XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИССЛЕДОВАНИЕ БИОАККУМУЛЯЦИИ ИОНОВ КОБАЛЬТА И СВИНЦА ГИДРОБИОНТАМИ ПРЕСНОВОДНОГО ВОДОЕМА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Крюкова С.А. 1

---

1"СОШ №7 им. А.В. Мокроусова с углубленным изучением английского языка" г.Симферополя

Черний Е.Л. 1

---

1"СОШ №7 им. А.В. Мокроусова с углубленным изучением английского языка" г.Симферополя

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность: На сегодняшний день проблема загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами является актуальной. Тяжелые металлы, включаясь в круговорот веществ и накапливаясь в природной среде, ведут к её загрязнению оказывая токсическое, канцерогенное и аллергическое воздействие на все живые организмы.

Растения и микроорганизмы обладают способностью накапливать и удалять тяжёлые металлы из окружающей среды. [2] Наибольший интерес вызывают микроорганизмы, поскольку они являются рекордсменами по биоаккумуляции металлов [6], что делает возможным их применение для снижения негативного влияния.

Цель работы. Установить способность тяжёлых металлов, таких как кобальт и свинец, аккумулироваться в прокариотических штаммах и клетках микроорганизмов, обитающих в водоеме природного озера, находящегося в центре г. Симферополя. Изучить влияние этих тяжелых металлов на клетки микроорганизмов. Оценить жизнеспособность представителей пресноводного фито- и зоопланктона при загрязнении водной среды ионами тяжелых металлов – кобальта (II) (далее Co²⁺), свинца (II) (далее Рb²⁺).

В ходе выполнения работы решались задачи:

изучить и оценить влияние ионов Co²⁺ и Рb²⁺ в концентрациях равных и выше предельно допустимых концентраций (далее ПДК) в диапазоне 0,01−1,0 мг/л на жизнеспособность гидробионтов пресноводного водоема;

сравнить между собой воздействие исследуемых ионов тяжёлых металлов и определить, какой из них наиболее токсичен для микроорганизмов;

оценить способность гидробионтов аккумулировать из воды ионы Co²⁺ и Рb²⁺.

Методы и материалы. Для проведения нашего исследования использовались следующие методы: оптическая микроскопия, атомно-абсорбционная спектроскопия с электротермической атомизацией.

Принцип действия спектрометров основан на измерении резонансного поглощения (сигнала абсорбции) излучения на определенной длине волны свободными (нейтральными) атомами определяемого химического элемента. С помощью программного обеспечения, на основании предварительно установленной градуировочной характеристики, осуществляется количественное преобразование измеренного сигнала абсорбции в значение массы, с последующим расчетом массовой концентрации элементов в анализируемой пробе. Для устранения фонового (неселективного) поглощения в спектрометре реализован метод Зеемановской поляризационной спектрометрии с высокочастотной модуляцией.

В работе использовалась вода естественного пресноводного водоема г. Симферополя. Отбор воды произведен 12 мая 2022 года при её температуре 15 С.

Для приготовления растворов с определенной концентрацией Co²⁺ и Рb²⁺ использовались государственные стандартные образцы (ГСО): ГСО 7012-93 – водного раствора ионов Рb²⁺ и ГСО 8089-94 – водного раствора ионов Co²⁺.

При выборе таких металлов, как свинец и кобальт исходили из того, что они являются одними из наиболее распространённых и опасных загрязнителей окружающей среды, а также косвенно из того, что в повышенных концентрациях способны давать токсический эффект.

Новое направление очистки от тяжелых металлов промышленно-хозяйственных сточных вод и других природных сред связано с развитием биотехнологической отрасли промышленности. Основу микробиологической ремедиации составляют способы извлечения различных металлов из концентратов, горных пород и растворов с помощью ферментных систем микроорганизмов или их метаболитов [4].

Проводимая в настоящее время очистка стоков от тяжелых металлов химическими, физическими, электрохимическими способами дорога, громоздка, причем не всегда обеспечивается высокая степень очистки. Следует отметить, что при традиционных методах обезвреживания и озоления отходов затраты в разы превышают стоимость биологической очистки. Данная технология сочетает принципы гидро- и пирометаллургии, обходящиеся без высокой температуры, давления, заменяя их микробным катализом [4].

