Αλληλεπιδράσεις μετάλλων με μικροβιακή βιομάζα. Προσδιορισμός βιορόφησης ψευδαργύρου από μικροβιακή βιομάζα

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΣΤΗ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ Αλληλεπιδράσεις μετάλλων με μικροβιακή βιομάζα. Προσδιορισμός βιορόφησης ψευδαργύρου από μικροβιακή βιομάζα Θεωρητικό μέρος Εργαστηριακή άσκηση Μεταβολή της κινητικότητας του Me εξαιτίας αλλαγής του ph και pe Συστατικά που επιρεάζουν το ph και το pe Me Ενεργητική Μεταφορά Παθητική Μεταφορά Ισχυρά σύμπλοκα του Me Me Συστατικά που δεσμεύουν το Me Βακτηριακό κύτταρο Ασθενή σύμπλοκα του Me Me Σύνθετα οργανικά μόρια Συσσώρευση Μετάλλων ΒΙΟΡΟΦΗΣΗ Μεγαλομοριακά οργανικά σύμπλοκα ΒΙΟΣΥΝΘΕΣΗ ΒΙΟΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗ Απλά οργανικά μόρια Me Μικρά οργανικά σύμπλοκα Me ΑΛΚΥΛΙΩΣΗ ΑΠΑΛΚΥΛΙΩΣΗ Alkyl - Me Me ox ΑΝΑΓΩΓΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗ Me red Δρ. Μάριος Τσέζος, Καθηγητής ΕΜΠ Δρ. Εμμανουέλλα Ρεμουντάκη, Επ. Καθηγήτρια ΕΜΠ Δρ. Αρτίν Χατζηκιοσεγιάν, Ε.ΔΙ.Π. Δρ. Παυλίνα Κούση, Ε.ΔΙ.Π. Αθήνα 2014

2

3 Θεωρητικό μέρος Εισαγωγή Η εργαστηριακή αυτή άσκηση παρουσιάζει μία εφαρμογή της βιοϋδρομεταλλουργίας για την απομάκρυνση διαλυτών ειδών μετάλλων από βιομηχανικά απόβλητα επιβαρημένα με διαλυτά είδη μετάλλων, με στόχο την απαλλαγή των υγρών βιομηχανικών αυτών αποβλήτων από βαρέα και τοξικά μέταλλα και την ασφαλή τους διάθεση στους υδάτινους αποδέκτες. Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται συνοπτικά κύριες εφαρμογές της βιοϋδρομεταλλουργίας και οι κυριότεροι παράγοντες παράμετροι που τις καθορίζουν. Από την εικόνα αυτή φαίνεται ότι αλληλεπιδράσεις μετάλλων και μικροοργανισμών μπορεί να αξιοποιηθούν: 1. στη βιοεκχύλιση για την ανάκτηση μετάλλων από μεταλλεύματα με τη βοήθεια διαφόρων κυρίως θειοοξειδωτικών βακτηρίων. 2. στην απομάκρυνση των διαλυτών μεταλλικών ειδών από ρεύματα βιομηχανικών αποβλήτων. Σχήμα 1. Συνοπτική παρουσίαση των κύριων κατηγοριών εφαρμογών της βιοϋδρομεταλλουργίας: της βιοεκχύλισης και μηχανισμών δέσμευσης διαλυτών μετάλλων μέσω εφαρμογών θειοαναγωγικών βακτηρίων και βιορόφησης βιοσυσσώρευσης. 1

4 Επίσης, από το Σχήμα 1 φαίνεται ότι υπάρχουν τρεις ομάδες παραγόντων που καθορίζουν την αποτελεσματικότητα των διεργασιών αυτών: - Παράγοντες που αφορούν τα μέταλλα - Παράγοντες που αφορούν τους μικροοργανισμούς - Φυσικοχημικοί παράγοντες που αφορούν το περιβάλλον της διεργασίας Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται συνοπτικά όλες οι δυνατότητες αλληλεπίδρασης του μικροβιακού κυττάρου με μέταλλα. Παρατηρείστε πόσες πολλές είναι οι δυνατότητες και πολύπλοκες οι διεργασίες. Υπάρχουν διεργασίες οι οποίες οφείλονται στο μεταβολισμό του κυττάρου «μεταβολικές διεργασίες» και αντιστοιχούν στο πάνω μέρος του σχήματος, όπως π.χ. οι διεργασίες βιοεκχύλισης και βιοκαταβύθισης, και διεργασίες «παθητικές» οι οποίες λαμβάνουν χώρα είτε το κύτταρο είναι μεταβολικά ενεργό είτε όχι, όπως οι διεργασίες βιορόφησης, βιοσυσσωμάτωσης κ.λπ. Σχήμα 2. Βασικοί μηχανισμοί αλληλεπίδρασης μετάλλου με το μικροβιακό κύτταρο. Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης μικροοργανισμών με μέταλλα Η παρουσία των μικροοργανισμών στο περιβάλλον δύναται να επηρεάσει σημαντικά την κατανομή των μετάλλων σε αυτό, μεταξύ κινητής διαλυτής (mobile) και ακίνητης αδιάλυτης φάσης (immobile). Οι μικροοργανισμοί και ιδιαίτερα τα βακτήρια παρουσιάζουν ορισμένα χαρακτηριστικά που τα καθιστούν ιδανικά μέσα για το σχηματισμό μεταλλικών αποθέσεων στην 2

