Влияние тяжелых металлов на развитие микроорганизмов закваски и способы детоксикации

Использование тяжелых металлов в различных современных технологиях металлургической промышленности, машиностроении, приборостроении, при изготовлении предметов бытового назначения, фармацевтической и др. видов промышленности привело к значительному загрязнению объектов окружающей среды этими токсичными элементами.

Ртуть – это ультрамикроэлемент малоизученного действия, это нейротоксин, и основная опасность, которую он представляет для здоровья, – это воздействие на головной мозг, особенно на мозг плода и новорожденных.

Кадмий снижает способность организма человека противостоять болезнями, обладает мутагенными и канцерогенными свойствами, отрицательно действует на наследственность.

Свинец – токсичность его проявляется в подавлении синтеза гемоглобина, ведущее к анемии, действии на нервные ткани и вегетативную нервную систему.

Микроэлементы могут не только активировать, но и ингибировать деятельность ферментов. Наиболее известный пример этому является действие высоких концентраций тяжелых металлов (серебра, свинца, ртути, кадмия) [41, 96]. Экспериментальные данные, полученные А.Л. Белоусовым и М.А. Маляровой, показывают, что при поступлении в исходное молоко соли кадмия в количествах от 0,005 до 5 мг/л затормозится нормальный процесс сквашивания в среднем от 8 до 23%, то есть произойдет нарушение микробиологических процессов при изготовлении кисломолочных продуктов. Одной из причин этого действия, очевидно, является блокирование ими тиоловых групп, обуславливающих активность целой группы ферментов.

Повышенное содержание меди и цинка также отрицательно влияет на технологический процесс. Удлиняется процесс сквашивания молока при выработке кисломолочных продуктов, замедляется развитие полезной микрофлоры, которая используется при выработке продуктов. Особенно отрицательное влияние оказывают многие металлы на качество творога и сыра. Наблюдается появление постороннего вкуса и запаха, консистенция творога мажущаяся, сыра – крошливая, что обесценивает продукт [423].

Современные методы удаления тяжелых металлов из молока основаны на ионообменных и электродиализных процессах. Для их осуществления созданы специальные аппараты – ионообменники и электродиализаторы, применение которых для очистки молока и молочных продуктов от тяжелых металлов требует немалых дополнительных вложений. Молочные заводы часто не могут приобретать и эксплуатировать подобные установки. В связи с этим интерес представляют работы, направленные на разработку тех-нологий, внедрение которых в производство не потребует больших капитальных вложений и высоких затрат в процессе работы.

По мнению ряда авторов, эффективным путем освобождения пищевого сырья от тяжелых металлов могут явиться разработка и подбор специальных технологий переработки. Представляется перспективным также подбор технологии переработки условно-пригодного молока на безбелковые сорта жировых продуктов [196].

В числе эффективных средств защиты от загрязнения ксенобиотиками, как самих сельскохозяйственных животных, так и получаемой от них продукции значится применение синтетических и природных сорбентов, обладающих уникальными адсорбционными и каталитическими свойствами.

Всероссийский институт животноводства, лаборатория экологических исследований в животноводстве разрабатывают методики получения пищевых продуктов, отвечающих нормативным требованиям, из загрязненного тяжелыми металлами цельного молока. Рассматривается возможность элиминации тяжелых металлов из животноводческой продукции с помощью различных сорбентов [183].

На явление адсорбции веществ из раствора впервые обратил внимание в 1785 г. русский академик Т.Е.Ловиц. Французский ученый Соссюр в 1814 г. нашел, что все пористые тела, т.е. тела с большой поверхностью, способны адсорбировать газы и что при этом обычно выделяется тепло. В конце XIX в. Гиббс разработал общую термодинамическую теорию адсорбции. В XX в. явление адсорбции подробно исследовали Ленгмюр, Поляни, Брунауэр, Де Бур, Л.Г. Гурвич, Н.А. Шилов, М.М. Дубинин, А.В. Киселев и другие ученые [104].

Сорбенты – твердые и жидкие вещества, применяемые для поглощения растворенных соединений, газов или паров. Термин «сорбент» включает в себя адсорбенты, абсорбенты, ионообменные материалы и комплексо-образователи.

Сорбент обладает способностью взаимодействовать и связываться с сорбатом. В многокомпонентных системах это взаимодействие позволяет выделить сорбент из общей смеси. Каждый из сорбентов имеет свои особенности и отличительные свойства.

Адсорбенты наиболее распространены среди сорбентов медицинского назначения, что обусловлено большим их разнообразием. Адсорбент удерживает адсорбированное вещество на границе раздела. Вещества могут адсорбироваться на границах раздела газ–жидкость или жидкость–жидкость, но наиболее важные в практическом отношении системы используют адсорбцию на границе раздела газа или жидкости с твердой фазой. Твердый адсорбент обычно применяется в виде гранул, имеющих пористое внутреннее строение. Внутренняя пористость очень развита, и, как правило, ее структура определяется пересекающимися порами малого диаметра. Удельная поверхность некоторых сорбентов достигает 1000 м²/г и более. Адсорбенты удерживают адсорбированные вещества силами физического или химического взаимодействия. Строго разделить все адсорбенты на физические и химические невозможно.

Твердые сорбенты могут быть порошкообразными и гранулированными [320]. Характеристики адсорбционных материалов включают:

1. Форму частиц, которые могут быть цилиндрическими, гранулированными, неправильной формы, порошкообразными, сферическими или иметь таблетированный вид.

2. Размеры частиц, приводимые в стандартных единицах, меш. Меш – число отверстий или ячеек на 1 линейный дюйм. Эта единица измерения характерна для материалов, которые просеивают через сита для разделения на фракции.

3. Оценку внутренней пористости – свойства адсорбента, которое определяется по поглощению воды или иной жидкости и выражается в виде отношения масс сухих и влажных частиц, %.

4. Насыпную плотность: массу сухого материала в единице объема, например, колонки, г/см³.

5. Величину плотности частиц – масса сухого материала в единице объема, занимаемого самими частицами без учета пустот между ними, г/см³.

6. Истинную плотность: собственно плотность химического соединения, из которого состоит адсорбент, г/см³.

7. Плотность влажного адсорбента, связанную с плотностью частиц и жидкости, заполняющей поры, г/см³.

8. Средний диаметр пор: измеряется в ангстремах.

9. Удельную поверхность пор: измеряется в м²/г сухого твердого адсорбента.

10. Адсорбционную емкость: выражают в г адсорбата на 1 кг сухого адсорбента.

Увеличивается число работ, посвященных биосорбции. Наиболее часто в качестве биологического сырья для адсорбции тяжелых металлов используют древесные опилки [104], модифицированные либо органическими соединениями, либо неорганическими. Описан способ извлечения тяжелых металлов из водных растворов бактерией Аlkaligenes eutrophus [614], которая способна адсорбировать самые разные ионы металлов.

В литературе встречаются данные о способности грибков, водорослей, морских ежей к извлечению тяжелых металлов. Используется также растительное сырье: семечки томатов, косточки винограда, шроты лекарственных растений и т.д. Очистка воды на высококачественных адсорбентах по экономическим соображениям практически неосуществима без регенерации материалов, поэтому последняя во многих случаях является неотъемлемой частью технологии.

Невозможность регенерации биоматериалов и, следовательно, сложность в утилизации отработанного адсорбента делают метод биосорбции экономически нецелесообразным.