Для разработки эффективных методов биоаккумуляции металлов исследуются механизмы этого процесса ведется выделение активных штаммов бактерий, грибов и водорослей, подбираются микробные сообщества, выясняется влияние внешних условий на процесс биоаккумуляции.

Влияние тяжелых металлов на микроорганизмы

Тяжелые металлы делятся на четыре класса на основе показателя концентрации в среде:

часто встречающиеся микроэлементы с концентрациями между 100 нМ и 1 мкМ – Fe, Zn и Мо;

умеренно встречающиеся микроэлементы с концентрациями между 10 нМи 100 нМ – Ni, Сu, As, N, Mn, Sn и U;

редко встречающиеся микроэлементы – Со, Gе, Ag и Sb;

Cd, Cr, W, Ga, Tl, Hg и Pb – ниже уровня 1 нМ.

Другие элементы, например, Аu с концентрацией 55,8 нМ в морской воде, вряд ли станут микроэлементами.

Выбор металла для исследований был основан на относительной растворимости тяжелых металлов при физиологических условиях что обусловливает различия в биологической значимости и токсичности тяжелых металлов в отношении сродства к среде и других взаимодействий с макроэлементами в составе живых организмов. Из-за низкой растворимости трех- или четырехвалентные катионы Sn, Gе, Ga, Zr и Tl не имеют никакого биологического значения. Из оставшихся 17 тяжелых металлов: Fe, Мо и Мn важные микроэлементы с низкой токсичностью; Zn, Ni, Си, V, Со, W и Сг токсичные элементы с высокой-средней значимостью в качестве микроэлементов и As, Ag, Sb, Cd, Hg, Pb и U не имеют никакой полезной функции, но рассматриваются как токсины для клеток.

Таким образом, к тяжёлым металлам относятся: свинец, цинк, кадмий, ртуть, молибден, хром, марганец, никель, олово, кобальт, титан, медь, ванадий и другие [6]. Это металлы со сравнительно большой атомной массой, включаясь в круговорот веществ и накапливаясь в природной среде, ведут к её загрязнению и являются потенциально токсичными для всех живых организмов [4]. Большой интерес представляют металлы, которые широко используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относят свинец, ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьму, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк (Табл. 1).

Таблица 1

Биогеохимические свойства тяжёлых металлов

^*Условные обозначения: В– высокая, У – умеренная, Н – низкая

Исследовательская работа. Обсуждение результатов

12 мая 2022 года произведен отбор пробы воды (в стерильный пробоотборный пакет, объемом 1 л) из пресного природного озера, находящегося в центре города Симферополя. Температура воздуха 20 градусов, температура воды 15 градусов.

При исследовании методом оптической микроскопии в объекте микрофлора не была выявлена. Для ускорения роста микробиоты в исследуемый образец объемом около 250 мл был добавлен бульон Сабуро (используют для культивирования дрожжевых и плесневых грибов, а также кислотоустойчивых микроорганизмов) в количестве 40 мл.

Бульон Сабуро готовили путем варки из пептона ферментативного сухого (7,0 г), гидролизата соевой муки ферментативного (3,0 г), глюкозы кристаллической гидратной (40,0 г) и дистиллированной воды (до 1 л), с последующим автоклавированием при температуре 121С в течение 15 мин.

Через сутки, в поле зрения микроскопа c увеличением 600^× наблюдали появление бактерий – кокки, диплококки, цепочки кокков, палочки (Рис. 1, 2).

Рис. 1

Рис. 2

На четвертые сутки наблюдали появление инфузорий, при этом количество бактерий уменьшилось. Видовую принадлежность инфузорий определить не представлялось возможным, но четко можно было выделить два типа (Рис. 3):

подвижные с небольшим хвостиком, по своей морфологии напоминающие капли;

малоподвижные, округлые с большими вакуолями.

