Новые энергетические подходы использования отработанных биосорбентов микроводорослей Chlorella kessleri (Chlorellaceae, Chlorellales)

Рассматривается использование микроводорослей Chlorella kessleri ВКПМ А1-11 ARM (РФ, НПО «Алгобиотехнология») для экологических и энергетических целей. Приводятся результаты исследования применения биомассы микроводоросли C. kessleri в качестве биосорбента для очистки модельных сточных вод от ионов Cu2+ в статических условиях. Биосорбция – перспективная технология очистки промышленных стоков, содержащих в себе различные соединения тяжелых металлов, однако вопросы экономической выгоды использования биосорбентов, их экологическая безопасность и стоимость утилизации отработанных сорбентов подвергаются большому обсуждению. Предлагается утилизировать отработанный биосорбент, образующийся после очистки сточных вод от меди как дополнительное топливо. Концентрация меди в фильтрате определена методом колориметрического анализа с диэтилдитиокарбаматом натрия. Эффективность очистки и сорбционная емкость сухой массы C. kessleri получена расчетным путем. Максимальная сорбционная емкость к ионам Cu2+ составила 4.2 мг/г. Эффективность очистки достигала 87% при начальной концентрации ионов Cu2+ = 97 мг/л. Испытания по определению удельной теплоты сгорания биомассы C. kessleri и отработанных биосорбентов на ее основе проведены калориметрическим методом при помощи калориметра бомбы. Удельная теплота сгорания равна 22125 и 21674 кДж/кг соответственно. Приведено сравнение данных величин с традиционными энергоносителями. Разработана технологическая схема безотходного цикла использования C. kessleri для очистки сточных вод промышленных предприятий с получением в качестве конечных продуктов нескольких ценных ресурсов, таких как очищенная вода, энергетические р

1. ГОСТ 4388-72. Вода питьевая. Методы определения массовой концентрации меди. М. : Изд-во стандартов, 1986. 12 с.

2. Зибарев Н. В., Политаева Н. А., Андрианова М. Ю. Использование микроводорослей Chlorella sorokiniana (Chlorellaceae, Chlorellales) для очистки сточных вод пивоваренной промышленности // Поволжский экологический журнал. 2021. № 3. С. 262 – 271. https://doi.org/10.35885/1684-7318-2021-3-262-271

3. Ольшанская Л. Н., Собгайда Н. А., Валиев Р. Ш. Извлечение тяжелых металлов из загрязненных стоков с использованием адсорбентов и фитосорбентов // Экология и промышленность России. 2015. Т. 19, № 11. С. 18 – 23. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2015-11-18-23

4. Смятская Ю. А., Фазуллина А. А., Политаева Н. А., Жажков В. В., Павлушкина Ю. Е.,

5. Долбня И. В. Использование и утилизация сорбентов хитозан – остаточная биомасса микроводорослей Chlorella sorokiniana // Экология и промышленность России. 2019 а. Т. 23, № 9. С. 18 – 23. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-9-18-23

6. Смятская Ю. А., Фазуллина А. А., Политаева Н. А., Чусов А. Н., Безбородов А. А. Очистка сточных вод от ионов железа(III) остаточной биомассой микроводорослей Chlorella sorokiniana // Экология и промышленность России. 2019 б. Т. 23, № 6. С. 22 – 27. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2019-6-22-27 Физическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. М. : Советская энциклопедия, 1988 – 1990. Т. 1 – 2; Большая Российская энциклопедия, 1992 – 1998. Т. 3 – 5.

7. Abu Al-Rub F. A., El-Naas M. H., Ashour I., Al-Marzouqi M. Biosorption of copper on Chlorella vulgaris from single, binary and ternary metal aqueous solutions // Process Biochemistry. 2006. Vol. 41, iss. 2. P. 457 – 464. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2005.07.018

8. Banfalvi G. Cellular Effects of Heavy Metals. Dordrecht : Springer, 2011. 348 p. https://doi.org/10.1007/978-94-007-0428-2

9. Danouche M., El Ghachtouli N., El Arroussi H. Phycoremediation mechanisms of heavy metals using living green microalgae: Physicochemical and molecular approaches for enhancing selectivity and removal capacity // Heliyon. 2021. Vol. 7, iss. 7. Article number e07609. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e07609

10. Gupta S. K., Ansari F. A., Shriwastav A., Sahoo N. K., Rawat I., Bux F. Dual role of Chlorella sorokiniana and Scenedesmus obliquus for comprehensive wastewater treatment and biomass production for biofuels // Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 115. P. 255 – 264. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.12.040

11. Gupta V. K., Ali I., Saleh T. A., Nayak A., Agarwal S. Chemical treatment technologies for waste-water recyclingan overview // RSC Advances. 2012. Vol. 16. P. 6380 – 6388. https://doi.org/10.1039/c2ra20340e

12. Islam S. M. D., Huda M. E. Water Pollution by industrial effluent and phytoplankton diversity of Shitalakhya River, Bangladesh // Journal of Scientific Research. 2016. Vol. 8, no. 2. P. 191 – 198. https://doi.org/10.3329/jsr.v8i2.26402