5 επιφάνειά τους. Τα βακτηριακά κύτταρα είναι εξαιρετικά μικρά σε μέγεθος, ιδιαίτερα σε περιβάλλον φτωχό σε θρεπτικά. Οι τυπικές διαστάσεις ενός ραβδόμορφου βακτηρίου είναι περίπου 0,5 μm σε διάμετρο με 1 μm μήκος. Εξαιτίας του μικρού τους μεγέθους, η ομάδα των βακτηρίων έχει την υψηλότερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο σε σχέση με οποιαδήποτε άλλη ομάδα ζωντανών οργανισμών (αναλογία επιφάνειας προς όγκο 10:1 για τα ραβδόμορφα, 5,8:1 για τα σφαιρικά και 16:1 για τα σπειροειδή) που, σε συνδυασμό με την παρουσία φορτισμένων χημικών ομάδων στην κυτταρική τους επιφάνεια, τα καθιστά εν δυνάμει πυρήνες σχηματισμού μεταλλικών αποθέσεων. Οι μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται σε πλανκτονική μορφή, αποτελούν ουσιαστικά αιωρούμενα σωματίδια, που ενδέχεται να παρουσιάζουν σημαντικά μεγαλύτερη ροφητική ικανότητα από το περιβάλλον στο οποίο αναπτύσσονται. Η παραγωγή τελικών μεταβολικών προϊόντων από τα κύτταρα, όπως OH, CO 2, H +, S 2, NH 3 κ.λπ., η δημιουργία συμπλοκοποιητικών μέσων ή η ανάπτυξη φορτίων στην επιφάνεια των κυττάρων επιδρούν στο χημισμό και τη διαλυτότητα των μετάλλων, οδηγώντας στο σχηματισμό πυρήνων και την ανάπτυξη κρυστάλλων όμοιων σε κρυσταλλική δομή και σύνθεση με αυτούς που σχηματίζονται κατά τον αβιοτικό σχηματισμό των ορυκτολογικών φάσεων. Τούτο είναι αναμενόμενο, καθώς ο βιολογικός σχηματισμός ορυκτών (biomineralization) ελέγχεται από τους ίδιους μηχανισμούς και είναι αντίστοιχος της φυσικής σύνθεσης των ορυκτών στο περιβάλλον. Ο βιολογικά επαγόμενος σχηματισμός φάσεων που περιέχουν μέταλλα είναι διαδικασία ιδιαίτερα συνηθισμένη στο περιβάλλον και άμεσα συνδεδεμένη με τις φυσικοχημικές ιδιότητες του περιβάλλοντος εντός του οποίου αναπτύσσονται τα κύτταρα. Οι αλληλεπιδράσεις μετάλλου μικροοργανισμών επηρεάζονται επίσης από την παρουσία άλλων συστατικών στο περιβάλλον, όπως ανόργανων ανιόντων, ανταγωνιστικών κατιόντων, ανόργανων και οργανικών συμπλοκοποιητικών μέσων, αιωρούμενων σωματιδίων κ.λπ. Υπό τις συνθήκες αυτές, το μέταλλο μπορεί να βρίσκεται σε ενυδατωμένη, συμπλοκοποιημένη ή προσροφημένη μορφή, γεγονός που το καθιστά λιγότερο επιρρεπές στις αλληλεπιδράσεις με τη μικροβιακή βιομάζα. Οι μικροοργανισμοί συμμετέχουν επίσης σε μεταβολικές διεργασίες μετασχηματισμού των ενώσεων του άνθρακα. Υπό τη σκοπιά αυτή, μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την κινητικότητα των μετάλλων καθώς αυτά σχηματίζουν οργανομεταλλικά σύμπλοκα με τις οργανικές ενώσεις. Η δομή, το μέγεθος και άλλα χαρακτηριστικά των οργανομεταλλικών ενώσεων καθορίζουν το βαθμό βιοχημικής προσβολής του οργανικού τμήματος από τη μικροβιακή βιομάζα και, άρα, έμμεσα της διαλυτότητας των μεταλλικών ιόντων που είναι χημικά συνδεδεμένα με αυτά. Άλλοι μηχανισμοί που αναπτύσσουν τα βακτήρια οδηγούν στην ενδοκυτταρική ή εξωκυτταρική δέσμευση των μετάλλων, στο χημικό μετασχηματισμό αυτών μέσω αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής ή στη συμπλοκοποιητική δράση ορισμένων πρωτεϊνικών μορίων που παράγουν (Σχήμα 2). Συσσώρευση μετάλλων από μικροβιακή βιομάζα: Βιορόφηση (Biosorption) / Βιοσυσσώρευση (Bioaccumulation) Οι μικροοργανισμοί συσσωρεύουν από το περιβάλλον τους μεταλλικά ιόντα μέσω παθητικών ή ενεργητικών μηχανισμών (Σχήμα 2). Με τον όρο βιορόφηση (biosorption), ορίζεται η παθητική δέσμευση μετάλλων ή ραδιοϊσοτόπων (radionuclides), κυρίως από την επιφάνεια της μικροβιακής βιομάζας, με φυσικοχημικούς μηχανισμούς, όπως η προσρόφηση. Σχεδόν όλα τα βιολογικά 3

