-лярная масса	λмакс, нм	Qмакс., мг/г
						Хср ± Δх	sr, %
Кристаллвиолет (кристаллический фиолетовый)	Три-фенил метано-вые красители		C25H30ClN3	407,98	617	55,4±1,2	1,8
Анилиновый синий			С37H30ClN3	552,11	608	238,6±2,3	2,3
Амидочерный 10Б (кислотный сине_черный).	Азо-красители		C22H14N3Na2O9S2	616,5	560	12,5±0,3	2,0
Эриохром черный			C20H12N3NaO7S	461,38	520	17,8±0,8	3,66
Конго красный			C32H22N6Na2O6S2	696,66	480*	43,6±1,9	3,55
Метиловый оранжевый			C14H14N3NaO3S	327,33	480*	54,7±0,5	0,7
Сатурн голубой			C34H24N5Na3O12S3	859,74	520	29,7±1,2	3,2
Бисмарк коричневый			C18H18N8∙2HCl	419,32	520	41,6±0,5	1,0
Акридиновый оранжевый	Акридино вые красители		C17H20Cl3N3Zn	438,09	495	49,1±0,6	1,0
Сафранин Т	Азиновые красители		C20H19ClN4	350,85	520	48,4±0,8	1,4

* - измерения проведены в изобестической точке

Заключение

Проведенное исследование показывает, что, несмотря на существенный разброс величины максимальной сорбционной емкости магнито-модифицированного сорбента по отношению к красителям, принадлежащим к различным группам, его можно применять в качестве эффективного низкостоимостного сорбента для технологических и инженерно-экологических целей. При этом придание биосорбенту магнитных свойств не только позволяет облегчить процедуру очистки воды от красителей, но и пересмотреть ряд традиционных сорбционных технологий.