13. Javanbakht V., Alavi S. A., Zilouei H. Mechanisms of heavy metal removal using microorganisms as biosorbent // Water Science & Technology. 2014. Vol. 69, no. 9. P. 1775 – 1787. https://doi.org/ 10.2166/wst.2013.718

14. Li R., Wen Y., Lin G., Meng C., He P., Wang F. Different sources of copper effect on intestinal epithelial cell: Toxicity, oxidative stress, and metabolism // Metabolites. 2019. Vol. 10, no. 1. Article number 11. https://doi.org/10.3390/metabo10010011

15. Makareviciene V., Sendzikiene E. Application of microalgae biomass for biodiesel fuel production // Energies. 2022. Vol. 15, no. 11. P. 1 – 33. https://doi.org/10.3390/en15114178

16. Malhotra N., Ger T. R., Uapipatanakul B., Huang J. C., Chen K. H., Hsiao C. D. Review of copper and copper nanoparticle toxicity in fish // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, iss. 6. Article number 1126. https://doi.org/10.3390/nano10061126

17. Milinki E., Molnár S., Kiss A., Virág D., Pénzes-Kónya E. Study of microelement accumulating characteristics of microalgae // Acta Botanica Hungarica. 2011. Vol. 53, iss. 1-2. P. 159 – 167. https://doi.org/10.1556/ABot.53.2011.1-2.15

18. Papirio S., Frunzo L., Mattei M. R., Ferraro A., Race M., D’Acunto B., Pirozzi F., Esposito G. Heavy metal removal from wastewaters by biosorption: Mechanisms and modeling // Sustainable Heavy Metal Remediation. Environmental Chemistry for a Sustainable World. Cham : Springer, 2017. Vol. 8. P. 25 – 63. https://doi.org/10.1007/978-3-319-58622-9_2

19. Pattnaik P., Dangayach G. S., Bhardwaj A. K. A review on the sustainability of textile industries wastewater with and without treatment methodologies // Reviews on Environmental Health. 2018. Vol. 33, iss. 2. P. 163 – 203. https://doi.org/10.1515/reveh-2018-0013

20. Petrovič A., Simonič M. Removal of heavy metal ions from drinking water by alginateimmobilised Chlorella sorokiniana // International Journal of Environmental Science and Technology. 2016. Vol. 13, iss. 7. P. 1761 – 1780. https://doi.org/10.1007/s13762-016-1015-2

21. Politaeva N., Kuznetsova T., Smyatskaya Y., Atamaniuk I., Trukhina E. Chlorella microalga biomass cultivation for obtaining energy in climatic conditions of St. Petersburg // International Scientific Conference Energy Management of Municipal Transportation Facilities and Transport EMMFT 2017 : Conference Proceedings. Series : Advances in Intelligent Systems and Computing. Cham : Springer, 2018. Vol. 692. P. 555 – 562. https://doi.org/10.1007/978-3-319-70987-1_59

22. Politayeva N. A., Smyatskaya Y. A., Dolbnya I. V., Kasobov L. S., Rakhimov D. B., Zaripova D. A. Research of pH influence on sorption properties of sorbents on a basis of residual biomass of microalgae Chlorella sorokiniana and duckweed Lemna minor // E3S Web of Conferences : International Scientific and Technical Conference Smart Energy Systems 2019 (SES-2019). 2019. Vol. 124. Article number 01050. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912401050

23. Politaeva N. A., Smyatskaya Y. A., Tatarintseva E. A. Using adsorption material based on the residual biomass of Chlorella sorokiniana microalgae for wastewater purification to remove heavy metal ions // Chemical and Petroleum Engineering. 2020. Vol. 55, no. 11-12. P. 907 – 912. https://doi.org/10.1007/s10556-020-00712-z

24. Politaeva N., Badenko V. Magnetic and electric field accelerate Phytoextraction of copper Lemna minor duckweed // PLoS ONE. 2021. Vol. 16, no. 8. Article number e0255512. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0255512

25. Rissoni Toledo A. G., Reyes Andrade J. C., Palmieri M. C., Bevilaqua D., Pombeiro Sponchiado S. R. Innovative method for encapsulating highly pigmented biomass from Aspergillus nidulans mutant for copper ions removal and recovery // PLoS ONE. 2021. Vol. 16, no. 11. Article number e0259315. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0259315

26. Sarwer A., Hamed S. M., Osman A. I., Jamil F., Al-Muhtaseb A. H., Alhajeri N. S., Rooney D. W. Algal biomass valorization for biofuel production and carbon sequestration: A review // Environmental Chemistry Letters. 2022. Vol. 20, iss. 5. P. 2797 – 2851. https://doi.org/10.1007/s10311-022-01458-1

27. Tawfik A., Ismail S., Elsayed M., Qyyum M. A., Rehan M. Sustainable microalgal biomass valorization to bioenergy: Key challenges and future perspectives // Chemosphere. 2022. Vol. 296. Article number 133812. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.133812

28. Vardhan K. H., Kumar P. S., Panda R. C. A review on heavy metal pollution, toxicity and remedial measures: Current trends and future perspectives // Journal of Molecular Liquids. 2019. Vol. 290. Article number 111197. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111197

29. Worch E. Adsorption Technology in Water Treatment : Fundamentals, Processes, and Modeling. Berlin ; Boston : De Gruyter, 2012. 332 p. https://doi.org/10.1515/9783110240238