6 μακρομόρια έχουν συνάφεια με τα μέταλλα και ειδικά με τα ραδιοϊσότοπα. Η επιφάνεια των κυττάρων αποτελείται από πλήθος διαφορετικών λειτουργικών ομάδων και εξωκυτταρικών πολυμερικών δομών που δεσμεύουν με παθητικούς μηχανισμούς μεταλλικά ιόντα. Σε περιβάλλον τιμών ph γύρω από την ουδέτερη τιμή, η κυτταρική επιφάνεια είναι γενικά αρνητικά φορτισμένη και για το λόγο αυτό έλκει και δεσμεύει μεταλλικά κατιόντα από το περιβάλλον. Στο μηχανισμό της βιορόφησης δεν είναι απαραίτητο να είναι ζωντανά τα κύτταρα. Έχει αποδειχθεί ότι ακόμη και νεκρά κύτταρα παρουσιάζουν ροφητικές ικανότητες, πολλές φορές ακόμη υψηλότερες από αυτές των ζωντανών, εξαιτίας της κυτταρικής αποικοδόμησης η οποία αυξάνει τον αριθμό των δραστικών ομάδων που έχουν την ικανότητα να δεσμεύσουν μεταλλικά ιόντα, αλλά και λόγω της εξάλειψης των πρωτονίων που παράγονται στην κυτταρική μεμβράνη και δρουν ανταγωνιστικά στη δέσμευση των μετάλλων. Ορισμένα μεταλλικά ιόντα, όπως το μαγγάνιο (Mn), το στρόντιο (Sr), το καίσιο (Cs), το κοβάλτιο (Co), ο ψευδάργυρος (Zn) κ.ά, μπορεί να μεταφερθούν στο εσωτερικό των προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών κυττάρων με εξειδικευμένους και μη εξειδικευμένους μηχανισμούς μεταφοράς. Τα στοιχεία αυτά δεσμεύονται ενδοκυτταρικά με ιδιαίτερη επιλεκτικότητα έναντι άλλων μεταλλικών ιόντων. Ο μηχανισμός αυτός ονομάζεται βιοσυσσώρευση (bioaccumulation) και παρατηρείται κυρίως σε μεταβολικά ενεργούς μικροοργανισμούς. Καθώς τα μέταλλα βρίσκονται στο εσωτερικό των κυττάρων μπορεί να σχηματίσουν χημικούς δεσμούς, να καθιζίσουν τοπικά σε ενδοκυτταρικές δομές ή να αποτελέσουν δομικά συστατικά άλλων δομών ανάλογα με το μέταλλο και το είδος του μικροοργανισμού. Η ιδιότητα των κυττάρων να δεσμεύουν («ακινητοποιούν») μεταλλικά ιόντα με διάφορους μηχανισμούς βρίσκει εφαρμογή στη βιολογική ανάκτηση πολύτιμων μετάλλων (biosorption / bioaccumulation) αλλά και στη βιοαποκατάσταση (bioremediation) του περιβάλλοντος με τη δέσμευση τοξικών μετάλλων. Μαθηματικά πρότυπα βιορόφησης Ο ποσοτικός προσδιορισμός της ροφητικής ικανότητας ενός μικροοργανισμού ως προς ένα μέταλλο μπορεί να γίνει με βάση τις ισόθερμες καμπύλες ρόφησης. Η μελέτη της ισορροπίας της διεργασίας της βιορόφησης έχει δείξει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν, και στην περίπτωση της βιορόφησης, καμπύλες όμοιες με τις ισόθερμες προσρόφησης αερίων σε στερεά υλικά. Όταν όλες οι παράμετροι που επηρεάζουν τη ροφητική ικανότητα της βιομάζας παραμείνουν σταθερές, η φόρτιση των κυττάρων εξαρτάται μόνο από τη συγκέντρωση ισορροπίας του μεταλλοκατιόντος. Τα απλά μοντέλα του Freundlich και του Langmuir έχει αποδειχθεί ότι περιγράφουν με ακρίβεια την ισορροπία της βιορόφησης για ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων. Μοντέλο Freundlich To μοντέλο του Freundlich ακολουθεί το γενικό τύπο: όπου 1/n q KC (1) 4

