Анотація до роботи:

Керносенко Л.О. Колоїдно-хімічні процеси біотрансформації важких металів у грунті. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.11 – колоїдна хімія. Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф.Д. Овчаренка НАН України, Київ, 2003.

Дисертацію присвячено вивченню колоїдно-хімічних процесів мікробної трансформації важких металів у забрудненому грунті під впливом металорезистентних спеціалізованих бактерій, які в процесі свого розвитку змінюють стан металів та властивості самого грунту.

Проведено дослідження колоїдно-хімічних процесів біотрансформації урану (VI), Cu, Co, Sr у природному опідзоленому грунті під впливом клітинних метаболітів, які утворюються при розвитку металорезистентних культур та мають комплексоутворюючу активність по відношенню до металів: цитринова кислота та екзополісахариди при метаболізмі глюкози, вуглекислота та екзополісахариди – ацетату. Показано, що вилужування металів із грунту в процесі мікробного метаболізму органічних субстратів різної природи відбувається більш ефективно у вигляді водорозчинних цитратних комплексів, ніж гідроксидно-карбонатних колоїдних осадів (мідь, кобальт, стронцій) або водорозчинних карбонатних комплексів (ураніл). Ефективність біовилужування металів зменшується в ряду: U(VI) > Cu > Co > Sr. Продемонстрована можливість біологічного руйнування цитратних та фульватних комплексів металів Ca, Mg, Zn, Sr, Ni, Cu, Co, уранілу, що супроводжується переходом важких металів у колоїдну форму, яка представлена нерозчинними екологічно безпечними карбонатами та гідроксидами.

Розроблено принципи ефективної колоїдно-хімічної біотехнології очищення природного грунту від важких металів та радіонуклідів.

1. Проведено систематичні дослідження колоїдно-хімічних процесів біологічної трансформації металів: урану (VI), міді, кобальту та стронцію у темно-сірому опідзоленому грунті. Встановлено, що вилужування металів із грунту клітинними метаболітами відбувається ефективно у вигляді водорозчинних цитратних комплексів та, менш ефективно, гідроксидно-карбонатних колоїдних осадів (мідь, кобальт, стронцій) або водорозчинних карбонатних комплексів (ураніл). Отримані дані відкривають можливість направленого регулювання рухомості важких металів у грунті шляхом підбору джерел вуглецю та мікробних культур.

2. Вивчено сорбцію урану (VI), міді, кобальту, стронцію опідзоленим грунтом. Показано, що сорбція урану з індивідуальних розчинів зменшується в ряду: U(VI)>Cu>Co>Sr. Отриманий ряд селективності зберігається під час сорбції із розчинів, які містять суміші металів в еквімолярних концентраціях на фоні зменшення величин питомої сорбції як результат конкуренції між ко-іонами.

3. Досліджено вилужування металів із грунтів забруднених індивідуальними металами та їх сумішами. Показано, що в обох випадках метаболітне вилужування металів знижується в ряду: U(VI)>Cu>Co>Sr. Ефективність процесу вилучення індивідуальних компонентів зменшується на 20-25 % за наявністю в грунті або воді їх сумішей.

4. Вивчено колоїдно-хімічні процеси біологічного руйнування цитратних та фульватних комплексів металів (Ca, Mg, Zn, Sr, Ni, Cu, Co, уранілу). Встановлено, що в результаті біотрансформації вказані комплекси переходять із розчинної форми у колоїдну, яка представлена практично нерозчинними карбонатами та основними солями у випадку цитратних комплексів, а під час руйнування фульватів – субстратами на основі простих органічних кислот. Особливістю біологічного руйнування вказаних водорозчинних органокомплексів порівняно з хімічним процесом є те, що основним фактором стає не хімічна стійкість комплексу, а токсичність координуючого металокомплексу.

5. Встановлено, що під час росту металорезистентних культур Bacillus cereus BKM 4368 (на глюкозі) та Alcaligenes eutrophus CH 34 (на ацетаті) утворюються метаболіти, які мають розчинну та комплексоутворюючу активність по відношенню до металів: цитринова кислота та екзополісахариди під час росту на глюкозі, вуглекислота та екзополісахариди – на ацетаті.

6. Показано, що в результаті біовилужування металів із грунту суттєво змінюється його дисперсний склад за рахунок процесу агрегування грунтових колоїдів. Встановлено, що швидкість седиментації збільшується вдвічі при використанні клітин, які метаболізують глюкозу порівняно з розчином ацетату та в шість разів у порівнянні з вихідним грунтом. Цей факт пов`язаний із флокулюючою дією екзополісахаридів, що виділяються клітиною.