Рис. 3

На четвертые сутки эксперимента, отбирали по 50 мл исследуемой воды с питательной средой, содержащей колонии микроорганизмов, переносили в мерные колбы объемом 100 мл и вносили в каждую определенное количество ГСО для получения необходимой концентрации: Co²⁺ - 0,1, 0,5 и 1 мг/л, Рb²⁺ - 0,01, 0,1 и 1 мг/л, и доводили дистиллированной водой до объёма 100 мл. Дистиллированная вода предварительно подвергалась стерилизации в автоклаве. Полученные растворы разливали в стерильные пробирки объемом 15 мл, в трёх повторностях

Динамику изменения концентрации металлов исследовали методом атомно-абсорбционной спектроскопия с электротермической атомизацией.

Микроорганизмы культивировали в полученной среде с определенным содержанием ионов металлов в течение двух недель при комнатной температуре 20 - 22C. Для чистоты эксперимента опыт проводили в трех повторностях и с контрольными образцами: холостого раствора – раствора без внесения металлов и контрольный образец с известным содержанием определяемого элемента.

В определенные промежутки времени (начиная с нулевого часа, через сутки, через четверо, через семь дней и четырнадцать дней), отбирали исследуемую жидкость объемом 1,5 мл и центрифугировали на микроцентрифуге «Циклотемп-901» в течении 10 мин. со скоростью ротора 4000 об./мин. Определение концентрации металлов проводили в супернатанте, методом атомной абсорбционной спектроскопии на приборе МГА 1000 (Россия) с электротермической атомизацией. Полученные результаты представлены в Таблицах 2 и 3. За результат анализа по каждому элементу принималось среднее значение серии измерений.

Таблица 2

Изменение концентрации ионов свинца (II)

Таблица 3

Изменение концентрации ионов кобальта (II)

Рис. 4

Рис. 5

Параллельно, на протяжении всего эксперимента, с каждым отбором проб для измерения концентрации, исследуемые образцы воды из пробирок микроскопировали. В течении первых дней (после введения металлов) в исследуемых образцах наблюдали небольшое увеличение числа особей микроорганизмов. В пробирках с концентрацией кобальта 0,5 и 1 мг/л в поле микроскопа наблюдается появления дрожжей и нитчатых плесневых грибов. (Рис. 6)

Рис 6

Через семь дней в пробирке с концентрацией ионов свинца (II) 1 мг/л также появляются нити плесневого гриба. В пробирках с концентрацией ионов кобальта (II) 0,5 и 1 мг/л гифы гриба уже видно невооруженным глазом, причем в пробирке с большей концентрацией ионов кобальта, объем осадка в несколько раз больше, и он с каждым днем приобретает розовую окраску. Под микроскопом видно, что это вкрапления красноватого цвета в толще гиф. (Рис 7). В пробирках с концентрацией ионов свинца (II) 1 мг/л и кобальта (II) 0,5 и 1 мг/л, в поле зрения микроскопа наблюдались лишь единичные особи простейших и бактерий. В пробирках с концентрацией ионов до 0,1 мг/л и холостой пробе количество инфузорий уменьшается, бактерий уже нет совсем.

Рис. 7

Образование осадка наблюдалось во всех пробирках, содержащих микроорганизмы, но по характеру он сильно отличался. В пробирках без металлов, с концентрацией ионов кобальта (II) 0,1 мг/л и в пробирках, с содержанием ионов свинца (II) 0,01 и 0,1 мг/л, осадок представляет собой маслянистую тягучую субстанцию, при взбалтывании которой происходит помутнение всего объема раствора. Под микроскопом это остатки жизнедеятельности бактерий и простейших.

В пробирках с концентрацией ионов кобальта (II) 0,5 и 1 мг/л и с концентрацией ионов свинца (II) 1 мг/л, осадок представляет собой один клубок, при встряхивании которого, он не распадается на составные части. Причем в пробирках с большей концентрацией кобальта объем осадка в два раза превышал объемы осадков в пробирках с концентрацией ионов кобальта (II) 0,5мг/л и в четыре раза в пробирках с концентрацией ионов свинца (II) 1мг/л. Скорее всего повышенные концентрации оказали негативное влияние на инфузорий, которые не смогли расти и развиваться в таких условиях, что привело к возможности развития простейших грибов, причем из эксперимента видно, что с повышением концентрации ионов кобальта (II) создаются более благоприятные условия для их роста и развития.