7 q Κ C η φόρτιση της βιομάζας (μάζα μετάλλου ανά μονάδα μάζας βιομάζας) η σταθερά της ισορροπίας, ενδεικτική της μέγιστης δυνατής φόρτισης η συγκέντρωση ισορροπίας του μετάλλου 1/n η σταθερά της ισορροπίας, ενδεικτική της έντασης του φαινομένου To μοντέλο του Freundlich εφαρμόζεται ευρέως λόγω του απλού μαθηματικού τύπου. Ακόμα το μοντέλο αυτό μπορεί εύκολα να παρασταθεί από μία ευθεία γραμμή της μορφής: 1 lnq lnk lnc n (2) που προκύπτει αν λογαριθμήσουμε το γενικό τύπο. Το μοντέλο του Freundlich περιγράφει την ισορροπία του μεταλλικού ιόντος μεταξύ στερεής (βιομάζα) και υγρής φάσης (διάλυμα), αλλά δεν προβλέπει κορεσμό της βιομάζας σε μέταλλο. Μοντέλο Langmuir Το μοντέλο του Langmuir ακολουθεί το γενικό τύπο: qbc o q 1 bc (3) όπου q q ο C b η φόρτιση της βιομάζας (μάζα μετάλλου ανά μονάδα μάζας βιομάζας) η μέγιστη φόρτιση της βιομάζας η συγκέντρωση ισορροπίας του μετάλλου η σταθερά της ισορροπίας, σχετική με την ενέργεια προσρόφησης Κι αυτό το μοντέλο μπορεί εύκολα να παρασταθεί με μία ευθεία γραμμή της μορφής: q qo qob C (4) Το μοντέλο του Langmuir βασίζεται σε μία σειρά παραδοχών: Η επιφάνεια αποτελείται από θέσεις προσρόφησης. Υπάρχουν αλληλεπιδράσεις μόνο μεταξύ μεταλλοκατιόντων ενεργών θέσεων και όχι μεταξύ των μεταλλικών ιόντων. Η προσρόφηση είναι μονοστρωματική. Η ενέργεια προσρόφησης είναι ίδια για όλες τις ενεργές θέσεις και ανεξάρτητη από την παρουσία ροφημένων ιόντων σε γειτονικές θέσεις. 5

8 Τα παραπάνω μοντέλα περιγράφουν την ισορροπία ρόφησης, στην περίπτωση που το διάλυμα περιέχει μόνο ένα είδος μεταλλοκατιόντων. Για πολυμεταλλικά διαλύματα, χρησιμοποιούνται περισσότερο σύνθετα μοντέλα προσρόφησης. Τα παραπάνω μαθηματικά πρότυπα περιγράφουν συνήθως ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα. Παρ όλα αυτά, έχουν μόνο μαθηματική σημασία, καθώς δεν δίνουν πληροφορίες για το μηχανισμό της βιορόφησης. Αυτό σημαίνει ότι η επιτυχής προσαρμογή των μοντέλων στα πειραματικά δεδομένα δεν συνεπάγεται ότι η παρατηρούμενη δέσμευση των μεταλλοκατιόντων οφείλεται αποκλειστικά και μόνο σε μηχανισμούς βιορόφησης. Η μείωση της αρχικής συγκέντρωσης του μετάλλου είναι δυνατό να οφείλεται και σε φαινόμενα όπως η βιοσυσσώρευση, η καταβύθιση ή η κρυστάλλωση. Η μορφή των ισόθερμων ρόφησης προκύπτει από τα αποτελέσματα πειραμάτων επαφής βιομάζας διαλύματος μετάλλου (Σχήμα 3). Σχήμα 3. Σχηματικό διάγραμμα της πειραματικής διαδικασίας για τον προσδιορισμό των ισόθερμων ρόφησης 6