7. Розроблено принципи ефективної колоїдно-хімічної біотехнології очищення природного грунту від важких металів та радіонуклідів у двох варіантах: стаціонарному (in situ) та з його видаленням й обробкою у біореакторі (ex situ), які рекомендовано для використання при різних ступенях забруднення. Процес базується на інтродукції у грунт спеціальних штамів металорезистентних бактерій і трансформації токсичних металів у водорозчинні форми, які легко вилучаються із грунту. В першому випадку за тривалістю обробки до 10-14 діб ефективність очистки складала 90-92% (Cu, Co); в другому протягом 18-24 годин було досягнуто вилучення 99% U(VI), 95% Сu, 94,0% Co та 90% Sr.

8. З метою практичної реалізації розробленої технології було досліджено дешеві та доступні джерела поживних середовищ для технологічного штаму бактерій B.cereus BKM 4368. Показано, що висока ефективність вилучення металу із грунту (вище 90%) досягається при використанні стічних вод цукрового виробництва як джерела біогенних елементів.

Основні результати дисертації викладено в роботах:

1. Никовская Г.Н., Ульберг З.Р., Коваль Л.А. (Керносенко Л.А.) Коллоидно-химические процессы в биотехнологии извлечения тяжелых металлов из почвы // Коллоидный журнал. – 2001. – Т. 63. – №6. – С. 820-824. (Постановка та проведення експерименту, участь у трактуванні результатів досліджень та написанні статті).

2. Никовская Г.Н., Ульберг З.Р., Коваль Л.А. (Керносенко Л.А.), Надел Л.Г., Стрижак Н.П. Некоторые коллоидно-химические аспекты биотрансформации цитратных комплексов тяжелых металлов // Коллоидный журнал. – 2002. – Т. 64. – №4. – С. 518-523. (Проведення експерименту та участь у трактуванні результатів досліджень).

3. Никовская Г.Н., Коваль Л.А. (Керносенко Л.А.), Ульберг З.Р., Максимчук А.Г. Очистка почвы от меди и кобальта с помощью металлорезистентной культуры B.cereus BKM 4368 // Наукові вісті Національного технічного університету України. – 2000. – №3. – С. 150-153. (Проведення експерименту, участь в обговоренні результатів досліджень та написанні статті).

4. Коваль Л.О. (Керносенко Л.О.) Біохімічні аспекти ремедіації грунтів, забруднених важкими металами та радіонуклідами // Укр. біохім. журнал. – 2002. – Т.74. – №4. – С. 155-156. (Проведення експерименту, інтерпретація результатів досліджень та написання статті).

5. Патент України 58557, МКІ 6 А 01 N 25/00, C 02 F 1/28. Спосіб очищення грунту від важких металів та радіонуклідів /Ніковська, Г.М., Ульберг З.Р., Коваль Л.О. (Керносенко Л.О.) (Україна). – Бюл. №8. – 15.08.03. – I частина. (Участь у проведенні експерименту та оформленні Патенту).

6. Коваль Л.А. (Керносенко Л.А.) Разработка микробиологического метода очистки почвы от тяжелых металлов // Тези доповідей учасників III всеукраїнської науково-практичної конференції молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство». - Київ: Національний технічний університет України «КПІ». – 2000. – С. 105-106. (Постановка та проведення експерименту, обговорення результатів досліджень та написання статті).

7. Kernosenko M., Nikovskaya G., Ulberg Z. Colloidal and chemical bitransformation of heavy metal citrate complexes // Abstracts of the 4^th International Conference on Carpathian Euroregion Ecology «Cereco 2003». – Hungary, Miskolc-Tapolca. – 2003. – P. 73. (Проведення експерименту, трактування його результатів та написання тез та доповіді).

8. Nikovskaya G., Gruzina T., Ulberg Z., Koval M. (Kernosenko M.) Novel approaches to bioremediation and monitoring of soils contaminated by heavy metals and radionuclides // Abstracts of the 2^th International Conference «Role of interfaces in environmental protection». – Hungary, Miskolc-Lillafred. – 2002. – P. 28. (Постановка та проведення експерименту, участь у написанні статті).

9. Никовская Г.Н., Коваль Л.А. (Керносенко Л.А.), Стрижак Н.П., Ульберг З.Р. Микробное разложение органокомплексов тяжелых металлов // Вісник Одеського Національного університету. – 2001. – Т. 6. - вып. 4. – С. 63-67. (Проведення експерименту, участь у трактуванні його результатів та написанні статті).