В ходе эксперимента установлено, что пока в исследуемой воде присутствуют бактерии, а число инфузорий незначительное, идет резкое уменьшение концентрации ионов кобальта примерно на 20-30 процентов, при тех же условиях концентрация ионов свинца снижается всего на 12 процентов.

На четвертые сутки, при уменьшении количества бактерий в системах, концентрация кобальта почти не изменяется, концентрация свинца падает также незначительно.

На 7-14 сутки, в пробирках с концентрацией ионов свинца (II) не более 0,1 мг/л, извлечение составило чуть больше 25%, с концентрацией 1 мг/л - в районе 15 %; в случае с кобальтом – в пробирках с концентрацией ионов не более 0,1 мг/л процент извлечения практически не изменился, а вот в пробирках с высокими концентрациями (0,5 и 1 мг/л) извлечение составило от 40 до чуть более 55 процентов.

Снижение концентрации ионов металлов происходит скорее всего за счет их адсорбции осадком, представляющим собой остатки жизнедеятельности бактерий и простейших, а в том числе небольшое уменьшение концентрации объясняется адсорбцией на стенках пластиковых пробирок, что объясняет уменьшение концентрации ионов с течением времени в контрольных растворах. В пробирках с высокими концентрациями ионов кобальта (II), уменьшение концентрации связано с поглощением ионов гифами гриба.

Выводы

Исследования показали, что ионы кобальта (II) и свинца (II) в разной степени подавляют рост и развитие микробиоты в зависимости от концентрации и типа металла. Высокие концентрации металлов практически полностью приводят к гибели бактерий и инфузорий, но не влияют на простейшие плесневые грибы.

Сравнивая между собой воздействие на микроорганизмы ионов кобальта (II) и свинца (II), можно сделать вывод, что свинец – более токсичный элемент, чем кобальт и в большей степени подавляет размножение, рост и развитие всех микроорганизмов в воде. Кобальт же действует избирательно, более высокие концентрации кобальта усиливают рост и развитие простейших плесневых грибов.

Планктон, находившийся в воде при ее отборе, существенно не изменяет концентрации металлов, также, как и бактерии и простейшие грибы не позволили полностью удалить ионы металлов из исследуемой воды. За четырнадцать дней извлечение свинца (II) не превысило 30-ти процентов, извлечение кобальта (II) составило чуть более 55 процентов.

Список литературы:

Материалы Всероссийской конференции «Биотехнология в интересах экологии и экономики Сибири и Дальнего Востока», 2016.

Исследование влияния микро- и макроэлементов на организм человека и биоаккумуляции некоторых ионов тяжёлых металлов микроорганизмами. Никитина Ю.Е., Хамидуллин А.Р., Сапходоева О.И., Кучер М.И. Вольский военный институт материального обеспечения, Вольск Саратовской обл., 2013.

Материалы диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук влияние тяжелых металлов на представителей пресноводного фито- и зоопланктона в условиях засоления. Шилова Н.А. «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», 2014

Микробиологическая ремедиация природных систем от тяжелых металлов: Учеб.-метод. пособие / Т.В. Багаева, Н.Э. Ионова, Г.В. Надеева. – Казань: Казанский университет, 2013.

Роль микроорганизмов в очистке сточных вод от тяжелых металлов. Методическое пособие. – Оренбург: Оренбургский государственный университетт, 1999.

Тяжелые металлы в водной среде и их биологическое воздействие на живой организм. Ахметгалиева Г. А. студент, научный руководитель к.х.н., доцент Лыгин С. А., БФ БашГУ, г. Бирск.

Адаптация инфузорий paramecium multimicronucleatum к солям некоторых тяжелых металлов. A.E. Васин - Вестник СамГУ – Естественнонаучная серия. 2006 № 7.

СанПин 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и или безвредности для человека факторов среды обитания».