9 Τα πειράματα αυτά πραγματοποιούνται σε κωνικές φιάλες που περιέχουν μεταλλοφόρο διάλυμα (όγκου V) γνωστής αρχικής συγκέντρωσης (C 0 ). Στις φιάλες αυτές προστίθενται διαφορετικές ποσότητες βιομάζας (m). Τα αιωρήματα αναδεύονται μέχρι να επέλθει ισορροπία μεταξύ στερεής και υγρής φάσης. Στη συνέχεια, το περιεχόμενο κάθε φιάλης φυγοκεντρείται και διηθείται ενώ το διήθημα αναλύεται ώστε να προσδιοριστεί η τελική συγκέντρωση (ισορροπίας) του μετάλλου (C e ). H φόρτιση q της βιομάζας (σε mg μετάλλου ανά g ξηρής βιομάζας) ισοδυναμεί με την απομάκρυνση του μετάλλου από το διάλυμα και υπολογίζεται σύμφωνα με τον τύπο: q (C C ) V m 0 e (5) που είναι ουσιαστικά ένα ισοζύγιο μάζας για το διαλελυμένο μέταλλο. Η τελική συγκέντρωση συνήθως διαφοροποιείται ανάλογα με την ποσότητα του προστιθέμενου βιοροφητικού υλικού. Τα πειραματικά αποτελέσματα σχεδιάζονται σε ένα διάγραμμα q C e. Η καμπύλη γραμμή που αντιστοιχεί σε αυτά τα σημεία ονομάζεται ισόθερμη ρόφησης. Μετά την επαφή του βιοροφητικού υλικού (βιομάζα) με το μεταλλοφόρο διάλυμα, σε ορισμένη θερμοκρασία, αποκαθίσταται ισορροπία μεταξύ των ροφηθέντων μεταλλοκατιόντων κι αυτών που παραμένουν στο διάλυμα σε ιοντική μορφή. Η ισόθερμη καμπύλη ρόφησης απεικονίζει τη βιοροφητική ικανότητα της βιομάζας, δηλαδή την ικανότητά της να δεσμεύσει το μεταλλοκατιόν, ως συνάρτηση της εναπομένουσας συγκέντρωσης του μετάλλου στο διάλυμα (συγκέντρωση ισορροπίας). Η μορφή της είναι συνήθως υπερβολική καθώς η φόρτιση της βιομάζας αυξάνει καθώς πλησιάζει την τιμή κορεσμού για υψηλές τιμές της συγκέντρωσης του μετάλλου. Η μέγιστη φόρτιση της βιομάζας είναι ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό γιατί φανερώνει τη συμπεριφορά του βιοροφητικού υλικού σε υψηλές συγκεντρώσεις ισορροπίας του μετάλλου. Εξίσου σημαντική είναι και η μορφή της ισόθερμης. Μία «απότομη» ισόθερμη σε χαμηλές συγκεντρώσεις μετάλλου σημαίνει μεγάλη συγγένεια του μετάλλου με τη βιομάζα, γεγονός που συνεπάγεται ότι η συγκεκριμένη βιομάζα θα έχει πολύ καλή συμπεριφορά (υψηλή απόδοση) σε χαμηλές συγκεντρώσεις μετάλλου. Πρέπει να τονιστεί ότι οι ισόθερμες ρόφησης απεικονίζουν μία κατάσταση ισορροπίας μεταξύ του ροφηθέντος και του εναπομείναντος μετάλλου στο διάλυμα. Όταν η ισορροπία αποκατασταθεί, το σύστημα παραμένει σε αυτήν την κατάσταση. Με βάση αυτό το σκεπτικό, καταλήγουμε στα εξής συμπεράσματα. Η αρχική συγκέντρωση του μετάλλου δεν παίζει ρόλο στον καθορισμό της ισορροπίας καθώς το ενδιαφέρον μας εστιάζεται στην εναπομένουσα συγκέντρωση μετάλλου στην ισορροπία. Η διεργασία της βιορόφησης απαιτεί ορισμένο χρόνο για να φθάσει σε ισορροπία. Ο απαιτούμενος αυτός χρόνος είναι μία παράμετρος που εξαρτάται από το σύστημα μετάλλουβιομάζας, οπότε για να προσδιοριστεί απαιτούνται κάθε φορά κινητικά πειράματα. 7

10 Πειραματικό μέρος Σκοπός της άσκησης: Μελέτη της αλληλεπίδρασης μικροβιακής βιομάζας με ένα μεταλλικό ιόν σε υδατικό διάλυμα. Αντιδραστήρια: ZnCl 2 αναλυτικής καθαρότητας. Βιομάζα: Ως μικροβιακή βιομάζα, χρησιμοποιούμε το μύκητα Fusarium Oxysporum σε ξηρή μορφή. Συσκευές Σκεύη: Αναλυτικός ζυγός, συσκευή μέτρησης ph, κωνικές φιάλες 250 ml, ογκομετρικές φιάλες 50 ml, αυτόματη πιπέτα μεταβλητού όγκου 1 5 ml, συσκευή διήθησης υπό κενό, φίλτρα διαμέτρου οπών 0,45 μm, συσκευή ανάδευσης κωνικών φιαλών με περιστροφική βάση, φασματοφωτόμετρο επαγωγικού πλάσματος (ICP). Προετοιμασία διαλυμάτων: Ζυγίζουμε στον αναλυτικό ζυγό 0,52 g ZnCl 2 και τα διαλύουμε σε 250 ml απιονισμένου νερού. Το διάλυμα που προκύπτει έχει συγκέντρωση ιόντων Zn mg/l. Παρασκευάζουμε σε ογκομετρικές φιάλες πέντε διαλύματα επαφής Zn 2+ με αρχικές συγκεντρώσεις 100, 80, 60, 40 και 20 mg/l σε Zn 2+. Για το σκοπό αυτό, αραιώνουμε το αρχικό μας διάλυμα σε αναλογίες 5/50, 4/50, 3/50, 2/50 και 1/50 προσθέτοντας σε κάθε ογκομετρική φιάλη 5, 4, 3, 2, και 1 ml αντίστοιχα, και συμπληρώνουμε απιονισμένο νερό μέχρι τα 50 ml. Ελέγχουμε το ph των διαλυμάτων και, αν χρειάζεται, ρυθμίζουμε την τιμή του με προσθήκη αραιού ΗCl οξέος προκειμένου να εξασφαλίσουμε ότι το σύνολο του Zn είναι σε διαλυτή μορφή. Πειραματική διαδικασία: Σε αναλυτικό ζυγό, ζυγίζουμε πέντε φορές ξηρή βιομάζα 25 mg περίπου και την προσθέτουμε σε αντίστοιχες κωνικές φιάλες. Φέρουμε τα μεταλλοφόρα διαλύματα σε επαφή με τη βιομάζα και κλείνουμε τις κωνικές φιάλες. Αναδεύουμε τις κωνικές φιάλες σε συσκευή ανάδευσης στις 250 στροφές/λεπτό στους 25 C, μέχρι να αποκατασταθεί η ισορροπία * των ιόντων Zn 2+ μεταξύ υγρής και στερεής φάσης. Μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας, διαχωρίζουμε τη βιομάζα από την υγρή φάση με συσκευή διήθησης υπό κενό και με τη χρήση φίλτρων διαμέτρου οπών 0,45 μm. Στο διήθημα, μετράμε το τελικό ph και προσδιορίζουμε τη συγκέντρωση του διαλυτού Zn που έχει απομείνει με τη μέθοδο της φασματομετρίας επαγωγικού πλάσματος (ICP). Αποτελέσματα: Καταγράφουμε τα αποτελέσματα των μετρήσεων με τη μορφή του ακόλουθου πίνακα (οι τιμές που αναφέρονται στον πίνακα είναι ενδεικτικές). * Ο χρόνος ανάδευσης που απαιτείται για να αποκατασταθεί η ισορροπία καθορίζεται από πειράματα κινητικής κατά τα οποία προσδιορίζεται η μεταβολή της συγκέντρωσης του Zn στην υγρή φάση σε συνάρτηση με το χρόνο επαφής. 8

11 Πίνακας 1. Πειραματικά δεδομένα βιορόφησης Zn 2+ από τη μικροβιακή βιομάζα Fusarium Oxysporum. Φιάλη Ποσότητα βιομάζας (mg) Αρχική συγκέντρωση Zn (mg/l) Αρχικό ph Τελική συγκέντρωση Zn (mg/l) Τελικό ph 1 25, ,697 84,05 5, ,8 80 5,697 64,50 5, ,5 60 5,697 43,60 5, ,0 40 5,697 27,22 5, ,2 20 5,697 11,97 5,255 Επεξεργασία αποτελεσμάτων: Από τα πειραματικά δεδομένα, υπολογίζουμε τη φόρτιση της βιομάζας σε Zn από τη σχέση: q (C C ) V m 0 e (6) όπου: C 0 η αρχική συγκέντρωση του Zn στο διάλυμα επαφής C e η τελική συγκέντρωση του Zn στο διάλυμα επαφής (συγκέντρωση ισορροπίας) V ο όγκος του διαλύματος επαφής m η ποσότητα της βιομάζας Για παράδειγμα, για την περίπτωση της φιάλης 3, έχουμε: (C0 C e) V (60 43,60) mg /L 50 ml (1 L /1000mL) q 28,77 mgzn/g ά m 28,5 mg (1000 mg / g) (7) Μετά την επεξεργασία των αποτελεσμάτων, διαμορφώνουμε τον ακόλουθο πίνακα (οι τιμές που αναφέρονται στον πίνακα είναι ενδεικτικές): Πίνακας 2. Επεξεργασία πειραματικών αποτελεσμάτων βιορόφησης Zn 2+ από τη μικροβιακή βιομάζα Fusarium Oxysporum. Φιάλη Ποσότητα βιομάζας (mg) Αρχική συγκέντρωση Zn (mg/l) Τελική συγκέντρωση Zn (mg/l) Φόρτιση βιομάζας (mg Zn/g βιομάζας) m C 0 C e q 1 25, ,05 30, , ,50 30, , ,60 28, , ,22 24, , ,97 15,93 9

12 Με τα δεδομένα του προηγούμενου πίνακα, σχεδιάζουμε τα πειραματικά δεδομένα q C e q (mg Zn / g βιομάζας) Πειραματικά δεδομένα C (mg/l) Σχήμα 4. Πειραματικά δεδομένα βιορόφησης Zn 2+ από το μύκητα Fusarium Oxysporum. Προκειμένου να υπολογίσουμε τις σταθερές των ισοθέρμων, χρειάζεται να κάνουμε τη γραμμικοποίησή τους όπως ακολούθως. Πίνακας 3. Επεξεργασία πειραματικών αποτελεσμάτων για τη γραμμικοποίηση της ισοθέρμου Freundlich. Τελική συγκέντρωση Zn (mg/l) Φόρτιση βιομάζας (mg Zn/g βιομάζας) C e ln(c e ) q ln(q) 84,05 4,431 30,79 3,427 64,50 4,167 30,04 3,402 43,60 3,775 28,77 3,359 27,22 3,304 24,57 3,202 11,97 2,482 15,93 2,768 Πίνακας 4. Επεξεργασία πειραματικών αποτελεσμάτων για τη γραμμικοποίηση της ισοθέρμου Langmuir. Τελική συγκέντρωση Zn (mg/l) Φόρτιση βιομάζας (mg Zn/g βιομάζας) C 1/C q 1/q 84,05 0, ,79 0, ,50 0, ,04 0, ,60 0, ,77 0, ,22 0, ,57 0, ,97 0, ,93 0,

13 4,0 3,5 3,0 ln(q) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Πειραματικά δεδομένα Eυθεία ελαχίστων τετραγώνων Freundlich 1 lnq lnk lnc n ln k = 1,9954 => k = 7,355 1/n = 0,3404 R 2 = 0,8926 0,0 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 ln(c) Σχήμα 5. Γραμμικοποίηση ισοθέρμου Freundlich. 0,07 0,06 0,05 1/q 0,04 0,03 0,02 0,01 Πειραματικά δεδομένα Ευθεία ελαχίστων τετραγώνων Langmuir q qo qob C 1/q 0 = 0,02603 => q 0 = 38,417 1/q 0 b = 0,43271 => b = 0,0602 R 2 = 0, ,00 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 1/C Σχήμα 6. Γραμμικοποίηση ισοθέρμου Langmuir. 11

14 Στο Σχήμα 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της γραμμικοποίησης του μοντέλου Freundlich από όπου προκύπτουν οι τιμές των παραμέτρων k=7,355 και 1/n=0,3404. Αντιστοίχως, στο Σχήμα 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της γραμμικοποίησης του μοντέλου Langmuir. Από τα αποτελέσματα προκύπτουν οι τιμές των παραμέτρων q 0 =38,417 mg/g και b=0,0602 (mg/l) 1. Στο Σχήμα 7 παρουσιάζεται η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις προβλέψεις των μοντέλων Langmuir και Freundlich στην περιοχή των συγκεντρώσεων ισορροπίας που μελετάμε q (mg Zn / g βιομάζας) Πειραματικά δεδομένα Ισόθερμη Freundlich Ισόθερμη Langmuir C (mg/l) Σχήμα 7. Σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις ισόθερμες Freundlich και Langmuir. Συμπεράσματα: Τα ενδεικτικά πειραματικά δεδομένα προσομοιάζονται καλύτερα (συγκριτικά υψηλότερο R 2 ) με το μοντέλο Langmuir επειδή δείχνουν μια τάση κορεσμού της βιομάζας σε Zn στην περιοχή συγκεντρώσεων ισορροπίας που εξετάσαμε. Στις συνθήκες του πειράματος, η μέγιστη φόρτιση της βιομάζας είναι της τάξης των 30 mg/g για τον ψευδάργυρο. Απαιτούνται λεπτομερέστερα και διαφορετικού σχεδιασμού πειράματα προκειμένου να μελετηθεί ο μηχανισμός της ρόφησης και η φύση των μεταλλικών αποθέσεων του Zn στη βιομάζα του μύκητα Fusarium Oxysporum. (Remoudaki et al., 2003; Tsezos et al., 1982a; b; Tsezos, 1990; Tsezos et al., 1995; 1996; Tsezos et al., 1997; Tsezos, 2001; 2007; Tsezos et al., 2007; Tsezos, 2009; Tsezos, 2014) 12

15 Προτεινόμενη βιβλιογραφία 1. Tsezos, M. & Volesky, B. (1982a). The mechanism of thorium biosorption by Rhizopus arrhizus. Biotechnology and Bioengineering 24(4): Tsezos, M. & Volesky, B. (1982b). The mechanism of uranium biosorption by Rhizopus arrhizus. Biotechnology and Bioengineering 24(2): Tsezos, M. (1990). Biosorption of radioactive species. in: Volesky, B. (Ed.) Biosorption of heavy metals. Florida: CRC Press, pp Tsezos, M., Remoudaki, E. & Angelatou, V. (1995). A systematic study on equilibrium and kinetics of biosorptive accumulation. The case of Ag and Ni. International Biodeterioration & Biodegradation 35(1 3): Tsezos, M., Remoudaki, E. & Angelatou, V. (1996). A study of the effects of competing ions on the biosorption of metals. International Biodeterioration & Biodegradation 38(1): Tsezos, M., Georgousis, Z. & Remoudaki, E. (1997). Ionic competition effects in a continuous uranium biosorptive recovery process. Journal of Chemical Technology & Biotechnology 70(2): Tsezos, M. (2001). Biosorption of metals. The experience accumulated and the outlook for technology development. Hydrometallurgy 59(2 3): Remoudaki, E., Hatzikioseyian, A., Kousi, P. & Tsezos, M. (2003). The mechanism of metals precipitation by biologically generated alkalinity in biofilm reactors. Water Research 37(16): Tsezos, M. (2007). Biological removal of ions: Principles and applications. in: Schippers, A., Sand, W., Glombitza, F. & Willscher, S. (Eds.), Biohydrometallurgy: From the Single Cell to the Environment, Proceedings of the International Biohydrometallurgy Symposium IBS 2007, Munich, Germany. Trans Tech Publications Ltd.: pp Tsezos, M., Remoundaki, E. & Hatzikioseyian, A. (2007). Bioprocessing Principles and applications for metal immobilization from waste water streams. in: Cox, M., Negre, P. & Yurramendi, L. (Eds.), A Guide Book on the Treatment of Effluents from the Mining/Metallurgy, Paper, Plating and Textile Industries. Spain: INASMET Tecnalia, pp Tsezos, M. (2009). Metal Microbes interactions: beyond environmental protection. in: Donati, E.R., Viera, M.R., Tavani, E.L., Giaveno, M.A., Lavalle, T.L. & Chiacchiarini, P.A. (Eds.), Biohydrometallurgy: A meeting point between microbial ecology, metal recovery processes and environmental remediation, Proceedings of the International Biohydrometallurgy Symposium IBS 2009, Bariloche, Argentina. Trans Tech Publications Ltd.: pp Tsezos, M. (2014). Biosorption: A mechanistic approach. in: Schippers, A., Glombitza, F. & Sand, W. (Eds.), Geobiotechnology I. Metal related issues. Springer Berlin Heidelberg, pp